Методическая статья

Измерения потенциала почвенной воды и проводимости на основе простого эксперимента по испарению с использованием гидравлического анализатора свойств

DOI:

10.3791/66942

⸱

9 августа 2024 г.

 ,  ,  , 
1Renewable Resources, University of Alberta, 2Faculty of Land and Food Systems, University of British Columbia

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В этой статье представлен простой эксперимент по испарению с использованием инструмента гидравлических свойств для образца почвы. С помощью эффективных средств измерения могут проводиться в течение нескольких дней для получения высококачественных данных.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Измерение гидравлических свойств почвы имеет решающее значение для понимания физических компонентов здоровья почвы, а также для комплексных знаний о почвенных системах при различных методах управления. Сбор достоверных данных необходим для принятия обоснованных решений, влияющих на сельское хозяйство и окружающую среду. В описанном здесь простом эксперименте по испарению используются приборы в лабораторных условиях для анализа образцов почвы, собранных в полевых условиях. Натяжение почвы в воде образца измеряется прибором, а данные о напряжении моделируются программным обеспечением для восстановления гидравлических свойств почвы. Этот метод может быть использован для измерения удержания воды в почве и гидравлической проводимости, а также для получения представления о различиях в обработке или динамике окружающей среды с течением времени. Для первоначальной установки требуется пользователь, но сбор данных автоматизирован с помощью прибора. Гидравлические свойства почвы нелегко измерить с помощью традиционных экспериментов, и этот протокол предлагает простую и оптимальную альтернативу. Обсуждается интерпретация результатов и варианты расширения диапазона данных.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Удержание воды в почве и гидравлическая проводимость в естественной и антропогенной среде помогают нам понимать и наблюдать за изменениями в здоровье и функциональности почвы. Количественная оценка гидравлических свойств с помощью кривой удержания почвенных вод (SWRC) и кривой проводимости почвенных вод позволяет получить представление о ключевых факторах физического поведения почвы и характеристике движения воды1. Соотношение между объемным содержанием воды (θ) и матричным напором (h) представлено в пределах SWRC, а диапазоны внутри кривой описывают точку насыщения, емкость поля и точку постоянного увядания2. Методы управления почвой, поправки, типы агроэкосистем и условия окружающей среды – все это может оказывать влияние на гидравлику почвы 3,4. Эти факторы, в свою очередь, могут влиять на перенос растворенных веществ5 и доступную для растений воду6, дыхание почвы и микробную активность7, а также на циклы увлажнения и сушки8. Надлежащий анализ SWRC является важным элементом количественной оценки здоровой и функционирующей почвы и является обязательным условием для получения обоснованного представления о гидравлических свойствах почвы.

В настоящее время существует множество методов измерения для разработки надежного SWRC, при этом методы столба висячей воды и прижимной пластины являются распространенными традиционными подходами для определения распределения пор по размерам почвы2. Традиционные методы могут отнимать много времени, обычно на анализ небольшогонабора образцов уходят недели или месяцы. Более того, после завершения анализа эти методы приводят лишь к нескольким точкам данных, которые информируют SWRC9. Кроме того, точность получения репрезентативных данных с использованием традиционных методов, таких как нажимные пластины, может стать проблемой при более низких матричных потенциалах, в частности, при мелкозернистых почвах10,11. Более современные методы, которые включают в себя простой подход к эксперименту по испарению с использованием тензиометров и метод точки росы с охлажденным зеркалом, как правило, дают более воспроизводимые данные по широкому спектру текстур почвы2. Первоначально разработанный компанией Wind в 1968 году, простой эксперимент по испарению включал в себя измерение изменений массы воды и изменения напряжения с помощью тензиометров в образцепочвы с течением времени. По мере испарения через определенные промежутки времени проводятся измерения массы образца почвы для создания SWRC. Позже усовершенствованный Шиндлером (1980), метод включал только два тензиометра, помещенных под разным давлением в пробе почвы. Затем модифицированный метод был протестирован и валидирован как пригодный для использования в научном анализе13,14. Ключевым преимуществом простого эксперимента по испарению является возможность легко получать данные по большой части кривой влажности почвы (от 0 до -300 кПа) с большим количеством точек данных, чем при использовании традиционных методов.

