Nel blog precedente abbiamo sostenuto che un valore affidabile dell’umidità del suolo va costruito, non solo misurato.

Un valore di VWC (contenuto d'acqua nel suolo) rilevato sul campo non è un'osservazione diretta dell'acqua. Si tratta di una stima, generata dal segnale di un sensore, convertita tramite calibrazione e corretta in base alle condizioni ambientali in cui viene effettuata la misurazione.

Ciò solleva la seguente domanda:

Cosa occorre correggere esattamente?

È qui che la conducibilità elettrica (EC) e la temperatura diventano qualcosa di più che semplici dati aggiuntivi. Aiutano a capire se una variazione nel segnale del sensore sia realmente causata dall’acqua — o in parte dalle condizioni del suolo che circondano quell’acqua.

Per capire il perché, dobbiamo approfondire ulteriormente la misurazione stessa.

Il sensore non misura l’acqua. Misura il comportamento elettrico.

La maggior parte dei sensori di umidità del suolo in tempo reale si basa sullo stesso principio di base: l’acqua si comporta in modo molto diverso dall’aria e dalle particelle del suolo quando viene esposta a un segnale elettrico o elettromagnetico.

L’acqua ha una risposta dielettrica molto più elevata rispetto all’aria o al suolo minerale secco. È proprio questa differenza a rendere possibile il rilevamento dielettrico dell’umidità del suolo. Quando i pori si riempiono di più acqua, il comportamento elettrico del suolo cambia. Il sensore rileva tale variazione e la traduce in contenuto volumetrico d’acqua.

Questo è il fondamento su cui si basano molti sensori TDR, FDR e a capacità. È anche la logica alla base di uno dei riferimenti più importanti nella misurazione dell’umidità del suolo: l’equazione di Topp. Topp e i suoi colleghi hanno dimostrato che, per molti suoli minerali, esiste una forte relazione tra la permittività dielettrica apparente e il contenuto volumetrico d’acqua.

Quella fu una svolta.

Ma la storia non è mai finita qui. Perché il segnale del suolo non è determinato solo dall’acqua.

La tessitura del suolo, la densità apparente, il contenuto di argilla, la materia organica, la concentrazione salina e la temperatura possono tutti influenzare la relazione tra il segnale elettrico e la stima finale del VWC. In altre parole: la curva di calibrazione è potente, ma non è magica. Ha un intervallo in cui funziona bene e condizioni in cui necessita di supporto.

Tale supporto deriva dalla misurazione di ciò che accade nel resto del suolo.

Perché i sali possono alterare una stima dell’umidità

I sali sono importanti perché modificano la conduttività della soluzione del suolo.

Quando i sali o gli ioni disciolti aumentano, la soluzione del suolo conduce l’elettricità più facilmente. Per un sensore che deduce l’umidità da un segnale elettrico, ciò può influenzare la lettura. In termini semplici: una parte del segnale potrebbe sembrare indicare “più acqua”, quando in realtà si tratta di “maggiore conduttività”.

Ciò è particolarmente rilevante nei terreni affetti da salinità, nelle zone con irrigazione a goccia, nelle aree costiere, nei campi che utilizzano acqua di irrigazione salmastra o in situazioni in cui fertilizzanti e sali si spostano attraverso il profilo del suolo.

Il punto importante non è che i sensori di umidità del suolo non funzionino in queste situazioni. Il punto è che il problema della misurazione diventa più complesso.

Un sistema di alta qualità deve distinguere due fenomeni che possono verificarsi contemporaneamente:

1. Il suolo può diventare più umido o più secco.
2. La soluzione del suolo può diventare più o meno conduttiva.

Se il sistema misura solo il segnale di umidità, dispone di informazioni limitate per distinguere tali effetti. Se misura anche la CE, ottiene una seconda visione delle condizioni del suolo. Ciò rende possibile la correzione. Ecco perché la CE non è solo un elemento agronomico. Fa parte della logica di misurazione.

La conducibilità elettrica (EC) complessiva non è la stessa cosa della salinità della zona radicale

C’è un altro punto sottile che è importante.

Quando un sensore misura la CE nel terreno, di solito misura la CE complessiva: la conduttività elettrica del terreno nel suo insieme. Tale valore è influenzato dalla concentrazione salina nell’acqua del terreno, ma anche dalla quantità d’acqua presente, dal grado di interconnessione dei pori e dalla struttura del terreno.

Ciò crea un problema di interpretazione molto comune.

