Medições do Potencial Hídrico e Condutividade do Solo com base em um Experimento de Evaporação Simples usando um Analisador de Propriedades Hidráulicas

Resumo

Este artigo apresenta um experimento de evaporação simples usando um instrumento de propriedade hidráulica para uma amostra de solo. Por meios eficientes, as medições podem ser feitas ao longo de uma série de dias para gerar dados de alta qualidade.

Resumo

A medição das propriedades hidráulicas do solo é fundamental para a compreensão dos componentes físicos da saúde do solo, bem como para o conhecimento integrado dos sistemas do solo sob várias práticas de manejo. A coleta de dados confiáveis é fundamental para informar as decisões que afetam a agricultura e o meio ambiente. O experimento de evaporação simples descrito aqui usa instrumentação em um ambiente de laboratório para analisar amostras de solo coletadas em campo. A tensão da água do solo da amostra é medida pelo instrumento, e os dados de tensão são modelados por software para retornar as propriedades hidráulicas do solo. Este método pode ser utilizado para medir a retenção de água no solo e a condutividade hidráulica e fornecer informações sobre as diferenças nos tratamentos ou na dinâmica ambiental ao longo do tempo. O estabelecimento inicial requer um usuário, mas a aquisição de dados é automatizada com o instrumento. As propriedades hidráulicas do solo não são facilmente medidas com experimentos tradicionais, e este protocolo oferece uma alternativa simples e ideal. A interpretação dos resultados e as opções para estender o intervalo de dados são discutidas.

Introdução

A retenção de água no solo e a condutividade hidráulica em ambientes naturais e alterados pelo homem nos ajudam a entender e observar as mudanças na saúde e funcionalidade do solo. A quantificação das propriedades hidráulicas por meio da curva de retenção de água no solo (SWRC) e da curva de condutividade da água no solo oferece informações sobre os principais impulsionadores do comportamento físico do solo e da caracterização do movimento da água¹. A relação entre o teor volumétrico de água (θ) e a carga matricial (h) é representada dentro de um SWRC, e os intervalos dentro da curva descrevem o ponto de saturação, a capacidade de campo e o ponto de murcha permanente². Práticas de manejo do solo, corretivos, tipos de agroecossistemas e condições ambientais podem ter um impacto na hidráulica do solo ^3,4. Esses fatores, por sua vez, podem influenciar o transporte de solutos⁵ e a água disponível para as plantas⁶, a respiração do solo e a atividade microbiana⁷, bem como os ciclos de umedecimento e secagem⁸. Como uma peça importante na quantificação de solos saudáveis e funcionais, a análise adequada do SWRC é imperativa para obter uma compreensão informada das propriedades hidráulicas do solo.

Atualmente, existe uma variedade de técnicas de medição para o desenvolvimento de um SWRC confiável, com os métodos de coluna de água suspensa e placa de pressão sendo abordagens tradicionais comuns para determinar a distribuição do tamanho dos poros do solo². Os métodos tradicionais podem ser demorados, geralmente levando semanas ou meses para analisar um pequeno conjunto de amostras⁹. Além disso, uma vez concluída a análise, esses métodos resultam em apenas alguns pontos de dados que informam o SWRC⁹. Além disso, a precisão da produção de dados representativos usando métodos tradicionais, como placas de pressão, pode se tornar uma preocupação em potenciais matriciais mais baixos, em particular, com solos de textura fina^10,11. Técnicas mais modernas, que envolvem a abordagem de experimento de evaporação simples usando tensiômetros e o método do ponto de orvalho do espelho resfriado, tendem a fornecer dados mais reprodutíveis em uma ampla gama de texturas de solo². Inicialmente desenvolvido pela Wind em 1968, o experimento de evaporação simples envolvia a medição das mudanças de massa de água e mudanças de tensão por meio de tensiômetros na amostra de solo ao longo do tempo¹². À medida que ocorre a evaporação, as medições da massa da amostra de solo são feitas em intervalos de tempo específicos para criar um SWRC. Posteriormente refinado por Schindler (1980), o método envolvia apenas dois tensiômetros colocados em diferentes cabeças de pressão dentro da amostra de solo. O método modificado foi então testado e validado como capaz de ser usado em análises científicas ^13,14. Um dos principais benefícios do experimento de evaporação simples é o potencial de produzir dados facilmente em uma grande parte da curva de umidade do solo (0 a -300 kPa), com mais pontos de dados do que com os métodos tradicionais.