Эти современные методы включают в себя автоматизированные приборы, которые берут множество точек данных в течение периода анализа образца и производят данные с помощью программного интерфейса. Прибор для измерения гидравлических свойств является современным инструментом, который создает кривые удержания воды и кривые проводимости на основе данных образца15. Используя простой эксперимент по испарению с использованием инструмента гидравлических свойств, можно оценить взаимосвязь между содержанием воды и водным потенциалом в почве1. В этом эксперименте вода, присутствующая в тензиометрической шахте, находится в равновесии с водой в почвенном растворе. По мере испарения почвенной воды и высыхания образца почвы в тензиометре происходит кавитация, и эксперимент заканчивается. Существует ограничение гидравлических свойств прибора в сухом диапазоне SWRC, так как прибор способен работать только в пределах матричных потенциалов от 0 до -100 кПа. Это может быть исправлено путем включения данных, полученных в ходе эксперимента по измерению точки росы в охлажденном зеркале с использованием прибора16 для измерения потенциала почвенных вод, который может расширить диапазон данных до -300 000 кПа или постоянной точки увядания. Все эти данные объединяются в программном обеспечении для последующей обработки для моделирования, чтобы последовательно информировать SWRC о переходе от нулевого напряжения к более высокому напряжению даже за пределами точки провядания. Затем кривые SWRC и гидравлической проводимости генерируются на основе данных о матричном потенциале, полученных в течение периода измерения, что позволяет создать полную кривую, спроецированную от насыщения до постоянной точки увядания.

Описанный здесь метод представляет собой краткую рабочую процедуру для анализа почвы с помощью инструмента гидравлических свойств. Этот метод был использован в ряде научных условий, включая количественную оценку здоровья почвы в широком диапазоне агроэкосистем 3,17,18,19, и были предприняты усилия для понимания передовых методов, выходящих за рамки руководства пользователя прибора20. В нем описывается стандартизированный протокол для всех этапов процедуры, включая отбор проб в полевых условиях, подготовку образцов, работу программного обеспечения и обработку данных. Следование этому методу обеспечит успешную кампанию, результатом которой станут достоверные данные. Представлены критически важные шаги для обеспечения качества данных, общие проблемы и передовые методы для обеспечения надлежащей реализации.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Отбор проб почвы и подготовка образцов

ПРИМЕЧАНИЕ: Принципиальную схему рабочего процесса этого метода можно найти на рисунке 1.

  1. Забор образцов
    1. Выкопайте верхнюю часть на несколько сантиметров выше желаемой глубины отбора проб, чтобы удалить нежелательный мусор, особенно рыхлый органический мусор и корку на поверхности почвы.
    2. Поместите уровень керна для отбора проб металла на поверхность обнаженного грунта стороной острого края к поверхности почвы; Затем поместите держатель для молотка на верхнюю часть кольца.
    3. Несколько раз ударьте по верхней части держателя молотка резиновым молотком, пока верхняя часть металлического керна для отбора проб не выровняется с поверхностью почвы.
    4. Покопайтесь вокруг металлического керна для отбора проб; Затем выкопайте под сердцевину, чтобы извлечь ее из почвы.
    5. Разровняйте металлический керн для отбора проб с обеих сторон шпателем или ножом после того, как он будет извлечен из почвы; Затем поместите пластиковые крышки по обе стороны от сердцевины.
    6. Добавьте образец этикетки к металлическому сердечнику.
  2. Хранение и использование образцов
    1. Перед анализом образцы храните в холодильнике при температуре около 4 °C.
    2. Пробы насытите не менее чем за 24 часа до анализа, поместив керны образцов в большой пластиковый контейнер с дегазированной деионизированной водой. Сначала снимите пластиковую крышку, которая находится на плоской краю металлического керна для отбора проб, и поместите сверху бумажный фильтр для кофе, а затем просачивающую пластину. Затем переверните керн и питательную пластину в контейнер и заполните его дегазированной деионизированной водой в пределах 1 см от верхней части образца почвы. При необходимости наполняйте емкость дегазированной деионизированной водой до тех пор, пока почва не достигнет насыщения.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Насыщение происходит, когда вода видна на открытой поверхности почвы.

