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Determinazione del contenuto di umidità del suolo

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Determination of Moisture Content in Soil

2.10: Water Quality Analysis via Indicator Organisms

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06:16 min

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April 30, 2023

Overview

Fonte: Laboratori del Dr. Ian Pepper e del Dr. Charles Gerba – Università dell’Arizona
Autore dimostrativo: Bradley Schmitz

I terreni normalmente contengono una quantità finita di acqua, che può essere espressa come “contenuto di umidità del suolo”. Questa umidità esiste all’interno degli spazi dei pori tra gli aggregati del suolo (spazio dei pori inter-aggregati) e all’interno degli aggregati del suolo (spazio dei pori intra-aggregato) (Figura 1). Normalmente questo spazio dei pori è occupato da aria e / o acqua. Se tutti i pori sono occupati dall’aria, il terreno è completamente asciutto. Se tutti i pori sono riempiti d’acqua, si dice che il terreno sia saturo.

Figura 1. Spazio dei pori nel terreno.

Principles

Negli ambienti naturali all’aperto, l’acqua viene aggiunta al suolo attraverso la pioggia o l’irrigazione deliberata delle piante. In entrambi i casi, l’umidità del suolo aumenta man mano che più pori si riempiono di acqua a scapito dell’aria. Se tutti i pori si riempiono d’acqua, l’acqua in eccesso ora si percola verso il basso (Figura 2) attraverso i pori continui del suolo, fino a quando la pioggia o l’irrigazione cessano. La lisciviazione continuerà fino a quando i film d’acqua all’interno dei pori saranno trattenuti dalla tensione superficiale dei colloidi del suolo contro la forza di gravità. Tale situazione è indicata come il suolo che si trova a “capacità di campo” rispetto all’umidità del suolo. Un terreno a capacità di campo ha pori parzialmente riempiti d’aria, circondati da film di umidità del suolo. Normalmente un terreno a capacità di campo è ottimale per la crescita delle piante e i microrganismi aerobici del suolo, poiché sono disponibili sia aria che acqua. Al contrario, un terreno saturo creerà condizioni anaerobiche impigliate d’acqua che possono uccidere le piante e sopprimere i microbi aerobici del suolo, stimolando i microbi anaerobici.

Figura 2. Lisciviazione dei nutrienti nel terreno.

Considera un campione di terreno umido all’interno di un contenitore come un becher. Il peso del terreno umido è costituito dal peso delle particelle di terreno secco più il peso dell’acqua all’interno del terreno. Se più acqua viene aggiunta al terreno, il peso umido del terreno aumenta. Il peso secco delle particelle di terreno all’interno del campione è fisso, cioèun peso che è il peso secco. Al contrario, ci sono un numero infinito di pesi umidi, a seconda di quanta acqua viene aggiunta al terreno. Per questo motivo, quando si fanno esperimenti di laboratorio con il suolo, il contenuto di umidità del terreno è normalmente espresso su una base di peso secco, perché il peso secco è costante nel tempo, mentre il peso umido o umido può cambiare nel tempo. Quando si esprimono i risultati di un esperimento come il contenuto di nutrienti di un terreno, l’uso della base del peso secco fornisce la standardizzazione del risultato finale.

Procedure

Pesare entrambi i piatti in alluminio.
Aliquotare circa 50 g di terriccio umido in ogni piatto di alluminio e ripesare i piatti. Quindi, il peso umido del campione di terreno è ora noto.
Asciugare il terreno durante la notte a 105 °C nel forno.
Togliere i piatti dal forno e lasciarli raffreddare.
Ripesare i piatti più il terreno asciutto del forno. Ora il peso del terreno asciutto è noto.

La quantità di acqua trattenuta nel suolo è una componente importante dei processi biologici ed ecologici e viene utilizzata in applicazioni come l’agricoltura, la prevenzione dell’erosione, il controllo delle inondazioni e la previsione della siccità.

