3.3: Взаємовідносини ґрунту та води
- Page ID
- 37895
Цілі навчання
- Зрозумійте вплив текстури на розмір пор та здатність утримувати воду.
- Знайте взаємозв'язок між потенціалом вологи, рухом та доступністю.
- Визначте вміст води в грунті за вагою і обсягом.
- Виміряйте насичену гідропровідність та зрозумійте фактори, що впливають на швидкість руху води.
- Поясніть роботу приладів контролю вологості.
Останні великі посухи навколо США демонструють важливість ефективного використання води. Точне вимірювання кількості води, доступної рослинам, має важливе значення для визначення швидкості зрошення та зменшення кількості витраченої води. Вміст ґрунтової води, як правило, вимірюється в полі за допомогою датчиків вологості ґрунту, які будуть розглянуті більш детально в лабораторії вимірювання та руху ґрунтових вод. Результати будь-якого датчика вологості ґрунту слід інтерпретувати за допомогою «співвідношення ґрунтових вод». Співвідношення ґрунтових вод - це графіки, що зображують виміряне значення порівняно з вмістом ґрунтової води, і їх можна вважати калібруванням, специфічним для конкретного ґрунту. У цій лабораторії будуть розроблені відносини ґрунтових вод для глинистого ґрунту та піщаного ґрунту.
Матеріали
- Два грунти, піщаний грунт і глинистий грунт, як висушені повітрям, подрібнені, так і пропущені через сито 2 мм
- Неглибокі лотки, здатні утримувати воду на глибину до 5 см
- Пластикові стаканчики
- Інструмент (наприклад, thumbtack) для пробивання отворів у нижній частині пластикових стаканчиків
- Фільтрувальний папір або паперові рушники
- Ножиці
- Перманентні маркери та стрічка для етикетки
- Лабораторні ваги з точністю до 0,01 г
- Зважуйте човни
- Грунтові совки
- градуйовані циліндри
- Піч
- Банки для сушіння грунту
Рекомендоване читання
- Модуль 5 - Відносини води рослин (Еллісон і Джонс, 2005)
- Відносини ґрунту, води та рослин (Роджерс та співавт., 2014)
- Доступна ємність води (USDA NRCS, 2008b)
Призначення передлабораторії
Використовуючи рекомендовані ресурси для читання та введення в цю лабораторію, розглянемо питання, перераховані нижче. Ці визначення/питання нададуть стислий виклад основних концепцій, які будуть розглянуті в лабораторії. Вони корисні навчальні записки до іспитів.
- Визначте потенціал ґрунтових вод своїми словами.
- Визначте та порівняйте гравітаційну воду, доступну воду для рослин та недоступну воду. Віднесіть кожен з різними розмірами пор (макро-, мезо- та мікро-).
- Визначте значення матричного потенціалу (потенціал ґрунтової води) для насичення, ємності поля, точки в'янення, сухого повітря та сухого ґрунту.
- Порівняйте і порівняйте вміст ґрунтової води на ваговій (масовій) основі та об'ємній основі. Показати, як перетворити між цими вагою і об'ємом.
- Загальними одиницями, що використовуються для кількісного визначення потенціалу вологи, є см (води), бруски та кПа. Скільки см води в одному барі? Скільки кПа в одному барі? Скільки см води в одному кПа?
Вступ
Розуміння взаємовідносин ґрунт-вода має важливе значення для належного управління ґрунтом для агрономічних чи інших цілей землекористування. Ґрунт-водно-повітряний континуум включає в себе принципи фізики, хімії та біології. Вода, яка може обмежити ріст рослин, мабуть, найважливіша при оцінці землекористування, впливаючи на характеристики ґрунту для більшості землекористування.
Утримання і рух води в грунтах, її поглинання і транслокація рослинами, а також її втрата в атмосферу - все це явища, пов'язані з енергією. Енергетичні зв'язки між вільною водою та вологістю ґрунту, як правило, виражаються через потенціали ґрунт-вода. Ці потенціали описуються в одиницях тиску, як правило, кілопаскалі (кПа).
Вміст води та водний потенціал пов'язані, як показано на малюнку 9.1 для п'яти ґрунтів різної текстури. Як правило, зі збільшенням вмісту глини вміст ґрунтової води збільшується для заданого потенціалу вологості ґрунту. Причиною цього є те, що глинисті ґрунти мають більш високу пористість і можуть утримувати більше води при заданому потенціалі ґрунтової води.
