Измерения потенциала почвенной воды и проводимости на основе простого эксперимента по испарению с использованием гидравлического анализатора свойств

Резюме

В этой статье представлен простой эксперимент по испарению с использованием инструмента гидравлических свойств для образца почвы. С помощью эффективных средств измерения могут проводиться в течение нескольких дней для получения высококачественных данных.

Аннотация

Измерение гидравлических свойств почвы имеет решающее значение для понимания физических компонентов здоровья почвы, а также для комплексных знаний о почвенных системах при различных методах управления. Сбор достоверных данных необходим для принятия обоснованных решений, влияющих на сельское хозяйство и окружающую среду. В описанном здесь простом эксперименте по испарению используются приборы в лабораторных условиях для анализа образцов почвы, собранных в полевых условиях. Натяжение почвы в воде образца измеряется прибором, а данные о напряжении моделируются программным обеспечением для восстановления гидравлических свойств почвы. Этот метод может быть использован для измерения удержания воды в почве и гидравлической проводимости, а также для получения представления о различиях в обработке или динамике окружающей среды с течением времени. Для первоначальной установки требуется пользователь, но сбор данных автоматизирован с помощью прибора. Гидравлические свойства почвы нелегко измерить с помощью традиционных экспериментов, и этот протокол предлагает простую и оптимальную альтернативу. Обсуждается интерпретация результатов и варианты расширения диапазона данных.

Введение

Удержание воды в почве и гидравлическая проводимость в естественной и антропогенной среде помогают нам понимать и наблюдать за изменениями в здоровье и функциональности почвы. Количественная оценка гидравлических свойств с помощью кривой удержания почвенных вод (SWRC) и кривой проводимости почвенных вод позволяет получить представление о ключевых факторах физического поведения почвы и характеристике движения воды¹. Соотношение между объемным содержанием воды (θ) и матричным напором (h) представлено в пределах SWRC, а диапазоны внутри кривой описывают точку насыщения, емкость поля и точку постоянного увядания². Методы управления почвой, поправки, типы агроэкосистем и условия окружающей среды – все это может оказывать влияние на гидравлику почвы ^3,4. Эти факторы, в свою очередь, могут влиять на перенос растворенных веществ⁵ и доступную для растений воду⁶, дыхание почвы и микробную активность⁷, а также на циклы увлажнения и сушки⁸. Надлежащий анализ SWRC является важным элементом количественной оценки здоровой и функционирующей почвы и является обязательным условием для получения обоснованного представления о гидравлических свойствах почвы.

В настоящее время существует множество методов измерения для разработки надежного SWRC, при этом методы столба висячей воды и прижимной пластины являются распространенными традиционными подходами для определения распределения пор по размерам почвы². Традиционные методы могут отнимать много времени, обычно на анализ небольшого^{набора образцов} уходят недели или месяцы. Более того, после завершения анализа эти методы приводят лишь к нескольким точкам данных, которые информируют SWRC⁹. Кроме того, точность получения репрезентативных данных с использованием традиционных методов, таких как нажимные пластины, может стать проблемой при более низких матричных потенциалах, в частности, при мелкозернистых почвах^10,11. Более современные методы, которые включают в себя простой подход к эксперименту по испарению с использованием тензиометров и метод точки росы с охлажденным зеркалом, как правило, дают более воспроизводимые данные по широкому спектру текстур почвы². Первоначально разработанный компанией Wind в 1968 году, простой эксперимент по испарению включал в себя измерение изменений массы воды и изменения напряжения с помощью тензиометров в образце^{почвы с течением} времени. По мере испарения через определенные промежутки времени проводятся измерения массы образца почвы для создания SWRC. Позже усовершенствованный Шиндлером (1980), метод включал только два тензиометра, помещенных под разным давлением в пробе почвы. Затем модифицированный метод был протестирован и валидирован как пригодный для использования в научном анализе^13,14. Ключевым преимуществом простого эксперимента по испарению является возможность легко получать данные по большой части кривой влажности почвы (от 0 до -300 кПа) с большим количеством точек данных, чем при использовании традиционных методов.