I terreni contengono in genere una quantità finita di acqua, che può essere espressa come contenuto di umidità del suolo. L’umidità esiste nel suolo all’interno degli spazi dei pori tra gli aggregati del suolo, chiamato spazio dei pori inter-aggregati, e all’interno dei pori negli stessi aggregati del suolo, chiamati spazio dei pori intra-aggregati. Se lo spazio dei pori è occupato interamente dall’aria, il terreno è completamente asciutto. Se tutti i pori sono riempiti d’acqua, il terreno è saturo.

La misurazione della quantità di acqua contenuta all’interno del suolo, o del contenuto di umidità del suolo, è essenziale per la comprensione delle caratteristiche del suolo e dei tipi di piante e microrganismi che risiedono in esso.

Questo video introdurrà le basi del contenuto di umidità del suolo e dimostrerà la procedura per determinare il contenuto di umidità in laboratorio.

Negli ambienti esterni, l’acqua viene aggiunta al suolo naturalmente attraverso le piogge o deliberatamente con l’irrigazione delle piante. Quando i pori del terreno si riempiono d’acqua a spese dell’aria, l’umidità del suolo aumenta. Quando tutti i pori sono riempiti d’acqua, il terreno è saturo. Se il terreno in superficie è saturo, l’acqua in eccesso si percola verso il basso attraverso i pori nel terreno più profondo. La lisciviazione continua fino a quando non c’è abbastanza acqua per saturare tutto lo spazio dei pori. A questo punto i pori contengono un po’ d’aria e sottili film di umidità. I film d’acqua all’interno dei pori sono trattenuti dalla tensione superficiale dei colloidi del suolo, quindi l’acqua smette di lisciviazione.

Dopo che la lisciviazione si ferma e l’acqua in eccesso è drenata dal terreno, il terreno è descritto come a capacità di campo. Il terreno a capacità di campo ha pori parzialmente riempiti d’aria, circondati da film di umidità. Il terreno a capacità del campo è ottimale per la crescita delle piante e i microrganismi aerobici del suolo, poiché sono disponibili sia l’aria che l’acqua. Al contrario, il terreno saturo, dove tutti i pori sono pieni d’acqua, creerà un ambiente anaerobico che può uccidere le piante e sopprimere i microbi aerobici del suolo.

La massa di terreno umido è costituita dalla massa delle particelle di terreno asciutto, più la massa dell’acqua all’interno del terreno. La massa secca delle particelle del suolo è fissa, mentre la quantità di acqua all’interno del terreno umido può variare. Pertanto, il contenuto di umidità viene calcolato su base secca, piuttosto che su base di massa totale, per garantire la coerenza. Il contenuto di umidità del suolo è descritto come il rapporto tra la massa d’acqua trattenuta nel terreno e il terreno asciutto. La massa d’acqua è determinata dalla differenza prima e dopo l’essiccazione del terreno.

Il seguente esperimento dimostrerà come misurare il contenuto di umidità del suolo in laboratorio utilizzando questi principi.

Per iniziare, raccogliere campioni di terreno e trasferirli in laboratorio. I campioni di terreno possono essere raccolti sul campo usando una coclea di terra o una cazzuola. L’uso di una coclea del terreno consente di campionare il terreno a profondità specifiche. Trasferiscili in laboratorio. Pesare due piatti in alluminio e registrare con precisione il peso di ciascun piatto. Aliquotare circa 20 g di terreno umido in ogni piatto di alluminio, quindi ripesare il piatto. Sottrarre il peso del piatto vuoto dal piatto pieno per acquisire il peso umido del terreno.

Quindi, asciugare il terreno durante la notte in un forno impostato a 105 ° C. Il giorno successivo, rimuovere con cura i campioni di terreno dal forno usando le pinze. Posizionare i campioni di terreno sul piano di lavoro per raffreddare. Quando i campioni di terreno asciutto sono freddi, ripesalizzarli e registrare il peso totale. Sottrarre il peso del piatto di alluminio e registrare il peso del terreno asciutto.

