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Wie misst man das Wasserpotential?

Wie misst man das Wasserpotential?

Wie misst man das Wasserpotential?

Im Wesentlichen gibt es nur zwei Primärmessverfahren für das Wasserpotential: Tensiometer- und Dampfdruckmethode.

1) Tensiometer arbeiten dabei im Nassbereich: spezielle Tensiometer, die den Siedepunkt von Wasser verzögern, haben einen Bereich von 0 bis etwa -0,2 MPa.

2) Die Dampfdruckverfahren arbeiten im Trockenbereich – von etwa -0,1 MPa bis -300 MPa (0,1 MPa beträgt 99,93% RH; -300 MPa sind 11%).

Früher haben sich diese Bereiche nicht überlappt. Die jüngsten Fortschritte in der Tensiometer- und Temperatur-Sensorik erlauben es erfahrenen Benutzern mitintelligenten Methoden und ausgezeichneten Messgeräten den gesamten Wasserpotentialbereich im Labor zu messen.

Es gibt dennoch Gründe, auch sekundäre Messmethoden in Erwägung zu ziehen. Das Dampfdruckverfahren ist in situ nicht sinnvoll. Und die Präzision eines Tensiometers lässt sich nur durch eine regelmäßige Wartung erreichen (obwohl ein automatisch befüllbares Tensiometers verfügbar ist). Zusätzlich gibt es tradierte Methoden wie Gipsblöcke, Druckplatten und Filterpapier-Methode, die man als Forscher kennen sollte. Im Folgenden gehen wir auf die Vorteile und Nachteile der einzelnen Methoden ein.

Index

Druckplatten
Dampfdruckverfahren
Tensiometer und die Wind/Schindler-Technik
Tensiometer
Sekundäre Methoden: Aktivierung der Feuchtigkeitscharakteristik
Matrixpotentialsensoren
Filterpapier-Methode
Gipsblöcke: billig und einfach
Körnige Matrix-Sensoren: einfach und günstig, aber begrenzt genau
Keramik-SensorenCeramic-based sensors

 

Druckplatten

Die Druckplatte wurde in den 1930er Jahren von L.A. Richards eingeführt. Mit dieser Methode misst man nicht das aktuelle Wasserpotential einer Probe. Vielmehr bringt die Methode die Probe auf ein bestimmtes Wasserpotential, indem sie Druck auf die Probe ausübt und das überschüssige Wasser durch eine poröse Keramikplatte abfließen lässt. Kommt die Probe ins Geleichgewicht, ist Ihr Wasserpotential identisch mit dem angewandten Druck.

Druckplatten werden gewöhnlich verwendet, um Bodenfeuchtekennlinien zu generieren. Sobald die Bodenprobe ein bestimmtes Wasserpotential unter Druck erreicht, kann die Probe von der Platte entfernt und getrocknet werden, um dann den Wassergehalt zu messen. Eine Bodenfeuchtecharakteristik kann darauf basierend erstellt werden und die Messungen bei unterschiedlichen Drücken in der Druckplattenvorrichtung durchgeführt werden.

Die Genauigkeit der Druckplatten ist wichtig, da sie häufig zur Kalibrierung anderer sekundärer Messmethoden verwendet werden.

Druckplatten haben Gleichgewichtsprobleme

Um eine genaue Feuchtigkeitsabgabe-Kurve mit einer Druckplatte herzustellen, muss man sicherstellen, dass die Probe bei dem vorgesehenen Druck vollständig ins Gleichgewicht gekommen ist. Mehrere Gutachter, darunter Gee et. Al (2002), Cresswell et. Al (2008) und Bittelli und Flury (2009) haben Probleme bei dieser Methode festgestellt.

Durch folgende Faktoren können – besonders bei niedrigen Wasserpotentialen – Fehler entstehen:
• verstopfte Poren in der Keramik der Druckplatte
• Durchflussbegrenzung innerhalb der Probe
• Verlust des hydraulischen Kontakts zwischen Platte und Boden durch Bodenschrumpfung
• Wiederaufnahme von Wasser, wenn der Druck auf die Platte aufgehoben wird.

