Misure del potenziale idrico e della conducibilità del suolo basate su un semplice esperimento di evaporazione utilizzando un analizzatore di proprietà idrauliche

Riepilogo

Questo articolo presenta un semplice esperimento di evaporazione utilizzando uno strumento di proprietà idraulica per un campione di terreno. Grazie a mezzi efficienti, le misurazioni possono essere effettuate nell'arco di una serie di giorni per generare dati di alta qualità.

Abstract

La misurazione delle proprietà idrauliche del suolo è fondamentale per comprendere i componenti fisici della salute del suolo, nonché per la conoscenza integrata dei sistemi del suolo nell'ambito di varie pratiche di gestione. La raccolta di dati affidabili è fondamentale per informare le decisioni che riguardano l'agricoltura e l'ambiente. Il semplice esperimento di evaporazione qui descritto utilizza la strumentazione in un ambiente di laboratorio per analizzare i campioni di suolo raccolti sul campo. La tensione dell'acqua del campione nel suolo viene misurata dallo strumento e i dati di tensione vengono modellati dal software per restituire le proprietà idrauliche del suolo. Questo metodo può essere utilizzato per misurare la ritenzione idrica del suolo e la conducibilità idraulica e fornire informazioni sulle differenze nei trattamenti o nelle dinamiche ambientali nel tempo. La creazione iniziale richiede un utente, ma l'acquisizione dei dati è automatizzata con lo strumento. Le proprietà idrauliche del suolo non sono facilmente misurabili con gli esperimenti tradizionali e questo protocollo offre un'alternativa semplice e ottimale. Vengono discussi l'interpretazione dei risultati e le opzioni per estendere l'intervallo di dati.

Introduzione

La ritenzione idrica del suolo e la conducibilità idraulica all'interno di ambienti naturali e alterati dall'uomo ci aiutano a comprendere e osservare i cambiamenti nella salute e nella funzionalità del suolo. La quantificazione delle proprietà idrauliche attraverso la curva di ritenzione idrica del suolo (SWRC) e la curva di conducibilità dell'acqua del suolo offre informazioni sui fattori chiave del comportamento fisico del suolo e della caratterizzazione del movimento dell'acqua¹. La relazione tra il contenuto volumetrico d'acqua (θ) e il carico matricolare (h) è rappresentata all'interno di un SWRC e gli intervalli all'interno della curva descrivono il punto di saturazione, la capacità di campo e il punto di appassimento permanente². Le pratiche di gestione del suolo, gli ammendanti, i tipi di agroecosistemi e le condizioni ambientali possono avere un impatto sull'idraulica del suolo ^3,4. Questi fattori possono a loro volta influenzare il trasporto del soluto⁵ e l'acqua disponibile delle piante⁶, la respirazione del suolo e l'attività microbica⁷, nonché i cicli di bagnatura ed essiccazione⁸. Essendo un elemento importante nella quantificazione di un suolo sano e funzionante, un'analisi adeguata del SWRC è fondamentale per ottenere una comprensione informata delle proprietà idrauliche del suolo.

Attualmente esiste una varietà di tecniche di misurazione per lo sviluppo di un SWRC affidabile, con i metodi della colonna d'acqua sospesa e della piastra di pressione che sono approcci tradizionali comuni per determinare la distribuzione delle dimensioni dei pori del suolo². I metodi tradizionali possono richiedere molto tempo, in genere settimane o mesi per analizzare un piccolo set di campioni⁹. Inoltre, una volta completata l'analisi, questi metodi producono solo pochi punti dati che informano il SWRC⁹. Inoltre, l'accuratezza della produzione di dati rappresentativi utilizzando metodi tradizionali come le piastre di pressione può diventare un problema a potenziali matricole inferiori, in particolare con terreni a tessitura fine^10,11. Le tecniche più moderne, che prevedono il semplice approccio dell'esperimento di evaporazione utilizzando tensiometri e il metodo del punto di rugiada a specchio freddo, tendono a fornire dati più riproducibili in un'ampia gamma di tessiture del suolo². Inizialmente sviluppato da Wind nel 1968, il semplice esperimento di evaporazione prevedeva la misurazione delle variazioni di massa e di tensione dell'acqua attraverso tensiometri nel campione di suolo nel tempo¹². Quando si verifica l'evaporazione, le misurazioni della massa del campione di suolo vengono effettuate a intervalli di tempo specifici per creare un SWRC. Successivamente perfezionato da Schindler (1980), il metodo prevedeva solo due tensiometri posizionati a diverse teste di pressione all'interno del campione di terreno. Il metodo modificato è stato quindi testato e convalidato come idoneo ad essere utilizzato nell'analisi scientifica^13,14. Un vantaggio chiave del semplice esperimento di evaporazione è la possibilità di produrre facilmente dati su un'ampia porzione della curva di umidità del suolo (da 0 a -300 kPa), con più punti dati rispetto ai metodi tradizionali.