Esses métodos modernos envolvem instrumentos automatizados que coletam vários pontos de dados durante todo o período de análise da amostra e produzem dados usando uma interface de software. O instrumento de propriedade hidráulica é um instrumento contemporâneo que cria curvas de retenção de água e curvas de condutividade a partir de dados de amostra¹⁵. Empregando-se um experimento de evaporação simples usando o instrumento de propriedade hidráulica, a relação entre o teor de água e o potencial hídrico no solo pode ser avaliada¹. Neste experimento, a água presente no eixo do tensiômetro existe em equilíbrio com a água na solução do solo. À medida que ocorre a evaporação da água do solo e a amostra de solo seca, a cavitação ocorre no tensiômetro e o experimento termina. Há uma limitação do instrumento de propriedade hidráulica na faixa seca do SWRC, pois o instrumento só é capaz de operar dentro de potenciais matriciais de 0 a -100 kPa. Isso pode ser remediado com a inclusão de dados gerados com um experimento de ponto de orvalho de espelho resfriado usando um instrumento de potencial hídrico do solo¹⁶, que pode estender a faixa de dados para -300.000 kPa ou o ponto de murcha permanente. Todos esses dados são reunidos no pós-processamento do software de modelagem para informar coesamente o SWRC de tensões nulas a tensões mais altas, mesmo além do ponto de murcha. As curvas SWRC e de condutividade hidráulica são então geradas com base em pontos de dados de potencial matricial obtidos durante todo o período de medição, permitindo que uma curva completa projetada da saturação ao ponto de murcha permanente seja gerada.

O método aqui descrito apresenta um procedimento operacional sucinto para análise de solos com um instrumento de propriedades hidráulicas. Este método foi conduzido em vários ambientes científicos, incluindo a quantificação da saúde do solo em uma ampla gama de agroecossistemas 3,17,18,19, e esforços foram feitos para entender as melhores práticas além do manual do usuário do instrumento 20. Aqui, um protocolo padronizado é descrito para todas as etapas do procedimento, incluindo amostragem de campo, preparação de amostras, função de software e processamento de dados. Seguir esse método garantirá uma campanha bem-sucedida que resulte em dados confiáveis. Etapas críticas para garantir dados de qualidade, desafios comuns e práticas recomendadas são apresentadas para garantir a implementação adequada.

Protocolo

1. Amostragem de solo e preparação de amostras

NOTA: Um diagrama esquemático do fluxo de trabalho deste método pode ser encontrado na Figura 1.

