Ana Sayfa › Genel › Buharlaşma, Evapotranspirasyon ve Toprak Nemi
Dünya yüzeyinin altında büyük bir taze su rezervuarı bulunmaktadır. Bu yüzey altındaki su toprak nemi, yer altı yüzeyi suyu, sığ yüzey suyu ve derin yüzey suyu olarak ayrılabilir. Toprak nemi ve yer altı yüzey suyu bölgeleri birlikte havalandırma bölgesi olarak bilinir. Herhangi bir zamanda toprak nemi olarak tutulan su miktarı dünyanın toplam mevcut suyuna kıyasla önemsiz miktardadır fakat bitki yaşamı ve yiyecek üretimi dolayısıyla yaşam için hayati öneme sahiptir.
Toprak nemi, moleküler çekim yoluyla toprakta tutulan su olarak tanımlanabilir. Toprakta suyun tutulmasına neden olan güçler adhesif (yapışkan) ve kohesif (birbirine bağlı) kuvvetlerdir. Bu güçler yer çekimi, buharlaşma ve terlemeye karşı hareket ederler. Böylece herhangi bir zamanda topraktaki nem miktarı başlangıçta mevcut olan nem miktarı ve nem üzerinde etkili olan güçlerin süresi ve kuvveti yoluyla belirlenir.
Yağış ve kar erimesi gibi toprak suyunun doğal kaynakları kuraklık zamanında normal olarak oldukça azalır. Yüzey akışlarının suyu bulunulan yerden taşıdığı zamanlarda, bitişik tepeliklerden yüzey veya yüzeyin altına toprak neminin eklendiğinde eğim şekli, gradyanı ve toprak yüzeyi pürüzlülüğü toprak su ihtivasını etkileyecektir. Kök derinliğimden öte buharlaşma, evapotranspirasyon ve derin sızıntılar toprak nemini tüketen diğer faktörlerdir. Bundan dolayı toprak su ihtivası, herhangi bir zaman için toprakta depolanan su miktarını doğru olarak göstermek için spesifik sayısal terimlerle tanımlanmalıdır.
Kuvvetli yağış veya kar erimesi sonrasındaki doygunlukta bir miktar su toprak profili boyunca aşağıya doğru sızar. Bu su fazlalığı gravitasyonel su olarak bahsedilir ve bazı bitkilerin kök derinliği altına sızabilir. Burada toprak nemi ile ilgili olarak bazı terimlerin tanımlanması önemlidir. Arazi kapasitesi sızma olduktan sonra toprak kalan su miktarı olarak tanımlanır. Solma noktası, suyu absorbe eden bitki kökü potansiyelinin toprağın su potansiyeli yoluyla dengelendiği toprak su ihtivası olarak tanımlanır. Arazi kapasitesi ve solma noktası arasındaki su miktarı, bitkilerin, mevcut olduğunda gravitasyonel su çıkarılmasına rağmen mevcut bitki su ihtivası olarak göz önüne alınır.
Toprağın nem ihtivası, sulama programı kararı verilmesinde anahtar bir bileşendir. Kök bölgesi toprak nemi için bir rezervuar olarak hizmet eder. Yağışlı sezon boyunca nem ihtivası yüksektir fakat hasat zamanında toprak genellikle nemden yoksundur. Böylece toprak nemi ölçümü, su eksikliği olarak sonuçlanan sulama azlığı veya gübre filtrelemesi ve suyun boşa harcanması olarak sonuçlanan aşırı sulamayı önlemede önemli bir faktördür.
Toprak nemi, suyun toprak parçacıkları tarafından sıkıca nasıl tutulduğunu belirten nicelik ve nitelik bakımından iki ayrı metodla ölçülür.
Gravimetrik metod, toprak nemi ölçümünde direkt metodlardan birisidir. Bir toprak örneği (genellikle 60 cm3) toplamayı ve kurutmadan önce ve sonra örneği tartmayı ve nem ihtivasını hesaplamayı kapsar. Toprak örneği, ağırlığı 105°C sıcaklıkta sabit kaldığında kurutulmasını göz önüne alır. Özel kurutma fırınları ve terazileri gibi örnek alma cihazlarının birçok çeşidi geliştirilmiş ve bu metod için kullanılmıştır. Gravimetrik metod toprak nem ihtivasını ölçmede en doğru sonuç veren metoddur ve diğer metodlarda kullanılan cihazların kalibrasyonu için bir standart olarak hizmet eder. Bununla beraber laboratuar çalışması için zeminden örneğin götürülmesi gereksimi nedeniyle herhangi bir lokasyonda toprak neminin sürekli kaydının elde edilmesinde kullanılamaz.
Toprak nemi belirlenmesine bağlı gravimetrik metod için örnek toplamanın yöntemi, hacimsel belirlenmesi için değil kuruyan kütlenin belirlenmesi için örneğin hacmine veya örneğin kuru kütlesine dayanmaktadır. Örnek hacimsel belirleme için değil kuruyan kütlenin belirlenmesi için karıştırılabilir. Toprak örneği alma, toprak oldukça kuru veya oldukça nemliyse veya örnek alma cihazının kolayca kesmesini engelleyici materyal veya taş ihtiva ettiği durumlarda zorluklarla doludur.
