Che siate laureandi che intraprendono una campagna di misurazione ambientale, ricercatori esperti o coltivatori che si occupano di gestione dell'irrigazione, a un certo punto vi sarete probabilmente resi conto di dover misurare l'umidità del suolo. Perché? Poiché la disponibilità di acqua è uno dei principali fattori di produttività dell'ecosistema, l'umidità del suolo (cioè il contenuto idrico del suolo/il potenziale idrico del suolo) è la fonte immediata di acqua per la maggior parte delle piante. Che cos'è l'umidità del suolo? Di seguito viene fornita una panoramica completa sulla misurazione dell'umidità del suolo e un'esplorazione di alcuni importanti termini scientifici utilizzati in relazione all'umidità del suolo.
L'umidità del suolo è molto più che conoscere la quantità d'acqua presente nel terreno. Ci sono dei principi di base da conoscere prima di decidere come misurarla. Ecco alcune domande che possono aiutarvi a concentrarvi su ciò che state effettivamente cercando di scoprire.
A seconda di quale di queste domande vi interessa, l'umidità del suolo può avere un significato molto diverso.
La maggior parte delle persone considera l'umidità del suolo solo in termini di una variabile: il contenuto idrico del suolo. Ma per descrivere lo stato dell'acqua nel suolo sono necessari due tipi di variabili: il contenuto idrico, che è la quantità di acqua, e il potenziale idrico, che è lo stato energetico dell'acqua.
Il contenuto idrico del suolo è una variabile estesa. Cambia in base alle dimensioni e alla situazione. È definito come la quantità di acqua per unità di volume o massa totale. In pratica, è la quantità di acqua presente.
Il potenziale idrico è una variabile "intensiva" che descrive l'intensità o la qualità della materia o dell'energia. Viene spesso paragonato alla temperatura. Così come la temperatura indica il livello di comfort di un essere umano, il potenziale idrico può indicare il livello di comfort di una pianta. Il potenziale idrico è l'energia potenziale per mole (unità di massa, volume, peso) di acqua con riferimento all'acqua pura a potenziale zero. Si può considerare il potenziale idrico come il lavoro necessario per rimuovere una piccola quantità di acqua dal terreno e depositarla in una vasca di acqua pura e libera.
Per saperne di più sulle variabili intensive e estensive
Scarica la "Guida completa al potenziale idrico per i ricercatori".
Questo articolo esamina brevemente due diversi metodi di misurazione del contenuto idrico del suolo: il contenuto idrico gravimetrico e il contenuto idrico volumetrico.
Il contenuto idrico gravimetrico è la massa d'acqua per massa di terreno (cioè grammi d'acqua per grammo di terreno). È il metodo principale per misurare il contenuto idrico del suolo perché la quantità di acqua nel suolo viene misurata direttamente attraverso la misurazione della massa. Si calcola pesando il terreno umido prelevato dal campo, facendolo asciugare in un forno e poi pesando il terreno asciutto.
Il contenuto d'acqua gravimetrico è quindi uguale alla massa del suolo umido meno la massa del suolo secco divisa per la massa del suolo secco. In altre parole, la massa dell'acqua divisa per la massa del suolo.
Il contenuto volumetrico d'acqua è il volume d'acqua per il volume totale del suolo.
Il contenuto d'acqua volumetrico descrive la stessa cosa del contenuto d'acqua gravimetrico, solo che viene riportato su base volumetrica.
Ad esempio, la Figura 1 mostra i componenti di un volume noto di terreno. Tutti i componenti sono pari al 100%. Poiché il contenuto volumetrico d'acqua (VWC) è uguale al volume d'acqua diviso per il volume totale del terreno, in questo caso il VWC sarà del 35%. Il VWC viene talvolta riportato come cm3/cm3 o pollici per piede.
Il contenuto d'acqua gravimetrico(w) può essere convertito in contenuto d'acqua volumetrico(ϴ) moltiplicando per la densità apparente secca del terreno(⍴b) (Equazione 3).
Poiché il contenuto d'acqua gravimetrico è il metodo di misurazione diretto della quantità d'acqua presente nel suolo, viene utilizzato per sviluppare le calibrazioni e convalidare le letture di quasi tutte le misure VWC rilevate in situ o a distanza. Se si dispone di un sensore dielettrico, si ha una relazione che converte ciò che si legge nel campo elettromagnetico in un contenuto idrico del suolo. Quindi, se non siete sicuri che il vostro contenuto volumetrico d'acqua sia corretto, prelevate un campione di terreno, misurate il contenuto gravimetrico d'acqua, prendete un campione di densità apparente e verificate voi stessi.
L'umidità del suolo è molto più che conoscere la quantità di acqua presente nel terreno. Scoprite i principi di base che dovete conoscere prima di decidere come misurarla. In questo webinar di 20 minuti, scoprirete:
La maggior parte delle misurazioni volumetriche del contenuto d'acqua viene effettuata utilizzando un qualche tipo di sensore. I sensori del contenuto d'acqua METER utilizzano la tecnologia della capacità. Per effettuare questa misurazione, questi sensori sfruttano la "polarità" dell'acqua. Come funziona?
La Figura 2 mostra una molecola d'acqua. C'è un polo negativo in alto con un atomo di ossigeno e un polo positivo in basso con due atomi di idrogeno. Se introducessimo un campo elettromagnetico (Figura 3) nel terreno, questa molecola d'acqua si metterebbe sull'attenti. Se il campo fosse invertito, la molecola d'acqua ballerebbe nel senso opposto. Pertanto, creando un campo elettromagnetico con un sensore di contenuto d'acqua, è possibile misurare l'effetto dell'acqua su tale campo elettromagnetico. Se c'è più acqua nel terreno, l'effetto sarà maggiore. Per saperne di più sulla tecnologia della capacità , cliccate qui.
L'uso di un sensore del contenuto d'acqua del suolo apre la possibilità di una serie temporale (Figura 4), uno strumento potente utilizzato per capire cosa sta accadendo nel suolo. Per misurare il contenuto d'acqua gravimetrico è necessario prelevare un campione o una serie di campioni e portarli in laboratorio. Se si ha bisogno di una serie temporale, questa operazione non è praticabile perché si dovrebbe essere essenzialmente sul campo a campionare tutto il tempo.
Con un sensore di contenuto idrico, è possibile misurare automaticamente i tempi delle variazioni del contenuto idrico del suolo e confrontare le profondità di un profilo. Le forme di queste curve forniscono informazioni importanti su ciò che sta accadendo all'acqua nel terreno.
La Tabella 1 confronta i diversi metodi di rilevamento del suolo.
| Contenuto d'acqua gravimetrico | Sensori VWC | Telerilevamento (SMOS) |
|---|---|---|
| Principi primi/metodo diretto | Conveniente per le serie temporali | Può eseguire serie temporali su scala limitata |
| Tempo necessario | Consente di rilevare il profilo nel tempo | Estremamente potente per il campionamento spaziale |
| Distruttivo | Meno invasivo | |
| Solo un'istantanea nel tempo |
Tabella 1. Confronto tra i metodi di rilevamento del suolo
Il contenuto idrico gravimetrico è una buona misura di base, ma richiede tempo, è distruttivo e fornisce solo un'istantanea nel tempo. I sensori del contenuto idrico del suolo forniscono una serie temporale, consentono il rilevamento del profilo nel tempo ed evitano il campionamento distruttivo, anche se un sensore viene comunque inserito nel suolo. Il telerilevamento fornisce una serie temporale su scala limitata, ma è estremamente potente per il campionamento spaziale, che è importante per misurare il contenuto d'acqua. I sensori di umidità del suolo METER riducono il disturbo grazie a uno strumento di installazione specializzato, progettato per minimizzare il disturbo del sito (guardate il video per vedere come funziona).
Se si desidera ottenere dati accurati sull'umidità del suolo, la priorità assoluta deve essere la corretta installazione del sensore. Quando si misura nel terreno, le variazioni naturali di densità possono causare una perdita di precisione del 2-3%, ma una cattiva installazione può potenzialmente causare una perdita di precisione superiore al 10%. La cattiva installazione è la fonte più comune di errore nei dati sull'umidità del suolo, ma esistono tecniche che garantiscono un'installazione sempre perfetta. L'esperto di installazione dei sensori, Chris Chambers, spiega perché è necessaria un'installazione più intelligente dei sensori di umidità del suolo e come ottenerla.
Impara:
In termini di contenuto volumetrico d'acqua, il terreno asciutto al forno è pari allo 0% di VWC per definizione. È un punto finale definito. L'acqua pura si trova all'altra estremità della scala, al 100%. Molti pensano che il 100% di VWC sia un terreno completamente saturo, ma non è così. Ogni tipo di terreno si satura con contenuti d'acqua diversi.
Un modo per considerarla è la percentuale di saturazione:
% di saturazione = VWC/porosità * 100
Se si conosce la porosità di un determinato tipo di terreno, è possibile approssimare il contenuto d'acqua alla saturazione. Ma i terreni raramente raggiungono la saturazione sul campo. Perché?
Nella Figura 5 si può notare che il terreno, assorbendo l'acqua, crea una pellicola d'acqua che si attacca alle particelle del terreno. Ci sono anche degli spazi tra i pori pieni d'aria. In condizioni di campo, è difficile eliminare questi spazi d'aria. Questo intrappolamento d'aria è il motivo per cui la percentuale di saturazione sarà raramente uguale alla saturazione massima teorica per ogni tipo di terreno.
Il potenziale idrico è l'altra variabile utilizzata per descrivere l'umidità del suolo. Come già detto, è definito come lo stato energetico del suolo o l'energia potenziale per mole d'acqua con riferimento all'acqua pura a potenziale zero. Cosa significa? Per capire questo principio, paragonate l'acqua di un campione di terreno a quella contenuta in un bicchiere. L'acqua nel bicchiere è relativamente libera e disponibile; l'acqua nel suolo è legata alle superfici e può essere diluita da soluti e persino sotto pressione. Di conseguenza, l'acqua del suolo ha uno stato energetico diverso dall'acqua "libera". L'acqua libera può essere raggiunta senza esercitare alcuna energia. L'acqua del suolo può essere estratta solo spendendo un'energia equivalente o superiore a quella con cui è trattenuta. Il potenziale idrico esprime la quantità di energia necessaria per estrarre l'acqua dal campione di terreno.
Il potenziale idrico è la somma di quattro diverse componenti: potenziale gravitazionale + potenziale matriciale + potenziale di pressione + potenziale osmotico (Equazione 4).
Il potenziale matriciale è il componente più significativo per quanto riguarda il suolo perché si riferisce all'acqua che aderisce alle superfici del suolo. Nella Figura 6, il potenziale matriciale è quello che crea la pellicola d'acqua che aderisce alle particelle del suolo. Quando l'acqua drena dal terreno, gli spazi dei pori pieni d'aria diventano più grandi e l'acqua si lega più strettamente alle particelle del terreno quando il potenziale matrico diminuisce. Guardate il video qui sotto per vedere il potenziale matrico in azione.
