Mediciones del potencial hídrico y la conductividad del suelo basadas en un experimento simple de evaporación utilizando un analizador de propiedades hidráulicas

Resumen

Este artículo presenta un experimento simple de evaporación utilizando un instrumento de propiedades hidráulicas para una muestra de suelo. A través de medios eficientes, las mediciones se pueden tomar durante una serie de días para generar datos de alta calidad.

Resumen

La medición de las propiedades hidráulicas del suelo es fundamental para comprender los componentes físicos de la salud del suelo, así como el conocimiento integrado de los sistemas del suelo bajo diversas prácticas de manejo. La recopilación de datos fiables es imprescindible para fundamentar las decisiones que afectan a la agricultura y al medio ambiente. El experimento de evaporación simple descrito aquí utiliza instrumentación en un entorno de laboratorio para analizar muestras de suelo recolectadas en el campo. El instrumento mide la tensión del agua del suelo de la muestra, y los datos de tensión se modelan mediante software para devolver las propiedades hidráulicas del suelo. Este método se puede utilizar para medir la retención de agua del suelo y la conductividad hidráulica y dar una idea de las diferencias en los tratamientos o la dinámica ambiental a lo largo del tiempo. El establecimiento inicial requiere un usuario, pero la adquisición de datos se automatiza con el instrumento. Las propiedades hidráulicas del suelo no se miden fácilmente con los experimentos tradicionales, y este protocolo ofrece una alternativa simple y óptima. Se discute la interpretación de los resultados y las opciones para ampliar el rango de datos.

Introducción

La retención de agua del suelo y la conductividad hidráulica dentro de los entornos naturales y alterados por el hombre nos ayudan a comprender y observar los cambios en la salud y la funcionalidad del suelo. La cuantificación de las propiedades hidráulicas a través de la curva de retención de agua del suelo (SWRC) y la curva de conductividad del agua del suelo ofrece información sobre los impulsores clave del comportamiento físico del suelo y la caracterización del movimiento del agua¹. La relación entre el contenido volumétrico de agua (θ) y la carga matricial (h) se representa dentro de un SWRC, y los rangos dentro de la curva describen el punto de saturación, la capacidad de campo y el punto de marchitamiento permanente². Las prácticas de manejo del suelo, las enmiendas, los tipos de agroecosistemas y las condiciones ambientales pueden tener un impacto en la hidráulica del suelo ^3,4. Estos factores pueden, a su vez, influir en el transporte de solutos⁵ y el agua disponible de las plantas⁶, en la respiración del suelo y en la actividad microbiana⁷, así como en los ciclos de humectación y secado⁸. Como una pieza importante en la cuantificación de un suelo sano y funcional, el análisis adecuado del SWRC es imperativo para obtener una comprensión informada de las propiedades hidráulicas del suelo.

En la actualidad existe una variedad de técnicas de medición para desarrollar un SWRC fiable, siendo los métodos de columna de agua colgante y placa de presión los enfoques tradicionales comunes para determinar la distribución del tamaño de los poros del suelo². Los métodos tradicionales pueden llevar mucho tiempo, por lo general tardan semanas o meses en analizar un pequeño conjunto de muestras⁹. Además, una vez que se completa el análisis, estos métodos dan como resultado solo unos pocos puntos de datos que informan el SWRC⁹. Además, la precisión de la producción de datos representativos utilizando métodos tradicionales, como placas de presión, puede convertirse en una preocupación con potenciales matriciales más bajos, en particular, con suelos de textura fina^10,11. Las técnicas más modernas, que implican el enfoque de experimento de evaporación simple utilizando tensiómetros y el método del punto de rocío de espejo enfriado, tienden a proporcionar datos más reproducibles en una amplia gama de texturas de suelo². Desarrollado inicialmente por Wind en 1968, el experimento de evaporación simple consistió en medir los cambios en la masa de agua y los cambios de tensión a través de tensiómetros en la muestra de suelo a lo largo del tiempo¹². A medida que se produce la evaporación, se toman mediciones de la masa de la muestra de suelo a intervalos de tiempo específicos para crear un SWRC. Más tarde refinado por Schindler (1980), el método involucró solo dos tensiómetros colocados a diferentes alturas de presión dentro de la muestra de suelo. A continuación, el método modificado fue probado y validado como susceptible de ser utilizado en el análisis científico^13,14. Un beneficio clave del experimento de evaporación simple es el potencial de producir fácilmente datos a través de una gran parte de la curva de humedad del suelo (0 a -300 kPa), con más puntos de datos que con los métodos tradicionales.

