Metode određivanja vlage u tlu

Informacija o stanju vlažnosti tla nužna je za kreiranje preciznih rokova i obroka navodnjavanja. Globalni trendovi u svijetu navodnjavanja su što točnije odrediti potrebnu količinu vode za nesmetan rast i razvoj biljke, a da se ne smanje prinosi. Da bi se to postiglo postoje različite metode kojima se pokušava odrediti trenutna količina vlage u tlu. Metode određivanja vlage u tlu:

1. Vizualno
2. Gravimetrijski
3. Matematički (izračun vodne bilance)
4. Pomoću senzora

4.1. Mjerenje električne vodljivosti (elektrometrijska metoda)

4.2. Mjerenje sile (tenzije) kojom se voda drži u tlu

4.2.1. Watermark senzor

4.2.2. Volumetrijski senzor

4.3. Mjerenje dilektrične konstante

4.4. Mjerenje  termalnih karakteristika

4.5. Mjerenje/procjenjivanje pomoću spektralne refleksije

4.6. Mjerenje pomoću radioaktivnog zračenja

Za koju od metoda će se proizvođač odlučiti prvenstveno ovisi o budžetu, potrebnom vremenu za određivanje vlage, preciznošću rezultata i praktičnošću.

1. Metoda vizualnog određivanja vlage tla

Kao što i sam naziv govori, metoda se sastoji od vizualnog pregledavanja tla u polju ili nasadu. Takva metoda nije pouzdana i rezultati pregledavanja tla su subjektivni  te se ne može odrediti pouzdani rokovi i obroci navodnjavanja. Takvu metodu mogu upotrijebiti proizvođači za određivanje vremena agrotehničkih operacija koje se odnose na obradu tla. Za navodnjavanje se ne preporučuje.

2. Određivanje vlage gravimetrijskom metodom

Gravimetrijska metoda ili metoda sušenja je izravna metoda određivanja vlažnosti pomoću sušenja uzorka tla i mjerenju razlike između mase vlažnog i suhog uzorka.

Metoda je precizna i pouzdana te se preporučuje za eksperimentalan rad. Vlaga se određuje tako da se određena količina tla stavi u posudicu te se zagrijava na 105 °C i suši dok sva voda ne ispari. Dobivena razlika u masi, predstavlja vodu koja je isparila, masa isparene vode se uvrsti u formulu te potom izračunava kako bi se dobila vlaga tla izražena u težinskim postocima (% mase). Za pretvorbu težinskih  u volumne postotke, potreban je podatak o  volumnoj gustoći tla koji se određuje u laboratoriju. 

Zbog svoje složenosti i potrebe za velikim brojem uzorkovanja i određivanja vlage (kroz vegetacijsku sezonu za potrebe navodnjavanja) nije  praktična u smislu svakodnevnog korištenja. Metoda se može koristiti prilikom baždarenja različitih senzora/uređaja te za eksperimentalni rad.

3. Matematički (izračun vodne bilance)

Matematički izračun vodne bilance se sastoji od dnevnog računanja  referentne evapotranspiracije.  Postoje na desetke formula preko kojih se može dobiti referentna evapotranspiracija, pouzdanost formule ovisi o broju parametra koji su uključeni u formulu. Danas se za tu svrhu najviše upotrebljava Penman–Monteith formula koja se tijekom desetljeća istraživanja pokazala kao najpreciznija metoda za humidnu i aridnu klimu. Formula je pogodna za računanje evapotranspiracije na dnevnoj bazi.   Za izračun su potrebni podaci o  temperaturi zraka (prosječna,min i max), vlazi zraka (min i max), solarnom zračenju i brzini vjetra. Osim evapotranspiracije za izračun vodne bilance potrebni su i informacije o količini oborina, koeficijentu kulture (za svaki dan u vegetaciji), Poljskom vodnom kapacitetu tla, maksimalnoj količini lako dostupne vode u tlu, te evidencija navodnjavanja kako bi izračun vodne bilance bio točan.