Il gradiente di potenziale idrico è la forza trainante del flusso d'acqua nel suolo. Il potenziale idrico del suolo è il miglior indicatore dell'acqua disponibile per le piante(scopri perché qui). Come per il contenuto d'acqua, il potenziale idrico può essere misurato con sensori sia in laboratorio che sul campo. Ecco alcuni esempi di diversi tipi di sensori di potenziale idrico in campo.
L'acqua si sposterà da una posizione a più alta energia a una a più bassa energia fino a quando le posizioni non raggiungeranno l'equilibrio, come illustrato nella Figura 6. Ad esempio, se il potenziale idrico di un terreno fosse di -50 kPa, l'acqua si sposterebbe verso il valore più negativo di -100 kPa per diventare più stabile.
Questo approssima anche ciò che accade nel continuum suolo-atmosfera delle piante. Nella Figura 7, il suolo è a -0,3 MPa e le radici sono leggermente più negative, a -0,5 MPa. Ciò significa che le radici tirano su l'acqua dal terreno. Poi l'acqua salirà attraverso lo xilema e uscirà dalle foglie attraverso questo gradiente di potenziale. È l'atmosfera, a -100 MPa, a guidare questo gradiente. Il potenziale idrico definisce quindi la direzione in cui l'acqua si muove nel sistema.
L'acqua disponibile per le piante è la differenza di contenuto d'acqua tra la capacità di campo e il punto di appassimento permanente nel terreno o nei substrati di coltivazione (vedi definizioni sotto). La maggior parte delle colture subisce una significativa perdita di resa se il terreno si asciuga anche solo in prossimità del punto di appassimento permanente. Per massimizzare la resa delle colture, il contenuto d'acqua del suolo sarà in genere mantenuto ben al di sopra del punto di appassimento permanente, ma l'acqua disponibile per le piante è comunque un concetto utile perché comunica la dimensione della riserva d'acqua nel suolo. Con alcune conoscenze di base sul tipo di terreno, la capacità di campo e il punto di appassimento permanente possono essere stimati dalle misurazioni effettuate dai sensori di umidità del suolo in situ. Questi sensori forniscono dati continui sul contenuto idrico del suolo che possono guidare le decisioni di gestione dell'irrigazione per aumentare la resa delle colture e l'efficienza nell'uso dell'acqua.
La capacità idrica di campo è definita come "il contenuto di acqua su base massica o volumetrica che rimane in un terreno due o tre giorni dopo essere stato bagnato con acqua e dopo che il drenaggio libero è trascurabile". Glossario dei termini della scienza del suolo. Soil Science Society of America, 1997. Spesso si presume che sia il contenuto d'acqua a -33 kPa di potenziale idrico per i terreni a tessitura fine o a -10 kPa per i terreni sabbiosi, ma questi sono solo punti di partenza grezzi. L'effettiva capacità di campo dipende dalle caratteristiche del profilo del terreno. Deve essere determinata in base ai dati sul contenuto d'acqua monitorati sul campo. Se si esaminano i dati sulla capacità di campo, è bene sapere come si è arrivati a quel punto.
Anche se in genere si specifica la capacità di campo in termini di potenziale idrico, è importante capire che si tratta in realtà di una proprietà di flusso. L'acqua si muove verso il basso nel profilo del terreno sotto l'influenza del gradiente di potenziale gravitazionale. Continuerà a muoversi verso il basso per sempre, ma quando il suolo si asciuga, la conducibilità idraulica diminuisce rapidamente, rendendo infine il flusso verso il basso piccolo rispetto alle perdite per evaporazione e traspirazione. Pensate al terreno come a un secchio che perde. Le piante cercano di afferrare un po' d'acqua mentre si muove verso il basso attraverso la zona radicale.
All'estremità opposta della scala si trova il punto di appassimento permanente. Il punto di appassimento permanente è stato determinato sperimentalmente nei girasoli e definito come -15 bar (-1500 kPa, Briggs e Shantz, 1912, pag. 9). È il potenziale del suolo al quale i girasoli appassiscono e non sono in grado di riprendersi durante la notte. In teoria è il serbatoio vuoto, in cui si verifica una perdita completa della pressione di turgore e la pianta è appassita. Ma -1500 kPa non è necessariamente il punto di appassimento per tutte le piante. Molte piante "appassiscono" in punti diversi; alcune iniziano a proteggersi da danni permanenti molto prima di -1500 kPa e altre molto dopo. Quindi -1500 kPa è un utile punto di riferimento nel terreno, ma sappiate che un cactus probabilmente non si preoccupa di -1500 kPa e un pino ponderoso non si spegnerà di certo a quel punto. Quindi può significare cose diverse per piante o colture diverse (per saperne di più: M.B. Kirkham. Principles of Soil and Plant Water Relations, 2005, Elsevier).
È possibile determinare in modo semplice e rapido il punto di appassimento permanente di qualsiasi terreno utilizzando il sistema METER. WP4C.
Per trarre conclusioni significative sul contenuto d'acqua è necessario conoscere il tipo di terreno.
La Figura 8 illustra le classi di tessitura più comuni, dalla sabbia all'argilla. Ogni tessitura ha una diversa distribuzione granulometrica. La Tabella 2 illustra che a -1500 kPa (punto di appassimento permanente) ogni classe di tessitura ha un diverso contenuto d'acqua. Lo stesso vale per la capacità di campo.
| Struttura | FC (v%) | PWP (v%) |
|---|---|---|
| Sabbia | 5 | 1 |
| Sabbia limosa | 10 | 2 |
| Terreno sabbioso | 17 | 6 |
| Terreno argilloso sabbioso | 32 | 19 |
| Terreno di riporto | 27 | 14 |
| Sandy Clay | 38 | 28 |
| Limo di Silt Loam | 27 | 13 |
| Limo | 24 | 10 |
| Argilla Limosa | 36 | 23 |
| Argilla limacciosa | 36 | 22 |
| Argilla limosa | 40 | 28 |
| Argilla | 42 | 32 |
Tabella 2. Capacità di campo rappresentativa e punto di appassimento permanente per diverse tessiture del suolo
È interessante notare che un terreno sabbioso e argilloso può avere un VWC del 32% alla capacità di campo (che è un terreno ben idratato), ma per un'argilla il 32% VWC è il punto di appassimento permanente. Ciò significa che è necessario prelevare un campione di terreno quando si installano i sensori per assicurarsi di conoscere la tessitura del terreno e ciò che sta accadendo nel terreno. Questo è particolarmente importante quando si verificano cambiamenti nel tipo di terreno: cambiamenti nel profilo del terreno o variabilità spaziale da sito a sito. Si noti che il potenziale idrico non cambia a seconda della situazione. Per tutti questi tipi di terreno, -33 kPa è -33 kPa sia che si tratti di argilla che di sabbia. Se si considera un terreno limoso come un tipo di terreno a medio impasto, il suo contenuto d'acqua a -33 kPa è del 27% e il suo contenuto d'acqua a -1500 kPa è del 13%. A una densità di massa tipica, lo spazio totale dei pori è circa il 50%. Se questo fosse riempito, il terreno sarebbe saturo. Quindi, partendo dalla saturazione, (supponendo che la capacità di campo sia -33 kPa) metà dell'acqua dovrebbe defluire per raggiungere la capacità di campo. Circa la metà dell'acqua rimasta è acqua disponibile per le piante. Una volta che la pianta ha estratto tutta l'acqua possibile, una quantità d'acqua pari all'acqua disponibile per la pianta è ancora presente nel terreno, ma non può essere rimossa dalla pianta.
Il PARIO è uno strumento che determina automaticamente il tipo di suolo e la distribuzione granulometrica di qualsiasi terreno.
Esiste una relazione tra il potenziale idrico e il contenuto volumetrico d'acqua che può essere illustrata con una curva di ritenzione idrica del suolo (talvolta chiamata curva di rilascio dell'umidità o curva caratteristica dell'acqua del suolo). La Figura 9 mostra esempi di curve per tre diversi terreni. Sull'asse delle ascisse è riportato il potenziale idrico su scala logaritmica e sull'asse delle ordinate il contenuto idrico volumetrico. Le curve di ritenzione idrica del suolo sono come impronte digitali fisiche, uniche per ogni terreno. Questo perché la relazione tra potenziale idrico e contenuto idrico del suolo è diversa per ogni terreno. Grazie a questa relazione, è possibile scoprire come si comporteranno i diversi terreni in qualsiasi punto della curva. È possibile rispondere a domande cruciali come: l'acqua drena rapidamente attraverso il terreno o viene trattenuta nella zona radicale? Le curve di ritenzione idrica del suolo sono strumenti potenti utilizzati per prevedere l'assorbimento dell'acqua da parte delle piante, il drenaggio in profondità, il deflusso e altro ancora. Per saperne di più su come funzionano, guardate l'articolo Soil Moisture 201.
Il HYPROP è uno strumento che genera automaticamente curve di ritenzione idrica del terreno nell'intervallo di umidità. È possibile creare curve di ritenzione per l'intero intervallo di umidità del terreno combinando il HYPROP e il WP4C.
Prima di intraprendere una campagna di misurazione dell'umidità del suolo, ponetevi queste domande:
Se avete bisogno di sapere solo quanta acqua è immagazzinata nel suolo, dovreste concentrarvi sul contenuto idrico del suolo. Se invece volete sapere dove si sposta l'acqua, la misura giusta è il potenziale idrico. Per capire se le piante possono ricevere acqua, è necessario misurare il potenziale idrico.
Per saperne di più, leggete l'articolo: "Perché l'umidità del suolo non può dirvi tutto quello che dovete sapere". Tuttavia, se volete sapere quando innaffiare o quanta acqua è immagazzinata nel terreno per le vostre piante, probabilmente avete bisogno sia del contenuto d'acqua che del potenziale idrico. Questo perché dovete sapere quanta acqua c'è fisicamente nel terreno e dovete sapere a che punto le vostre piante non saranno in grado di ottenerla. Per saperne di più su come funziona, consultate l'articolo: "Quando irrigare: la doppia misurazione risolve il mistero".
Kirkham, Mary Beth. Principi delle relazioni idriche del suolo e delle piante. Academic Press, 2014.
Taylor, Sterling A. e Gaylen L. Ashcroft. Edafologia fisica. La fisica dei suoli irrigati e non irrigati. 1972.
Hillel, Daniel. Fondamenti di fisica del suolo. Academic press, 2013.
Dane, Jacob H., G. C. Topp e Gaylon S. Campbell. Metodi di analisi del suolo metodi fisici. N. 631.41 S63/4. 2002.