2. Установка сенсорного блока и тензиометра

  1. Подготовка тензиометра
    1. Замочите тензиометры на 24 часа в дегазированной деионизированной воде: один высокий (длина 50 мм) и один короткий (25 мм) тензиометр для каждого сенсорного блока, который будет использоваться в кампании анализа.
    2. Закройте контейнер с тензиометрами, чтобы ограничить диффузию атмосферы в воду.
  2. Дегазация сенсорного блока методом вакуумного насоса
    ПРИМЕЧАНИЕ: Выполните следующие шаги для каждого сенсорного блока, который будет использоваться в кампании.
    1. Заполните оба порта тензиометра дегазированной деионизированной водой до верха порта с помощью шприца объемом 20 мл и иглы с тонким наконечником. Убедитесь, что датчик давления чистый, направив свет в порт и оценив, нет ли там мусора.
    2. Поместите акриловую крышку на блок датчиков и закрепите металлическими зажимами. Вставьте шприц с дегазированной деионизированной водой в отверстие акриловой верхней части и заполните ее чуть ниже верхней части акриловой головки.
    3. Прикрепите акриловую крышку к блоку дегазации, вставив трубку «Т» на блоке дегазации в верхнюю часть акриловой головки.
      ПРИМЕЧАНИЕ: К каждому блоку дегазации можно прикрепить два сенсорных блока с акриловыми крышками.
  3. Заправка тензиометра
    1. Установите стаканчик, установленный на сцене, в оба доступных положения на блоке дегазации, затем заполните 3/4 стакана дегазированной деионизированной водой.
    2. Вкрутите тензиометры в резьбовые акриловые держатели; затем переместите черное уплотнительное кольцо так, чтобы оно соприкоснулось с верхней частью акрилового держателя. Поместите в дегазированную деионизированную воду, содержащуюся в стаканчиках, установленных на сцене.
  4. Начало вакуумной дегазации
    1. Убедитесь, что все соединения плотно закреплены, чтобы предотвратить утечку.
    2. Включите вакуумный насос до достижения -0,4 Бар; Затем выключите вакуумный насос и дайте системе выровняться. Снова включите вакуумный насос до достижения -0,8 бар.
    3. Постучите по нижней части блока датчиков по плотному полотенцу, чтобы удалить пузырьки воздуха из отверстий тензиометра в блоке датчика.
    4. Держите систему под вакуумом не менее 24 часов. Проверьте наличие утечек, выключив вакуум и убедившись, что он остается под давлением. Включайте вакуумный насос через равные промежутки времени, чтобы довести вакуум до давления, так как он будет медленно терять давление по мере выравнивания системы.
    5. Через 24 часа снимите трубку с акриловой верхней части и снимите все тензиометры с акриловых держателей. Поместите короткий и высокий тензиометры в отдельные стаканы с дегазированной деионизированной водой.

