Hidrolik Özellik Analizörü Kullanılarak Basit Bir Buharlaşma Deneyine Dayalı Toprak Su Potansiyeli ve İletkenliği Ölçümleri

Özet

Bu makale, bir toprak numunesi için bir hidrolik özellik aleti kullanan basit bir buharlaştırma deneyini içermektedir. Verimli araçlar sayesinde, yüksek kaliteli veriler oluşturmak için bir dizi gün içinde ölçümler yapılabilir.

Özet

Toprağın hidrolik özelliklerinin ölçülmesi, toprak sağlığının fiziksel bileşenlerinin yanı sıra çeşitli yönetim uygulamaları altında toprak sistemlerinin entegre bilgisinin anlaşılmasında kritik öneme sahiptir. Tarımı ve çevreyi etkileyen kararları bilgilendirmek için güvenilir veri toplamak zorunludur. Burada açıklanan basit buharlaşma deneyi, sahada toplanan toprak örneklerini analiz etmek için bir laboratuvar ortamında enstrümantasyon kullanır. Numunenin toprak suyu gerilimi cihaz tarafından ölçülür ve gerilim verileri, toprağın hidrolik özelliklerini geri döndürmek için yazılım tarafından modellenir. Bu yöntem, toprak suyu tutma ve hidrolik iletkenliği ölçmek ve zaman içinde arıtmalardaki veya çevresel dinamiklerdeki farklılıklar hakkında fikir vermek için kullanılabilir. İlk kuruluş bir kullanıcı gerektirir, ancak veri toplama cihazla otomatikleştirilir. Toprağın hidrolik özellikleri geleneksel deneylerle kolayca ölçülemez ve bu protokol basit ve optimal bir alternatif sunar. Sonuçların yorumlanması ve veri aralığının genişletilmesi için seçenekler tartışılmaktadır.

Giriş

Doğal ve insan tarafından değiştirilmiş ortamlarda toprak suyunun tutulması ve hidrolik iletkenlik, toprak sağlığı ve işlevselliğindeki değişiklikleri anlamamıza ve gözlemlememize yardımcı olur. Toprak su tutma eğrisi (SWRC) ve toprak suyu iletkenlik eğrisi aracılığıyla hidrolik özelliklerin ölçülmesi, toprağın fiziksel davranışının ve su hareketi karakterizasyonunun temel itici güçleri hakkında bilgi verir¹. Hacimsel su içeriği (θ) ve matris kafa (h) arasındaki ilişki bir SWRC içinde temsil edilir ve eğri içindeki aralıklar doyma noktasını, alan kapasitesini ve kalıcı solma noktası^2'yi tanımlar. Toprak yönetimi uygulamaları, değişiklikler, tarımsal ekosistem türleri ve çevresel koşulların tümü toprak hidroliği üzerinde etkili olabilir ^3,4. Bu faktörler sırayla çözünen madde taşınmasını⁵ ve bitkinin mevcut suyunu⁶, toprak solunumunu ve mikrobiyal aktiviteyi⁷ ve ayrıca ıslatma ve kurutma döngülerini⁸ etkileyebilir. Sağlıklı ve işleyen toprağın ölçülmesinde önemli bir parça olarak, SWRC'nin uygun analizi, toprağın hidrolik özelliklerinin bilinçli bir şekilde anlaşılması için zorunludur.