Capire la differenza tra i sensori di umidità del suolo può essere fonte di confusione. I due grafici seguenti mettono a confronto i metodi più comuni di rilevamento dell'umidità del suolo, i pro e i contro di ciascuno e il tipo di situazione in cui ciascun metodo può essere utile. Tutti i sensori di umidità del suolo METER utilizzano una tecnica di rilevamento capacitivo ad alta frequenza e uno strumento di installazione per facilitare l'installazione e garantire la massima precisione possibile. Per informazioni più approfondite su ogni metodo di misurazione, guardate il nostro webinar sull'umidità del suolo 102.
| Sensore | Pro | Contro | Quando usare |
|---|---|---|---|
| Resistenza Sonde |
1. È possibile raccogliere misure continue con un data logger. 2. Prezzo più basso 3. Basso consumo energetico |
1. Scarsa accuratezza: la calibrazione varia in base al tipo di terreno e al contenuto di sale nel suolo. 2. I sensori si degradano nel tempo |
1. Quando si vuole solo sapere se il contenuto d'acqua è cambiato e non ci si preoccupa della precisione |
| Sonde TDR (Dominio del tempo) |
1. È possibile raccogliere misure continue con un data logger. 2. Accurato con la calibrazione specifica del suolo (2-3%) 3. Insensibile alla salinità fino a quando il segnale non scompare. 4. Rispettato dai revisori |
1. Più complicato da usare rispetto alla capacità*. 2. L'installazione richiede tempo perché è necessario scavare una trincea anziché una buca. 3. Smette di funzionare in caso di salinità elevata 4. Utilizza molta energia (grandi batterie ricaricabili) |
1. Se il laboratorio possiede già il sistema. Sono più costosi e complessi della capacità e gli studi dimostrano che sia il TDR che la capacità sono ugualmente precisi con la calibrazione. |
| Sensori di capacità | 1. È possibile raccogliere misure continue con un data logger. 2. Alcuni tipi sono facili da installare 3. Accurato con la calibrazione specifica del terreno (2-3%) 4. Utilizza poca energia (piccole batterie con un pannello solare o meno). 5. Poco costoso, si possono ottenere molte più misurazioni per il denaro speso. |
1. Diventa impreciso in caso di salinità elevata (oltre 8 dS/m di estratto di saturazione)**. 2. Alcune marche di bassa qualità producono una scarsa accuratezza e prestazioni. |
1. Sono necessari molti punti di misura 2. Avete bisogno di un sistema semplice da implementare e da manutenere 3. È necessario un basso consumo energetico 4. Avete bisogno di più misure per ogni dollaro speso |
| Sonda neutronica | 1. Grande volume di misura 2. Insensibile alla salinità 3. Rispettato dai recensori, poiché il metodo esiste da più tempo 4. Non è influenzato da problemi di contatto suolo-sensore |
1. Costoso 2. Necessità di un certificato di radiazione per operare 3. Estremamente dispendioso in termini di tempo 4. Nessuna misurazione continua |
1. Avete già una sonda di neutroni nel vostro programma con la certificazione e sapete già come interpretare i dati della sonda di neutroni. 2. State misurando terreni altamente salini o argillosi che si restringono, dove il mantenimento del contatto è un problema. |
| COSMOS | 1. Volume d'influenza estremamente ampio (800 m) 2. Automatizzato 3. Efficace per la verifica a terra dei dati satellitari, in quanto attenua la variabilità su un'ampia area. 4. Non è influenzato da problemi di contatto suolo-sensore |
1. Più costoso 2. Il volume di misurazione è poco definito e cambia con il contenuto d'acqua del suolo. 3. L'accuratezza può essere limitata da fattori confondenti come la vegetazione. |
1. Quando è necessario ottenere una media del contenuto d'acqua su un'ampia area. 2. Si sta verificando la veridicità dei dati satellitari |
*Acclima e Campbell Scientific producono sensori/profili TDR con circuiti di misura a bordo, che superano la sfida della complessità della maggior parte dei sistemi TDR.
**La sensibilità dipende dalla frequenza di misura: maggiore è la frequenza, minore è la sensibilità.
| Resistenza | TDR | Capacità | Sonda neutronica | COSMOS | |
|---|---|---|---|---|---|
| Prezzo | Il più basso | Da moderato a elevato | Da basso a moderato | Alto | Il più alto |
| Precisione | Basso | Alto* (con calibrazione specifica del suolo) |
Alto* (con calibrazione specifica del suolo) |
Basso (migliora con la calibrazione sul campo) | Sconosciuto |
| Complessità | Facile | Da facile a intermedio | Facile | Difficile | Difficile |
| Uso dell'energia | Basso | Da moderato a elevato | Basso | N/D | Alto |
| Sensibilità alla salinità | Estremo | 1. Nessuna in condizioni di salinità medio-bassa 2. Sì in caso di salinità elevata |
Sì in alta salinità | No | No |
| Durata | Basso | Alto | Alto | Alto | Alto |
| Volume di influenza | Area ridotta tra la sonda A e la sonda B | Da 0,25 litri a 2 litri, a seconda della lunghezza della sonda e della forma del campo elettromagnetico. | Da 0,25 litri a 2 litri, a seconda della lunghezza della sonda e della forma del campo elettromagnetico. | Sfera di 20 cm di diametro quando il terreno è bagnato, sfera di 40 cm di diametro quando il terreno è asciutto | 800 metri di diametro |
*Alcune marche di bassa qualità presentano una bassa accuratezza e prestazioni scadenti. I maggiori rischi per l'accuratezza dei sensori TDR e capacitivi sono i vuoti d'aria causati da una cattiva installazione, seguiti dall'attività argillosa del terreno (ad esempio le argille smectitiche) e dalla salinità.
METER ha creato la nuova linea di sensori TEROS per eliminare le barriere che ostacolano una buona accuratezza, come l'incoerenza dell'installazione, la variabilità da sensore a sensore e la verifica del sensore. I sensori di umidità del suoloTEROS combinano un'installazione coerente e impeccabile con uno strumento di installazione, una struttura estremamente robusta, una variabilità minima da sensore a sensore, un ampio volume di influenza e una registrazione avanzata dei dati per offrire le migliori prestazioni, accuratezza, facilità d'uso e affidabilità a un prezzo accessibile.
Volete maggiori dettagli? Nel webinar qui sotto, l'esperto di umidità del suolo Leo Rivera spiega perché abbiamo impiegato 20 anni per creare la nuova linea di sensori TEROS .
Per una maggiore accuratezza, è opportuno considerare una calibrazione specifica per il terreno. I sensori di umidità del suolo METER misurano il contenuto volumetrico d'acqua del suolo misurando la costante dielettrica del suolo, che è una forte funzione del contenuto d'acqua. Tuttavia, non tutti i terreni hanno proprietà elettriche identiche. A causa delle variazioni di densità apparente, mineralogia, tessitura e salinità del terreno, la calibrazione minerale generica per gli attuali sensori METER risulta in un'accuratezza di circa ± 3-4% per la maggior parte dei terreni minerali e di circa ± 5% per i substrati di crescita privi di suolo (terriccio, lana di roccia, fibra di cocco, ecc.). Tuttavia, la precisione aumenta fino a ± 1-2% per i terreni e i substrati senza suolo con una calibrazione specifica per il terreno. METER raccomanda agli utenti di sensori di umidità del suolo di effettuare una calibrazione specifica del terreno o di utilizzare il nostro servizio di calibrazione specifica del terreno per ottenere la migliore precisione possibile nelle misurazioni del contenuto volumetrico di acqua.
| TEROS 12 | TEROS 11 | TEROS 10 | EC-5 | 10HS | |
|---|---|---|---|---|---|
| Misure | Contenuto volumetrico d'acqua, temperatura, conducibilità elettrica | Contenuto volumetrico di acqua, temperatura | Contenuto volumetrico di acqua | Contenuto volumetrico di acqua | Contenuto volumetrico di acqua |
| Volume di influenza | 1010 mL | 1010 mL | 430 mL | 240 mL | 1320 mL |
| Uscita di misura | SDI-12 digitale | SDI-12 digitale | Analogico | Analogico | Analogico |
| Durata di vita del campo | 10+ anni | 10+ anni | 10+ anni | 3-5 anni* | 3-5 anni* |
| Durata | Il più alto | Il più alto | Il più alto | Moderato | Moderato |
| Installazione | Strumento di installazione per un'elevata precisione | Strumento di installazione per un'elevata precisione | Strumento di installazione per un'elevata precisione | Installare a mano | Installare a mano |
Tabella 1. Tabella di confronto dei sensori di umidità del suolo
*Scegliere un sensore a lunga durata, come TEROS , se le condizioni del campo sono tipicamente calde e umide.
Il numero di sensori di umidità del suolo installati in un sito di ricerca può fare la differenza tra la dimostrazione di un'ipotesi o la sua totale mancanza. Quanti sensori produrranno il quadro più completo dell'umidità del suolo? Non esiste una risposta univoca per tutti gli scenari. Gli obiettivi dello studio, i requisiti di accuratezza, la scala e le caratteristiche specifiche del sito influenzano il numero di sensori necessari. Inoltre, l'umidità del suolo è variabile sia spazialmente che temporalmente. La comprensione delle forze trainanti di questa variabilità fornisce ai ricercatori indicazioni su come procedere al campionamento.
All'interno dell'area di un sito di studio, la variabilità dell'umidità del suolo deriva dalle differenze nella tessitura del terreno, nella quantità e nel tipo di copertura vegetale, nella topografia, nelle precipitazioni e in altri fattori meteorologici, nelle pratiche di gestione e nelle proprietà idrauliche del suolo (la velocità con cui l'acqua si muove nel terreno). I ricercatori dovrebbero considerare la variabilità delle caratteristiche del paesaggio per capire quante località di campionamento sono necessarie per catturare la diversità dell'umidità del suolo.
Anche il contenuto idrico del suolo può variare nel tempo, cambiando con le precipitazioni, la siccità, l'irrigazione e l'evapotraspirazione e secondo schemi prevedibili associati al clima stagionale e alla diversità della vegetazione (Wilson et al., 2004). Sebbene questo concetto sia facile da comprendere, diventa più complesso quando si considera la variabilità che deriva dall'interazione tra le dinamiche temporali e spaziali.
I seguenti esempi utilizzano dati simulati per illustrare gli effetti delle differenze spaziali e temporali sul contenuto di umidità del suolo. Nel primo esempio, il contenuto di umidità del suolo viene simulato per lo stesso sito di studio in condizioni di umidità e di siccità e vengono calcolate le funzioni di densità di probabilità (PDF). Questo esempio dimostra che i parametri che descrivono le PDF dell'umidità del suolo non sono statici, ma cambiano nel tempo a seconda delle condizioni di umidità del suolo.
Nel secondo esempio, il contenuto idrico del suolo è stato simulato per un singolo momento in cui le condizioni non erano né umide né secche. Il PDF risultante indica che esiste più di una "popolazione" di contenuto idrico del suolo all'interno del sito di studio (Figura 11). Ciò potrebbe essere dovuto a diversi fattori. Può darsi che vi siano aree con diverse tessiture del suolo (ad esempio, aree sabbiose più asciutte e aree limose più umide), che l'area di studio includa una topografia bassa e pendii adiacenti, o che l'area di studio abbia diversi tipi di copertura vegetale.
I due semplici esempi sopra riportati dimostrano la natura complessa dell'umidità del suolo nel tempo e nello spazio. Entrambi gli esempi suggeriscono che l'ipotesi di normalità potrebbe non essere sempre valida quando si lavora con il contenuto idrico del suolo in condizioni di campo (Brocca et al., 2007; Vereecken et al., 2014).
