CONTRIBUENTI

Quale sensore di umidità del suolo scegliere?

Deciding how to measure soil moisture can be complicated, but METER’s easy, plug and play soil sensors simplify the process. When choosing a METER soil moisture sensor, the first thing to know is that all METER soil sensors have the same research-grade accuracy with minimum sensitivity to salts (<10 dS/m bulk EC), temperature gradients, and soil texture. Among the thousands of peer-reviewed publications using METER soil sensors, no soil moisture sensor or water potential sensor emerges as the favorite. Thus sensor choice should be based on your needs and application. Use the following considerations to help identify the perfect soil moisture sensor or water potential sensor for your research.  Explore the links for a more in-depth look at soil moisture definitions, terms, and topics.

COME MISURARE L'UMIDITÀ DEL SUOLO: SCEGLIERE LA MISURA GIUSTA

Contenuto volumetrico di acqua

Se si desidera misurare l'aumento e la diminuzione della quantità (o percentuale) di acqua nel terreno, è necessario un sensore del contenuto d'acqua (sensore di umidità del terreno). Il suolo è composto da acqua, aria, minerali, materia organica e talvolta ghiaccio (Figura 1). Come componente, l'acqua costituisce una percentuale del totale. Per misurare direttamente il contenuto idrico del suolo, è possibile calcolare la percentuale su base massica (contenuto idrico gravimetrico) confrontando la quantità di acqua, come massa, con la massa totale di tutto il resto. Tuttavia, poiché questo metodo richiede molto lavoro, la maggior parte dei ricercatori utilizza sensori di umidità del suolo per effettuare una misurazione automatica basata sul volume, chiamata contenuto idrico volumetrico (VWC).

I sensori di umidità del suolo METER utilizzano la tecnologia capacitiva ad alta frequenza per misurare il contenuto volumetrico di acqua del suolo, ossia misurano la quantità di acqua su base volumetrica rispetto al volume totale del suolo. Le applicazioni che in genere richiedono sensori di umidità del suolo sono la caratterizzazione dei bacini idrografici, la programmazione dell'irrigazione, la gestione delle serre, la gestione della fertirrigazione, l'ecologia delle piante, gli studi sul bilancio idrico, l'ecologia microbica, la previsione delle malattie delle piante, la respirazione del suolo, l'idrologia e il monitoraggio della salute del suolo. Per saperne di più sul contenuto volumetrico d'acqua , cliccate qui.

Potenziale idrico

Se avete bisogno di capire l'acqua disponibile per le piante, lo stress idrico delle piante o il movimento dell'acqua (se l'acqua si muove e dove va), oltre al sensore di umidità del suolo è necessario un sensore di potenziale idrico. Il potenziale idrico è una misura dello stato energetico dell'acqua nel suolo, o in altre parole, della tensione con cui l'acqua è legata alle superfici del suolo. Questa tensione determina se l'acqua è disponibile o meno per l'assorbimento da parte delle radici e fornisce un intervallo che indica se l'acqua sarà disponibile o meno per la crescita delle piante. Inoltre, l'acqua si sposta sempre da un potenziale idrico alto a uno basso, quindi i ricercatori possono usare il potenziale idrico per comprendere e prevedere le dinamiche del movimento dell'acqua. Per saperne di più sul potenziale idrico , cliccate qui.

Scarica la "Guida completa al potenziale idrico per i ricercatori".

Conoscere il tipo e la tessitura del terreno

Nel suolo, gli spazi vuoti (pori) tra le particelle del terreno possono essere semplicisticamente considerati come un sistema di tubi capillari, con un diametro determinato dalle dimensioni delle particelle associate e dalla loro associazione spaziale. Più piccole sono le dimensioni di questi tubi, più l'acqua viene trattenuta a causa dell'associazione superficiale.

A parità di contenuto d'acqua, l'argilla trattiene l'acqua più saldamente della sabbia perché contiene pori più piccoli e quindi ha una maggiore superficie a cui l'acqua può legarsi. Tuttavia, anche la sabbia può asciugarsi fino a lasciare solo una sottile pellicola d'acqua sulla sua superficie e l'acqua sarà strettamente legata. In linea di principio, quanto più l'acqua è vicina a una superficie, tanto più sarà legata. Poiché l'acqua è legata in modo lasco in un terreno sabbioso, la quantità d'acqua si esaurisce e si reintegra rapidamente. I terreni argillosi trattengono l'acqua in modo così stretto che il movimento dell'acqua è lento. Tuttavia, l'acqua è ancora disponibile.