Güvenilir bir SWRC geliştirmek için şu anda çeşitli ölçüm teknikleri mevcuttur, asılı su sütunu ve baskı plakası yöntemleri, toprağın^gözenek boyutu dağılımını belirlemek için yaygın geleneksel yaklaşımlardır 2. Geleneksel yöntemler zaman alıcı olabilir, genellikle küçük bir örnek kümesini analiz etmek haftalar veya aylar sürer⁹. Ayrıca, analiz tamamlandıktan sonra, bu yöntemler SWRC^9'u bilgilendiren yalnızca birkaç veri noktasıyla sonuçlanır. Ek olarak, baskı plakaları gibi geleneksel yöntemler kullanılarak temsili veri üretmenin doğruluğu, özellikle ince dokulu topraklarda^10,11 daha düşük matris potansiyellerinde bir endişe kaynağı haline gelebilir. Tansiyometreler ve soğutulmuş ayna çiy noktası yöntemini kullanan basit buharlaşma deneyi yaklaşımını içeren daha modern teknikler, çok çeşitli toprak dokularında daha tekrarlanabilir veriler sağlama eğilimindedir². İlk olarak 1968'de Wind tarafından geliştirilen basit buharlaşma deneyi, zaman içinde toprak örneğindeki tansiyometreler aracılığıyla su kütlesi değişikliklerinin ve gerilim değişikliklerinin ölçülmesini içeriyordu¹². Buharlaşma meydana geldikçe, bir SWRC oluşturmak için belirli zaman aralıklarında toprak numunesi kütle ölçümleri alınır. Daha sonra Schindler (1980) tarafından rafine edilen yöntem, toprak numunesi içindeki farklı basınç başlıklarına yerleştirilmiş sadece iki tansiyometreyi içeriyordu. Modifiye edilmiş yöntem daha sonra test edildi ve bilimsel analizde kullanılabileceği doğrulandı^13,14. Basit buharlaşma deneyinin önemli bir yararı, geleneksel yöntemlere göre daha fazla veri noktasıyla toprak nem eğrisinin büyük bir bölümünde (0 ila -300 kPa) kolayca veri üretme potansiyelidir.

Bu modern yöntemler, numune analiz süresi boyunca çok sayıda veri noktası alan ve bir yazılım arayüzü kullanarak veri üreten otomatik cihazları içerir. Hidrolik özellik aleti, numune verilerinden su tutma eğrileri ve iletkenlik eğrileri oluşturan çağdaş bir cihazdır¹⁵. Hidrolik özellik aleti kullanılarak basit bir buharlaşma deneyi kullanılarak, topraktaki su içeriği ile su potansiyeli arasındaki ilişki değerlendirilebilir¹. Bu deneyde, tansiyometre mili içinde bulunan su, toprak çözeltisindeki su ile bir denge içinde bulunur. Toprak suyunun buharlaşması ve toprak numunesinin kuruması ile tansiyometrede kavitasyon gerçekleşir ve deney sona erer. Cihaz yalnızca 0 ila -100 kPa arasındaki matris potansiyeller dahilinde çalışabildiğinden, SWRC'nin kuru aralığında hidrolik özellik cihazının bir sınırlaması vardır. Bu, veri aralığını -300.000 kPa'ya veya kalıcı solma noktasına kadar genişletebilen bir toprak su potansiyeli aleti¹⁶ kullanılarak soğutulmuş aynalı çiy noktası deneyi ile oluşturulan verilerin dahil edilmesiyle giderilebilir. Tüm bu veriler, SWRC'yi sıfır gerilimlerden daha yüksek gerilimlere, hatta solma noktasının ötesinde bile uyumlu bir şekilde bilgilendirmek için işleme sonrası modelleme yazılımında bir araya getirilir. SWRC ve hidrolik iletkenlik eğrileri daha sonra ölçüm periyodu boyunca alınan matris potansiyel veri noktalarına dayalı olarak oluşturulur ve doygunluktan kalıcı solma noktasına kadar öngörülen tam bir eğrinin oluşturulmasına izin verir.

