מדידות פוטנציאל ומוליכות מי קרקע על בסיס ניסוי אידוי פשוט באמצעות מנתח תכונות הידראולי

Summary

מאמר זה מציג ניסוי אידוי פשוט באמצעות מכשיר תכונה הידראולי עבור דגימת קרקע. באמצעים יעילים, ניתן לבצע מדידות במשך סדרה של ימים כדי להפיק נתונים באיכות גבוהה.

Abstract

מדידת התכונות ההידראוליות של הקרקע היא קריטית להבנת המרכיבים הפיזיים של בריאות הקרקע, כמו גם ידע משולב של מערכות קרקע תחת שיטות ניהול שונות. איסוף נתונים אמינים הוא הכרחי לקבלת החלטות המשפיעות על החקלאות והסביבה. ניסוי האידוי הפשוט המתואר כאן משתמש במכשור בתנאי מעבדה כדי לנתח דגימות קרקע שנאספו בשטח. מתח מי הקרקע של הדגימה נמדד על ידי המכשיר, ונתוני המתח מעוצבים על ידי תוכנה להחזרת תכונות הידראוליות של הקרקע. ניתן להשתמש בשיטה זו כדי למדוד את אגירת מי הקרקע ואת המוליכות ההידראולית ולתת תובנה לגבי הבדלים בטיפולים או בדינמיקה סביבתית לאורך זמן. הקמה ראשונית דורשת משתמש, אך רכישת הנתונים אוטומטית באמצעות המכשיר. תכונות הידראוליות של הקרקע אינן נמדדות בקלות בניסויים מסורתיים, ופרוטוקול זה מציע חלופה פשוטה ואופטימלית. פרשנות התוצאות ואפשרויות להרחבת טווח הנתונים נדונות.

Introduction

אגירת מי קרקע ומוליכות הידראולית בסביבות טבעיות וסביבות שהשתנו על ידי בני אדם עוזרות לנו להבין ולהתבונן בשינויים בבריאות הקרקע ובתפקודה. כימות תכונות הידראוליות באמצעות עקומת אגירת מי הקרקע (SWRC) ועקומת מוליכות מי הקרקע מציע תובנה לגבי מניעים מרכזיים של התנהגות פיזית בקרקע ואפיון תנועת מים¹. הקשר בין תכולת המים הנפחיים (θ) לראש המטרי (h) מיוצג בתוך SWRC, והטווחים בתוך העקומה מתארים את נקודת הרוויה, קיבולת השדה ונקודת הנבילה הקבועה². שיטות ניהול קרקע, תיקונים, סוגי מערכות אקולוגיות חקלאיות ותנאים סביבתיים יכולים כולם להשפיע על הידראוליקה של הקרקע ^3,4. גורמים אלה יכולים בתורם להשפיע על הובלת מומסים⁵ ומים זמינים לצמחים⁶, על נשימת הקרקע ופעילות מיקרוביאלית⁷, כמו גם על מחזורי הרטבה וייבוש⁸. כמרכיב חשוב בכימות קרקע בריאה ומתפקדת, ניתוח נכון של SWRC הוא הכרחי להשגת הבנה מושכלת של תכונות הידראוליות הקרקע.

קיימות כיום מגוון טכניקות מדידה לפיתוח SWRC אמין, כאשר עמוד המים התלויים ושיטות לוחית הלחץ הן גישות מסורתיות נפוצות לקביעת התפלגות גודל הנקבוביות של קרקע². שיטות מסורתיות יכולות לגזול זמן, בדרך כלל לוקח שבועות או חודשים לנתח קבוצה קטנה של דגימות⁹. יתר על כן, לאחר השלמת הניתוח, שיטות אלה מביאות רק כמה נקודות נתונים המיידעות את SWRC⁹. בנוסף, הדיוק של הפקת נתונים מייצגים באמצעות שיטות מסורתיות כגון לוחות לחץ יכול להפוך לדאגה בפוטנציאלים מטריים נמוכים יותר, בפרט, עם קרקעות בעלות מרקם עדין^10,11. טכניקות מודרניות יותר, הכוללות את גישת ניסוי האידוי הפשוטה באמצעות טנסיומטרים ושיטת נקודת הטל במראה צוננת, נוטות לספק נתונים הניתנים לשחזור על פני מגוון רחב של מרקמי קרקע². ניסוי האידוי הפשוט, שפותח לראשונה על ידי ווינד בשנת 1968, כלל מדידת שינויים במסת המים ושינויי מתח באמצעות טנסיומטרים בדגימת הקרקע לאורך זמן¹². כאשר מתרחשת אידוי, מדידות המסה של דגימת הקרקע נלקחות בפרקי זמן ספציפיים כדי ליצור SWRC. השיטה שוכללה מאוחר יותר על ידי שינדלר (1980), וכללה רק שני טנסיומטרים שהונחו בראשי לחץ שונים בתוך דגימת הקרקע. השיטה ששונתה נבדקה ואומתה כניתנת לשימוש בניתוח מדעי^13,14. יתרון מרכזי של ניסוי האידוי הפשוט הוא הפוטנציאל להפיק בקלות נתונים על פני חלק גדול מעקומת לחות הקרקע (0 עד -300 kPa), עם יותר נקודות נתונים מאשר בשיטות מסורתיות.