Estos métodos modernos involucran instrumentos automatizados que toman numerosos puntos de datos a lo largo del período de análisis de la muestra y producen datos utilizando una interfaz de software. El instrumento de propiedades hidráulicas es un instrumento contemporáneo que crea curvas de retención de agua y curvas de conductividad a partir de datos de muestra¹⁵. Mediante el empleo de un experimento simple de evaporación utilizando el instrumento de propiedades hidráulicas, se puede evaluar la relación entre el contenido de agua y el potencial de agua en el suelo¹. En este experimento, el agua presente dentro del eje del tensiómetro existe en equilibrio con el agua en la solución del suelo. A medida que se produce la evaporación del agua del suelo y la muestra de suelo se seca, se produce la cavitación en el tensiómetro y finaliza el experimento. Existe una limitación del instrumento de propiedades hidráulicas en el rango seco del SWRC, ya que el instrumento solo es capaz de operar dentro de potenciales mátricas de 0 a -100 kPa. Esto se puede remediar con la inclusión de datos generados con un experimento de punto de rocío en espejo frío utilizando un instrumento de potencial de agua del suelo¹⁶, que puede extender el rango de datos a -300.000 kPa o el punto de marchitamiento permanente. Todos estos datos se reúnen en el posprocesamiento del software de modelado para informar de forma cohesiva al SWRC desde tensiones nulas hasta tensiones más altas, incluso más allá del punto de marchitamiento. A continuación, se generan las curvas de conductividad hidráulica y SWRC en función de los puntos de datos de potencial matricial tomados a lo largo del período de medición, lo que permite generar una curva completa proyectada desde la saturación hasta el punto de marchitamiento permanente.

El método descrito aquí presenta un procedimiento operativo sucinto para el análisis de suelos con un instrumento de propiedades hidráulicas. Este método se ha llevado a cabo en una serie de entornos científicos, incluida la cuantificación de la salud del suelo en una amplia gama de agroecosistemas 3,17,18,19, y se han realizado esfuerzos para comprender las mejores prácticas más allá del manual del usuario del instrumento ²⁰. Aquí, se describe un protocolo estandarizado para todos los pasos del procedimiento, incluido el muestreo de campo, la preparación de la muestra, la función del software y el procesamiento de datos. Seguir este método garantizará una campaña exitosa que dé como resultado datos confiables. Se presentan pasos críticos para garantizar la calidad de los datos, los desafíos comunes y las mejores prácticas para garantizar una implementación adecuada.

Protocolo

1. Toma de muestras de suelo y preparación de muestras

NOTA: En la Figura 1 se puede encontrar un diagrama esquemático del flujo de trabajo de este método.

1. Recogida de muestras
   1. Excave los primeros centímetros por encima de la profundidad de muestreo deseada para eliminar los desechos no deseados, particularmente la hojarasca orgánica suelta y las costras en la superficie del suelo.
   2. Coloque el nivel del núcleo de muestreo de metal en la superficie del suelo expuesto, con el lado del borde afilado hacia la superficie del suelo; Luego, coloque el soporte de martilleo en la parte superior del anillo.
   3. Golpee la parte superior del soporte de martilleo repetidamente con un mazo de goma hasta que la parte superior del núcleo de muestreo de metal se alinee con la superficie del suelo.
   4. Excave alrededor del núcleo de muestreo de metal; Luego, cava debajo del núcleo para sacarlo del suelo.
   5. Nivele ambos lados del núcleo de muestreo de metal con una paleta o cuchillo una vez que se haya retirado del suelo; Luego, coloque cubiertas de plástico a cada lado del núcleo.
   6. Agregue una etiqueta de muestra al núcleo de metal.
2. Almacenamiento y uso de muestras
   1. Almacene las muestras en un refrigerador de aproximadamente 4 ^oC antes del análisis.
   2. Sature las muestras al menos 24 horas antes del análisis colocando los núcleos de muestra en un recipiente de plástico grande con agua desionizada desgasificada. Primero, retire la cubierta de plástico que se encuentra en el lado del borde plano del núcleo de muestreo de metal y coloque un filtro de café de papel encima, seguido de una placa de saturación. A continuación, invierta el núcleo y la placa de saturación en el recipiente y llénelo con agua desionizada desgasificada a menos de 1 cm de la parte superior de la muestra de suelo. Vuelva a llenar el recipiente con agua desionizada desgasificada según sea necesario hasta que el suelo haya alcanzado la saturación.
      NOTA: La saturación ocurre cuando el agua es visible en la superficie expuesta del suelo.

