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Labor- oder Feldinstrumente: Warum sind beide wichtig?

Labor- oder Feldinstrumente: Warum sind beide wichtig?

Ganz egal, ob Sie die hydrologischen Eigenschaften eines Bodens im Labor oder auf dem Feld messen, Sie werden immer nur eine Seite der Medaille sehen. Laborsysteme sind aufgrund der konstanten und kontrollierbaren Bedingungen sehr präzise. Sie berücksichtigen jedoch nicht das gesamte System und Standortvariablen wie Wurzeln, Risse oder Wurmlöcher, die die Bodenhydrologie beeinflussen. Dazu kommen mögliche Fehler bei der Probenahme womit Eigenschaften des Bodens verfälscht werden können.

Feldexperimente helfen Forschern, die Variabilität und Echtzeitbedingungen zu verstehen. In-situ werden sie jedoch mit anderen Problemen konfrontiert. Das Feld ist ein unkontrolliertes System. Wasser bewegt sich durch Verdunstung, Pflanzenaufnahme, Kapillaranstieg oder Tiefenentwässerung durch das Bodenprofil und erfordert viele Messungen in verschiedenen Tiefen und Positionen. Feldforscher müssen sich auch mit der Unvorhersehbarkeit des Wetters auseinandersetzen. Niederschlag kann dazu führen, dass ein Feldtrocknungsversuch einen ganzen Sommer dauert, während der Versuch im Labor nach einer Woche Ergebnisse liefert.

LabMeasurementField
PARIOSoil texture
HYPROPWater potential (wet range)Tensiometers (T8, T4)
WP4CWater potential (dry range)TEROS 21
HYPROP, and oven drying methodWater contentVolumetric water content sensors
KSATSaturated hydraulic conductivitySATURO (field saturated)
HYPROPUnsaturated hydraulic conductivityMini disk infiltrometer
Table 1. METER lab and field Instruments with their corresponding measurements

The big picture—extragroß

Forscher, die sowohl im Labor als auch im Feld messen, steigern ihr Wissen darüber, was im Bodenprofil passiert, exponentiell. Verwendet ein Forscher im Labor den PARIO Bodentexturanalysator, erhält er exakte Daten zur Partikelgrößenverteilung und der Textur des Bodens. Die Daten können dann mit einer von HYPROP erzeugten pF-Kurve und ungesättigter Leitfähigkeitsfunktion kombiniert werden, um die hydraulischen Eigenschaften dieses Bodentyps zu verstehen. Fügt man dann Felddaten von hoher Qualität hinzu, wird das große, ganze Bild des Bodens sichtbar.

In der Tabelle sehen Sie die Untersuchung einer Labor- vs. Feld-Instrumentierung. Sie erkennen, wie diese für ein besseres Verständnis kombiniert werden können.

 StrengthsLimitations
Lab Instrumentation
  • Controlled conditions

  • Run samples directly

  • Automated and relatively fast analysis

  • Defined procedure

  • Accuracy
  • Doesn’t take into account field conditions

  • Complicated setup with some systems
Field Instrumentation
  • Understand variability and real time field conditions

  • Easy installation and setup

  • Automated measurements

  • Cellular technology enables near real-time soil sensor data collection from the office
  • Variability requires more measurements

  • More data to analyze

  • Uncontrolled conditions

  • Unpredictable weather can cause delays and damage unprotected equipment

  • Poor installation can cause inaccuracy
Table 2. Lab and field instrument strengths and limitations

Warum die Partikelgrößenverteilung wichtig ist.

Die Bestimmung der Bodenart und eine Partikelgrößenanalyse sind die ersten Geheimnisse, die Bodenforschern offenbart werden und das Tor zu vielen weiteren Bodeneigenschaften. Zunächst sollte jeder Forscher den Bodentyp identifizieren, um seine Daten vergleichen zu können. Ein Verständnis des Bodentyps ist außerdem wichtig, um Annahmen über den Zustand des Bodenwassers aufgrund des Wassergehalts zu machen und Vorhersagen zum pflanzenverfügbaren Wasser zu treffen. Darüber hinaus beeinflussen unterschiedliche Bodentypen die Sensorwahl, Wiederholungen und die Platzierung der Sensoren.

