1.
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Actualmente no existen sensores que midan directamente cuánta humedad, o agua, está contenida en el suelo. En lugar de eso, la tecnología de medición estima la humedad del suelo en base a las propiedades eléctricas del agua, sólidos y aire que conforman el sustrato o medio en el que se está midiendo.
Normalmente, estos sensores miden la permitividad dieléctrica del suelo. Esta propiedad indica cuánta carga puede almacenar un suelo. Un suelo con un mayor contenido de agua podría potencialmente almacenar más capacidad de carga.
La permitividad dieléctrica tiene un rango de valores comprendido entre 1 (aire) a 80 (agua pura). Por ejemplo, un suelo secado al aire tiene un valor alrededor de 5, mientras que un suelo saturado tiene un valor alrededor de 50. Es decir, entre el agua pura y el aire, para diferentes casos de composición del suelo (mezcla de elementos minerales, agua, sales y otros) existe un gradiente en los valores de permitividad dieléctrica obtenidos.
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What do soil moisture sensors actually measure?
Currently there are no sensors that directly measure how much moisture, or water, is contained in the soil. Instead, the measurement technology estimates soil moisture based on the electrical properties of the water, solids, and air that make up the substrate or medium in which it is being measured.
Typically these sensors measure the dielectric permittivity of the soil. This property indicates how much load a soil can hold. A soil with a higher water content could potentially store more carrying capacity.
The dielectric permittivity has a range of values from 1 (air) to 80 (pure water). For example, an air-dried soil has a value around 5, while a saturated soil has a value around 50. That is, between pure water and air, for different cases of soil composition (mixture of mineral elements , water, salts and others) there is a gradient in the dielectric permittivity values obtained.
Once a value of the dielectric permittivity of the medium being evaluated is obtained, a% volumetric water content (% VWC) is obtained by means of a calibration equation. In the case of CERES sensors, the Topp equation is used.
| Info |
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Electromagnetic Determination of Soil Water Content: Measurement in Coaxial Transmission Line / Topp, G. C., J. L. Davis, and A. P. Annan. / Water Resources. Res. 16:574-582 (1980) |
Esta calibración se realiza en el laboratorio y no es necesario volver a calibrar los sensores posteriormente independientemente del tipo de suelo en que se instalen. La ecuación de Topp presenta resultados excelentes en la mayoría de los suelos minerales.
2. ¿Cómo medimos la permitividad dieléctrica del suelo?
Existen diferentes principios de operación o tecnología para medir la permitividad dieléctrica. Las principales diferencias residen en la exactitud de la medida y en el coste de fabricación, aunque también tienen relación con la durabilidad del sensor. A modo de cuadro resumen se muestran las siguientes:
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Tecnología
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Principio de operación
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Coste
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Calibración
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Afectado por la salinidad
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This calibration is carried out in the laboratory and it is not necessary to recalibrate the sensors later regardless of the type of soil in which they are installed. The Topp equation shows excellent results in most mineral soils.
2. How do we measure the dielectric permittivity of the soil?
There are different principles of operation or technology for measuring dielectric permittivity. The main differences lie in the accuracy of the measurement and in the cost of manufacture, although they are also related to the durability of the sensor. The following are shown as a summary table:
Technology | Principle of operation | Cost | Calibration | Affected by salinity | Durability | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Time Domain Reflectometry (TDR) | Medir el tiempo de propagación de un pulso electromagnético a lo largo de las varillas del sensor (tiempo de ida y vuelta) | Alto | No se necesita en instalación | No, a menos que se trabaje con valores mayores a Measure the propagation time of an electromagnetic pulse along the sensor rods (round trip time) | High | Not needed in installation | No, unless you work with values greater than 16mS / cm | 20 añosyears | |
Capacitancia | Medir el tiempo de carga del capacitor que usa como dieléctrico el material que rodea el sensor | Bajo | Sí se necesita según el tipo de suelo | Sí | 2 a 5 años | ||||
Diferencia de amplitud | Medir la diferencia de amplitud entre la señal emitida y la reflejada | Moderado | Sí se necesita según el tipo de suelo | No, a menos que se trabaje con valores mayores a Capacitance | Measure the charging time of the capacitor that uses the material surrounding the sensor as a dielectric | Low | Yes it is needed according to the type of soil | Yes | 2 - 5 years |
Amplitude difference | Measure the difference in amplitude between the emitted and reflected signals | Medium | Yes it is needed according to the type of soil | No, unless you work with values greater than 9mS / cm | 20 añosyears | ||||
Coaxial Impedance Dielectric Reflectometry | Medir el comportamiento electromagnético de una señal eléctrica de 50MHz en una guía de ondas formada por el suelo contenido entre las varillas del sensor | Alto | No se necesita en instalación | No, a menos que se trabaje con valores mayores a Measure the electromagnetic behavior of a 50 MHz electrical signal in a waveguide formed by the soil contained between the sensor rods | High | Not needed in installation | No, unless you work with values greater than 16mS / cm | 20 años |
Toda esta tipología de sensor utiliza la permitividad y la ecuación de Topp, en alguna forma, para conseguir la relación de la humedad del suelo con respecto a esta.
