ΑΡΔΕΥΣΕΙΣ-ΓΕΩΡΓΙΚΗ-ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΝΤΕΛΑΚΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ Δρ. Γεωπόνος Εγγείων Βελτιώσεων, Εδαφολογίας και Γεωργικής Μηχανικής Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης Εξάμηνο Διδασκαλίας: Ε (Εδαφική Υγρασία) Τμήμα Τεχνολόγων Γεωπόνων Σχολή Τεχνολογίας Γεωπονίας και Τεχνολογίας Τροφίμων και Διατροφής Φλώρινα 2016
Ορισμός φαινομένου Διήθησης: Με τον όρο διήθηση ονομάζουμε το φαινόμενο της διείσδυσης του νερού στο έδαφος Η επιφάνεια απ' όπου συντελείται η διήθηση λέγεται επιφάνεια διήθησης και μπορεί να είναι σταθερή ή μεταβαλλόμενη, μπορεί να είναι ο πυθμένας και τα πρανή μιας τάφρου ή ενός αυλακιού, μπορεί να είναι η φυσική επιφάνεια του εδάφους ή μέρος αυτής, μπορεί ακόμη να συναντιέται και σε κάποιο βάθος από την επιφάνεια του εδάφους Δε θα πρέπει, τέλος, να παραλειφθεί μια εξίσου σημαντική πλευρά του φαινομένου της διήθησης, αυτή που αναφέρεται στη μεταφορά διαλυτών ουσιών στο έδαφος και στους υπόγειους υδροφόρους σχηματισμούς με όλες τις αρνητικές (ή θετικές καμιά φορά) επιδράσεις στην ποιότητα των εδαφών και των υπόγειων νερών.
Ορισμός: Ένα έδαφος ονομάζεται κορεσμένο, όταν όλοι οι εδαφικοί πόροι είναι γεμάτοι με νερό
Κίνηση του νερού στο έδαφος Απομακρύνεται αρχικά το νερό που υπάρχει στους μεγάλους πόρους λόγω βαρύτητας (νερό βαρύτητας) Το νερό που μένει στο έδαφος μετά την απομάκρυνση του νερού βαρύτητας και κινείται με μικρότερη ταχύτητα λέγεται τριχοειδές νερό Το νερό που συγκρατείται στο έδαφος με ισχυρές δυνάμεις μετά την απομάκρυνση του τριχοειδούς νερού λέγεται υγροσκοπικό νερό
Αθροιστική διηθητικότητα Ι (mm) Κίνηση του νερού στο έδαφος Αθροιστική διηθητικότητα: Ονομάζεται η ποσότητα του νερού που διηθείται σε συγκεκριμένη χρονική περίοδο y k Αθροιστική διηθητικότητα σε mm t b Χρόνος διήθησης σε min Χρόνος t (hr)
Διηθητικότητα i (mm/hr) Κίνηση του νερού στο έδαφος Διηθητικότητα: Ονομάζεται η ταχύτητα κίνησης του νερού στο έδαφος i k b t b 1 Διηθητικότητα σε mm/min Χρόνος t (hr)
Κίνηση του νερού στο έδαφος Τα αμμώδη εδάφη έχουν μεγαλύτερους πόρους από ότι τα πηλώδη και από τα αργιλώδη εδάφη Ερώτηση: Αν αρδεύσουμε ένα αμμώδες, ένα πηλώδες και ένα αργιλώδες έδαφος με την ίδια ποσότητα νερού, ποιο από τα τρία εδάφη θα στεγνώσει πρώτο;
Δυνάμεις συγκράτησης του νερού στο έδαφος Οι δυνάμεις που συγκρατούν το νερό στο έδαφος εκφράζονται ισοδύναμα με τους όρους αρνητική πίεση ή τάση ή μύζηση Δυνάμεις συνάφειας (έλξη εδάφους+νερό) Δυνάμεις συνοχής (έλξη νερό+νερό) Οι τιμές της αρνητικής πίεσης εκφράζονται σε Atm ή ύψος υδατικής στήλης εκφρασμένης σε cm ή bar 1Atm =1000cm ύψους υδάτινης στήλης =1.01325 bar
Δυνάμεις συγκράτησης του νερού στο έδαφος Οι δυνάμεις που συγκρατούν το νερό στο έδαφος γίνονται μεγαλύτερες όσο μειώνεται η υγρασιακή κατάσταση του εδάφους Οι δυνάμεις που συγκρατούν το νερό στο έδαφος είναι μεγαλύτερες στα τοιχώματα ενός πόρου ενώ μειώνεται προς το κέντρο του εδαφικού πόρου (γρήγορη απομάκρυνση του νερού βαρύτητας)
