수력학적 특성 분석기를 사용한 간단한 증발 실험을 기반으로 한 토양 수분 잠재력 및 전도도 측정

요약

이 기사에서는 토양 샘플에 대한 수리적 특성 측정기를 사용하는 간단한 증발 실험을 제공합니다. 효율적인 수단을 통해 며칠 동안 측정을 수행하여 고품질 데이터를 생성할 수 있습니다.

초록

토양 수리학적 특성의 측정은 토양 건강의 물리적 구성 요소뿐만 아니라 다양한 관리 관행에 따른 토양 시스템에 대한 통합 지식을 이해하는 데 중요합니다. 신뢰할 수 있는 데이터를 수집하는 것은 농업과 환경에 영향을 미치는 결정을 내리는 데 필수적입니다. 여기에 설명된 간단한 증발 실험은 실험실 환경에서 기기를 사용하여 현장에서 수집된 토양 샘플을 분석합니다. 샘플의 토양 수분 장력은 기기에 의해 측정되고 장력 데이터는 소프트웨어에 의해 모델링되어 토양 수리학적 특성을 반환합니다. 이 방법은 토양 수분 보유 및 수압 전도도를 측정하고 시간 경과에 따른 처리 또는 환경 역학의 차이에 대한 통찰력을 제공하는 데 사용할 수 있습니다. 초기 설정에는 사용자가 필요하지만 데이터 수집은 기기를 통해 자동화됩니다. 토양 수리학적 특성은 기존 실험으로는 쉽게 측정할 수 없으며 이 프로토콜은 간단하고 최적의 대안을 제공합니다. 결과 해석 및 데이터 범위 확장 옵션에 대해 설명합니다.

서문

자연 및 인간이 변화시킨 환경에서 토양 수분 보유 및 수압 전도성은 토양 건강 및 기능의 변화를 이해하고 관찰하는 데 도움이 됩니다. 토양 수분 보유 곡선(SWRC) 및 토양 수분 전도도 곡선을 통해 수리적 특성을 정량화하면 토양의 물리적 거동 및 수분 이동 특성화의 주요 동인에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다¹. 체적 수분 함량(θ)과 수두(h) 사이의 관계는 SWRC 내에서 표시되며 곡선 내의 범위는 포화점, 자기장 용량 및 영구 시들음점²를 설명합니다. 토양 관리 관행, 수정 사항, 농업 생태계 유형 및 환경 조건은 모두 토양 수리학에 영향을 미칠 수 있습니다 ^3,4. 이러한 요인들은 용^{질 수송5} 및 식물의 사용 가능한 물⁶, 토양 호흡 및 미생물 활동⁷, 습윤 및 건조 주기⁸에 영향을 미칠 수 있다. 건강하고 기능하는 토양을 정량화하는 데 중요한 부분으로서 SWRC의 적절한 분석은 토양 수리학적 특성에 대한 정보에 입각한 이해를 얻는 데 필수적입니다.

현재 신뢰할 수 있는 SWRC를 개발하기 위한 다양한 측정 기법이 존재하며, 행잉 워터 컬럼 및 압력판 기법은 토양의 공극 크기 분포를 결정하기 위한 일반적인 전통적인 접근법이다². 전통적인 방법은 시간이 많이 소요될 수 있으며, 일반적으로 작은 샘플 세트를 분석하는 데 몇 주 또는 몇 달이 걸릴 수 있습니다⁹. 더욱이, 일단 분석이 완료되면, 이러한 방법들은 SWRC⁹에 정보를 제공하는 몇 개의 데이터 포인트만을 생성한다. 또한, 압력판과 같은 전통적인 방법을 사용하여 대표 데이터를 생성하는 정확성은 특히 미세한 질감의 토양(^10,11)에서 낮은 수학적 잠재력에서 문제가 될 수 있습니다. 장력계를 사용한 간단한 증발 실험 접근법과 냉장 거울 이슬점 방법을 포함하는 보다 현대적인 기술은 광범위한 토양 질감에서 보다 재현 가능한 데이터를 제공하는 경향이 있다². 1968년 Wind에 의해 처음 개발된 간단한 증발 실험은 시간이 지남에 따라 토양 샘플의 장력계를 통해 물의 질량 변화와 장력 변화를 측정하는 것을 포함했습니다¹². 증발이 발생하면 SWRC를 생성하기 위해 특정 시간 간격으로 토양 샘플 질량 측정이 수행됩니다. 나중에 쉰들러 (Schindler, 1980)에 의해 개선 된이 방법은 토양 샘플 내의 서로 다른 압력 헤드에 배치 된 두 개의 장력 계 만 사용했습니다. 그런 다음 수정된 방법을 테스트하고 과학적 분석에 사용할 수 있는 것으로 검증했습니다(^13,14). 단순 증발 실험의 주요 이점은 기존 방법보다 더 많은 데이터 포인트를 사용하여 토양 수분 곡선의 많은 부분(0 - -300 kPa)에 걸쳐 데이터를 쉽게 생성할 수 있다는 것입니다.