Questi metodi moderni coinvolgono strumenti automatizzati che acquisiscono numerosi punti dati durante il periodo di analisi del campione e producono dati utilizzando un'interfaccia software. Lo strumento delle proprietà idrauliche è uno strumento contemporaneo che crea curve di ritenzione idrica e curve di conducibilità a partire da dati campione¹⁵. Utilizzando un semplice esperimento di evaporazione utilizzando lo strumento delle proprietà idrauliche, è possibile valutare la relazione tra il contenuto d'acqua e il potenziale idrico nel suolo¹. In questo esperimento, l'acqua presente all'interno dell'albero del tensiometro esiste in equilibrio con l'acqua nella soluzione del suolo. Quando si verifica l'evaporazione dell'acqua del suolo e il campione di terreno si asciuga, la cavitazione avviene nel tensiometro e l'esperimento termina. Esiste una limitazione dello strumento delle proprietà idrauliche nell'intervallo a secco dell'SWRC, poiché lo strumento è in grado di funzionare solo entro potenziali matricolari da 0 a -100 kPa. A questo si può rimediare con l'inclusione di dati generati con un esperimento sul punto di rugiada a specchio freddo utilizzando uno strumento per il potenziale idrico del suolo¹⁶, che può estendere l'intervallo di dati a -300.000 kPa o al punto di appassimento permanente. Tutti questi dati vengono riuniti nella post-elaborazione del software di modellazione per informare in modo coerente l'SWRC da tensioni nulle a tensioni più elevate anche oltre il punto di appassimento. Le curve SWRC e di conducibilità idraulica vengono quindi generate sulla base dei punti dati del potenziale matricolare presi durante il periodo di misurazione, consentendo di generare una curva completa proiettata dalla saturazione al punto di appassimento permanente.

Il metodo qui descritto presenta una succinta procedura operativa per l'analisi del suolo con uno strumento di proprietà idraulica. Questo metodo è stato condotto in una serie di contesti scientifici, tra cui la quantificazione della salute del suolo in un'ampia gamma di agroecosistemi 3,17,18,19, e sono stati compiuti sforzi per comprendere le migliori pratiche oltre il manuale utente dello strumento ²⁰. In questo articolo, viene delineato un protocollo standardizzato per tutte le fasi della procedura, tra cui il campionamento sul campo, la preparazione del campione, il funzionamento del software e l'elaborazione dei dati. Seguendo questo metodo si garantirà una campagna di successo che si traduce in dati affidabili. Vengono presentati i passaggi critici per garantire la qualità dei dati, le sfide comuni e le best practice per garantire una corretta implementazione.

Protocollo

1. Campionamento del terreno e preparazione del campione

NOTA: Un diagramma schematico del flusso di lavoro di questo metodo è disponibile nella Figura 1.