Nota: utilizzare l'analizzatore di PARIO per automatizzare l'identificazione del tipo e della tessitura del terreno.

Due misure sono meglio di una

In tutti i tipi di terreno e di tessitura, i sensori di umidità del suolo sono efficaci nel misurare la percentuale di acqua. La doppia misurazione, che utilizza entrambi i tipi di sensori del terreno: un sensore del potenziale idrico oltre a un sensore di umidità del terreno, fornisce ai ricercatori il quadro complessivo dell'umidità del terreno ed è molto più efficace per determinare quando e quanto irrigare. I datisul contenuto d'acqua mostrano i sottili cambiamenti dovuti all'assorbimento idrico giornaliero e indicano anche la quantità d'acqua da applicare per mantenere la zona radicale a un livello ottimale. I dati sul potenziale idrico determinano quale sia il livello ottimale per un particolare tipo di terreno e di tessitura. Per saperne di più su come funziona , leggete qui.

Ottenere il quadro generale con le curve di rilascio dell'umidità

La doppia misurazione del contenuto e del potenziale idrico consente inoltre di crearecurve di rilascio dell'umidità del suolo in situ (o curve caratteristiche dell'acqua del suolo) come quella riportata di seguito (Figura 5), che illustra in dettaglio la relazione tra potenziale idrico e contenuto idrico. Scienziati e ingegneri possono valutare queste curve in laboratorio o sul campo e capire molte cose sul terreno, come la conducibilità idraulica e la disponibilità idrica totale. Per saperne di più sulle curve di rilascio dell'umidità del suolo , cliccate qui.

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SCEGLIERE IL GIUSTO SENSORE DI UMIDITÀ DEL SUOLO

L'aspettativa di vita è importante

Per i ricercatori è importante sapere quanto durerà un esperimento, in modo da poter scegliere un sensore di umidità del suolo che soddisfi le loro aspettative. Il sensore di umidità del 10HS sensore di umidità del suolo e EC-5 METER hanno una tecnologia di sovrastampaggio che dura circa 3-5 anni sul campo con un uso tipico (meno in condizioni di caldo/umido). I sensori di umidità del terreno TEROS 11, TEROS 12, TEROS 10 e TEROS 54 sono realizzati per durare il doppio dei nostri sensori standard grazie a un riempimento in poliuretano (epossidico) migliorato. I test di laboratorio indicano che questi sensori durano più di 10 anni prima che l'acqua penetri nel circuito stampato. Se l'ambiente di ricerca è tropicale, caldo e tipicamente umido, scegliete sempre un sensore a lunga durata.

Quale sensore per quale scopo?

I sensori di umidità del suolo METER hanno una sensibilità minima alla temperatura, ma se la profondità di installazione è bassa e il luogo è esposto, occorre considerare gli effetti della temperatura. I sensori di umidità del suolo TEROS 11 e TEROS 12 e la sonda per il profilo di umidità del suolo TEROS 54 hanno un termistore incorporato che misura la temperatura insieme all'umidità del suolo. Questo elimina la necessità di sensori di temperatura aggiuntivi in ogni sito di misura. La sonda di profilo TEROS 54 misura il contenuto idrico del suolo e la temperatura del suolo a più profondità, consentendo di effettuare un maggior numero di misurazioni con ogni porta del data logger.

I ricercatori che desiderano misurare la conduttività elettrica(EC) di massa oltre al contenuto d'acqua dovrebbero scegliere il sensore di umidità del suolo TEROS 12. Questo sensore consente di misurare la risposta dell'EC di massa ai sali e ai fertilizzanti presenti nel terreno. Questo sensore consente di misurare la risposta dell'EC di massa ai sali e ai fertilizzanti presenti nel terreno. Le misure di EC richiedono un buon contatto tra gli elettrodi in acciaio inossidabile del sensore e il terreno.