이러한 최신 방법에는 시료 분석 기간 동안 수많은 데이터 포인트를 취하고 소프트웨어 인터페이스를 사용하여 데이터를 생성하는 자동화된 기기가 포함됩니다. 수리적 특성 기기는 샘플 데이터¹⁵에서 수분 보유 곡선과 전도도 곡선을 생성하는 최신 기기입니다. 수리적 특성 도구를 사용한 간단한 증발 실험을 사용하여 토양의 수분 함량과 수분 잠재력 간의 관계를 평가할 수 있습니다¹. 이 실험에서 장력계 샤프트 내에 존재하는 물은 토양 용액 내의 물과 평형을 이루며 존재합니다. 토양 수분의 증발이 일어나고 토양 샘플이 건조되면 장력계에서 캐비테이션이 발생하고 실험이 종료됩니다. SWRC의 건조 범위에서는 기기가 0에서 -100 kPa의 전위 내에서만 작동할 수 있기 때문에 유압 속성 기기에는 제한이 있습니다. 이것은 토양 수분 전위 기기(¹⁶)를 사용하여 냉각 거울 이슬점 실험으로 생성된 데이터를 포함함으로써 해결될 수 있으며, 이는 데이터 범위를 -300,000kPa 또는 영구 시들음점까지 확장할 수 있습니다. 이러한 모든 데이터는 모델링 소프트웨어 후처리에서 함께 수집되어 SWRC에 시들음점을 넘어 더 높은 장력까지 영 장력에서 더 높은 장력까지 응집력 있게 알려줍니다. 그런 다음 측정 기간 동안 수집된 수학적 전위 데이터 포인트를 기반으로 SWRC 및 수압 전도도 곡선이 생성되어 포화점에서 영구 시들음점까지 투영된 완전한 곡선을 생성할 수 있습니다.

여기에 설명된 방법은 수력학적 특성 기기를 사용한 토양 분석을 위한 간결한 작동 절차를 제시합니다. 이 방법은 광범위한 농업 생태계 3,17,18,19에서 토양 건강의 정량화를 포함하여 여러 과학적 환경에서 수행되었으며, 기기 사용 설명서 ²⁰을 넘어서는 모범 사례를 이해하기 위한 노력이 이루어졌습니다. 여기에서는 현장 샘플링, 시료 전처리, 소프트웨어 기능 및 데이터 처리를 포함한 절차의 모든 단계에 대한 표준화된 프로토콜이 요약되어 있습니다. 이 방법을 따르면 신뢰할 수 있는 데이터를 얻는 성공적인 캠페인이 보장됩니다. 적절한 구현을 보장하기 위해 품질 데이터를 보장하기 위한 중요한 단계, 일반적인 과제 및 모범 사례가 제시됩니다.

프로토콜

1. 토양 시료 채취 및 시료 준비

참고: 이 방법의 작업 흐름에 대한 개략도는 그림 1에서 찾을 수 있습니다.

