sensori di umidità del suolo

INTRODUZIONE

L’umidità del suolo rappresenta la quantità di acqua presente nei pori del terreno ed è un parametro fondamentale per la gestione irrigua, in quanto determina la disponibilità idrica per le colture.

Dal punto di vista quantitativo, essa è comunemente espressa mediante il contenuto idrico volumetrico (𝜃). Il contenuto idrico volumetrico è espresso 𝑚³ 𝑚⁻³ (oppure 𝑐𝑚³ 𝑐𝑚⁻³ o % 𝑣/𝑣), e può essere calcolato mediante la relazione: 

𝜃 =Vw/Vb 

Dove Vw è il volume dell’acqua a 20 °C e Vb è il volume totale o apparente (bulk volume) del campione di suolo (Hillel, 2004). 

FISICA

Per comprendere il funzionamento dei sensori di umidità del suolo e il loro utilizzo nella gestione dell’irrigazione, è necessario analizzare i principi fisici che governano l’interazione tra l’acqua e il terreno.  

Clicca QUI per tutti gli approfondimenti.

IMPLICAZIONI PER LA DINAMICA DEL SUOLO

La descrizione dei processi fisici che regolano la presenza e il movimento dell’acqua nel suolo evidenzia come lo stato idrico non possa essere ricondotto a una grandezza semplice e immediatamente osservabile. 

Questa complessità rende evidente come la gestione razionale dell’irrigazione richieda l’impiego di strumenti in grado di fornire misure quantitative e continue dello stato idrico del terreno. 

In particolare, risulta necessario ricorrere a misurazioni strumentali indirette, capaci di stimare lo stato idrico del suolo attraverso la determinazione di grandezze fisiche correlate, quali il potenziale matriciale o il contenuto idrico volumetrico. 

Tali misure consentono di superare i limiti delle valutazioni empiriche e di supportare le decisioni irrigue sulla base di dati oggettivi e ripetibili nel tempo. 

I diversi strumenti di misura oggi disponibili si basano infatti su differenti proprietà fisiche del sistema suolo–acqua e restituiscono informazioni che devono essere lette alla luce dei concetti di contenuto idrico e potenziale idrico. 

Alla luce di queste considerazioni, in seguito verranno analizzate le principali tecniche di misura dell’umidità del suolo e i relativi sensori, con particolare attenzione ai principi di funzionamento, ai limiti applicativi e alle potenzialità di utilizzo nel monitoraggio dello stato idrico a supporto della gestione irrigua. 

TECNICHE DI MISURA

Le tecniche di misura dell’umidità del suolo possono essere classificate secondo differenti criteri, relativi alla grandezza fisica considerata, al principio di misura e alla modalità operativa di acquisizione del dato. 

Dal punto di vista fisico, i metodi possono basarsi sulla determinazione del contenuto idrico del suolo o sullo stato energetico dell’acqua. 

In relazione al principio di misura si distinguono metodi diretti e metodi indiretti, nei quali l’umidità viene stimata mediante la misura di proprietà fisiche correlate, quali caratteristiche elettriche, dielettriche o pressorie. 

METODI DI MISURA DIRETTI 

I metodi diretti di determinazione dell’umidità del suolo consentono di misurare direttamente la quantità di acqua presente in un campione di terreno. Tali tecniche si basano sulla determinazione della perdita di massa del campione a seguito dell’evaporazione dell’acqua.

MEOTODO GRAVIMETRICO

Il metodo gravimetrico è la tecnica più diffusa per la determinazione del contenuto idrico del suolo 𝑤, definito come il rapporto tra la massa di acqua contenuta nel campione e la massa del suolo secco, espresso in kg kg-1 oppure in percentuale sul peso secco. 

Il metodo prevede la rimozione dell’acqua mediante essiccazione in stufa ventilata a una temperatura di 105 °C, fino al raggiungimento del peso costante (ASTM, 2019). 

Il contenuto idrico gravimetrico si calcola come: 

𝑤 = 𝑚𝑢−𝑚𝑠/𝑚𝑠 

dove 𝑚𝑢 è la massa del campione umido e 𝑚𝑠 la massa del campione essiccato. 

Sebbene il contenuto idrico gravimetrico fornisca una misura diretta e accurata dell’acqua presente nel suolo, esso non consente un confronto immediato tra suoli con diversa struttura e porosità. Per questo motivo, nelle applicazioni operative e nei sistemi di monitoraggio, l’umidità del suolo è generalmente espressa in termini di contenuto volumetrico d’acqua 𝜃𝑣. Il contenuto volumetrico può essere ricavato a partire da quello gravimetrico mediante la relazione: 

𝜃𝑣 = 𝑤∙𝜌𝑏 

dove 𝜌𝑏 rappresenta la densità apparente del suolo. 

