Una gestione errata del sale applicato durante l'irrigazione finisce per ridurre la produzione, in molti casi in modo drastico. Irrigare in modo scorretto aumenta anche il costo dell'acqua e l'energia utilizzata per applicarla. Capire il bilancio salino nel terreno e conoscere la frazione di lisciviazione, ovvero la quantità di acqua di irrigazione supplementare che deve essere applicata per mantenere una salinità accettabile nella zona radicale, è fondamentale per il successo di ogni gestore dell'irrigazione. Tuttavia, il monitoraggio della salinità del suolo è spesso poco conosciuto.
Nel webinar che segue, il dottor Gaylon Campbell, fisico del suolo di fama mondiale, insegna i fondamenti della misurazione della conducibilità elettrica del suolo (EC) e come utilizzare uno strumento a cui pochi pensano, ma che è assolutamente essenziale per mantenere la resa e il profitto delle colture. Impara:
I terreni irrigati rappresentano il 40% della nostra offerta alimentare e i sali hanno un impatto sulla resa di circa un quinto di questi ettari. Tutta l'acqua di irrigazione contiene almeno una parte di sale. Se i sali si accumulano intorno alla zona radicale di una coltura, danneggiano le piante, riducono la resa e modificano persino la struttura del suolo, causando danni a lungo termine al terreno stesso. Per preservare la produttività dei terreni irrigati, è importante capire come gestire i sali.
Le fasi di gestione dei sali sono:
La conducibilità elettrica (EC) è la chiave per effettuare queste misurazioni. L'acqua pura non conduce l'elettricità, ma la maggior parte dell'acqua, anche quella del rubinetto, contiene una quantità di sali disciolti sufficiente a renderla conduttiva. Poiché la concentrazione di sali nell'acqua influisce direttamente sulla sua conduttività, la misurazione della conduttività elettrica è un metodo molto efficace per misurare le concentrazioni di sali nell'acqua del suolo.
A molti è capitato di concimare troppo, magari per sbaglio, e di uccidere l'erba o altre piante. Spesso si dice che il fertilizzante ha "bruciato" le piante, ma in genere non sono i nutrienti in sé a causare il danno. Spesso è il loro effetto sull'acqua. Le piante assorbono acqua, ma non sali in quantità apprezzabile. Quando il sale viene aggiunto al terreno attraverso la concimazione e l'irrigazione, vi si concentra. Il sale può causare diversi problemi alle piante. Per esempio, il Na+ può raggiungere concentrazioni tossiche per le piante, anche se queste non ne assumono una quantità apprezzabile. Inoltre, il sale attira l'acqua e rende più difficile per le piante assorbire l'acqua dal terreno. Alcune piante sono più sensibili di altre al sale nel terreno. La resa dei fagioli sarà compromessa se l'estratto di saturazione del suolo EC supera i 2 dS/m, ad esempio, mentre l'orzo può essere coltivato senza riduzione della resa con un estratto di saturazione del suolo fino a 16 dS/m. In ultima analisi, tuttavia, un elevato contenuto di sale influisce su tutte le piante.
| Sensibile | Moderatamente tollerante | Altamente tollerante |
|---|---|---|
| Trifoglio rosso | Grano | Palma da dattero |
| Pisello | Pomodoro | Orzo |
| Fagiolo | Mais | Barbabietola da zucchero |
| Pera | Erba medica | Cotone |
| Arancione | Patata | Spinaci |
Tabella 1. Tolleranza al sale nelle colture
L'unità SI per la conduttanza elettrica è il Siemen, quindi la conduttività elettrica ha unità di S/m. Le unità utilizzate nella letteratura più antica sono i mho/cm (mho è il reciproco di ohm). La EC del suolo era comunemente riportata in mmho/cm. 1 mmho/cm equivale a 1 mS/cm, ma poiché il SI scoraggia l'uso di sottomultipli nel denominatore, questa unità è cambiata in deciSiemen per metro (dS/m), che è numericamente equivalente a mmho/cm o mS/cm.
| Classe USDA | Estratto di saturazione (dS/m) | Sale nel suolo (g di sale/100g di suolo) | Potenziale osmotico (kPa) | Tolleranza alle colture | Esempio di colture |
|---|---|---|---|---|---|
| A | 0-2 | 0-0.13 | Da 0 a -70 | Sensibile | Fagiolo |
| B | 2-4 | 0.13-0.26 | Da -70 a -140 | Moderatamente sensibile | Mais |
| C | 4-8 | 0.26-0.51 | Da -140 a -280 | Moderatamente sensibile | Grano |
| D | 8-16 | 0.51-1.02 | Da -280 a -560 | Tollerante | Orzo |
Tabella 2. Classi di salinità dei suoli (Richards, L.A. [Ed]. 1954. Diagnosi e miglioramento dei terreni salini e alcalini, USDA AG Handbook 60, Washington DC).
Esistono tre modi per misurare l'EC nel suolo: misurare l'EC dell'acqua dei pori, l'EC di massa o l'EC dell'estratto di saturazione. Tutti e tre sono correlati, ma esistono strumenti per convertire l'uno nell'altro. Per comprendere i dati di misurazione, è importante sapere quale tipo di EC si sta misurando.
L'EC dell'acqua dei pori o dell'acqua del suolo(σw) è la conducibilità elettrica dell'acqua nei pori del suolo. I ricercatori spesso confondono il valore che esce da un sensore di EC del suolo con l'EC dell'acqua dei pori. Sarebbe ideale misurare semplicemente la conducibilità elettrica dell'acqua dei pori in situ. Provate però a immaginare come funzionerebbe. I minuscoli sensori dovrebbero essere inseriti in microscopici pori pieni d'acqua. Ovviamente, non è possibile misurare la CE dell'acqua su quella scala. Infatti, l'unico modo per misurare l'EC dell'acqua dei pori è estrarre un campione di acqua del suolo e misurarne l'EC.
L'EC di massa(σb) è la conducibilità elettrica del terreno in massa (terreno, acqua e aria). I sensori di umidità del suolo installati nel terreno misurano tutti la EC di massa. È possibile utilizzare equazioni empiriche o teoriche per determinare l'EC dell'acqua dei pori e l'EC dell'estratto di saturazione(σe) dai valori di EC di massa misurati. La EC di massa è l'unica misura di EC che può essere monitorata continuamente in situ.
L'estratto di saturazione EC(σe) indica esattamente la quantità di sale presente nel suolo e può essere convertito in salinità del suolo. Questo è il metodo tradizionale per misurare l'EC. Si misura prelevando un campione di terreno, preparando una pasta satura di terreno e acqua deionizzata, estraendo l'acqua e misurando poi l'EC della soluzione estratta. I valori di EC pubblicati in letteratura sono quasi sempre quelli dell'estratto di saturazione.
Come detto in precedenza, i sensori in situ misurano la conducibilità elettrica del terreno in massa che circonda i sensori(σb). Sono state condotte numerose ricerche per determinare la relazione tra σb e la conducibilità dell'acqua dei pori(σw). Hilhorst (2000) ha sfruttato la relazione lineare tra la permittività dielettrica del suolo(εb) e σw per consentire la conversione da σb a σw se εb è nota. I sensori TEROS 12 misurano εb e σb quasi simultaneamente nello stesso volume di terreno. Si prestano bene a questo metodo. La conducibilità dell'acqua dei pori può essere determinata da (per la derivazione si veda Hilhorst, 2000)
dove σw è la conducibilità elettrica dell'acqua dei pori (dS/m); εw è la parte reale della permittività dielettrica dell'acqua dei pori del suolo (senza unità); σb è la conducibilità elettrica di massa, (dS/m), misurata direttamente dal sensore; εb è la parte reale della permittività dielettrica del suolo di massa (senza unità); εσb=0 è la parte reale della permittività dielettrica quando σb = 0 (senza unità). εw ( Equazione 2) ha un valore di circa 80. Un valore più accurato può essere calcolato in base alla temperatura del suolo usando
dove Tsoil è la temperatura del suolo (ºC) misurata da un sensore di temperatura collegato alla misurazione dell'EC di massa, come avviene di solito con i sensori di EC del suolo METER.
εb viene misurato anche dalla maggior parte dei sensori di contenuto volumetrico d'acqua per la ricerca.
Infine, εσb=0 è un termine di offset che rappresenta vagamente la permittività dielettrica del terreno quando l'EC=0. Hilhorst (2000) raccomanda di utilizzare εσb=0= 4,1 come offset generico. Hilhorst (2000) offre un metodo semplice e facile per determinare εσb=0 per i singoli tipi di suolo, che migliorerà l'accuratezza del calcolo di σw nella maggior parte dei casi.
I nostri test indicano che il metodo sopra descritto per il calcolo di σw risultaabbastanza accurato (± 20%) nei terreni e in altri substrati di crescita ad alto contenuto d'acqua (oltre il 25%). Al diminuire del contenuto d'acqua, il denominatore dell'equazione 1 diventa piccolo, con conseguenti grandi errori potenziali nel calcolo. Per ottenere risultati ottimali, si consiglia di utilizzare l'equazione di Hilhorst quando il contenuto d'acqua è elevato per ottenere l'EC dell'estratto di saturazione(σe) e quindi di calcolare l'EC dell'acqua dei pori a un contenuto d'acqua inferiore (sotto il 25%), assumendo che il sale rimanga nel terreno mentre l'acqua viene rimossa (come mostrato nell'equazione 3). Utilizzando questa ipotesi
Dove θ è il contenuto volumetrico d'acqua del suolo e θs è il contenuto d'acqua alla saturazione, che può essere calcolato dalla densità apparente del terreno
ρb è la densità apparente del terreno (Mg/m3) e ρs è la densità dei solidi (2,65 Mg/m3 per i terreni minerali).
L'EC dell'estratto di saturazione (spesso indicata come ECe o σe) è la conducibilità elettrica dell'acqua dei pori rimossa da una pasta satura del terreno. Il terreno viene bagnato con acqua distillata fino a saturazione. Quindi il terreno viene posto su carta da filtro in un imbuto a vuoto e viene applicata l'aspirazione. Una misura di conducibilità elettrica sull'acqua rimossa dal campione darà σe. Il σe diun terreno è il valore utilizzato per quasi tutte le raccomandazioni sulla salinità (si veda, ad esempio, Richards, 1954) ed è, quindi, un valore importante da ottenere. Può essere calcolata dalla EC dell'acqua porosa utilizzando la seguente equazione
Combinando le equazioni 1 e 4 si ottiene
L'equazione 6 è probabilmente la più utile per valutare la salinità sul campo. Anche in questo caso, usatela quando il contenuto d'acqua è più alto per massimizzare l'accuratezza.
A titolo di esempio, supponiamo che la densità apparente del nostro terreno sia di 1,33 Mg/m3. Dall'Equazione 4 si ottiene un contenuto d'acqua di saturazione pari a 1 - 1,33/2,65 = 0,5. Supponiamo di aver misurato una EC di massa di 0,3 dS/m quando il contenuto d'acqua è di 0,345 m3/m3, e un dielettrico di massa(εb) = 20. Il σe sarebbe
Calcolare l'EC dell'acqua dei pori a partire dall'EC di massa non è la stessa cosa che convertire da una serie di unità di misura a un'altra: si tratta di un modello. O meglio, si tratta di molti tipi diversi di modelli. Alcuni sono empirici, altri teorici, ma tutti hanno i loro punti di forza e di debolezza. Abbiamo presentato il modello di Hilhorst, ma esistono altri modelli popolari, tra cui il modello di Rhodes e il modello di Mualem e Friedman.
| Estratto di saturazione EC | EC di massa del suolo | Acqua porosa EC | |
|---|---|---|---|
| Definizione | La conducibilità elettrica di una soluzione d'acqua estratta da un campione di suolo saturo | La conducibilità elettrica combinata del terreno, dell'aria e dell'acqua in un substrato di terreno poroso. | La conducibilità elettrica della soluzione contenuta nei pori del terreno |
| Applicazioni | Applicazioni agricole in campo per la gestione del sale | In qualsiasi momento sia necessaria una misurazione continua. Utilizzato per calcolare l'acqua di poro e l'estratto di saturazione EC. | Applicazioni in serra e in vivaio, calcolo della frazione di lisciviazione |
| Vantaggi | Misura quantitativa della quantità di sali presenti nel suolo (salinità del suolo)
La misura migliore per determinare l'idoneità delle colture per un determinato suolo |
Può essere misurato in continuo con un in situ sonda
Il valore può essere utilizzato insieme al contenuto volumetrico di acqua per modellare l'estratto di saturazione o l'acqua dei pori. |
Misura ciò che l'impianto sta effettivamente vivendo
Quantifica la quantità di sale trasportata dalle acque di drenaggio. |
| Come si misura il parametro
*Tutti i metodi assumono valori EC corretti per la temperatura (tutti i sensori EC METER contengono questa correzione: vedere il manuale d'uso). |
Un campione di terreno prelevato dal campo viene mescolato con acqua deionizzata fino a saturazione. L'acqua viene poi estratta attraverso un filtro e la CE e la temperatura dell'acqua vengono misurate con un misuratore di CE.
Il valore è calcolato in base alle misure di EC e di contenuto volumetrico d'acqua. |
Per la conducibilità elettrica, il sensore viene posizionato nel terreno alla profondità desiderata. | Il campionatore dell'acqua dei pori del suolo viene utilizzato per estrarre l'acqua dei pori dal suolo a una profondità specifica. Un misuratore di EC viene utilizzato per misurare l'EC dell'acqua.
Il valore è calcolato in base alle misure di EC e di contenuto volumetrico d'acqua. Il valore è determinato dal sensore EC di Drain Gauge Lysimeter , dove viene raccolta e monitorata l'acqua dei pori del suolo. |
Tabella 3. Metodi di misurazione dei diversi tipi di EC
Una delle ragioni più comuni per misurare l'EC nel terreno è ridurre al minimo il sale nelle zone radicali delle piante in crescita attiva. Se l'EC nella zona radicale diventa troppo alta, il coltivatore può aggiungere ulteriore acqua di irrigazione per far defluire i sali al di sotto della zona radicale. L'illustrazione sottostante mostra come, su base relativa, i valori dell'estratto di saturazione possano essere confrontati tra loro, con un colore più chiaro che indica una EC di saturazione più bassa e un colore più scuro che indica una EC di saturazione più alta.
La frazione di lisciviazione (LF) è definita come la profondità dell'acqua drenata dal fondo della zona radicale(Ddrain) divisa per la profondità dell'acqua applicata (attraverso l'irrigazione e le precipitazioni) al profilo del suolo(Dapplied).
Usare la frazione di lisciviazione per calcolare quanta acqua deve scorrere nel profilo per mantenere una determinata conducibilità elettrica nella zona radicale.
Ad esempio, se l'EC dell'acqua di irrigazione liquida è di 0,3 dS/m e l'acqua che drena oltre la zona radicale non deve avere un'EC superiore a 3 dS/m, gli irrigatori dovrebbero far passare un decimo dell'acqua applicata attraverso il profilo.
Tutto ciò presuppone, tuttavia, che il drenaggio (la quantità d'acqua che fuoriesce dal fondo della zona radicale) sia misurato con precisione. In pratica, è molto difficile da misurare. Un approccio innovativo consiste nel capovolgere le equazioni della frazione di lisciviazione e utilizzare l'EC dell'acqua di drenaggio per calcolare il drenaggio profondo. L'EC dell'acqua di drenaggio può essere misurata installando sonde al di sotto della zona radicale.
Riordinando le equazioni, la profondità dell'acqua di drenaggio è uguale alla profondità dell'acqua applicata, moltiplicata per l'EC dell'acqua applicata (precipitazioni e irrigazione), divisa per l'EC dell'acqua di drenaggio.
Nella maggior parte delle aree, la pioggia, che non contiene sali, avrà un ruolo significativo nel bilancio salino complessivo. Un buon modo per regolare l'EC dell'acqua applicata(ECapplicata) per il contributo della pioggia è moltiplicare l'EC dell'acqua di irrigazione per la profondità dell'irrigazione e dividere per la profondità della pioggia più la profondità dell'irrigazione.
La frazione di lisciviazione è 0,4/4, pari al 10%. L'acqua totale persa dal drenaggio è di 2,5 cm.
La Figura 2 mostra i valori del contenuto idrico del suolo a tre profondità nel tempo, subito dopo la concimazione. Ma dov'è il fertilizzante? I valori di umidità del suolo non danno indicazioni sulla lisciviazione o sul drenaggio dei nutrienti.
Nella Figura 3, le misurazioni della EC di massa e del contenuto volumetrico d'acqua di un GS3 sono state utilizzate per calcolare la EC dell'acqua dei pori alle stesse tre profondità. Si noti come il fertilizzante rimanga temporaneamente nella zona radicale, ma venga eliminato con l'acqua che drena dalla zona radicale. Entrambi i grafici sono tratti da Stirzaker (2010).
I seguenti sensori consentono di raccogliere dati per modelli e applicazioni EC specifici.
5TE, GS3, TEROS 12
Questi sensori di umidità del suolo possono essere utilizzati per determinare:
G3 Drain Gauge e CTD + DG (sensore EC/temperatura/profondità)
Il G3 e HYDROS 21 + DG possono essere utilizzati per determinare l'EC dell'acqua dei pori dell'acqua di drenaggio del suolo(σw,ECdrain) quando sono installati sotto la zona radicale. Inoltre, i campionatori di acqua porosa possono essere utilizzati per determinare l'EC dell'acqua porosa(σw).
ES-2 sensore di temperatura e di EC
Il sensore può essere utilizzato per determinare la EC dell'acqua di irrigazione (σw, ECirrig) ES-2 può essere utilizzato per determinare l'EC dell'acqua di irrigazione(σw, ECirrig) se installato in linea nel tubo di irrigazione (richiede una calibrazione personalizzata).
Manometro per la pioggia
Il pluviometro può essere utilizzato per determinare la profondità della pioggia(Drain).
Misuratore di portata Badger
Questo strumento può essere utilizzato per determinare la profondità di irrigazione ((Dirrig) a condizione che si conosca l'area totale irrigata.
Hamed, Yasser, Magnus Persson e Ronny Berndtsson. "Misure di conducibilità elettrica della soluzione del suolo utilizzando diverse tecniche dielettriche". Soil Science Society of America Journal 67, no. 4 (2003): 1071-1078.(Link all'articolo)
Hilhorst, Max A. "Un sensore di conducibilità dell'acqua dei pori". Soil Science Society of America Journal 64, no. 6 (2000): 1922-1925.(Link all'articolo)
Mualem, Y. e S. P. Friedman. "Previsione teorica della conducibilità elettrica in terreni saturi e insaturi". Water Resources Research 27, no. 10 (1991): 2771-2777.(Link all'articolo)
Rhoades, J. D., P. A. C. Raats e R. J. Prather. "Effetti della conducibilità elettrica in fase liquida, del contenuto d'acqua e della conducibilità superficiale sulla conducibilità elettrica del suolo in massa". Soil Science Society of America Journal 40 (1976): 651-655.
Rhoades, J. D., N. A. Manteghi, P. J. Shouse e W. J. Alves. "Conducibilità elettrica del suolo e salinità del suolo: Nuove formulazioni e calibrazioni". Soil Science Society of America Journal, no. 2 (1989): 433-439.(Link all'articolo)
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