Per misurare esclusivamente l'umidità del suolo, molti scienziati preferiscono il modello TEROS 10. È facile da installare, economico e affidabile, perfetto per i grandi progetti in cui è necessaria una quantità di sensori. È facile da installare, economico e affidabile, perfetto per i grandi progetti che richiedono sensori in quantità. Nei terreni difficili (duri o rocciosi), nei terricci e nei terreni privi di terra, si consiglia di utilizzare i sensori della serie TEROS per mantenere un buon contatto con il terreno e compensare i vuoti d'aria nel terreno o nel substrato.

Tutti i sensori di umidità del suolo METER sono plug-and-play con i data logger METER. Si integrano anche con logger di terze parti che utilizzano il protocollo SDI-12. Utilizzate il ZL6 per una facile raccolta dei dati da siti remoti, oppure è possibile scaricare manualmente i dati.

Come i sensori di contenuto d'acqua METER si confrontano con altri metodi

In questo webinar di 20 minuti, il Dr. Colin Campbell illustra le differenze tra i metodi di misurazione del contenuto idrico 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

Comprendere la variabilità può essere difficile

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. Gli scienziati spesso misurano l'umidità del suolo a diverse profondità per capire gli effetti della variabilità del suolo e per osservare come l'acqua si muove attraverso il profilo del suolo. Le grandi aree di ricerca o i siti ad alta variabilità richiedono spesso un gran numero di sensori di umidità del suolo. Il sensore di umidità del EC-5 sensore di umidità del suolo o il sensore di umidità del suolo TEROS 10 sono scelte economiche per gli scienziati che necessitano di un'ampia rete di sensori del suolo. Il sensore di umidità del suolo TEROS 11 e il sensore di umidità del suolo TEROS 12, i nostri sensori più recenti, hanno un volume di influenza più grande (1 litro), che può aiutare ad attenuare la variabilità.

Dati sull'impatto dell'installazione

I sensori METER di alta qualità e di ricerca producono dati eccellenti, ma gli utenti devono comprendere la situazione del sito mentre si preparano all'installazione. Tutte le sonde dielettriche sono più sensibili tra i poli.

Qualsiasi perdita di contatto tra la sonda e il terreno o la compattazione del terreno all'interno del volume di misura del sensore può causare errori di misura. Anche i ristagni d'acqua in superficie e i percorsi preferenziali lungo i fori di installazione della sonda possono causare errori di misura. Si tratta di aspetti da tenere in considerazione quando si sceglie il metodo di installazione migliore per un particolare sito o tipo di terreno, e significa che la forma dell'ago, le dimensioni e la durata di un sensore di umidità del terreno sono importanti nei terreni difficili. Il nuovo TEROS Borehole Installation Tool utilizzato con i sensori della serie TEROS elimina i vuoti d'aria, i disturbi del terreno e il flusso preferenziale. Guardate il video per vedere come funziona.

Se il terreno è troppo roccioso o duro per un buon contatto tra il suolo e il sensore, si può pensare di utilizzare il sensore di potenziale idrico TEROS 21. Il contenuto d'acqua può essere calcolato dai dati sul potenziale idrico utilizzando una curva di rilascio dell'umidità del terreno e il sensore TEROS 21 può essere riempito o imballato. TEROS 10, 11 o 12 sensori di umidità del suolo, utilizzati con lo strumento di installazione, sono il nostro consiglio unanime per i terreni difficili.

Avete bisogno di una maggiore precisione nel vostro sensore di umidità del suolo?

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 suolo, 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, 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 dei sensori di umidità del suolo di eseguire una calibrazione specifica del suolo o di utilizzare il nostro Servizio di calibrazione specifica del suolo per ottenere la migliore precisione possibile nelle misurazioni del contenuto volumetrico di acqua.