La temperatura standard di essiccazione è 105 °C, mentre nei suoli gessosi o ricchi di sostanza organica essa viene ridotta a 50–70 °C, per evitare fenomeni di volatilizzazione della materia organica o perdita di acqua di cristallizzazione (ASTM, 2019). 

Il metodo gravimetrico viene generalmente utilizzato come metodo di riferimento per la calibrazione dei metodi indiretti, poiché risulta indipendente dalla tessitura, dalla salinità e dalle proprietà dielettriche del suolo. Le principali limitazioni sono di natura operativa. 

Il campionamento comporta l’asportazione di terreno e richiede tempi di essiccazione di circa 24 ore, per questo motivo non consente il monitoraggio continuo. Inoltre, la conversione del contenuto gravimetrico in contenuto volumetrico presuppone la determinazione della densità apparente del suolo. 

Per queste limitazioni, il metodo gravimetrico trova impiego prevalentemente in ambito sperimentale e di laboratorio. Per il monitoraggio in campo, si preferisce il ricorso a metodi indiretti basati sulla misura di grandezze fisiche correlate al contenuto idrico (Rasheed et al., 2022). 

METODI DI MISURA INDIRETTI

In funzione della grandezza fisica considerata, le tecniche indirette si distinguono in metodi che misurano lo stato energetico dell’acqua, espresso tramite il potenziale idrico o matriciale, e metodi che stimano il contenuto idrico volumetrico.

I sensori appartenenti alla prima categoria forniscono informazioni sulla tensione con cui l’acqua è trattenuta nel suolo e sulla sua disponibilità per le piante, mentre quelli della seconda categoria consentono di stimare la quantità di acqua presente nel terreno attraverso la misura di proprietà elettriche o elettromagnetiche del suolo. 

La precisione delle misure può essere influenzata da diverse proprietà del suolo come tessitura, densità apparente e composizione mineralogica, che possono modificare la relazione tra la grandezza fisica misurata e il contenuto idrico effettivo. 

È quindi necessaria una calibrazione, generalmente effettuata con metodo gravimetrico. Infine, data l’eterogeneità dei terreni è opportuno eseguire più rilievi all’interno dello stesso appezzamento per garantire la rappresentatività del dato (Rasheed et al., 2022). 

Sebbene l'impiego combinato di sensori a terra per il potenziale idrico e per il contenuto volumetrico possa apparire teoricamente ideale per una caratterizzazione completa del regime idrico, attualmente non vi sono evidenze scientifiche consolidate che dimostrino un incremento significativo dell'efficacia operativa nell'uso simultaneo di entrambe le tecnologie. 

La scelta tra le due tipologie a terra rimane dunque variabile in base agli obiettivi specifici della gestione irrigua, e l'utilizzo di un singolo strumento opportunamente calibrato è da considerarsi sufficiente a soddisfare le esigenze di monitoraggio locale. 

Una sinergia decisamente più promettente e utile ai fini della gestione idrica aziendale è rappresentata dalla combinazione tra la misura puntuale (effettuata tramite il singolo sensore nel terreno) e il monitoraggio macroscopico dall'alto, come il telerilevamento tramite droni o satelliti.

• METODI BASATI SUL POTENZIALE IDRICO 

L’uso di strumenti basati sul potenziale idrico del suolo si integra con il concetto di soglia di intervento irriguo, cioè il valore di potenziale idrico oltre il quale la coltura inizia a manifestare condizioni di stress. Tali soglie variano in funzione della specie coltivata, della fase fenologica e delle caratteristiche del suolo e sono correlate al concetto di acqua facilmente disponibile (Readily Available Water, RAW), che rappresenta la quota di acqua del suolo che può essere utilizzata dalla coltura senza indurre condizioni di stress idrico. 

Il valore di RAW è influenzato sia dalle caratteristiche fisiche del suolo sia dalla tolleranza della coltura e può essere associato a specifici valori di potenziale idrico, come riportato in tabella in relazione al tipo di suolo e alla tolleranza allo stress idrico, associata a soglie di potenziale idrico del suolo (kPa). (DPIRD, Western Australia). 