Durante l’essiccamento, la concentrazione di sali nell’acqua interstiziale residua può aumentare, poiché c’è meno acqua a diluire i sali. Allo stesso tempo, però, la conducibilità elettrica complessiva potrebbe non aumentare semplicemente, poiché è disponibile anche meno acqua interconnessa per condurre l’elettricità attraverso il suolo. Pertanto, la conducibilità elettrica complessiva da sola non indica automaticamente il grado di salinità dell’acqua intorno alle radici. Ecco perché la combinazione di VWC ed EC è così importante.

Quando si conoscono sia il contenuto idrico che la conduttività elettrica complessiva, è possibile iniziare a tradurre il segnale grezzo di EC in qualcosa di più significativo dal punto di vista agronomico: la salinità della soluzione del suolo, oppure un valore di EC basato sulla saturazione che si correla meglio alla risposta delle colture.

Questa è la logica alla base di modelli come quello di Hilhorst. Il punto non è solo quello di rappresentare l’EC in un grafico separato. Il punto è utilizzare insieme umidità e conduttività, in modo che il sistema possa comprendere la soluzione del suolo con maggiore precisione. È qui che un sensore diventa più di un semplice misuratore. Diventa un traduttore.

La frequenza è importante

Non tutti i segnali elettrici si comportano allo stesso modo nel suolo.

A frequenze più basse, le misurazioni sono generalmente più sensibili agli effetti della conduttività. I sali e gli ioni hanno una maggiore influenza sul segnale, il che può rendere più difficile isolare l’umidità. A frequenze più alte, la misurazione può diventare meno sensibile agli effetti della conduttività, il che è uno dei motivi per cui i metodi dielettrici ad alta frequenza sono utili per il VWC.

Ma «meno sensibile» non significa «per niente sensibile». Questo è il compromesso ingegneristico.

Un segnale FDR ad alta frequenza può essere molto efficace per misurare il VWC, poiché si concentra maggiormente sulla risposta dielettrica associata all’acqua. Tuttavia, se la salinità diventa sufficientemente elevata o se le condizioni del suolo variano notevolmente, la conduttività può comunque influenzare l’interpretazione. Pertanto, la soluzione non consiste semplicemente nello scegliere una frequenza e ignorare le altre.

L’approccio migliore consiste nel progettare un sistema in grado di distinguere quale segnale sia destinato a rispondere a quale domanda.

Un segnale ad alta frequenza può supportare la stima del VWC.
Una misurazione a bassa frequenza o una misurazione separata della conduttività può supportare l’interpretazione della EC.
La misurazione della temperatura aiuta a stabilizzare entrambi.

Insieme, questi segnali consentono al sistema di distinguere gli effetti dell’acqua, del sale e della temperatura in modo più intelligente rispetto a quanto possa fare una lettura basata esclusivamente sull’umidità.

È qui che la progettazione dei sensori si traduce in qualità del prodotto.

La sfida non consiste semplicemente nell’aggiungere un sensore di EC accanto a un sensore di VWC. La sfida riguarda la separazione dei segnali, la schermatura, il filtraggio, la calibrazione e l’interpretazione, in modo che ogni misurazione rafforzi le altre invece di aggiungere rumore.

La temperatura non è una semplice correzione

La temperatura sembra più semplice della conducibilità elettrica. Si misura la temperatura. Si corregge la lettura. Fatto.

In pratica, è più complicato.

La temperatura influisce sul comportamento dielettrico dell’acqua, ma il terreno non è costituito solo da acqua libera. Contiene acqua legata, superfici argillose, sacche d’aria, ioni disciolti e materiale organico. Questi elementi possono reagire in modo diverso al variare della temperatura.

Ciò significa che l’effetto della temperatura non è sempre una semplice linea retta.

In alcuni tipi di terreno e intervalli di umidità, il riscaldamento può far variare la permittività apparente in una sola direzione. In altre condizioni, la risposta può essere più debole o addirittura diversa. La ricerca sulla capacità del suolo e sui sensori dielettrici ha dimostrato che gli effetti della temperatura dipendono dalla composizione e dalla struttura del suolo, non solo dalla temperatura in sé.

Per i coltivatori, questo è importante perché la temperatura crea andamenti.

La curva di un sensore può mostrare un leggero ritmo giornaliero: un andamento altalenante tra mattina e pomeriggio. Se il sistema non tiene conto della temperatura, parte di quel ritmo può essere scambiata per un’effettiva tendenza dell’umidità.

In un’analisi pubblicata su un sensore di umidità del suolo a capacità a basso costo, una variazione di temperatura di 10 °C ha influenzato il contenuto d’acqua misurato di circa 0,02 cm³/cm³. Può sembrare un valore esiguo, ma in prossimità di una soglia di irrigazione può essere sufficiente a influenzare la sicurezza con cui un coltivatore interpreta l’andamento.

