Následující text vychází z publikace Matula et al. (2014), kde jsou popsány zkušenosti z instalace a provozu malého inteligentního lyzimetru SFM-30 (UMS GmbH) na stanici sledování transportních procesů a dynamiky půdní vlhkosti Katedry vodních zdrojů Fakulty agrobiologie, potravinových a přírodních zdrojů České zemědělské univerzity v Praze–Suchdole. Nadmořská výška, zeměpisná šířka a délka tohoto stanoviště jsou, v pořadí, 281 m n.m., 14°22'V a 50°08'S. Půda v této lokalitě je hlinitá černozem modální na spraši s hloubkou humusového horizontu kolem 35 cm, téměř bez skeletu (jen s ojedinělými oblázky). Lyzimetr je využíván pro sledování hydrologické bilance půdního profilu a pohybu vody v půdě v terénních podmínkách, a zatím nikoli pro sledování transportu rozpuštěných látek.
Sledování vodního režimu a bilance půdy in situ je velmi důležité pro pochopení a následující optimalizaci tvorby hospodářského výnosu zemědělských plodin, lesního hospodářství, ochrany přírodě blízkých ekosystémů a vodního hospodářství krajiny. Potenciálně vysoce efektivním nástrojem ke sledování vodní bilance půdního profilu je lyzimetr. První lyzimetr, pokud je známo, sestrojil Philippe de la Hire v Paříži v roce 1688 (de la Hire, 1720; cit. podle Kohnka et al., 1940). Od té doby se lyzimetry neustále vyvíjely. Moderní lyzimetry jsou konstruovány jako trvale vážené a automaticky udržované ve stejném vlhkostním stavu jako okolní půda, což umožňuje zkoumat toky půdní vody a související změny v půdním profilu v reálném čase a s maximálním přiblížením ke skutečným přírodním podmínkám.
Každý lyzimetr se skládá ze dvou základních částí, z nichž první je vlastní sledovaný půdní monolit, obykle válcového tvaru a dnes obvykle vážený, druhou tvoří zařízení k odběru proteklé vody, k měření jejího množství a dnes většinou také k udržování adekvátního vlhkostního stavu lyzimetru, které bývá umístěno v manipulační šachtici. Vegetační kryt povrchu lyzimetru musí být stejný jako vegetace v okolí. Konkrétní technické řešení každého většího lyzimetru je navrhováno s ohledem na individuální podmínky daného stanoviště, výzkumný účel a finanční možnosti objednatele. Pro menší finanční a provozní náročnost a větší flexibilitu při použití se v poslední době dostávají do ohniska zájmu výzkumníků a jiných uživatelů menší, přitom však plně a moderně vybavené lyzimetry.
Obr. 1 představuje základní schéma malého inteligentního lyzimetru Smart Field Lysimeter SMF-30 (UMS GmbH, Mnichov, Německo; http://www.ums-muc.de). Vlastní půdní monolit měří 30 cm v průměru a jeho výška je také 30 cm a je umístěn ve válci z nerezové oceli. Po stranách válce jsou otvory pro umístění čidel. Přímo do tohoto válce se odebírá neporušený půdní monolit pomocí zatlačovacího mechanismu, který pro lyzimetr pouze 30 cm hluboký může být ruční. Válec lyzimetru s půdním monolitem je usazen ve větším kontejneru, který je zcela ukryt pod povrchem. Válec je uložen na elektrické váze PL-50 (UMS GmbH) a je tedy trvale vážen.
Tlaková výška (negativní) na dně lyzimetru je udržována na stejné úrovni jako je tlaková výška ve stejné hloubce v okolní půdě, a to pomocí keramických sukčních kelímků umístěných v misce s jemně pórovitou náplní, ve kterých je příslušný podtlak udržován elektronicky řízenou vývěvou. Velikost tohoto podtlaku je měřena a zaznamenávána. Ve starší verzi (na fotografiích) plnila tuto funkci polopropustná keramická membrána. Podtlak je určován čtením referenčního tenziometru T8 (UMS GmbH) umístěného v hloubce 30 cm pod povrchem v rostlé půdě ve vzdálenosti cca 1 m od lyzimetru a zcela skrytého pod zemí (ve starší verzi tenziometrem T4 (UMS GmbH), jehož přístupová trubice vyčnívá nad terén – na snímku). Takto je trvale zajištován přibližně stejný vodní režim půdy v lyzimetru jako v rostlé půdě, s výjimkou situace, kdy je rostlá půda příliš suchá a je překonána vstupní hodnota vzduchu tenziometru a/nebo pórovitého tělesa, popř. situace, kdy je funkčnost vakuového systému narušena mrazem.