SCEGLIERE IL GIUSTO SENSORE DI POTENZIALE IDRICO DI CAMPO

La realizzazione di buone misurazioni del potenziale idrico dipende in gran parte dalla scelta dello strumento giusto e dal suo uso sapiente. In un mondo ideale, esisterebbe un unico strumento in grado di misurare in modo semplice e accurato il potenziale idrico nell'intero intervallo da umido a secco. Nel mondo reale, esiste un assortimento di strumenti, ognuno con un intervallo ben definito. La Figura 7 illustra che il sensore di potenziale matriciale TEROS 21 di METER è utile per misurare il potenziale idrico nell'intervallo di acqua disponibile nella pianta (dalla capacità del campo all'aria secca). Il sensore di potenziale matriciale TEROS 22 è simile al sensore TEROS 21, ma ha un processo di installazione più semplice (non richiede scavi). Entrambi i sensori TEROS 21 e TEROS 22 sono in grado di misurare l'intero intervallo di umidità. I test di laboratorio e sul campo indicano che questi sensori possono effettuare misurazioni del potenziale idrico con un'accuratezza accettabile almeno fino al punto di appassimento permanente. Il tensiometro ha un'accuratezza molto maggiore per misurare il potenziale idrico nell'intervallo di bagnatura, che è quello in cui si verifica la maggior parte dei movimenti d'acqua. Solo i tensiometri sono in grado di misurare direttamente gli intervalli di potenziale idrico elevati.

Il webinar del Dr. Colin Campbell (qui di seguito) "Potenziale idrico 201: Choosing the Right Instrument" tratta la teoria degli strumenti per il potenziale idrico, comprese le sfide della misurazione del potenziale idrico e come scegliere e utilizzare i vari strumenti per il potenziale idrico.

Sensori di potenziale matriciale

I sensori di potenziale matriciale TEROS 21 e TEROS 22 di METER sono composti da un sensore di umidità e da un substrato poroso con una curva di rilascio dell'umidità nota. Dopo che il materiale poroso si è equilibrato con il terreno circostante, il sensore di umidità misura il contenuto di acqua del materiale poroso e il sensore utilizza la curva di rilascio dell'umidità per tradurre il contenuto di umidità in potenziale idrico.

• Campo di misura vs. accuratezza: La portata di un sensore di potenziale matricodipende dalla variazione delle dimensioni dei pori nel substrato poroso; più ampia è la gamma di dimensioni dei pori, maggiore è il campo di misura. Le ceramiche disponibili in commercio sono progettate per avere una dimensione dei pori uniforme, il che limita il loro intervallo. I modelli TEROS 21 e TEROS 22 utilizzano una ceramica specificamente progettata con un'ampia distribuzione delle dimensioni dei pori per ottenere un campo di misura più ampio. Tuttavia, l'accuratezza di un sensore dipende da quanto la curva di rilascio dell'umidità caratterizza il substrato poroso di quel particolare sensore. Più il substrato è coerente da un sensore all'altro, più ogni sensore sarà accurato. Dimensioni dei pori molto diverse portano a un'incoerenza da sensore a sensore, mettendo in conflitto questi due obiettivi critici del sensore.
• Soluzione di calibrazione: Questo conflitto può essere risolto con una calibrazione di fabbrica di ogni singolo sensore. Tuttavia, questo è sempre stato un processo lungo e costoso. L'accuratezza di TEROS 21 e TEROS 22 deriva da metodi di calibrazione di fabbrica innovativi che consentono di calibrare i sensori singolarmente utilizzando un'apparecchiatura di calibrazione automatica. Queste nuove tecniche fanno di TEROS 21 e TEROS 22 il primo sensore di potenziale matrico a gamma completa e a basso costo con un'accuratezza da ricerca.

Tensiometri

Il potenziale idrico, per definizione, è una misura della differenza di energia potenziale tra l'acqua di un campione e quella di un bacino di riferimento di acqua pura e libera. Il tensiometro è una concretizzazione di questa definizione.

Il tubo del tensiometro contiene un serbatoio di acqua libera e teoricamente pura. Questo serbatoio è collegato (attraverso una membrana permeabile) a un campione di terreno. Grazie alla seconda legge della termodinamica, l'acqua si sposta dal serbatoio al terreno finché la sua energia non è uguale su entrambi i lati della membrana. Questo crea un vuoto nel tubo. Il tensiometro utilizza un manometro negativo (trasduttore di pressione) per misurare la forza di tale vuoto e descrive il potenziale idrico in termini di pressione.

I tensiometri sono probabilmente il tipo più antico di strumento per il potenziale idrico (il concetto iniziale risale almeno a Livingston nel 1908), ma possono essere molto utili. Infatti, nell'intervallo umido, un tensiometro di alta qualità usato con abilità può avere un'eccellente precisione. Inoltre, come già detto, un tensiometro non è influenzato dall'eterogeneità del terreno.

