Ten artykuł przedstawia prosty eksperyment z parowaniem przy użyciu przyrządu do właściwości hydraulicznych dla próbki gleby. Dzięki wydajnym metodom pomiary mogą być wykonywane w ciągu kilku dni w celu wygenerowania wysokiej jakości danych.
Artykuł metodologiczny
Pomiary potencjału wodnego i przewodności gleby w oparciu o prosty eksperyment parowania przy użyciu analizatora właściwości hydraulicznych
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Pomiar właściwości hydraulicznych gleby jest kluczowy dla zrozumienia fizycznych składników zdrowia gleby, jak również zintegrowanej wiedzy o systemach glebowych w ramach różnych praktyk zarządzania. Gromadzenie wiarygodnych danych jest niezbędne do podejmowania świadomych decyzji, które mają wpływ na rolnictwo i środowisko. Opisany tutaj prosty eksperyment parowania wykorzystuje oprzyrządowanie w warunkach laboratoryjnych do analizy próbek gleby zebranych w terenie. Napięcie wody w glebie w próbce jest mierzone przez przyrząd, a dane dotyczące naprężenia są modelowane przez oprogramowanie w celu zwrócenia właściwości hydraulicznych gleby. Metoda ta może być wykorzystana do pomiaru retencji wody w glebie i przewodności hydraulicznej oraz uzyskania wglądu w różnice w zabiegach lub dynamice środowiska w czasie. Początkowa konfiguracja wymaga użytkownika, ale pozyskiwanie danych jest zautomatyzowane za pomocą urządzenia. Właściwości hydrauliczne gleby nie są łatwe do zmierzenia za pomocą tradycyjnych eksperymentów, a ten protokół stanowi prostą i optymalną alternatywę. Omówiono interpretację wyników oraz możliwości rozszerzenia zakresu danych.
Wprowadzenie
Retencja wody w glebie i przewodność hydrauliczna w środowisku naturalnym i zmienionym przez człowieka pomagają nam zrozumieć i obserwować zmiany w zdrowiu i funkcjonalności gleby. Kwantyfikacja właściwości hydraulicznych za pomocą krzywej retencji wody w glebie (SWRC) i krzywej przewodności wody w glebie zapewnia wgląd w kluczowe czynniki wpływające na fizyczne zachowanie gleby i charakterystykę ruchu wody1. Zależność między objętościową zawartością wody (θ) a wysokością podnoszenia (h) jest reprezentowana w SWRC, a zakresy w obrębie krzywej opisują punkt nasycenia, pojemność pola i stały punkt więdnięcia2. Praktyki gospodarowania glebą, zmiany, typy agroekosystemów i warunki środowiskowe mogą mieć wpływ na hydraulikę gleby3,4. Czynniki te mogą z kolei wpływać na transport substancji rozpuszczonych5 i wodę dostępną dla roślin6, oddychanie gleby i aktywność mikrobiologiczną7, a także cykle zwilżania i suszenia8. Właściwa analiza SWRC, jako ważnego elementu w ilościowym określaniu zdrowych i funkcjonujących gleb, jest niezbędna do uzyskania świadomego zrozumienia właściwości hydraulicznych gleby.
Obecnie istnieje wiele różnych technik pomiarowych do opracowania niezawodnego SWRC, przy czym metody wiszącej kolumny wodnej i płyty dociskowej są powszechnymi tradycyjnymi metodami określania rozkładu wielkości porów w glebie2. Tradycyjne metody mogą być czasochłonne, zwykle zajmuje tygodnie lub miesiące do analizy małego zestawu próbek9. Co więcej, po zakończeniu analizy, metody te dają tylko kilka punktów danych, które informują klasę SWRC9. Ponadto dokładność tworzenia reprezentatywnych danych przy użyciu tradycyjnych metod, takich jak płyty dociskowe, może stać się problemem przy niższych potencjałach matrycowych, w szczególności w przypadku gleb o drobnej teksturze10,11. Bardziej nowoczesne techniki, które obejmują proste podejście eksperymentalne z parowaniem przy użyciu tensjometrów i metody punktu rosy z chłodzonym lustrem, mają tendencję do dostarczania bardziej powtarzalnych danych w szerokim zakresie tekstur gleby2. Początkowo opracowany przez firmę Wind w 1968 roku, prosty eksperyment parowania polegał na pomiarze zmian masy wody i zmian napięcia za pomocą tensjometrów w próbce gleby w czasie12. Gdy następuje parowanie, pomiary masy próbki gleby są wykonywane w określonych odstępach czasu w celu utworzenia SWRC. Udoskonalona później przez Schindlera (1980), metoda obejmowała tylko dwa tensjometry umieszczone na różnych ciśnieniach w próbce gleby. Zmodyfikowana metoda została następnie przetestowana i zatwierdzona jako nadająca się do wykorzystania w analizie naukowej13,14. Kluczową korzyścią płynącą z prostego eksperymentu z parowaniem jest możliwość łatwego generowania danych dla dużej części krzywej wilgotności gleby (od 0 do -300 kPa), z większą liczbą punktów danych niż w przypadku tradycyjnych metod.