1. Coleta de amostras
   1. Escave os centímetros superiores acima da profundidade de amostragem desejada para remover detritos indesejados, particularmente lixo orgânico solto e crostas na superfície do solo.
   2. Coloque o metal sampling nível do núcleo na superfície do solo exposto, com o lado da borda afiada voltado para a superfície do solo; Em seguida, coloque o suporte de martelamento em cima do anel.
   3. Bata na parte superior do suporte de martelamento repetidamente usando um martelo de borracha até que a parte superior do metal sample núcleo se alinhe com a superfície do solo.
   4. Cave ao redor do núcleo de amostragem de metal; Em seguida, cave embaixo do núcleo para removê-lo do solo.
   5. Nivele ambos os lados do núcleo de amostragem de metal com uma espátula ou faca depois de removido do solo; Em seguida, coloque tampas plásticas em ambos os lados do núcleo.
   6. Adicione uma etiqueta de amostra ao núcleo de metal.
2. Armazenamento e uso de amostras
   1. Armazenar as amostras num frigorífico a cerca de 4 ^°C antes da análise.
   2. Saturar as amostras pelo menos 24 h antes da análise, colocando-os num recipiente de plástico grande com água desionizada desgaseificada. Primeiro, remova a tampa plástica que está no lado da borda plana do metal sample núcleo e coloque um filtro de café de papel por cima, seguido por uma placa de saturação. Em seguida, inverta o núcleo e a placa de saturação no recipiente e encha-o com água desgaseificada desionizada a menos de 1 cm do topo da amostra de solo. Reabasteça o recipiente com água desgaseificada desgaseificada conforme necessário até que o solo atinja a saturação.
      NOTA: A saturação ocorre quando a água é visível na superfície exposta do solo.

2. Estabelecimento da unidade do sensor e do tensiômetro

1. Preparação do tensiômetro
   1. Mergulhe os tensiômetros por 24 h em água desgaseificada: um tensiômetro alto (50 mm de comprimento) e um tensiômetro curto (25 mm) para cada unidade de sensor que será usada na campanha de análise.
   2. Feche o recipiente que contém os tensiómetros para limitar a difusão da atmosfera na água.
2. Desgaseificação da unidade de sensor pelo método da bomba de vácuo
   NOTA: Conclua as etapas a seguir para cada unidade de sensor que será usada na campanha.
   1. Encha ambas as portas do eixo do tensiômetro com água deionizada desgaseificada até o topo da porta usando uma seringa de 20 mL e uma agulha de ponta fina. Certifique-se de que o transdutor de pressão esteja limpo, iluminando a porta e avaliando se há detritos presentes.
   2. Coloque a parte superior de acrílico na unidade do sensor e aperte os clipes de metal. Insira a seringa contendo água deionizada desgaseificada na abertura da parte superior de acrílico e encha logo abaixo do topo da cabeça de acrílico.
   3. Fixe a parte superior de acrílico à unidade de desgaseificação inserindo o tubo 'T' na unidade de desgaseificação na parte superior da cabeça de acrílico.
      NOTA: Duas unidades de sensor com tampas de acrílico podem ser conectadas a cada unidade de desgaseificação.
3. Recarga do tensiômetro
   1. Coloque um copo montado em stage em ambas as posições disponíveis na unidade de desgaseificação e, em seguida, encha 3/4 do copo com água desionizada desgaseificada.
   2. Aparafuse os tensiômetros nos suportes de acrílico rosqueados; em seguida, mova o O-ring preto para encontrar a parte superior do suporte de acrílico. Coloque na água desgaseificada deionizada contida nos copos montados no palco.
4. Comece a desgaseificação a vácuo
   1. Certifique-se de que todas as conexões estejam bem presas para evitar vazamentos.
   2. Ligue a bomba de vácuo até atingir -0.4 Bar; Em seguida, desligue a bomba de vácuo e deixe o sistema equalizar. Ligue a bomba de vácuo novamente até atingir -0.8 bar.
   3. Bata a parte inferior do conjunto da unidade do sensor em uma toalha grossa para remover bolhas de ar das portas do tensiômetro na unidade do sensor.
   4. Mantenha o sistema sob vácuo por pelo menos 24 h. Verifique se há vazamentos desligando o aspirador e garantindo que ele permaneça sob pressão. Ligue a bomba de vácuo em intervalos regulares para pressionar o vácuo, pois ele perderá pressão lentamente à medida que o sistema se equaliza.
   5. Após 24 h, remova o tubo da parte superior de acrílico e remova todos os tensiômetros dos suportes de acrílico. Coloque os tensiômetros curtos e altos em copos separados de água desgaseificada.