Örnek toplama için kullanılan cihaz ve teknikler, örnek toplama ve taşıma süresince değişmiş ve bozulmuş olacağı için nem kaybı veya kazancı olmayan örnekler olmalıdır. Kuru bir tabaka içinden nemli bir katman örneği alınacağı zaman, örnek alma ekipmanını mümkün olduğu kadar kuru tutmaya ve kuru materyal içindeki delikten aşağı akan suyu engellemeye dikkat edilmelidir. Toprak içinde serbest halde su varsa, ölçülen nem miktarı muhtemelen gerçek değerden daha az olacaktır çünkü bir miktar su zeminden örnek alınırken aşağı damlayacak veya örnek alınırken sıkışmadan dolayı dışarı sıkılacaktır.
Kuru, sert, dokusu düzgün sedimentlerle karşılaşıldığında delme cihazının döndürülmesi veya nüve silindirini hareket ettirmek zordur. Kuru, kaba yapılı sediment örneği alındığında örnek geri çekildiği zaman delme cihazı veya nüve silindirinin sonundaki kısım kesilmelidir. Taşlı topraklar cihazın kesme sınırlarında bir taşa vurma ihtimali sebeiyle özellikle hacimsel olarak örnek alması zordur çünkü temsil eden örnek büyükçe olmalıdır. Oldukça fazla kök ve diğer organik maddeleri içeren topraklar zorluğu temsil eder.
Çakıllı toprakların gravimetrik neminin belirlenmesi için alınan toprak miktarı çakıllı olmayan topraklardakinden çok fazladır ve oransal olarak çakıl ihtivası ve büyüklüğüne bağlıdır. Nem kütle (ağırlık) yüzdesi olarak belirlenir. Kütle yoğunluğu çarpılırsa, hacmin yüzdesi olarak nem elde edilir.
Toprak nem örneği alınmasında, örneklerin kutulanması gibi bütün örnek alma işlemleri ve nemli örneklerin ağırlık ölçümü nem kaybını mümkün olan en aza indirmek için olabildiğince hızlı yapılması esastır. Eğer donanım passız ve nemsiz olur ve temiz tutulursa, örnek alma ekipmanı kullanımındaki birçok zorluktan sakınılabilir.
Toprak nemi örnek alıcısının en basit ekipmanı el delgisidir. Aluminyum borunun ince sap uzantılı el delgileri 17 metreye kadar olan derinliklerde örnek alma işleminde kullanılmıştır. El delgilerinin en faydalı tiplerinden biri altında iki tane kavisli kesici dişleri ve üzerinde 1,4 metre uzatma borulu 230 mm uzunluğa ve 76 mm çapında bir silindirden oluşur. Çünkü cihaz sert bir silindirdir, örnek test deliği sınırlarından bozulmaya uğramaz. Böylece iyi, temsil edebilen fakat örselenmiş örnek bu alt kullanılarak elde edilir. 1,5 metreden daha derinlerden örnek almanın kolay olması için 19 mm alüminyum borunun 0,9 metre uzatması gerekiyorsa eklenebilir (Şekil I.4.10).
El delgisi metoduyla örnek elde etmek için, delgi silindiri doldurmak için materyalin 80 mm kadar içine sokmak gereklidir. Ardından delgi yüzeye çıkarılır ve silindir örneğin boşaltılması için sarsılarak lastik çekiçle vurulur.
Şekil 9. Toprak delgisi ve tüpler (soldan sağa: burgu veya vida delici; silindir şeklindeki delici; örnek alma tüpü; Alman balçık delicisi; torf örnekleyici)
(Kaynak: http://soils.usda.gov/technical/manual/print_version/complete.html)
Tüp veya nüve silindiri örnekleyicisi (Şekil 9)
Toprak örneği alma tüpü, nüve silindiri veya örnekleyici kullanmak, volümetrik örnekler hacim yoluyla nem ihtivası hesaplamaları için kullanılması gibi toprak nemi örneklemesi bir avantaj sunar. Cihaz temiz tutulursa, nüve örnekleyicileri saf örnekler sağlar. Yağ örnekleyicide asla kullanılmamalıdır ayrıca kir, pas ve nemden korunmalıdır. İki kişilik ekip derin örnek alma işlemleri için tavsiye edilir ve 20 metre derinliklerden örnek alınabilir (Şekil I.4.11). En az 100 cm3 toprak nüvesi hacmi tavsiye edilir.
Açık sürüş örnekleyicisi derinde örnek alma için 1.5 metre uzunluğa ve 25 mm çapında uzatma tüpleriyle 100 mm uzunluğa ve iç çapı 50 mm olan nüve silindirinden oluşur. 50 mm unluğundaki pirinç silindir dolgu, bozulmamış nüve örneği tutmak için kullanılır. Örnekler bir pistonu itme yoluyla nüve silindirinden çıkarılır. Hafif bir delgi kolu veya 15 mm boru uzatma olarak kullanılır.
Sığ derinliklerden volümetrik nüve örneği elde etmek için basit ve ekonomik bir örnekleyici 19 mm’lik borunun 90 cm’lik T kolunun sonuna monte edilen, 150 mm uzunluğa ve 50 mm çapında ince olarak yapılan pirinç tüpten oluşur. Örnekleyici delikten çıkarıldıktan sonra, merkez pistondan nüve silindirinden dışarı itilir. Nüve silindirinin iç çapı bilindiğinde, volümetrik örnekler örnekleyiciden dışarı çıkarılması gibi nüvenin önceden belirlenen uzunluklarının kesilmesiyle kolayca elde edilebilir.