שיטות מודרניות אלה כוללות מכשירים אוטומטיים שלוקחים נקודות נתונים רבות לאורך תקופת ניתוח הדגימה ומפיקים נתונים באמצעות ממשק תוכנה. מכשיר התכונה ההידראולי הוא מכשיר עכשווי היוצר עקומות אגירת מים ועקומות מוליכות מנתוני מדגם¹⁵. על ידי שימוש בניסוי אידוי פשוט באמצעות מכשיר התכונות ההידראולי, ניתן להעריך את הקשר בין תכולת המים לפוטנציאל המים בקרקע¹. בניסוי זה, מים הנמצאים בתוך פיר הטנסיומטר קיימים בשיווי משקל עם מים בתמיסת הקרקע. כאשר מתרחשת אידוי של מי הקרקע ודגימת הקרקע מתייבשת, מתרחש קוויטציה בטנסיומטר, והניסוי מסתיים. קיימת מגבלה של מכשיר התכונה ההידראולי בטווח היבש של SWRC, מכיוון שהמכשיר מסוגל לפעול רק בתוך פוטנציאלים מטריים של 0 עד -100 kPa. ניתן לתקן זאת על ידי הכללת נתונים שנוצרו בניסוי נקודת טל במראה צוננת באמצעות מכשיר פוטנציאל מי קרקע¹⁶, שיכול להרחיב את טווח הנתונים ל -300,000 kPa או נקודת הנבילה הקבועה. כל הנתונים הללו מובאים יחד בתוכנת המידול לאחר העיבוד כדי ליידע את SWRC בצורה מגובשת ממתחים ריקים למתחים גבוהים יותר אפילו מעבר לנקודת הנבילה. עקומות SWRC ומוליכות הידראולית נוצרות לאחר מכן בהתבסס על נקודות נתונים פוטנציאליות מטריות שנלקחו לאורך תקופת המדידה, ומאפשרות ליצור עקומה שלמה המוקרנת מרוויה לנקודת נבילה קבועה.

השיטה המתוארת כאן מציגה הליך הפעלה תמציתי לניתוח קרקע עם מכשיר תכונה הידראולי. שיטה זו נערכה במספר מסגרות מדעיות, כולל כימות בריאות הקרקע במגוון רחב של מערכות אקולוגיות חקלאיות 3,17,18,19, ונעשו מאמצים להבין שיטות עבודה מומלצות מעבר למדריך למשתמש במכשיר ²⁰. כאן, פרוטוקול סטנדרטי מתואר עבור כל שלבי ההליך, כולל דגימת שדה, הכנת דגימה, פונקציית תוכנה ועיבוד נתונים. יישום שיטה זו יבטיח קמפיין מוצלח שיביא לנתונים אמינים. צעדים קריטיים להבטחת נתונים איכותיים, אתגרים נפוצים ושיטות עבודה מומלצות מוצגים כדי להבטיח יישום נאות.

Protocol

1. דיגום קרקע והכנת דגימות

הערה: דיאגרמה סכמטית של זרימת העבודה של שיטה זו ניתן למצוא באיור 1.