Die Partikelgrößenanalyse definiert den Prozentsatz von groben bis feinen Materialien, aus denen der Boden besteht. Damit kann man beispielsweise abschätzen, wie stark der Boden Wasser hält. Die Partikelgrößenanalyse geht jedoch weit über die einfache Definition des Bodentyps hinaus. Sie ist vielmehr ein Boden-Fingerabdruck, der die einzigartige Verteilung der Bodenpartikel über die Sand-, Schluff- und Tonfraktionen darstellt. Diese Informationen helfen einem geotechnischen Ingenieur zu verstehen, wie sich ein schwellender Boden im Laufe der Zeit verhält. Zudem beeinflusst sie immer auch Bewässerungsentscheidungen. Die Verteilung der Partikelgröße gibt Aufschluss darüber, wie sich der Boden gebildet hat und wie er die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit beeinflusst: Je grober das Material ist, desto leichter wird sich Wasser bewegen.

In der Vergangenheit identifizierten die Forscher die Bodentextur mit eher groben Methoden wie dem Bandtest, der Pipettenmethode oder der zeitaufwändigen Hydrometertechnik. PARIO automatisiert nun den Prozess der Bodentexturanalyse, spart Zeit und erhöht signifikant die Genauigkeit. PARIO bietet Ihnen eine vollständige Analyse der Partikelgrößenverteilung, einschließlich einer Aufschlüsselung des Anteils von Feinschluff, Mittelschluff, Ton und Sand. Nach der Analyse berechnet die Software automatisch den Standort auf dem USDA-Bodentexturdreieck, um den Bodentyp genau zu identifizieren.

In der Forschung sollten Messungen mit PARIO der erste Schritt sein, um den Boden zu verstehen. Anhand dessen kann effektiv entschieden werden, welche weiteren Parameter gemessen werden sollen und welche Labor- oder Feldinstrumentierung für die entsprechenden Forschungsziele am effektivsten sind.

PARTIKELGRÖSSEN. GANZ AUTOMATISCH ANALISIERT.

Verlassen Sie sich auf eine unbeaufsichtigte, automatische Analyse mit PARIO. Einfach aufstellen und zu einer fertigen Messung zurückkehren.

Die Autobiographie eines jeden Bodens: seine pF-Kurve

Jeder Bodentyp hat eine andere pF-kurve (oder Retentionsfunktion). Forscher verwenden die Kurve zur Bestimmung der Feuchtigkeit und verstehen so, wie Böden und Pflanzen reagieren, wenn sich die Feuchtigkeit in einem bestimmten Boden im Laufe der Zeit ändert. Die pF-Kurve beschreibt, wie sich die Wassermenge (Wassergehalt) im Vergleich zu dem Porenwasserdruck (Matrixpotenzial) ändert.

Abbildung 1. Bodenfeutigkeits-Freisetzungskurve (oder Bodenwasserrkennlinie)

Mithilfe von pF-kurven sagen Forscher voraus, ob und wohin sich Bodenwasser bewegt. Sie zeigt außerdem, wie viel Wasser Pflanzen bei welcher Saugkraft zur Verfügung steht. Zum Beispiel wird sich der Wassergehalt in einem Sandboden nahe der Sättigung im Laufe der Zeit schnell ändern, während das Wasserpotential nur geringfügig abnehmen wird. Dies liegt daran, dass die großen Poren und die geringe Oberfläche des Sandes das Wasser nicht festhalten – dadurch ist es besser verfügbar. Umgekehrt ändert sich in einem Tonboden nahe der Sättigung die Wassermenge langsamer, während sich das Wasserpotential relativ schnell ändert. Ganz einfach, weil die größere Oberfläche des Tons und seine kleineren Poren das Wasser fester halten und schlechter für Pflanzen verfügbar sind. Eine pF-Kurve veranschaulicht den Zusammenhang zwischen Wassergehalt und Wasserpotenzial und zeigt Forschern, wie sich der Boden in jedem Feuchtezustand verhält.