1. 시료 채취
   1. 원하는 샘플링 깊이보다 몇 센티미터 높은 상단을 굴착하여 원치 않는 파편, 특히 느슨한 유기 쓰레기 및 토양 표면 딱지를 제거합니다.
   2. 금속 샘플링 코어 레벨을 노출된 토양 표면에 놓고 날카로운 모서리 면이 토양 표면을 향하도록 합니다. 그런 다음 망치질 홀더를 링 위에 놓습니다.
   3. 금속 샘플링 코어의 상단이 토양 표면과 정렬될 때까지 고무 망치를 사용하여 망치질 홀더의 상단을 반복해서 두십시오.
   4. 금속 샘플링 코어 주변을 파헤칩니다. 그런 다음 코어 아래를 파서 토양에서 제거하십시오.
   5. 금속 샘플링 코어의 양쪽을 평평하게 합니다.amp토양에서 제거된 후 흙손이나 칼로 코어를 평평하게 합니다. 그런 다음 코어의 양쪽에 플라스틱 덮개를 놓습니다.
   6. 금속 코어에 샘플 라벨을 추가합니다.
2. 시료 보관 및 사용
   1. 분석하기 전에 샘플을 약 4 ^°C의 냉장고에 보관하십시오.
   2. 분석하기 최소 24시간 전에 시료 코어를 탈기된 탈이온수가 담긴 대형 플라스틱 용기에 넣어 시료를 포화시킵니다. 먼저 금속 샘플링 코어의 평평한 가장자리 쪽에 있는 플라스틱 덮개를 제거하고 그 위에 종이 커피 필터를 놓은 다음 포화판을 놓습니다. 그런 다음 코어와 포화판을 용기에 뒤집고 토양 샘플의 상단에서 1cm 이내의 탈기된 탈이온수로 채웁니다. 토양이 포화 상태에 도달할 때까지 필요에 따라 가스가 제거된 탈이온수로 용기를 다시 채웁니다.
      알림: 포화는 토양의 노출된 표면에 물이 보일 때 발생합니다.

2. 센서 유닛 및 장력계 구축

1. 장력계 준비
   1. 장력계를 탈기된 탈이온수에 24시간 동안 담그십시오: 분석 캠페인에 사용될 각 센서 장치에 대해 하나의 높은(50mm 길이) 장력계와 1개의 짧은(25mm) 장력계.
   2. 장력계를 들고 있는 용기를 밀봉하여 대기가 물속으로 확산되는 것을 제한합니다.
2. 진공 펌프 방식에 의한 센서 장치 탈기
   참고: 캠페인에 사용할 각 센서 장치에 대해 다음 단계를 완료하십시오.
   1. 20mL 주사기와 가는 팁 바늘을 사용하여 두 장력계 샤프트 포트에 가스가 제거된 탈이온수를 포트 상단까지 채웁니다. 포트에 빛을 비추고 이물질이 있는지 평가하여 압력 변환기가 깨끗한지 확인합니다.
   2. 센서 장치에 아크릴 상단을 놓고 금속 클립을 고정합니다. 탈기된 탈이온수가 들어 있는 주사기를 아크릴 상단의 개구부에 삽입하고 아크릴 헤드 상단 바로 아래까지 채웁니다.
   3. 탈기 장치의 'T' 튜브를 아크릴 헤드 상단에 삽입하여 아크릴 상단을 탈기 장치에 부착합니다.
      알림: 아크릴 상단이 있는 두 개의 센서 장치를 각 탈기 장치에 부착할 수 있습니다.
3. 장력계 리필
   1. 스테이지 장착 컵을 탈기 장치의 사용 가능한 두 위치에 모두 놓은 다음 컵의 3/4을 탈기된 탈이온수로 채웁니다.
   2. 장력계를 나사산 아크릴 홀더에 나사로 고정하십시오. 그런 다음 검은색 O-링을 아크릴 홀더의 상단과 만나도록 이동합니다. 스테이지 장착 컵에 보관된 탈기된 탈이온수에 넣습니다.
4. 진공 탈기 시작
   1. 누출을 방지하기 위해 모든 연결이 단단히 연결되어 있는지 확인하십시오.
   2. -0.4 Bar에 도달 할 때까지 진공 펌프를 켭니다. 그런 다음 진공 펌프를 끄고 시스템이 균등화되도록 합니다. -0.8bar에 도달할 때까지 진공 펌프를 다시 켭니다.
   3. 두꺼운 수건으로 센서 장치 어셈블리의 바닥을 두드려 센서 장치의 장력계 포트에서 기포를 제거합니다.
   4. 시스템을 최소 24시간 동안 진공 상태로 유지하십시오. 진공 청소기를 끄고 압력이 유지되는지 확인하여 누출을 확인하십시오. 시스템이 평형화됨에 따라 천천히 압력을 잃게 되므로 진공 펌프를 정기적으로 켜서 진공에 압력을 가하십시오.
   5. 24 시간 후 아크릴 상단에서 튜브를 제거하고 아크릴 홀더에서 모든 장력계를 제거합니다. 짧은 장력계와 긴 장력계를 탈기된 탈이온수가 담긴 별도의 비커에 넣습니다.

