Toprak Nemi, Su Hareketi Ve Ölçüm Yöntemleri
Tarımsal üretimin en kritik bileşeni sudur. Bitki, topraktan suyu alır; bünyesinde taşır, dönüştürür ve yaşam döngüsünü sürdürür. Ancak bitki sadece suya değil, doğru miktarda suya ihtiyaç duyar. Fazlası kadar azı da zararlıdır.
Bu dengeyi sağlamak için toprak-su ilişkisini tanımlayan fiziksel, kimyasal ve biyolojik mekanizmaların doğru anlaşılması gerekir. Toprak nemi, su hareketi ve ölçüm yöntemleri sulama planlamasında çok önemlidir.
Bu yazıda toprağın:
✔ su depolama kapasitesi
✔ su hareket prensipleri
✔ su formları
✔ gözenek yapısı
✔ infiltrasyon–perkolasyon mekanizması
✔ nem ölçüm yöntemleri
✔ dielektrik sensör teknolojileri
✔ kapilar davranışı
✔ laboratuvar hesaplamaları
✔ frekans temelli nem ölçümleri
✔ EC (Elektriksel İletkenlik) ilişkisi
✔ hacimsel ve ağırlıksal nem verileri
✔ sahada sensör doğrulama testleri
bilimsel ve uygulamalı bir bütünlükle açıklanmaktadır.
Toprak Nedir? Madde Fazları ve İç Yapı
Toprak üç fazdan oluşur:
| Faz | Açıklama |
|---|---|
|
Katı |
Mineral ve organik yapı |
|
Sıvı |
Su ve çözünmüş tuzlar |
|
Gaz |
Hava boşlukları |
Bu üç fazın genellikle yarısını katı kısmı (mineral ve organik mineraller) oluşturur. Diğer yarı kısmını ise su-hava oluşturur. Bu üç faz arasındaki oran, toprağın suyu:
- nasıl tuttuğunu
- nasıl ilettiğini
- bitkiye nasıl sunduğunu
belirler. Toprağın iç yapısını etkileyen iki ana özellik vardır:
Tekstür (Bünye)
Kum–silt–kil oranı. Tekstür açısından tınlı tekstürler en iyisidir.
- Killi toprak küçük gözenekli → yüksek kapilar su tutma
- Kumlu toprak büyük gözenekli → yüksek drenaj
Strüktür (Yapı)
Toprak taneciklerinin birleşme şeklidir. Strüktür bozulduğunda su infiltrasyonu ve kök gelişimi zayıflar. Granüler (en iyisidir), bloklu, prizmatik, plakalı (en kötü), masif (agregat* yok).
Agregat: topak.
Toprağın Hacim Ağırlığı Ve Özgül Ağırlığı
Hacim Ağırlığı (Bulk Density, BD):
Toprak kuru ağırlığının toplam hacmine oranıdır. Fırın kuru (105°C) toprakta yapılır. Birimi: g/cm³.
ρb = Mkuru / Vtoplam
ρb : Bulk density (hacim ağırlığı)
Hacim ağırlığı Kumlu>Tınlı>Killi>Organik.
Hacim ağırlığı yükseldikçe:
- Gözenek azalır.
- Kullanılabilir su azalır.
- Solma noktası artar.
- Su tutulur ama hareket edemez.
- Su iletimi düşer.
Özgül Ağırlık (Particle Density, PD):
Sadece katı fazın yoğunluğudur. Genellikle sabit kabul edilir:
ρk = Mk / Vk
Toprak ρk ≈ 2.65 g/cm³
ρk : Particle density (özgül ağırlığı).
Organik madde arttıkça özgül ağırlık düşer. Genelde az değişir.
Gözeneklilik Nedir? Formülü Nasıldır?
Gözeneklilik topraktaki toplam boşluk hacminin, toplam hacme oranıdır. Birimsizdir ve genellikle % cinsinden ifade edilir:
Gözeneklilik arttıkça:
✔ infiltrasyon artar
✔ su hareketi hızlanır
✔ hava değişimi güçlenir
Hacim ağırlığı arttıkça gözeneklilik azalır → infiltrasyon düşer.
Topraktaki Su Türleri
Higroskopik Su
Toprak taneciklerinin yüzeyine çok ince bir tabaka halinde adsorbe olmuş sudur.
Özellikleri:
- Bitki tarafından alınamaz
- Çok sıkı tutulur
- pF değeri yüksektir
- Buharlaşmaz / hareket etmez
- Toprak tamamen “kuru” görünse bile vardır
Bu su, toprak kuru olsa bile ayrılmaz; fırında kurutma ancak uzaklaştırabilir.
Kapiler Su
Toprak gözeneklerinde kapiler kuvvetlerle tutulan sudur.
Özellikleri:
- Bitki tarafından alınabilen esas su
- Enerji ihtiyacı düşüktür
- pF orta seviyededir
- İnce gözenekli (kil) topraklarda daha fazladır
- Bitki kökü suyu buradan ister
Bu su, tarlada esas nem hassasiyetinin ölçüldüğü alandır.
Gravitasyonel Su
Yerçekimi etkisiyle hızlı şekilde aşağı süzülen ve toprakta tutulmayan sudur.
Özellikleri:
- Bitki için faydalı değil
- Fazla su → perkolasyon kaybı
- Büyük gözeneklerden akar
- Kumlu topraklarda daha belirgin
Sulama yapıldıktan sonra fazla suyun akarak uzaklaştığı sudur.
| Su Türü | Bitki Kullanabilir Mi? | Enerji Düzeyi | Hareket Durumu | Gözenek Tipi |
|---|---|---|---|---|
|
Higroskopik |
Kullanamaz |
Çok yüksek |
Yok |
Mikrogözenek |
|
Kapiler |
Kullanabilir |
Orta |
Sınırlı |
Küçük gözenek |
|
Gravitasyonel |
Kullanamaz |
Çok düşük |
Yüksek |
Büyük gözenek |
Toprak Nemi Sabiteleri
Toprak nemi, bitki su stresi ve sulama zamanlaması arasındaki ilişkiyi doğru kurmak, sağlıklı bitki gelişimi ve su verimliliği için kritik öneme sahiptir.
Kullanılabilir Su Tutma Kapasitesi (STK)
Bitkilerin topraktan alabileceği toplam su miktarını ifade eder.
STK = TK – SN
TK = Tarla Kapasitesi: Toprağın suyu tutabildiği en yüksek seviyedir.
SN = Solma Noktası: Bitkinin artık su alamadığı eşiktir.
Tarla kapasitesinden solma noktasına kadar olan aralık bitki için kullanılabilir suyu temsil eder.
İzin Verilen Tüketim (İVT / RAM)
Bitkinin strese girmeden kullanabileceği su:
İVT = TK – KS
KS = Kritik Seviye: Bitkinin stres yaşamaya başladığı alt eşiktir.
TK ile KS arasındaki aralık “kolay alınabilir su”dır.
Stres Bölgesi (SB)
Kritik seviyeden solma noktasına kadar olan aralık:
SB = KS – SN
Bu bölgeye girildiğinde bitki metabolizması düşer, verim kaybı başlar.
Nem Yüzdeleri – Gravimetrik ve Hacimsel Ölçüm
Toprak nemi iki temel şekilde ifade edilir:
Ağırlık Yüzdesi (Pw) – Gravimetrik Nem
Kütle değişimine göre hesaplanır.
γt = kuru toprağın hacim ağırlığı (g/cm³)
D = kök derinliği
Hacim Yüzdesi (Pv) – Volumetrik Nem
Toprak hacmine göre ifade edilir.
Toprak hacmine dayalı ölçümlerde kuru yoğunluk katsayısı gerekmez.
Kritik Seviye Nem Hesabı (KS)
p = bitki katsayısı (çoğu bitki için %40 – %60)
Bitki türüne göre sulama eşiği belirlenir.
RAM – Kolay Alınabilir Su
TAM – Toplam Alınabilir Su
RAM = TK ile KS arasındaki su
TAM = TK ile SN arasındaki tüm su
Hacim – Kütle Dönüşümleri
γw: +4°C saf su yoğunluğu (1 g/cm³ veya 1 ton/m³)
d: su derinliği
A: sulanan alan
Toprağın Hacim Ağırlığı
Hacim ağırlığı (bulk density), 1 cm³ toprak hacminin kütlesidir:
Toprak sıkılaştıkça hacim ağırlığı artar → gözeneklilik azalır → su tutma değişir.
🧽 Sünger Analojisi
10 cm kalınlığında suya batırılıp çıkarılmış bir sünger düşünün:
- Su serbestçe akmaz ama gözeneklerde eşit dağılıdır
- Süngeri kestik
- Su süngerin gözeneklerine dağılmıştır. Her yerine.
📌 Sünger = Toprak yapısı
📌 Su = Toprak nemi
Toprak Nem Katmanları – Dikey Profiller
Dikey eksenle gösterilen toprak su seviyeleri:
| Seviye | Açıklama |
|---|---|
|
DN |
Doygunluk Noktası – Gözeneklerin tamamı su ile doludur. |
|
DS |
Drenaj Suyu – Yerçekimi etkisiyle aşağı doğru süzülen su. (Gravitasyonel / cazibe suyu) |
|
TK |
Tarla Kapasitesi – Bitki için kullanılabilir suyun başladığı nokta. |
|
STK/TAM |
Toplam Alınabilir Nem (TK – SN) |
|
KS |
Kritik Seviye – Bu seviyeden sonra bitki stres yaşamaya başlar. |
|
İVT/RAM |
Kolay Alınabilir Su (TK – KS) |
|
SN |
Solma Noktası – Bitki artık su alamaz, solma geri döndürülemez hale gelir. |
|
FK |
Fırın Kuru – Toprağın 105°C’de kurutularak tüm su içeriğinin sıfırlandığı referans seviye. |
Toprakta Su Hareketi Mekanizmaları
- Osmoz: Su düşük yoğunluk → yüksek yoğunluk yönünde hareket eder.
- Difüzyon: Tanecik yoğunluğu farkına bağlı hareket.
- Kütle Akışı: Basınç farkı ile net su akışı.
- Kapilar Hareket: Gözenek çapı küçüldükçe su daha yükseğe çıkar. Kil > Kum kılcal yükselme kapasitesine sahiptir. Toprakta su azalır → gerilim (pF) yükselir.
İnfiltrasyon Ve Perkolasyon
İnfiltrasyon:
Suyun yüzeyden toprağa giriş hızıdır.
Birimi: mm/saat. Sensörler arası mesafe/geçen süre
İlişki:
Hacim ağırlığı ↑ → gözenek ↓ → infiltrasyon ↓
Perkolasyon:
Suyun toprak içinde aşağıya doğru hareketidir.
Adsorpsiyon – Adezyon – Kohezyon
Bu üç mekanizma toprak su bağını belirler:
- Adezyon: su–toprak çekimi
- Kohezyon: su–su çekimi
- Adsorpsiyon: yüzey bağlı su
Kapilar Su ve Kapilar Hareket
Kılcal yükselme gözenek çapına göre değişir:
- Gözenek küçük → yükselme fazla
- Kil > Kum
Bu mekanizma bitki kök bölgesine su taşır.
Toprak Nem Sensörü Teknolojileri
TDR – Time Domain Reflectometry
- EM dalga yolu ölçer
- Yüksek frekans
- Çok hassas
- Kalibrasyon ister
- Kil ve organik madde etkiler
FDR – Frequency Domain Reflectometry
- Radyo frekans dalgaları
- 150 MHz tipik
- Kapasitif etki ölçümü
Endüktif Ölçüm
- Manyetik değişim temelli
Tansiyometre
- Su potansiyeli ölçümü
- Manometre.
- Toprağın suyu tutma gücünü ölçer.
- Kumlu (kaba bünyeli) topraklarda tansiyometre kullanımı daha rahattır.
Manometre:
- 0 ise: Toprak suya doymuş.
- İlk okuma için en az bir gün beklenmeli.
- Maksimum → 600 mmHg (0.8 bar = 80 cb = 600 mmHg)
- Seramik ucun toprakla iyi temas etmesi gerekir.
- Tansiyometre değeri yükseldikçe: Sulama başlamalı.
- Tansiyometre değeri düştükçe: Sulama durdurulmalı.
Değer Aralıkları:
- 0–10 cb (0–75 mmHg): Doygun
- 10–30 cb (75–225 mmHg): TK. (Tarla kapasitesi)
- 30–60 cb (225–450 mmHg): Sulama yapılır.
- → Kaba bünyeli ve sıcak ise: 30–40 cb
- → İnce bünyeli ve sıcak ise: 50–60 cb başla.
Ek Notlar:
- 70 cb (525 mmHg): Maksimum KS altı.
- 80–85 cb (600–637 mmHg): Su yok.
Nötron Saçılması
- Hidrojen atomu yoğunluğu ölçümü
- En güvenilir laboratuvar yöntemlerinden
Dielektrik Sabit ve Nem Ölçümü
Toprak nemi, dielektrik sabit üzerinden ölçülür:
- Su dielektrik = 80
- Toprak dielektrik ≈ 3–7
- Su arttıkça dielektrik yükselir → sensör sinyali artar.
Sensörler analog → lineer dönüşümle veri üretir.
Toprak Tipine Göre Sensör Eğrisi
- Killi toprak: eğri daha yatık
- Kumlu toprak: eğri daha dik
Bu fark su tutma kapasitesine bağlıdır.
Toprak Nem Sensörü Kullanmanın Faydaları
Toprak neminin doğru ölçülmesi; yalnızca sulama zamanını belirlemek için değil, bitki gelişimini etkileyen tüm süreçleri optimize etmek için kritik öneme sahiptir. Toprak nem sensörleri sayesinde sulama, gübreleme, enerji kullanımı ve verimlilik bilimsel verilere dayalı olarak yönetilir.
Su Tasarrufu Sağlar
Sensör tabanlı sulama, gereksiz su kullanımını önleyerek %20–60 arasında su tasarrufu sağlar. Toprak gerçek anlamda susayana kadar sulama yapılmadığı için fazla sulamanın önüne geçilir.
Verimi Artırır
Toprak nemi optimum seviyede tutulduğunda:
- Kök gelişimi güçlenir
- Fotosentez hızlanır
- Meyve ve dane kalite parametreleri yükselir
- Sonuç olarak bitkiler stres yaşamadan maksimum verim potansiyeline ulaşır.
Gübre Kullanımını Optimize Eder
Toprak nemi doğru yönetildiğinde gübrelerin aşağı doğru yıkanması önlenir. Bu sayede:
- Bitki, verilen besinden daha fazla faydalanır
- Gübre kaybı ve maliyet azalır
- Toprak ve su kaynakları kirlenmez
Bitki Stresini Azaltır
Sensör verileri; kritik nem seviyelerinden önce sulama uyarısı verdiği için bitki strese girmez. Bu:
- Gelişim geriliğini
- Verim düşüşünü
- Yaprak sararmasını önler.
Kök Çürümesini Önler
Fazla sulama toprakta oksijeni azaltarak kök çürümesine sebep olur. Sensörler sayesinde:
- Aşırı sulama engellenir
- Kök bölgesi havalanır
- Sağlıklı kök yapısı korunur
Sonuç olarak:
Toprak nem sensörü, modern tarımda hem ekonomik hem ekolojik fayda sağlayan temel bir teknolojidir. Bilimsel sulama yönetimiyle su, enerji, zaman ve kimyasal kullanımında yüksek verimlilik sağlayarak sürdürülebilir tarımı destekler.
Yorumlar