3. Инициирование кампании

  1. Подготовка оптических блоков
    1. Вставьте блок датчиков в сборе в кабель подключения к системе.
    2. Подложите абсорбирующий материал, например полотенце, под подключенный сенсорный блок и снимите акриловую крышку, отпустив металлические зажимы.
    3. Повторите шаги 3.1.1 и 3.1.2 для каждой сборки сенсорного блока для конфигурации с несколькими датчиками или перейдите к пункту 3.A.iv для настройки с одним датчиком.
    4. Щелкните программное обеспечение для измерения данных, чтобы открыть программу, и щелкните значок «Показать устройства ».
    5. Убедитесь, что все подключенные сенсорные блоки отображаются на боковой панели программного обеспечения.
  2. Установка тензиометра
    1. Нажмите на значок мастера пополнения в верхней части программного обеспечения, чтобы открыть пользовательский интерфейс. В выпадающем меню перейдите к соответствующему блоку датчиков.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Датчики находятся в хорошем рабочем состоянии, если их начальные показания составляют 0 гПа (± 5 гПа).
    2. Выберите тензиометр из стакана. Убедитесь, что в шахте нет видимых пузырьков воздуха, а над верхней частью вала тензиометра образуется выпуклая мениска. Добавьте еще дегазированную деионизированную воду с помощью шприца в верхнюю часть тензиометра, если нет выпуклого мениска.
    3. Переместите черное уплотнительное кольцо на тензиометре к центру резьбы.
    4. Инвертируйте тензиометр в стоячую воду, присутствующую на блоке датчика, сохраняя при этом выпуклый мениск неповрежденным.
    5. Установите короткий тензиометр в порт тензиометра, который обозначен короткой линией. Установите высокий тензиометр в порт тензиометра, который обозначен длинной линией.
    6. Осторожно вкрутите тензиометр в порт тензиометра, наблюдая за показаниями давления на вкладке «Текущие показания». Добейтесь плотного прилегания, сделав половину-полный оборот тензиометра.
      ПРИМЕЧАНИЕ: После установки на порт тензиометра убедитесь, что показания тензиометра составляют 0 гПа (± 5 гПа).
    7. Поместите силиконовую колбу, наполненную дегазированной деионизированной водой, на верхнюю часть тензиометра, чтобы предотвратить высыхание наконечника во время установки других тензиометров.
    8. Повторите шаги с 3.2.1 по 3.2.7 для каждого тензиометра и сенсорного блока, используемого в кампании.
  3. Размещение образцов на сенсорных блоках
    1. Извлеките насыщенный образец и соответствующую сатурирующую пластину из емкости с дегазированной деионизированной водой и поместите их на рабочую поверхность.
    2. Поместите направляющую шнека на верхнюю часть кольца для образца.
    3. Вставьте тензиометрический вал шнека в отверстие направляющей шнека и поверните тензиометрический вал шнека в полный оборот для удаления грунта. Повторите для второй лунки.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Следите за глубиной, которую каждое отверстие делает в образце почвы, поскольку она соответствует высоте тензиометра.
    4. Снимите направляющую шнека и убедитесь, что образец грунта не обрушился в лунку.
    5. Снимите силиконовые лампы на каждом тензиометре и поместите силиконовый диск поверх блока датчиков.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что воздух не задерживается под силиконовым диском и что датчик температуры не закрыт.
    6. Совместите отверстия в керне образца с соответствующей высотой тензиометра на блоке датчика.
    7. Переверните керн образца и поместите его поверх сенсорного блока, установив образец на тензиометры.
    8. Снимите кофейный фильтр и тарелку для насыщения. Закрепите почвенную сердцевину металлическими застежками, расположенными сбоку от блока датчиков.
    9. Повторите шаги с 3.3.1 по 3.3.8 для каждого образца.
  4. Инициирование системной кампании
    1. После настройки каждого сенсорного блока введите идентификационный номер образца, присутствующий на металлическом сердечнике, поскольку он соответствует серийному номеру каждого из сенсорных блоков. Введите уникальное имя для полевой кампании, нажмите кнопку Обзор , чтобы сохранить местоположение файла.
    2. Нажмите кнопку Начать.
    3. Снимите первоначальные показания веса после того, как будут получены два показания тензиометра. Сначала отсоедините соединительный шнур от сенсорного блока, дождитесь появления диалогового окна на программном обеспечении, и поместите его на весы. Снимите сенсорный блок, как только программное обеспечение укажет, что показания веса были сняты, и снова подключите его к соединительному шнуру. Повторите эти действия для всех сенсорных блоков.
    4. Взвешивайте образцы 3 раза в день в течение первых 2 дней измерения, затем 2 раза в день через равные промежутки времени в течение оставшейся части кампании.

4. Прекращение системной кампании

  1. Завершение работы ПО
    1. Проведите окончательное измерение веса каждого сенсорного блока после того, как образец достигнет точки подачи воздуха.
    2. Нажмите Стоп и отсоедините соединительный кабель от каждого сенсорного блока.
  2. Разборка кампании
    1. Извлеките керн из блока датчиков. Поместите весь почвенный материал в контейнер, а образец почвы высушите в духовке.
      ПРИМЕЧАНИЕ: При работе с мелкозернистыми почвами смочите каждый образец почвы в течение часа, прежде чем извлекать его из сенсорного блока.
    2. Снимите силиконовый диск и при необходимости промойте верхнюю часть сенсорного блока влажным полотенцем.
    3. Аккуратно выньте каждый тензиометр из пазов. Очистите кончики тензиометров зубной щеткой с мягкой щетиной и полейте водой, если они загрязнены.
    4. Очистите поверхность сенсорного блока, перевернув блок и распылив воду из безопасной бутылки для стирки.
    5. Очистите порт вала тензиометра, перевернув блок датчиков и впрыснув воду из шприца в порт.