Se l'obiettivo è quello di determinare il "vero" contenuto medio di acqua nel suolo di un'area di studio, lo schema di campionamento deve tenere conto delle fonti di variabilità sopra descritte. Se l'area di studio presenta colline e valli, diversi tipi di copertura e variazioni stagionali delle precipitazioni, i sensori dovrebbero essere posizionati in aree che rappresentano le principali fonti di eterogeneità. Se invece il sito di studio è abbastanza omogeneo o il ricercatore è interessato solo all'andamento temporale del contenuto idrico del suolo (ad esempio, per la programmazione dell'irrigazione), può essere necessario un numero inferiore di sensori di umidità del suolo a causa dell'autocorrelazione temporale dei dati (Brocca et al. 2010; Loescher et al., 2014).
Il contenuto idrico del suolo è altamente dinamico nel tempo e nello spazio. È difficile e laborioso catturare tutte queste dinamiche con un campionamento a campione, anche se alcuni ricercatori scelgono di seguire questa strada. Come in molte altre aree della scienza ambientale, alcune delle più profonde intuizioni sul comportamento dell'umidità del suolo stanno emergendo da studi che utilizzano reti di sensori in situ (Bogena et al., 2010; Brocca et al., 2010). Per la maggior parte delle applicazioni, l'uso di misure continue in situ vi fornirà una comprensione superiore del contenuto idrico del suolo.
Per una trattazione più approfondita di questo argomento, leggere gli articoli elencati di seguito.
Baroni, G., B. Ortuani, A. Facchi e C. Gandolfi. "Il ruolo della vegetazione e delle proprietà del suolo sulla variabilità spazio-temporale dell'umidità superficiale del suolo in un campo coltivato a mais". Journal of Hydrology 489 (2013): 148-159. Link all'articolo.
Brocca, L., F. Melone, T. Moramarco e R. Morbidelli. "Variabilità spazio-temporale dell'umidità del suolo e sua stima su scala diversa". Water Resources Research 46, n. 2 (2010). Link all'articolo.
Brocca, L., R. Morbidelli, F. Melone e T. Moramarco. "Variabilità spaziale dell'umidità del suolo in aree sperimentali dell'Italia centrale". Journal of Hydrology 333, no. 2 (2007): 356-373. Link all'articolo.
Bogena, H. R., M. Herbst, J. A. Huisman, U. Rosenbaum, A. Weuthen e H. Vereecken. "Potenziale delle reti di sensori wireless per misurare la variabilità del contenuto idrico del suolo". Vadose Zone Journal 9, no. 4 (2010): 1002-1013. Link all'articolo (accesso libero).
Famiglietti, James S., Dongryeol Ryu, Aaron A. Berg, Matthew Rodell e Thomas J. Jackson. "Osservazioni sul campo della variabilità dell'umidità del suolo attraverso le scale". Water Resources Research 44, n. 1 (2008). Link all'articolo (accesso libero).
García, Gonzalo Martínez, Yakov A. Pachepsky e Harry Vereecken. "Effetto delle proprietà idrauliche del suolo sulla relazione tra media e variabilità spaziale dell'umidità del suolo". Journal of hydrology 516 (2014): 154-160. Link all'articolo.
Korres, W., T. G. Reichenau, P. Fiener, C. N. Koyama, H. R. Bogena, T. Cornelissen, R. Baatz et al. "Spatio-temporal soil moisture patterns-A meta-analysis using plot to catchment scale data". Journal of hydrology 520 (2015): 326-341. Link all'articolo (accesso libero).
Loescher, Henry, Edward Ayres, Paul Duffy, Hongyan Luo e Max Brunke. "Variazione spaziale delle proprietà del suolo tra gli ecosistemi del Nord America e linee guida per i disegni di campionamento". PLOS ONE 9, n. 1 (2014): e83216. Link all'articolo (accesso libero).
Teuling, Adriaan J. e Peter A. Troch. "Migliore comprensione delle dinamiche di variabilità dell'umidità del suolo". Geophysical Research Letters 32, no. 5 (2005). Link all'articolo (accesso libero).
Vereecken, Harry, J. A. Huisman, Yakov Pachepsky, Carsten Montzka, J. Van Der Kruk, Heye Bogena, L. Weihermüller, Michael Herbst, Gonzalo Martinez e Jan Vanderborght. "Sulla dinamica spazio-temporale dell'umidità del suolo a scala di campo". Journal of Hydrology 516 (2014): 76-96. Link all'articolo.
Wilson, David J., Andrew W. Western e Rodger B. Grayson. "Identificare e quantificare le fonti di variabilità nelle osservazioni temporali e spaziali dell'umidità del suolo". Water Resources Research 40, n. 2 (2004). Link all'articolo (accesso libero).
I modelli di rifornimento e utilizzo dell'acqua danno origine a grandi variazioni spaziali dell'umidità del suolo lungo la profondità del profilo del suolo. Misurazioni accurate del contenuto idrico del profilo sono quindi la base di qualsiasi studio sul bilancio idrico. Se monitorate accuratamente, le misurazioni del profilo mostrano i tassi di utilizzo dell'acqua, le quantità di percolazione profonda e le quantità di acqua immagazzinata per l'uso da parte delle piante.
Tre sfide comuni per effettuare misurazioni del contenuto volumetrico d'acqua di alta qualità sono:
Tutte le sonde dielettriche sono più sensibili sulla superficie della sonda. Qualsiasi perdita di contatto tra la sonda e il terreno o la compattazione del terreno sulla superficie della sonda può causare errori di misura elevati. Anche i ristagni d'acqua sulla superficie e i percorsi preferenziali lungo i fori di installazione della sonda possono causare errori di misura elevati.
L'installazione di sensori di umidità del suolo comporta sempre uno scavo. Come si fa a campionare accuratamente il profilo disturbando il meno possibile il terreno? Considerate i pro e i contro di cinque diverse strategie di campionamento del profilo.
Le sonde a profilo sono una soluzione unica per la misurazione del contenuto d'acqua del profilo. Una sonda installata in un singolo foro può fornire letture a molte profondità. Le sonde a profilo possono funzionare bene, ma l'installazione corretta può essere complicata e le tolleranze sono strette. È difficile praticare un singolo foro profondo in modo sufficientemente preciso da garantire il contatto lungo l'intera superficie della sonda. Il riempimento per migliorare il contatto comporta errori di reimballaggio e di misura. La sonda a profilo è inoltre particolarmente soggetta a problemi di flusso preferenziale lungo la superficie lunga del tubo di accesso. (NOTA: il nuovo TEROS Borehole Installation Tool elimina il flusso preferenziale e riduce il disturbo del sito, consentendo di installare i sensori a profondità a scelta).
L'installazione di sensori a diverse profondità attraverso la parete laterale di una trincea è un metodo facile e preciso, ma lo scavo della trincea richiede molto lavoro. Questo metodo colloca le sonde in un terreno indisturbato, senza problemi di impaccamento o di flusso preferenziale dell'acqua. Tuttavia, poiché implica uno scavo, viene solitamente utilizzato solo quando la trincea viene scavata per altri motivi o quando il terreno è così sassoso o pieno di ghiaia che nessun altro metodo può funzionare. L'area scavata deve essere riempita e reimpostata alla stessa densità del terreno originale, per evitare effetti indesiderati sui bordi.
L'installazione di sonde attraverso la parete laterale di un singolo foro di trivellazione presenta molti dei vantaggi del metodo della trincea, senza l'utilizzo di attrezzature pesanti. Questo metodo è stato utilizzato da Bogena et al. con EC-5 sonde. Hanno realizzato un'apparecchiatura per installare le sonde a diverse profondità contemporaneamente. Come nel caso dell'installazione in trincea, il foro deve essere riempito e riempito nuovamente fino a raggiungere approssimativamente la densità precedente al campionamento per evitare gli effetti dei bordi.
Un foro trivellato disturba gli strati del terreno, ma l'impatto relativo sul sito è una frazione di quello che si avrebbe con l'installazione di una trincea. Una trincea può essere lunga da 60 a 90 cm e larga 40 cm. Un'installazione in foro eseguita con una piccola trivella a mano e il TEROS Borehole Installation Tool crea un foro di soli 10 cm di diametro, appena il 2-3% dell'area di una trincea. Poiché l'entità della perturbazione del sito è ridotta al minimo, vengono disturbati meno macropori, radici e piante e il sito può tornare al suo stato naturale molto più rapidamente. Inoltre, quando lo strumento di installazione viene utilizzato all'interno di una piccola perforazione, è garantito un buon contatto tra il suolo e il sensore ed è molto più facile separare gli strati di orizzonte e reimpostare la densità del suolo corretta, perché c'è meno suolo da separare.
Scavare un foro di accesso separato per ogni profondità assicura che ogni sonda sia installata nel terreno indisturbato sul fondo del proprio foro. Come per tutti i metodi, è necessario assicurarsi che non vi sia un flusso d'acqua preferenziale nei fori della coclea riempita, ma un guasto in un singolo foro non compromette tutti i dati, come avverrebbe se tutte le misure fossero effettuate in un unico foro.
Lo svantaggio principale di questo metodo è che occorre scavare un foro per ogni profondità del profilo. Tuttavia, i fori sono piccoli e di solito sono facili da scavare.
È possibile misurare l'umidità del profilo trivellando un singolo foro, installando un sensore sul fondo, quindi reimpacchettando il foro, installando man mano i sensori nel terreno reimballato alle profondità desiderate. Tuttavia, dato che il terreno ricomposto può avere una densità di massa diversa da quella che aveva allo stato indisturbato e che il profilo è stato completamente alterato durante lo scavo, la miscelazione e il ricomponimento del terreno, questo è il metodo meno auspicabile tra quelli discussi. Tuttavia, un impianto a foro singolo può essere del tutto soddisfacente per alcuni scopi. Se si lascia che l'impianto si equilibri con il terreno circostante e si permette alle radici di crescere nel terreno, i cambiamenti relativi nel terreno disturbato dovrebbero rispecchiare quelli dell'ambiente circostante.
Bogena, H. R., A. Weuthen, U. Rosenbaum, J. A. Huisman e H. Vereecken. "SoilNet - Una rete di sensori di umidità del suolo basata su Zigbee". In AGU Fall Meeting Abstracts. 2007. Link all'articolo.
Nel video che segue, l'esperto di installazione di sensori, Chris Chambers, spiega perché è necessaria un'installazione più intelligente dei sensori di umidità del suolo e come realizzarla. Impara:
Quando si tratta di misurare l'umidità del suolo, le perturbazioni del sito sono inevitabili. Possiamo tranquillizzarci pensando che i sensori del terreno ci diranno qualcosa sull'acqua del suolo anche se una grande quantità di terreno è stata disturbata. Oppure potremmo pensare che non importa se le proprietà del suolo sono cambiate intorno al sensore perché gli aghi sono inseriti in un terreno indisturbato. In realtà, la perturbazione del sito è importante e ci sono modi per ridurne l'impatto sui dati di umidità del suolo. Di seguito viene illustrato il disturbo del sito e il modo in cui i ricercatori possono adattare le loro tecniche di installazione per combattere l'incertezza dei dati.