Erfahren Sie mehr darüber, warum und wie Sie eine pF-kurve erstellen—>

HYPROP – Ihr Experte für pF-kurven

Im Labor ist es am einfachsten, eine pF-Kurve zu erstellen. HYPROP erstellt anhand der Wind/Schindler-Verdunstungsmethode pF-Kurven mit Wasserpotentialen im Tensiometerbereich – also dem Bereich mit den meisten Wasserbewegungen. Mit zwei Präzisions-Tensiometern werden automatisch über 100 Datenpunkte im Bereich von 0 bis -100 kPa erzeugt. Die Erstellung der Kurve dauert drei bis fünf Tage – das Instrument arbeitet währenddessen völlig unbeaufsichtigt. Der Messbereich ist durch die Tensiometer-Range begrenzt. Ein weiterer Stützpunkt ist der Lufteintrittspunkt bei 8,8 bar. HYPROP kann zusätzlich mit dem WP4C kombiniert werden, um weitere Meßpunkte bei z.B. -15 bar zu erzeugen. Schließlich wird mit der Software HYPROP-FIT die Messkurve über den gesamten Bereich naß bis trocken erzeugt.

Kombinieren Sie HYPROP mit WP4C für eine vollständige pF-Kurve

Das WP4C ist ein Laborgerät mit dem das Wasserpotenzial im Trockenbereich gemessen werden kann. Hierfür bestimmt das WP4C die relative Feuchtigkeit der Luft über einer Probe in einer geschlossenen Kammer. Sobald die Probe mit dem Dampf in der abgedichteten Kammer im Gleichgewicht ist, bestimmt das WP4C die relative Feuchtigkeit unter Verwendung der Taupunktspiegel-Methode. Bei dieser Methode wird ein kleiner Spiegel in der Kammer gekühlt, bis sich Tau bildet. Beim Taupunkt misst das WP4C sowohl die Spiegel- als auch die Probentemperatur mit einer Genauigkeit von 0,001 ° C. Dies ermöglicht dem WP4C, Wasserpotentialmessungen mit beispielloser Genauigkeit im Bereich von -0,05 MPa bis -300 MPa zu liefern.

Wird das WP4C zusammen mit dem HYPROP verwendet, kann eine vollständige Bodenfeuchtigkeits-Freisetzungskurve über den gesamten Feuchtigkeitsbereich im Boden erzeugt werden. Kombiniert mit Informationen aus einer PARIO Messung sind diese Instrumente ein leistungsfähiges Werkzeug, um die hydraulischen Eigenschaften des Bodens zu verstehen.

Erfahren Sie, wie Sie den HYPROP und WP4C für eine vollständige pF-Kurve kombinieren —>

pF-Kurven im Feld erstellen? Auch das ist möglich!

Mit HYPROP und WP4C erstellen Sie schnelle und genaue Bodenfeuchtigkeits-Freisetzungskurven (SWCCs) im Labor. Labormessungen haben jedoch einige Einschränkungen: Der Probendurchsatz begrenzt die Anzahl der produzierbaren Kurven, im Labor erzeugte Kurven repräsentieren zudem nicht das Verhalten des Bodens vor Ort. Kombiniert man Labormessungen mit Messungen im Feld, erhält man einen besseren und realistischeren Einblick. Hierfür müssen Matrix-Potentialsensoren und Wassergehaltsensoren im Feld installiert werden. Da in erster Linie ungesättigte Böden untersucht werden, ist die Kombination von Labor- und Feldmessungen für Geotechniker ideal.

Eine kürzlich veröffentlichte Arbeit von Campbell et al. (2018) mit dem Titel “Comparing in situ soil water characteristic curves to those generated in the lab”, auf der Pan American Conference of Unsautered Soils zeigt, wie gut sich vor Ort generierte Feuchtigkeitskurven mit im Labor erzeugten Kurven kombinieren und vergleichen lassen. Für die im Feld erzeugten Kurven wurden ein kalibrierter TEROS 21  Matrixpotentialsensor und ein GS3 Wassergehaltsensor verwendet. Einige Punkte müssen jedoch bedacht werden: In strukturierten Böden verursachte das Entfernen von lebenden Wurzeln eine Divergenz, sobald der Boden trockener wurde. Intakte Proben sind gegenüber gestörten Bodenproben immer realistischer. In feineren strukturierten Böden war ein Vergleich besser – aber auch dieser wurde durch gestörte Laborproben beeinträchtigt. Die Daten legen also nahe, dass vor Ort installierte Sensoren eine wichtige Ergänzung zu Labormessungen sind. Eine breitere Anzahl an Kurven und ein besseres Verständnis ungesättigter Böden sind das Ergebnis.

