CONTRIBUENTI

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? Perché la disponibilità di acqua è uno dei principali fattori che determinano la produttività dell'ecosistema e 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 della definizione di umidità del suolo e un'esplorazione di alcuni importanti termini scientifici utilizzati in relazione all'umidità del suolo.

Che cosa significa l'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.

• Siete interessati all'acqua immagazzinata nel suolo?
• Vi interessa di più l'acqua disponibile per la produttività primaria per massimizzare la produzione o capire la produzione massima sul vostro sito?
• State studiando il movimento dell'acqua e dei soluti nel suolo?
• Volete ottimizzare l'uso dell'acqua nelle colture?
• State modellando l'idrologia del suolo?

A seconda di quale di queste domande vi interessa, l'umidità del suolo può avere un significato molto diverso.

Conoscere la variabile da misurare

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 d'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".

Contenuto d'acqua del suolo: È solo una quantità

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.

Gravimetrico e VWC: collegati dalla densità apparente

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.

Come misurare il contenuto volumetrico di acqua

La maggior parte delle misurazioni del contenuto volumetrico d'acqua viene effettuata utilizzando un qualche tipo di sensore.I sensori METER del contenuto d'acqua 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.

Perché misurare il contenuto idrico del suolo con un sensore?

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.

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 unostrumento di installazione specializzato , progettato per minimizzare il disturbo del sito (guardate il video per vedere come funziona).

Saturazione: non è come si pensa

In termini di contenuto volumetrico d'acqua, il terreno essiccato 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 6 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.

Che cos'è il potenziale idrico?

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 comprendere questo principio, confrontate l'acqua contenuta in uncampione di terreno con l'acqua contenuta in un bicchiere. L'acqua nel bicchiere è relativamente libera e disponibile; l'acqua nel terreno 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 3).

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.

Il potenziale idrico predice il movimento dell'acqua

L'acqua si sposterà da una posizione a energia più alta a una a energia più bassa fino a raggiungere l'equilibrio, come illustrato nella Figura 7. 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 8, 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.

Che cos'è l'acqua disponibile per le piante?

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.

Che cos'è la capacità di campo?

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.

Che cos'è il punto di appassimento permanente?

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.

Il tipo di suolo: la lente attraverso la quale si vede

Per trarre conclusioni significative sul contenuto d'acqua è necessario conoscere il tipo di terreno.

La Figura 9 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.

Tabella 2. Capacità di campo rappresentativa e punto di appassimento permanente per diverse tessiture del suolo

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

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.

Curve di ritenzione idrica del suolo

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 10 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 lungo la 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.

L'umidità del suolo: Mi serve il contenuto d'acqua o il potenziale idrico?

Prima di intraprendere una campagna di misurazione dell'umidità del suolo, ponetevi queste domande:

• È necessario sapere quanta acqua è immagazzinata nel terreno?
• Devo sapere da che parte si muove l'acqua?
• Devo sapere se le mie piante possono ricevere acqua?
• Devo sapere quanta acqua c'è nel terreno per le mie piante?
• Devo sapere quando annaffiare?

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 avrete 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".

Quale sensore di contenuto d'acqua è più adatto alla vostra applicazione?

In questo webinar di 20 minuti, il dottor Colin Campbell illustra le differenze tra i metodi di misurazione del contenuto d'acqua del suolo . Esplora la teoria scientifica della misurazione e i pro e i contro di ciascun metodo. Spiega inoltre quale tecnologia può essere applicata a diversi tipi di ricerca sul campo e perché il rilevamento moderno va oltre il semplice sensore.

Imparare: 

• Teoria delle misure alla base del metodo gravimetrico, capacità, riflettometria nel dominio del tempo (TDR), trasmissione nel dominio del tempo (TDT), riflettometria nel dominio della frequenza (FDR), sensori di resistenza e altro ancora.
• Quale tecnologia si applica alle diverse situazioni di campo
• Quali fattori contano nella scelta del tipo di sensore
• Perché alcuni metodi non sono adatti alla ricerca
• Come il rilevamento moderno non si limiti al solo sensore
• Come determinare un buon rapporto prezzo/prestazioni per la vostra applicazione specifica

Risorse per: Che cos'è l'umidità del suolo?

Kirkham, Mary Beth. Principi delle relazioni idriche del suolo e delle piante. Academic Press, 2014.(Link al libro)

Taylor, Sterling A. e Gaylen L. Ashcroft. Edafologia fisica. La fisica dei suoli irrigati e non irrigati. 1972.(Link al libro)

Hillel, Daniel. Fondamenti di fisica del suolo. Academic press, 2013.(Link al libro)

Dane, Jacob H., G. C. Topp e Gaylon S. Campbell. Metodi di analisi del suolo metodi fisici. N. 631.41 S63/4. 2002.(Link al libro)

Come interpretare i dati sull'umidità del suolo

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.