Calcola il contenuto di umidità del terreno sottraendo il peso del terreno asciutto dal peso del terreno umido e quindi dividendo per il peso del terreno asciutto.

Sebbene la misurazione sia semplice, è importante determinare il contenuto di umidità del suolo per comprendere meglio le caratteristiche del suolo.

Il contenuto di umidità del suolo gioca un ruolo di grande impatto nelle preoccupazioni ambientali, specialmente quando si considera il deflusso del suolo che può contenere fertilizzanti e pesticidi. In questo esempio, il deflusso del suolo è stato analizzato utilizzando uno studio simulato sulle precipitazioni al fine di determinare la ritenzione di un composto nel terreno umido.

Il terreno, contenente urea, è stato imballato in scatole di terreno e assemblato sotto un simulatore di pioggia. Il deflusso del suolo è stato raccolto e la concentrazione di urea nell’acqua di deflusso è stata calcolata. La quantità di urea nel deflusso del suolo era più alta per i terreni che avevano un contenuto di umidità più elevato, indicando che l’urea è meglio assorbita nel terreno più asciutto che in umido.

Il destino delle sostanze chimiche nel suolo può anche essere analizzato mediante campionamento diretto dell’acqua dei pori, utilizzando un lisimetro, come mostrato in questo esempio. In questo esperimento, i lisimetri, o lunghi tubi metallici, sono stati installati nel terreno con erba del tappeto erboso per analizzare l’acqua dei pori nel terreno vegetativo.

Il campionatore di acqua dei pori è stato quindi installato e l’acqua pompata dal lisimetro dopo aver applicato sostanze chimiche al terreno. L’acqua raccolta è stata quindi analizzata e la concentrazione di sostanze chimiche applicate è correlata alla profondità del suolo e al contenuto di umidità.

I risultati hanno dimostrato che la concentrazione dell’erbicida monosodico metil arseniato, o MSMA, era la più alta nei primi 2 cm di terreno.

Hai appena visto l’introduzione di JoVE al contenuto di umidità del suolo. Ora dovresti capire come misurare con precisione il contenuto di umidità del suolo in laboratorio. Grazie per l’attenzione!

Results

Calcolare il contenuto di umidità del suolo per ciascuno dei campioni replicati utilizzando la seguente equazione:

% contenuto di umidità (MC) =

(base di peso secco)

Esempi di calcoli:

M = 102 g

D = 90 g

∴ % MC =

MC = 13,3%

Con l’aggiunta di 5 g di acqua, il nuovo M = 107 e D equivale ancora a 90

∴ % MC =

Nuovo MC = 18,9%

Applications and Summary

La conoscenza del contenuto di umidità di un terreno su una base di peso secco è utile in diversi modi. Ad esempio, se gli esperimenti sono condotti con terreno che deve essere modificato con una concentrazione nota di fertilizzante ammonico (ad esempio 50 μg / g), è necessario determinare il contenuto di umidità sulla base del peso secco. Se il calcolo fosse completato sulla base del peso umido, la quantità di fertilizzante da aggiungere dipenderebbe dal contenuto di umidità (e quindi dal peso umido) del campione di terreno. Allo stesso modo, se si considerano le piante in vaso, il contenuto di umidità deve essere noto per assicurarsi che il terreno non sia troppo secco (non abbastanza umidità per la crescita delle piante) o troppo umido (impregnato d’acqua e anaerobico). In una situazione di campo, la conoscenza del contenuto di umidità del suolo può prevenire l’irrigazione in eccesso e la lisciviazione dei nutrienti del suolo.

Transcript

The amount of water held in soil is an important component of biological and ecological processes, and is used in applications such as farming, erosion prevention, flood control, and drought prediction.

Soils typically contain a finite amount of water, which can be expressed as the soil moisture content. Moisture exists in soil within the pore spaces between soil aggregates, called inter-aggregate pore space, and within pores in the soil aggregates themselves, called intra-aggregate pore space. If the pore space is occupied entirely by air, the soil is completely dry. If all of the pores are filled with water, the soil is saturated.