Přebytečná voda ze spodku lyzimetru je odčerpávána do zásobní nádoby v dalším podzemním kontejneru, která leží na další elektrické váze PL-10 (UMS GmbH) (obr. 1). Ve starší verzi se musí nádoba ručně vyprazdňovat a měří se objem prosáklé vody. V tomto kontejneru je v novější verzi také umístěna vývěva (ve starší verzi je vývěva ve skříni s elektronikou). Je-li půda na spodku lyzimetru sušší, než by odpovídalo čtení referenčního tenziometru, je voda ze zásobní nádoby čerpána zpět do pórovitého tělesa na spodku lyzimetru a tím do samotného lyzimetru. Měření jsou zaznamenávána dataloggerem, např. typu dataTaker DT80M (Thermo Fisher Scientific Australia Pty Ltd, Austrálie).
Do půdního monolitu uvnitř lyzimetru jsou zabudována čidla sací výšky MPS-2 (Decagon Devices, Inc., USA) a čidla vlhkosti, teploty a zdánlivé elektrické vodivosti půdy ECH2O 5TE (Decagon) ve třech různých hloubkách. To umožňuje studovat změny těchto charakteristik ve vertikálním směru a v reálném čase. Veškeré elektrické zařízení lyzimetru je napájeno solárním panelem s akumulátorovou baterií, popř. ze sítě. Límcový kryt kontejneru s lyzimetrem, spojený s vlastním lyzimetrem poddajnou a těsnou membránou ze silikonové pryže, je uložen mělko pod povrchem půdy a přikryt drnem.
Samotná instalace lyzimetru může být při dobré organizaci provedena během jediného dne cca dvěma až třemi pracovníky, z nichž nejméně jeden musí být odborník vyslaný dodavatelem (v ČR výhradní zastoupení firma Ekotechnika s.r.o.). Prvním krokem je správný výběr reprezentativního stanoviště, nestíněného a nechráněného před větrem, s půdním profilem a porostem typickým pro danou lokalitu, s možností snadné instalace obou kontejnerů, tenziometru, solárního panelu, skříně s elektronikou a kabeláže. Poté je možno přistoupit k odběru půdního monolitu do nerezového válce, který se zatlačuje do půdy přímo v místě budoucí instalace ručním zvedákem spojeným pomocí textilních pásů s ocelovými kotvami v okolní půdě. Tření se snižuje jemným zvlhčováním stěn válce a zemina se na vnější straně válce plynule odebírá. Tím vzniká kolem válce jáma pro kontejner.
Po zatlačení se spodní základna válce odřízne ocelovou deskou nebo odlomí od rostlé půdy na dně jámy, vrch válce se přikryje a válec se z jámy vyjme. Jáma se upraví pro vložení kontejneru. Do kontejneru se poté vloží váha. Je nutno pečlivě hlídat hloubku, protože ve výsledku by měl být povrch lyzimetru v jedné rovině s okolním terénem.