2. Establecimiento de la unidad de sensor y tensiómetro

1. Preparación del tensiómetro
   1. Remojar los tensiómetros durante 24 h en agua desgasificada y desionizada: un tensiómetro alto (50 mm de longitud) y otro corto (25 mm) para cada unidad de sensor que se utilizará en la campaña de análisis.
   2. Selle el recipiente que contiene los tensiómetros para limitar la difusión de la atmósfera en el agua.
2. Desgasificación de la unidad de sensor por el método de bomba de vacío
   NOTA: Complete los siguientes pasos para cada unidad de sensor que se utilizará en la campaña.
   1. Llene ambos puertos del eje del tensiómetro con agua desionizada desgasificada hasta la parte superior del puerto con una jeringa de 20 ml y una aguja de punta fina. Asegúrese de que el transductor de presión esté limpio iluminando el puerto y evaluando si hay residuos presentes.
   2. Coloque la tapa acrílica en la unidad del sensor y fije los clips metálicos. Inserte la jeringa que contiene agua desgasificada en la abertura de la tapa acrílica y llénela hasta justo debajo de la parte superior de la cabeza acrílica.
   3. Fije la tapa acrílica a la unidad de desgasificación insertando el tubo en "T" de la unidad de desgasificación en la parte superior de la cabeza acrílica.
      NOTA: Se pueden conectar dos unidades de sensor con tapas acrílicas a cada unidad de desgasificación.
3. Recarga de tensiómetro
   1. Coloque una taza montada en la etapa en ambas posiciones disponibles en la unidad de desgasificación, luego llene 3/4 de la taza con agua desionizada desgasificada.
   2. Atornille los tensiómetros en los soportes acrílicos roscados; luego, mueva la junta tórica negra para que se encuentre con la parte superior del soporte acrílico. Coloque en el agua desionizada desgasificada que se encuentra dentro de las tazas montadas en la etapa.
4. Comience la desgasificación al vacío
   1. Asegúrese de que todas las conexiones estén bien sujetas para evitar fugas.
   2. Encienda la bomba de vacío hasta alcanzar -0,4 bar; Luego, apague la bomba de vacío y deje que el sistema se ecualice. Vuelva a encender la bomba de vacío hasta alcanzar -0,8 bar.
   3. Golpee la parte inferior del conjunto de la unidad del sensor con una toalla gruesa para eliminar las burbujas de aire de los puertos del tensiómetro de la unidad del sensor.
   4. Mantenga el sistema al vacío durante al menos 24 horas. Compruebe si hay fugas apagando la aspiradora y asegurándose de que permanezca a presión. Encienda la bomba de vacío a intervalos regulares para llevar el vacío a presión, ya que perderá presión lentamente a medida que el sistema se ecualice.
   5. Después de 24 h, retire el tubo de la parte superior de acrílico y retire todos los tensiómetros de los soportes de acrílico. Coloque los tensiómetros corto y alto en vasos de precipitados separados de agua desgasificada y desgasificada.