5. Анализ данных

  1. Получите вес сухого грунта для каждого образца и соответствующего металлического ядра.
  2. Нажмите на программное обеспечение для анализа данных, чтобы открыть программу, и нажмите на файл образца, чтобы открыть данные в программном обеспечении. Введите вес металлического сердечника в разделе Параметры вкладки Информация .
  3. Перейдите на вкладку «Измерения» | Поиск точки входа воздуха. Для точной настройки точки кавитации переместите пунктирные линии начальной и конечной точек в диапазоне данных тензиометра. Сделайте то же самое для точек входа воздуха , если они должны быть указаны в программном обеспечении.
  4. Перейдите на вкладку «Оценка » и в разделе «Расчет содержания воды» убедитесь, что выбрано значение «От веса сухой почвы» (г). Введите вес высушенного грунта.
  5. Нажмите на вкладку «Примерка » | Примените модель, которая лучше всего подходит для данных.
  6. Перейдите на вкладку «Экспорт », выберите путь к файлу и убедитесь, что файл экспортирован в формате .xlxs.
  7. Повторите шаги с 5.1 по 5.7 для каждого образца почвы.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

После завершения надлежащей измерительной кампании в соответствии с приведенным выше протоколом можно будет просмотреть выходные данные эксперимента в аналитическом программном обеспечении. Выходные кривые основаны на показаниях тензиометра, которые измеряют натяжение воды (гПа) во времени (t), а первоначальная кривая этих данных генерируется сразу после завершения кампании. Выбранные примеры кривых напряжения двух образцов грунта могут быть изучены для иллюстрации оптимальных и неоптимальных результатов (Рисунок 2). Оптимальные результаты должны иметь выходную кривую, содержащую четкую кавитацию и точку входа воздуха, чтобы наилучшим образом информировать SWRC. Если нет четкой точки кавитации и подачи воздуха, данные все равно можно использовать, но SWRC становится менее точным, и требуется больше постобработки в программном обеспечении.

Программное обеспечение для анализа содержит несколько моделей, которые пользователи могут использовать для анализа измерений натяжения 21,22,23,24. В большинстве случаев модель ван Генутхена/Муалема является эффективным выбором для данных; Тем не менее, у пользователей есть возможность выбрать модель, которая лучше всего подходит для их данных15. Затем программное обеспечение применяет эту модель к кривой напряжения, и смоделированные кривые становятся доступными на вкладке вывода. Удержание воды, θ(h) и ненасыщенная гидравлическая проводимость K(h) или K(θ) генерируются программным обеспечением для моделирования, где θ — объемное содержание воды, K — гидравлическая проводимость, а h — матричный потенциал14. Репрезентативный пример выходных данных SWRC и гидравлической проводимости можно увидеть на рисунке 3. Выходные данные, которые согласуются с моделью ван Генутхена/Маулема, можно увидеть на рисунке 4.

Результирующая выходная кривая служит основой для смоделированных выходных кривых, которые являются основой многих описательных и гидравлических данных о почве. В основном, SWRC генерируется на основе исходных данных этого метода, но другие параметры, такие как пористость, объемная плотность, содержание насыщенной воды и полевая емкость образца почвы, могут быть экстраполированы на основе этих данных. Результаты (Рисунок 4) можно сравнить, чтобы понять свойства почвы и сравнить их между обработками.

figure-results-1
Рисунок 1: Обзор рабочего процесса. Для выполнения протокола необходима подготовка как образца почвы, так и инструмента гидравлических свойств. Стрелки указывают последовательность рабочего процесса, начиная с подготовки образцов и инструментов и заканчивая анализом данных и постобработкой образцов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-2
Рисунок 2: Примеры оптимальных и неоптимальных кривых натяжения. (А) Оптимальная кривая: происходит регулярное измерение, достигается кавитация, и напряжение в валу тензиометра резко падает до давления окружающей среды. Поступление воздуха происходит при ~ 700 гПа для обеих кривых, и вскоре после этого измерения прекращаются. (Б) Неоптимальная кривая: происходит регулярное измерение и достигается кавитация, но напряжение в валу тензиометра резко не падает и трудно различить, где началась фаза поступления воздуха. Эта кривая все еще может информировать кривую удержания почвенной влаги с помощью ручной настройки во время постобработки данных, но она менее точна, чем (A). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-3
Рисунок 3: Выходные кривые из программного обеспечения. Кривые удержания почвенной влаги и гидравлической проводимости, отображаемые в программном обеспечении до применения любой модели. (A) Кривая удержания почвенной влаги и (B,C) кривые гидравлической проводимости, как они отображаются в аналитическом программном обеспечении после завершения анализа образца. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-4
Рисунок 4: Выходные кривые с прикладной моделью. Рисунок 4 Выходные данные могут быть подогнаны к модели в программном обеспечении прибора. Здесь отображаются смоделированные данные; (A) Кривая удержания почвенных вод и (B,C) кривые гидравлической проводимости с применением к данным модели ван Генухтена-Муалема. среднеквадратичная ошибка (a) 0,4%, (b) 7,09%. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Простой подход к эксперименту по испарению с использованием описанного здесь метода является эффективным средством для разработки кривых SWRC и гидравлической проводимости. Простота и точность измерения данных делают его жизнеспособной альтернативой более традиционным методам14. Описанный здесь метод выходит за рамки руководства пользователя и современной литературы, чтобы синтезировать и расширить тонкости этого сложного инструмента. Особое внимание необходимо уделять процессам сбора, транспортировки и анализа проб почвы для получения высококачественных данных. При взятии пробы почва внутри металлического ядра должна оставаться нетронутой. Металлический сердечник должен оставаться ровным во время удара молотком, чтобы избежать вибраций или наклонов, которые могут нарушить почву, а с образцом следует обращаться осторожно во время транспортировки.