3. 캠페인 시작

1. 센서 장치 준비
   1. 센서 장치 어셈블리를 시스템 연결 코드에 꽂습니다.
   2. 연결된 센서 유닛 아래에 수건과 같은 흡수성 물질을 놓고 금속 클립을 풀어 아크릴 상단을 제거합니다.
   3. 다중 센서 설정의 경우 각 센서 장치 어셈블리에 대해 3.1.1 및 3.1.2 단계를 반복하거나 단일 센서 설정의 경우 3.A.iv를 계속합니다.
   4. 데이터 측정 소프트웨어를 클릭하여 프로그램을 열고 장치 표시 아이콘을 클릭합니다.
   5. 연결된 모든 센서 장치가 소프트웨어의 사이드바에 나타나는지 확인하십시오.
2. 장력계 설치
   1. 소프트웨어 상단에 있는 리필 마법사 아이콘을 클릭하여 사용자 인터페이스를 엽니다. 드롭다운 메뉴에서 적절한 센서 장치로 이동합니다.
      알림: 변환기는 초기 판독값이 0hPa(± 5hPa)인 경우 양호한 작동 상태입니다.
   2. 비커에서 장력계를 선택합니다. 샤프트에 눈에 띄는 기포가 없는지, 볼록한 반월판에서 장력계 샤프트 상단에 물이 형성되고 있는지 확인하십시오. 볼록한 반월상 연골이 없는 경우 주사기로 가스가 제거된 탈이온수를 장력계 상단에 더 추가합니다.
   3. 장력계의 검은색 O-링을 나사산의 중앙으로 이동합니다.
   4. 볼록한 반월상 연골을 손상되지 않은 상태로 유지하면서 장력계를 센서 장치에 있는 고인 물로 반전시킵니다.
   5. 짧은 선으로 표시된 장력계 포트에 짧은 장력계를 설치하십시오. 긴 선으로 표시된 장력계 포트에 키가 큰 장력계를 설치하십시오.
   6. Current Readings 탭의 압력 판독값을 보면서 장력계를 장력계 포트에 조심스럽게 나사로 고정합니다. 장력계를 반에서 완전히 돌려 단단히 밀봉하십시오.
      알림: 장력계 포트에 설치한 후에는 장력계 판독값이 0hPa(± 5hPa)인지 확인하십시오.
   7. 다른 장력계를 설치하는 동안 팁의 건조를 방지하기 위해 가스가 제거된 탈이온수로 채워진 실리콘 전구를 장력계 상단에 놓습니다.
   8. 캠페인에 사용된 각 장력계 및 센서 장치에 대해 3.2.1-3.2.7단계를 반복합니다.
3. 센서 장치에 시료 배치
   1. 포화 샘플을 제거하고 탈기된 탈이온수 용기에서 해당 포화판을 제거하고 작업 표면에 놓습니다.
   2. 오거 가이드를 샘플 링 위에 놓습니다.
   3. 장력계 샤프트 오거를 오거 가이드의 구멍에 삽입하고 장력계 샤프트 오거를 완전히 회전시켜 흙을 제거합니다. 두 번째 홀에 대해 반복합니다.
      알림: 장력계의 높이에 해당하는 토양 샘플의 각 구멍이 만드는 깊이를 추적하십시오.
   4. 오거 가이드를 제거하고 토양 s가 s를 확인하십시오.amp구멍에서 무너지지 않았습니다.
   5. 각 장력계에서 실리콘 전구를 제거하고 실리콘 디스크를 센서 장치 위에 놓습니다.
      알림: 실리콘 디스크 아래에 공기가 갇혀 있지 않은지, 온도 센서가 덮여 있지 않은지 확인하십시오.
   6. 샘플 코어의 구멍을 센서 장치의 해당 장력계 높이에 맞춥니다.
   7. 샘플 코어를 반전시키고 센서 장치 위에 놓고 샘플을 장력계에 맞춥니다.
   8. 커피 필터와 포화 플레이트를 제거합니다. 센서 장치 측면에 있는 금속 걸쇠로 토양 코어를 고정합니다.
   9. 각 샘플에 대해 3.3.1-3.3.8단계를 반복합니다.
4. 시스템 캠페인 시작
   1. 각 센서 장치가 설정되면 각 센서 장치 일련 번호에 해당하는 금속 코어에 있는 샘플 식별을 입력합니다. 필드 캠페인의 고유한 이름을 입력하고 찾아보기를 클릭하여 파일 위치를 저장합니다.
   2. 시작을 클릭합니다.
   3. 두 번의 장력계 판독이 완료된 후 초기 중량 판독값을 취합니다. 먼저 센서 장치에서 연결 코드를 뽑고 소프트웨어에 대화 상자가 나타날 때까지 기다린 다음 체중계에 놓습니다. 소프트웨어가 무게 판독값을 측정했다고 표시되면 센서 장치를 제거하고 연결 코드에 다시 연결합니다. 모든 센서 장치에 대해 반복합니다.
   4. 측정 첫 2일 동안은 하루에 3번 샘플을 칭량하고, 그 후에는 캠페인의 나머지 기간 동안 일정한 간격으로 하루에 2번 무게를 잰다.