Δυνάμεις συγκράτησης του νερού στο έδαφος Έστω ότι έχουμε ένα αμμώδες έδαφος και οι δυνάμεις που συγκρατούν το νερό έχουν μέγεθος Α (atm). Για να απομακρύνουμε εμείς το νερό από το έδαφος αυτό θα πρέπει να ασκήσουμε μια δύναμη μεγέθους Α (atm). Για την απομάκρυνση της ίδιας ποσότητας νερού σε ένα πηλώδες έδαφος θα πρέπει να ασκήσουμε δύναμη -2A (atm) και σε ένα αργιλώδες έδαφος -3Α (atm). Οι δυνάμεις συνάφειας και συνοχής εκτός της υγρασιακής κατάστασης του εδάφους εξαρτώνται από την υφή και τη δομή του εδάφους
Χαρακτηριστικές καμπύλες υγρασίας Εάν ασκήσουμε Τάση -1atm Μείωση % 25% υγρασία στο αργιλώδες έδαφος 50% υγρασία στο πηλώδες έδαφος 75% υγρασία στο λεπτό αμμώδης πηλό
Χαρακτηριστική καμπύλη υγρασίας Χρησιμότητα: Εκτίμηση της κατανομής του μεγέθους των πόρων Εκτίμηση ποσότητας της υγρασίας που συγκρατείται στο έδαφος Εκτίμηση παραμέτρων της άρδευσης
Κατασκευή χαρακτηριστικής καμπύλης υγρασίας Σε κορεσμένο αδιατάρακτο έδαφος ασκείται μια πίεση h1 και μια ποσότητα εδαφικής υγρασίας θ1 απομακρύνεται έως ότου σταθεροποιηθεί Στη συνέχεια ασκούμε μια μεγαλύτερη πίεση h2, τότε εκ νέου μια ποσότητα εδαφικής υγρασίας θ2 απομακρύνεται Η διαδικασία επαναλαμβάνεται Τα ζεύγη τιμών h και θ που προκύπτουν χρησιμοποιούνται για να κατασκευαστεί η χαρακτηριστική καμπύλη Η διαδικασία γίνεται με το δίσκο πίεσης
Δυνάμεις συγκράτησης του νερού στο έδαφος Η ύπαρξη αλάτων στο έδαφος Αύξηση της δύναμης (τάσης) που πρέπει να ασκηθεί για την απομάκρυνση του νερού Αιτία: Η οσμωτική πίεση (Η δύναμη που προκαλεί την κίνηση του νερού από διάλυμα με μικρή συγκέντρωση σε άλατα προς το διάλυμα με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση) Ένα παθογόνο έδαφος μπορεί να έχει υγρασία που να φτάνει σχεδόν τον κορεσμό, ενώ τα φυτά που βρίσκονται σε αυτό να υποφέρουν από έλλειψη υγρασίας γιατί δεν έχουν τη δύναμη να την αποσπάσουν (άθροισμα τάσης και όσμωσης)
Προσδιορισμός εδαφικής υγρασίας Εργαστηριακά (Βαρυμετρική μέθοδος) Διαδικασία: Ζυγίζεται ένα δείγμα εδάφους με την περιεχόμενη υγρασία και στη συνέχεια τοποθετείται σε κλίβανο σε θερμοκρασία 105 o C Μετά τη ξήρανση του (24 ώρες) το εδαφικό δείγμα ξαναζυγίζεται Στις 24 ώρες γίνεται η παραδοχή ότι το δείγμα αποκτάει σταθερή μάζα (απομάκρυνση όλου του νερού) Σχόλια: Η υγρασία ενός αγροτεμαχίου διαφέρει από θέση σε θέση. Αρκετά δείγματα πρέπει να επιλεχθούν για να είναι αντιπροσωπευτική η υγρασία Χρησιμοποιείται στα εδαφολογικά εργαστήρια Η μέθοδος αυτή υπολογισμού της υγρασίας παρουσιάζει μεγάλη ακρίβεια
Προσδιορισμός εδαφικής υγρασίας Η διαφορά βάρους των δύο ζυγίσεων δίνει την εδαφική υγρασία, σύμφωνα με τη σχέση: Όπου: SM(Soil Moisture) = εδαφική υγρασία εκφρασμένης σε ποσοστό ξηρού βάρους Ww (Weight wet)=βάρος του υγρού εδαφικού δείγματος σε gr Wd (Weight dry)= βάρος του ξηρού εδαφικού δείγματος σε gr