Эти современные методы включают в себя автоматизированные приборы, которые берут множество точек данных в течение периода анализа образца и производят данные с помощью программного интерфейса. Прибор для измерения гидравлических свойств является современным инструментом, который создает кривые удержания воды и кривые проводимости на основе данных образца¹⁵. Используя простой эксперимент по испарению с использованием инструмента гидравлических свойств, можно оценить взаимосвязь между содержанием воды и водным потенциалом в почве¹. В этом эксперименте вода, присутствующая в тензиометрической шахте, находится в равновесии с водой в почвенном растворе. По мере испарения почвенной воды и высыхания образца почвы в тензиометре происходит кавитация, и эксперимент заканчивается. Существует ограничение гидравлических свойств прибора в сухом диапазоне SWRC, так как прибор способен работать только в пределах матричных потенциалов от 0 до -100 кПа. Это может быть исправлено путем включения данных, полученных в ходе эксперимента по измерению точки росы в охлажденном зеркале с использованием прибора¹⁶ для измерения потенциала почвенных вод, который может расширить диапазон данных до -300 000 кПа или постоянной точки увядания. Все эти данные объединяются в программном обеспечении для последующей обработки для моделирования, чтобы последовательно информировать SWRC о переходе от нулевого напряжения к более высокому напряжению даже за пределами точки провядания. Затем кривые SWRC и гидравлической проводимости генерируются на основе данных о матричном потенциале, полученных в течение периода измерения, что позволяет создать полную кривую, спроецированную от насыщения до постоянной точки увядания.

Описанный здесь метод представляет собой краткую рабочую процедуру для анализа почвы с помощью инструмента гидравлических свойств. Этот метод был использован в ряде научных условий, включая количественную оценку здоровья почвы в широком диапазоне агроэкосистем 3,17,18,19, и были предприняты усилия для понимания передовых методов, выходящих за рамки руководства пользователя прибора²⁰. В нем описывается стандартизированный протокол для всех этапов процедуры, включая отбор проб в полевых условиях, подготовку образцов, работу программного обеспечения и обработку данных. Следование этому методу обеспечит успешную кампанию, результатом которой станут достоверные данные. Представлены критически важные шаги для обеспечения качества данных, общие проблемы и передовые методы для обеспечения надлежащей реализации.

протокол

1. Отбор проб почвы и подготовка образцов

ПРИМЕЧАНИЕ: Принципиальную схему рабочего процесса этого метода можно найти на рисунке 1.

1. Забор образцов
   1. Выкопайте верхнюю часть на несколько сантиметров выше желаемой глубины отбора проб, чтобы удалить нежелательный мусор, особенно рыхлый органический мусор и корку на поверхности почвы.
   2. Поместите уровень керна для отбора проб металла на поверхность обнаженного грунта стороной острого края к поверхности почвы; Затем поместите держатель для молотка на верхнюю часть кольца.
   3. Несколько раз ударьте по верхней части держателя молотка резиновым молотком, пока верхняя часть металлического керна для отбора проб не выровняется с поверхностью почвы.
   4. Покопайтесь вокруг металлического керна для отбора проб; Затем выкопайте под сердцевину, чтобы извлечь ее из почвы.
   5. Разровняйте металлический керн для отбора проб с обеих сторон шпателем или ножом после того, как он будет извлечен из почвы; Затем поместите пластиковые крышки по обе стороны от сердцевины.
   6. Добавьте образец этикетки к металлическому сердечнику.
2. Хранение и использование образцов
   1. Перед анализом образцы храните в холодильнике при температуре около 4 ^°C.
   2. Пробы насытите не менее чем за 24 часа до анализа, поместив керны образцов в большой пластиковый контейнер с дегазированной деионизированной водой. Сначала снимите пластиковую крышку, которая находится на плоской краю металлического керна для отбора проб, и поместите сверху бумажный фильтр для кофе, а затем просачивающую пластину. Затем переверните керн и питательную пластину в контейнер и заполните его дегазированной деионизированной водой в пределах 1 см от верхней части образца почвы. При необходимости наполняйте емкость дегазированной деионизированной водой до тех пор, пока почва не достигнет насыщения.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Насыщение происходит, когда вода видна на открытой поверхности почвы.