Dnevna referentna evapotranspiracija predstavlja količinu vode koja evaporacijom i transpiracijom se gubi s  velike površine koja je dobro natopljena (nema deficita vode) i zatravljena,   visina trave je  od 8-15 cm. Iz ove definicije se može zaključiti da podatak evapotranspiracije ne odgovara svim kulturama i sustavima uzgoja. Zbog toga su razvijeni koeficijenti kultura. Svaka kultura ima svoj koeficijent i on se mijenja ovisno o dijelu vegetacije. U početku vegetacije  je manja lisna površina čime je i smanjena transpiracija, kako biljna masa raste tako se i potreba za vodom povećava, odnosno u početku vegetacije koeficijenti kulture su niži, kako se primičemo sredini vegetacijske sezone, koeficijent raste do svog maksimuma, zatim se prema kraju vegetacije koeficijent ponovno smanjuje.

Referentnu evapotranspiraciju (ETo) množimo s koeficijentom kulture (Kc) da bi dobili Evapotranspiraciju kulture (ETc).

Vodna bilanca se računa prema formuli:

Dv = Dvpd + ETc – Oef – Irr

gdje su vrijednosti sljedeće:

Dv = deficit (manjak) vode

Dvpd = deficit (manjak) vode prethodnog dana

EToc = Evapotranspiracija kulture (mm)

Oef = efektivne oborine (mm)

Irr = navodnjavanje (mm)

U formulu vodne bilance mogu biti uključeni i voda koja se kapilarno diže iz dubljih slojeva i voda koja površinski otječe. Ali zbog složenosti određivanja tih vrijednosti i njezinog utjecaja na i krajnji rezultat koji nije značajan (na većini tla), često se  te vrijednosti isključuju iz formule.

Ovakvo određivanje deficita vode u tlu je bilo rezervirano za terenska istraživanja od strane fakultete i institucija, što i ne čudi zbog količine potrebnih parametra i vremena koje je potrebno uložiti da se dobe rezultati.

Srećom, razvojem novih tehnologija danas se može za pristupačne novce kupiti agrometeorološka stanica koja mjeri sve potrebne podatke za izračun evapotranspiracije. Također postoje računalne i web aplikacije koje izračunavaju vodnu bilancu na temelju tih izmjerenih podataka.

Primjer navodnjavanja prema evapotranspiraciji su  vinogradi u Australiji, Čileu, Kaliforniji i dr. zemljama gdje poljoprivredne kulture ne mogu namiriti svoju potrebu za vodom isključivo oborinama. Dobar primjer navodnjavanja prema evapotranspiraciji je CIMIS projekt u Kaliforniji, gdje Kalifornijski ured za vodne resurse na web stranicama objavljuje dnevne vremenske prilike s izračunatom referentnom evapotranspiracijom. Prema tim informacijama Kalifornijski poljoprivrednici određuju obroke i rokove navodnjavanja.

U vinogradarstvu često upotrebljavana metoda je RDI (Regulated Deficit Irrigation) gdje se navodnjava samo određeni postotak ukupne evapotranspiracije kulture. Kojim postotkom će se navodnjavati ovisi o razvojnoj fazi vinove loze i želji vinogradara što želi postići s vinovom lozom (smanjiti vegetaciju, povećati prinos, smanjiti prinos i dr.). Voćarstvo, ratarstvo i druge grane poljoprivrede se također okreću takvom određivanju vode u tlu.

4. Metoda senzorskog određivanja vlage u tlu.

Određivanje vlage pomoću senzore je danas najraširenija metoda. Odlikuje se jednostavnošću i brzinom prikupljanja podataka i donošenja odluke o vremenu i količini navodnjavanja.

4.1. Određivanje vlage tenziometrom

Ova metoda počiva na principu mjerenja sile (podtlaka, tenzije) kojom se voda drži u tlu. Tenziometar je najpouzdaniji pri višoj razini vlage u tlu. On se postavlja u zonu korijenovog sustava biljke, te se ponaša kao „umjetni korijen s brojčanikom“.