Durante l'installazione di un sensore di umidità del suolo, è importante generare il minor disturbo possibile per ottenere una misura rappresentativa. Esistono metodi che non creano disturbo, come il satellite, il radar penetrante nel terreno e COSMOS. Tuttavia, questi metodi devono affrontare sfide che li rendono poco pratici come approccio unico al contenuto d'acqua. Il satellite ha un'ampia superficie, ma in genere misura i primi 5-10 cm del suolo e la risoluzione e la frequenza di misurazione sono basse. Il radar penetrante al suolo ha una grande risoluzione, ma è costoso e l'interpretazione dei dati è difficile quando non si conosce la profondità del limite inferiore. COSMOS è un metodo neutronico non invasivo basato a terra che misura in modo continuo e raggiunge una profondità superiore a quella di un satellite su un'area fino a 800 metri di diametro. Ma il costo è proibitivo per molte applicazioni ed è sensibile sia alla vegetazione che al suolo, per cui i ricercatori devono separare i due segnali. Questi metodi non sono ancora pronti a sostituire i sensori di umidità del suolo, ma funzionano bene se usati in tandem con i dati di verità a terra che i sensori di umidità del suolo possono fornire.
Dopo che un sito di ricerca è stato disturbato, possono essere necessari fino a sei mesi o anche più perché il suolo torni al suo stato naturale. I fattori che influiscono sono le precipitazioni (i climi umidi tornano alla normalità più velocemente di quelli secchi), il tipo di terreno e la densità del suolo. È comune che i ricercatori ignorino i primi due o tre mesi di dati in attesa del ritorno all'equilibrio. Quando i ricercatori scavano, l'erba o le piante mature vengono rimosse e poi sostituite. Spesso queste piante sono difficili da ristabilire e, in caso di disturbo su larga scala, un numero significativo di queste piante non funziona bene o muore. Poiché queste piante non traspirano più acqua, il bilancio idrico viene modificato e ciò può avere un impatto critico sui dati di umidità del suolo. Qualsiasi opzione per disturbare una superficie minore può ridurre la mortalità delle piante e migliorare i risultati.
Quando il terreno viene smosso o compattato, si ha un impatto sproporzionato sui micro e macropori, minuscoli tubi capillari con un'ampia gamma di dimensioni dei pori che conferiscono al terreno la sua struttura e consentono il movimento dell'acqua. La perturbazione del sito e il riporto di terreno distruggono i macropori del suolo, facendo sì che l'acqua si muova più lentamente e lungo percorsi diversi. Questo a sua volta influisce sulla ricarica al di sotto della zona alterata. Qualsiasi opzione di installazione che rimuova una minore quantità di terreno ridurrà al minimo questo problema.
L'opposto della compattazione si verifica quando il terreno viene ricompattato in modo troppo lasco. Questo provoca un flusso preferenziale lungo i lati di un foro o di una parete di trincea, consentendo all'acqua di spostarsi nella zona più del normale. L'acqua in eccesso viene spesso assorbita nel terreno indisturbato dove sono inseriti gli aghi del sensore, alterando i dati sull'umidità del suolo. Per combattere questo problema, i ricercatori devono pianificare il tempo necessario per riempire nuovamente la buca con una densità appropriata. Ciò avviene aggiungendo terreno e stratificandolo fino a formare una leggera montagnola sulla superficie per evitare il ristagno. Se la superficie è piatta, il terreno potrebbe depositarsi in una depressione nel tempo. Le fosse di grandi dimensioni possono portare a depressioni di dimensioni significative che raccolgono preferenzialmente l'acqua e modificano il modo in cui l'acqua si infiltra nel terreno intorno ai sensori.
La miscelazione degli strati dell'orizzonte del terreno durante il riempimento di una fossa di installazione può modificare drasticamente le proprietà idrauliche del terreno. Ad esempio, se un terreno ha un orizzonte A sabbioso e un orizzonte B argilloso, invertire o mescolare gli strati avrebbe ovvie conseguenze. Alcuni strati del terreno sono facilmente distinguibili, mentre altri tipi di terreno hanno orizzonti difficili da distinguere. Per questo motivo, il terreno deve essere accuratamente rimosso e restituito a strati, per evitare un cambiamento nell'idrologia del suolo. I ricercatori possono ottenere questo risultato stendendo dei teloni intorno alla fossa di installazione e rimuovendo con cura il terreno, strato per strato, disponendolo in sequenza sui teloni. È facile confondere gli strati, quindi è utile preparare un metodo per ricordare gli strati prima di iniziare. Dopo l'installazione del sensore, i ricercatori devono riportare gli strati di terreno nella fossa in ordine inverso, reimpacchettando alla giusta densità tra ogni strato.
Scavare una trincea per installare i sensori di umidità del suolo può potenzialmente distruggere grandi apparati radicali, soprattutto se i ricercatori stanno scavando in un'area con arbusti e alberi maturi. Poiché le radici sono il principale meccanismo di esaurimento dell'acqua nel terreno, la loro morte cambia la rappresentatività delle misurazioni dell'umidità del suolo per l'intera area di ricerca. Se tutte le radici vicine ai sensori vengono uccise, le misurazioni possono far pensare che l'acqua sia più abbondante di quanto non sia in realtà. I ricercatori possono ridurre questo problema utilizzando fori di trivellazione posizionati strategicamente che disturbano un numero minore di sistemi radicali.
Un vantaggio dell'installazione di una trincea è che i ricercatori possono vedere l'intero profilo del suolo, consentendo loro di identificare più facilmente gli strati di copertura, di determinare gli orizzonti e i tipi di suolo e di identificare la struttura e la formazione del suolo. Tuttavia, lo scavo di una grande trincea rimuove una quantità enorme di terreno. Inoltre, una volta che tutto il terreno è stato ricomposto, è probabile che molti macropori siano stati schiacciati e che nel terreno siano presenti discontinuità idrauliche, aumentando la possibilità che l'acqua venga artificialmente deviata dai sensori o diretta verso di essi. La situazione peggiora se un ricercatore utilizza una ruspa per risparmiare tempo. I cingoli e i pattini della ruspa compattano il terreno, soprattutto se è bagnato, e la grande pala strappa le piante e gli apparati radicali.
Le sonde a profilo sono allettanti perché utilizzano fori di dimensioni ridotte che causano un minore disturbo del terreno. Tuttavia, il fattore di forma rigidamente rettilinea di una sonda a profilo richiede una parete perfettamente perpendicolare per un buon contatto tra terreno e sensore. Purtroppo, i lati di un foro di trivellazione raramente sono perfettamente perpendicolari. Lungo la parete del terreno ci sono curve e buche. Una sonda a profilo rettilineo raramente ottiene una buona connettività e l'installazione è spesso afflitta da vuoti d'aria e flussi preferenziali. Gli utilizzatori di sonde a profilo cercano spesso di compensare il problema riempiendo il terreno con una fanghiglia spessa, ma anche questo metodo presenta delle difficoltà, tra cui l'introduzione di terreno non autoctono e le imprecisioni causate dalle fessure che si formano quando il terreno si asciuga.
Un foro di trivellazione disturba gli strati del terreno, ma l'impatto relativo sul sito è una frazione di quello che si avrebbe con l'installazione di una trincea. Una trincea può essere lunga da 60 a 90 cm e larga 40 cm. Un'installazione in foro eseguita con una piccola trivella a mano e il TEROS Borehole Installation Tool crea un foro di soli 10 cm di diametro, appena il 2-3% dell'area di una trincea. Poiché l'entità della perturbazione del sito è ridotta al minimo, vengono disturbati meno macropori, radici e piante e il sito può tornare al suo stato naturale molto più rapidamente. Inoltre, quando lo strumento di installazione viene utilizzato all'interno di una piccola perforazione, è garantito un buon contatto tra il suolo e il sensore ed è molto più facile separare gli strati di orizzonte e reimpostare la densità del suolo corretta, perché c'è meno suolo da separare.
La chiave per ridurre l'impatto della perturbazione del sito sui dati di umidità del suolo è controllare la scala della perturbazione. Gli scavi su larga scala interessano aree più vaste, mentre la trivellazione di un piccolo foro avrà un impatto molto minore sulle piante circostanti e sulle proprietà idrauliche del suolo, consentendo al sito di ricerca di tornare al suo stato naturale in tempi molto più rapidi.
Le curve di rilascio dell'umidità del suolo (chiamate anche curve caratteristiche dell'acqua del suolo o curve di ritenzione idrica del suolo) sono come impronte digitali fisiche, uniche per ogni tipo di suolo. I ricercatori le utilizzano per comprendere e prevedere il destino dell'acqua in un particolare terreno in una specifica condizione di umidità. Le curve di rilascio dell'umidità rispondono a domande cruciali come: a quale tasso di umidità il terreno subirà un appassimento permanente? Per quanto tempo devo irrigare? Oppure l'acqua drena rapidamente attraverso il terreno o viene trattenuta nella zona radicale? Sono strumenti potenti utilizzati per prevedere l'assorbimento dell'acqua da parte delle piante, il drenaggio in profondità, il ruscellamento e altro ancora.
Esiste una relazione tra il potenziale idrico e il contenuto volumetrico di acqua che può essere illustrata con un grafico. Insieme, questi dati creano una curva chiamata curva di rilascio dell'umidità del suolo. La forma della curva di rilascio dell'umidità del suolo è unica per ogni terreno. È influenzata da molte variabili, come la tessitura del suolo, la densità apparente, la quantità di materia organica e l'effettiva composizione della struttura dei pori.
La Figura 13 mostra un esempio di curve per tre diversi terreni. Sull'asse X è riportato il potenziale idrico su scala logaritmica e sull'asse Y il contenuto idrico volumetrico. Questa relazione tra il contenuto idrico del suolo e il potenziale idrico (o aspirazione del suolo) consente ai ricercatori di comprendere e prevedere la disponibilità e il movimento dell'acqua in un particolare tipo di suolo. Ad esempio, nella Figura 13, si può notare che il punto di appassimento permanente (linea verticale destra) sarà a diversi contenuti d'acqua per ogni tipo di terreno. Il terriccio sabbioso fine subirà un appassimento permanente al 5% VWC, mentre il terriccio limoso subirà un appassimento permanente a quasi il 15% VWC.
Per comprendere le curve di rilascio dell'umidità del suolo, è necessario spiegare le proprietà estensive e intensive. La maggior parte delle persone considera l'umidità del suolo solo in termini di una variabile: il contenuto d'acqua del suolo. Ma per descrivere lo stato della materia o dell'energia nell'ambiente sono necessari due tipi di variabili. Una variabile estensiva descrive l'estensione (o la quantità) di materia o energia. La variabile intensiva descrive l'intensità (o la qualità) della materia o dell'energia.
| Variabile estesa | Variabile intensiva |
|---|---|
| Volume | Densità |
| Contenuto d'acqua | Potenziale idrico |
| Contenuto di calore | Temperatura |
Tabella 1. Esempi di variabili estensive e intensive
Il contenuto idrico del suolo è una variabile estesa. Descrive la quantità di acqua presente nell'ambiente. Il potenziale idrico del suolo è una variabile intensiva. Descrive l'intensità o la qualità (e nella maggior parte dei casi la disponibilità) dell'acqua nell'ambiente. Per capire come funziona, pensate alle variabili estensive e intensive in termini di calore. Il contenuto di calore (una variabile estensiva) descrive la quantità di calore immagazzinata in una stanza. La temperatura (una variabile intensiva) descrive la qualità (livello di comfort) o il modo in cui il corpo percepisce il calore in quella stanza.