3. Iniciando uma campanha

1. Preparação de unidades de sensor
   1. Conecte o conjunto da unidade do sensor nos cabos de conexão do sistema.
   2. Coloque um material absorvente, como uma toalha, sob a unidade de sensor conectada e remova a tampa de acrílico soltando os clipes de metal.
   3. Repita as etapas 3.1.1 e 3.1.2 para cada conjunto de unidade de sensor para uma configuração de vários sensores ou continue para 3.A.iv para uma configuração de sensor único.
   4. Clique no software de medição de dados para abrir o programa e clique no ícone Mostrar dispositivos .
   5. Certifique-se de que todas as unidades de sensor conectadas apareçam na barra lateral do software.
2. Instalação do tensiômetro
   1. Clique no ícone do Assistente de recarga na parte superior do software para abrir a interface do usuário. No menu suspenso, navegue até a unidade de sensor apropriada.
      NOTA: Os transdutores estão em boas condições de funcionamento se suas leituras iniciais forem 0 hPa (± 5 hPa).
   2. Selecione um tensiômetro do béquer. Certifique-se de que não haja bolhas de ar visíveis no eixo e que haja água se formando sobre a parte superior do eixo do tensiômetro em um menisco convexo. Adicione mais água desgaseificada deionizada com uma seringa na parte superior do tensiômetro se não houver menisco convexo.
   3. Mova o O-ring preto no tensiômetro para o centro das roscas.
   4. Inverta o tensiômetro na água parada presente na unidade do sensor, mantendo o menisco convexo intacto.
   5. Instale o tensiômetro curto na porta do tensiômetro indicada com uma linha curta. Instale o tensiômetro alto na porta do tensiômetro indicada com uma linha longa.
   6. Aparafuse cuidadosamente o tensiômetro na porta do tensiômetro enquanto observa as leituras de pressão na guia Leituras atuais . Obtenha uma vedação hermética fazendo uma volta de meia a volta completa do tensiômetro.
      NOTA: Depois de instalado na porta do tensiômetro, certifique-se de que as leituras do tensiômetro sejam 0 hPa (± 5 hPa).
   7. Coloque um bulbo de silício cheio de água desionizada desgaseificada na parte superior do tensiômetro para evitar a dessecação da ponta enquanto outros tensiômetros estão sendo instalados.
   8. Repita as etapas 3.2.1 a 3.2.7 para cada tensiômetro e unidade de sensor usada na campanha.
3. Colocação de amostras em unidades de sensor
   1. Remova uma amostra saturada e a placa de saturação correspondente do recipiente de água desionizada desgaseificada e coloque-as em uma superfície de trabalho.
   2. Coloque a guia do sem-fim em cima do anel de amostra.
   3. Insira o sem-fim do eixo do tensiômetro no orifício da guia do sem-fim e gire o sem-fim do eixo do tensiômetro em uma rotação completa para remover a sujeira. Repita para o segundo buraco.
      NOTA: Acompanhe a profundidade que cada furo faz na amostra de solo, pois corresponde à altura do tensiômetro.
   4. Remova a guia do sem-fim e certifique-se de que a amostra de solo não desmoronou no buraco.
   5. Remova as lâmpadas de silício em cada tensiômetro e coloque o disco de silício na parte superior da unidade do sensor.
      NOTA: Certifique-se de que nenhum ar esteja preso sob o disco de silício e que o sensor de temperatura não esteja coberto.
   6. Alinhe os orifícios no sample núcleo com a altura do tensiômetro correspondente na unidade do sensor.
   7. Inverta o núcleo da amostra e coloque-o em cima da unidade do sensor, encaixando a amostra nos tensiômetros.
   8. Remova o filtro de café e a placa de saturação. Prenda o núcleo do solo com fechos de metal localizados na lateral da unidade do sensor.
   9. Repita as etapas 3.3.1 a 3.3.8 para cada uma das amostras.
4. Iniciação da campanha do sistema
   1. Uma vez que cada unidade de sensor tenha sido configurada, insira a identificação da amostra presente no núcleo de metal, pois corresponde a cada um dos números de série da unidade de sensor. Insira um nome exclusivo para a campanha de campo e clique em Procurar para salvar o local do arquivo.
   2. Clique em Iniciar.
   3. Faça a leitura inicial do peso após a conclusão de duas leituras do tensiômetro. Primeiro, desconecte o cabo de conexão da unidade do sensor, aguarde até que uma caixa de diálogo apareça no software e coloque-o na balança. Remova a unidade do sensor assim que o software indicar que a leitura do peso foi feita e conecte-a novamente ao cabo de conexão. Repita para todas as unidades de sensor.
   4. Pese as amostras 3x ao dia durante os primeiros 2 dias de medição, depois 2x ao dia em intervalos regulares durante o restante da campanha