Primjer jednog tenziometra je Irrometer. Irrometer se sastoji od zatvorene cijevi napunjene vodom, specijalno vakuumiranog brojčanika i poroznog vrha koji se postavlja u zemlju na željenu dubinu korijenovog sustava. Kod suhih uvjeta, voda je izvučena iz instrumenta, smanjujući količinu vode u instrumentu i stvarajući pod-tlak koji se onda očitava na brojčaniku. Što tlo ima manje vlage, to su veće vrijednosti. Kod navodnjavanja je suprotna situacija. Pod-tlak koji je stvoren zbog suhog tla sada uvlači vodu iz tla natrag u instrument, a brojčanik pokazuje niže vrijednosti.

Irrometer bilježi cijeli raspon moguće vlažnosti tla neophodne za maksimalni rast biljaka. Očitanja nam govore kod koje vrijednosti treba početi ili završiti s navodnjavanjem da bi se dobili najbolji rezultati za određene kulture i uvjete.

Prednosti ovakvog pristupa su relativno niska cijena te jednostavnost instalacije i rukovanja. Unatoč tome, s njim je potrebno oprezno rukovati jer je zbog konstrukcije izložen lomu.

4.2. Određivanje vlage elektrometrijskom metodom 

Elektrometrijska metoda bazira se na mjerenju električne vodljivosti medija, koja ovisi o stanju vlage u tlu. Postoje viši tipova senzora koji na ovaj način mjere vlagu u tlu. Gipsani, čije se elektrode nalaze u konusnom gipsu (Watermark senzor) i senzori čije se elektrode nalaze u vitroplastu (Volumetrijski senzori).

Princip rada je kod jednog i drugog isti. Jedna elektroda šalje struju drugoj elektrodi, između njih je medij s vodom koja stvara otpor te umanjuje tu struju. Iako je princip rada isti, razlike postoje. 

4.2.1. Watermark

Watermark senzori  su u primjeni od 1978. godine. Jedna od glavnih prednosti ovakvih senzora je u činjenici da mogu ostati u tlu tijekom cijele vegetacije te tako možemo imati pristup detaljnim informacijama. Watermark senzori su kompaktni, lagano se instaliraju i održavaju te su relativno jeftini. Podaci se mogu prikupljati pomoću data logera ili tako da je senzor cijelo vrijeme spojen na agrometeorološku stanicu te se podaci automatski šalju na servere kojima korisnici pristupaju pomoću računalnih ili mobilnih aplikacija.

Watermark senzori su najpoznatiji predstavnici gipsanih senzora koji mjere električnu vodljivost. S obzirom na to da su elektrode u gipsu one ne dolaze u kontakt s okolnim tlom, već samo s vodom koja prodire u njih  i gipsom. Električna provodljivost  se mjeri u mediju koji je uvijek konstanta (gips). Senzor nije osjetljiv na pH tla, tip tla i temperaturu tla. 

Izmjerene veličine se preračunavaju u centibare (cb) odnosno u vrijednosti koje prikazuju potrebnu silu koju biljka treba ostvariti da bi uvukla vodu u svoj korijen. Vrijednosti se kreću od 0 – 200 cb, što je vrijednost niža to je tlo zasićenije vodom odnosno što je vrijednost veća to je deficit vode u tlu veći.

Proizvođač senzora navodi kako interpretirati izmjerene vrijednosti:

0 – 10 cb  = Tlo dobro saturirano vodom

10 – 30 cb = Tlo sadrži adekvatnu količinu  vodu za normalan rast i razvoj biljke  (osim kod pjeskovitih tla, kod kojih se na oko 30 cb počinje javljati deficit vode)

30 – 60 cb = Uobičajene vrijednosti kada je potrebno navodnjavati (Osim kod teških tla)

60 – 100 cb = Uobičajene vrijednosti kada je potrebno navodnjavati teška tla

100 – 200 cb = Tlo postaje presuho za maksimalne prinose

Još jedna prednost Watermarka jest u mogućnosti postavljanja više senzora na više dubina. Tako se omogućuje bolje praćenje vlažnosti tla u zoni korijenovog sustava, kretanje vode te vlažnosti tla na većim dubinama.