2. Установка сенсорного блока и тензиометра

1. Подготовка тензиометра
   1. Замочите тензиометры на 24 часа в дегазированной деионизированной воде: один высокий (длина 50 мм) и один короткий (25 мм) тензиометр для каждого сенсорного блока, который будет использоваться в кампании анализа.
   2. Закройте контейнер с тензиометрами, чтобы ограничить диффузию атмосферы в воду.
2. Дегазация сенсорного блока методом вакуумного насоса
   ПРИМЕЧАНИЕ: Выполните следующие шаги для каждого сенсорного блока, который будет использоваться в кампании.
   1. Заполните оба порта тензиометра дегазированной деионизированной водой до верха порта с помощью шприца объемом 20 мл и иглы с тонким наконечником. Убедитесь, что датчик давления чистый, направив свет в порт и оценив, нет ли там мусора.
   2. Поместите акриловую крышку на блок датчиков и закрепите металлическими зажимами. Вставьте шприц с дегазированной деионизированной водой в отверстие акриловой верхней части и заполните ее чуть ниже верхней части акриловой головки.
   3. Прикрепите акриловую крышку к блоку дегазации, вставив трубку «Т» на блоке дегазации в верхнюю часть акриловой головки.
      ПРИМЕЧАНИЕ: К каждому блоку дегазации можно прикрепить два сенсорных блока с акриловыми крышками.
3. Заправка тензиометра
   1. Установите стаканчик, установленный на сцене, в оба доступных положения на блоке дегазации, затем заполните 3/4 стакана дегазированной деионизированной водой.
   2. Вкрутите тензиометры в резьбовые акриловые держатели; затем переместите черное уплотнительное кольцо так, чтобы оно соприкоснулось с верхней частью акрилового держателя. Поместите в дегазированную деионизированную воду, содержащуюся в стаканчиках, установленных на сцене.
4. Начало вакуумной дегазации
   1. Убедитесь, что все соединения плотно закреплены, чтобы предотвратить утечку.
   2. Включите вакуумный насос до достижения -0,4 Бар; Затем выключите вакуумный насос и дайте системе выровняться. Снова включите вакуумный насос до достижения -0,8 бар.
   3. Постучите по нижней части блока датчиков по плотному полотенцу, чтобы удалить пузырьки воздуха из отверстий тензиометра в блоке датчика.
   4. Держите систему под вакуумом не менее 24 часов. Проверьте наличие утечек, выключив вакуум и убедившись, что он остается под давлением. Включайте вакуумный насос через равные промежутки времени, чтобы довести вакуум до давления, так как он будет медленно терять давление по мере выравнивания системы.
   5. Через 24 часа снимите трубку с акриловой верхней части и снимите все тензиометры с акриловых держателей. Поместите короткий и высокий тензиометры в отдельные стаканы с дегазированной деионизированной водой.

3. Инициирование кампании

1. Подготовка оптических блоков
   1. Вставьте блок датчиков в сборе в кабель подключения к системе.
   2. Подложите абсорбирующий материал, например полотенце, под подключенный сенсорный блок и снимите акриловую крышку, отпустив металлические зажимы.
   3. Повторите шаги 3.1.1 и 3.1.2 для каждой сборки сенсорного блока для конфигурации с несколькими датчиками или перейдите к пункту 3.A.iv для настройки с одним датчиком.
   4. Щелкните программное обеспечение для измерения данных, чтобы открыть программу, и щелкните значок «Показать устройства ».
   5. Убедитесь, что все подключенные сенсорные блоки отображаются на боковой панели программного обеспечения.
2. Установка тензиометра
   1. Нажмите на значок мастера пополнения в верхней части программного обеспечения, чтобы открыть пользовательский интерфейс. В выпадающем меню перейдите к соответствующему блоку датчиков.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Датчики находятся в хорошем рабочем состоянии, если их начальные показания составляют 0 гПа (± 5 гПа).
   2. Выберите тензиометр из стакана. Убедитесь, что в шахте нет видимых пузырьков воздуха, а над верхней частью вала тензиометра образуется выпуклая мениска. Добавьте еще дегазированную деионизированную воду с помощью шприца в верхнюю часть тензиометра, если нет выпуклого мениска.
   3. Переместите черное уплотнительное кольцо на тензиометре к центру резьбы.
   4. Инвертируйте тензиометр в стоячую воду, присутствующую на блоке датчика, сохраняя при этом выпуклый мениск неповрежденным.
   5. Установите короткий тензиометр в порт тензиометра, который обозначен короткой линией. Установите высокий тензиометр в порт тензиометра, который обозначен длинной линией.
   6. Осторожно вкрутите тензиометр в порт тензиометра, наблюдая за показаниями давления на вкладке «Текущие показания». Добейтесь плотного прилегания, сделав половину-полный оборот тензиометра.
      ПРИМЕЧАНИЕ: После установки на порт тензиометра убедитесь, что показания тензиометра составляют 0 гПа (± 5 гПа).
   7. Поместите силиконовую колбу, наполненную дегазированной деионизированной водой, на верхнюю часть тензиометра, чтобы предотвратить высыхание наконечника во время установки других тензиометров.
   8. Повторите шаги с 3.2.1 по 3.2.7 для каждого тензиометра и сенсорного блока, используемого в кампании.
3. Размещение образцов на сенсорных блоках
   1. Извлеките насыщенный образец и соответствующую сатурирующую пластину из емкости с дегазированной деионизированной водой и поместите их на рабочую поверхность.
   2. Поместите направляющую шнека на верхнюю часть кольца для образца.
   3. Вставьте тензиометрический вал шнека в отверстие направляющей шнека и поверните тензиометрический вал шнека в полный оборот для удаления грунта. Повторите для второй лунки.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Следите за глубиной, которую каждое отверстие делает в образце почвы, поскольку она соответствует высоте тензиометра.
   4. Снимите направляющую шнека и убедитесь, что образец грунта не обрушился в лунку.
   5. Снимите силиконовые лампы на каждом тензиометре и поместите силиконовый диск поверх блока датчиков.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что воздух не задерживается под силиконовым диском и что датчик температуры не закрыт.
   6. Совместите отверстия в керне образца с соответствующей высотой тензиометра на блоке датчика.
   7. Переверните керн образца и поместите его поверх сенсорного блока, установив образец на тензиометры.
   8. Снимите кофейный фильтр и тарелку для насыщения. Закрепите почвенную сердцевину металлическими застежками, расположенными сбоку от блока датчиков.
   9. Повторите шаги с 3.3.1 по 3.3.8 для каждого образца.
4. Инициирование системной кампании
   1. После настройки каждого сенсорного блока введите идентификационный номер образца, присутствующий на металлическом сердечнике, поскольку он соответствует серийному номеру каждого из сенсорных блоков. Введите уникальное имя для полевой кампании, нажмите кнопку Обзор , чтобы сохранить местоположение файла.
   2. Нажмите кнопку Начать.
   3. Снимите первоначальные показания веса после того, как будут получены два показания тензиометра. Сначала отсоедините соединительный шнур от сенсорного блока, дождитесь появления диалогового окна на программном обеспечении, и поместите его на весы. Снимите сенсорный блок, как только программное обеспечение укажет, что показания веса были сняты, и снова подключите его к соединительному шнуру. Повторите эти действия для всех сенсорных блоков.
   4. Взвешивайте образцы 3 раза в день в течение первых 2 дней измерения, затем 2 раза в день через равные промежутки времени в течение оставшейся части кампании.