1. אוסף דוגמאות
   1. חפרו את הסנטימטרים העליונים מעל עומק הדגימה הרצוי כדי להסיר פסולת לא רצויה, במיוחד פסולת אורגנית רופפת וקריסת פני הקרקע.
   2. מניחים את מפלס ליבת דגימת המתכת על פני הקרקע החשופה, כאשר צד הקצה החד פונה לפני הקרקע; לאחר מכן, הניחו את מחזיק הפטיש על גבי הטבעת.
   3. הכה את החלק העליון של מחזיק הפטיש שוב ושוב באמצעות מלט גומי עד שהחלק העליון של ליבת דגימת המתכת מתיישר עם פני הקרקע.
   4. לחפור סביב ליבת דגימת המתכת; לאחר מכן, חפרו מתחת לליבה כדי להסיר אותה מהאדמה.
   5. יישור שני הצדדים של ליבת דגימת המתכת באמצעות מגבת או סכין לאחר הוצאתה מהאדמה; לאחר מכן, הניחו כיסויי פלסטיק משני צדי הליבה.
   6. הוסף תווית לדוגמה לליבת המתכת.
2. אחסון לדוגמה ושימוש בו
   1. יש לאחסן דוגמאות במקרר של כ-4 ^מעלותצלזיוס לפני הניתוח.
   2. להרוות דגימות לפחות 24 שעות לפני הניתוח על ידי הצבת ליבות הדגימה במיכל פלסטיק גדול עם מים degassed deionized. ראשית, הסירו את כיסוי הפלסטיק שנמצא בקצה השטוח של ליבת דגימת המתכת והניחו עליו פילטר קפה מנייר, ואחריו צלחת רוויה. לאחר מכן, הפוך את הליבה ואת צלחת הרוויה לתוך המיכל ולמלא אותו עם מים degassed deionized בתוך 1 ס"מ של החלק העליון של דגימת הקרקע. מלאו מחדש את המיכל במים נטולי גז לפי הצורך עד שהאדמה תגיע לרוויה.
      הערה: הרוויה מתרחשת כאשר מים נראים על פני השטח החשופים של הקרקע.

2. יחידת חיישנים והקמת טנסיומטר

1. הכנת טנסיומטר
   1. השרו את הטנסיומטרים למשך 24 שעות במים נטולי גזים: טנסיומטר אחד גבוה (50 מ"מ אורך) ואחד קצר (25 מ"מ) עבור כל יחידת חיישן שתשמש במסע הניתוח.
   2. אטמו את המיכל המחזיק את הטנסיומטרים כדי להגביל את פיזור האטמוספירה לתוך המים.
2. יחידת חיישן degassing על ידי שיטת משאבת ואקום
   הערה: בצע את השלבים הבאים עבור כל יחידת חיישן שתשמש בקמפיין.
   1. מלא את שתי יציאות פיר הטנסיומטר במים נטולי גז עד לראש היציאה באמצעות מזרק 20 מ"ל ומחט עדינה. ודא שמתמר הלחץ נקי על ידי הקרנת אור לתוך היציאה והערכה אם יש לכלוך.
   2. הניחו את החלק העליון האקרילי על יחידת החיישן והדקו את אטבי המתכת. יש להכניס את המזרק המכיל מים נטולי גזים לתוך פתח החלק העליון האקרילי ולמלא עד מתחת לחלק העליון של ראש האקריליק.
   3. חבר את החלק העליון האקרילי ליחידת פירוק הגז על ידי הכנסת צינור 'T' על יחידת פירוק הגז לחלק העליון של ראש האקריל.
      הערה: ניתן לחבר שתי יחידות חיישנים עם עליוניות אקריליות לכל יחידת פירוק גזים.
3. מילוי טנסיומטר
   1. הניחו המותקנת על הבמה בשני המיקומים הזמינים על יחידת פירוק הגזים, ולאחר מכן מלאו 3/4 מהכוס במים נטולי יונים.
   2. להבריג את הטנסיומטרים למחזיקי האקריליק המושחלים; לאחר מכן, הזיזו את טבעת ה-O השחורה כדי לפגוש את החלק העליון של מחזיק האקריליק. יש להניח במים נטולי הגז המוחזקים בתוך הספלים המותקנים על הבמה.
4. התחילו בפירוק גזים בוואקום
   1. ודא שכל החיבורים מחוברים היטב כדי למנוע דליפה.
   2. הפעל את משאבת הוואקום עד להגעה ל- -0.4 בר; לאחר מכן, כבה את משאבת הוואקום ותן למערכת להשוות. הפעל שוב את משאבת הוואקום עד שתגיע ל- -0.8 בר.
   3. הקש על החלק התחתון של מכלול יחידת החיישן על מגבת עבה כדי להסיר בועות אוויר מיציאות הטנסיומטר ביחידת החיישן.
   4. שמור את המערכת תחת ואקום למשך 24 שעות לפחות. בדוק אם יש נזילות על ידי כיבוי הוואקום וודא שהוא נשאר בלחץ. הפעל את משאבת הוואקום במרווחי זמן קבועים כדי להביא את הוואקום ללחץ, מכיוון שהוא יאבד לאט לאט לחץ ככל שהמערכת תתאזן.
   5. לאחר 24 שעות, יש להסיר את הצינור מהחלק העליון האקרילי, ולהסיר את כל הטנסיומטרים ממחזיקי האקריל. הניחו את הטנסיומטרים הקצרים והגבוהים בכוסות נפרדות של מים נטולי יונים.