Te nowoczesne metody obejmują zautomatyzowane instrumenty, które pobierają wiele punktów danych przez cały okres analizy próbki i generują dane za pomocą interfejsu oprogramowania. Przyrząd do pomiaru właściwości hydraulicznych to współczesny instrument, który tworzy krzywe retencji wody i krzywe przewodności na podstawie danych próbki15. Stosując prosty eksperyment parowania przy użyciu przyrządu do właściwości hydraulicznych, można ocenić zależność między zawartością wody a potencjałem wodnym w glebie1. W tym eksperymencie woda obecna w trzonie tensjometru występuje w równowadze z wodą w roztworze glebowym. Gdy następuje parowanie wody glebowej i wysychanie próbki gleby, w tensjometrze zachodzi kawitacja i eksperyment się kończy. Istnieje ograniczenie właściwości hydraulicznych przyrządu w suchym zakresie SWRC, ponieważ przyrząd jest zdolny do pracy tylko w potencjałach matrycowych od 0 do -100 kPa. Można temu zaradzić, włączając dane wygenerowane w eksperymencie z punktem rosy w lustrze chłodzącym przy użyciu instrumentu potencjału wodnego gleby16, który może rozszerzyć zakres danych do -300 000 kPa lub stałego punktu więdnięcia. Wszystkie te dane są łączone w oprogramowaniu do modelowania, aby spójnie informować SWRC od naprężeń zerowych do wyższych naprężeń, nawet powyżej punktu więdnięcia. Krzywe przewodności SWRC i hydraulicznej są następnie generowane na podstawie punktów danych potencjału matrycowego pobranych w całym okresie pomiaru, co pozwala na wygenerowanie pełnej krzywej rzutowanej od nasycenia do stałego punktu więdnięcia.
Opisana tutaj metoda przedstawia zwięzłą procedurę operacyjną do analizy gruntu za pomocą przyrządu do właściwości hydraulicznych. Metoda ta została przeprowadzona w wielu środowiskach naukowych, w tym w ilościowym określeniu stanu gleby w szerokim zakresie agroekosystemów3,17,18,19, i podjęto wysiłki, aby zrozumieć najlepsze praktyki wykraczające poza instrukcję obsługi instrumentu20. W tym miejscu przedstawiono ustandaryzowany protokół dla wszystkich etapów procedury, w tym pobierania próbek w terenie, przygotowania próbki, funkcji oprogramowania i przetwarzania danych. Postępowanie zgodnie z tą metodą zapewni udaną kampanię, która zaowocuje wiarygodnymi danymi. Przedstawiono kluczowe kroki mające na celu zapewnienie jakości danych, wspólne wyzwania i najlepsze praktyki w celu zapewnienia prawidłowego wdrożenia.
Protokół
1. Pobieranie próbek gleby i przygotowanie próbek
UWAGA: Schemat przebiegu pracy tej metody można znaleźć w Rysunek 1.
- Pobieranie próbek
- Wykop kilka centymetrów powyżej żądanej głębokości pobierania próbek, aby usunąć niechciane zanieczyszczenia, w szczególności luźne śmieci organiczne i zaskorupienie powierzchni gleby.
- Umieść metalowy rdzeń do pobierania próbek na powierzchni odsłoniętej gleby, stroną z ostrymi krawędziami skierowanymi w stronę powierzchni gleby, a następnie umieść uchwyt młotkowy na górze pierścienia.
- Uderzaj kilkakrotnie w górną część uchwytu młotka za pomocą gumowego młotka, aż górna część metalowego rdzenia do pobierania próbek zrówna się z powierzchnią gleby.
- Wykop wokół metalowego rdzenia do pobierania próbek, a następnie wkop się pod rdzeń, aby usunąć go z gleby.
- Po wyjęciu z gleby wyrównać obie strony metalowego rdzenia do pobierania próbek za pomocą kielni lub noża; następnie umieść plastikowe osłony po obu stronach rdzenia.
- Dodaj przykładową etykietę do metalowego rdzenia.
- Przechowywanie i wykorzystywanie próbek
- Przed analizą należy przechowywać próbki w lodówce o temperaturze około 4 oC.
- Próbki należy nasycić co najmniej 24 godziny przed analizą, umieszczając rdzenie próbek w dużym plastikowym pojemniku z odgazowaną wodą dejonizowaną. Najpierw zdejmij plastikową osłonę, która znajduje się po płaskiej stronie metalowego rdzenia do pobierania próbek i umieść na nim papierowy filtr do kawy, a następnie płytkę nasycającą. Następnie odwróć rdzeń i płytkę nasycającą do pojemnika i napełnij go odgazowaną wodą dejonizowaną w odległości 1 cm od górnej części próbki gleby. W razie potrzeby napełnij pojemnik odgazowaną wodą dejonizowaną, aż gleba osiągnie nasycenie.