The measurement of the amount of water held within the soil, or the soil moisture content, is essential to the understanding of soil characteristics and the types of plants and microorganisms that reside in it.

This video will introduce the basics of soil moisture content, and demonstrate the procedure for determining moisture content in the laboratory.

In outdoor environments, water is added to soil naturally through rainfall or deliberately with the irrigation of plants. As the pores in the soil become filled with water at the expense of air, the soil moisture increases. When all of the pores are filled with water, the soil is saturated. If the soil at the surface is saturated, excess water will leach downward through pores into deeper soil. Leaching continues until there is not enough water to saturate all of the pore space. At this point pores contain some air and thin films of moisture. The water films within the pores are held by the surface tension of soil colloids, thus water stops leaching.

After leaching stops, and excess water has drained from the soil, the soil is described as being at field capacity. Soil at field capacity has pores that are partially filled with air, surrounded by films of moisture. Soil at field capacity is optimal for plant growth and aerobic soil microorganisms, since both air and water are available. In contrast, saturated soil, where all pores are filled with water, will create an anaerobic environment that can kill plants and suppress aerobic soil microbes.

The mass of moist soil consists of the mass of the dry soil particles, plus the mass of the water within the soil. The dry mass of the soil particles is fixed, whereas the amount of water within moist soil can vary. Therefore, moisture content is calculated on a dry basis, rather than a total mass basis, to ensure consistency. The moisture content of soil is described as the ratio of the mass of water held in the soil to the dry soil. The mass of water is determined by the difference before and after drying the soil.

The following experiment will demonstrate how to measure soil moisture content in the laboratory using these principles.

To begin, collect soil samples and transfer them into the laboratory. Samples of soil can be collected in the field using a soil auger, or a trowel. Use of a soil auger allows for the soil to be sampled to specific depths. Transfer them into the laboratory. Weigh two aluminum dishes, and accurately record the weight of each dish. Aliquot approximately 20 g of the moist soil into each aluminum dish, then reweigh the dish. Subtract the weight of the empty dish from the full dish to acquire the moist soil weight.

Next, dry the soil overnight in an oven set to 105 °C. On the next day, carefully remove the soil samples from the oven using tongs. Place the soil samples on the bench top to cool. When the dry soil samples are cool, reweigh them and record the total weight. Subtract the weight of the aluminum dish, and record the dry soil weight.

Calculate the moisture content of the soil by subtracting the weight of the dry soil from the weight of the moist soil, and then dividing by the weight of the dry soil.

Although the measurement is simple, it is important to determine soil moisture content in order to better understand soil characteristics.

Soil moisture content plays a large roll in environmental concerns, especially when considering soil runoff that may contain fertilizers and pesticides. In this example, soil runoff was analyzed using a simulated rainfall study in order to determine the retention of a compound in moist soil.

Soil, containing urea, was packed into soil boxes and assembled under a rainfall simulator. Soil runoff was collected, and the concentration of urea in the runoff water calculated. The amount of urea in the soil runoff was higher for soils that had higher moisture content, indicating that urea is better absorbed in drier soil, than in moist.

The fate of chemicals in soil can also be analyzed by direct pore water sampling, using a lysimeter, as shown in this example. In this experiment, lysimeters, or long metal tubing, were installed in soil with turf grass to analyze pore water in vegetative soil.

The pore water sampler was then installed, and water pumped from the lysimeter after applying chemicals to the soil. The collected water was then analyzed, and the concentration of applied chemicals correlated to soil depth and moisture content.

The results demonstrated that the concentration of the herbicide monosodium methyl arsenate, or MSMA, was the highest in the top 2 cm of soil.

You’ve just watched JoVE’s introduction to soil moisture content. You should now understand how to accurately measure soil moisture content in the laboratory. Thanks for watching!

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