| Info |
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Nuestro sensor de suelo CERES es de tipo Coaxial Impedance Dilectric Reflectometry. |
3. Salinidad y Conductividad Eléctrica (CE)
La conductividad eléctrica (CE) es la medida más común de la salinidad del suelo y es indicativo de la capacidad de un medio o solución acuosa para conducir una corriente eléctrica. La salinidad del suelo se refiere a sales disueltas tales como cloruro de sodio, cloruro de calcio y cloruro de magnesio. Las sales no sólo pueden ser cloruros, también carbonatos. Los fertilizantes como los nitratos no tienen conductividades fuertes, por lo tanto la CE medida en un suelo se atribuye principalmente al sodio.
En la fertilización, muchos de los nutrientes usados son sales, una fuente de salinidad. Aspectos como la acumulación de nutrientes, un drenaje deficiente y/o intrusión de agua salada pueden conducir a los efectos no deseados de acumulación de salinidad en el suelo. Por otra parte, una alta CE puede afectar las lecturas de humedad y creaer errores con los sensores basados en capacitancias (tiempos de carga y frecuencia).
La sal o específicamente los iones disueltos en la solución, es la componente principal de la matriz del suelo que conduce la electricidad. Mientras que la CE es altamente dependiente del nivel de salinidad del suelo, también subirá y bajará con la humedad del suelo.
El efecto de la CE sobre la humedad disponible para las raíces de una planta es muy grande. La acumulación de salinidad en el suelo no es beneficiosa para los cultivos, pastos o la comunidad microbiana en la tierra. La salinidad del suelo también afecta la hidrología del suelo. Fito enfermedades y patógenos, reducción del rendimiento de los cultivos o incluso las fallas pueden ocurrir por una salinidad excesiva del suelo, por lo tanto el control adecuado de la salinidad del suelo ayudará a garantizar la salud de tus cultivos.
La CE del suelo puede cambiar drásticamente con el contenido de agua y puede verse afectado por la calidad del agua de riego, fertilización, drenaje y otros procesos naturales. La compactación, el contenido de arcilla y materia orgánica, pueden influir en la humedad manteniendo las tendencias en el tiempo, lo que también afecta las capacidades de la CE en suelo.
4. CE del medio VS CE del Poro de Agua (CPW)
La CE en el suelo es más compleja que en una muestra de agua. y puede ser difícil y confuso de interpretar. La conductividad eléctrica del medio (o suelo a granel) (σb) es la CE de la matriz compuesta por suelo / agua / aire y es el parámetro medido por los sensores de suelo. Es importante no confundir el CE del medio con la CE del agua de los poros del suelo (σp). La CE del poro de agua es la conductividad eléctrica del agua en el poro de aire contendio en el suelo. Debido a que la CE del agua de los poros puede ser difícil de medir directamente, se puede preparar una lechada de suelo tomando una parte de tierra seca y dos partes de agua destilada y midiendo la CE del extracto de agua de la suspensión. La CE del extracto (ECe o σe) es el parámetro tradicionalmente encontrado en la ciencia del suelo o en la literatura agrícola porque es relativamente más fácil de medir y proporciona una comparación de "manzanas con manzanas" sobre las condiciones de salinidad del suelo.
| Tip |
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CE de la muestra de suelo: Preparar 1 parte de suelo seco (al aire, por ejemplo) y 2 partes de agua destilada. Mezclar la lechada y medir la CE del extracto de agua en suspensión. Esta medida siempre te proporcionará una comparativa correcta sin mediar condiciones de contexto, y el resultado será comparable entre distintas medidas. |
5. Entendiendo la CE del medio de CERES (vías de CE en el suelo)
Como se ha comentado, el suelo es una matriz que se compone básicamente de material sólido, agua en los espacios porosos y aire. Los sensores de suelo in situ miden la conductividad eléctrica del medio (σb) que es la conductividad eléctrica del suelo / agua / matriz de aire combinada.
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La imagen de arriba muestra las tres vías de cómo la conductividad eléctrica puede propagarse en el suelo. La densidad, la porosidad, la tortuosidad, el contenido de agua y la concentración de iones trabajando en concierto con las diferentes vías, influye drásticamente en la CE de un suelo.