Monolit se otočí dnem vzhůru a k jeho očištěné a zarovnané (nikoli však uhlazené, aby se nezacpaly makropóry) spodní základně, která je nyní nahoře, se dnem vzhůru přiloží miska se sukčními kelímky a vodou nasycenou pórovitou náplní (nebo jako na snímku nasycená keramická membrána). Pórovitá náplň misky je ocelovou deskou chráněna proti vysypání. Po vytažení desky se miska pevně spojí s lyzimetrem, aby mezi oběma vznikl trvale dobrý hydraulický kontakt. Pak je možno do otvorů ve stěně válce vložit čidla, a to tak, že se pro ně v půdě nejprve připraví těsné kapsy k dosažení dobrého kontaktu. Čidla sací výšky MPS-2 se před instalací namočí a obalí mokrou půdní kaší. Rovina plochých čidel má být skloněna pod úhlem 45° k vodorovné rovině, aby se na čidlech nehromadila prosakující voda a současně aby se poněkud zmenšila tloušťka měřené vodorovné vrstvy půdy. Po zatlačení čidla do monolitu se příslušný otvor utěsní průchodnou zátkou. Kabely od čidel, včetně váhy a snímače tlakové výšky vody pode dnem lyzimetru, jsou v nejnovější verzi sériově propojeny a čteny pomocí protokolu SDI-12 (Serial Data Interface at 1200 Baud), takže z lyzimetrického kontejneru vychází pouze jeden kabel signálu, uzemňovací kabel a vakuová hadička k vývěvě. Podzemním potrubím se propojí kontejner lyzimetru s kontejnerem zásobní nádoby a vývěvy a ten se pak už jen elektrickým kabelem propojí s řídicí elektronikou v měřicí skříni na krátkém stožáru.
Na váhu v lyzimetrickém kontejneru se opatrně položí lyzimetr s čidly, dnovou podtlakovou miskou, kabeláží a instalační skříňkou na boku (ve starší verzi lyzimetr s čidly, kabeláží a keramickou membránou opatřenou těsným neoprenovým obalem). Kontejner je poté svrchu překryt límcem a zeminou tak, aby nakonec na povrch vyčnívala jen samotná horní základna lyzimetru porostlá vegetací (v našem případě trávou). Přítomnost lyzimetru po čase označuje jen světlý kroužek membrány spojující límec s válcem lyzimetru. Zemina v okolí lyzimetru potřebuje čas na konsolidaci a regeneraci porostu. Porost nad límcem obvykle strádá suchem a doporučuje se opatrně jej zavlažovat, např. kapkovou závlahou.
Do druhého kontejneru se v novější verzi na elektrickou váhu vloží zásobní 10-litrová nádoba, zhruba do poloviny naplněná čistou místní vodou. Nádoba se propojí s výtokem z vývěvy a s malou nádobkou na boku, která je vážena spolu s ní a slouží k odběru menšího vzorku prosáklé vody. V nádobě samotné není v novější verzi podtlak. Ve starší verzi (na snímku) tuto funkci plní dvě nevážené skleněné nádoby zapojené v sérii, ve kterých podtlak je.
Referenční tenziometr T8 s možností ručního odvzdušňování se osadí v rostlém půdním profilu s pórovitým čidlem v hloubce 30 cm ve vzdálenosti asi 1 m od lyzimetru. Celý tenziometr s tlakovým snímačem je v novější verzi po instalaci skryt pod povrchem. Vrstva půdy jej chrání před vlivem kolísání teplot. Odvzdušňovací trubičky jsou v novější verzi vedeny od tenziometru do kontejneru se zásobní nádobou, kabel signálu je veden do řídicí skříně na stožáru.
Za nejdůležitější zkušenost považujeme pozorování novější verze lyzimetru ze suchého léta v r. 2013, kdy tlak půdní vody v okolí lyzimetru i lyzimetru samotném klesal pod -100 kPa. Referenční tenziometr se za těchto okolností dostával mimo rozsah, ve kterém může měřit. Rovněž pórovitá náplň misky pode dnem lyzimetru a sukční kelímky se stávaly propustnými pro vzduch, takže vývěva nedokázala udržet podtlak. To však není významná závada z hlediska bilance vody v půdním profilu, protože vzestupný pohyb vody v přirozené půdě v hloubce dna lyzimetru je v době sucha velmi pomalý. Šlo o to prověřit, zda je lyzimetrem za těchto podmínek realisticky měřen sestupný pohyb vody skrze dno, pokud po suchém období přijde vydatný déšť, a zda se lyzimetr po skončení suchého období dokáže sám zotavit.