UWAGA: Nasycenie występuje, gdy woda jest widoczna na odsłoniętej powierzchni gleby.
2. Jednostka czujnika i ustawienie tensjometru
- Przygotowanie tensjometru
- Namocz tensjometry na 24 godziny w odgazowanej wodzie dejonizowanej: jeden wysoki (50 mm długości) i jeden krótki (25 mm) tensjometr dla każdej jednostki czujnika, która będzie używana w kampanii analitycznej.
- Uszczelnij pojemnik z tensjometrami, aby ograniczyć dyfuzję atmosfery do wody.
- Odgazowanie jednostki czujnika metodą pompy próżniowej
UWAGA: Wykonaj poniższe czynności dla każdej jednostki czujnika, która będzie używana w kampanii.- Napełnij oba porty wału tensjometru odgazowaną wodą dejonizowaną do górnej części portu za pomocą strzykawki o pojemności 20 ml i igły z cienką końcówką. Upewnij się, że przetwornik ciśnienia jest czysty, świecąc światłem do portu i oceniając, czy są w nim zanieczyszczenia.
- Umieść akrylową pokrywę na module czujnika i przymocuj metalowe klipsy. Włóż strzykawkę zawierającą odgazowaną wodę dejonizowaną do otworu akrylowej pokrywy i napełnij ją tuż poniżej górnej części akrylowej głowicy.
- Przymocuj akrylową pokrywę do jednostki odgazowującej, wkładając rurkę "T" na jednostce odgazowującej do górnej części głowicy akrylowej.
UWAGA: Do każdej jednostki odgazowującej można podłączyć dwie jednostki optyczne z akrylowymi blatami.
- Uzupełnianie tensjometru
- Umieść kubek zamontowany stage w obu dostępnych pozycjach na jednostce odgazowującej, a następnie napełnij 3/4 kubka odgazowaną wodą dejonizowaną.
- Wkręć tensjometry w gwintowane uchwyty akrylowe, a następnie przesuń O-ring tak, aby spotkał się z górną częścią akrylowego uchwytu. Umieść w odgazowanej wodzie dejonizowanej znajdującej się w kubkach zamontowanych na scenie.
- Rozpocznij odgazowywanie próżniowe
- Upewnij się, że wszystkie połączenia są szczelnie przymocowane, aby zapobiec wyciekom.
- Włącz pompę próżniową, aż zostanie osiągnięte -0,4 bara, a następnie wyłącz pompę próżniową i pozwól, aby system się wyrównał. Ponownie włącz pompę próżniową, aż do osiągnięcia -0,8 bara.
- Postukaj w dolną część zespołu modułu czujnika grubym ręcznikiem, aby usunąć pęcherzyki powietrza z portów tensjometru w module czujnika.
- Utrzymuj system w próżni przez co najmniej 24 godziny. Sprawdź, czy nie ma wycieków, wyłączając podciśnienie i upewniając się, że pozostaje pod ciśnieniem. Włączaj pompę próżniową w regularnych odstępach czasu, aby doprowadzić podciśnienie do ciśnienia, ponieważ będzie ona powoli tracić ciśnienie w miarę wyrównywania się systemu.
- Po 24 godzinach zdejmij rurkę z akrylowej pokrywy i wyjmij wszystkie tensjometry z akrylowych uchwytów. Umieść krótkie i wysokie tensjometry w oddzielnych zlewkach z odgazowaną wodą dejonizowaną.
3. Inicjowanie kampanii
- Przygotowanie modułów sensorycznych
- Podłącz zespół modułu czujnika do przewodów połączeniowych systemu.
- Umieść materiał chłonny, taki jak ręcznik, pod podłączonym modułem czujnika i zdejmij akrylową pokrywę, zwalniając metalowe klipsy.
- Powtórz kroki 3.1.1 i 3.1.2 dla każdego zespołu modułu czujnika w przypadku konfiguracji z wieloma czujnikami lub przejdź do punktu 3.A.iv dla konfiguracji z jednym czujnikiem.
- Kliknij oprogramowanie do pomiaru danych, aby otworzyć program i kliknij ikonę Pokaż urządzenia.
- Upewnij się, że wszystkie podłączone moduły optyczne są wyświetlane na pasku bocznym oprogramowania.
- Instalacja tensjometru
- Kliknij ikonę Kreatora uzupełniania w górnej części oprogramowania, aby otworzyć interfejs użytkownika. Z menu rozwijanego przejdź do odpowiedniego modułu czujnika.
UWAGA: Przetworniki są w dobrym stanie technicznym, jeśli ich początkowe odczyty wynoszą 0 hPa (± 5 hPa). - Wybierz tensjometr ze zlewki. Upewnij się, że w trzonie nie ma widocznych pęcherzyków powietrza i że nad górną częścią trzonu tensjometru w wypukłym menisku tworzy się woda. Dodaj więcej odgazowanej wody dejonizowanej za pomocą strzykawki do górnej części tensjometru, jeśli nie ma wypukłej menisku.