4. Прекращение системной кампании

1. Завершение работы ПО
   1. Проведите окончательное измерение веса каждого сенсорного блока после того, как образец достигнет точки подачи воздуха.
   2. Нажмите Стоп и отсоедините соединительный кабель от каждого сенсорного блока.
2. Разборка кампании
   1. Извлеките керн из блока датчиков. Поместите весь почвенный материал в контейнер, а образец почвы высушите в духовке.
      ПРИМЕЧАНИЕ: При работе с мелкозернистыми почвами смочите каждый образец почвы в течение часа, прежде чем извлекать его из сенсорного блока.
   2. Снимите силиконовый диск и при необходимости промойте верхнюю часть сенсорного блока влажным полотенцем.
   3. Аккуратно выньте каждый тензиометр из пазов. Очистите кончики тензиометров зубной щеткой с мягкой щетиной и полейте водой, если они загрязнены.
   4. Очистите поверхность сенсорного блока, перевернув блок и распылив воду из безопасной бутылки для стирки.
   5. Очистите порт вала тензиометра, перевернув блок датчиков и впрыснув воду из шприца в порт.

5. Анализ данных

1. Получите вес сухого грунта для каждого образца и соответствующего металлического ядра.
2. Нажмите на программное обеспечение для анализа данных, чтобы открыть программу, и нажмите на файл образца, чтобы открыть данные в программном обеспечении. Введите вес металлического сердечника в разделе Параметры вкладки Информация .
3. Перейдите на вкладку «Измерения» | Поиск точки входа воздуха. Для точной настройки точки кавитации переместите пунктирные линии начальной и конечной точек в диапазоне данных тензиометра. Сделайте то же самое для точек входа воздуха , если они должны быть указаны в программном обеспечении.
4. Перейдите на вкладку «Оценка » и в разделе «Расчет содержания воды» убедитесь, что выбрано значение «От веса сухой почвы» (г). Введите вес высушенного грунта.
5. Нажмите на вкладку «Примерка » | Примените модель, которая лучше всего подходит для данных.
6. Перейдите на вкладку «Экспорт », выберите путь к файлу и убедитесь, что файл экспортирован в формате .xlxs.
7. Повторите шаги с 5.1 по 5.7 для каждого образца почвы.

Результаты

После завершения надлежащей измерительной кампании в соответствии с приведенным выше протоколом можно будет просмотреть выходные данные эксперимента в аналитическом программном обеспечении. Выходные кривые основаны на показаниях тензиометра, которые измеряют на?...

Обсуждение

Простой подход к эксперименту по испарению с использованием описанного здесь метода является эффективным средством для разработки кривых SWRC и гидравлической проводимости. Простота и точность измерения данных делают его жизнеспособной альтернативой более традицио...

Материалы

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