Bei niedrigen Wasserpotentialen kann es Wochen oder Monate dauern, bis die hydraulische Leitfähigkeit ins Gleichgewicht kommt. Gee et. Al (2002) hat die Wasserpotentiale von Proben untersucht, die 9 Tage auf 15 bar ausgewogen wurden und hat einen Druck von -0,5 MPa anstelle der erwarteten -1,5 MPa gemessen. Insbesondere bei der Konstruktion einer Feuchtigkeitsfreisetzungskurve zur Abschätzung der hydraulischen Leitfähigkeit und zur Ermittlung des pflanzenbedingten Wassers können Druckplattenmessungen bei Potentialen unter -0,1 MPa (-1 bar) einen erheblichen Fehler verursachen (Bittelli und Flury, 2009).

Darüber hinaus stellen Baker und Frydman (2009) fest, dass sich die Bodenmatrix unter einem Druck anders verhalten würde, als es unter einer Absaugung der Fall ist. Sie stellten fest, dass der Gleichgewichtswassergehalt, der durch Absaugen erreicht wird, signifikant unterschiedlich ist zu dem, der unter natürlichen Bedingungen auftritt. Einzelberichte scheinen diesen Ansatz zu unterstützen, dennoch sind weitere Versuche notwendig. Druckplatten können für einige Anwendungen im Nassbereich (0 bis -0,5 MPa) eine ausreichende Genauigkeit liefern. Andere Verfahren liefern jedoch eine höhere Präzision, was besonders wichtig ist, wenn die Daten für die Modellierung oder Kalibrierung verwendet werden.

Dampfdruckverfahren

Das WP4C Taupunkt-Potentiameter der METER Group ist eines der wenigen handelsüblichen Messgeräte, die das Dampfdruckverfahren nutzen, um das Wasserpotential zu bestimmen. Wie bei herkömmlichen Thermoelement-Messgeräten gleicht der WP4C eine Probe in einer versiegelten Kammer aus.

Ein kleiner Spiegel wird in der Kammer gekühlt, bis sich Tau darauf bildet. Am Taupunkt misst der WP4C sowohl die Spiegel- als auch die Probentemperatur mit einer Genauigkeit von 0,001 °C und bestimmt die relative Feuchtigkeit des Dampfes oberhalb der Probe.

Vorteile

Das WP4C Taupunkt-Hygrometer hat eine extrem hohe Genauigkeit von ± 1%, von -5 bis -300 MPa. Die meisten Probenarten können in fünf bis zehn Minuten analysiert werden, nasse Proben dauern etwas länger. In jedem Fall lässt sich das Potentiameter einfach bedienen.

Einschränkungen

Bei hohen Wasserpotentialen werden die Temperaturunterschiede zwischen dem gesättigten Dampfdruck und dem Dampfdruck innerhalb der Probenkammer verschwindend klein.

Einschränkungen bei der Temperaturmessung bedeuten, dass Dampfdruckverfahren wahrscheinlich niemals von Tensiometern ersetzt werden können.

Der Taupunkt-Potentiameter hat eine Reichweite von -0,1 bis -300 MPa, obwohl Messungen über -0,1 MPa mit speziellen Techniken erfolgen können. Tensiometer bleiben die beste Option für Messwerte im Bereich von 0 bis -0,1 MPa.

Tensiometer und die Wind/Schindler-Methode

Der HYPROP ist ein einzigartiges Laborinstrument, das die Wind/Schindler-Verdampfungsmethode verwendet, um Feuchtigkeitsabgabekurven auf Böden mit Wasserpotentialen im Tensiometer-Bereich zu generieren

HYPROP wurde dafür mit Präzisions-Mini-Tensiometer ausgestattet, die das Wasserpotential auf verschiedenen Ebenen innerhalb einer gesättigten 250 cm3 Bodenprobe messen – die Probe liegt währenddessen auf einer Laborwaage. Im Laufe der Zeit trocknet die Probe und das Instrument misst das wechselnde Wasserpotential und das sich ändernde Probengewicht gleichzeitig. Es berechnet den Feuchtigkeitsgehalt aus den Gewichtsmessungen und zeichnet Änderungen des Wasserpotentials auf, die mit den Änderungen des Feuchtigkeitsgehalts korrelieren.

