ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 6 Ο Ενότητα: Εδαφική Υγρασία Εισαγωγικά Γιατί να μετρούμε την εδαφική υγρασία; Προσδιορισμό ανάγκης για άρδευση Μελέτη & προσδιορισμό των συνθηκών ανάπτυξης για των διαφόρων καλλιεργούμενων ειδών Μελέτη της φύσης- οικοσυστημάτων Για τον προσδιορισμό της συμπεριφοράς του νερού στο έδαφος κατά τις φάσεις ύγρανσης και απομάκρυνσής του. Για τυπικούς, ερευνητικούς σκοπούς Προσδιορισμός του ποσοστού της εδαφικής υγρασίας για γεωτεχνικούς αλλά και για πολιτικούς μηχανικούς Οι 2 βασικές αρχές μέτρησης της εδαφικής υγρασίας 1 η Αρχή: Βασίζεται στη μέτρηση των δυνάμεων που συγκρατούν το νερό στο έδαφος = δύναμη που απαιτείται από τις ρίζες για την απομάκρυνσή του από τους εδαφικούς πόρους. Οι δυνάμεις συγκράτησης του νερού στο έδαφος εκφράζονται με τον όρο αρνητική πίεση. Όσο ισχυρότερη είναι η αρνητική πίεση ή τάση ή μύζηση, τόσο αυξάνεται η καταπόνηση για την ανάπτυξη του φυτού. 2 η Αρχή: Την εδαφική υγρασία μπορούμε να την υπολογίζουμε με κατ ευθείαν μέτρηση της ποσότητας του νερού ανά όγκο δείγματος εδάφους. Η μέθοδος αυτή είναι χρήσιμη σε μηχανικούς, εδαφολόγους κ.λ.π. Η έκφρασή της γίνεται ως ποσοστό %: π.χ. 40% σημαίνει 400 lt ανά 1000 kg ξηρού εδάφους. Σύμφωνα λοιπόν με την 1 η αρχή: δηλαδή με την μέτρηση της αρνητικής πίεσης (υδατικό δυναμικό) Μπορεί να γίνει: o Τενσιόμετρα o Συσκευές ηλεκτρικής αντίστασης o Δίσκο πιέσεως o Με μεθόδους διηθητικού χαρτιού o Με θερμοζεύγος ψυχρόμετρου Τα τενσιόμετρα Είναι όργανα προσδιορισμού της εδαφικής υγρασίας μετρώντας την αρνητική πίεση που αναπτύσσεται μέσω της απομάκρυνσης του νερού από το εσωτερικό του οργάνου προς το έδαφος. Τα μέρη από τα οποία αποτελείται είναι: Σωλήνας Πορώδης κεραμική καλύπτρα Πώμα Μανόμετρο 1
Ο τρόπος λειτουργίας του τενσιομέτρου: 1. Ο σωλήνας γεμίζει με νερό 2. Πωματίζεται αεροστεγώς 3. Τοποθετείται στο χωράφι πλήρης επαφή της καλύπτρας με το έδαφος Για να επιτευχθεί η πλήρης επαφή, ανοίγουμε την τρύπα με έναν εδαφολήπτη και στη συνέχεια εφαρμόζουμε μικρή ποσότητα νερού στην τρύπα διάνοιξης. 4. Τοποθετούμε το τενσιόμετρο 5. Το νερό εξέρχεται μέσω της καλύπτρας αν είναι ακόρεστο => δημιουργία αρνητικής πίεσης (αποτύπωση στο μανόμετρο) ΠΡΟΣΟΧΗ: Μετράει αρνητικές πιέσεις έως 0,8 bar! Τεπόζιτο Αντλία Στήλη νερού Κενό Δείκτης κενού Νερό αναρροφάται από το έδαφος Πορώδες άκρο Εικόνα 1: Το τενσιόμετρο Μπορούμε να αξιοποιήσουμε τα τενσιόμετρα για να αρδεύουμε; Η απάντηση είναι ναι, εφ όσον το έδαφος στο οποίο χρησιμοποιούμε το όργανο είναι ελαφριάς σύστασης (αμμώδες): Τενσιόμετρο στο κάτω μέρος του ριζοστρώματος Όταν η ένδειξη της τάσης μειώνεται, η άρδευση θα πρέπει να σταματά Τενσιόμετρο στο κέντρο του ριζοστρώματος Όταν το έδαφος είναι ξηρό θα πρέπει να ξεκινά η άρδευση Εικόνα 2: Άρδευση με τη χρήση τενσιομέτρων Ορισμένα τενσιόμετρα χρησιμοποιούνται στην εκτίμηση του υδατοκορεσμού και σε μελέτες σταθερότητας τάφρων / πλαγιών 2