- Przesuń O-ring na tensjometrze do środka gwintów.
- Odwróć tensjometr do stojącej wody znajdującej się na jednostce czujnika, zachowując nienaruszoną wypukłą menisku.
- Zainstaluj krótki tensjometr w porcie tensjometru, który jest oznaczony krótką linią. Zamontuj wysoki tensjometr w porcie tensjometru, który jest oznaczony długą linią.
- Ostrożnie wkręć tensjometr w port tensjometru, obserwując odczyty ciśnienia na karcie Current Readings (Aktualne odczyty). Uzyskaj szczelne uszczelnienie, wykonując od połowy do pełnego obrotu tensjometru.
UWAGA: Po zainstalowaniu na porcie tensjometru upewnij się, że odczyty tensjometru wynoszą 0 hPa (± 5 hPa). - Umieść silikonową bańkę wypełnioną odgazowaną wodą dejonizowaną na górze tensjometru, aby zapobiec wysuszeniu końcówki podczas instalowania innych tensjometrów.
- Powtórz kroki od 3.2.1 do 3.2.7 dla każdego tensjometru i modułu czujnika używanego w kampanii.
- Kliknij ikonę Kreatora uzupełniania w górnej części oprogramowania, aby otworzyć interfejs użytkownika. Z menu rozwijanego przejdź do odpowiedniego modułu czujnika.
- Umieszczanie próbek na modułach czujników
- Wyjąć nasyconą próbkę i odpowiednią płytkę nasycającą z pojemnika z odgazowaną wodą dejonizowaną i umieścić je na powierzchni roboczej.
- Umieść prowadnicę ślimaka na górze pierścienia do próbek.
- Włóż ślimak wału tensjometru do otworu prowadnicy ślimaka i obróć ślimak wału tensjometru w pełnym obrocie, aby usunąć glebę. Powtórz dla drugiego otworu.
UWAGA: Śledź głębokość, jaką każdy otwór tworzy w próbce gleby, ponieważ odpowiada to wysokości tensjometru. - Zdejmij prowadnicę ślimaka i upewnij się, że próbka gleby nie zapadła się w otworze.
- Wyjmij silikonowe żarówki z każdego tensjometru i umieść silikonowy dysk na górze modułu czujnika.
UWAGA: Upewnij się, że pod dyskiem krzemowym nie jest uwięzione powietrze i że czujnik temperatury nie jest zakryty. - Dopasuj otwory w rdzeniu próbki do odpowiedniej wysokości tensjometru na jednostce czujnika.
- Odwróć rdzeń próbki i umieść go na czujniku, dopasowując próbkę do tensjometrów.
- Wyjmij filtr kawy i płytkę nasycającą. Zabezpiecz rdzeń gleby za pomocą metalowych klamer znajdujących się z boku modułu czujnika.
- Powtórzyć kroki 3.3.1-3.3.8 dla każdej z próbek.
- Inicjacja kampanii systemowej
- Po skonfigurowaniu każdej jednostki czujnika wprowadź identyfikator próbki znajdujący się na metalowym rdzeniu, ponieważ odpowiada on numerom seryjnym każdej z jednostek czujnika. Wprowadź unikatową nazwę kampanii terenowej, a następnie kliknij przycisk Przeglądaj, aby zapisać lokalizację pliku.
- Kliknij przycisk Start.
- Wykonaj początkowy odczyt masy po wykonaniu dwóch odczytów tensjometru. Najpierw odłącz przewód połączeniowy od modułu optycznego, poczekaj, aż w oprogramowaniu pojawi się okno dialogowe i umieść go na wadze. Wyjmij moduł czujnika, gdy oprogramowanie wskaże, że odczyt masy został wykonany, i podłącz go z powrotem do przewodu połączeniowego. Powtórz te czynności dla wszystkich modułów czujników.
- Waż próbki 3 razy dziennie przez pierwsze 2 dni pomiaru, a następnie 2 razy dziennie w regularnych odstępach czasu przez pozostałą część kampanii
4. Zakończenie kampanii systemowej
- Zakończenie działania oprogramowania
- Wykonaj końcowy pomiar masy dla każdej jednostki czujnika, gdy próbka dotrze do punktu wlotu powietrza.
- Kliknij przycisk Stop (Zatrzymaj) i odłącz przewód połączeniowy od każdego modułu optycznego.
- Demontaż kampanii
- Wyjmij rdzeń próbki z modułu czujnika. Umieść cały materiał glebowy w pojemniku i wysusz próbkę gleby w piekarniku.
UWAGA: W przypadku pracy z glebami o drobnej teksturze, zwilż każdą próbkę gleby w ciągu godziny przed wyjęciem jej z modułu czujnika. - Zdejmij silikonowy dysk i w razie potrzeby wyczyść górną część modułu optycznego mokrym ręcznikiem.