Die Mischung macht’s!

Ähnlich wie die Messungen von Bodenwasserkurven im Labor und im Feld kann auch die gesättigte und ungesättigte Leitfähigkeit vor Ort und im Labor gemessen werden, um ein besseres Verständnis für die hydraulischen Eigenschaften eines Bodens zu bekommen.

Der Vergleich dieser Messungen in verschiedenen Tiefen und an unterschiedlichen Standorten verbessert das Verständnis für die einzelnen Bodenhorizonte und liefert verlässliche Langzeit-Infiltrationsdaten. Forscher können sich dadurch die Frage beantworten, wie sich ein Wasser-Abfluss-Model ändert, wenn der Boden gesättigt wird.

Wissenschaftler können mit Feldinstrumenten bestimmen, wie das Wasser in den Boden fließt. Mit Laborinstrumenten identifizieren sie zusätzlich den am stärksten begrenzenden Horizont. Solch ein Horizont könnte ein sandiger Lehm sein. PARIO und HYPROP können hier zeigen, dass eine tiefere Schicht einen höheren Tongehalt mit niedrigerer hydraulischer Leitfähigkeit aufweist. Die Kombination von Labor- und Feldmessungen zeigt, welcher Horizont bei feuchteren Wetterperioden eine geringere Durchlässigkeit aufweist.

Feldgesättigte hydraulische Leitfähigkeitsdaten von SATURO können mit KSAT Labormessungen erweitert werden. Ungesättigte hydraulische Leitfähigkeiten aus Feldmessungen, die mit dem Mini Disk Infiltrometer erzeugt werden, werden besser verstanden, wenn ein Forscher sie mit ungesättigten hydraulischen Leitfähigkeitsdaten aus dem Labor kombiniert, die mit HYPROP gemessen wurden. HYPROP verwendet die gleichen Tensiometer, um Feuchtigkeitskurven zu erzeugen, um automatisch die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit zu messen und daraufhin die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit zu modellieren. Labor- und Feldmessungen werden aufgrund der realen Variabilität in der Regel nicht übereinstimmen, die gemeinsame Analyse der Informationen bietet jedoch einen besseren Einblick.

Erfahren Sie mehr über die Kombination der hydraulischen Leitfähigkeit mit anderen Messungen.—>

Welche Aussagen lassen sich mit der hydraulischen Leitfähigkeit treffen.

Um eine vollständige Kurve der hydraulischen Leitfähigkeit zu generieren, können KSAT und HYPROP kombiniert werden (siehe Abbildung 2). Eine hydraulische Leitfähigkeitskurve zeigt Ihnen bei einem gegebenen Wasserpotential die Fähigkeit des Bodens, Wasser zu leiten. Die Kurven werden verwendet, um zu zeigen, was mit dem Wasser passiert, dass sich in einem Boden bei schwankenden Feuchtigkeitsbedingungen bewegt.

Abbildung 2.  Hydraulische Leitfähigkeitskurven für drei verschiedene Bodentypen. Die Kurven veranschaulichen die Wichtigkeit der Struktur für die hydraulische Leitfähigkeit, insbesondere bei oder nahe der Sättigung.

Eine Daten-Symphonie dank mehrere Instrumente.

Die Messung von nur einem Parameter, wie dem Wassergehalt, gibt Forschern einen Ausgangspunkt für das Verständnis eines Bodens. Sie wissen aber nicht, was der Wasseranteil genau bedeutet, ohne andere Informationen wie Bodentyp, Wasserpotenzial oder hydraulische Leitfähigkeit zu kennen. Für einen tieferen Einblick können Forscher Partikelgrößenverteilung, hydraulische Leitfähigkeits- und Feuchtigkeitsfreisetzungskurven bestimmen. So lassen sich auch obskure Probleme wie die doppelte Porosität-Feuchtigkeitsfreisetzungskurve in einem erdlosen Substrat beschreiben. Labor- und Feldinstrumente zusammen verwendet, liefern eine Symphonie an Daten für besseres Verständnis und Entscheidungen. Und Sie sind der Dirigent!