Προσδιορισμός εδαφικής υγρασίας Έστω το βάρος ενός εδαφικού δείγματος είναι 48gr. Το δείγμα μετά την ξήρανση σε κλίβανο ξαναζυγίζεται και βρίσκεται ότι το βάρος του είναι 36gr. Ποια είναι η περιεχόμενη στο εδαφικό δείγμα υγρασία; Εάν η Φ.Π. του εδάφους είναι 1,3 gr/cm 3 τότε η υγρασία κατά βάρος μπορεί να εκφραστεί ως ποσοστό του συνολικού όγκου του εδάφους: S.M.=0.33*1.3=0.43 ή 43% του συνολικού όγκου του εδάφους αποτελεί η υγρασία του
Προσδιορισμός εδαφικής υγρασίας Άλλοι μέθοδοι μέτρησης της υγρασίας Μέθοδος του τενσιόμετρου Μέθοδος των μικροκυμάτων Τράπεζα πίεσης Μέθοδος της θερμικής αγωγιμότητας Μέθοδος του φίλτρου χάρτου Μέθοδος του ψυχρόμετρου Μέθοδος της ηλεκτρικής αντίστασης
Προσδιορισμός εδαφικής υγρασίας Μέθοδος του τενσιόμετρου (Μετράει την τάση του εδαφικού νερού σε ελαφρά εδάφη όπου η τάση είναι μικρότερη της 1 atm) Σωλήνας Πορώδες κύπελλο Μανόμετρο Γεμίζουμε το σωλήνα με νερό και τοποθετούμε το πορώδες κύπελλο στο βάθος που θέλουμε να μετρήσουμε την τάση της εδαφικής υγρασίας. Αν το έδαφος είναι κορεσμένο τότε δεν υπάρχει κίνηση του νερού από το όργανο στο έδαφος και έτσι το μανόμετρο δείχνει μηδέν. Αν η εδαφική υγρασία μειωθεί τότε το νερό κινείται από το όργανο στο έδαφος και το κενό που δημιουργείται στο σωλήνα μετριέται από το μανόμετρο. Αν αυξηθεί η υγρασία τότε το νερό εισέρχεται στο όργανο μειώνοντας το κενό μέσα στο σωλήνα, το οποίο κενό μετριέται και πάλι από το μανόμετρο.
Προσδιορισμός εδαφικής υγρασίας Μέθοδος των μικροκυμάτων (Χρήση αισθητήρων) Η χρήση των αισθητήρων αποτελεί σύγχρονη τεχνική μέτρησης της εδαφικής υγρασίας Υπολογίζουν έμμεσα την εδαφική υγρασία μετρώντας ιδιότητες του εδάφους που μεταβάλλονται με την υγρασία Η μέθοδος των μικροκυμάτων βασίζεται στην ιδιότητα που έχει το νερό να απορροφά ισχυρά τη μικρού μήκους κύματος ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία Δεν υπάρχει περιορισμός στον τύπο εδάφους
Προσδιορισμός εδαφικής υγρασίας Μέθοδος των μικροκυμάτων (Χρήση αισθητήρων) Αισθητήρας Diviner 2000 (Μέτρηση υγρασίας από 10cm έως 1m) Η συσκευή αποτελείται από ένα αισθητήρα ο οποίος μέσω καλωδίου στέλνει το σήμα του σε ένα logger καταγραφής Ο αισθητήρας εισέρχεται μέσα στο έδαφος μέσω ενός σωλήνα PVC ο οποίος έχει εγκατασταθεί μόνιμα μέχρι το βάθος όπου θέλουμε να πάρουμε μετρήσεις εδαφικής υγρασίας
Προσδιορισμός εδαφικής υγρασίας Μέθοδος των μικροκυμάτων (Χρήση αισθητήρων) Αισθητήρας Pr 2(Μέτρηση υγρασίας σε διαφορετικά βάθη ταυτόχρονα)