- Ostrożnie wyjmij każdy tensjometr ze szczelin. Wyczyść końcówki tensjometrów miękką szczoteczką do zębów i wodą, jeśli są brudne.
- Oczyść powierzchnię czujnika, odwracając go i spryskując wodą z bezpiecznej butelki do mycia.
- Wyczyść port wału tensjometru, odwracając moduł czujnika i wlewając wodę za pomocą strzykawki do portu.
- Wyjmij rdzeń próbki z modułu czujnika. Umieść cały materiał glebowy w pojemniku i wysusz próbkę gleby w piekarniku.
5. Analiza danych
- Obliczyć masę suchej gleby każdej próbki i odpowiadającego jej rdzenia metalowego.
- Kliknij oprogramowanie do analizy danych, aby otworzyć program i kliknij przykładowy plik, aby otworzyć dane w oprogramowaniu. Wprowadź wagę metalowego rdzenia w sekcji Parametr na karcie Informacje.
- Kliknij kartę Measurements (Wymiary) | Przeszukaj punkt wejścia do powietrza. Aby precyzyjnie dostroić punkt kawitacji, przesuń przerywane linie punktów początkowych i końcowych w zakresie danych tensjometru. Zrób to samo dla punktów wejścia powietrza, jeśli musi to być określone dla oprogramowania.
- Kliknij zakładkę Ocena, a następnie w sekcji Obliczanie zawartości wody upewnij się, że wybrano opcję Z suchej masy gleby (g). Wprowadź wagę wysuszonej gleby.
- Kliknij zakładkę Dopasowanie | Zastosuj model, który najlepiej pasuje do danych.
- Kliknij kartę Eksportuj, wybierz ścieżkę do pliku i upewnij się, że plik został wyeksportowany w formacie .xlxs.
- Powtórzyć kroki od 5.1 do 5.7 dla każdej próbki gleby.
Wyniki
Po przeprowadzeniu prawidłowej kampanii pomiarowej zgodnie z powyższym protokołem, możliwe będzie wyświetlenie wyników eksperymentu w oprogramowaniu analitycznym. Krzywe wyjściowe pochodzą z odczytów tensjometru, który mierzy napięcie wody (hPa) w czasie (t), a początkowa krzywa tych danych jest generowana natychmiast po zakończeniu kampanii. W celu zilustrowania optymalnych i suboptymalnych wyników można przeanalizować wybrane przykłady krzywych napięcia dla dwóch próbek gleby (Rysunek 2). Wyniki optymalne powinny charakteryzować się krzywą wyjściową zawierającą wyraźny punkt kawitacji oraz punkt wnikania powietrza, co pozwala na jak najlepsze opracowanie SWRC. W przypadku braku wyraźnego punktu kawitacji i wnikania powietrza dane nadal mogą być wykorzystane, jednak SWRC staje się mniej dokładna i wymagane jest więcej obróbki danych w oprogramowaniu.
Oprogramowanie analityczne zawiera wiele modeli, które użytkownicy mogą wykorzystać do analizy pomiarów napięcia21,22,23,24. W większości przypadków model van Genutchen/Mualem jest efektywnym wyborem dla danych; użytkownicy mają jednak możliwość wybrania modelu, który najlepiej pasuje do ich danych15. Oprogramowanie stosuje następnie ten model do krzywej napięcia, a zamodelowane krzywe stają się dostępne w karcie output (wyniki). Retencja wody, θ(h), oraz nasycona hydrauliczna przewodność K(h) lub K(θ) są generowane przez oprogramowanie do modelowania, gdzie θ to objętościowa zawartość wody, K to przewodność hydrauliczna, a h to potencjał matrycowy14. Reprezentatywny przykład wyjściowych danych SWRC i przewodności hydraulicznej przedstawiono na Rysunku 3. Dane wyjściowe dopasowane do modelu van Genutchen/Maulem można zobaczyć na Rysunku 4.
Otrzymana krzywa wyjściowa służy do opracowania modelowych krzywych wyjściowych, które stanowią podstawę wielu opisowych danych glebowych i hydraulicznych. Przede wszystkim na podstawie początkowych danych z tej metody generowana jest SWRC, jednak z tych danych można wyekstrapolować również inne parametry, takie jak porowatość, gęstość objętościowa, nasycenie wodą oraz pojemność polowa badanej gleby. Wyniki (Rysunek 4>) można porównać, aby zrozumieć występujące właściwości gleby i zestawić je pomiędzy różnymi wariantami doświadczalnymi.