Öncelikle nemli toprak örnekleri taşıma kapları içinde ayrı ayrı tartılır. Kaplar açılır ve 105°C ±0.5 derece sabit sıcaklıkta çalışma kapasitesine sahip kurutma fırınlarına yerleştirilir.
Şekil 10. Toprak örneği alma teçhizatı (Kaynak: http://www.colparmer.com/catalog/product_view.asp?sku=9902640)
Şekil 11. Kamyonet üzerine monte edilen hidrolik olarak çalışan örnek alma tüpü. Tüpün açık yüzü yerdedir. Hidrolik kontroller sağdadır.
Önemli miktarda kalsiyum sülfat veya torf içeren numuneler için, kuru duruma ulaşması için daha uzun süreye ihtiyaç duyduğu numuneler için fırın sıcaklığı 50°C ±0.5 olmalıdır.
Kuruma sonrası örnekler kapları içinde tekrar ölçülür. Örneğin kuru ve nemli ağırlığındaki fark orijinal su ihtivası ölçümüdür. Alkolün fırınlanması, infrared lambalar ve mikrodalga fırınları gibi standart fırından daha hızlı diğer kurutma işlemleri kullanılabilir.
Örnekler çakıl ve taş içeriyorsa, çakıl vey/veya taşların hacimleri veya ağırlıkları ayrı ayrı belirlenebiliyorsa yukarıdaki işlem modifiye edilebilir.
Metodun avantaj ve dezavantajları aşağıda verilmiştir.
Avantajları: Bu teknik nispeten pahalı olmayan, basit ve yüksek doğruluktadır.
Dezavantajları: Bu teknik zaman alan, yoğun emek gerektirir ve kayalık topraklarda zordur.
Nötron metodu, toprağın birim hacmindeki suyun miktarını gösterir. Bu metod ile ölçülen toprak hacmi, hazne şeklindedir ve nem miktarına ve kaynağın aktivitesine göre 1 ile 4 metre yarıçapına sahiptir.
Bu metod hızlı bir nötron kaynağından (Greacen, 1981) toprak içine yayılan nötronun yavaşlamasının ölçümü prensibine dayanır. Enerji kaybı düşük atomik ağırlıktaki atomların nötron çarpışmasında daha büyüktür ve topraktaki mevcut atomların sayısı ile orantılıdır. Bu tür çarpışmanın etkisi hızlı nötronu yavaş bir nötrona dönüştürür. Toprakta bulunan düşük atomik ağırlıktaki temel element olan hidrojen topraktaki su moleküllerinde büyükçe tutulur. Radyoaktif kaynak tüpünden hızlı nötronların emisyonu sonrasında bir bir sayaç tüpü yoluyla saptanan yavaş nötronların sayısı elektronik olarak bir ölçekte gösterilir.
Tipik bir cihaz seti, amerikyum-241 ve iyi öğütülmüş berilyumun (yarı ömürlü, 458 yıl) 100 mCi hızlı nötron kaynağını ihtiva eden nem sondası, yaklaşık 16 kg ağırlığında ve 0.5 ile 5 dakika zaman sayacı aralığına sahip spring-wound zamanlayıcısı veya taşınabilir aküden oluşur. Sonda 400 mm uzunluğunda, 40 mm çapında ve 100 mm uzunluğunda ve 150 mm çapında parafin siperi ve tamamen kurşun malzemeden yapılmıştır, 20 kg ağırlığına sahiptir (Şekil I.4.12). Bu sondalar 60 metreye kadar kabloyla kullanılabilir. Kaynak ve dedektör alüminyum tüplü muhafazası ile deilk boyunca toprağın içine indirilir.
Tüpün iç çapı sondanın çapından hafifçe büyük olmalıdır. Tüp, eğer imkan varsa tüpün dış yüzeyi ve toprak arasında yakın temas olduğundan emin olunarak tüpün içindeki toprağı delgi ile alarak kurulmalıdır. Benzer ölçme cihazları toprak yüzey tabakasında ölçüm yapmak için geliştirilmiştir. Bu durumda ekipman zemin yüzeyine yerleştirilir ve 15 ile 40 cm yarıçapında yarımküresel hacmindeki nem mikarını verir.
Erişim tüplerinin kurulumu, toprak sıkışmasını önlemek ve kurulum esnasında tüplerin dışında meydana gelebilecek topraktaki boşlukların olmadığı tüpün dış çevresinde toprak temasından emin olmak için dikkatli yapılmalıdır. Erişim tüpleri şu şekilde kurulmalıdır:
(a) Aynı çapta veya hafifçe daha küçük çapta hazırlanan deliklerin içine tüplerin yerleştirilmesi (delikler el ile veya motorlu delme aleti kullanılarak hazırlanabilir);
(b) Bir çekiçle toprak içine tüpleri yerleştirerek ve ardından bir delgi ile tüp içinden toprağı çıkarak;
Tüplerin altları yer altı suyunun sızmasını önleyecek şekilde kapatılmalıdır. Tüplerin üstü kullanılmadığı zamanlarda bir başlık veya durdurucu ile kapatılmalıdır.
Sonda, içine gireceği sondanın muhafazasının tipi ve boyutunda ve test edilecek toprak tipinin gravimetrik örneklemesi yoluyla kalibre edilebilir. Toprak nem profilini tanımlamak için test deliği etrafında yeterli miktarda örnek alınmalıdır. Heterojen topraklarda veya toprak neminin derinlikle hızlı değiştiği zamanlarda iyi bir kalibrasyon elde etmek zordur. Yaklaşık bir kalibrasyon toprak materyali ile dolu kap kullanılarak laboratuarda elde edilebilir. Erişim tüpünün kurulum metodu ve muhafazanın tipi ve boyutu okumalarda önemli derecede etkisi vardır ve yeni kalibrasyon eğrileri kurulumun her çeşidi için elde edilmelidir.