Кроме того, необходимо скрупулезно ограничивать количество воздуха, поступающего в каждую часть системы приборов. Точность кривых выходного напряжения, вероятно, будет снижена, если воздух был введен непреднамеренно. Сборка и выполнение этого метода состоит из множества этапов, которые выходят за рамки рекомендаций производителя и направлены на устранение возможности попадания воздуха в систему. К таким нюансам относятся утилизация дегазированной воды, модифицированная процедура заправки тензиометром и постоянное повторное внесение воды для насыщения почвы. Крайне важно убедиться в том, что вода, используемая в эксперименте, была правильно дегазирована, тензиометры были правильно заполнены, а также чтобы в портах тензиометра в блоке датчика не было пузырьков или воздушных карманов. Это критические моменты, которые необходимо тщательно соблюдать в протоколе для обеспечения успеха кампании.

Измерительная кампания завершается после кавитации, когда достигнута точка поступления воздуха. Это будет выглядеть как резкий пик, за которым последуют показания напряжения, быстро снижающиеся до нуля для обоих тензиометров на измерительной кривой, как показано на рисунке 2. После периода измерения и во время анализа данных пользователь может вносить изменения для повышения точности выходных данных. Например, в программном обеспечении для обработки данных точки запуска, остановки и подачи воздуха могут быть вручную отрегулированы в соответствии с визуальным осмотром и усмотрением пользователя, если на кривой натяжения есть очевидные проблемы. В начале измерительной кампании могут наблюдаться серьезные колебания, поскольку тензиометры начинают снимать показания, а испарение воды еще не началось. Этот шум данных можно легко устранить на этапе постобработки, переместив начальную линию дальше вправо в интерфейсе программного обеспечения. Кроме того, если показания тензиометра для кавитации имеют плато, а не острый пик, программному обеспечению может быть трудно автоматически определить, где начинается и заканчивается кавитация. Эту проблему можно решить, переместив верхнюю и нижнюю линию остановки на точки масштабирования местоположений, которые фиксируют достаточно большое изменение наклона для указания кавитации. Аналогичным образом, точки поступления воздуха могут быть отрегулированы аналогичным образом, поскольку они могут быть перемещены в конец плато-части кривой, гарантируя, что соответствующая часть области данных захватывается программным обеспечением.

Меньшее количество точек данных в направлении сухого диапазона SWRC, полученных с помощью инструмента гидравлических свойств, может привести к неточностям при применении моделей к данным. Эту ситуацию можно усугубить, включив в нее другие источники данных, охватывающие сухой диапазон удержания воды. Дополнительные данные могут быть дополнены путем анализа одних и тех же образцов почвы с помощью прибора для измерения потенциала почвенных вод, а затем ручного ввода этих точек в аналитическое программное обеспечение. Дополнительные данные повышают достоверность оценок в сухом диапазоне и относительно просты в использовании. Объединение данных обоих приборов может стать полезным, если цель исследования связана со всем диапазоном удержания влаги в почве. Более подробную информацию о работе прибора для измерения потенциала грунтовых вод, применимости этих измерений и интеграции с прибором для измерения гидравлических свойств можно найти в существующей литературе 2,16,17,25.