4. Encerramento da campanha do sistema

1. Terminação de software
   1. Faça uma medição final do peso para cada unidade de sensor assim que a amostra atingir o ponto de entrada de ar.
   2. Clique em Parar e desconecte o cabo de conexão de cada unidade de sensor.
2. Desmontagem da campanha
   1. Remova o sample núcleo da unidade do sensor. Coloque todo o material do solo em um recipiente e seque a amostra de solo no forno.
      NOTA: Se estiver trabalhando com solos de textura fina, molhe cada amostra de solo dentro de uma hora antes de removê-la da unidade do sensor.
   2. Remova o disco de silicone e limpe a parte superior da unidade do sensor com uma toalha molhada, se necessário.
   3. Remova cuidadosamente cada tensiômetro dos slots. Limpe as pontas dos tensiômetros com uma escova de dentes de cerdas macias e água se estiver suja.
   4. Limpe a superfície da unidade do sensor invertendo a unidade e borrifando água de um frasco de lavagem de segurança.
   5. Limpe a porta do eixo do tensiômetro invertendo a unidade do sensor e esguichando água com uma seringa na porta.

5. Análise dos dados

1. Obtenha o peso do solo seco de cada amostra e o núcleo metálico correspondente.
2. Clique no software de análise de dados para abrir o programa e clique em um arquivo de amostra para abrir os dados no software. Insira o peso do núcleo de metal na seção Parâmetro da guia Informações .
3. Clique na guia Medidas | Pesquise o ponto de entrada de ar. Para ajustar o ponto de cavitação, mova as linhas pontilhadas dos pontos de início e término no intervalo de dados do tensiômetro. Faça o mesmo para os pontos de entrada de ar se precisar ser especificado para o software.
4. Clique na guia Avaliação e, em Cálculo do teor de água, certifique-se de que Do peso do solo seco (g) esteja selecionado. Insira o peso do solo seco.
5. Clique na guia Encaixe | Aplique o modelo que melhor se adapta aos dados.
6. Clique na guia Exportar , escolha um caminho de arquivo e certifique-se de que o arquivo seja exportado no formato .xlxs.
7. Repita as etapas 5.1 a 5.7 para cada amostra de solo.

Resultados

Ao concluir uma campanha de medição adequada seguindo o protocolo acima, será possível visualizar a saída de dados do experimento no software de análise. As curvas de saída se originam de leituras de tensiômetros que medem a tensão da água (hPa) ao longo do tempo (t), e a curva inicial desses dados é gerada imediatamente após o término da campanha. Exemplos selecionados de curvas de tensão de duas amostras de solo podem ser examinados para ilustrar resultados ótimos e sub?...

Discussão

A abordagem de experimento de evaporação simples usando o método descrito aqui é um meio eficiente de desenvolver as curvas SWRC e de condutividade hidráulica. A simplicidade e a precisão da medição dos dados a tornam uma alternativa viável aos métodos mais tradicionais¹⁴. O método descrito aqui vai além do manual do usuário e da literatura atual para sintetizar e expandir os pontos mais sutis desse intrincado instrumento. Atenção especial deve ser ...

Materiais

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