Взаємозв'язок між вмістом вологи в ґрунті та потенціалом вологості ґрунту є континуумом. Однак, щоб зрозуміти доступність вологи рослинам, ми розбиваємо континуум на частини і даємо кожній частині назву або класифікацію, як показано на малюнку 9.2 і пояснено в таблиці 9.1. Важливі моменти на континуумі включають насичення, потужність поля, точку в'янення, сухе повітря та суху піч. Тому для рослини найбільше значення мають місткість поля та точка в'янення, оскільки вони визначають кількість доступної для рослини води.
| Класи води | Розрахунок і пояснення |
|---|---|
| Гравітаційна вода | вміст води при насиченні — вода утримується на потужності поля |
| вода, яка занадто швидко стікає з макропор для використання рослинами | |
| Рослинна доступна вода | вода, що утримується на потужності поля - вода, що утримується в місці в'янення |
| вода в мезопорах | |
| Недоступна вода | вода, що проводиться в місці в'янення |
| в основному гігроскопічна вода тримається занадто щільно в мікропорах, щоб бути доступними для рослин |
Способи вираження вмісту ґрунтових вод
Вміст вологи в грунті може бути виражений за допомогою ваги або обсягу. Вміст вологи, виміряний за допомогою ваги, визначається шляхом сушіння вологого зразка до постійної ваги. Різниця в вагах до і після висихання представляє грунтові води. Відсоток визначається наступним чином:
\[\text{Percent soil water by weight}=\frac{\text{mass of water}}{\text{mass of oven dry soil}}×100\text{%}\nonumber \]
Не забудьте розділити на піч суху вагу, а не вологу вагу.
Такий підхід називається гравіметричним аналізом і дає гравіметричний вміст води.
Об'ємна вологість визначається наступним чином:
\[\text{Percent water by volume}=\frac{\text{volume of water}}{ \text{volume of soil}}×100\text{%}\nonumber \]
Гравіметричний і об'ємний вміст води не зрівняються один одному. Однак ми можемо використовувати насипну щільність для перетворення з ваги в об'єм і навпаки.
Нагадаємо, що насипна щільність буває:
\[\text{Bulk density}=\frac{\text{mass of oven dry soil}}{\text{volume of soil}}\nonumber \]
Також нагадаємо, що щільність води становить 1,0 г/см 3, тобто 1,0 г води має обсяг 1,0 см 3.
Множення вимірювання вологості ґрунту на вагу x насипна щільність дає:
\[\frac{\text{Mass of water}}{\text{Mass of oven dry soil}}\times\frac{\text{Mass of oven dry soil}}{\text{Volume of soil}}=\frac{\text{Mass of water}}{\text{Volume of soil}}= \frac{\text{Volume of water}}{\text{Volume of soil}}\nonumber \]
Наприклад, грунт з насипною щільністю 1,5 г/см 3 і вмістом води 30%, виміряним за допомогою ваги, матиме об'ємний вміст води 45% (30 х 1,5 = 45).
Об'ємний вміст води є корисним виміром. По-перше, вона більш реалістично описує вологове середовище зростаючих кореневих систем рослин, коли вони досліджують заданий об'єм ґрунту. По-друге, об'ємні значення води можуть бути перетворені для представлення вмісту води на певній еквівалентній глибині або товщині ґрунту. Представлення води на певній глибині змінює вираз від об'ємного (см 3) до лінійного (см) вираження ґрунтової води:
\[\text{Depth of soil}\times\text{ water content by volume}=\text{depth of water}\nonumber \]
Наприклад, 25-сантиметровий шар ґрунту з об'ємним вмістом води 20% (або 0,20 при вираженні у вигляді десяткової дробу) міститиме 5 см води в шарі грунту 25 см:
\[25\text{ cm soil}\times0.20=5\text{ cm of water}\nonumber \]
Діяльність 1: Розрахунки вмісту вологи
Через два дні після сильного мокрого дощу був зібраний зразок грунту. Протягом двох днів між опадами та відбором проб гравітаційна вода стікала з ґрунтів, тому вологість ґрунту була на польовій потужності. Через 10 днів спекотної сухої погоди рослини на грунті почали в'янути, і був зібраний другий зразок. Ці два зразки ґрунту зважували, висушували в духовці та повторно зважували. Грунт мав насипну щільність 1,3 г/см 3. Були зібрані наступні дані:
| Зразок | Стан вологи | волога вага | Піч-суха вага |
|---|---|---|---|
| 1 | Місткість поля (через 2 дні після дощу) | 160 г | 128 г |
| 2 | Точка в'янення (через 10 днів після дощу) | 170 г | 156 г |
Обчисліть наступні величини. Розрахунки з даних вибірки 1 наведені як приклад.