Erişim tüpleri aşırı nemden korunmalı yoksa hatalı okumalar ortaya çıkacaktır. Erişim tüpü içerisinde uygun derinliğe tüpün batırılmasından sonra bilinen bir zaman periyodu boyunca sayımların sayısı belirlenmelidir. Ortalama sayım kalibrasyon eğrisi kullanılarak toprak nemi ihtivasına dönüştürülür. Hesaplamaların doğruluğu öncelikle şunlara bağlıdır:
(a) Kalibrasyon eğrisinin doğruluğuna;
(b) Hesaplama başına düşen sayım sayısına.
Nötronların etkisi ve emisyonun rastgeleliği nedeniyle rastgele sayım hataları oluşabilir. Zamanlama hatalaları, iki dakikalık standart sayım zaman döngüsü kullanarak minimumda tutulabilir. Toprak neminde sıradan aralıklarda bulunan tuz konstantrasyonları nötron metoduyla elde edilen veriyi öenmli derecede etkilemez fakat deniz suyu seviyesindeki tuz konsantrasyonlarında etki kayde değer miktardadır. Sıcaklık etkisinin bazı kanıtları vardır.
Şekil 12. Nötron sondası
Yere yakın okumalar hava-toprak arayüzüne göre sondanın pozisyonu nedeniyle etkilenir. Arayüzün yakınlığı, daha büyük derinliklerdeki aynı nem miktarı için görülebileceğinden daha düşük sayımlara neden olur. Hata kaynakları minimize edildiğinde birbirinden ayrı belirlemelerin doğruluğu %0.5-1’e ulaşır. Su dengesi çalışmasında yapılabileceği gibi zaman içinde tekrarlanan belirlemeler için, toprak su ihtivasındaki değişimler sistematik hataların elimine edilmesinden dolayı daha fazla doğrulukta olabilir. Metodun avantaj ve dezavantajları ile metodun kullanımı için cihazların geçerliliği aşapıda özetlenmiştir (Prichard, 2003):
Avantajları: Nötron sondası, değişik derinlik ve lokasyonlarda yapılan toprak nemi ihtivası ölçümlerinin hızlı, doğru ve tekrarlanabilir olmasına imkan tanır.
Dezavantajları: Radyoaktif materyalin kullanımı, lisanslı ve oldukça eğitimli operatör, yüksek ekipman tutarı ve her yer için ihtiyaç duyulan yoğun kalibrasyon gerektirir.
Hali hazır cihazlar: Nötron sondaları ticari olarak mevcuttur.
Yalıtkan sabit metodu, yüksek frekanslı elektromanyetik dalgalar veya sinyaller iletmek için yalıtkan maddenin (toprak) kapasitesini ölçmeye dayanır. Ortaya çıkan değerler toprak nem ihtivasına bakılmak yoluyla kalibrasyonla alakalıdır. Bu cihazların kullanımının esası, 30 MHz ve 1 GHz arasında ölçüldüğünde suyun değeri 80 iken, kuru toprtağın değeri 2 ile 5 yalıtkanlık değerine sahiptir. Toprak nem araçlarının yalıtkanlık sabitinin ölçülmesi ve toprak volümetrik su ihtivası belirlenmesinde iki yaklaşım geliştirilmiştir:
(a) Zaman alanı reflektrometresi (TDR);
(b) Frekans alanı reflektrometresi (FDR).
TDR ve FDR radyoaktif kaynak olarak kullanılmaz, böylece nötron sondası kullanımı ile kıyas edildiğinde lisans, eğitim ve gözleme maliyeti azalır.
TDR cihazı toprak içine yerleştirilen paralel iletken sondasına eklenen bir kablo boyunca yüksek frekanslı enine elektromanyetik dalga yayar. Sinyal bir sondandan diğerine ardından gönderilen puls ve yansıtılan dalganın alınması arasındaki zamanı ölçen ölçme cihazına yansıtılır. Kablo uzunluğu ve dalga kılavuzu uzunluğunun bilinmesi yoluyla, yayılma hızı hesaplanabilir. Yayılma hızının artması yalıtkan sabitinin azalması ve böylece düşük toprak nemi demektir.
Dalga kılavuzu, toprak içine birkaç santimetre uzağa yerleştirilen paslanmaz çelik mil çiftidir. Ölçüm, kalibre edilmişse, dalga kılavuzu uzunluğu boyunca ortalama volümetrik su ihtivasıdır. Dalga kılavuzu yüzeyden genellikle maksimum 45-60 cm derinliğe kurulur. Çift mil değişik derinliklerde su ihtivasını elde etmek için sürekli olarak kurulabilir. Daha derin ölçümler gerekiyorsa, çukur duvarı içine yerleştirilen dalga kılavuzundan sonra genellikle bir çukur kazılır. Toprağın kazılması hatalı veriye neden olan su hareketi ve su çıkış yollarını değiştirebilir.
TDR üniteleri nispeten pahalıdır. Bununla beraber bir kere düzgünce kalibre edilir ve kurulursa, TDR tekniği yüksek doğruluktadır. Yüzey ölçümleri değişik yerlerde ve kolayca yapılmasından bu yana sığ köklü bitkiler için iyi çalışmaktadır.
