Odhad vlhkosti lesní půdy na lokalitě Amálie s využitím inovativní terénní kalibrace

Bc. Marek Peták

Master's thesis

Estimation of forest soil moisture at the Amálie location using innovative field calibration

Abstract:

Půdní vlhkost je důležitým aspektem pro velké množství ekosystémů a tvoří významnou složku hydrologického cyklu. V období stále častěji vyskytujících se epizod sucha ve spojitosti s klimatickou změnou, nabývá znalost stavu půdní vlhkosti na důležitosti. Současná technika pro měření půdní vlhkosti nabízí celou řadu finančně dostupných zařízení, jakými jsou například senzory TMS-4. Předkládaná diplomová práce se soustředí na zpřesnění půdních vlhkostí měřených senzory TMS-4 pomocí nově vytvořené terénní kalibrace. Současně práce porovnává novou terénní kalibraci spolu s původně používanými kalibracemi. Konkrétně se jedná o laboratorní kalibraci vytvořenou na ČZU a univerzální kalibraci od firmy TOMST. Dále srovnává rozdíly mezi nově vytvořenými kalibračními křivkami pro svrchní vrstvu půdy v porostech buku lesního (Fagus sylvatica), smrku ztepilého (Picea abies) a modřínu opadavého (Larix decidua). V rámci terénních výjezdů byly použity senzory TMS-4 fungující na principu TDT společně s TDR senzorem PICO 64. Těmito senzory byla měřena vlhkost svrchní vrstvy půdy (0-15 cm) pod sledovanými dřevinami. Senzor PICO 64 byl zkalibrován gravimetrickou metodou a následně s ním byla měřena půdní vlhkost u senzorů TMS-4. Z naměřených vlhkostí senzorem PICO 64 byly vytvořeny nové kalibrační křivky. U těchto křivek byly vyhodnoceny jejich vzájemné rozdíly a současně byly porovnány s původně používanými kalibracemi pro senzor TMS-4. Výsledkem práce je úspěšně provedená terénní kalibrace, díky které došlo ke zpřesnění ustanovovaných hodnot vlhkosti ze senzorů TMS-4. Tato kalibrace vykazuje odchylku od referenční gravimetrické metody maximálně 1 %. Nově vytvořené kalibrační křivky poukazují na nepřesnost původně aplikovaných kalibrací. Rozdíl objemových vlhkostí mezi novými křivkami a původními kalibracemi v některých případech dosahuje až 15 %. Zároveň vzájemná odlišnost mezi nově vytvořenými křivkami nasvědčuje výskytu rozdílných podmínek v zájmových porostech. Tato odlišnost byla v jistých případech až 7 %. Přínosem práce je vytvoření inovativní kalibrační metody, která je vhodnou alternativou v případech, kdy je obtížné využít laboratorní kalibraci. Současně nové kalibrační křivky umožnují hlouběji nahlédnout do hydrologických procesů v půdě.

Abstract:

Soil moisture is an important aspect for a large number of ecosystems and constitutes a major part of hydrological cycle. In the period of ever more frequent episodes of drought in conjunction with climate change, the knowledge of soil moisture is more important than ever. Contemporary technique for measuring of soil moisture offers many affordable devices, such as TMS-4 sensor. The focus of this thesis is aimed at improving accuracy of measurement of soil moisture using TMS-4 sensors, namely with new field calibration. Furthermore, this thesis compares this new field calibration together with different calibrations used previously, specifically a lab calibration created on ČZU and universal calibration from TOMST. Finally, it compares differences between the new calibration curves for topsoil in areas with vegetation of beech (Fagus sylvatica), spruce (Picea abies) and larch (Larix decidua). Sensors TMS-4, functioning on the TDT principle, alongside a TDR sensor PICO 64 were used during field research. These sensors were used to measure moisture of the topsoil soil (0–15cm) under the monitored trees. PICO 64 sensor was calibrated using gravimetric method and it was used to measure moisture alongside TMS-4 sensors. New calibration curves were created from the measured moisture with the PICO 64 sensor. Differences in these curves were evaluated and were compared with the previously used calibrations for TMS-4 sensor. The output of this thesis is successfully executed field calibration, which resulted in more accurate measurements from TMS-4 sensors. This calibration has a maximum deviation from referential gravimetric method of 1 %. The new calibration curves show the inaccuracy of previously used calibrations. The difference of volumetric moisture between new and old calibrations is 15 % in some cases. The difference between the new curves indicates the presence of different conditions in the various vegetations of interest. This deviation was as high as 7 % in some cases. The contribution of this thesis is the creation of an innovative method, which is a suitable alternative to already existing ones in cases where it’s difficult to use laboratory calibration. As well as that, the new calibration curves give us deeper insight into hydrological processes in the soil.

Keywords

nepřímé metody měření vlhkosti, chytrá krajina Amálie, inovativní terénní kalibrace, monitoring půdní vlhkosti, Relativní permitivita

Keywords

Relative permittivity, indirect measurement methods, Amalia smart landscape, innovative field calibration, soil moisture monitoring

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 4. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 16. 5. 2023
• Supervisor: Ing. Lukáš Jačka, Ph.D.
• Reader: Jiří Pavlásek, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

Master programme:
Regional Environmental Administration