Rysunek 1: Przegląd schematu postępowania. Do wykonania protokołu niezbędne jest przygotowanie zarówno próbki gleby, jak i urządzenia do pomiaru właściwości hydraulicznych. Strzałki wskazują sekwencję prac, zaczynając od przygotowania próbki i urządzenia, a kończąc na analizie danych i obróbce próbek po badaniu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rycina 2: Przykłady optymalnych i suboptymalnych krzywych napięcia. (A) Krzywa optymalna: odbywa się regularny pomiar, osiągnięto kawitację, a napięcie w trzonie tensiometru gwałtownie spada do ciśnienia otoczenia. Wniknięcie powietrza następuje przy ~ 700 hPa dla obu krzywych, a pomiary zostają zatrzymane wkrótce potem. (B) Krzywa suboptymalna: odbywa się regularny pomiar i osiągnięto kawitację, ale napięcie w trzonie tensiometru nie spada gwałtownie i trudno jest określić, gdzie rozpoczęła się faza wniknięcia powietrza. Krzywa ta wciąż może służyć do opracowania krzywej retencji wody w glebie poprzez zastosowanie ręcznej korekty podczas postprocesingu danych, jednak jest ona mniej dokładna niż w przypadku (A). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rycina 3: Krzywe wynikowe z oprogramowania. Krzywe retencji wody w glebie i przewodności hydraulicznej wyświetlone w oprogramowaniu przed zastosowaniem jakiegokolwiek modelu. (A) Krzywa retencji wody w glebie oraz (B,C) krzywe przewodności hydraulicznej w postaci, w jakiej pojawiają się w oprogramowaniu analitycznym po zakończeniu analizy próbki. Aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.
Rysunek 4Krzywe wyjściowe z zastosowanym modelem. Rysunek 4 dane wyjściowe można dopasować do modelu w oprogramowaniu instrumentu. Poniżej przedstawiono dane zamodelowane; (A) krzywa retencji wody w glebie, oraz (B,C) krzywe przewodności hydraulicznej z zastosowaniem modelu van Genuchtena-Mualema do danych. Średniokwadratowy błąd (A) 0.4%, (B) 7.09%. Prosimy o kliknięcie tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.
Dyskusja
Proste podejście eksperymentalne polegające na parowaniu przy użyciu opisanej tutaj metody jest skutecznym sposobem na opracowanie SWRC i krzywych przewodności hydraulicznej. Prostota i dokładność pomiaru danych sprawiają, że jest to realna alternatywa dla bardziej tradycyjnych metod14. Opisana tutaj metoda wykracza poza instrukcję obsługi i aktualną literaturę, aby zsyntetyzować i rozwinąć subtelniejsze punkty tego skomplikowanego instrumentu. Szczególną uwagę należy zwrócić na procesy pobierania, transportu i analizy próbek gleby w celu uzyskania wysokiej jakości danych. Podczas pobierania próbki gleba w metalowym rdzeniu powinna pozostać nienaruszona. Metalowy rdzeń powinien pozostać wypoziomowany przez cały czas młotkowania, aby uniknąć wibracji lub przechylania, które mogą naruszyć glebę, a próbka powinna być traktowana ostrożnie podczas transportu.
Dodatkowo konieczne jest skrupulatne ograniczenie ilości powietrza, które dostaje się do każdej części systemu instrumentu. Dokładność krzywych napięcia wyjściowego prawdopodobnie zostanie zmniejszona, jeśli powietrze zostanie przypadkowo wprowadzone. Podczas montażu i wykonywania tej metody składa się z wielu etapów, które wykraczają poza zalecenia producenta, a ich celem jest wyeliminowanie możliwości przedostania się powietrza do systemu. Do takich niuansów zalicza się wykorzystanie odgazowanej wody, zmodyfikowaną procedurę napełniania tensjometrem oraz ciągłe ponowne stosowanie wody w nasyceniu próbki gleby. Istotne jest, aby upewnić się, że woda użyta w eksperymencie została odpowiednio odgazowana, tensjometry zostały prawidłowo napełnione oraz że porty tensjometru w czujniku nie mają w sobie pęcherzyków ani kieszeni powietrznych. Są to krytyczne punkty, których należy pilnie przestrzegać w protokole, aby umożliwić sukces kampanii.
Kampania pomiarowa jest zakończona po kawitacji po osiągnięciu punktu wlotu powietrza. Pojawi się to jako ostry szczyt, po którym nastąpią odczyty napięcia szybko spadające do zera dla obu tensjometrów na krzywej pomiaru, jak pokazano na rysunku 2. Po okresie pomiaru i podczas analizy danych użytkownik może wprowadzać modyfikacje w celu zwiększenia dokładności danych wyjściowych. Na przykład w oprogramowaniu do przetwarzania danych punkty startu, zatrzymania i wlotu powietrza można ręcznie regulować zgodnie z oględzinami i uznaniem użytkownika, jeśli występują oczywiste problemy z krzywą naprężenia. Na początku kampanii pomiarowej mogą wystąpić duże wahania, ponieważ tensjometry zaczynają dokonywać odczytów, a parowanie wody jeszcze się nie rozpoczęło. Ten szum danych można łatwo usunąć na etapie przetwarzania końcowego, przesuwając linię startu dalej w prawo w interfejsie oprogramowania. Ponadto, jeśli odczyty tensjometru dla kawitacji mają plateau, a nie ostry szczyt, oprogramowanie może mieć trudności z automatycznym określeniem, gdzie zaczyna się i kończy kawitacja. Temu wyzwaniu można zaradzić, przesuwając zarówno górną, jak i dolną linię zatrzymania, aby przeskalować punkty, w których występuje wystarczająco duża zmiana nachylenia, aby wskazać kawitację. Podobnie, punkty wlotu powietrza można dostosować w podobny sposób, ponieważ można je przesunąć do końca części krzywej plateau, zapewniając, że właściwa część domeny danych jest przechwytywana przez oprogramowanie.