Bu yaklaşım toprak direnci ölçmek için radyo frekans dalgaları kullanır. Toprak yüksek frekanslı transistör osilatörünün geri dönüş döngüsünün parçası olan direnç devresini tamamlayan yalıtkan olarak hareket eder. Frekans cihaz üreticileri arasında değişir fakat genellikle 150 MHz civarındadır. Toprak direnci elektrodlar çevresinde oluşan elektrik alanlarının geometrisi yoluyla yalıtkan sabitine bağlıdır. Yalıtkan sabiti TDR metodundan tartışılan volümetrik su ihtivası ile alakalıdır. Erişim tüpü metodu ve elle itilen sonda tenikleri gibi cihazların iki farklı tipi FDR tekniğinde kullanılır.
Nötron sondası ve elektrodlarda kullanılan PVC materyali benzeri bir erişim tüpü erişim içine batırılır ve değişik derinliklerde ölçümler alınır. Hava boşluklarının toprak içinde sinyalin yolculuğunu etkilemesi gibi güvenilir değerler konusunda emin olmak için erişim tüpünün duvarları ve toprak arasında çok yakın uygunlukta olduğundan emin olmak gereklidir. Toprak volümetrik su ihtivasının kalibrasyonu doğru değerlerin sağlama alınması için gereklidir (özellikle yüksek kütleli yoğunluklarda ve killi topraklarda)
Düzgün olarak kalibre edilmiş ve kurulmuşsa, sondanın doğruluğu iyi olacaktır. Nötron sondasının birçok avantajı zaman içinde aynı lokasyon ve derinliklerde hızlı ölçümleri içeren bu sistemle mümkündür. Bu teknolojini değişik bir türü birçok derinlikte ölçüm yapan sürekli kurulumun kullanılmasıdır. Bunlar sık ölçümler yapmak için elektronik cihazlarla birleştirilmiş olarak kullanılır ve sonuçları merkezi bir veri toplama cihazına gönderir.
Direnç cihazının diğer çeşidi, kolay, hızlı, yüzeye yakın ölçüm yapmaya imkân tanıyan elle itilen sondadır. Bu sondalar yüksek toprak nemi ihtivasını gösteren 1’den 100’e kadar yüksek ölçümlerle toprak su ihtivasının nitelikli ölçüm sağlar. Kuru toprakta ve taş veya sert tava ihtiva eden topraklarda sonda kullanımı zordur. Daha derin ölçümler kök bölgesinin derin kısımlarına erişim elde etmek için toprak delgisi kullanımı mümkündür. Sonda en iyi sığ köklü bitkilerde kullanılır.
Avantajları: TDR ve FDR ekipmanının avantajları, nispeten doğrudur (%±1–2); volümetrik direkt ölçüm sağlar; veri kaydedicisi ile kullanılırsa sürekli kayıt veya bitki toprak nem yüzdesi mümkündür; kalibrasyon gerektirmez; ve topraktaki tuzdan nispeten etkilenmez. TDR daha doğrudur ve FDR bitkilerin kullandığı ince partiküllü topraklarda limit su tespit edebilirken TDR tuzdan daha az etkilenir. Böylece TDR cihazı geniş yüzölçümlü tuzdan etkilenen toprakları için tercih edilir. Bununla beraber ince dokulu, tuzlu olmayan topraklarla ilgilenilmesi durumunda FDR cihazı tercih edilir. Genel olarak bu cihazlar doğru, makul fiyatta, kullanımı kolay ve geniş alanlar için çok uygundur.
Dezavantajları: Cihazların fiyatından ötürü, bu netodlar diğerlerinde daha pahalıdır. Eğer toprakla iyi bir temas sağlanmadıysa ölçümler etkilenebilir ve cihaz uçları sert veya kayalık topraklarda zarar görebilir. TDR, FDR toprak tuzu hatalarına daha duyarlı iken karmaşık elektronik aksamlı ve daha pahalıdır. Veri kaydedicisi okumaları yorumlama gerektiren grafik şeklindedir.
Toprak kesiminden geçen gamma ışınının yoğunluğu, öncelikli olarak sabit olan toprak ve suyun sönümleyici faktörüne, toprakta ihtiva edilen suya, toprağın belli yoğunluğuna bağlı olarak gittikçe azalarak geçer. Metod, toprak içine yerleştirilen çift paralel erişim tüplerine gamma ışını kaynağı (genellikle sezyum 137) ve bir gamma ışını detektörü (scintillator-photomultiplier) aynı anda indirilmesiden oluşur. Her ölçüm seviyesinde sinyal toprağın belli nemli yoğunluğuna çevrilir veya toprağın belli kuru kütle yoğunluğu biliniyorsa sinyal volümetrik toprak-nem ihtivası ölçümüne dönüştürülür.
Ölçüm ekipmanı, kuru yoğunluk zamanla değişmiyorsa, toprak yüzeyi altında on santimetrenin birçok katı derinlikte volümetrik toprak neminin ve ıslak yoğunluk profillerinin değişimini izlemeye izin verir.
Metod yüksek mekansal çözünürlük elde etme avantajı sağlar (yaklaşık 3 metre uzaklıktaki erişim tüpleriyle toprağın 20 ile 50 mm kalınlığındaki parçalarında ölçüm yapar). Bununla beraber ölçümler yalnızca suya has değildir. Kuru yoğunluktaki belli değişiklikler toprak nemi ölçümünde kafa karıştırabilir.