Burada açıklanan yöntem, bir hidrolik özellik aleti ile toprak analizi için kısa ve öz bir işletme prosedürü sunar. Bu yöntem, çok çeşitli tarımsal ekosistemlerde 3,17,18,19 toprak sağlığının ölçülmesi de dahil olmak üzere bir dizi bilimsel ortamda gerçekleştirilmiştir ve cihaz kullanım kılavuzunun²⁰ ötesindeki en iyi uygulamaları anlamak için çaba sarf edilmiştir. Burada, saha örneklemesi, numune hazırlama, yazılım işlevi ve veri işleme dahil olmak üzere prosedürün tüm adımları için standartlaştırılmış bir protokol özetlenmiştir. Bu yöntemi takip etmek, güvenilir verilerle sonuçlanan başarılı bir kampanya sağlayacaktır. Doğru uygulamayı sağlamak için kaliteli veri sağlamaya yönelik kritik adımlar, ortak zorluklar ve en iyi uygulamalar sunulur.

Protokol

1. Toprak numunesi alma ve numune hazırlama

NOT: Bu yöntemin iş akışının şematik bir diyagramı Şekil 1'de bulunabilir.

1. Numune toplama
   1. İstenmeyen kalıntıları, özellikle gevşek organik çöpleri ve toprak yüzeyi kabuklanmasını temizlemek için istenen örnekleme derinliğinin üst birkaç santimetresini kazın.
   2. Metal numune alma çekirdek seviyesini, keskin kenar tarafı toprak yüzeyine bakacak şekilde açıkta kalan toprağın yüzeyine yerleştirin; Ardından, çekiçleme tutucusunu halkanın üzerine yerleştirin.
   3. Metal numune alma çekirdeğinin üst kısmı toprak yüzeyi ile aynı hizaya gelene kadar lastik bir tokmak kullanarak çekiçleme tutucusunun üst kısmına art arda vurun.
   4. Metal örnekleme çekirdeğinin etrafını kazın; Ardından, topraktan çıkarmak için çekirdeğin altını kazın.
   5. Metal numune alma çekirdeğinin her iki tarafını topraktan çıkarıldıktan sonra bir mala veya bıçakla düzleştirin; Ardından, çekirdeğin her iki tarafına plastik kapaklar yerleştirin.
   6. Metal çekirdeğe örnek bir etiket ekleyin.
2. Numune saklama ve kullanma
   1. Analizden önce numuneleri yaklaşık 4 ^{° C'lik}bir buzdolabında saklayın.
   2. Numune çekirdeklerini gazı alınmış deiyonize su içeren büyük bir plastik kaba yerleştirerek analizden en az 24 saat önce numuneleri doyurun. İlk olarak, metal örnekleme çekirdeğinin düz kenar tarafındaki plastik kapağı çıkarın ve üstüne bir kağıt kahve filtresi, ardından bir doygunluk plakası yerleştirin. Ardından, çekirdeği ve doygunluk plakasını kabın içine ters çevirin ve toprak numunesinin üst kısmından 1 cm uzakta gazı alınmış deiyonize su ile doldurun. Toprak doygunluğa ulaşana kadar kabı gerektiği kadar gazı alınmış deiyonize su ile doldurun.
      NOT: Doygunluk, toprağın açıkta kalan yüzeyinde su göründüğünde meydana gelir.