1. Raccolta campioni
   1. Scavare la parte superiore di pochi centimetri al di sopra della profondità di campionamento desiderata per rimuovere i detriti indesiderati, in particolare la lettiera organica sciolta e la formazione di croste sulla superficie del suolo.
   2. Posizionare il livello del nucleo di campionamento del metallo sulla superficie del terreno esposto, con il lato del bordo affilato rivolto verso la superficie del suolo; Quindi, posizionare il supporto del martello sulla parte superiore dell'anello.
   3. Colpire ripetutamente la parte superiore del supporto del martello utilizzando un martello di gomma fino a quando la parte superiore del nucleo di campionamento del metallo non si allinea con la superficie del terreno.
   4. Scavare intorno al nucleo di campionamento del metallo; Quindi, scava sotto il nucleo per rimuoverlo dal terreno.
   5. Livellare entrambi i lati del nucleo di campionamento del metallo con una cazzuola o un coltello una volta rimosso dal terreno; Quindi, posizionare le coperture di plastica su entrambi i lati del nucleo.
   6. Aggiungere un'etichetta campione all'anima metallica.
2. Conservazione e utilizzo dei campioni
   1. Conservare i campioni in frigorifero a circa 4 ^°C prima dell'analisi.
   2. Saturare i campioni almeno 24 ore prima dell'analisi ponendo le carote dei campioni in un grande contenitore di plastica con acqua deionizzata degassata. Per prima cosa, rimuovere il coperchio di plastica che si trova sul lato piatto del nucleo di campionamento in metallo e posizionare sopra un filtro da caffè di carta, seguito da una piastra di saturazione. Quindi, capovolgere il nucleo e la piastra di saturazione nel contenitore e riempirlo con acqua deionizzata degassata entro 1 cm dalla parte superiore del campione di terreno. Riempire il contenitore con acqua deionizzata degassata secondo necessità fino a quando il terreno non ha raggiunto la saturazione.
      NOTA: La saturazione si verifica quando l'acqua è visibile sulla superficie esposta del terreno.

2. Istituzione dell'unità sensore e del tensiometro

1. Preparazione del tensiometro
   1. Immergere i tensiometri per 24 ore in acqua deionizzata degassata: un tensiometro alto (50 mm di lunghezza) e uno corto (25 mm) per ogni unità sensore che verrà utilizzata nella campagna di analisi.
   2. Sigillare il contenitore che contiene i tensiometri per limitare la diffusione dell'atmosfera nell'acqua.
2. Degasaggio dell'unità sensore con il metodo della pompa a vuoto
   NOTA: Completa i seguenti passaggi per ogni unità sensore che verrà utilizzata nella campagna.
   1. Riempire entrambe le porte dello stelo del tensiometro con acqua deionizzata degassata fino alla parte superiore della porta utilizzando una siringa da 20 ml e un ago a punta fine. Assicurarsi che il trasduttore di pressione sia pulito illuminando la porta con una luce e valutando la presenza di detriti.
   2. Posizionare la parte superiore in acrilico sull'unità sensore e fissare le clip metalliche. Inserire la siringa contenente acqua deionizzata degassata nell'apertura della parte superiore in acrilico e riempire fino a poco sotto la parte superiore della testina in acrilico.
   3. Fissare la parte superiore in acrilico all'unità di degasaggio inserendo il tubo a "T" sull'unità di degasaggio nella parte superiore della testa in acrilico.
      NOTA: A ciascuna unità di degasaggio possono essere fissate due unità sensore con parte superiore in acrilico.
3. Ricarica del tensiometro
   1. Posizionare una tazza montata su tavolino in entrambe le posizioni disponibili sull'unità di degasaggio, quindi riempire 3/4 della tazza con acqua deionizzata degassata.
   2. Avvitare i tensiometri nei supporti filettati in acrilico; quindi, spostare l'O-ring nero in modo che incontri la parte superiore del supporto in acrilico. Immergere nell'acqua deionizzata degassata contenuta all'interno delle tazze montate sul tavolino.
4. Iniziare il degasaggio sottovuoto
   1. Assicurarsi che tutti i collegamenti siano fissati saldamente per evitare perdite.
   2. Accendere la pompa del vuoto fino al raggiungimento di -0,4 Bar; Quindi, spegnere la pompa del vuoto e lasciare che il sistema si equalizzi. Riaccendere la pompa del vuoto fino a raggiungere -0,8 bar.
   3. Picchiettare la parte inferiore del gruppo dell'unità sensore su un asciugamano spesso per rimuovere le bolle d'aria dalle porte del tensiometro nell'unità sensore.
   4. Mantenere il sistema sotto vuoto per almeno 24 ore. Verificare la presenza di perdite spegnendo l'aspirapolvere e assicurandosi che rimanga in pressione. Accendere la pompa del vuoto a intervalli regolari per portare il vuoto in pressione, poiché perderà lentamente pressione man mano che il sistema si equalizza.
   5. Dopo 24 ore, rimuovere il tubo dal piano in acrilico e rimuovere tutti i tensiometri dai supporti in acrilico. Posizionare i tensiometri corti e alti in bicchieri separati di acqua deionizzata degassata.