Bazı karmaşık ekipman belli yoğunluk ve toprak nemindeki değişimlerin birlikte çalışmasına izin veren gamma ışınlarının değişik yoğunluklarla iki enerji kaynağına sahiptir. Bu gibi ekipman arazi koşullarında değil öncelikle laboratuarlarda kullanılır.
Tensiyometre bileşenleri gözenekli kap, bağlantı tüpü ve/veya gövde tüpü ve basınç sensörünü içerir. Gözenekli kap, genellikle seramik, gözenekli sert materyalden yapılır. Kap duvarlarının gözenekleri hava geçişini önleyecek kadar küçük olmalıdır. Bir yarı sert bağlantı tüpü veya sert gövde tüpü tensiyometre kabını basınç sensörüne bağlamak için kullanılır. Sistem suyla doldurulur ve kaptaki veya noktadaki su toprağı çevreleyen nemle dengeye ulaşır. Su toprağın kurumasıyla dışarı akar ve yüksek gerilim yaratır veya toprağın nemli hale gelmesiyle içeri doğru akar bundan dolayı gerilim azalır. Basınç veya gerilimdeki bu değişiklikler ölçüm cihazında gösterilir. Birçok derinliğe kurulan çoklu tensiyometreler toprak nem profili hesaplamasına imkan verir.
Tensiyometreler toprak-nem potansiyel (basınç bileşenleri) verisi sağlar. Bir tensiyometre nem belirlenmesi için kullanılırsa, kalibrasyon eğrisi gereklidir. Kalibrasyon eğrisi toprak nemi tutma eğrisinin bir parçası olabilir fakat gravimetrik metdo (4.5.2.1) ve tensiyometre ölçümlerindeki arazi verisi kalibrasyon için kullanılabileceği tavsiye edilmektedir. Yine de nem verisi toprak nem tutma eğrisinin nemlenme ve kuruma dalları arasındaki gecikme nedeniyle sadece yaklaşımdır. Kullanım aralığı 0 ile 0.8 bar arasında sınırlanmıştır (negatif hidrolik başın 0 ile 8 metresi). Bundan dolayı metod sadece nemli bölgeler için uygundur.
Basınç ölçüm cihazı genellikle Bourdontube vakum göstergesi veya civa manometredir. Tensiyometre, gerilim değişiminin sürekli olarak kayıt edilebilmesi için bir elektriksel basınç dönüştürücüye bağlanabilir. Çünkü sistem doymamış toprak koşulları esnasında kısmi vakum altındadır, bütün parçaları ve eklentileri hava geçirimsiz olması gerekmektedir. Arazi kullanımı için Bourdon vakum göstergesi civa manometrelerden daha uygundur fakat daha az doğruluktadır. Elektriksel basınç dönüştürücüleri hem uygun hem kesin sonuç verir.
Tensiyometre tepki süresi diğer basınç sensörlerinden ufak hacim yerdeğiştirmelerinde basınç dönüştürücüleri ile daha hızlıdır. Fiyat dezavantajı, tarama cihazı üzerinde birçok tensiyometreye eklenen bir elektrksel basınç dönüştürücüsü kullanma yoluyla telafi edilebilir. Diğer bir çözüm bir iğne yoluyla tensiyometredeki basıncı örnekleyen ölçüm aparatı kullanımından oluşur. Bu iğne sadece ölçüm anında tensiyometre tüpü üzerindeki özel hazneyi deler. Tek iğneli aparatlar toprağa yerleştirilen sayısız tensiyometreyi örneklemek için kullanılabilir. Bununla beraber sistem yukarıda açıklanandan farklı olarak bu tür tensiyometre basınç potansiyeli değişimlerini kayıt etmekte kullanılamaz.
Tensiyometreler havası alınmış suyla doldurulmalıdır. O zaman vakum pompası kullanılarak sistem içinde sıkıştırılmış havayı çıkarması mümkün olacaktır. Tensiyometreler, genellikle göznekli kap gibi aynı çaptaki önceden açılmış deliklere toprak içine dikey olarak yerleştirilir. Gözenek kabının benzeri basınç ölçümlerine ihtiyaç duyulan derinliğe yerleştirilir.
Tensiyometreler, termal genişlemeye veya sistemin değişik parçalarının küçülmesine ve basınç ölçümlerini etkileyen sıcaklık salınımlarından etkilenir. Arazide güneş radyasyonundan koruma bu etkiyi minimize etmek için zemin üzerindeki tensiyometreler için tavsiye edilir.
Benzer olarak kışın kullanılan tensiyometreler su tüpü ve basınç sensörüne zarar veren buzlanmaya karşı korunmalıdır. Tensiyometreler sistemde biriken havayı çıkartmak için periyodik olarak temizlenmeye ihtiyaç duyar.
Bir tensiyometre ölçümü, gözenekli kaptaki basınctan, basınç sensörü ve gözenekli kap arasındaki su hacminin neden olduğu basınç farkının çıkarılmasını gösterir. Bu nedenle kabın derinliğindeki toprak suyunun basınç potansiyeli basınç sensörü ölçümü artı bu su hacmidir. Eğer basınç atmosferik basınçtan gösterge basıncının farkı olarak ifade edilirse, o zaman toprağın basınç potansiyeli sensör ölçümünden tüpteki su hacminin neden olduğu basınç farkının çıkarımına eşittir.