Die Ergebnisse werden verifiziert und die Werte für den Trockenbereich und die Sättigung nach einem auswählbaren Modell berechnet (z.B. van Genuchten / Mualem, Bimodal van Genuchten / Mualem oder Brooks und Corey).

Vorteile

Das HYPROP Tensiometer hat eine hohe Genauigkeit und erzeugt eine vollständige Feuchtigkeitsabgabekurve im Nassbereich. Die Messung dauert drei bis fünf Tage, das Messgerät muss dabei nicht beaufsichtigt werden.

Einschränkungen

Die HYPROP Baureihe ist durch den Tensiometer-Bereich begrenzt, obwohl die Mini-Tensiometer aufgrund ihrer Siedeverzögerungsfunktion über -250 kPa (-0,25 MPa) hinaus messen würden.

Unterhalb von -250 kPa kommt es zur Kavitation. Benutzer haben dadurch die Möglichkeit, einen Endpunkt für die Kurve am Lufteintrittspunkt für die Tensiometer-Keramik (-880 kPa; -0,88 MPa) hinzuzufügen.

Tensiometer

Wasserpotential ist laut Definition ein Maß für den Unterschied in der potentiellen Energie zwischen dem Wasser in einer Probe und dem Wasser in einem Referenzbecken. Das Tensiometer verwirklicht diese Definition.

Die Tensiometer-Keramik enthält eine definierte Menge von (theoretisch) reinem, freiem Wasser. Dieses Reservoir ist (durch eine durchlässige Membran) mit einer Bodenprobe verbunden. Dank des zweiten Gesetzes der Thermodynamik bewegt sich das Wasser vom Reservoir zum Boden, bis seine Energie auf beiden Seiten der Membran gleich ist. Das schafft ein Vakuum in der Röhre. Das Tensiometer verwendet ein Unterdruckmessgerät (ein Vakuummeter), um das Vakuum zu messen und beschreibt das Wasserpotential in Bezug auf den Druck.

Vorteile

Tensiometer sind wahrscheinlich die älteste Art, das wasserpotential zu messen. Erste Konzepte gab es laut Livingsten bereits 1908. Trotz ihres Älter können Tensiometer auch heute noch sehr nützlich sein. Im Nassbereich kann ein hochwertiges Tensiometer exzellente Genauigkeit liefern.

T4 | Robust Field Tensiometer | METER
Einschränkungen

Der Messbereich des Tensiometers wird durch die Fähigkeit des Wasser begrenzt, dem Vakuum im Innern der Tensiometer-Keramik zu widerstehen. Obwohl Wasser im Wesentlichen inkompressibel ist, sorgen Diskontinuitäten in der Wasseroberfläche für Keimbildungspunkte genau dort, wo die starken Bindungen des Wassers unterbrochen werden und Kavitation auftritt. Bei den meisten Tensiometer tritt die Kavitation ungefähr bei -80 kPa, direkt in der Mitte des pflanzenverfügbaren Bereichs.

Die METER Group entwickelt in Deutschland Tensiometer, die bereits heute moderne Klassiker sind. Deutsche Ingenieurskunst, eine sorgfältigen Konstruktion und eine extreme Liebe zum Detail sorgen bei diesen Tensiometern für eine überragende Genauigkeit und einen breiten Messbereich, der bis zu -250 kPa reichen kann.

Sekundäre Methoden: Aktivierung der Feuchtigkeitscharakteristik

Der Wassergehalt ist leichter zu messen als das Wasserpotential. Da die beiden Werte miteinander korrelieren ist es möglich, über die Messung des Wassergehalts auch das wasserpotential zu bestimmen.

Ein Diagramm, das zeigt, wie sich das Wasserpotential ändert, wenn Wasser in einer spezifischen Bodenmatrix adsorbiert und von dieser resorbiert wird, wird Feuchtigkeitskennlinie oder Feuchtigkeitsfreisetzungskurve genannt.

Abbildung 1Soil moisture release curve

Jede Matrix, die Wasser halten kann, hat eine einzigartige Feuchtigkeitscharakteristik, so einzigartig und unverwechselbar wie ein Fingerabdruck. In Böden haben auch kleine Unterschiede in der Zusammensetzung und Textur einen signifikanten Einfluss auf die Feuchtigkeitscharakteristik.