2. Sensör ünitesi ve tansiyometrenin kurulması

1. Tansiyometre hazırlığı
   1. Tansiyometreleri 24 saat boyunca gazı alınmış deiyonize suda bekletin: analiz kampanyasında kullanılacak her sensör ünitesi için bir uzun (50 mm uzunluk) ve bir kısa (25 mm) tansiyometre.
   2. Atmosferin suya difüzyonunu sınırlamak için tansiyometreleri tutan kabı kapatın.
2. Vakum pompası yöntemi ile sensör ünitesi gaz giderme
   NOT: Kampanyada kullanılacak her bir sensör birimi için aşağıdaki adımları tamamlayın.
   1. Her iki tansiyometre şaft portunu 20 mL'lik bir şırınga ve ince uçlu iğne kullanarak portun üstüne kadar gazdan arındırılmış deiyonize su ile doldurun. Bağlantı noktasına bir ışık tutarak ve kalıntı olup olmadığını değerlendirerek basınç dönüştürücüsünün temiz olduğundan emin olun.
   2. Akrilik üst kısmı sensör ünitesine yerleştirin ve metal klipsleri sabitleyin. Gazdan arındırılmış deiyonize su içeren şırıngayı akrilik üst kısmın açıklığına yerleştirin ve akrilik başlığın üst kısmının hemen altına kadar doldurun.
   3. Gaz giderme ünitesindeki 'T' tüpünü akrilik başlığın üstüne yerleştirerek akrilik üst kısmı gaz giderme ünitesine takın.
      NOT: Her bir gaz giderme ünitesine akrilik kapaklı iki sensör ünitesi takılabilir.
3. Tansiyometrenin yeniden doldurulması
   1. Gaz giderme ünitesindeki mevcut her iki konuma da sahneye monte edilmiş bir kap yerleştirin, ardından kabın 3/4'ünü gazı alınmış deiyonize su ile doldurun.
   2. Tansiyometreleri dişli akrilik tutuculara vidalayın; daha sonra siyah O-ringi akrilik tutucunun üst kısmıyla buluşacak şekilde hareket ettirin. Sahneye monte edilmiş kaplarda tutulan gazı alınmış deiyonize suya koyun.
4. Vakumlu gaz gidermeye başlayın
   1. Sızıntıyı önlemek için tüm bağlantıların sıkıca takıldığından emin olun.
   2. Vakum pompasını -0.4 Bar'a ulaşılana kadar açın; Ardından vakum pompasını kapatın ve sistemin eşitlenmesine izin verin. -0.8 bar'a ulaşılana kadar vakum pompasını tekrar açın.
   3. Sensör ünitesindeki tansiyometre bağlantı noktalarındaki hava kabarcıklarını çıkarmak için sensör ünitesi aksamının alt kısmını kalın bir havluya vurun.
   4. Sistemi en az 24 saat vakum altında tutun. Vakumu kapatarak ve basınçta kaldığından emin olarak sızıntı olup olmadığını kontrol edin. Sistem eşitlendikçe yavaş yavaş basınç kaybedeceğinden, vakumu basınca getirmek için vakum pompasını düzenli aralıklarla açın.
   5. 24 saat sonra, boruyu akrilik üstten çıkarın ve tüm tansiyometreleri akrilik tutuculardan çıkarın. Kısa ve uzun tansiyometreleri, gazı alınmış deiyonize su dolu ayrı beherlere yerleştirin.