3. Avvio di una campagna

1. Preparazione delle unità sensore
   1. Collegare il gruppo dell'unità sensore ai cavi di collegamento del sistema.
   2. Posizionare un materiale assorbente come un asciugamano sotto l'unità sensore collegata e rimuovere la parte superiore in acrilico rilasciando le clip metalliche.
   3. Ripetere i passaggi 3.1.1 e 3.1.2 per ciascun gruppo di unità sensore per una configurazione multisensore oppure continuare con 3.A.iv per una configurazione a sensore singolo.
   4. Fare clic sul software di misurazione dei dati per aprire il programma e fare clic sull'icona Mostra dispositivi .
   5. Assicurarsi che tutte le unità sensore collegate appaiano nella barra laterale del software.
2. Installazione del tensiometro
   1. Fare clic sull'icona Ricarica guidata nella parte superiore del software per aprire l'interfaccia utente. Dal menu a discesa, accedere all'unità sensore appropriata.
      NOTA: I trasduttori sono in buone condizioni se le loro letture iniziali sono 0 hPa (± 5 hPa).
   2. Selezionare un tensiometro dal becher. Assicurarsi che non vi siano bolle d'aria visibili nell'albero e che si formi acqua sopra la parte superiore dell'albero del tensiometro in un menisco convesso. Aggiungere altra acqua deionizzata degassata con una siringa alla parte superiore del tensiometro se non è presente un menisco convesso.
   3. Spostare l'O-ring nero sul tensiometro al centro delle filettature.
   4. Capovolgere il tensiometro nell'acqua stagnante presente sull'unità sensore mantenendo intatto il menisco convesso.
   5. Installare il tensiometro corto nella porta del tensiometro indicata con una linea corta. Installare il tensiometro alto nella porta del tensiometro indicata con una lunga linea.
   6. Avvitare con cautela il tensiometro nella porta del tensiometro mentre si osservano le letture della pressione nella scheda Letture correnti . Ottenere una tenuta ermetica eseguendo un giro da mezzo a completo del tensiometro.
      NOTA: Dopo essere stato installato sulla porta del tensiometro, assicurarsi che le letture del tensiometro siano 0 hPa (± 5 hPa).
   7. Posizionare un bulbo di silicio riempito con acqua deionizzata degassata sulla parte superiore del tensiometro per evitare l'essiccazione della punta durante l'installazione di altri tensiometri.
   8. Ripetere i passaggi da 3.2.1 a 3.2.7 per ogni tensiometro e unità sensore utilizzati nella campagna.
3. Posizionamento del campione su unità sensore
   1. Rimuovere un campione saturo e la corrispondente piastra di saturazione dal contenitore di acqua deionizzata degassata e posizionarli su una superficie di lavoro.
   2. Posizionare la guida della coclea sopra l'anello del campione.
   3. Inserire la coclea dell'albero del tensiometro nel foro della guida della coclea e ruotare la coclea dell'albero del tensiometro in una rotazione completa per rimuovere lo sporco. Ripeti per il secondo foro.
      NOTA: Tenere traccia della profondità di ogni foro nel campione di terreno in quanto corrisponde all'altezza del tensiometro.
   4. Rimuovere la guida della coclea e assicurarsi che il campione di terreno non sia collassato nel foro.
   5. Rimuovere le lampadine di silicio su ciascun tensiometro e posizionare il disco di silicio sopra l'unità sensore.
      NOTA: Assicurarsi che l'aria non sia intrappolata sotto il disco di silicone e che il sensore di temperatura non sia coperto.
   6. Allineare i fori nel nucleo del campione con l'altezza del tensiometro corrispondente sull'unità sensore.
   7. Capovolgere il nucleo del campione e posizionarlo sopra l'unità sensore, inserendo il campione sui tensiometri.
   8. Rimuovere il filtro del caffè e la piastra di saturazione. Fissare il nucleo del terreno con fermagli metallici situati sul lato dell'unità sensore.
   9. Ripetere i passaggi da 3.3.1 a 3.3.8 per ciascuno dei campioni.
4. Avvio della campagna di sistema
   1. Una volta configurata ciascuna unità sensore, inserire l'identificazione del campione presente sull'anima metallica in quanto corrisponde a ciascuno dei numeri di serie dell'unità sensore. Inserisci un nome univoco per il campo campagna, quindi fai clic su Sfoglia per salvare la posizione del file.
   2. Fare clic su Avvia.
   3. Effettuare la lettura iniziale del peso dopo che sono state completate due letture del tensiometro. Innanzitutto, scollegare il cavo di collegamento dall'unità sensore, attendere che venga visualizzata una finestra di dialogo sul software e posizionarlo sulla bilancia. Rimuovere l'unità sensore una volta che il software indica che la lettura del peso è stata rilevata e ricollegarla al cavo di collegamento. Ripetere l'operazione per tutte le unità sensore.
   4. Pesare i campioni 3 volte al giorno per i primi 2 giorni di misurazione, poi 2 volte al giorno a intervalli regolari per il resto della campagna