Einige Forscher entwickeln eine Feuchtigkeitscharakteristik für einen bestimmten Boden-Typ und verwenden diese Eigenschaft, um das Wasserpotential aus einer Wassergehalts-Messungen zu bestimmen. Matrixpotentialsensoren nutzen dagegen das zweite Gesetz der Thermodynamik um zu einem genauen Ergebnis zu gelangen.

Matrixpotentialsensoren

Matrixpotentialsensoren verwenden ein poröses Material mit bekannter Feuchtecharakteristik. Weil alle Energiesysteme zum Gleichgewicht neigen, wird das poröse Material in ein Gleichgewicht mit dem Boden um den Sensor herum, kommen.

Mit der Feuchtigkeitscharakteristik für das poröse Material lässt sich dann der Wassergehalt des porösen Materials messen und das Wasserpotential sowohl des porösen Materials als auch des umgebenden Bodens bestimmen. Matrixpotentialsensoren verwenden eine Vielzahl von porösen Materialien und verschiedene Methoden zur Bestimmung des Wassergehalts.

Die Genauigkeit hängt von individuellen Kalibrierung ab.

Matrix-Potentialsensoren bieten eine gute, allerdings keine ausgezeichnete Genauigkeit. Im schlimmsten Fall sagt die Messmethode nur, dass der Boden feuchter oder trockener wird. Die Genauigkeit des Sensors hängt von der Qualität der für das poröse Material entwickelten Feuchtigkeitskennlinie und der Gleichmäßigkeit des verwendeten Materials ab. Für eine gute Genauigkeit sollte das jeweilige Material mit einer primären Messmethode kalibriert werden. Die Empfindlichkeit dieser Methode hängt davon ab, wie schnell sich der Wassergehalt ändert, wenn sich das Wasserpotential ändert. Die Präzision wird durch die Qualität der Feuchtigkeitsgehaltsmessung bestimmt. Die Genauigkeit kann auch durch die Temperaturempfindlichkeit beeinflusst werden.

Diese Methode beruht auf isothermen Bedingungen, die schwer zu erreichen sind. Unterschiede in der Temperatur zwischen dem Sensor und dem Boden können erhebliche Fehler verursachen.

Limited range

All matric potential sensors are limited by hydraulic conductivity: as the soil gets drier, the porous material takes longer to equilibrate. The change in water content also becomes small and difficult to measure. On the wet end, the sensor’s range is limited by the air-entry potential of the porous material being used.

Filter paper

The filter paper method was developed in the 1930s by soil scientists as an alternative to the methods then available. A specific type of filter paper (Whitman No. 42 Ashless) is used as the porous medium. Samples are equilibrated with the filter paper medium. Samples are equilibrated with the filter paper in a sealed chamber at constant temperature. Gravimetric water content of the filter paper is determined using a drying oven, and the water potential is inferred from the predetermined moisture characteristic curve of the filter paper. Deka et al. (1995) found that at least 6 days were required for full equilibration.

 B

Range

The range of filter paper is commonly accepted to be down to -100 MPa if allowed to equilibrate fully. However, as illustrated, errors from temperature gradients become exceptionally large at water potentials near zero.

This method is inexpensive and simple, but it is not accurate. It requires isothermal conditions, which can be difficult to achieve. Small temperature variations can cause significant errors.

 

Commercially available matric potential sensors

Gypsum blocks: cheap and simple

Gypsum blocks are often used as simple indicators of irrigation events. Gypsum blocks measure the electrical resistance of a block of gypsum as it responds to changes in the surrounding soil. The electrical resistance is proportional to water potential.

Advantages

Gypsum blocks are incredibly cheap and fairly easy to use.

Disadvantages

The readings are temperature-dependent and have very low accuracy. Also, gypsum dissolves over time, especially in saline soils, and loses its calibration properties. Gypsum blocks tell you wet or dry but not much more.

Granular matric sensors: easy and cheap, but limited accuracy

Like Gypsum blocks, granular matric sensors measure electrical resistance in a porous medium. Instead of gypsum, they use granular quartz surrounded by a synthetic membrane and a protective stainless steel mesh.