3. ייזום קמפיין

1. הכנת יחידות חיישנים
   1. חבר את מכלול יחידת החיישן לכבלי חיבור המערכת.
   2. הניחו חומר סופג כגון מגבת מתחת ליחידת החיישן המחוברת והסירו את החלק העליון האקרילי על ידי שחרור אטבי המתכת.
   3. חזור על שלבים 3.1.1 ו- 3.1.2 עבור כל מכלול יחידת חיישן עבור הגדרה מרובת חיישנים, או המשך אל 3.A.iv עבור הגדרת חיישן יחיד.
   4. לחץ על תוכנת מדידת הנתונים כדי לפתוח את התוכנית ולחץ על הצג התקנים סמל.
   5. ודא שכל יחידות החיישן המחוברות מופיעות בסרגל הצד של התוכנה.
2. התקנת טנסיומטר
   1. לחץ על סמל אשף המילוי מחדש בחלק העליון של התוכנה כדי לפתוח את ממשק המשתמש. מהתפריט הנפתח, נווט אל יחידת החיישן המתאימה.
      הערה: מתמרים תקינים אם הקריאות הראשוניות שלהם הן 0 hPa (± 5 hPa).
   2. בחר טנסיומטר מהכד. ודא כי אין בועות אוויר גלויות בפיר, וכי יש מים הנוצרים מעל החלק העליון של פיר tensiometer במיניסקוס קמור. מוסיפים עוד מים נטולי גזים עם מזרק לחלק העליון של הטנסיומטר אם אין מניסקוס קמור.
   3. הזיזו את טבעת ה-O השחורה שעל הטנסיומטר למרכז החוטים.
   4. הפוך את הטנסיומטר למים העומדים הקיימים על יחידת החיישן תוך שמירה על המניסקוס הקמור שלם.
   5. התקן את הטנסיומטר הקצר ביציאת הטנסיומטר המסומנת בקו קצר. התקן את הטנסיומטר הגבוה ביציאת הטנסיומטר המסומנת בקו ארוך.
   6. הברג בזהירות את הטנסיומטר ליציאת הטנסיומטר תוך כדי צפייה בקריאות הלחץ בכרטיסיה קריאות נוכחיות . השג אטימה הדוקה על ידי ביצוע סיבוב חצי עד מלא של הטנסיומטר.
      הערה: לאחר ההתקנה ביציאת הטנסיומטר, ודא שקריאות הטנסיומטר הן 0 hPa (± 5 hPa).
   7. הניחו נורת סיליקון מלאה במים נטולי גז על החלק העליון של הטנסיומטר כדי למנוע התייבשות של הקצה בזמן שמותקנים טנסיומטרים אחרים.
   8. חזור על שלבים 3.2.1 עד 3.2.7 עבור כל טנסיומטר ויחידת חיישן שנעשה בהם שימוש בקמפיין.
3. מיקום דגימה על יחידות חיישנים
   1. הסר מדגם רווי ואת צלחת הרוויה המתאימה ממיכל של מים degassed deionized ומניחים אותם על משטח עבודה.
   2. הניחו את מדריך האוגר על גבי טבעת הדגימה.
   3. הכנס את אוגר פיר הטנסיומטר לחור של מדריך האוגר וסובב את אוגר פיר הטנסיומטר בסיבוב מלא כדי להסיר אדמה. חזור על הפעולה עבור החור השני.
      הערה: עקוב אחר העומק שכל חור יוצר בדגימת הקרקע מכיוון שהוא מתאים לגובה הטנסיומטר.
   4. הסירו את מדריך האוגר וודאו שדגימת הקרקע לא קרסה בתוך החור.
   5. הסר את נורות הסיליקון על כל טנסיומטר והנח את דיסק הסיליקון על גבי יחידת החיישן.
      הערה: ודא שלא נלכד אוויר מתחת לדיסק הסיליקון ושחיישן הטמפרטורה אינו מכוסה.
   6. ישר את החורים בליבת הדגימה עם גובה הטנסיומטר המתאים ביחידת החיישן.
   7. הפוך את ליבת הדגימה והנח אותה על גבי יחידת החיישן, תוך התאמת הדגימה לטנסיומטרים.
   8. הסירו את פילטר הקפה ואת צלחת הרוויה. אבטח את ליבת הקרקע באמצעות אבזמי מתכת הממוקמים בצד יחידת החיישן.
   9. חזור על שלבים 3.3.1 עד 3.3.8 עבור כל אחת מהדגימות.
4. ייזום קמפיין מערכת
   1. לאחר שכל יחידת חיישן מוגדרת, הזן את זיהוי הדגימה הקיים על ליבת המתכת כפי שהוא מתאים לכל אחד מהמספרים הסידוריים של יחידת החיישן. הזן שם ייחודי עבור קמפיין השדה, לחץ על עיון כדי לשמור את מיקום הקובץ.
   2. לחץ על התחל.
   3. קח את קריאת המשקל הראשונית לאחר שהושלמו שתי קריאות טנסיומטר. ראשית, נתק את כבל החיבור מיחידת החיישן, המתן להופעת תיבת דו-שיח בתוכנה והנח אותה על סולם המשקל. הסר את יחידת החיישן ברגע שהתוכנה מציינת שקריאת המשקל נלקחה וחבר אותה בחזרה לכבל החיבור. חזור על הפעולה עבור כל יחידות החיישן.
   4. שקלו דגימות 3 פעמים ביום במשך היומיים הראשונים של המדידה, ולאחר מכן 2 פעמים ביום במרווחי זמן קבועים במשך שארית הקמפיין