Ερμηνεία μετρήσεων τενσιομέτρων Ο ακόλουθος πίνακας (1) απεικονίζει τη σχέση μεταξύ της τάσης του εδαφικού νερού και του περιεχόμενου νερού. Το περιεχόμενο νερό (υγρασία) παρουσιάζεται ως ποσοστό της μείωσης υδατοχωρητικότητας ενός εδάφους (η υδατοχωρητικότητα εδώ προσδιορίζεται ως η ποσότητα του νερού που μπορεί να συγκρατήσει ένα έδαφος στο βάθος του ριζοστρώματος, μεταξύ του σημείου μάρανσης και της υδατοϊκανότητας του). Η τιμή αυτή προέρχεται από ογκομετρικές μετρήσεις. Αυτό που φαίνεται δε ξεκάθαρα είναι η διαφορά των τιμών της υγρασίας που έχουν προσδιοριστεί ογκομετρικά για διαφορετικούς τύπους υφής εδάφους για την ίδια τιμή τάσης, το οποίο είναι αυτό που πραγματικά προσδιορίζει τη διαθεσιμότητα της υγρασίας για τους φυτικούς ιστούς μιας καλλιέργειας. Εδαφικός τύπος Ενδείξεις τενσιομέτρου (cbar) Αμμώδης πηλός Λεπτός Αμμώδης πηλός Πηλός Άργιλος Πίνακας 1: Ερμηνεία των ενδείξεων του τενσιομέτρου ανάλογα με τον εδαφικό τύπο Το τενσιόμετρο είναι το μοναδικό σύστημα άμεσης μέτρησης, που σημαίνει ότι στην πραγματικότητα μετρά τις φυσικές δυνάμεις που δρουν στο έδαφος. Τα τενσιόμετρα λειτουργούν ως «εξωμοιωτές» μιας ρίζας που επιτρέπουν στην εδαφική υγρασία να αλληλεπιδρά με το όργανο μέσω της κεραμικής καλύπτρας. Η τάση του εδαφικού νερού έξω από το όργανο προσπαθεί να αφαιρέσει το νερό από το όργανο, δημιουργώντας έτσι μια μετρήσιμη τάση εντός της στήλης του οργάνου. Η τάση 3
αυτή μετράται είτε με μηχανικό δείκτη ή με έναν μετατροπέα που προσαρμόζεται στο όργανο. Ενώ αυτός είναι ο πιο ακριβής διαθέσιμος τρόπος, χρειάζεται να γίνεται μια συντήρηση του οργάνου με προσθήκη νερού ανά κάποιο χρονικό διάστημα για να διατηρούνται πλήρη νερού (βασιζόμαστε σε οπτική παρατήρηση). Πρέπει τέλος να απομακρύνονται από το έδαφος κατά τους χειμερινούς μήνες διότι υπάρχει κίνδυνος πήξης του περιεχόμενου νερού του οργάνου και συνεπώς πιθανή καταστροφή του. Μειονεκτήματα τενσιομέτρων Δεν προσαρμόζονται το ίδιο καλά για παρατηρήσεις σε οποιοδήποτε έδαφος (μεγαλύτερη ακρίβεια σε αμμώδη εδάφη, η τάση δεν ξεπερνά την 1 at ) Στεγνώνουν όταν το έδαφος είναι πιο στεγνό από 100 cbar ή 100 kpa Η επαναγέμιση μπορεί να γίνει στον αγρό. Τα τενσιόμετρα μπορούν να παγώσουν Πρέπει να παραμένουν στον αγρό (κίνδυνος ζημιών) Σε συνεκτικά εδάφη προτιμάται η χρήση συσκευών ηλεκτρικής αντίστασης ή συνδυασμός των παραπάνω Έχουν περιορισμένο εύρος κατάλληλο για εντατικές καλλιέργειες Συσκευές