4.2.2. Volumetrijski senzori

Elektrode ovog senzora se nalaze između dva sloja vitroplasta te su dobro izolirani od dodira s mjerenim tlom. Izmjerenu dielektričnu  vodljivost pretvaraju u vlagu  tla izraženu u volumnim postocima (Vol.%). Također kao i watermark senzori, mogu biti zakopani u tlu kroz cijelu sezonu te na više dubina. Volumen tla u kojemu senzor mjeri vlagu tla ovisi o veličini senzora a kreće se od 0,3 l do 1 l.   Manji senzori su primjereniji za plasteničku proizvodnju i uzgoju u kontejnerima dok su veći senzori primjereniji  za mjerenje na otvorenim površinama.  Senzori su standardno kalibrirani za većinu tla. 

4.3. Određivanje vlage mjerenjem dielektrične konstante

Pod ovu metodu pripadaju radarska reflektometrija (TDR – time domain reflectometry) i frekvencijska reflektometrija (FDR – frequency domain reflectometry). TDR se smatra preciznom metodom za procjenu sadržaja vode u tlu. Princip rada je u praćenju vremena koje je potrebno da elektromagnetni signal prođe kroz čelične senzore zabijene u tlo i reflektira se natrag prema receptoru. Razlici u vremenu to jest brzini povratnog signala uzrok je dielektrična konstanta koja je pod utjecajem sadržaja vode u tlu.

Prednosti ove tehnologije su njegova preciznost, minimalna destruktivnost strukture tla, relativna neosjetljivost na pH tla, istovremena mogućnost mjerenja EC tla te činjenica da nije potrebno baždarenje za određene tipove tla. Pod nedostacima se smatraju cijena opreme, mogućnost ograničene primjene u uvjetima s visokim sadržajem soli ili gline u tlu te relativno mala osjetljivost na promjene u sadržaju vlage u tlu.

FDR metoda funkcionira na sličnom principu kao i TDR metoda. Također se bazira na promatranju elektromagnetnog signala, ali u smislu promatranja napona. Uzrok razlike između određenog napona i napona reflektiranog iz senzora je dielektrična konstanta koja je u vezi s količinom vlage u tlu.

4.4. Određivanje vlage mjerenjem termalnih karakteristika

Ovakav pristup je indirektna metoda mjerenja koja iskorištava promjene termalnih karakteristika tla s obzirom na količinu vlage u tlu. Pod termalne karakteristike smatraju se toplinska provodljivost, toplinska difuznost, temperatura i specifični toplinski kapacitet.

Metoda prijenosa topline koristi izvor energije (ugl. zagrijanu iglu) i senzore temperature (termoparovi ili termistori), stavljenih u poroznu keramiku koja se dovodi u ravnotežu s okolnim tlom s određenom količinom vlage. Igla je zagrijana a brzina prijenosa topline se mjeri temperaturnim senzorima. Toplinska provodljivost uvjetuje  promjenama u temperaturi koje se mjere prije i poslije zagrijavanja.

Metoda toplinskog toka temelji se na apliciranju toplinskog pulsa na jednoj lokaciji i dolasku istog na drugu, mjerenjem temperature na toj lokaciji. Vrijeme koje je potrebno toplini da prođe od jedne lokacije na drugu uvjetovano je toplinskoj provodljivosti koja je u vezi s količinom vlage u tlu, s obzirom na to da tlo samo po se bi je loš provodnik topline. Ovakva metoda se koristi i za određivanje vodnih konstanti, kalibracijom senzora.

4.5. Određivanje vlage spektralnom refleksijom

Ovakav pristup pripada u beskontaktnu metodu, u daljinska istraživanja. Ova metoda nije direktno mjerenje, već procjenjivanje vlage u tlu šireg područja promatranja. Kao izvor informacija, u današnje doba sve više značaja u proizvodnji imaju podaci prikupljeni bespilotnim letjelicama od onih satelitskim snimanjima.

