Voda má v prírode a pre život človeka nenahraditeľný význam a je jednou zo základných podmienok poľnohospodárskej produkcie, spolu s pôdou, teplom, svetlom a živinami. V našich podmienkach je najvýznamnejším zdrojom vody pre poľnohospodárske plochy stále zrážková voda. V súčasnosti sa však čoraz častejšie vyskytujú významné rozdiely v ročnom chode množstva a dostupnosti vody pre rastliny, rovnako ako aj obdobia sucha.
Momentálny obsah vody v pôde predstavuje vlhkosť pôdy, ktorá sa vyjadruje v percentách k hmotnosti alebo objemu suchej zeminy. Jej priestorová, ako aj časová variabilita je značne heterogénna. Poznanie priestorovej variability vlhkosti pôdy umožní poľnohospodárom identifikovať lokality s potrebou dodatočných závlah v prípade výskytu suchšieho obdobia a prispôsobiť zavlažovanie konkrétnemu stavu daných lokalít.
Základné Typy Pôdnej Vlhkosti
Pri meraní pôdnej vlhkosti rýchlo vyvstáva otázka parametra merania. Pôdnu vlhkosť možno určiť objemovou alebo hmotnostnou frakciou vody.
Objemová Vlhkosť Pôdy (Volumetric Moisture, θᵥ)
Objemová vlhkosť (θᵥ) je definovaná ako objem vody delený celkovým objemom pôdy.
Príklad: 1 liter záhradnej pôdy so 400 ml vody → θᵥ = 0,4 alebo 40 %.
Hmotnostná Vlhkosť Pôdy (Gravimetric Moisture, θg)
Hmotnostná vlhkosť (θg) je definovaná ako pomer hmotnosti vody k celkovej hmotnosti (hmotnosti vlhkej pôdy).
Príklad: 1 liter záhradnej pôdy z vyššie uvedeného príkladu váži v suchom stave napríklad 1 200 g. Ak sa pridá 400 g vody, celková hmotnosť (vlhká pôda) je 1 600 g. Hmotnostná vlhkosť (θg) sa potom vypočíta ako (400 g / 1 600 g) * 100 % = 25 %.
Rozdiely Medzi Objemovou a Hmotnostnou Vlhkosťou
Z príkladu je zrejmé, že jeden liter rovnakej záhradnej pôdy so 400 ml vody má objemovú vlhkosť 40 %, ale hmotnostnú vlhkosť 25 %. Vo širokom rozsahu vlhkosti zostáva objem pôdy do značnej miery konštantný, pretože voda vypĺňa póry a medzery. Až keď sa stratí veľké množstvo vody a štruktúra pôdy sa zrúti, objem sa zmenšuje. Vtedy sú viditeľné praskliny spôsobené vysychaním. Kedy a do akej miery k tomu dochádza, závisí vo veľkej miere od typu pôdy. V piesočnatých pôdach sa objem mení len minimálne aj v úplne suchom stave, pretože častice sú veľmi veľké. Preto sa objemová a hmotnostná vlhkosť menia veľmi odlišne.
Ak by sa do príkladovej pôdy pridalo ďalších 100 ml vody, objemová vlhkosť by sa zvýšila zo 40 % na 50 %. Hmotnostná vlhkosť by bola teraz 500 g / 1 700 g ≈ 30 %, takže by sa zvýšila iba o 5 percentuálnych bodov. Numerický rozdiel medzi objemovým a hmotnostným meraním tej istej vzorky pôdy môže byť teda značný.
Metódy Merania Pôdnej Vlhkosti
Gravimetrická Metóda (Stanovenie Vážením)
Táto metóda je jednou z najstarších a najpresnejších metód stanovenia pôdnej vlhkosti. Je jednoduchá, ale stále prácna.
- Potrebné vybavenie: Váha, žiaruvzdorná nádoba (minimálne 1/2 litra), záhradné náradie a trpezlivosť.
- Postup:
- Zvážte prázdnu nádobu.
- Naplňte nádobu vzorkou pôdy a opäť zvážte. Získate hmotnosť vlhkej pôdy (hmotnosť nádoby + vlhká pôda).
- Vysušte vzorku pôdy, napr. na slnku (2-3 dni), v rúre (2-3 hodiny pri 105-110 °C) alebo v mikrovlnnej rúre.