3. Iniciar una campaña

1. Preparación de unidades de sensores
   1. Enchufe el conjunto de la unidad del sensor en los cables de conexión del sistema.
   2. Coloque un material absorbente, como una toalla, debajo de la unidad de sensor conectada y retire la parte superior acrílica soltando los clips metálicos.
   3. Repita los pasos 3.1.1 y 3.1.2 para cada conjunto de unidad de sensor para una configuración de varios sensores, o continúe hasta 3.A.iv para una configuración de un solo sensor.
   4. Haga clic en el software de medición de datos para abrir el programa y haga clic en el icono Mostrar dispositivos .
   5. Asegúrese de que todas las unidades de sensor que están conectadas aparezcan en la barra lateral del software.
2. Instalación de tensiómetros
   1. Haga clic en el icono del Asistente de recarga en la parte superior del software para abrir la interfaz de usuario. En el menú desplegable, navegue hasta la unidad de sensor adecuada.
      NOTA: Los transductores están en buen estado de funcionamiento si sus lecturas iniciales son de 0 hPa (± 5 hPa).
   2. Seleccione un tensiómetro del vaso de precipitados. Asegúrese de que no haya burbujas de aire visibles en el eje y que se forme agua sobre la parte superior del eje del tensiómetro en un menisco convexo. Agregue más agua desionizada desgasificada con una jeringa a la parte superior del tensiómetro si no hay menisco convexo.
   3. Mueva la junta tórica negra del tensiómetro al centro de las roscas.
   4. Invierta el tensiómetro en el agua estancada presente en la unidad del sensor mientras mantiene intacto el menisco convexo.
   5. Instale el tensiómetro corto en el puerto del tensiómetro que se indica con una línea corta. Instale el tensiómetro alto en el puerto del tensiómetro que se indica con una línea larga.
   6. Atornille con cuidado el tensiómetro en el puerto del tensiómetro mientras observa las lecturas de presión en la pestaña Lecturas actuales . Obtenga un sello hermético dando media vuelta al tensiómetro de media a completa.
      NOTA: Después de instalarlo en el puerto del tensiómetro, asegúrese de que las lecturas del tensiómetro sean de 0 hPa (± 5 hPa).
   7. Coloque una bombilla de silicona llena de agua desionizada desgasificada en la parte superior del tensiómetro para evitar la desecación de la punta mientras se instalan otros tensiómetros.
   8. Repita los pasos 3.2.1 a 3.2.7 para cada tensiómetro y unidad de sensor utilizados en la campaña.
3. Colocación de muestras en unidades de sensor
   1. Retire una muestra saturada y la placa de saturación correspondiente del recipiente de agua desionizada desgasificada y colóquelas sobre una superficie de trabajo.
   2. Coloque la guía del sinfín en la parte superior del anillo de muestra.
   3. Inserte la barrena del eje del tensiómetro en el orificio de la guía del sinfín y gire la barrena del eje del tensiómetro en una rotación completa para eliminar la tierra. Repita para el segundo hoyo.
      NOTA: Lleve un registro de la profundidad que hace cada orificio en la muestra de suelo, ya que corresponde a la altura del tensiómetro.
   4. Retire la guía de la barrena y asegúrese de que la muestra de suelo no se haya colapsado en el orificio.
   5. Retire las bombillas de silicona de cada tensiómetro y coloque el disco de silicona encima de la unidad del sensor.
      NOTA: Asegúrese de que no quede aire atrapado debajo del disco de silicio y que el sensor de temperatura no esté cubierto.
   6. Alinee los orificios en el núcleo de la muestra con la altura del tensiómetro correspondiente en la unidad del sensor.
   7. Invierta el núcleo de la muestra y colóquelo en la parte superior de la unidad del sensor, colocando la muestra en los tensiómetros.
   8. Retire el filtro de café y la placa de saturación. Asegure el núcleo del suelo con broches metálicos ubicados en el costado de la unidad del sensor.
   9. Repita los pasos 3.3.1 a 3.3.8 para cada una de las muestras.
4. Inicio de la campaña del sistema
   1. Una vez que se haya configurado cada unidad de sensor, ingrese la identificación de la muestra presente en el núcleo metálico tal como corresponde a cada uno de los números de serie de la unidad de sensor. Introduzca un nombre único para la campaña de campo, haga clic en Examinar para guardar la ubicación del archivo.
   2. Haga clic en Inicio.
   3. Tome la lectura de peso inicial después de que se hayan completado dos lecturas del tensiómetro. Primero, desconecte el cable de conexión de la unidad del sensor, espere a que aparezca un cuadro de diálogo en el software y colóquelo en la báscula. Retire la unidad del sensor una vez que el software indique que se ha tomado la lectura del peso y vuelva a enchufarla al cable de conexión. Repita el procedimiento para todas las unidades de sensores.
   4. Pesa las muestras 3 veces al día durante los primeros 2 días de medición, luego 2 veces al día a intervalos regulares durante el resto de la campaña