Metoda se temelji na znanju o spektralnoj krivulji vode, to jest činjenici da voda apsorbira zračenje u bliskom infracrvenom području, pa te samim time vlažna tla manje reflektiraju zračenje te ga više apsorbiraju. Na temelju dobivenih podataka, softverski potpomognutom analizom i interpretacijom te naknadnom verifikacijom podataka na terenu moguće je procijeniti količinu vlage na određenoj površini.

Ovaj pristup ima određene nedostatke poput faktora koji utječu na samu refleksiju kao što su  količina organskih tvari u tlu, načini kultivacije i struktura tla, ali zbog prednosti zahvaćanja većeg područja, on ima određen značaj u današnjoj poljoprivredi.

4.6. Određivanje vlage mjerenjem radioaktivnog zračenja

Mjerenje vlažnosti tla neutronima i gama zrakama daje povoljne rezultate, ali pri primjeni ovog načina mjerenja potrebna je stručnost i opreznost.

Za korištenje ovakve opreme potrebna je ovlaštena osoba, mjerač je potrebno držati na adekvatnom mjestu te prevoziti ga odgovarajućim tipom vozila do mjesta mjerenja radi opasnog zračenja. Radi spomenutog, ovakav tip mjerenja vlažnosti se kod nas nije proširio.

dr. sc. Vedran Krevh

Tomislav Dvorski, mag.ing.agr.

Izvori:

Bittelli M. (2011). Measuring Soil Water Content: A Review. HortTechnology, vol. 21, no. 3, 293-300

Chard J. (2016). Watermark soil moisture sensors: Characteristics and Operating Instructions, Utah State University

IAEA (2008). Field Estimation of Soil Water Content, International Atomic Energy Agency, Vienna

Jaić M. (2017). Usporedba TDR metode (time domain reflectometry) i metode tenziometra u praćenju sadržaja vode u tlu, Poljoprivredni fakultet u Osijeku, Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku

Lukanu G., Savege M.J. (2006). Calibration of a frequency-domain reflectometer for determining soil-water content in a clay loam soil, Soil-Plant-Atmosphere Continuum Research Unit, School of Environmental Sciences, University of KwaZulu-Natal, Pietermaritzburg, South Africa

Madjar S., Šoštarić J. (2009). Navodnjavanje poljoprivrednih kultura, Poljoprivredni fakultet u Osijeku, Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku

Oluić M. (2001). Snimanje i istraživanje Zemlje iz Svemira: sateliti, senzori, primjena Hrvatska akademija znanosti i umjetnosti i GEOSAT d.o.o. Zagreb

Ondrašek G., Petošić D., Tomić F., Mustać I., Filipović V., Petek M., Lazarević B., Bubalo M. (2015). Voda u agroekosustavima, Sveučilište u Zagrebu, Zagreb

Oyeyemi K.D., Sanuade O.A., Oladunjoye M.A., Aizebeokhai A.P., Olaojo A.A., Fatoba J.O., Olofinnade O.M., Ayara W.A., Oladapo O. (2018). Data on the thermal properties of soil and its moisture content, Data in Brief, Vol. 900-906

Pernar N., Bakšić D., Perković I. (2018). Terenska i laboratorijska istraživanja tla, Šumarski fakultet, Sveučilište u Zagrebu

Romić D. i sur. (2016.). Pilot projekt navodnjavanja drvenastih kultura (vinove loze i masline) uzgajanih na osvojenim krškim površinama na području Donje polje-Jadrtovac kod Šibenika – Izvješće za 2015. godinu, Agronomski fakultet, Sveučilište u Zagrebu, Institut za jadranske kulture i melioraciju krša Split

Šimunić I. (2013). Uređenje voda, Hrvatska Sveučilišna naklada, Sveučilište u Zagrebu

Tepšić D. (2017). Usporedba metoda elektrometrije i tenziometra za praćenje sadržaja vode u tlu, Poljoprivredni fakultet u Osijeku, Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku

Tomić F., Ondrašek G. (2009). Vodni režim supstrata u zaštićenom prostoru, Agronomski fakultet, Sveučilište u Zagrebu