ηλεκτρικής αντίστασης Η αντίσταση μεταξύ δύο σημείων του εδάφους μειώνεται αυξανομένης της υγρασίας του. Στον πίνακα που ακολουθεί (πίνακας 2), έχουμε την επίδραση της περιεκτικότητας της υγρασίας στην ειδική αντίσταση. (Α. Κουτσομάρκος και Κωνσταντίνος Κουτσομάρκος, 2012) Πίνακας 2: Επίδραση της περιεκτικότητας της υγρασίας στην ειδική αντίσταση Η μέθοδος της ηλεκτρικής αντίστασης βασίζεται στην αρχή ότι κάθε μεταβολή της εδαφικής υγρασίας προκαλεί αντίστοιχη μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης του εδάφους. Οι αισθητήρες που χρησιμοποιούνται για το σκοπό αυτό αποτελούνται από δύο ηλεκτρόδια, τα οποία βυθίζονται στο έδαφος σε επιθυμητό βάθος. Φιλοξενούνται μέσα σε πορώδη μέσα που συμπεριφέρονται όπως το έδαφος (ύγρανση και ξήρανση). Συνδέονται με συσκευή κατάλληλη για την ανάγνωση / καταγραφή της ηλεκτρικής 4
αντιστάσεως. Παρουσιάζουν ιδιαίτερη ευαισθησία στη μεγάλη συγκέντρωση αλάτων, ενώ απαιτούν συνεχή βαθμονόμηση. (Γράβαλος και άλλοι, 2009) Εικόνα 3: Συσκευή ηλεκτρικής αντίστασης Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα συσκευών ηλεκτρικής αντίστασης Είναι πολύ αξιόπιστα για τάσεις από 1 at και πάνω και που φτάνουν τα 60 bar Είναι ευαίσθητες: o Στα άλατα o Στη θερμοκρασία o Στα λιπάσματα Είναι μικρής ευαισθησίας σε χαμηλές τάσεις ( χρήση τενσιομέτρων) Κατ ευθείαν μέτρηση της ποσότητας του νερού ανά όγκο δείγματος εδάφους. Μπορεί να γίνει με κατά βάρος μέτρηση στο εργαστήριο (διαταραγμένο δείγμα) Η απώλεια βάρους είναι η % κατά βάρος υγρασία Μπορεί να γίνει κατ όγκο εκτίμηση στο εργαστήριο (αδιατάρακτο δείγμα) Η απώλεια βάρους είναι η % κατ όγκο υγρασία Διαδικασία: Ζύγιση δείγματος εδάφους με την περιεχόμενη υγρασία (Ww) Τοποθέτηση του δείγματος στο ξηραντήριο σε θερμοκρασία 105 ο C Ξήρανση και επαναζυγίζουμε (Wd). Χρήση του τύπου: SM (%D.W.) = 100x(Ww-Wd )/ Wd (1) Εικόνα 4: Κλίβανος ξήρανσης δειγμάτων (ξηραντήριο) 5
Μέτρηση της εδαφικής υγρασίας με ηλεκτρικό εξοπλισμό Οι διηλεκτρικοί μέθοδοι βασίζονται σε εμπειρικές σχέσεις βαθμονόμησης μεταξύ της περιεχόμενης εδαφικής υγρασίας και του σήματος εξόδου του αισθητήρα (χρόνος, συχνότητα, εμπέδηση, φάση). Οι μέθοδοι αυτές έτυχαν γρήγορα ευρείας αποδοχής επειδή παρουσιάζουν καλό χρόνο απόκρισης, δεν απαιτούν συντήρηση και δίνουν συνεχείς αναγνώσεις για τα συστήματα αυτοματισμών. Μεταξύ αυτών περιλαμβάνονται : η μέθοδος ανακλομέτρησης χρόνου (time-domain reflectometry ή TDR), η μέθοδος ανακλομέτρησης συχνότητας (frequency-domain reflectometry ή FDR), η μέθοδος μέτρησης μετάδοσης χρόνου (time-domain transmissometry ή TDT), η μέθοδος μέτρησης μετατόπισης φάσης (phase transmissometry ή PT) και άλλες Η μέτρηση με TDR