1. ¿Qué miden realmente los sensores de humedad del suelo?
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.
Una vez que se obtiene un valor de la permitividad dieléctrica del medio que se está evaluando, se obtiene un % del contenido volumétrico de agua (%VWC) por medio de una ecuación de calibración. En el caso de los sensores CERES se utiliza la ecuación de Topp.
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:
Tecnología | Principio de operación | Coste | Calibración | Afectado por la salinidad | Durabilidad |
|---|---|---|---|---|---|
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 16mS/cm | 20 años |
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 9mS/cm | 20 años |
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 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.
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.
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.
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.
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:
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.)
Otra forma de obtener siempre medidas comparables, es realizar una lechada de 1 parte de tierra seca y 2 partes de agua destilada, y medir la CE del medio en el extracto de agua en suspensión tras dejarlo reposar. Esa CE del medio se refiere a un medio totalmente líquido (recordar siempre que medio = matriz suelo / agua / aire, en distinta proporción según sea el caso).