Toprağın düzeltilmiş basınç potansiyeli, basnıç dönüştürücü sistemle doğrudan oluşturulabilir. Toprak-nem basınç potansiyelinin tensiyometre ölçümünün hassasiyeti belirlemek zordur. Bir ölçümün doğruluğu, sıcaklık, basınç sensörünün doğruluğu ve sistemde biriken havanın miktarından etkilenir. Dahası toprak nem potansiyeli zaman içinde oldukça hızlı değişiyorsa tensiyometre tepki süresi hatalı ölçümlere neden olabilir. Bu durumda toprak suyu ve tensiyometre suyu dengesi elde edilemez. Son çalışmalar göstermiştir ki; yarı geçirgen plastik uçlar seramik uçlardan çok daha hızlı tepki sağlamaktadır (Klute, 1986).
Tensiyometre kurulması kolaydır, her toprak-nem ölçüm ekipmanının en hızlı ölçüm yapanıdır. Bununla beraber tensiyometreler 3 metreden daha derinde kurulumu uygun değildir. Normal atmosferik basınçlarda, metod 85 kPa’dan daha düşük basınç potansiyelindeki aralıkla sınırlıdır. Tensiyometreler arazi koşullarında güvenilir ölçüm elde etmek için sıkça bakıma ihtiyaç duyar.
Avantajları: Tensiyometreler toprak suyundaki çözülmemiş tuz miktarından etkilenmez. Nem aralığında makul bir doğrulukla toprak suyu gerilimini ölçer.
Dezavantajları: Tensiyometreler sadece doygunluk ve 85 kPa arasında çalışır. Böylece kuru topraklardaki ölçümler için uygun değildir.
Gözenekli bloklar, alçı, cam/alçı yapsında, seramik, naylon ve fiberglasdan yapılır. Bunlar istenen ölçüm derinliğinde gömülüdür. Zamanla bloklar toprağı saran nem ihtivası ile dengeye gelir. Bundan dolayı sonraki ölçümler toprak su gerilimine bağlıdır.
Elektriksel rezistans blokları durumunda iki elektrod yüzeye uzanan bir kablo ile blok içine gömülür. Elektriksel rezistans kabloya eklenmiş bir ölçüm cihazı kullanılarak iki elektrod arasındakini ölçer. Yüksekrezistans ölçümü düşük blok su ihtivası ve yüksek toprak suyunun gerilimi demektir.
Gözenekli bloklar tensiyometredeki gibi aynı dikkatli kurulum gerektirir ve toprak teması iyi olması önemlidir. Bakım ihtiyacı küçük ve tensiyometre için gereken bakımdan oldukça azdır. Alçı bloklar alkalin toprakların analiz edilmesinde kendini kanıtlamıştır ve sonunda da eriyecek, yenisiyle değiştirilmesi veya çekilmesi gerekecektir. Yüksek miktarda çözülebilir tuzlu topraklar tuzun toprak iletkenliğine ve rezistansına etki etmesinden dolayı hatalı ölçümlere neden olabilir. Alçı blokları çok tuzlu topraklar için 1000 hPa aşağısında genellikle hassas olmadığı ince yapılı topraklarda en iyisidir ve bu mevcur su seviyesinin dışında olmalıdır.
Alçı bloklarını yeni bir tipi elektrod ihtiva eden bir blok içine sıkıştırılmış alçıyla ince granüllü kalıptan oluşur. Kalıbın dış yüzeyi sentetik çeper içine oyulmuştur ve delikler açılmış PVC veya paslanmaz çelik koruyucu örtüsüne yerleştirilmiştir. Yapı materyalleri 300-2000 hPa aralığındaki toprak su gerilimine daha fazla duyarlı olan bloğun içine veya bloktan dışarıya olan su hareketini artırır. Bu onları daha geniş aralıktaki toprak yapılarına daha fazla adapte olabilir yapar.
Bunlar, gözenekli, seramik materyalden yapılmıştır. Gözenekli bir blok içine gömülmesi, yüzey ölçme cihazına kablo ile bağlanan sıcaklık sensörü ve küçük ısıtıcıdır. İç ısıtıcının voltaj uygulanması ve ısıtıcıdan uzaklaşan ısının oranının ölçülmesi yoluyla ölçüm yapılır. Isı yayılım oranı nem ihtivasına bağlıdır.
Termal yayılım sensörleri geniş aralıktaki toprak su ihtivası boyunca toprak suyuna hassastır; bununla birlikte su ihtivasını sağlamak için ayrı ayrı kalibre edilmedilir. Bu bloklar elektrik rezistanslı bloklardan oldukça pahalıdır.
Avantajları: Metod çabuk, tekrar edilebilir ve nispeten ucuzdur.
Dezavantajları: Bloklar kaba yapılı, yüksek kabartlı veya tuzlu topraklarda iyi çalışmaz. Basınç plakası çıkarıcısı veya gravimetrik metod kullanılarak monitör edilen toprak için tek tek kalibre edilmedikçe doğruluğu oldukça zayıftır. Bloklar her 1 ile 3 yılda bir yenilenmelidir. Blokların hassasiyeti kuru toprak koşullarında zayıf olduğu başlıca göz önüne alınması gereken şeydir. Bloklar araziye kurulmadan önce saatlerce suda ıslatılmalıdır.