συνήθως περιλαμβάνει την τοποθέτηση του αισθητήρα στο έδαφος και μια ανάλυση του παραγόμενου σχήματος για τον προσδιορισμό σημειακά της υγρασίας. Ένας μικρός ηλεκτρικός παλμός στέλνεται σε έναν απομονωμένο αισθητήρα. Αν το υλικό που περιβάλλει τον αισθητήρα είναι αέρας ή ξηρό έδαφος, το σχήμα του ανακλώμενου παλμού θα είναι διαφορετικό από ότι όταν το έδαφος είναι υγρό. Με την ανάλυση του παλμού δίνεται η % κατ όγκο περιεχόμενη υγρασία στο έδαφος Εάν τοποθετηθούν πλήθος τέτοιων αισθητήρων σε διαδοχικά βάθη, αποκτούμε την πληροφορία σχετικά με το προφίλ υγρασίας του εξεταζόμενου εδάφους. Κατά την μέθοδο ανακλομέτρησης συχνότητας (FDR), προσδιορίζεται η σύνθετη ηλεκτρική αντίσταση ανάμεσα σε δύο ηλεκτρόδια και η απορρόφηση του μικροκύματος στο έδαφος. Η απορρόφηση του μικροκύματος στο έδαφος μας δίνει πληροφορίες για την περιεκτικότητα του υποστρώματος σε νερό. Εικόνες 5, 6 και 7: (Από αριστερά προς τα δεξιά ), όργανο για προσδιορισμό υγρασίας σε εδαφικό προφίλ, συσκευή μέτρησης TDR και μέτρηση με FDR (Theta Probe) 6
Υδατοϊκανότητα Η υγρασία που συγκρατεί ένα βαθύ, ομοιόμορφο και καλά στραγγιζόμενο έδαφος μετά την απομάκρυνση του ελεύθερου νερού. Πρακτικά, η υγρασία του εδάφους θεωρείται ότι έχει φτάσει στην υδατοϊκανότητά του μετά τη πάροδο 3 με 5 ημερών από την άρδευση ή τη βροχόπτωση. Αντικειμενικός προσδιορισμός υδατοϊκανότητας Μέτρηση της τάσης της εδαφικής υγρασίας που αντιστοιχεί σε αυτή. Η τάση διαφέρει ανάλογα με το έδαφος Τύπος υφής Τάση στην υδατοϊκανότητα (cm) Αμμώδες 60 Αμμοπηλώδες 100 Ιλυοπηλώδες 300 Αργιλώδες 600 Πίνακας 3: Τάση στην υδατοϊκανότητα για διάφορους τύπους εδαφών. Προσδιορισμός της υδατοϊκανότητας Τενσιόμετρα (από 5 έως 10 kpa) Δίσκος πιέσεως Εικόνα 5: Διάταξη δίσκου πιέσεως (συσκευή Richards) Το σημείο μόνιμης μάρανσης Είναι το κατώτατο όριο της χρήσιμης για τα φυτά εδαφικής υγρασίας. Όταν η εδαφική υγρασία φτάσει σ αυτό το σημείο, τα φυτά δεν μπορούν να πάρουν από το έδαφος όλο το νερό που χρειάζονται για την κάλυψη των αναγκών τους και αρχίζουν να μαραίνονται. Δεν είναι σταθερό και εξαρτάται από: την υφή και τη δομή του εδάφους, το είδος και την κατάσταση που βρίσκονται τα φυτά, τη συγκέντρωση αλάτων στο έδαφος 7
τις κλιματικές συνθήκες της περιοχής. Η τάση της εδαφικής υγρασίας που αντιστοιχεί στο σημείο αυτό είναι από 7 μέχρι 32 bar Σαν αντιπροσωπευτική τιμή του Σ.Μ.Μ. όλων των εδαφών έχει γίνει δεκτή η τάση των 15bar. Το έσχατο σημείο μάρανσης είναι το όριο της εδαφικής υγρασίας κάτω από το οποίο τα φυτά ξεραίνονται. Η τάση φτάνει στα 60 bar. Προσδιορίζεται με τη συσκευή μεμβράνης πιέσεως 1 (Λιακόπουλος 1988) 1 ανάλογης του δίσκου πιέσεως 8