- Po vysušení zistite hmotnosť suchej pôdy (hmotnosť nádoby + suchá pôda).
- Výpočet:
- Hmotnosť vody = (Hmotnosť vlhkej pôdy) - (Hmotnosť suchej pôdy)
- Hmotnostná vlhkosť (θg) = (Hmotnosť vody / Hmotnosť vlhkej pôdy) * 100 %
Meranie je zaujímavé na jednorazové určenie vlastností pôdy, ako je napríklad poľná kapacita, ale pre nepretržité praktické použitie v záhrade je príliš prácne a časovo náročné.
Rezistívna Metóda
Rezistívne pôdne vlhkostné senzory merajú elektrický odpor medzi dvoma elektródami a tým, ako dobre prostredie vedie elektrický prúd. Problémom je, že čistá voda je veľmi slabý vodič. Vodu vodivou robia až rozpustené soli v pôde. Meranie tak síce do istej miery koreluje s množstvom vody v konkrétnej záhrade, ale je extrémne závislé od typu pôdy. Meranie oveľa viac vypovedá o množstve rozpustených minerálov a solí v roztoku ako o absolútnom obsahu vody. Malé prúdy, ktoré pretekajú, zvyšujú spotrebu energie a dlhodobo poškodzujú elektródy v dôsledku usadenín. V malej miere sa do pôdy uvoľňujú aj kovy. Celkovo má rezistívne meranie pôdnej vlhkosti mnoho slabín a odporúča sa iba podmienečne.
Kapacitná Metóda
Pre pochopenie kapacitných meracích metód je potrebná krátka exkurzia do chémie vody. Molekuly vody sú malé a skladajú sa z jedného atómu kyslíka a dvoch atómov vodíka. Elektróny molekuly sú silne priťahované atómom kyslíka. Preto má molekula pri pohľade zvonku negatívne nabitú oblasť okolo atómu kyslíka a pozitívne nabitú oblasť okolo atómov vodíka. Voda je tak ukážkovým príkladom elektrického dipólu. Dipólový moment vody je zodpovedný za mnohé z jej jedinečných a životne dôležitých vlastností, ako je jej schopnosť pôsobiť ako rozpúšťadlo pre iné polárne látky a soli, a tvorba kryštalickej štruktúry, ktorá vedie k jej vysokému bodu varu, povrchovému napätiu a kapilárnemu pôsobeniu.
Keď sú molekuly vody umiestnené do elektricky nabitého prostredia, napríklad medzi pozitívne a negatívne nabitú platňu (elektródy), zarovnajú sa oproti náboju platne. Tým sa tlmí náboj a vyžaduje sa energia. Táto vlastnosť ukladania náboja je špecifická pre materiál a nazýva sa permitivita, meraná permitívnym číslom. Pre vodu je toto číslo približne 80 a je výrazne vyššie ako pre väčšinu ostatných látok. Pre porovnanie, permitívne číslo vzduchu je 1 a suchej pôdy sa pohybuje medzi 3 a 10. Voda tak ukladá náboj vo veľmi malej miere ako batéria. Samozrejme, voda sa nedá použiť ako batéria, ale efekty vyplývajúce z permitivity možno merať mnohými metódami. Medzi tieto efekty patrí oneskorenie signálu, útlm amplitúdy, odrazy a iné. Na týchto metódach sú založené kapacitné meracie metódy.
Časová Doménová Reflektometria (Time Domain Reflectometry, TDR)
Senzory prvej skupiny vysielajú krátky signálny impulz a merajú časy šírenia signálu alebo odrazov. To si vyžaduje vysoko presné meranie času. Všeobecne sa používa anglický termín TDR. TDR senzory sú zvyčajne veľké, ponúkajú dobrú presnosť merania, sú zložité na inštaláciu, musia byť kalibrované pre pôdu a sú drahé.
Frekvenčná Doménová Reflektometria (Frequency Domain Reflectometry, FDR)
Druhá skupina kapacitných senzorov používa vysokofrekvenčný signál a meria zmeny frekvencie pri kontakte so vzorkou pôdy. Najčastejšie používaný anglický termín je FDR. FDR senzory ponúkajú dobrú presnosť, majú menej zložitú elektroniku a sú ľahšie ovládateľné ako TDR, vyžadujú kalibráciu pre pôdu pre dosiahnutie najlepších výsledkov a sú cenovo výhodnejšie ako TDR. Modernizáciou sa multispektrálne kamery zmenšovali, stávali finančne dostupnejšími a dnes sú už tak kompaktné, že sú často využívané pri snímaní pomocou bezpilotných leteckých zariadení (UAV).