3. Kampanya başlatma

1. Sensör ünitelerinin hazırlanması
   1. Sensör ünitesi aksamını sistem bağlantı kablolarına takın.
   2. Bağlı sensör ünitesinin altına havlu gibi emici bir malzeme yerleştirin ve metal klipsleri serbest bırakarak akrilik üst kısmı çıkarın.
   3. Çoklu sensör kurulumu için her sensör ünitesi düzeneği için Adım 3.1.1 ve 3.1.2'yi tekrarlayın veya tek sensör kurulumu için 3.A.iv'e devam edin.
   4. Programı açmak için veri ölçüm yazılımına tıklayın ve Cihazları Göster simgesine tıklayın.
   5. Bağlı tüm sensör birimlerinin yazılımın kenar çubuğunda göründüğünden emin olun.
2. Tansiyometre kurulumu
   1. Kullanıcı arayüzünü açmak için yazılımın üst kısmındaki Yeniden Doldurma Sihirbazı simgesine tıklayın. Açılır menüden uygun sensör ünitesine gidin.
      NOT: İlk okumaları 0 hPa (± 5 hPa) ise dönüştürücüler iyi çalışır durumdadır.
   2. Beherden bir tansiyometre seçin. Şaftta görünür hava kabarcığı olmadığından ve dışbükey bir menisküste tansiyometre şaftının üstünde su oluştuğundan emin olun. Dışbükey menisküs yoksa, tansiyometrenin üstüne bir şırınga ile daha fazla gazı alınmış deiyonize su ekleyin.
   3. Tansiyometredeki siyah O-ringi dişlerin ortasına getirin.
   4. Dışbükey menisküsü sağlam tutarken tansiyometreyi sensör ünitesinde bulunan durgun suya ters çevirin.
   5. Kısa tansiyometreyi kısa bir çizgi ile gösterilen tansiyometre portuna takın. Uzun tansiyometreyi uzun bir çizgi ile gösterilen tansiyometre portuna takın.
   6. Akım Okumaları sekmesindeki basınç okumalarını izlerken tansiyometreyi tansiyometre portuna dikkatlice vidalayın. Tansiyometrenin yarısından sonuna kadar bir tur atarak sıkı bir sızdırmazlık elde edin.
      NOT: Tansiometre bağlantı noktasına takıldıktan sonra, tansiyometre okumalarının 0 hPa (± 5 hPa) olduğundan emin olun.
   7. Diğer tansiyometreler takılırken ucun kurumasını önlemek için tansiyometrenin üstüne gazı alınmış deiyonize su ile doldurulmuş bir silikon ampul yerleştirin.
   8. Kampanyada kullanılan her tansiyometre ve sensör birimi için 3.2.1 ila 3.2.7 arasındaki adımları tekrarlayın.
3. Sensör ünitelerine numune yerleştirme
   1. Doymuş bir numuneyi ve karşılık gelen doygunluk plakasını gazı alınmış deiyonize su kabından çıkarın ve bunları bir çalışma yüzeyine yerleştirin.
   2. Burgu kılavuzunu s'nin üzerine yerleştirin.amphalka.
   3. Tansiyometre mili helezonunu burgu kılavuzunun deliğine yerleştirin ve kiri çıkarmak için tansiyometre mili helezonunu tam bir dönüşte çevirin. İkinci delik için tekrarlayın.
      NOT: Tansiyometrenin yüksekliğine karşılık geldiği için her bir deliğin toprak numunesinde yaptığı derinliği takip edin.
   4. Burgu kılavuzunu çıkarın ve toprak numunesinin deliğe çökmediğinden emin olun.
   5. Her tansiyometredeki silikon ampulleri çıkarın ve silikon diski sensör ünitesinin üzerine yerleştirin.
      NOT: Silikon diskin altında hava sıkışmadığından ve sıcaklık sensörünün üzerinin kapatılmadığından emin olun.
   6. Numune çekirdeğindeki delikleri sensör ünitesindeki karşılık gelen tansiyometre yüksekliği ile hizalayın.
   7. Numune çekirdeğini ters çevirin ve numuneyi tansiyometrelere takarak sensör ünitesinin üzerine yerleştirin.
   8. Kahve filtresini ve doygunluk plakasını çıkarın. Toprak çekirdeğini, sensör ünitesinin yan tarafında bulunan metal tokalarla sabitleyin.
   9. Örneklerin her biri için 3.3.1 ila 3.3.8 arasındaki adımları tekrarlayın.
4. Sistem kampanyası başlatma
   1. Her bir sensör ünitesi kurulduktan sonra, s'yi girinampsensör ünitesi seri numaralarının her birine karşılık gelecek şekilde metal çekirdek üzerinde bulunan tanımlama. Alan kampanyası için benzersiz bir ad girin, dosyanın konumunu kaydetmek için Gözat'ı tıklayın.
   2. Başlat'a tıklayın.
   3. İki tansiometre okuması tamamlandıktan sonra ilk ağırlık okumasını yapın. İlk olarak, bağlantı kablosunu sensör ünitesinden çıkarın, yazılımda bir iletişim kutusunun görünmesini bekleyin ve ağırlık ölçeğine yerleştirin. Yazılım ağırlık ölçümünün alındığını gösterdiğinde sensör ünitesini çıkarın ve tekrar bağlantı kablosuna takın. Tüm sensör üniteleri için tekrarlayın.
   4. Ölçümden sonraki ilk 2 gün boyunca numuneleri günde 3 kez, ardından kampanyanın geri kalanında düzenli aralıklarla günde 2 kez tartın