4. סיום קמפיין המערכת

1. סיום תוכנה
   1. בצע מדידת משקל סופית עבור כל יחידת חיישן לאחר שהדגימה הגיעה לנקודת הכניסה לאוויר.
   2. לחץ על עצור ונתק את כבל החיבור מכל יחידת חיישן.
2. פירוק קמפיין
   1. הסר את ליבת הדגימה מיחידת החיישן. מכניסים את כל חומר האדמה למיכל, ומייבשים בתנור את דוגמת הקרקע.
      הערה: אם עובדים עם קרקעות בעלות מרקם עדין, יש להרטיב כל דגימת קרקע תוך שעה לפני הוצאתה מיחידת החיישן.
   2. הסר את דיסק הסיליקון ונקה את החלק העליון של יחידת החיישן במגבת רטובה במידת הצורך.
   3. בזהירות להסיר כל tensiometer מן החריצים. נקו את קצות הטנסיומטרים בעזרת מברשת שיניים בעלת סיבים רכים ומים אם הם מלוכלכים.
   4. נקו את משטח יחידת החיישן על ידי היפוך היחידה והתזת מים מבקבוק שטיפת בטיחות.
   5. נקה את יציאת פיר הטנסיומטר על ידי היפוך יחידת החיישן והתזת מים עם מזרק לתוך היציאה.

5. ניתוח נתונים

1. השג את משקל הקרקע היבשה של כל דגימה ואת ליבת המתכת המתאימה.
2. לחץ על תוכנת ניתוח הנתונים כדי לפתוח את התוכנית ולחץ על קובץ לדוגמה כדי לפתוח את הנתונים בתוכנה. הזן את משקל ליבת המתכת במקטע פרמטר בכרטיסיה מידע .
3. לחץ על הכרטיסיה מדידות | חפש בנקודת כניסה אווירית. כדי לכוונן את נקודת הקוויטציה, הזז את הקווים המקווקוים של נקודות ההתחלה והעצירה בטווח הנתונים של הטנסיומטר. בצע את אותו הדבר עבור נקודות הכניסה האוויריות אם יש צורך לציין זאת עבור התוכנה.
4. לחץ על הכרטיסייה הערכה , ותחת חישוב תכולת המים, ודא כי ממשקל קרקע יבשה (g) נבחר. הזן את משקל האדמה המיובשת.
5. לחץ על הכרטיסייה התאמה | החל את המודל המתאים ביותר לנתונים.
6. לחץ על הכרטיסייה ייצוא , בחר נתיב קובץ וודא שהקובץ מיוצא בפורמט .xlxs.
7. חזור על שלבים 5.1 עד 5.7 עבור כל דגימת קרקע.

תוצאות

עם השלמת מסע מדידה תקין בהתאם לפרוטוקול לעיל, ניתן יהיה לצפות בפלט הנתונים של הניסוי בתוכנת הניתוח. עקומות הפלט מקורן בקריאות טנסיומטר המודדות מתח מים (hPa) לאורך זמן (t), והעקומה הראשונית של נתונים אלה נוצרת מיד לאחר סיום הקמפיין. ניתן לבחון דוגמאות נבחרות של עקומות מתח של ?...

Discussion

גישת ניסוי האידוי הפשוטה בשיטה המתוארת כאן היא אמצעי יעיל לפיתוח עקומות SWRC ומוליכות הידראולית. הפשטות והדיוק של מדידת הנתונים הופכים אותה לחלופה בת קיימא לשיטות מסורתיות יותר¹⁴. השיטה המתוארת כאן חורגת מעבר למדריך למשתמש ולספרות הנוכחית כדי לסנתז ולהרחיב א...

Materials

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