Η διαθέσιμη και η ωφέλιμη στις καλλιέργειες υγρασία Στην άρδευση μας ενδιαφέρει η υγρασία ανάμεσα στην υδατοϊκανότητα (FC field capacity) και στο σημείο μόνιμης μάρανσης (PWP-permanent wilting point) Που; Στο βάθος της ζώνης του ριζοστρώματος (RD root depth). Η διαθέσιμη υγρασία Υπολογίζεται με τη σχέση: (2) Όπου: o ASM (available soil moisture), η διαθέσιμη υγρασία σε mm ή m 3 /στρέμμα o FC η υδατοϊκανότητα εκφρασμένα ως ποσοστά % ξηρού βάρους o PWP, το σημείο μόνιμης μάρανσης εκφρασμένα ως ποσοστά % ξηρού βάρους. o ASW, το φαινόμενο ειδικό βάρος (αδιάστατο) o RD το βάθος του ριζοστρώματος (mm). Στην πράξη, στα γεωργικά εδάφη δεν υπάρχει ομοιόμορφο έδαφος για όλο το βάθος του ριζοστρώματος μιας καλλιέργειας. Έτσι, πρέπει να υπολογίζουμε τη διαθέσιμη υγρασία ανά ομοιογενή στρώση και στη συνέχεια να την αθροίζουμε. Κατά κανόνα αυτό γίνεται ανά 30cm, (300mm) Οι τιμές της διαθέσιμης υγρασίας ποικίλουν ανάλογα με τις διάφορες κατηγορίες εδαφών. Η ωφέλιμη υγρασία Στη πραγματικότητα τα φυτά δεν μπορούν να αντλήσουν όλη τη διαθέσιμη υγρασία, παρά κλάσμα αυτής. Το κλάσμα αυτό λέγεται ωφέλιμη υγρασία και συμβολίζεται με το USM (Useful Soil Moisture). Η ωφέλιμη υγρασία (USM) υπολογίζεται ως το κλάσμα της διαθέσιμης υγρασίας: USM = F x ASM (3) Όπου: o ASM (available soil moisture), η διαθέσιμη υγρασία σε mm ή m 3 /στρέμμα o F : ο συντελεστής ωφελιμότητας (τιμές από 0,65 έως 0,30) Ασκήσεις i. Έστω ότι έχουμε έδαφος τύπου αμμώδη πηλού. Χρησιμοποιούμε τενσιόμετρο και σε ορισμένο χρονικό διάστημα από την τελευταία άρδευση, καταγράφουμε τιμή 40cbar. Βάσει του πίνακα (1) να προσδιορίσετε το ποσοστό της εναπομένουσας υγρασίας στο δεδομένο δείγμα εδάφους. ii. Στο παραπάνω δείγμα εδάφους εάν το φαινόμενο ειδικό βάρος (ASW) ισούται με 1,45 g/cm 3 για βάθος 300mm να βρεθεί (βάσει του τύπου 2) η διαθέσιμη υγρασία ASM. iii. (Παραλλαγή άσκησης του βιβλίου Γεωργική Υδραυλικήτων Τερζίδη Παπαζαφειρίου σελ 31). Έστω χωράφι που πρόκειται να καλλιεργηθεί με τομάτα, που για τις συνθήκες περιοχής θα διαμορφώσει ριζόστρωμα βάθους 1,10m. Το έδαφος του χωραφιού αποτελείται από διάφορες στρώσειςτων 9
οποίων η υδατοϊκανότητα, το σημείο μόνιμης μάρανσης και το φαινόμενο ειδικό βάρος βρέθηκαν ότι έχουν τα ακόλουθα μεγέθη: ΣΤΡΩΣΗ (CM) ΥΔΑΤΟΪΚΑΝΟΤΗ ΤΑ (FC) % D.W. ΣΗΜΕΙΟ ΜΟΝΙΜΗΣ ΜΑΡΑΝΣΗΣ (PWP) % D.W. ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΕΙΔΙΚΟ ΒΑΡΟΣ 0-30 21 10 1,45 30-60 33 18 1,30 60-90 28 14 1,35 90-120 25 13 1,40 Οι συνθήκες που επικρατούν στην περιοχή είναι σημαντικά περιοριστικές της ωφέλιμης υγρασίας και έτσι ο συντελεστής F διαμορφώνεται στο επίπεδο του 0,40. Βάσει των τύπων 2 και 3, να υπολογιστεί η διαθέσιμη και η ωφέλιμη υγρασία. 10