Le soglie di potenziale idrico riportate rappresentano quindi un riferimento operativo per la gestione irrigua e possono essere monitorate mediante strumenti quali tensiometri, blocchi di gesso e sensori matriciali, descritti nei paragrafi successivi. 

Il concetto di soglia di intervento irriguo e la relazione tra potenziale idrico e disponibilità di acqua per le piante sono schematizzati in Figura.

TENSIOMETRI

Il tensiometro è un sensore che misura il potenziale idrico del suolo ed è composto da un tubo sigillato riempito d’acqua con una coppa ceramica porosa inserita nel suolo e un sistema di lettura in sommità, costituito da un manometro meccanico o un trasduttore elettronico. Il tubo è collegato a un serbatoio d’acqua e chiuso superiormente da un tappo che mantiene il sistema ermetico e permette il riempimento e la manutenzione del dispositivo.

Il funzionamento del tensiometro si basa sull’equilibrio idraulico tra l’acqua contenuta nello strumento e quella presente nei pori del terreno. Quando il suolo si asciuga, l’acqua viene richiamata all’esterno attraverso la coppa porosa, creando una pressione negativa che corrisponde alla tensione con cui l’acqua è trattenuta nel suolo. Tale depressione viene registrata dal manometro e corrisponde al potenziale matriciale dell’acqua nel suolo.

I tensiometri consentono di individuare condizioni di stress idrico e stabilire il momento più opportuno per l’irrigazione, poiché misurano direttamente la forza che le radici devono esercitare per estrarre l’acqua dal terreno.

L’intervallo operativo di questi strumenti è limitato tra valori prossimi alla saturazione e circa -80 kPa, corrispondenti a condizioni di suolo relativamente umido. Per questo motivo tali strumenti risultano particolarmente adatti al monitoraggio di terreni sabbiosi o limosi e colture sensibili allo stress idrico, dove è importante mantenere il suolo relativamente umido. In suoli argillosi, invece, l’applicabilità può risultare più limitata, poiché in condizioni di forte essiccamento il potenziale idrico può superare il range di misura dello strumento.

Questo intervallo risulta comunque adeguato alla maggior parte delle colture agrarie, in quanto le condizioni di stress idrico rilevanti per la gestione irrigua si verificano all’interno di questo range di potenziale matriciale.

Per dare un riferimento pratico, nella Tabella sono riportati alcuni valori indicativi di tensione idrica del suolo associati a diversi livelli di stress idrico per alcune tipologie di colture. 

Come si osserva, molte colture agrarie presentano soglie di intervento irriguo comprese tra circa -20 e -60 kPa, confermando che il range operativo dei tensiometri risulta adeguato alla gestione irrigua nella maggior parte delle condizioni agronomiche.

I tensiometri vengono installati generalmente all’interno della zona radicale delle colture, in molti casi vengono installati a diverse profondità, ad esempio, tra i 10 e i 30 cm, al fine di osservare sia la suzione sia la distribuzione dell’acqua negli strati più profondi.

Uno dei principali vantaggi di questi strumenti è rappresentato dalla relativa semplicità costruttiva, dal costo contenuto e dalla buona precisione delle misure, inoltre, i tensiometri risultano generalmente poco sensibili alla salinità del suolo e non richiedono calibrazioni specifiche per il sito.

Il livello di accuratezza dei tensiometri è molto elevato, con errori generalmente inferiori all’1-1,2% del fondo scala, risultando quindi affidabili per il monitoraggio continuo.

Le principali limitazioni che questi strumenti presentano sono legate all’intervallo di misura ristretto generalmente compreso tra 0 e -80 kPa. Oltre questa soglia l’aria entra nel sistema attraverso i pori della ceramica, interrompendo la colonna di acqua e rendendo lo strumento inefficiente, tale fenomeno è detto cavitazione. L’utilizzo di ceramiche caratterizzate da pori di dimensioni minori consentirebbe di aumentare tale valore, estendendo il range operativo, ma comporterebbe un aumento del tempo necessario al raggiungimento dell’equilibrio idraulico con il suolo.

Un’ulteriore limitazione è rappresentata dal range di misurazione ridotto, che rende necessario l’impiego di più sensori per tenere conto della variabilità spaziale del suolo e ottenere una rappresentazione più accurata delle condizioni idriche.

Per garantire il corretto funzionamento dello strumento è necessaria una manutenzione periodica, che prevede il riempimento con acqua deareata e la rimozione di eventuali bolle di aria presenti.

Per approfondimenti rigurdo all'utilizzo di questi strumenti clicca QUI.