La Figura 14 mostra una grande nave nell'Artico e un'asta calda che è stata appena riscaldata in un fuoco. Quale di questi due oggetti ha un contenuto di calore più elevato? È interessante notare che la nave nell'Artico ha un contenuto di calore più elevato rispetto alla barra calda, ma è la barra ad avere una temperatura più alta.
Se mettiamo la barra calda a contatto con la nave, quale variabile regola il flusso di energia? La variabile intensiva, la temperatura, regola il movimento dell'energia. Il calore si sposta sempre da una temperatura alta a una bassa.
Come per il calore, il contenuto idrico del suolo è solo una quantità. Non ci dice come l'acqua si muoverà o il livello di benessere di una pianta (acqua disponibile per la pianta). Ma il potenziale idrico del suolo, la variabile intensiva, predice la disponibilità e il movimento dell'acqua.
Scarica la "Guida completa del ricercatore al potenziale idrico".
Le curve di rilascio dell'umidità del suolo possono essere realizzate in situ o in laboratorio. In campo, il contenuto d'acqua e il potenziale idrico del suolo vengono monitorati con sensori del terreno.
I sensori dielettrici METER, semplici e affidabili, riportano i dati sull'umidità del suolo quasi in tempo reale direttamente attraverso il data loggerZL6 al sito cloud (ZENTRA Cloud). In questo modo si risparmia un'enorme quantità di lavoro e di spese. Il sensore TEROS 12 misura il contenuto d'acqua ed è semplice da installare con l'attrezzo per l'installazione in foroTEROS . TEROS 21 è un sensore di potenziale idrico di facile installazione.
In laboratorio, è possibile combinare le funzioni METER HYPROP e WP4C per generare automaticamente curve di rilascio dell'umidità del suolo complete per l'intero intervallo di umidità del suolo.
Vedere come si confrontano le curve di rilascio dell'umidità in laboratorio e in situ
Una curva di rilascio dell'umidità del suolo mette insieme la variabile estensiva del contenuto volumetrico di acqua con la variabile intensiva del potenziale idrico. La rappresentazione grafica delle variabili estensive e intensive consente ai ricercatori e agli irrigatori di rispondere a domande cruciali, come ad esempio dove si sposterà l'acqua del suolo. Per esempio, nella Figura 15 qui sotto, se i tre terreni sottostanti fossero diversi strati di orizzonte del suolo al 15% di contenuto d'acqua, l'acqua nella sabbia fine limosa inizierebbe a spostarsi verso lo strato di sabbia fine limosa perché ha un potenziale idrico più negativo.
Una curva di rilascio dell'umidità del suolo può essere utilizzata anche per prendere decisioni sull'irrigazione, come ad esempio quando attivare e disattivare l'acqua. Per fare ciò, i ricercatori o gli irrigatori devono comprendere sia il contenuto volumetrico d'acqua (VWC) che il potenziale idrico. Il VWC indica al coltivatore la quantità di irrigazione da applicare. Il potenziale idrico indica la disponibilità di acqua per le colture e quando interrompere l'irrigazione. Ecco come funziona.
Figura 16. Curve tipiche di rilascio dell'umidità del suolo per tre diversi terreniLa Figura 16 mostra le curve tipiche di rilascio dell'umidità per un terreno sabbioso, un terreno limoso e un terreno argilloso. A -100 kPa, il contenuto d'acqua del terreno sabbioso è inferiore al 10%. Ma nel terreno limoso è di circa il 25% e in quello argilloso è vicino al 40%. La capacità di campo è tipicamente compresa tra -10 e -30 kPa. Il punto di appassimento permanente è di circa -1500 kPa. Un terreno più secco di questo punto di appassimento permanente non fornirebbe acqua a una pianta. E l'acqua in un terreno più umido della capacità di campo drenerebbe dal terreno. Un ricercatore/irrigatore può osservare queste curve e capire quale sarebbe il livello ottimale di contenuto d'acqua per ogni tipo di terreno.
La Figura 17 è la stessa curva di rilascio dell'umidità che mostra l'intervallo di capacità del campo (linee verticali verdi), il limite inferiore normalmente impostato per una coltura irrigua (giallo) e il punto di appassimento permanente (rosso). Utilizzando queste curve, un ricercatore/irrigatore può vedere che il potenziale idrico del silt loam dovrebbe essere mantenuto tra -10 e -50 kPa. Il contenuto d'acqua che corrisponde a questi potenziali d'acqua indica all'irrigatore che i livelli di contenuto d'acqua del terriccio devono essere mantenuti a circa il 32% (0,32 m3/m3). I sensori di umidità del suolo possono avvisare quando si supera o si scende al di sotto di questo limite ottimale.
Una volta ottenute le informazioni da una curva di rilascio, il registratore di dati e il ZL6 registratore di dati e ZENTRA Cloud semplificano il processo di mantenimento di un livello di umidità ottimale. I limiti superiori e inferiori possono essere impostati in ZENTRA cloud e vengono visualizzati come una banda ombreggiata sovrapposta ai dati sull'umidità del suolo in tempo quasi reale (ombreggiatura blu), rendendo facile sapere quando attivare e disattivare l'acqua. Vengono anche inviati automaticamente degli avvisi quando i limiti vengono raggiunti o superati.
Per saperne di più sul miglioramento dell'irrigazione con l'umidità del suolo
La collocazione in situ di sensori di potenziale idrico e di sensori di umidità del suolo aggiunge molte altre curve di rilascio dell'umidità alla base di conoscenze di un ricercatore. Inoltre, poiché sono soprattutto le prestazioni in situ dei terreni insaturi a preoccupare gli ingegneri geotecnici e gli scienziati dell'irrigazione, l'aggiunta di misure in situ alle curve prodotte in laboratorio sarebbe l'ideale.
Nel webinar che segue, il dott. Colin Campbell, ricercatore METER, riassume una recente relazione tenuta alla Pan American Conference of Unsaturated Soils. L'articolo, "Comparing in situ soil water characteristic curves to those generated in the lab" di Campbell et al. (2018), illustra come le SWCC generate in situ utilizzando il sensore di potenziale matrico calibrato TEROS 21 e i sensori di contenuto d'acqua METER siano comparabili con quelle create in laboratorio.
Le curve di rilascio dell'umidità del suolo possono fornire ulteriori informazioni che vanno oltre lo scopo di questo articolo. I ricercatori le usano per capire molte questioni come la capacità di ritiro del suolo, la capacità di scambio cationico o l'area superficiale specifica del suolo. Nel video seguente, l'esperto di umidità del suolo Leo Rivera fornisce informazioni più dettagliate su come utilizzare una curva di rilascio dell'umidità per analizzare i comportamenti individuali del suolo rispetto all'acqua.
In questa sezione si parla di:
Quando si valuta quale sia il sensore di contenuto idrico del suolo più adatto a qualsiasi applicazione, è facile trascurare la domanda più ovvia: cosa si sta misurando? La riflettometria nel dominio del tempo (TDR) rispetto alla capacità è la domanda giusta per un ricercatore che sta analizzando la permittività dielettrica in un ampio spettro di frequenze di misura (chiamato spettroscopia dielettrica). Questi dati contengono informazioni importanti, come la possibilità di misurare la densità apparente insieme al contenuto d'acqua e alla conducibilità elettrica. Se questa è la misura desiderata, attualmente è sufficiente una sola tecnologia: TDR. La riflettanza dell'impulso elettrico che si muove lungo le aste conduttrici contiene un'ampia gamma di frequenze. Una volta digitalizzate, queste frequenze possono essere separate dalla trasformata rapida di Fourier e analizzate per ottenere ulteriori informazioni.
L'obiettivo della maggior parte degli scienziati, tuttavia, è semplicemente quello di monitorare il contenuto idrico del suolo istantaneamente o nel tempo, con una buona precisione, il che significa che un sistema TDR complesso e costoso potrebbe non essere necessario.
Le tecniche di rilevamento dell'umidità del suolo di tipo capacitivo e TDR sono spesso raggruppate insieme perché entrambe misurano la permittività dielettrica del mezzo circostante. In effetti, non è raro che si confondano le due tecniche, suggerendo che una determinata sonda misuri il contenuto d'acqua in base alla TDR, mentre in realtà utilizza la capacità. Di seguito viene chiarita la differenza tra le due tecniche.
La tecnica della capacità determina la permittività dielettrica di un mezzo misurando il tempo di carica di un condensatore che utilizza quel mezzo come dielettrico. Si definisce innanzitutto una relazione tra il tempo, t, necessario per caricare un condensatore da una tensione iniziale, Vi a una tensione Vf con una tensione applicata, Vf.
dove R è la resistenza in serie e C è la capacità. La figura 1 illustra la carica del condensatore:
Se la resistenza e il rapporto di tensione sono mantenuti costanti, il tempo di carica del condensatore, t, è correlato alla capacità in base a
Per un condensatore a piastre parallele, la capacità è una funzione della permittività dielettrica(k) del mezzo tra le piastre del condensatore e può essere calcolata da
dove A è l'area delle piastre e S è la separazione tra le piastre. Poiché anche A e S sono valori fissi, il tempo di carica sul condensatore è una semplice funzione lineare (idealmente) della permittività dielettrica del mezzo circostante.
Le sonde per il suolo non sono condensatori a piastre parallele, ma la relazione mostrata nell'Equazione 7 è valida qualunque sia la geometria della piastra. La riflettometria nel dominio del tempo (TDR) determina la permittività dielettrica di un mezzo misurando il tempo di propagazione di un'onda elettromagnetica lungo una linea di trasmissione circondata dal mezzo. Il tempo di transito(t) di un impulso elettromagnetico che percorre la lunghezza di una linea di trasmissione e ritorna indietro è correlato alla permittività dielettrica del mezzo, k, dalla seguente equazione
dove L è la lunghezza della linea di trasmissione e c è la velocità della luce (3 x 108 m s nel vuoto). Pertanto, la permittività dielettrica si calcola
Pertanto, il tempo di propagazione dell'onda elettromagnetica lungo la sonda TDR è solo una funzione del quadrato del tempo di transito e di un valore fisso(c/2L). Poiché c e L sono rispettivamente una costante e una lunghezza fissa, le misure TDR sono teoricamente meno sensibili alle condizioni del terreno e dell'ambiente rispetto ai sensori di capacità. Tuttavia, l'interpretazione dell'output TDR può essere una notevole fonte di errore quando l'elevata salinità diminuisce la forma d'onda della riflettanza o la temperatura modifica il punto finale.
An oscillating voltage must be applied to a TDR or capacitance sensor to measure the reflection or charge time in the medium. The frequency of the oscillation is important because it is widely accepted that low frequencies (<10 MHz) are highly susceptible to changes in salinity and temperature. Because there is no limit on the possible input frequencies for either technique, it is important to verify the frequency of the soil moisture device used.