Ciò non significa che i coltivatori debbano fissare i grafici della temperatura tutto il giorno.

Significa che il sistema dovrebbe utilizzare la temperatura per stabilizzare la stima del VWC prima che questa diventi un consiglio.

Cosa rendono possibile la conduttività elettrica (EC) e la temperatura

Una volta misurati insieme VWC, EC e temperatura, il sistema può fare molto di più che riportare tre linee separate.

Può porre domande più mirate.

• Il terreno si è davvero inumidito o è cambiata la conduttività?
• L’irrigazione ha raggiunto la zona delle radici o ha modificato solo lo strato superiore?
• La coltura sta assorbendo acqua o la curva si sta spostando in parte a causa della temperatura?
• L’EC sta cambiando a causa della concentrazione dei sali o perché è cambiato il contenuto d’acqua?
• Un aumento della conducibilità elettrica (EC) in profondità dopo le piogge è un possibile segno di lisciviazione?

Queste non sono domande accademiche. Influiscono su decisioni concrete.

Ad esempio, dopo la concimazione e l’irrigazione, il VWC e la EC possono aumentare contemporaneamente. Un sistema basato esclusivamente sull’umidità rileva principalmente la risposta idrica. Un sistema combinato può invece rilevare anche il movimento degli ioni disciolti nel suolo.

Dopo forti piogge, l’EC nello strato superiore può diminuire mentre quella più in profondità nel profilo aumenta. Insieme ai dati relativi al VWC e alle condizioni meteorologiche, tale andamento può indicare un movimento verticale di sali o nutrienti.

In un campo affetto da salinità, due zone possono presentare livelli di umidità simili, ma un comportamento di conduttività molto diverso. Per la coltura, questo è importante. La stessa quantità d’acqua potrebbe non essere assorbita con la stessa facilità se la soluzione del suolo è più salina.

Questo è il passaggio da “quanta acqua c’è?” a “che tipo di ambiente nella zona radicale sta vivendo la coltura?”.

L’agricoltore non dovrebbe rendersi conto di questa complessità

L’agricoltore non ha bisogno di gestire tutto questo manualmente.

Un agricoltore non dovrebbe dover pensare all’equazione di Topp, alla perdita dielettrica, alla conducibilità elettrica (EC) dell’acqua interstiziale, alla conducibilità elettrica (EC) totale, alla risposta in frequenza o ai coefficienti di temperatura prima di decidere dove irrigare.

Questo lavoro spetta al sistema. L’agricoltore ha bisogno di una risposta chiara:

Il campo rientra ancora nei valori di riferimento? L’andamento è affidabile? L’irrigazione può aspettare? Lo stress sta aumentando? Il ciclo precedente ha funzionato? Sta succedendo qualcosa di insolito nella zona radicale?

Gli aspetti fisici più approfonditi contano solo perché migliorano la qualità di quelle risposte.

Questo è il ruolo della conducibilità elettrica (EC) e della temperatura: non aumentare la complessità del pannello di controllo, ma migliorare la qualità delle informazioni sull’umidità che giungono all’agricoltore.

Dai dati sull’umidità alle informazioni sulla zona radicale

In Agurotech, è così che concepiamo la prossima generazione di sensori per il suolo.

Il VWC rimane il fondamento delle raccomandazioni di irrigazione. Ma la stima del VWC diventa più accurata quando il sistema misura anche i fattori che lo influenzano.

Ciò significa combinare l’FDR ad alta frequenza per l’umidità con misurazioni indipendenti di EC e temperatura. Significa:

• Testare il sensore in diverse condizioni di umidità, salinità e temperatura.
• Calibrare il VWC in base ai diversi livelli di EC, anziché presumere che una singola curva sia valida ovunque.
• Convalidare le misurazioni in campi reali, comprese le condizioni di acqua salmastra e salina.
• Tradurre tali misurazioni corrette in informazioni che gli agricoltori possano effettivamente utilizzare.

Il risultato non dovrebbe essere una lezione di fisica, ma piuttosto informazioni affidabili sulla zona delle radici.

Un agricoltore dovrebbe poter aprire l’app e capire se il terreno si sta seccando, se l’irrigazione ha raggiunto la giusta profondità, se si stanno accumulando sali, se potrebbe verificarsi l’alluvionamento e se la decisione sull’irrigazione successiva può attendere.

È qui che la conducibilità elettrica (EC) e la temperatura trovano la loro utilità. Non come funzionalità aggiuntive.

Ma come parte integrante della affidabilità del VWC.

Il futuro dell’irrigazione intelligente non si limita all’umidità. Si tratta di informazioni corrette e contestualizzate sulla zona radicale.