Який відсоток води за вагою (гравіметричний вміст води) у кожному зразку?
\[\begin{align*} \text{Sample 1 percent water by weight} &=\dfrac{(160\text{ g}-128\text{ g})}{128\text{ g}}×100\text{%}=25\text{%} \\[4pt] \text{Sample 2 percent water by weight} &= \end{align*} \]
Який відсоток води за обсягом (об'ємний вміст води) у кожному зразку?
\[\begin{align*} \text{Sample 1 percent water by volume} &= \frac{1.3\text{ g}}{\text{cm}^3}\times25\text{%}=33\text{%} \\[4pt] \text{Sample 2 percent water by volume} &= \end{align*}\]
Який відсоток води за вагою є рослиною (різниця між потужністю поля та точкою в'янення)?
Скільки сантиметрів доступної води для рослин можна було б утримувати в 50-сантиметровому шарі цього грунту?
Коли вміст ґрунтової води знаходиться в точці в'янення, наскільки глибоко злива 3 см змочила б цей грунт? (Припустимо, що немає стоку.) ПІДКАЗКА: Приміщення для зберігання води без стоку включало б об'єм води до потужності поля. Тому різниця в об'ємі між точкою в'янення та місткістю поля вказувала б на те, наскільки глибоко ґрунт може поглинати опади.
Діяльність 2: Вимірювання вологості ґрунту при насиченні, ємності поля та точці в'янення
Кроки 1-10 нижче були виконані в попередній лабораторії. Метою цієї діяльності є вивчення впливу текстури та щільності на водоутримуючу здатність та розподіл пір за розмірами, стан вологи різних ґрунтових матеріалів буде контролюватися через цикл сушіння. Кожна група лабораторій буде відповідати за два ґрунти та одну обробку (AD, WP, FC та S). Ваш інструктор лабораторії призначить лікування. Ви завершите експеримент на обох грунтах.
- Позначте порожню чашку наступним чином:
- Номер секції лабораторії
- Тип грунту: Піщаний або глинистий
- Лікування:
- AD (сухе повітря)
- WP (точка в'янення)
- FC (ємність поля)
- S (насичений)
- Пробийте вісім невеликих отворів в дні чашки.
- Відріжте шматок паперового рушника і покладіть на дно чашки, щоб грунт не потрапляв через отвори.
- Зважте порожній стаканчик і паперовий рушник, а значення запишіть на техпаспорт.
- Помістіть чашку на баланс, тару ваги чашки і додайте рівно 50 г грунту. Акуратно постукайте чашкою на лабораторній лавці, щоб осісти грунт.
- Нам потрібно знати обсяг грунту в чашках, щоб ми могли розрахувати насипну щільність. Наповніть ще одну чашку (без отворів!) водою до того ж рівня, що і грунт в чашках. Налийте воду в градуйований циліндр і запишіть значення на техпаспорті (припустимо 1 мл = 1 см 3).
- Отримайте дані для іншого ґрунту з лабораторних груп з іншим грунтом.
- Розрахувати і записати насипну щільність.
- Обережно і повільно помістіть чашки WP, FC та S у воду в каструлі, щоб грунт просочився знизу вгору. Ваш інструктор лабораторії видалить чашки WP завтра і дозволить їм висохнути протягом 6 днів. Чашки ФК знімуть через 6 днів і дають стекти протягом 1 дня. Чашки S залишатимуться у воді весь тиждень.
- Помістіть чашку AD в каструлю без води.
Тепер завершіть вправу, зважуючи всі чашки грунту. Відніміть вагу порожньої чашки і запишіть на майстер-даташит інструктора. Інструктор надасть композицію даних на дошці для вашого розділу після резюме експерименту. Лабораторний аркуш буде роздано на заняттях, щоб ви могли виконувати розрахунки на основі даних, зібраних вашою групою лабораторії. Заповніть цей аркуш і включіть його в наступний лабораторний період.
| Експеримент Таблиця | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Вага порожньої чашки+рушник [г] | ____________г | |||||
| Вага грунту [г] | ____________г | |||||
| Піщаний грунт | глинистий грунт | |||||
| Обсяг води в чашці (тобто обсяг грунту) | ____________см^3 | ____________см^3 | ||||
| Насипна щільність | ____________г/см ^ 3 | ____________г/см ^ 3 | ||||
| Вага зразка | ||||||
| Піщаний грунт | Піщаний грунт | глинистий грунт | глинистий грунт | |||
| Лікування | Код | Клас вологості | Чашка + Грунт | Грунт | Чашка + Грунт | Грунт |
| Сушать в духовці | ВІД | Піч сухий | ||||
| Ніколи не мокрий | РЕКЛАМА | Повітря сухий | ||||
| Зливають 6 днів | WP | точка в'янення | ||||
| Зливають 1 день | ФК | Ємність поля | ||||
| Ніколи не зливається | S | Насичений |
Завдання: Резюме лабораторії
Для цієї лабораторії ви будете готувати резюме лабораторії. Завдання буде надано вам на початку роботи лабораторії.