4. 시스템 캠페인 종료

1. 소프트웨어 종료
   1. 샘플이 공기 유입 지점에 도달하면 각 센서 장치에 대한 최종 중량 측정을 수행합니다.
   2. 중지를 클릭하고 각 센서 장치에서 연결 코드를 분리합니다.
2. 캠페인 해체
   1. s를 제거amp센서 장치에서 코어 모든 토양 재료를 용기에 넣고 토양 샘플을 오븐 건조합니다.
      알림: 미세한 질감의 토양으로 작업하는 경우 각 토양을 적시십시오.amp센서 장치에서 제거하기 전에 한 시간 이내에.
   2. 실리콘 디스크를 제거하고 필요한 경우 젖은 수건으로 센서 장치 상단을 청소합니다.
   3. 슬롯에서 각 장력계를 조심스럽게 제거합니다. 부드러운 강모가 있는 칫솔과 더러운 경우 물로 장력계의 끝을 청소하십시오.
   4. 장치를 뒤집어 안전 세척 병에서 물을 분사하여 센서 장치 표면을 청소하십시오.
   5. 센서 장치를 뒤집어 장력계 샤프트 포트를 청소하고 주사기로 포트에 물을 분사합니다.

5. 데이터 분석

1. 각 샘플의 건조 토양 무게와 해당 금속 코어를 얻습니다.
2. 데이터 분석 소프트웨어를 클릭하여 프로그램을 열고 샘플 파일을 클릭하여 소프트웨어의 데이터를 엽니다. Information(정보) 탭의 Parameter(매개변수) 섹션에 금속 코어의 무게를 입력합니다.
3. Measurements(측정) 탭 | Air Entry Point를 검색합니다. 캐비테이션 지점을 미세 조정하려면 장력계 데이터 범위에서 시작점과 중지점의 점선을 이동합니다. 소프트웨어에 대해 지정해야 하는 경우 air entry points에 대해 동일한 작업을 수행합니다.
4. Evaluation(평가) 탭을 클릭하고 Calculation of water contents(수분 함량 계산)에서 From dry soil weight (g)(건조 토양 중량(g)에서)가 선택되어 있는지 확인합니다. 건조된 토양의 무게를 입력합니다.
5. 피팅(Fitting) 탭을 클릭합니다. 데이터에 가장 적합한 모형을 적용합니다.
6. 내보내기 탭을 클릭하고 파일 경로를 선택한 다음 파일이 .xlxs 형식으로 내보내졌는지 확인합니다.
7. 각 토양 샘플에 대해 5.1-5.7단계를 반복합니다.

결과

위의 프로토콜에 따라 적절한 측정 캠페인을 완료하면 분석 소프트웨어에서 실험의 데이터 출력을 볼 수 있습니다. 출력 곡선은 시간(t) 경과에 따른 수분 장력(hPa)을 측정하는 장력계 판독값에서 비롯되며, 이 데이터의 초기 곡선은 캠페인 종료 직후 생성됩니다. 두 토양 샘플의 장력 곡선의 선택된 예를 검사하여 최적 및 차선의 결과를 설명할 수 있습니다(

토론

여기에 설명된 방법을 사용하는 간단한 증발 실험 접근 방식은 SWRC 및 수압 전도도 곡선을 개발하는 효율적인 수단입니다. 데이터 측정의 단순성과 정확성은 보다 전통적인 방법에 대한 실행 가능한 대안이 됩니다¹⁴. 여기에 설명된 방법은 사용자 설명서와 최신 문헌을 넘어 이 복잡한 기기의 미세한 부분을 종합하고 확장합니다. 고품질 데이터를 생성?...

자료

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