La vía 1 atraviesa diferentes perfiles de agua, tierra, agua y tierra de nuevo. La contribución de la conductividad eléctrica de la vía 1 es una función de la conductividad del agua y del suelo. A medida que aumenta el agua, el conducto eléctrico de la vía 1 aumenta lo que puede aumentar la conductividad eléctrica del suelo en su conjunto.
Las sales disueltas aumentarán la conductividad de la vía 2; sin embargo, al igual que la vía 1, los aumentos en el contenido de agua del suelo también aumentarán el tamaño de la vía, por lo tanto acaban aumentando la conductividad eléctrica del medio. Es decir, que hay dos factores que influyen en el conductividad de la vía 2: La concentración de sal disuelta y el tamaño de la vía atribuida a la cantidad de agua en el suelo.
La vía 3 es la conductividad eléctrica de las partículas del suelo. Al igual que las otras vías, la contribución de la vía 3 está influenciada por una serie de factores que incluyen densidad, tipo de suelo, reacciones de oxidación / reducción y translocación de iones.
Las mediciones de CE del medio proporcionadas por sensores de suelo son la conductividad eléctrica de la matriz dinámica del suelo como un todo, que es la suma de las conductividades eléctricas de todas las diferentes vías. Ningún sensor de suelo puede distinguir directamente la diferencia entre los diferentes caminos ni tampoco distinguir la diferencia entre el cloruro de sodio y cualquier otro tipo de iones en la solución que todos tengan cierta influencia en la conductividad eléctrica del suelo / agua / matriz de aire.
| Note |
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Los sensores de suelo miden la CE del medio como un todo, teniendo en cuenta que ese todo es una matriz de suelo / aire / agua. Además no pueden distinguir las diferentes vías de propagación de la conductividad eléctrica, por lo que hay que entender qué vías son y cómo influyen de manera que ayuden a emplear la metodología correcta para su interpretación. |
5. Aplicaciones de la medida de la CE del medio
Si bien es difícil hacer comparaciones de tipo “manzanas con manzanas” con la CE del medio, podemos identificar ciertos puntos de referencia. Por ejemplo, si la humedad del suelo alcanza un umbral como el de la capacidad de campo, la CE del medio se puede registrar en ese umbral para hacer sucesivas comparaciones. Esto sería útil en situaciones donde la salinidad del suelo es un problema y el monitoreo es necesario.
En algunas circunstancias, la CE del poro de agua se puede estimar a partir del conocimiento de la CE del suelo (Hilhorst 1999). Esta ecuación nos permite hacer comparables estimaciones de la CE del poro de agua a partir de la medición de la CE del medio en la mayoría de los suelos.
En este caso, sólo los sensores basados en el método de reflectometría de la impedancia en el coaxial permite hacer esta estimación.
6. Resumen
Resumiendo la información anterior, se tiene:
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La CE del medio que mide nuestro sensor CERES es la CE medida que aportan todas las vías de propagación entre los pinchos. Cada vía se ve afectada por sus propias características, existiendo dependencias con:
Vias 1 y 2: Contenido de agua en el perfil
Vía 2: Sales disueltas
Vía 3: Características del suelo (granulometría, tipo,…)
...
Esto requiere que para comparar valores de CE entre distintas medidas, se tengan en consideración:
Medir siempre con el mismo porcentaje de humedad (para aliviar efecto a. anterior)
Intentar medir siempre en el mismo punto (para aliviar efecto c.)
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years |
All this type of sensor uses the permittivity and the Topp equation, in some way, to get the relationship of soil moisture with respect to it.
| Info |
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Our CERES soil sensor is a Coaxial Impedance Dilectric Reflectometry type. |
3. Salinity and Electrical Conductivity (EC)
Electrical conductivity (EC) is the most common measure of soil salinity and is indicative of the ability of an aqueous medium or solution to conduct an electrical current. Soil salinity refers to dissolved salts such as sodium chloride, calcium chloride, and magnesium chloride. The salts can not only be chlorides, but also carbonates. Fertilizers such as nitrates do not have strong conductivities, therefore the EC measured in a soil is mainly attributed to sodium.
In fertilization, many of the nutrients used are salts, a source of salinity. Aspects such as nutrient build-up, poor drainage, and / or saltwater intrusion can lead to the unwanted effects of salinity build-up in the soil. On the other hand, a high EC can affect humidity readings and create errors with sensors based on capacitances (charge times and frequency).
Salt, or specifically the ions dissolved in solution, is the main component of the soil matrix that conducts electricity. While EC is highly dependent on the salinity level of the soil, it will also rise and fall with soil moisture.
The effect of EC on the moisture available to the roots of a plant is very large. The accumulation of salinity in the soil is not beneficial for the crops, grasses or the microbial community in the soil. Soil salinity also affects soil hydrology. Phyto diseases and pathogens, reduced crop yields or even failures can occur due to excessive soil salinity, therefore proper control of soil salinity will help ensure the health of your crops.