4. Chiusura della campagna di sistema

1. Terminazione del software
   1. Effettuare una misurazione finale del peso per ciascuna unità sensore una volta che il campione ha raggiunto il punto di ingresso dell'aria.
   2. Fare clic su Stop e scollegare il cavo di collegamento da ciascuna unità sensore.
2. Smontaggio della campagna
   1. Rimuovere il nucleo del campione dall'unità sensore. Metti tutto il materiale del terreno in un contenitore e asciuga il campione di terreno in forno.
      NOTA: Se si lavora con terreni a tessitura fine, bagnare ogni campione di terreno entro un'ora prima di rimuoverlo dall'unità sensore.
   2. Rimuovere il disco in silicone e pulire la parte superiore dell'unità sensore con un asciugamano bagnato, se necessario.
   3. Rimuovere con cautela ciascun tensiometro dalle fessure. Pulire le punte dei tensiometri con uno spazzolino a setole morbide e acqua se sporca.
   4. Pulire la superficie dell'unità sensore capovolgendo l'unità e spruzzando acqua da un flacone di lavaggio di sicurezza.
   5. Pulire la porta dell'albero del tensiometro capovolgendo l'unità sensore e spruzzando acqua con una siringa nella porta.

5. Analisi dei dati

1. Ottenere il peso del terreno secco di ciascun campione e l'anima metallica corrispondente.
2. Fare clic sul software di analisi dei dati per aprire il programma e fare clic su un file di esempio per aprire i dati nel software. Inserire il peso dell'anima metallica nella sezione Parametro della scheda Informazioni .
3. Fare clic sulla scheda Misure | Cerca il punto di ingresso dell'aria. Per regolare con precisione il punto di cavitazione, spostare le linee tratteggiate dei punti di inizio e fine nell'intervallo di dati del tensiometro. Fare lo stesso per i punti di ingresso dell'aria , se è necessario specificarlo per il software.
4. Fare clic sulla scheda Valutazione e, in Calcolo del contenuto d'acqua, assicurarsi che sia selezionata l'opzione Dal peso del suolo asciutto (g). Inserisci il peso del terreno essiccato.
5. Fare clic sulla scheda Montaggio | Applicare il modello che meglio si adatta ai dati.
6. Fai clic sulla scheda Esporta , scegli un percorso di file e assicurati che il file venga esportato in formato .xlxs.
7. Ripetere i passaggi da 5.1 a 5.7 per ogni campione di terreno.

Risultati

Dopo aver completato un'adeguata campagna di misura seguendo il protocollo di cui sopra, sarà possibile visualizzare l'output dei dati dell'esperimento nel software di analisi. Le curve di uscita hanno origine dalle letture del tensiometro che misurano la tensione dell'acqua (hPa) nel tempo (t) e la curva iniziale di questi dati viene generata immediatamente dopo la fine della campagna. Esempi selezionati di curve di tensione di due campioni di terreno possono essere esaminati per illus...

Discussione

Il semplice approccio dell'esperimento di evaporazione che utilizza il metodo qui descritto è un mezzo efficiente per sviluppare le curve SWRC e di conducibilità idraulica. La semplicità e l'accuratezza della misurazione dei dati lo rendono una valida alternativa ai metodi più tradizionali¹⁴. Il metodo qui descritto va oltre il manuale utente e la letteratura attuale per sintetizzare ed espandere i punti più fini di questo intricato strumento. Particolare att...

Materiali

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