Mniejsza liczba punktów danych w kierunku suchego zakresu SWRC wygenerowanego z przyrządu właściwości hydraulicznych może powodować niedokładności podczas stosowania modeli do danych. Sytuację tę można wzmocnić poprzez włączenie innych źródeł danych obejmujących suchy zakres retencji wody. Dodatkowe punkty danych można uzupełnić, analizując te same próbki gleby za pomocą przyrządu do pomiaru potencjału wodnego gleby, a następnie ręcznie wprowadzając te punkty do oprogramowania analitycznego. Dodatkowe dane zwiększają wiarygodność szacunków w zakresie suchym i są stosunkowo łatwe w użyciu. Połączenie danych z obu instrumentów może stać się cenne, jeśli cel badawczy dotyczy całego zakresu zatrzymywania wilgoci w glebie. Więcej informacji na temat działania przyrządu do pomiaru potencjału wodnego gleby, możliwości zastosowania tych pomiarów oraz integracji z przyrządem do pomiaru właściwości hydraulicznych można znaleźć w istniejącej literaturze 2,16,17,25.
Krzywe retencji wody w glebie i przewodności hydraulicznej zapewniają ważną charakterystykę fizycznych i nienasyconych właściwości hydraulicznych próbki gleby. We wszystkich dyscyplinach związanych ze środowiskiem, rolnictwem i gleboznawstwem praktyki gospodarowania gruntami, które zmieniają właściwości fizyczne i hydrauliczne gleby, mogą mieć trwały wpływ na jej zdrowie 3,17. Kwantyfikacja wskaźników i wskaźników glebowych w ramach badań i monitorowania gleby może pomóc w uzyskaniu lepszej wiedzy na temat rzeczywistych skutków kontrastujących praktyk gospodarowania glebą. Zrozumienie właściwości, takich jak pojemność pola, woda dostępna dla roślin, rozkład wielkości porów i przewodność wody, pozwala na wyciągnięcie świadomych wniosków na temat preferowanych praktyk gospodarowania glebą dla zdrowia gleby26. Zwiększenie wykorzystania solidnych metod, jak opisano w niniejszym dokumencie, może przyczynić się do pogłębienia i zharmonizowania ujednoliconego zasobu wiedzy na temat nadrzędnych skutków kontrastujących opcji gospodarowania glebą w szerokim zakresie systemów gruntów.
Oświadczenia
Autorzy nie mają do ujawnienia żadnych konfliktów interesów.
Podziękowania
Autorzy dziękują za wsparcie finansowe udzielone przez Kanadyjską Fundację Innowacji (John Evans Leadership Fund) na zakup przyrządu do analizy właściwości hydraulicznych.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Kolby Buchnera 4 L (dwa) | Różne | nie dotyczy | Pojemniki do odgazowywania wody |
| Strzykawka 20 mL, cienka końcówka | BD | BD-302830 | |
| Filtr do kawy | Różne | nie dotyczy | Zapobiega wydostawaniu się gleby z rdzenia podczas moczenia |
| HYPROP Kompletny zestaw | Hoskin | 110813/E240-M020210 | ślimak wału tensjometru, rurka do strzykawki próżniowej i adaptera do napełniania, prowadnica ślimaka, adapter USB HYPROP, czujnik HYPROP, wałki tensjometru (50 mm i 25 mm), płyta saturacyjna, adapter do napełniania, uszczelka silikonowa, zestaw oringów, waga LABROS, oprogramowanie, |
| Jednostka napełniająca HYPROP Pompa | Hoskin | 108899/ E240-M020258 | , uchwyt próżniowy, uchwyt do zlewki, adaptery do napełniania |
| Duże wanny plastikowe | Różne | n/a | Utrzymuje rdzeń wody i gleby podczas nasycenia |
| MIERNIK uchwyt udarowy | Hoskin | 100255/E240-100201 | |
| Młotek gumowy | Home Depot | 18CT1031 | Narzędzie do pobierania próbek używane z uchwytem młotkowym |
| Łopata | Home Depot | 83200 | |
| Pierścień do pobierania próbek gleby w zestawie 2 nakrętki | Hoskin | 100254/E240-100101 | |
| Płytka mieszająca/ Mieszadło | Różne | n/a | |
| Kielnia | Home Depot | 91365 |
Bibliografia
- Malaya, C., Sreedeep, S. Critical review on the parameters influencing soil-water characteristic curve. J Irrig Drain Eng. 138 (1), 55-62 (2011).