4. Sistem kampanyasının sonlandırılması

1. Yazılım sonlandırma
   1. Numune hava giriş noktasına ulaştığında her sensör ünitesi için son bir ağırlık ölçümü yapın.
   2. Durdur'a tıklayın ve bağlantı kablosunu her bir sensör ünitesinden çıkarın.
2. Kampanya sökme
   1. Numune çekirdeğini sensör ünitesinden çıkarın. Tüm toprak malzemesini bir kaba koyun ve toprak örneğini fırında kurutun.
      NOT: İnce dokulu topraklarla çalışıyorsanız, her bir toprak örneğini sensör ünitesinden çıkarmadan önce bir saat içinde ıslatın.
   2. Silikon diski çıkarın ve gerekirse sensör ünitesinin üst kısmını ıslak bir havluyla temizleyin.
   3. Her bir tansiyometreyi yuvalardan dikkatlice çıkarın. Tansiyometrelerin uçlarını yumuşak kıllı bir diş fırçası ve kirliyse su ile temizleyin.
   4. Üniteyi ters çevirerek ve bir güvenlik yıkama şişesinden su püskürterek sensör ünitesi yüzeyini temizleyin.
   5. Sensör ünitesini ters çevirerek ve porta bir şırınga ile su püskürterek tansiyometre mili portunu temizleyin.

5. Veri analizi

1. Her numunenin kuru toprak ağırlığını ve karşılık gelen metal çekirdeği elde edin.
2. Programı açmak için veri analiz yazılımına tıklayın ve yazılımdaki verileri açmak için örnek bir dosyaya tıklayın. Metal çekirdeğin ağırlığını Bilgi sekmesinin Parametre bölümüne girin.
3. Ölçümler sekmesine tıklayın | Arama havası giriş noktası. Kavitasyon noktasına ince ayar yapmak için, tansiyometre veri aralığındaki başlangıç ve bitiş noktalarının noktalı çizgilerini hareket ettirin. Yazılım için belirtilmesi gerekiyorsa, hava giriş noktaları için de aynısını yapın.
4. Değerlendirme sekmesine tıklayın ve Su içeriğinin hesaplanması altında, Kuru toprak ağırlığından (g) seçeneğinin belirlendiğinden emin olun. Kurumuş toprağın ağırlığını girin.
5. Montaj sekmesine tıklayın | Verilere en uygun modeli uygulayın.
6. Dışa Aktar sekmesine tıklayın, bir dosya yolu seçin ve dosyanın .xlxs biçiminde dışa aktarıldığından emin olun.
7. Her toprak numunesi için 5.1 ila 5.7 arasındaki adımları tekrarlayın.

Sonuçlar

Yukarıdaki protokolü izleyerek uygun bir ölçüm kampanyasını tamamladıktan sonra, deneyin veri çıktısını analiz yazılımında görüntülemek mümkün olacaktır. Çıktı eğrileri, zaman içinde (t) su gerilimini (hPa) ölçen tansiyometre okumalarından kaynaklanır ve bu verilerin ilk eğrisi, kampanyanın sona ermesinden hemen sonra oluşturulur. Optimal ve suboptimal sonuçları göstermek için iki toprak örneğinin seçilmiş gerilme eğrileri örnekleri incelenebil...

Tartışmalar

Burada açıklanan yöntemi kullanan basit buharlaşma deneyi yaklaşımı, SWRC ve hidrolik iletkenlik eğrilerini geliştirmek için etkili bir araçtır. Veri ölçümünün basitliği ve doğruluğu, onu daha geleneksel yöntemlere uygun bir alternatif haline getirir¹⁴. Burada açıklanan yöntem, bu karmaşık aletin daha ince noktalarını sentezlemek ve genişletmek için kullanım kılavuzunun ve mevcut literatürün ötesine geçmektedir. Yüksek kaliteli...

Malzemeler

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