Během letního období roku 2013 nastalo několik suchých období, z nichž dvě jsou zachycena na obr. 2, 3 a 4. Referenční tenziometr vždy po nějakou dobu signalizoval vysoký podtlak až do -90 kPa, ale srovnání s kapacitním čidlem jasně ukazuje, že tyto hodnoty už byly falešné a potenciál vody v půdě vyjádřený v jednotkách tlaku byl ještě mnohem nižší a blížil se v jednom případě až hodnotě -900 kPa (-9 bar), přičemž výrobcem deklarovaný rozsah čidla je do -500 kPa (Decagon Devices, 2014). První období sucha bylo v srpnu přerušeno dešti, které zvlhčily půdu natolik, že tlak vody v hloubce 30 cm stoupl na dobu asi jednoho týdne na hodnotu měřitelnou tenziometrem. Referenční tenziometr byl poté odvzdušněn a začal po nějakou dobu opět ukazovat tlaky kolem -90 kPa, sucho však pokračovalo a teprve v říjnu se půda zvlhčila natolik, že opakované odvzdušnění referenčního tenziometru už mělo smysl a také pórovitá náplň misky pode dnem lyzimetru a sukční kelímky se nasytily vodou, takže standardní regulace tlaku vody na dně lyzimetru mohla znovu automaticky započít, aniž by byla nutná jakákoli lidská akce (kromě odvzdušnění referenčního tenziometru).
 |
Obr. 2 Průběh tlaku půdní vody podle měření referenčním tenziometrem T8 v hl. 30 cm v přirozené půdě a tlaku ve vakuovém systému spojeném se dnem lyzimetru v době sucha od 1.7. do 24.10.2013. |
 |
Obr. 3 Průběh tlaku půdní vody podle měření referenčním tenziometrem v hl. 30 cm v přirozené půdě a kapacitním čidlem s pórovitou matricí Decagon MPS-2 v hl. 25 cm uvnitř lyzimetru v době sucha od 1.7. do 24.10.2013. |
 |
Obr. 4 Hmotnosti lyzimetru a zásobní nádoby v době sucha od 1.7. do 24.10.2013. |
 |
Obr. 5 Průběh tlaku půdní vody podle měření referenčním tenziometrem T8 v hl. 30 cm v přirozené půdě a tlaku ve vakuovém systému spojeném se dnem lyzimetru v zimním období s výskytem mrazových dní od 10.1. do 9.2.2014. |
 |
Obr. 6 Hmotnosti lyzimetru a zásobní nádoby v období mrazových dní od 10.1. do 9.2.2014. |
Decagon Devices (2014): MPS-2 Dielectric Water Potential. Product Overview. http://www.decagon.com/products/soils/water-potential/mps-2-water-potential-temperature/ , accessed 21 November 2013.
de la Hire, P. (1720) Mémoires de mathematique et de physique, tirés des registres de l'Academie royale des sciences, de l'année MDCCIII. Remarques sur l'eau de la pluie, sur l'origine des fontaines; avec quelques particularités sur la construction des citernes. Hist. de l'Acad. Roy. des Sci. Ann. 1703 (2): 56-59.
Kohnke, H., Dreirelbis, F. R., Davidson, J. M. (1940) A survey and discussion of lysimeters and a bibliography on their construction and performance. United States Department of Agriculture Miscellaneous Publication No. 372, Washington, D. C., May 1940, 68 pp. http://gis.lrs.uoguelph.ca/agrienvarchives/download/lysimeter_rev_usda_1940.pdf, 20.11.2013.
Matula, M., Miháliková, M., Mráz, A., von Unold, G., Chala, A.T., Hrkalová, M., Doležal, F. (2014): Zkušenosti z instalace a provozu malého inteligentního lyzimetru SFM UMS. In: Hydrologie malého povodí 2014. ÚH AV ČR, Praha. 22.-24.4.2014.
SmartField-Lysimeter User Manual, UMS GmbH, Munich.
Dostupný na http://ebookbrowsee.net/smartfield-lysimeter-user-manual-v12-2013-pdf-d652390256