- Schelle, H., Heise, L., Jänicke, K., Durner, W. Water retention characteristics of soils over the whole moisture range: A comparison of laboratory methods. Eur J Soil Sci. 64 (6), 814-821 (2013).
- Iheshiulo, E. M. A., et al. Crop rotations influence soil hydraulic and physical quality under no-till on the Canadian prairies. Agric Ecosyst Environ. 361, 108820(2024).
- Mozaffari, H., Moosavi, A. A., Sepaskhah, A., Cornelis, W. Long-term effects of land use type and management on sorptivity, macroscopic capillary length and water-conducting porosity of calcareous soils. Arid Land Res Manag. 36 (4), 371-397 (2022).
- Rezaei, M., et al. How to relevantly characterize hydraulic properties of saline and sodic soils for water and solute transport simulations. J Hydrol. 598, 125777(2021).
- Kiani, M., Hernandez-Ramirez, G., Quideau, S. Spatial variation of soil quality indicators as a function of land use and topography. Can J Soil Sci. 100 (4), 463-478 (2020).
- Ghezzehei, T. A., Sulman, B., Arnold, C. L., Bogie, N. A., Berhe, A. A. On the role of soil water retention characteristic on aerobic microbial respiration. BG. 16 (6), 1187-1209 (2019).
- Mapa, R. B., Green, R. E., Santo, L. Temporal variability of soil hydraulic properties with wetting and drying subsequent to tillage. SSSAJ. 50 (5), 1133-1138 (1986).
- Parker, N., Patrignani, A. Revisiting laboratory methods for measuring soil water retention curves. SSSAJ. 87 (2), 417-424 (2023).
- Solone, R., Bittelli, M., Tomei, F., Morari, F. Errors in water retention curves determined with pressure plates: Effects on the soil water balance. J Hydrol. 470, 65-74 (2012).
- Cresswell, H. P., Green, T. W., McKenzie, N. J. The adequacy of pressure plate apparatus for determining soil water retention. SSSAJ. 72 (1), 41-49 (2008).
- Wind, G. Capillary conductivity data estimated by a simple method. , IAHS, Gentbrugge, Netherlands and UNESCO. Paris. (1968).
- Schindler, U. Ein Schnellverfahren zur Messung der Wasser-leitfähigkeit im teilgesättigten Boden an Stechzylinderproben.Arch. Acker- Pflanzenbau Bodenkd. 24, 1-7 (1980).
- Peters, A., Durner, W. Simplified Evaporation Method for Determining Soil Hydraulic Properties. J Hydrol. 356, 147-162 (2008).
- METER Operation Manual HYPROP 2, METER Group AG, Munich, Germany. , http://library.metergroup.com/Manuals/18263_HYPROP_Manual_Web.pdf (2015).
- Lipovetsky, T., et al. HYPROP measurements of the unsaturated hydraulic properties of a carbonate rock sample. J Hydrol. 591, (2020).
- Daly, E. J., Kim, K., Hernandez-Ramirez, G., Klimchuk, K. The response of soil physical quality parameters to a perennial grain crop. Agric Ecosyst Environ. 343, 108265(2023).
- Guenette, K. G., Hernandez-Ramirez, G. Tracking the influence of controlled traffic regimes on field scale soil variability and geospatial modelling techniques. Geoderma. 328, 66-78 (2018).
- Hebb, C., et al. Soil physical quality varies among contrasting land uses in Northern Prairie regions. Agric Ecosyst Environ. 240, 14-23 (2017).
- Shokrana, M. S. B., Ghane, E. Measurement of soil water characteristic curve using HYPROP2. MethodsX. 7, 100840(2020).
- Brooks, R. H. Hydraulic properties of porous media. , Colorado State University. (1965).
- Kosugi, K. I. Lognormal distribution model for unsaturated soil hydraulic properties. Water Resour Res. 32 (9), 2697-2703 (1996).
- Fredlund, D. G., Xing, A. Equations for the soil-water characteristic curve. Can Geotech J. 31 (4), 521-532 (1994).
- van Genuchten, M. T. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. SSSAJ. 44, 892-898 (1980).
- Schindler, U., Durner, W., von Unhold, G., Müller, L. Evaporation method for measuring unsaturated hydraulic properties of soils: Extending the measurement range. SSSAJ. 74 (4), 1071-1083 (2010).
- Bagnall, D. K., et al. Selecting soil hydraulic properties as indicators of soil health: Measurement response to management and site characteristics. SSSAJ. 86 (5), 1206-1226 (2022).
Przedruki i uprawnienia