I sensori di capacità prodotti da METER utilizzano frequenze elevate per minimizzare gli effetti della salinità del terreno sulle letture. Le frequenze utilizzate, tuttavia, sono leggermente inferiori a quelle del TDR, in genere da 50 a 100 MHz. L'alta frequenza delle sonde capacitive "vede" tutta l'acqua presente nel terreno, pur essendo sufficientemente alta da evitare la maggior parte degli errori dovuti alla salinità del terreno presenti nelle sonde capacitive più vecchie. I circuiti dei sensori capacitivi possono essere progettati per risolvere variazioni estremamente piccole del contenuto volumetrico di acqua, tanto che la NASA ha utilizzato la tecnologia capacitiva per misurare il contenuto di acqua su Marte. I sensori capacitivi hanno un costo inferiore perché non richiedono molti circuiti, consentendo un maggior numero di misurazioni per ogni dollaro.
Come i TDR, i sensori di capacità sono ragionevolmente facili da installare. Le punte di misura tendono ad essere più corte delle sonde TDR, per cui possono essere meno difficili da inserire in un foro. I sensori di capacità tendono ad avere un fabbisogno energetico inferiore e possono durare per anni sul campo, alimentati da una piccola batteria in un data logger.
In sintesi, sebbene la teoria alla base delle misurazioni sia leggermente diversa, la TDR e la capacitanza misurano entrambe la permittività dielettrica per ottenere il contenuto volumetrico di acqua. Da un punto di vista storico, sia la TDR che la capacitanza sono state ampiamente accettate, anche se alcuni potrebbero percepire un valore maggiore nella TDR rispetto alla capacitanza a causa dell'estrema differenza di prezzo. In generale, è possibile ottenere misure ragionevoli del contenuto volumetrico d'acqua con entrambe le tecniche e gli errori di misurazione sono spesso dovuti più a metodi di installazione inadeguati che a limitazioni delle tecniche stesse. Il nuovo TEROS Borehole Installation Tool riduce l'incertezza dei dati rendendo l'installazione del sensore di umidità del suolo a prova di errore. Grazie al suo vantaggio meccanico, lo strumento garantisce un'installazione uniforme e impeccabile in qualsiasi tipo di terreno (anche in argilla dura), riducendo al minimo il disturbo del sito. I sensori vengono installati direttamente e perpendicolarmente con una pressione uniforme e poi rilasciati delicatamente per evitare vuoti d'aria e flussi preferenziali. Ciò significa che la linea di sensori di umidità del suolo capacitivi TEROS è in grado di fornire una maggiore precisione con una minore incertezza rispetto a sensori simili presenti sul mercato.
Quando negli anni '70 la tecnologia della capacità è stata utilizzata per la prima volta per misurare l'umidità del suolo, gli scienziati si sono presto resi conto che la velocità con cui il campo elettromagnetico veniva caricato e scaricato era fondamentale per il successo. Basse frequenze portavano a grandi effetti di salinità del suolo sulle letture. Nel corso del tempo, questa nuova comprensione, combinata con i progressi nella velocità dell'elettronica, ha permesso di adattare l'approccio capacitivo originale per ottenere il successo. I moderni sensori di capacità, come i sensori METER, utilizzano frequenze elevate (70 MHz) per ridurre al minimo gli effetti della salinità del suolo sulle letture.
I circuiti dei sensori capacitivi possono essere progettati per risolvere variazioni estremamente piccole del contenuto volumetrico di acqua, tanto che la NASA ha utilizzato la tecnologia capacitiva di METER per misurare il contenuto di acqua su Marte. I sensori di umidità del suolo capacitivi sono facili da installare e tendono a richiedere poca energia. Possono durare per anni sul campo, alimentati da una piccola batteria in un data logger.
Entrambi i sensori di umidità del suolo TEROS e ECH20utilizzano la stessa affidabile tecnologia capacitiva ad alta frequenza (70 MHz), pubblicata in migliaia di pubblicazioni con revisione paritaria. La Figura 20 mostra i dati di calibrazione per l'ECH205TE e il TEROS 12.
La nuova lineaTEROS , tuttavia, sfrutta i progressi nelle tecniche di calibrazione, uno strumento di installazione e migliori materie prime per produrre sensori più durevoli, precisi, più facili e veloci da installare, più coerenti e collegati a un sistema di registrazione e visualizzazione dei dati potente e intuitivo, quasi in tempo reale (Figura 21).
Ecco alcuni dei cambiamenti che vedrete nella nuova linea di sensori del contenuto d'acqua TEROS :
Variabilità minima da sensore a sensore: i sensoriTEROS 11/12 utilizzano una procedura di calibrazione completamente nuova che massimizza l'accuratezza e riduce al minimo la variabilità da sensore a sensore, mantenendo il costo del sensore ragionevole. In questo modo si può essere certi che ogni sensore installato verrà letto esattamente come quello successivo.
Grande volume di influenza: I sensori TEROS 11/12 forniscono un volume di influenza di un litro (rispetto ai 200 mL tipici della maggior parte dei sensori).
Prestazioni affidabili e di lunga durata del sensore: Gli aghi in acciaio inox di alta qualità, affilati e migliorati, scivolano facilmente anche nei terreni più duri, mentre il riempimento epossidico di lunga durata fa sì che il sensore duri fino a 10 anni sul campo. Nel modello TEROS 12, abbiamo posizionato un sensore di temperatura perfettamente all'interno dell'ago centrale, in modo che gli aghi siano robusti ma estremamente sensibili alle variazioni di temperatura del terreno.
Riduzione degli errori di installazione: Il nuovo TEROS Borehole Installation Tool a prova di errore e garantisce un inserimento costante e impeccabile in qualsiasi tipo di terreno (anche in argilla dura), riducendo al minimo il disturbo del sito. I sensori vengono installati perfettamente perpendicolari alla parete laterale con una pressione uniforme e poi rilasciati delicatamente per evitare vuoti d'aria.
Standard di verifica: la ripetibilità del sensore TEROS può essere verificata con uno standard di verifica dell'accuratezza. Nessun altro sensore di umidità del suolo ha questa possibilità. È sufficiente far scorrere la clip di verifica su un sensore e collegarlo a un logger. Se la lettura rientra nell'intervallo corretto, il sensore è pronto per l'uso.
Raccolta dati senza soluzione di continuità: Per una raccolta dati semplice e affidabile, combinate i sensori di TEROS con il nuovo sistema di rilevamento dei dati. ZL6dove tutti i dati vengono trasmessi in tempo quasi reale attraverso il sistema cloud.
Abbiamo creato la nuova linea di sensori TEROS per eliminare le barriere che impediscono una buona precisione, come l'incoerenza dell'installazione, la variabilità da sensore a sensore e la verifica del sensore. I sensori di umidità del suoloTEROS utilizzano la stessa affidabile tecnologia ECH20, ma vanno oltre la linea ECH20per ottimizzare la precisione dell'intero set di dati. Combinano un'installazione coerente e impeccabile, una struttura estremamente robusta, una variabilità minima da sensore a sensore, un ampio volume di influenza e una registrazione avanzata dei dati per offrire le migliori prestazioni, accuratezza, facilità d'uso e affidabilità a un prezzo accessibile.
L'obiettivo di ogni ricercatore è ottenere dati utilizzabili sul campo per l'intera durata dello studio. Un buon set di dati è quello che uno scienziato può utilizzare per trarre conclusioni o imparare qualcosa sul comportamento dei fattori ambientali in una particolare applicazione. Tuttavia, come molti ricercatori hanno dolorosamente scoperto, ottenere buoni dati non è così semplice come installare dei sensori, lasciarli sul campo e tornare per trovare una registrazione accurata. Chi non pianifica in anticipo, non controlla spesso i dati e non risolve regolarmente i problemi, spesso torna a casa con spiacevoli sorprese, come cavi del data logger scollegati, cavi dei sensori danneggiati dai roditori o, peggio ancora, non ha abbastanza dati per interpretare i risultati. Fortunatamente, la maggior parte dei contrattempi nella raccolta dei dati è evitabile con attrezzature di qualità, un po' di attenta previsione e una piccola dose di preparazione.
Di seguito sono riportati alcuni errori comuni che si commettono quando si progetta uno studio e che costano tempo e denaro e possono impedire che i dati siano utilizzabili.
Quando si progetta uno studio, utilizzare le seguenti best practice per semplificare la raccolta dei dati ed evitare le sviste che impediscono ai dati di essere utilizzabili e, in ultima analisi, pubblicabili.
Impostare i sensori in laboratorio prima di andare sul campo aiuta il ricercatore a capire come funzionano i suoi sensori. Per esempio, gli scienziati possono effettuare letture dei sensori del suolo in diversi tipi di terreno, in modo da avere una solida comprensione dei valori di umidità del suolo da aspettarsi in diversi scenari. La comprensione dei sensori prima di andare sul campo aiuta i ricercatori a capire la corretta installazione, il tempo che potrebbe richiedere un'installazione e permette loro di diagnosticare i problemi, come ad esempio un sensore che potrebbe essere letto in modo errato. Durante questo periodo, possono capire quali strumenti e attrezzature potrebbero essere necessari per l'installazione. Avere una cassetta degli attrezzi dedicata all'installazione con strumenti importanti come fascette, pinze, pennarelli, torce e batterie può far risparmiare ore di viaggio avanti e indietro dal sito.
Se un ricercatore utilizza un data logger che necessita di programmazione, dovrebbe imparare il linguaggio di programmazione con due settimane di anticipo per assicurarsi di capire come scrivere i programmi per il logger. Anche un data logger plug-and-play, come il modello cloud , necessita di un lavoro di preparazione all'installazione, ad esempio per assicurarsi di capire come scrivere i programmi per il logger. ZL6 richiede un lavoro di preparazione all'installazione, come ad esempio assicurarsi che il sito di ricerca sia nel raggio di un ripetitore.
I ricercatori dovrebbero preparare un piano del sito con una mappa e ricordare che un'installazione di solito richiede il doppio del tempo che si pensa di impiegare. Avere un piano del sito riduce significativamente l'errore umano, soprattutto quando si ha poco tempo a disposizione. Quando arrivano sul sito di ricerca, gli scienziati possono installare secondo il piano e registrare le modifiche alla mappa mentre procedono. Questo passaggio consente di risparmiare molto tempo in futuro, nel caso in cui essi o altri colleghi debbano trovare e dissotterrare un sensore problematico. È importante anche avere un piano di riserva per le cose che potrebbero andare storte. Per esempio, cosa succede se il terreno è troppo roccioso a una certa profondità? O cosa succede se una stazione meteorologica o un sensore di umidità non possono essere installati a due metri? I ricercatori devono pensare a cosa fare se il loro piano originale non funziona, perché spesso non potranno tornare sul sito per settimane o mesi.
Prima di scegliere un sito, gli scienziati devono definire chiaramente i loro obiettivi per la raccolta dei dati. Devono sapere cosa faranno con i dati, in modo che questi possano rispondere alle domande giuste. Una volta compresi gli obiettivi, il ricercatore può iniziare a capire dove posizionare i sensori.