Кривые удержания почвенной воды и гидравлической проводимости обеспечивают важную характеристику физических и ненасыщенных гидравлических свойств образца почвы. Во всех дисциплинах в области окружающей среды, сельского хозяйства и почвоведения методы управления земельными ресурсами, которые изменяют физические и гидравлические свойства почвы, могут оказывать долгосрочное воздействие на здоровье почвы 3,17. Количественная оценка почвенных метрик и показателей в рамках почвенных исследований и мониторинга может помочь повысить осведомленность об истинных последствиях контрастных методов управления почвой. Понимание таких свойств, как емкость поля, доступная для растений вода, распределение пор по размерам и водопроводность, позволяет сделать обоснованный вывод о предпочтительных методах управления почвой для здоровья почвы26. Более широкое использование надежных методов, описанных здесь, может способствовать углублению и гармонизации единого массива знаний о первостепенных последствиях контрастных вариантов управления почвами в широком спектре земельных систем.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

У авторов нет конфликта интересов, который можно было бы раскрыть.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы выражают благодарность за финансовую поддержку, оказанную Канадским фондом инноваций (John Evans Leadership Fund) в приобретении прибора для анализа гидравлических свойств.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Колбы Buchner 4 л (две)Различныен/дКонтейнеры для дегазации воды
20 мл Шприц с тонким наконечникомBDBD-302830
Фильтр для кофеРазличныен/дПредотвращает вынос грязи из сердцевины во время замачивания
HYPROP Complete SetHoskin110813/E240-M020210Шнек вала тензиометра, трубка для вакуумного шприца и адаптер для заправки, направляющая шнека, USB-адаптер HYPROP, блок датчиков HYPROP, валы тензиометра (50 мм и 25 мм), пластина для насыщения, адаптер для заправки, силиконовая прокладка, комплект уплотнительных колец, весы LABROS, программное обеспечение, кабели
Блок заправки HYPROP Hoskin108899/ E240-M020258вакуумный насос, крепление для вакуума, крепление для стакана, адаптеры для заправки
Большие пластиковые контейнерыРазличныен/дУдерживает воду и почву во время насыщения
Держатель для отбора проб METERHoskin100255/E240-100201
Резиновый молотокHome Depot18CT1031Инструмент для сбора образцов, используемый с держателем для отбивки
ЛопатаHome Depot83200
Кольцо для отбора проб почвы, вкл. 2 колпачкаHoskin100254/E240-100101
Пластина для перемешивания/ МешалкаРазличныен/д
Мастерки Home Depot91365

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Malaya, C., Sreedeep, S. Critical review on the parameters influencing soil-water characteristic curve. J Irrig Drain Eng. 138 (1), 55-62 (2011).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Parker, N., Patrignani, A. Revisiting laboratory methods for measuring soil water retention curves. SSSAJ. 87 (2), 417-424 (2023).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Wind, G. Capillary conductivity data estimated by a simple method. , IAHS, Gentbrugge, Netherlands and UNESCO. Paris. (1968).
  13. Schindler, U. Ein Schnellverfahren zur Messung der Wasser-leitfähigkeit im teilgesättigten Boden an Stechzylinderproben.Arch. Acker- Pflanzenbau Bodenkd. 24, 1-7 (1980).
  14. Peters, A., Durner, W. Simplified Evaporation Method for Determining Soil Hydraulic Properties. J Hydrol. 356, 147-162 (2008).
  15. METER Operation Manual HYPROP 2, METER Group AG, Munich, Germany. , http://library.metergroup.com/Manuals/18263_HYPROP_Manual_Web.pdf (2015).
  16. Lipovetsky, T., et al. HYPROP measurements of the unsaturated hydraulic properties of a carbonate rock sample. J Hydrol. 591, (2020).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Hebb, C., et al. Soil physical quality varies among contrasting land uses in Northern Prairie regions. Agric Ecosyst Environ. 240, 14-23 (2017).
  20. Shokrana, M. S. B., Ghane, E. Measurement of soil water characteristic curve using HYPROP2. MethodsX. 7, 100840(2020).
  21. Brooks, R. H. Hydraulic properties of porous media. , Colorado State University. (1965).
  22. Kosugi, K. I. Lognormal distribution model for unsaturated soil hydraulic properties. Water Resour Res. 32 (9), 2697-2703 (1996).
  23. Fredlund, D. G., Xing, A. Equations for the soil-water characteristic curve. Can Geotech J. 31 (4), 521-532 (1994).
  24. van Genuchten, M. T. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. SSSAJ. 44, 892-898 (1980).
  25. 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).
  26. 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).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи