Rilevamento dell'umidità del suolo evoluto
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Calibrazione e valutazione del sensore di umidità del suolo a basso costo EC-5
La programmazione dell'irrigazione in agricoltura e nei tappeti erbosi richiede un sensore di umidità del suolo preciso, affidabile e a basso costo. affidabile e a basso costo. Molti sensori sono limitati perché non riescono a soddisfare una di queste aree. Fino ad oggi.
Astratto
La programmazione dell'irrigazione in agricoltura e nei tappeti erbosi richiede un sensore di umidità del suolo (SMS) che sia preciso, affidabile e a basso costo. Sebbene esistano molti SMS sul mercato, il loro uso è limitato perché sono carenti in una di queste aree. Esiste la necessità di un sensore che offra misurazioni di alta qualità ma che sia sufficientemente economico per l'irrigazione commerciale. L'obiettivo di questo studio è stato quello di determinare le prestazioni di un nuovo SMS a basso costo in una varietà di terreni con contenuti idrici e conducibilità elettrica (EC) diversi e di studiarne la durata in campo.
L'SMS non ha mostrato differenze di calibrazione tra i terreni sabbiosi, limosi e argillosi testati, anche su un ampio intervallo di EC. I test sul campo hanno inoltre dimostrato una buona affidabilità per una stagione di misurazioni. I risultati indicano che il nuovo SMS potrebbe essere uno strumento utile per misurare l'umidità del suolo e programmare l'irrigazione.
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Introduzione
L'acqua dolce è una risorsa limitata che richiede una gestione vigile per garantirne la disponibilità per le generazioni a venire. Una delle maggiori fonti antropomorfe di acqua dolce è l'irrigazione, sia che si tratti di campi commerciali, campi da golf o prati e giardini residenziali. La chiave per conservare l'acqua è un processo decisionale basato sulle esigenze idriche delle piante e sulla disponibilità idrica del suolo. Sebbene siano stati fatti notevoli progressi nella stima della perdita d'acqua da parte delle piante, l'uso della misurazione dell'umidità del suolo come strumento di irrigazione è rimasto indietro. Rimane la necessità di un sensore di umidità del suolo (SMS) che combini accuratezza e stabilità con un prezzo contenuto per consentire una maggiore copertura del campo.
La tecnologia di rilevamento dell'umidità del suolo è disponibile da anni per il mercato dell'irrigazione. Tuttavia, la sua adozione è stata lenta, probabilmente a causa della scarsa misurazione associata ad alcuni sensori e del prezzo elevato di altri. Per essere redditizio, un SMS deve essere accurato, affidabile e conveniente per l'utente finale. L'obiettivo di questo studio è stato quello di sviluppare e testare un SMS a basso costo e di valutarne la fattibilità per l'uso nel mercato dell'irrigazione.
Sfondo
Nel corso degli anni sono state utilizzate numerose tecniche per monitorare l'umidità del suolo in situ. I primi metodi impiegavano spesso la resistenza elettrica o la capacità a bassa frequenza per dedurre il contenuto d'acqua. Sebbene queste tecniche fossero correlate al contenuto d'acqua, erano anche influenzate dalla salinità e dalla tessitura del suolo. È probabilmente l'inaffidabilità di questi tipi di sensori che ha portato a una generale sfiducia nei confronti dei sensori del suolo da parte del mercato dell'irrigazione nel suo complesso.
I sensori che misurano la costante dielettrica del terreno sfuso e la utilizzano per dedurre il contenuto volumetrico di acqua (VWC) del terreno stanno diventando sempre più popolari. La migliore comprensione della teoria di funzionamento e i miglioramenti nel campo dell'elettronica hanno permesso di immettere sul mercato un gran numero di sensori con capacità eccellenti a un costo sempre più basso. La disponibilità di sensori di alta qualità e a basso costo ha portato a un enorme aumento delle nuove applicazioni dei sensori, dal monitoraggio geospaziale nella ricerca al miglioramento della gestione dell'irrigazione in agricoltura e nelle attività di coltivazione dei tappeti erbosi.
Sono disponibili due classi generali di sensori dielettrici. Una classe misura il tempo impiegato da un impulso elettrico per attraversare una linea di trasmissione di lunghezza fissa nel terreno. L'altra misura una componente dell'impedenza di un condensatore in cui il terreno è il dielettrico. I sensori del primo tipo sono chiamati nel dominio del tempo (riflettometria nel dominio del tempo, o TDR; trasmissometria nel dominio del tempo, o TDT). I sensori della seconda classe sono talvolta definiti sensori nel dominio della frequenza, poiché operano tipicamente a una frequenza fissa, ma più spesso sono definiti sensori di capacità.
Talvolta si ritiene che i sensori nel dominio del tempo siano intrinsecamente migliori o più accurati di quelli nel dominio della frequenza. Questa convinzione può essere giustificata da diversi motivi. In genere, i sensori nel dominio del tempo sono molto più costosi dei sensori di capacità, il che implica che l'accuratezza dipende dal costo. Inoltre, i sensori di capacità sono stati sperimentati per oltre un secolo, mentre i metodi nel dominio del tempo sono stati introdotti negli ultimi 30 anni. I primi sensori di capacità avevano molte limitazioni e, anche se queste sono state superate dall'elettronica moderna e da una migliore comprensione della teoria, il metodo può ancora avere una cattiva reputazione a causa delle esperienze con le prime versioni.
Qualunque sia la ragione della percezione di una differenza tra le prestazioni dei due tipi di sensori, tale percezione è favorita dai fornitori di sensori nel dominio del tempo che vogliono promuovere i propri prodotti. Queste affermazioni costituiscono una buona base per discutere i meriti relativi dei sensori nel dominio della frequenza e del tempo.
Precisione
I sensori dielettrici non rilevano il contenuto d'acqua, ma la permittività dielettrica del terreno. Per determinare l'accuratezza sono quindi coinvolti due elementi: l'accuratezza con cui il sensore è in grado di determinare la costante dielettrica di massa e l'accuratezza della relazione tra la costante dielettrica di massa e il contenuto d'acqua del suolo. Considerando quest'ultimo aspetto, possiamo analizzare l'accuratezza utilizzando un tipico modello di miscelazione dielettrica:
dove ε è la permittività dielettrica relativa, x è la frazione di volume e i pedici b, a, m e w si riferiscono a massa, aria, minerale e acqua. La permittività dell'aria è pari a 1. La permittività dei minerali del suolo può variare da 3 a 16, ma spesso si utilizza un valore pari a 4. Possiamo sostituire a xa l'espressione 1 - xw - xm e a xm il rapporto tra la densità di massa e quella delle particelle del terreno, ρb/ρs, per ottenere un'equazione che mette in relazione il contenuto d'acqua con la permittività misurata:
Questa equazione può essere utilizzata per determinare la sensibilità del contenuto d'acqua previsto alle incertezze dei vari parametri che determinano il contenuto d'acqua. I calcoli possono essere eseguiti per qualsiasi serie di parametri. A scopo illustrativo, sono stati scelti i valori nominali della Tabella 1. Per questi valori, la Tabella 1 fornisce le sensibilità. Per questi valori, la Tabella 1 fornisce le sensibilità.
| Quantità | Simbolo | Valore nominale | Sensibilità1 |
|---|---|---|---|
| Permittività di massa | εb | 10 | -5 |
| Permittività dell'acqua | εw | 80 | 8.5 |
| Permittività minerale | εm | 4 | 16.2 |
| Densità della massa | ρb | 1.3 | 16.2 |
| Densità delle particelle | ρs | 2.65 | -16.4 |
| 1La sensibilitàè la variazione percentuale della quantità indicata che produce una variazione dell'1% del contenuto volumetrico d'acqua previsto. |
Effetti della densità apparente sulla precisione
La densità apparente dei terreni varia notevolmente. Nei tipici terreni minerali utilizzati in agricoltura, la densità di massa può variare da 0,8 a 1,8 g cm-3, con una variazione di circa l'80%. Se si considerano i terreni organici o i terreni per applicazioni geotecniche, la gamma è molto più ampia. Considerando solo la gamma dei terreni agricoli minerali, l'Equazione 2 prevede una variazione del contenuto d'acqua di 0,05 m3m-3 nel passaggio da 0,8 a 1,8 g cm-3. Se non esiste una misura indipendente della densità (come nel caso dei sensori di umidità dielettrici), i limiti di accuratezza per i terreni agricoli minerali, considerando solo l'incertezza nella densità, è di ±2,5% nel contenuto d'acqua. Considerando i terreni organici e compattati, l'errore è molto più grande.
Chiaramente, l'affermazione che qualsiasi sensore dielettrico abbia un'accuratezza assoluta, indipendente dal tipo di terreno, dell'1% è un'affermazione eccessiva. La Tabella 1 indica che le sensibilità all'incertezza della permittività minerale e della densità delle particelle sono quasi le stesse della densità apparente, aggiungendosi all'incertezza complessiva dovuta alla variazione delle proprietà del terreno solido.
Effetti della permittività dielettrica dell'acqua sull'accuratezza
La permittività dielettrica dell'acqua libera è di circa 80 a temperatura ambiente. Diminuisce con l'aumentare della temperatura di circa 0,5%/°C. Un errore dell'8,5% nella permittività dell'acqua si traduce in un errore dell'1% nel contenuto di umidità previsto al 20% di contenuto volumetrico di acqua. A questo contenuto d'acqua, una variazione di temperatura di ±20 °C comporta solo una variazione di ±1,2% nel contenuto d'acqua previsto, che per la maggior parte degli scopi è trascurabile. L'effetto è maggiore con un contenuto d'acqua più elevato, ma molti sensori misurano la temperatura e quindi spesso è possibile applicare una correzione appropriata, rendendo questo effetto trascurabile.
Effetti di "acqua legata" sulla permittività dell'acqua
Anche l'"acqua legata" può avere un effetto sui sensori TDR e TDT. La permittività dielettrica dell'acqua libera è relativamente costante con una frequenza inferiore alla frequenza di rilassamento di 15 GHz. L'acqua cristallina, invece, (come quella del ghiaccio) ha una costante dielettrica elevata solo al di sotto di frequenze di pochi kHz. Il legame o la struttura dell'acqua possono quindi influenzare fortemente la sua costante dielettrica a una particolare frequenza. L'acqua adsorbita sui minerali del suolo e sulla materia organica non è libera. Ha un'ampia gamma di energie di legame, alcune abbastanza forti da abbassare la frequenza di rilassamento dell'acqua al di sotto della frequenza a cui operano molti sensori TDR e TDT (da alti MHz a bassi GHz). L'effetto sull'accuratezza di questa frazione di acqua legata è trascurabile nei terreni a tessitura grossolana con poca materia organica, ma può portare a una sostanziale sottostima nei terreni ad alto contenuto di argilla. Poiché i sensori di capacità operano tipicamente a frequenze più basse, non sono soggetti a questi errori a meno che l'acqua del terreno non si congeli. Nel terreno ghiacciato, entrambi i tipi di sensori "vedono" solo l'acqua non ghiacciata.
Un altro effetto si verifica perché la frequenza di rilassamento dell'acqua legata dipende dalla temperatura, dando luogo a una dipendenza dalla temperatura più elevata del normale della permittività di massa quando viene misurata da sensori TDR e TDT ad alta frequenza. Anche in questo caso, i sensori a bassa frequenza sono esenti da questo effetto.
Effetti della permittività dielettrica di massa sull'accuratezza
Dalla Tabella 1, l'accuratezza della permittività apparente richiesta per l'1% di accuratezza nella determinazione del contenuto d'acqua è del 5%. Tale valore varia con il contenuto d'acqua e va da circa il 3% per i terreni saturi a circa il 10% per i terreni asciutti. I sensori nel dominio del tempo e di capacità in genere non hanno difficoltà a soddisfare questo requisito, ma ci sono delle insidie. Le più gravi riguardano la capacità del sensore di campionare correttamente la costante dielettrica del mezzo circostante e la capacità del sensore di separare gli effetti capacitivi da quelli conduttivi nei terreni che contengono sale. Il problema del campionamento verrà affrontato più avanti.
Il problema del sale può essere compreso comprendendo che il terreno può essere modellato come un resistore in serie con un condensatore. La resistenza del resistore è proporzionale alla conduttività elettrica del terreno. La capacità del condensatore è proporzionale alla permittività del terreno. Se la conduttività elettrica del terreno è trascurabilmente piccola, la misurazione della permittività con metodi nel dominio del tempo o nel dominio della frequenza è facile e accurata.
Con l'aumento della conduttività elettrica, le forme d'onda TDT e TDR, che vengono analizzate per determinare il tempo di percorrenza, diventano sempre più attenuate, soprattutto alle alte frequenze. Fino a un certo punto, gli algoritmi riescono a distinguere l'inizio e la fine dell'onda, ma alla fine non si riesce a distinguere alcun segnale. È possibile accorciare le guide d'onda e ottenere nuovamente un segnale, ma l'attenuazione delle alte frequenze rende la permittività apparente dedotta troppo grande e l'effetto deve essere compensato per una corretta misurazione del contenuto d'acqua. Questi problemi si verificano tipicamente al di sopra di 2 dS/m di EC dell'acqua dei pori. Poiché la produzione agricola può avvenire su suoli con EC fino a circa dieci volte questo valore, questa può essere una grave limitazione.
Le frequenze più elevate riducono gli effetti della EC
Anche i metodi nel dominio della frequenza possono essere influenzati negativamente dall'EC del suolo. Alcuni sensori separano il segnale in una parte reale e una immaginaria. La parte reale è dovuta alla capacità e quella immaginaria alla resistenza. L'aumento dell'EC del terreno non è un problema per questi sensori perché misurano le due componenti separatamente. La maggior parte dei sensori di capacità, invece, non è in grado di separare le due componenti, quindi la parte resistiva si aggiunge alla capacità apparente, con un conseguente errore sostanziale. L'impedenza di un condensatore diminuisce con la frequenza, mentre la resistenza (componente immaginaria) non è influenzata dalla frequenza. Aumentando la frequenza, quindi, diminuisce l'effetto relativo della conduttività elettrica del terreno rispetto alla permittività. Pertanto, quanto più alta è la frequenza di un sensore dielettrico, tanto più alta può essere la salinità del suolo senza influenzare la lettura.
Nei terreni non salini, le frequenze comprese nell'intervallo da 1 a 10 MHz sono adeguate per ottenere buone misure di permittività, ma a salinità più elevate sono necessarie frequenze più elevate. I sensori a frequenza più elevata, che operano a 70 MHz, mostrano effetti salini trascurabili fino a circa 10 dS/m. Quando l'EC dell'acqua dei pori supera queste soglie, i sensori mostrano ancora cambiamenti in uscita con il contenuto d'acqua, ma la permittività calcolata dall'uscita non è più la vera permittività del suolo. Questa permittività apparente può essere calibrata per il particolare terreno in questione, ma mostra una risposta più forte e positiva alla temperatura a causa della risposta termica del 2%/°C dell'EC.
Volume di campionamento dei sensori nel dominio del tempo e della frequenza
La maggiore debolezza dei sensori di umidità del suolo di tipo dielettrico deriva dal loro volume di campionamento. Sia i sensori nel dominio del tempo che quelli nel dominio della frequenza formano un campo elettrico intorno al sensore, il quale è più forte vicino alla superficie del sensore e diminuisce di intensità con la distanza dal sensore. L'aumento della permittività del mezzo circostante fa collassare il campo ancora più fortemente intorno alla superficie del sensore. Le regioni di alta o bassa permittività nel campo di influenza distorcono la forma del campo in modo non lineare, facendo sì che la permittività misurata differisca dalla media delle permittività dei materiali nel campo. Eventuali spazi d'aria tra il sensore e il mezzo che rileva causano grandi errori nella permittività misurata. Le misure nei liquidi si effettuano senza problemi, ma i terreni sono molto più difficili.
Il volume di influenza di entrambi i tipi di sensore è determinato interamente dalla forma e dalle dimensioni delle guide d'onda per lo strumento nel dominio del tempo o dalla forma e dalle dimensioni delle piastre del condensatore per il sensore di capacità. Questi differiscono da un progetto di sensore all'altro, ma il volume di influenza non dipende dal fatto che il sensore sia nel dominio del tempo o nel dominio della frequenza. Quando si cerca di modellare le prestazioni di uno dei due sensori nel terreno, si utilizza lo stesso software di simulazione per entrambi.
Valutazione in laboratorio e sul campo dei sensori
Per la valutazione sono stati scelti cinque sensori commerciali di umidità del suolo (EC-5METER, Pullman, WA) sono stati selezionati per la calibrazione e la valutazione. Sono stati raccolti quattro terreni minerali (sabbia di duna, terriccio sabbioso di Patterson, terriccio di Palouse e argilla nera di Houston) per rappresentare un'ampia gamma di tipi di terreno (Tabella 2). I terreni sono stati frantumati in una smerigliatrice per rompere i grossi pali e consentire un imballaggio uniforme. Sono state adottate ulteriori misure per ottenere un'ampia gamma di salinità del suolo.
In primo luogo, sono state preparate diverse soluzioni con valori di EC da ~1 a >15 dS/m. I terreni sono stati quindi suddivisi in porzioni più piccole e le soluzioni sono state aggiunte ai terreni selezionati per creare una gamma di conducibilità elettriche del suolo. I terreni a cui sono state aggiunte le soluzioni sono stati essiccati in forno, frantumati e un estratto di saturazione è stato utilizzato per determinare l'EC effettiva del suolo (U.S. Salinity Laboratory Staff, 1954). Durante le procedure di analisi, calibrazione e caratterizzazione (vedi sotto), questi terreni sono stati bagnati con acqua distillata e poi asciugati in forno per garantire che la salinità rimanesse relativamente costante.
| Suolo | Sabbia | Limo | Argilla | Conducibilità elettrica nativa |
|---|---|---|---|---|
| ---- | kg kg-1 | ---- | dS m-1 | |
| Duna di sabbia | 0.87 | 0.03 | 0.03 | 0.04 |
| Terreno sabbioso di Patterson | 0.79 | 0.09 | 0.12 | 0.34 |
| Limo di Palouse | 0.03 | 0.71 | 0.26 | 0.12 |
| Argilla nera di Houston | 0.13 | 0.34 | 0.53 | 0.53 |
Calibrazione del sensore nel terreno
I sensori sono stati calibrati adattando la tecnica raccomandata da Starr e Paltineanu (2002). Una descrizione dettagliata della procedura è riportata da Cobos (2006). In breve, un terreno asciutto all'aria è stato impacchettato in un contenitore attorno a un sensore. Si è fatto attenzione a impacchettare il terreno in modo uniforme per non falsare le misure. Dopo la lettura del sensore, si è ottenuto il contenuto volumetrico d'acqua (VWC) con un piccolo cilindro e si è determinato il contenuto gravimetrico d'acqua con un forno di essiccazione e una bilancia (Topp e Ferre, 2002).
Il contenuto d'acqua successivo è stato creato scaricando il terreno in un contenitore più grande, mescolando accuratamente un volume d'acqua noto, quindi impacchettando nuovamente il terreno intorno al sensore nel contenitore originale. Questa operazione è stata ripetuta quattro o cinque volte per ogni tipo di terreno e conducibilità elettrica per creare una correlazione tra l'output del sensore e il VWC. I dati sono stati tracciati per determinare l'effetto del tipo di terreno e della conducibilità elettrica sul rendimento del sensore.
Analisi statistica
Per determinare la significatività statistica, i dati di ciascuna calibrazione sono stati considerati unici. In altre parole, ogni contenuto d'acqua del suolo e la relativa conducibilità elettrica misurata sono stati considerati come una combinazione unica di tipi di suolo. Le combinazioni di tipo di suolo/EC sono state confrontate utilizzando l'analisi della covarianza con il contenuto di umidità come variabile dipendente e la conduttività elettrica come variabile indipendente. L'analisi della covarianza è stata condotta utilizzando PROC GLM (SAS Institute, 2006). I singoli sensori sono stati considerati osservazioni replicate e non effetti del trattamento perché i sensori all'interno del tipo di suolo non erano una fonte significativa di variazione (dati non mostrati). La funzione di stima di PROC GLM è stata utilizzata per confrontare le pendenze delle singole curve di calibrazione per ogni combinazione di suolo/EC.
Caratterizzazione del sensore
La sensibilità di una stima di accuratezza ai fattori confondenti del terreno è già stata discussa. Tuttavia, è ancora necessario caratterizzare il confronto tra l'equazione di calibrazione fornita dal produttore e l'effettivo contenuto volumetrico d'acqua nelle condizioni tipiche del terreno. Per verificare questo aspetto, sono stati installati un EC-5 e una ThetaProbe (modello ML2, Delta-T Devices, Cambridge, Regno Unito) sono stati selezionati a caso da un lotto di produzione e testati in sabbia, terriccio, argilla e terriccio. I risultati sono stati confrontati con il contenuto volumetrico d'acqua misurato direttamente.EC-5 e una sonda ThetaProbe (modello ML2, Delta-T Devices, Cambridge, Regno Unito) sono stati selezionati a caso da un lotto di produzione e testati in sabbia, terriccio, argilla e terriccio. I risultati sono stati confrontati con il contenuto volumetrico d'acqua misurato direttamente.
Valutazione sul campo
Tre sensori EC-5 sono stati installati in un campo di patate commerciali a 15, 30 e 60 cm di profondità in un terreno sabbioso fine. Il campo era sottoposto a irrigazione a pivot centrale, la cui frequenza variava a seconda delle esigenze della coltura. Un pluviometro a secchiello ribaltabile (risoluzione di 1 mm) è stato posizionato sopra i sensori interrati per registrare gli eventi e le quantità di irrigazione. I sensori sono stati monitorati per un'intera stagione vegetativa per studiarne l'affidabilità, la sensibilità agli eventi irrigui e la stabilità a lungo termine.
Risultati e discussione
La calibrazione di cinque sensori standard EC-5 in quattro tipi di terreno (Tabella 2) a diversi livelli di conducibilità elettrica è mostrata nella Figura 1. Non sono state osservate variazioni significative da sensore a sensore tra tutti i sensori testati (dati non mostrati). Non sono state osservate variazioni significative da sensore a sensore tra tutti i sensori testati (dati non mostrati). I confronti statistici tra le pendenze di calibrazione delle singole combinazioni tipo di suolo/conduttività elettrica non mostrano differenze significative tra 11 delle 12 curve di calibrazione (Tabella 3). È interessante notare che la pendenza che è risultata significativamente diversa è quella del suolo Palouse a 0,7 dS/m di estratto di saturazione EC, che era la conduttività elettrica intermedia dei tre suoli Palouse testati. Non sembra probabile che siano il tipo di suolo o la conducibilità elettrica a determinare queste differenze.
| Tipo di suolo | Soluzione CE
(dS m-1) |
Pendenza della calibrazione
Curva (x 10-1)* |
|---|---|---|
| Sabbia | 0.65 | 9.8a |
| Sabbia | 7.6 | 9.9a |
| Patterson | 5.3 | 10.3a |
| Palouse | 1.5 | 10.3a |
| Sabbia | 2.2 | 10,5ab |
| Patterson | 0.52 | 11,9ab |
| Patterson | 0.83 | 12.1ab |
| Palouse | 0.2 | 12,5ab |
| Patterson | 1.7 | 12,7ab |
| Houston Nero | 0.53 | 12,8ab |
| Palouse | 0.7 | 13.4b |
| *Slopes followed by the same letter are not significantly different (p <0.01) |
La mancanza di differenze significative tra le curve di calibrazione a diverse salinità non sorprende se si considerano i risultati ottenuti con sensori che funzionano a frequenze di misurazione simili (Campbell, 1991). Test simili su una versione precedente del sensore (EC-20, METER, Inc.) hanno mostrato una notevole variazione nella calibrazione a seconda del tipo di terreno (Campbell, 2001). I dati riportati nella Figura 1 suggeriscono che il sensore non necessita di calibrazione quando viene utilizzato in terreni minerali.
La Figura 2 mostra gli stessi cinque sensori EC-5 calibrati in tre tipi di terriccio. Anche in questo caso, l'uscita del sensore è correlata linearmente al contenuto volumetrico d'acqua ottenuto gravimetricamente, con un valore R2 di 0,977. I dati dimostrano che la stessa equazione di calibrazione può essere utilizzata per tutti i terricci testati, indipendentemente dalla miscela di terriccio o dalla conducibilità elettrica. La calibrazione per i terricci è diversa da quella dei terreni minerali a causa della grande differenza di densità apparente, come già detto.
I test su EC-5 e ML2 hanno mostrato un ottimo accordo tra i VWC effettivi e quelli generati dalla calibrazione del produttore (Figura 3). Le deviazioni standard per entrambi i sensori su tutti i terreni testati erano molto buone (0,0089 e 0,013 m3m-3 per EC-5 e ML2, rispettivamente).
Questi dati suggeriscono che si possono ottenere dati accurati sul contenuto d'acqua da entrambi i sensori sul campo. Tuttavia, è chiaro che una specifica di accuratezza dell'1% del VWC (come indicato in alcune specifiche del prodotto) è difficile da ottenere anche in condizioni di laboratorio, per non parlare del campo.
I sensori installati nel campo di patate commerciale hanno fornito risultati affidabili e stabili per l'intera stagione di crescita (Figura 4). La Figura 4 mostra come i sensori abbiano risposto a forti irrigazioni durante alcune parti della stagione, nonché ad alcuni eventi di siccità durante fasi critiche del ciclo di maturazione della coltura. Si possono notare anche i cambiamenti nell'uso dell'acqua in base alla profondità: il contenuto d'acqua a 15 cm è inizialmente più basso rispetto a quello a 30 cm, quando la coltura è relativamente giovane. Ma con la maturazione, le radici iniziano a spostarsi più in profondità e l'irrigazione diventa più pesante, spingendo il contenuto idrico a entrambe le profondità a diventare simile. Il contenuto d'acqua a 60 cm è rimasto molto più costante per l'intera stagione, suggerendo che le radici non prendevano tanta acqua da quella profondità e che non si muoveva tanta acqua a quella profondità del profilo.
La Figura 5 mostra un sottoinsieme di dati sul contenuto d'acqua e sull'irrigazione relativi a un periodo di asciugatura e di bagnatura. Questi dati mostrano la risposta relativa dei sensori di contenuto idrico a ciascun evento di irrigazione. È chiaro che l'irrigazione ha prodotto un aumento dell'acqua a tutti i livelli del profilo, ma la risposta relativa è in ritardo con i sensori più profondi. Sul sensore da 60 cm, l'acqua di irrigazione ha provocato una leggera risposta del sensore, ma il cambiamento generale è un aumento generale del contenuto d'acqua invece di grandi picchi di contenuto d'acqua seguiti da un drenaggio, come si vede nei sensori più superficiali.
Conclusione
Le calibrazioni degli SMS non sono state influenzate in modo significativo dal tipo di terreno o dalla salinità in diversi terreni minerali e in vaso testati. Questo dato suggerisce che utenti relativamente poco esperti possono installare i sensori in terreni intatti e misurare con precisione la VWC del suolo. Si tratta di un risultato particolarmente importante perché la maggior parte delle applicazioni di monitoraggio e controllo prevede l'installazione del sensore in terreni di consistenza sconosciuta. Inoltre, il cambiamento delle condizioni di salinità, sia del suolo che dell'acqua di irrigazione, ha un effetto minimo sulle misure del sensore. Si tratta di una qualità molto importante, considerando il fallimento dei sensori del passato in questo settore. Inoltre, la calibrazione del produttore ha fornito misure accurate del contenuto d'acqua in tutti i terreni testati in laboratorio. Le misurazioni dell'irrigazione e del VWC effettuate per tutta la stagione in un campo di patate hanno dimostrato che gli SMS sono robusti e rispondono come previsto agli eventi di irrigazione.
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Riferimenti
Campbell, Colin S. "Risposta della sonda di umidità del suolo ECH2Oalla variazione del contenuto d'acqua, del tipo di suolo e della conducibilità elettrica della soluzione". Nota applicativa, METER, 2001. Link all'articolo (accesso libero).
Campbell, Jeffrey E. "Proprietà dielettriche e influenza della conduttività nei terreni a uno a cinquanta megahertz". Soil Science Society of America Journal 54, no. 2 (1990): 332-341. Link all'articolo.
Cobos, Doug R. "Calibrazione dei sensori di umidità del suolo ECH2O". Nota applicativa, METER, Inc., 2006. Link all'articolo (accesso libero).
Starr, J. L. e I. C. Paltineanu. "Metodi di misurazione del contenuto idrico del suolo: dispositivi capacitivi". Metodi di analisi del suolo: Part 4 (2002). Link all'articolo.
Topp, G.C. e T.P.A. Ferre. "La fase di soluzione del suolo". Metodi di analisi del suolo: Part 4 (2002): 417-1074
Personale del Laboratorio di salinità degli Stati Uniti. "Diagnosi e miglioramento dei terreni salini e alcalini". USDA Handbook 60 ed. U.S. Government Printing Office, Washington D.C. (1954).
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