Υδατοϊκανότητα Έστω ότι αφήνουμε ένα κορεσμένο έδαφος να στραγγίσει Το νερό στην αρχή κινείται με μεγάλη ταχύτητα, η οποία με την πάροδο του χρόνου μειώνεται και κάποια στιγμή γίνεται σχεδόν μηδενική (Απομάκρυνση νερού βαρύτητας) Η υγρασία που αντιστοιχεί στη σχεδόν στάσιμη κίνηση του νερού στο έδαφος ονομάζεται Υδατοϊκανότητα Κορεσμός Υδατοϊκανότητα Σημείο Μόνιμης Μάρανσης Αποτελεί το πάνω όριο της χρήσιμης στα φυτά εδαφικής υγρασίας Εμφανίζεται τρείς με πέντε ημέρες μετά από βροχή ή άρδευση. Ο χρόνος αυτός αυξάνει αν το έδαφος είναι βαρύ ή αν υπάρχουν στρώματα που εμποδίζουν τη στράγγιση
Υδατοϊκανότητα Η αρνητική πίεση (ή μύζηση) στον κορεσμό όλων των εδαφών είναι Μηδέν Η αρνητική πίεση (ή μύζηση) στο σημείο της υδατοϊκανότητας εξαρτάται από τον τύπο του εδάφους, όπως φαίνεται στον πίνακα Τύπος υφής εδάφους Αμμώδες Αμμοπηλώδες Μύζηση στην υδατοϊκανότητα 60 cm ή 0,06 atm 100 cm ή 0,1 atm Ιλυοπηλώδες Αργιλώδες 300 cm ή 0,3 atm 600 cm ή 0,6 atm
Σημείο μόνιμης μάρανσης Αποτελεί το κάτω όριο της χρήσιμης στα φυτά εδαφικής υγρασίας Όταν η υγρασία του εδάφους φθάσει στο σημείο μόνιμης μάρανσης, τα φυτά αρχίζουν να δυσκολεύονται στην απορρόφηση του νερού διότι το νερό συγκρατείται με μεγάλες δυνάμεις από τα εδαφικά σωματίδια Η αρνητική πίεση (ή μύζηση) στο σημείο μόνιμης μάρανσης όλων των εδαφών είναι περίπου 15 atm Συμπτώματα στα φυτά: Μειωμένη ανάπτυξη, αλλαγή χρωματισμού φύλλων
Έσχατο σημείο μόνιμης μάρανσης Όταν η υγρασία του εδάφους περάσει το σημείο μόνιμης μάρανσης, τα φυτά ξηραίνονται Η αρνητική πίεση (ή μύζηση) στο σημείο έσχατης μόνιμης μάρανσης όλων των εδαφών είναι περίπου 60 atm
Διαθέσιμη εδαφική υγρασία Ενδεικτικές τιμές διαθέσιμης υγρασίας διαφόρων τύπων εδαφών σε mm ανά μέτρο βάθους εδάφους Ορισμός διαθέσιμης υγρασίας: Είναι η υγρασία που βρίσκεται στο βάθος της ζώνης ριζοστρώματος των καλλιεργειών και βρίσκεται μεταξύ των σημείων υδατοϊκανότητας και μόνιμης μάρανσης Πολύ χονδρόκοκκη άμμος 4-70 Αμμοπηλώδες 100-150 Πηλώδες 130-200 Βαρειά οργανικά εδάφη 170-250 Διαθέσιμη υγρασία mm/m
Βάθος ριζοστρώματος Βάθος ριζοστρώματος: Το βάθος μέχρι το οποίο εκτείνεται το ριζικό σύστημα των καλλιεργειών Καλλιέργεια Βάθος ριζοστρώματος (m) Κανονικό Καλαμπόκι 0,9 1,8 Σιτηρά 0,9 1,8 Βαμβάκι 1,2 2 Αμπέλια 1,5 Ντομάτες 1,2 1,5 Μέγιστο
Διαθέσιμη υγρασία Σε έδαφος με ομοιόμορφη δομή σε όλο το βάθος ριζοστρώματος η διαθέσιμη υγρασία βρίσκεται: Όπου: R.D. Είναι το βάθος ριζοστρώματος σε mm Η υδατοϊκανότητα και το σημείο μόνιμης μάρανσης εκφράζονται ως ποσοστά % ξηρού βάρους Το Φ.Π. θεωρείτε αδιάστατο
Διαθέσιμη υγρασία Σε έδαφος με ομοιόμορφη δομή σε όλο το βάθος ριζοστρώματος έχουμε: Η υγρασία στην υδατοϊκανότητα FC=15 (%D.W.) Η υγρασία στο σημείο μόνιμης μάρανσης PWP=8 (%D.W) Η φαινόμενη πυκνότητα Φ.Π.=1,40 gr/cm 3 To βάθος του ριζοστρώματος RD=900mm
Ωφέλιμη υγρασία Ορισμός ωφέλιμης υγρασίας: Είναι το μέρος της διαθέσιμης υγρασίας που πραγματικά χρησιμοποιείται από τις καλλιέργειες Όπου: F είναι ένας συντελεστής που ονομάζεται συντελεστής ωφελιμότητας
Ωφέλιμη υγρασία Παράδειγμα ωφέλιμης υγρασίας: Εάν F είναι ο συντελεστής ωφελιμότητας F=0.75 ASM=88.2 mm