4. Finalización de la campaña del sistema

1. Terminación del software
   1. Tome una medida de peso final para cada unidad de sensor una vez que la muestra haya alcanzado el punto de entrada de aire.
   2. Haga clic en Detener y desconecte el cable de conexión de cada unidad de sensor.
2. Desmontaje de la campaña
   1. Retire el núcleo de la muestra de la unidad del sensor. Coloque todo el material de tierra en un recipiente y seque la muestra de suelo en el horno.
      NOTA: Si trabaja con suelos de textura fina, humedezca cada muestra de suelo dentro de una hora antes de sacarla de la unidad del sensor.
   2. Retire el disco de silicona y limpie la parte superior de la unidad del sensor con una toalla húmeda si es necesario.
   3. Retire con cuidado cada tensiómetro de las ranuras. Limpie las puntas de los tensiómetros con un cepillo de dientes de cerdas suaves y agua si están sucias.
   4. Limpie la superficie de la unidad del sensor invirtiendo la unidad y rociando agua de una botella de lavado de seguridad.
   5. Limpie el puerto del eje del tensiómetro invirtiendo la unidad del sensor y rociando agua con una jeringa en el puerto.

5. Análisis de datos

1. Obtener el peso del suelo seco de cada muestra y el núcleo metálico correspondiente.
2. Haga clic en el software de análisis de datos para abrir el programa y haga clic en un archivo de muestra para abrir los datos en el software. Introduzca el peso del núcleo metálico en la sección Parámetro de la pestaña Información .
3. Haga clic en la pestaña Medidas | Buscar punto de entrada aérea. Para ajustar el punto de cavitación, mueva las líneas punteadas de los puntos de inicio y parada en el rango de datos del tensiómetro. Haga lo mismo con los puntos de entrada de aire si es necesario especificarlo para el software.
4. Haga clic en la pestaña Evaluación y, en Cálculo del contenido de agua, asegúrese de que la opción Del peso del suelo seco (g) esté seleccionada. Introduzca el peso de la tierra seca.
5. Haga clic en la pestaña Montaje | Aplicar el modelo que mejor se adapte a los datos.
6. Haga clic en la pestaña Exportar , elija una ruta de archivo y asegúrese de que el archivo se exporte en formato .xlxs.
7. Repita los pasos 5.1 a 5.7 para cada muestra de suelo.

Resultados

Al completar una campaña de medición adecuada siguiendo el protocolo anterior, será posible ver la salida de datos del experimento en el software de análisis. Las curvas de salida se originan a partir de lecturas de tensiómetros que miden la tensión del agua (hPa) a lo largo del tiempo (t), y la curva inicial de estos datos se genera inmediatamente después de la finalización de la campaña. Se pueden examinar ejemplos seleccionados de curvas de tensión de dos muestras de suelo p...

Discusión

El enfoque del experimento de evaporación simple utilizando el método que se describe aquí es un medio eficiente para desarrollar las curvas de conductividad hidráulica y SWRC. La simplicidad y precisión de la medición de datos la convierten en una alternativa viable a los métodos más tradicionales¹⁴. El método descrito aquí va más allá del manual de usuario y la literatura actual para sintetizar y ampliar los puntos más finos de este intrincado instr...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
4 L Buchner Flasks (two)	Various	n/a	Containers for water degassing
20 mL Syringe, fine tip	BD	BD-302830
Coffee filter	Various	n/a	Prevents soil travel out of core while soaking
HYPROP Complete Set	Hoskin	110813/E240-M020210	tensiometer shaft auger, tube for vacuum syringe and refilling adapter, auger guide, HYPROP USB adapter, HYPROP sensor unit, tensiometer shafts (50 mm and 25 mm), saturation plate, refilling adapter, silicone gasket, set of o-rings, LABROS balance, software, cables
HYPROP Refill Unit	Hoskin	108899/ E240-M020258	vacuum pump, vacuum mount, beaker mount, refilling adapters
Large Plastic Tubs	Various	n/a	Holds water and soil cores during saturation
METER hammering holder	Hoskin	100255/E240-100201
Rubber Mallet	Home Depot	18CT1031	Sample collection tool used with hammering holder
Shovel	Home Depot	83200
Soil Sampling Ring incl. 2 caps	Hoskin	100254/E240-100101
Stir plate/ Stirring Bar	Various	n/a
Trowel	Home Depot	91365