Il problema più influente che un ricercatore dovrà affrontare nel determinare dove collocare i propri sensori è la variabilità. Ad esempio, gli scienziati che studiano il suolo dovranno comprendere i fattori di variabilità come la pendenza, l'aspetto, il tipo di vegetazione, la profondità, il tipo di suolo e la densità del suolo. Se stanno studiando una chioma, dovranno comprendere l'eterogeneità della copertura vegetale e posizionarsi di conseguenza. Se il ricercatore sta confrontando i dati, dovrà essere coerente con il posizionamento dei sensori. Ciò significa che le altezze fuori terra o le profondità sotto terra devono essere coerenti da sito a sito. Non è possibile monitorare tutte le fonti di variabilità, quindi i ricercatori devono monitorare le fonti più importanti. Per uno sguardo più approfondito sulla variabilità, leggete "Sensori di umidità del suolo: Quanti ne servono?".
Anche la scelta del sito deve essere pratica. I ricercatori dovranno esaminare i dati il più spesso possibile (si consiglia almeno una volta al mese) per assicurarsi che tutto funzioni correttamente, quindi il data logger deve essere accessibile. I data logger cellulari rendono l'accesso ai dati molto più semplice, soprattutto nei siti remoti. Caricando i dati sul sito cloud , gli scienziati possono accedere ai dati, condividerli e risolverli ogni giorno comodamente dal proprio ufficio.
Inoltre, quando si sceglie la posizione del data logger, cercare di evitare lunghe tratte di cavi che possono causare gradienti di potenziale di tensione in caso di fulmini. Scegliete una posizione in cui i sensori siano facili da collegare e legate un cavo extra al palo per evitare che i cavi si stacchino dal logger. I sensori scollegati o i collegamenti interrotti possono essere catastrofici per uno studio.
Più metadati i ricercatori registrano in un sito di ricerca, meglio capiranno i loro dati e più tempo risparmieranno nel lungo periodo. Alcuni data logger, come il modello ZL6 registrano automaticamente metadati importanti, come la posizione GPS, la pressione barometrica e il numero di serie del sensore. Inoltre, le misure accessorie, come la temperatura del suolo o il monitoraggio del microclima, possono essere un'altra fonte di metadati. Una stazione meteorologica all-in-one come il modello ATMOS 41 registra automaticamente gli eventi meteorologici e può essere un modo importante per effettuare un benchmark o per verificare l'umidità del suolo, il potenziale idrico o altri dati.
Per documentare le informazioni sul sito non registrate automaticamente dalla strumentazione di campo, molti scienziati trovano pratico creare un foglio di lavoro condiviso per la caratterizzazione del sito che possono utilizzare per informare altri colleghi che lavorano sul sito. I metadati che saranno fondamentali per l'analisi e la pubblicazione dei dati in futuro sono: tipo di suolo, densità del suolo, tipi di copertura, intervallo di misurazione, dati grezzi e tipo di calibrazione utilizzata, note su un sistema di irrigazione (se presente), quali sensori di umidità del suolo sono installati a quale profondità, note sul motivo per cui il sito è stato scelto, eventi che potrebbero influenzare la raccolta dei dati, come un raccolto, o qualsiasi altra informazione che potrebbe essere difficile da ricordare durante l'analisi dei dati. Queste informazioni saranno importanti quando sarà il momento di pubblicarle, e metterle in una posizione condivisa, basata su cloud, vi eviterà dei grattacapi.
Se uno scienziato vuole ottenere dati accurati, la corretta installazione del sensore deve essere la sua priorità numero uno. Ad esempio, quando si effettua una misurazione nel terreno, le variazioni naturali della densità possono comportare una perdita di accuratezza del 2-3%, ma una cattiva installazione può potenzialmente causare una perdita di accuratezza superiore al 10%. Non occorre molto tempo in più per installare correttamente i sensori, quindi i ricercatori devono leggere attentamente le istruzioni (per informazioni più approfondite, leggere "Sensori di umidità del suolo: qual è il metodo di installazione migliore?"). Dopo l'installazione dei sensori, ma prima di chiudere la trivella o la trincea, assicurarsi di controllare i sensori con un dispositivo di lettura istantanea portatile. ZSC, il nostro dispositivo portatile di lettura istantanea, per assicurarsi che la lettura sia accurata. Sarà doloroso riesumare un sensore in un secondo momento, dopo aver raccolto una stagione di dati errati.
Inoltre, assicuratevi di etichettare ogni sensore con il tipo di sensore, la profondità di installazione e altre informazioni che potrebbero essere importanti. I ricercatori che installano centinaia di sensori a volte acquistano un dispositivo elettronico per l'etichettatura dei sensori con codice a barre, ma vanno bene anche il nastro adesivo e un pennarello indelebile. Riporre le etichette all'interno del data logger per proteggerlo dalle intemperie.
Proteggere i sensori a tutti i costi è fondamentale per uno studio. È importante che i ricercatori facciano passare i cavi dei sensori esposti all'interno di un tubo in PVC o di una guaina elettrica flessibile e li facciano risalire sul palo del data logger per circa 60 cm (2 piedi). In questo modo si eviteranno danni causati da roditori o pale. Inoltre, legare ordinatamente i cavi al palo con fascette resistenti a UV, in modo che siano ben saldi ma non tirino contro il data logger (assicurarsi che ci sia uno scarico della trazione). Durante le visite in loco, è bene ispezionare le guarnizioni del data logger per verificare che non vi siano crepe. Se la guarnizione del data logger presenta crepe, potrebbe non essere resistente alle intemperie e dovrebbe essere sostituita. Contattare l'assistenza clienti per una sostituzione gratuita.
Inoltre, i ricercatori devono controllare i dati reali il più spesso possibile per risolvere i problemi. Uno scienziato ha scoperto un errore nei dati del suo piranometro confrontandoli con quelli di un sensore quantistico alla stessa altezza. Solo osservando i valori reali ha scoperto che un uccello aveva sporcato il suo sensore di radiazione solare, rendendolo inutilizzabile per una parte importante del suo studio. Alla fine ha dovuto calcolare i dati dal sensore quantistico, che non era altrettanto preciso. Un controllo regolare dei dati previene problemi che possono essere dannosi per un progetto di ricerca. Il nuovo ZENTRA Cloud e ZL6 consentono ai ricercatori di risolvere i problemi e di tracciare i grafici dei dati con una frequenza giornaliera. Solo due o tre minuti spesi per individuare tendenze o scoprire errori possono salvare settimane di dati persi.
Il ZL6come i suoi predecessori, fa una media dei dati. Quindi, se i ricercatori non vogliono una media, dovrebbero registrare i dati con maggiore frequenza. Tuttavia, la generazione di grandi quantità di dati non favorisce necessariamente l'obiettivo. L'importante è catturare e comprendere le serie temporali che riguardano l'ipotesi di ricerca. Se un ricercatore sta cercando di capire le tendenze annuali dell'umidità del suolo e prende dati a cinque minuti, genererà una marea di dati che non saranno utili perché l'umidità del suolo non cambia molto al minuto. Quindi il ricercatore è costretto a effettuare una post-elaborazione per sfoltire i dati. Tuttavia, se l'obiettivo dello studio è conoscere l'istante in cui l'acqua inizia a infiltrarsi nel terreno, è fondamentale acquisire dati a intervalli di un minuto o meno. I ricercatori avranno bisogno di un data logger Campbell Scientific o di uno in grado di attivare un evento di lettura basato su un cambiamento istantaneo. Tuttavia, la maggior parte delle persone sopravvaluta la quantità di dati di cui ha bisogno. Quando si misura la radiazione solare, ogni 15 minuti è probabilmente sufficiente. Per l'evapotraspirazione, è comune registrare dati ogni mezz'ora. In questi e in molti altri casi, intervalli di registrazione brevi come ogni cinque minuti sono probabilmente troppo frequenti.
Un altro passo importante che i ricercatori spesso dimenticano è quello di far coincidere tutte le frequenze di misurazione temporale dei data logger. Se un ricercatore ha due data logger che leggono ogni 15 minuti e qualcun altro imposta un data logger per leggere ogni ora, è possibile utilizzare solo i dati orari.
Se uno scienziato scopre un errore nei dati, non è necessariamente perché il sensore è rotto. Spesso le letture interessanti dei sensori raccontano una storia su ciò che sta accadendo nel suolo o nell'ambiente. L'interpretazione dei dati può essere talvolta difficile e i ricercatori possono avere bisogno di tornare sul posto per capire cosa sta realmente accadendo. Ad esempio, nella Figura 22 sembra che un sensore di umidità del suolo sia rotto, ma quando lo scienziato ha indagato più da vicino, ha scoperto che l'evapotraspirazione era superiore all'infiltrazione.
Inoltre, i ricercatori possono avere bisogno di pensare fuori dagli schemi per interpretare i loro dati. Possono provare a guardare i dati in diversi modi. La Figura 23 illustra il tradizionale modo di rappresentare i dati in termini temporali. Nella Figura 24, gli stessi dati possono essere visti in un modo completamente diverso.
I ricercatori possono anche convertire i dati sul contenuto d'acqua in potenziale idrico utilizzando una curva di rilascio dell'umidità (vedi Figura 25).
Una volta ottenuti i dati sul potenziale idrico, i dati avranno il seguente aspetto:
Tracciare gli stessi dati in tre modi diversi può far emergere questioni o problemi che il ricercatore non noterebbe con un grafico temporale tradizionale.
Spendere una piccola quantità di tempo in più per fare le cose per bene nel corso di un esperimento paga grandi dividendi in termini di risparmio di tempo, fatica e denaro. La preparazione, la pianificazione, un obiettivo di ricerca chiaramente definito, la corretta selezione del sito, l'installazione, la manutenzione, la tempistica e la corretta interpretazione dei dati sono tutti fattori che contribuiscono a prevenire i tipici incidenti di dati che possono compromettere un progetto di ricerca. Il risultato finale? Dati che possono essere pubblicati o utilizzati per prendere decisioni.
Nel video che segue, il Dr. Colin Campbell spiega come ZENTRA Cloud semplifichi il processo di raccolta dei dati e perché i ricercatori non possono permettersi di farne a meno. Poi fa un tour dal vivo delle funzionalità di ZENTRA Cloud .
Volete vedere come ZENTRA Cloud rivoluziona la raccolta e la gestione dei dati per centinaia di ricercatori? Richiedete l'accesso al nostro account di prova dal vivo o fate un tour virtuale per vedere come ZENTRA Cloud si ripaga da solo e molto altro ancora.
Fate un'immersione profonda nella conoscenza dell'umidità del suolo. Nel webinar qui sotto, il dottor Colin Campbell spiega come interpretare dati sorprendenti e problematici sull'umidità del suolo. Inoltre, insegna cosa aspettarsi in diverse situazioni di terreno, sito e ambiente.
Tutto quello che c'è da sapere sulla misurazione del potenziale idrico: cos'è, perché serve, come misurarlo, confronti tra metodi. Inoltre, vedetelo in azione con le curve di rilascio dell'umidità del suolo.
Uno sguardo approfondito a sette passaggi fondamentali da considerare durante l'installazione della stazione meteorologica per ottenere dati meteo della massima qualità.
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