La portata del tensiometro è limitata dalla capacità dell'acqua all'interno del tubo di resistere al vuoto. Sebbene l'acqua sia essenzialmente incomprimibile, le discontinuità sulla superficie dell'acqua, come i bordi o la graniglia, forniscono punti di nucleazione in cui i legami forti dell'acqua vengono interrotti e si verifica la cavitazione (ebollizione a bassa pressione). La maggior parte dei tensiometri cavita intorno a -80 kPa, proprio nel mezzo della gamma disponibile per l'impianto. Tuttavia, METER costruisce tensiometri che sono dei classici moderni grazie alla precisione dell'ingegneria tedesca, alla costruzione meticolosa e alla fanatica attenzione ai dettagli. Questi tensiometri hanno una precisione straordinaria e un campo di misura fino a -85 kPa.

Quale tensiometro per quale scopo?

La scelta del tensiometro deve basarsi sull'applicazione. Il TEROS 31 è un piccolo tensiometro da laboratorio utilizzato per misure puntuali o per esperimenti in colonna. È possibile utilizzare il TEROS 31 sul campo per controlli puntuali, ma è scomodo perché, in caso di cavitazione, deve essere ricaricato in laboratorio. Il TEROS 32 è un tensiometro da campo. È dotato di tubi di ricarica esterni che eliminano la necessità di rimuovere il tensiometro dal terreno per ricaricarlo.

La scelta del sensore dipenderà anche dai requisiti di raccolta dati. Il sistema TEROS 32 fornisce dati continui e quasi in tempo reale in remoto con ZENTRA Cloud. È stato progettato per essere collegato al data logger ZL6 e al lettore portatile ProCheck, rappresentando la scelta migliore per una rete di sensori di grandi dimensioni. Il modello TEROS 31 funziona anche con i modelli ZL6 e ZENTRA Cloud e il ProCheck. Sia TEROS 31 che TEROS 32 possono interfacciarsi con un data logger Campbell Scientific (o simile).

Comprendere le lunghezze dell'albero, del cavo e del tubo di ricarica.

Il tensiometro TEROS 32 viene solitamente installato sul campo ad angolo. Si consiglia di utilizzare una trivella da campo METER specificamente dimensionata per l'installazione di questo tensiometro. Si consiglia inoltre di utilizzare un coperchio per valvole di irrigazione per proteggere l'albero del tensiometro.

La lunghezza dell'asta necessaria si basa sulla profondità di installazione. Se, ad esempio, si vuole misurare a un metro di profondità e si sta installando ad angolo, è necessario conoscere l'angolo per calcolare la lunghezza dell'asta. In genere, sarà più lungo di 10-20 cm rispetto alla profondità di installazione desiderata. Inoltre, i tubi di ricarica devono essere accessibili. Più il tensiometro viene interrato in profondità, più i tubi devono essere lunghi per raggiungere la superficie. Infine, la lunghezza del cavo del tensiometro dipenderà dalla vicinanza al data logger.

Risorse per la definizione dell'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)

Domande su come misurare l'umidità del suolo?

Guardate il webinar qui sotto per imparare:

• Perché l'umidità del suolo non è solo una quantità
• Contenuto d'acqua: cos'è, come si misura e perché serve
• Potenziale idrico: cos'è, come si differenzia dal contenuto d'acqua e perché serve
• Se si deve misurare il contenuto d'acqua, il potenziale idrico o entrambi.
• Quali sensori misurano ciascun tipo di parametro

Come interpretare i dati sull'umidità del suolo

Un'immersione profonda nella misurazione dell'umidità del suolo. Nel webinar qui sotto, il dottor Colin Campbell spiega come interpretare dati sorprendenti e problematici sull'umidità del suolo. Insegna inoltre cosa aspettarsi in diverse situazioni di terreno, sito e ambiente.

Partecipate al nostro corso sull'umidità del suolo

Sei brevi video vi insegnano tutto quello che c'è da sapere sul contenuto d'acqua del suolo e sul potenziale idrico del suolo, e perché dovreste misurarli insieme. Inoltre, imparate a conoscere le basi della conducibilità idraulica del suolo.

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I nostri scienziati hanno decenni di esperienza nell'aiutare ricercatori e coltivatori a misurare il continuum suolo-pianta-atmosfera.

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