Praktické Tipy pre Kapacitné Senzory
- Objemové meranie: Kapacitné senzory merajú elektrickú kapacitu a permitivitu okolitého pôdneho prostredia. To úzko koreluje s objemovým obsahom vody, t.j. s pomerom objemu vody k celkovému objemu. Senzory "vidia" celé elektrické pole - teda vzduch, vodu a tuhé látky - ako zmes. Preto sú všetky výsledky meraní závislé od pôdy. Napríklad soli, hnojivá a humus zvyšujú základnú kapacitu suchej pôdy. Ťažké pôdy majú tiež vyššiu základnú kapacitu. To znamená, že bez kalibrácie nemôže existovať absolútne správne meranie vlhkosti, pretože vplyv pôdy nie je zanedbateľný.
- Kalibrácia: Všetky kapacitné senzory by museli byť kalibrované pre danú pôdu, ak by sa chceli získať správne absolútne hodnoty objemovej vlhkosti. V praxi to však zvyčajne nie je potrebné, pretože namerané hodnoty senzora sú neustále posúvané "pôdnym faktorom". To sa musí brať do úvahy iba pri interpretácii výsledkov a najmä pri riadení zavlažovania.
- Hĺbka prieniku a rozsah merania: Kapacitné senzory sú obmedzené na oblasť medzi elektródami. To znamená, že ak chcete vykonávať veľkoobjemové merania, senzory sa rýchlo stávajú veľkými a nepraktickými. Čím väčší senzor, tým väčší efekt.
- Závislosť od teploty: Permitivita vody je závislá od teploty - napríklad pri 20 °C je približne 80, pri 0 °C stúpa na približne 88 a pri 40 °C klesá na približne 72. To znamená, že teplejšie pôdy sa javia ako suchšie. Tento efekt je nezávislý od teplotných vplyvov na elektroniku a ovplyvňuje presnosť merania.
Využitie a Význam Monitoringu Pôdnej Vlhkosti
Diaľkový prieskum Zeme (DPZ) je vedecká disciplína a zároveň technológia, ktorá sa primárne zaoberá získavaním informácií o javoch alebo objektoch na zemskom povrchu bez nutnosti byť s nimi v priamom kontakte. V kvalite snímania nastal od počiatkov DPZ veľký posun, prevažne v kvalite výsledných snímok a v spôsobe ich získavania. Využiteľnosť metód DPZ stúpa aj vo vzťahu k štúdiu pôdneho krytu, a to najmä v oblastiach poľnohospodárstva a ochrany pôdy.
Keďže pôda je komplex viacerých zložiek, jej celková odrazivosť (množstvo a charakter odrazeného elektromagnetického žiarenia), teda tzv. spektrálny prejav pôdy, bude výsledkom kombinácie čiastkových hodnôt odrazivosti/spektrálnych prejavov jej zložiek. Pôdna vlhkosť je výrazne prepojená s pôdnou zrnitosťou a znižuje pôdnu odrazivosť. Pôdy s vyšším obsahom piesočnatých častíc majú zvyčajne nízke hodnoty pôdnej vlhkosti a relatívne vysokú odrazivosť, naopak ílovité pôdy majú hodnoty odrazivosti nízke.
Oblasť precízneho poľnohospodárstva má v tejto sfére veľký potenciál. Vo svetle perspektívneho zhoršovania sa problému sucha do budúcnosti, ako aj nárastu dopytu po potravinách, predstavený postup umožňuje orientačné zisťovanie pôdnej vlhkosti s použitím DPZ. Skúmanie priestorovej diferenciácie samotnej vlhkosti pôdy nástrojmi DPZ sa dá využiť v období, keď je poľnohospodárska pôda bez vegetácie. Dokáže identifikovať lokality, ktoré budú mať vysokú úroveň predispozície na rapídne vysychanie v obdobiach s dlhšou absenciou zrážok.
tags: #hmotnostna #vlhkost #pir