Soil EC can change dramatically with water content and can be affected by water quality for irrigation, fertilization, drainage, and other natural processes. Compaction, clay content and organic matter can influence humidity, maintaining trends over time, which also affects the capacities of the EC in soil.
4. EC of the medium VS EC of the Water Pore (CPW)
EC in soil is more complex than in a water sample. and it can be difficult and confusing to interpret. The electrical conductivity of the medium (or bulk soil) (σb) is the EC of the soil / water / air matrix and is the parameter measured by the soil sensors. It is important not to confuse the EC of the medium with the EC of the soil pore water (σp). The water pore EC is the electrical conductivity of the water in the air pore contained in the soil. Because the EC of pore water can be difficult to measure directly, a soil slurry can be prepared by taking one part dry soil and two parts distilled water and measuring the EC of the water extract from the suspension. The EC of the extract (ECe or σe) is the parameter traditionally found in soil science or agricultural literature because it is relatively easier to measure and provides an "apples to apples" comparison of soil salinity conditions.
| Tip |
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EC of soil sample: Prepare 1 part of dry soil (in the air, for example) and 2 parts of distilled water. Mix the slurry and measure the EC of the suspended water extract. This measure will always provide you with a correct comparison without mediating context conditions, and the result will be comparable between different measures. |
Understanding the EC of the CERES medium (EC pathways in soil)
As mentioned, the soil is a matrix that is basically made up of solid material, water in the pore spaces and air. In situ soil sensors measure the electrical conductivity of the medium (σb) which is the electrical conductivity of the combined soil / water / air matrix.
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The image above shows the three ways that electrical conductivity can spread through the soil. Density, porosity, tortuosity, water content and ion concentration working in concert with the different pathways, drastically influence the EC of a soil.
Track 1 traverses different profiles of water, land, water, and land again. The contribution of the electrical conductivity of track 1 is a function of the conductivity of the water and the soil. As the water increases, the electrical conduit of track 1 increases which can increase the electrical conductivity of the soil as a whole.
Dissolved salts will increase the conductivity of lane 2; However, like path 1, increases in soil water content will also increase the size of the path, therefore they end up increasing the electrical conductivity of the medium. That is, there are two factors that influence the conductivity of pathway 2: the concentration of dissolved salt and the size of the pathway attributed to the amount of water in the soil.
Path 3 is the electrical conductivity of the soil particles. Like the other pathways, the contribution of pathway 3 is influenced by a number of factors including density, soil type, oxidation / reduction reactions, and ion translocation.
The EC measurements of the medium provided by soil sensors are the electrical conductivity of the dynamic matrix of the soil as a whole, which is the sum of the electrical conductivities of all the different pathways. No soil sensor can directly distinguish the difference between the different paths nor can it distinguish the difference between sodium chloride and any other kinds of ions in the solution which all have some influence on the electrical conductivity of the soil / water / air matrix.
| Note |
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Soil sensors measure the EC of the medium as a whole, taking into account that this whole is a soil / air / water matrix. In addition, they cannot distinguish the different propagation pathways of electrical conductivity, so it is necessary to understand which pathways they are and how they influence in a way that helps to use the correct methodology for their interpretation. |
5. Applications of the EC measurement of the medium
While it is difficult to make “apples to apples” comparisons with the middle CE, we can identify certain benchmarks. For example, if soil moisture reaches a threshold such as field capacity, the EC of the medium can be recorded at that threshold for successive comparisons. This would be useful in situations where soil salinity is an issue and monitoring is necessary.
In some circumstances, the water pore EC can be estimated from knowledge of the soil EC (Hilhorst 1999). This equation allows us to make comparable estimates of the water pore EC from the measurement of the medium EC in most soils.
In this case, only sensors based on the coaxial impedance reflectometry method allow this estimation to be made.
6. Resume
Summarizing the previous information, we have:
The EC of the soil bulk that our CERES sensor measures is the EC measured provided by all the propagation pathways between the spikes. Each path is affected by its own characteristics, with dependencies on:
Ways 1 and 2: Water content in the profile
Way 2: Dissolved salts
Way 3: Soil characteristics (granulometry, type, ...)
This requires that to compare EC values between different measures, the following are taken into account:
Always measure with the same humidity percentage (to alleviate effect a. beforementioned)
Try to always measure at the same point (to alleviate effect c.)
Another way to always obtain comparable measurements is to make a slurry of 1 part of dry earth and 2 parts of distilled water, and measure the EC of the medium in the suspended water extract after allowing it to stand. This EC of the medium refers to a totally liquid medium (always remember that medium = soil / water / air matrix, in different proportions depending on the case).
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