Uzaktan algılama tekniği yüzey üzerinde veya yakınında toprak nem özelliklerini belirlemek için kullanılan en son araçtır. Bu bilgi aşağıdaki birçok metredeki toprak nemi profili sonucunu çıkarmakta kullanılabilir. Toprak neminin uzaktan algılanması görünür, infrared (yakın veya termal), mikrodalga ve gamma verisi (Engman ve Gurney, 1991; Schultz ve Engman, 2000). Bununla beraber en çok gelecek vaat eden teknikler pasif ve aktif mikrodalga verisine dayanır. Yansıtılan solar radyasyonun ölçümüne dayanan görünür ve yakın infrared teknikleri özellikle uygulanabilir değildir çünkü verinin yorumlanmasında kafa karıştıran bir çok parazit unsurları vardır. Termal infrared teknikleri, kuru toprak koşullarıyla geniş olarak sınırlandırılmış ve toprak tipine bağlı olan toprak nemi ve günlük sıcaklık döngüsü arasındaki ilişkiye dayanır. Termal infrared teknikleriyle ilgili başlıca problem bulut engellemesidir. Pasif ve aktif mikrodalga yaklaşımları içeren toprak nemi ölçümü için olan mikrodalga tekniklerinin her ikisi de belirgin avantajlara sahiptir. Mikrodalga teknikleri sıvı suyun ve kuru toprağın yalıtkan özellikleri arasındaki geniş kontrasta dayanır. Doğal karasal gamma radyasyonunun değişimi toprak nemi ölçümünde kullanılabilir çünkü gamma radyasyonu su tarafından kuvvetli olarak azaltılır. Toprak neminin operasyonel uzaktan algılanması bir sensörden daha fazlasını gerektirir. Ayrıca toprak nemi bilgisi çıkarmakta kullanılmadan önce hem aktif hem de termal infrared uygulamaları daha fazla araştırmaya gerek duyar.
Elektromanyetik spektrumun görünür ve yakın infrared kısımlarında çıplak topraktan yansıma toprak nemi hesaplamalarında sadece sınırlı koşullar altında kullanılabilir. Bu metodun doğruluğu zayıftır ve toprak neminin kesin sonuçları elde edilemez. (VIS/NIR) infrared görünür/yakın aralığında yüksek geometrik çözünürlükte ve daha fazla spektral bantlar, mevcut Landsat, SPOT ve NOAA uydularından daha fazlası toprak nemi ve tarımsal amaçlar için gereklidir. Toprak nemi yağış indisleri kullanılarak hesaplanabilir; operasyonel uygulamalar intertropikal bölgeler üzerinde sabit görüntülemeler kullanılarak FAO tarafından geliştirilmiştir. (WMO, 1993). Uluslar arası Yerküre-Biyosfer Porgramı (IGBP) gelişmesiyle yüksek çözünürlüklü veri ihtiyacı artmaktadır.
Termal infrared teknikleri yüzeyde birkaç santimetrede toprak nemi ölçümünde başarıyla kullanıldı. Termal yaklaşıma olan sınırlama bitki ötürüsü olan yerlerde efektif olarak uygulanamamaktadır.
Girişimler Landsat, SPOT ve sabit görüntüler kullanılarak görünen termal ataletin gözlemlenmesiyle toprak nemi değerlendirilmesi yapılmıştır; uygulamalar operasyonelden ziyade daha çok pilot projeler olmuştur (WMO, 1993).
Mikrodalga teknikleri toprak nemi ölçümünde birçok potansiyel olduğunu göstermiştir fakat bunları operasyonel yapmak için hala değişen miktarda araştırmaya ihtiyaç vardır. Uzaktan algılama teknikleri kullanarak operayonel toprak nemi takibi yapmak için, çok frekanslı ve multipolarizasyonlu uydu verisine ihtiyaç duyulacaktır; bu veri farklı yüzeyleri ölçmesi gerekir ve böylece gereken yer doğruları miktarı azalır.
Mikrodalga bölgelerinde sadece toprak nemi ve radyasyonun yansıması veya emilmesi arasındaki fiziksel ilişki vardır. Mikrodalga bölgesi kullanımının tek avantajı uzun dalga boylarında toprak nemi ölçümleri bulut arasından yapılabilir. Tarımsal meteorolojik uygulamalarda optik ve mikrodalga verisinin sinerjik kullanımı avantajlı olduğu gösterilmiştir. Pasif mikrodalga bölgesinden şimdiye kadar en fazla faydalanılmıştır. Şu anda toprak nemi ölçüm kapasitesine sahip mikrodalga radyometreleri sadece uçaklarda mevcuttur.
Bunlar hem araştırma hem de birkaç operasyonel uygulamalarda kullanılmaktadır. Bir çok metre derinliğindeki toprak nemi bilgisi kısa puls radar (5-10 cm dalga boyunda) tekniklerinden elde edilebilir. Rusya Federasyonu’nda bu uçak tabanlı metod ormanlık alanlarda toprak nemi ölçümü ve 5-10 metre derinlikteki doyma bölgesi tespitinde kullanılmaktadır. Gamma radyasyonunun kullanımı toprak nem ölçümü için geliştirilen uzaktan algılama metodları potansiyel olarak çok doğrudur. Gamma radyasyonunun azalması zeminin 20-30 cm üzerinde toprak nemindeki değişimi belirlemekte kullanılabilir. Bu teknik ölçüm uçusu sırasında yapılan toprak neminin alansal ölçümüne ihtiyaç duyar çünkü toprak neminin mutlak değerini vermez (WMO, 1992b).