Advantages

Compared with gypsum blocks, granular matric sensors last longer and work in wetter soil conditions. Performance can be improved by measuring and compensating for temperature variations.

Disadvantages

Measurements are temperature-dependent and have low accuracy. Also, even with good soil-to-sensor contact, granular matric sensors have rewetting problems after they have been equilibrated to very dry conditions because water has a reduced ability to enter the coarse medium of the granular matrix from a fine soil. Range is limited on the wet end by the air entry potential of the matrix. Granular matric sensors can only start measuring water content/potential when the largest pores in the matrix start to drain.  Additionally, these sensors use a gypsum pellet, which dissolves over time, giving poor long-term stability.

Ceramic-based sensors

Ceramic-based sensors use a ceramic disc as the porous medium. The quality of the sensor depends on the specific qualities of the ceramic.

Accuracy is limited by the fact that each disc has a somewhat unique moisture characteristic. Uniformity in the ceramic material yields greater accuracy but significantly limits the range. Custom calibration of each individual sensor improves accuracy dramatically but is time consuming. Recent innovations in calibration technique may offer better commercial calibration options.

Range is limited on the wet end by the air entry potential of the ceramic. Ceramic-based sensors can only start measuring water content/potential when the largest pores in the ceramic start to drain.  On the dry end, range is limited by the total porosity contained in small pores that drain at low water potentials.

Two types:

Heat dissipation sensor

The heat dissipation sensor measures moisture content of the ceramic by measuring its thermal conductivity. Using a ceramic cylinder containing a heater and a thermocouple, it measures baseline temperature, heats for a few seconds, and then measures temperature change. By plotting the change in temperature vs. log time, it determines the moisture content of the ceramic. Moisture content is translated into water potential using the moisture characteristic of the ceramic disc. Note that because the sensor is heated, it must be powered by a system with large power reserves (e.g., Campbell Scientific data logger or equivalent).

Accuracy

Unless it is individually custom-calibrated, the heat dissipation sensor has only moderate accuracy.

Range

On the very dry end, there is a lot of sensitivity in the thermal conductivity curve, which gives heat dissipation sensors extended usefulness in the dry range (-1 to -50 mPa).  On the wet end, the heat dissipation sensor is limited by the air entry potential of the ceramic.

TEROS 21 | Matrix Water Potential | METER

Dielectric matric potential sensor

Dielectric matric potential sensors measure the charge-storing capacity of a ceramic disc to determine its water content. They then use the moisture characteristic of the disc to convert water content to water potential.

Because they use a dielectric technique, the sensors are highly sensitive to small changes in water. Like all ceramic-based sensors, matric potential sensors require custom calibration for good accuracy.

Advantages

Dielectric matric potential sensors are low power and maintenance-free.

Disadvantages

Without calibration, the sensors have an accuracy of just ±40% of the reading. However, a recent, custom-calibrated version of the sensor promises an accuracy of ±10% of the reading.

References

  1. Gee, Glendon W., Anderson L. Ward, Z. F. Zhang, Gaylon S. Campbell, and J. Mathison. “The influence of hydraulic nonequilibrium on pressure plate data.” Vadose Zone Journal 1, no. 1 (2002): 172-178. Article link.
  2. Cresswell, H. P., T. W. Green, and N. J. McKenzie. “The adequacy of pressure plate apparatus for determining soil water retention.” Soil Science Society of America Journal 72, no. 1 (2008): 41-49. Article link.
  3. Bittelli, Marco, and Markus Flury. “Errors in water retention curves determined with pressure plates.” Soil Science Society of America Journal 73, no. 5 (2009): 1453-1460. Article link.
  4. Baker, Rafael, and Sam Frydman. “Unsaturated soil mechanics: Critical review of physical foundations.” Engineering Geology 106, no. 1 (2009): 26-39. Article link.
  5. Deka, R. N., M. Wairiu, P. W. Mtakwa, C. E. Mullins, E. M. Veenendaal, and J. Townend. “Use and accuracy of the filter‐paper technique for measurement of soil matric potential.” European Journal of Soil Science 46, no. 2 (1995): 233-238. Article link.

 

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