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.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
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.
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.
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.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Pobieranie próbek gleby i przygotowanie próbek
UWAGA: Schemat przebiegu pracy tej metody można znaleźć w Rysunek 1.
2. Jednostka czujnika i ustawienie tensjometru
3. Inicjowanie kampanii
4. Zakończenie kampanii systemowej
5. Analiza danych
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
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). ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
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...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają do ujawnienia żadnych konfliktów interesów.
Autorzy dziękują za wsparcie finansowe udzielone przez Kanadyjską Fundację Innowacji (John Evans Leadership Fund) na zakup przyrządu do analizy właściwości hydraulicznych.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| 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 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.