كيف تعمل قياس رطوبة التربة

الماء - مادة خاصة

الماء هو أكثر المركبات الكيميائية شيوعًا وخاصة على الأرض. تغطي المياه 70% من سطح الأرض، ويتكون جسم الإنسان أيضًا من 60% ماء. 97% من المياه موجودة في المحيطات، وفقط 0.001% في السحب والهواء والهطولات. ولكن بما أن الماء الجوي يتجدد 37 مرة في السنة، فإن متوسط الهطول العالمي السنوي يصل إلى متر واحد ضخم.

الماء هو أساس كل الحياة على الأرض ومنذ العصور القديمة، كان البشر يعملون على تطوير تقنيات لاستخدام الماء.

عند التعامل مع قياس رطوبة التربة، يطرح بسرعة سؤال حول وحدة القياس. يمكن تحديد رطوبة التربة إما من خلال نسبة الحجم أو نسبة الوزن للماء.

الرطوبة الحجمية (θᵥ) تُعرّف على أنها حجم الماء مقسومًا على الحجم الكلي للتربة.

مثال:
1 لتر من تربة الحديقة يحتوي على 400 مل من الماء → θᵥ = 0.4 أو 40%

الرطوبة الوزنية (θg) تُعرّف على أنها نسبة كتلة الماء إلى الكتلة الكلية.

مثال:
1 لتر من تربة الحديقة في المثال السابق يزن جافًا مثلاً 1200 جم. عند إضافة 400 جم من الماء، يصبح الوزن الكلي 1600 جم وθg=400/1600=25%

أي أن لترًا واحدًا من نفس تربة الحديقة مع 400 مل من الماء يحتوي على رطوبة حجمية بنسبة 40%، ولكن رطوبة وزنية بنسبة 25%.

على مدى واسع من الرطوبة، يبقى حجم التربة ثابتًا إلى حد كبير لأن الماء يملأ الفراغات والمسافات بين الجزيئات. فقط عندما يختفي الكثير من الماء وتنهار بنية التربة، ينخفض الحجم أيضًا. عندها تظهر تشققات جافة. توقيت ومدى حدوث ذلك يعتمد بشكل كبير على نوع التربة. في الترب الرملية، لا يتغير الحجم كثيرًا حتى في الحالة الجافة تمامًا لأن الجزيئات كبيرة الحجم. لذلك تختلف الرطوبة الحجمية والوزنية اختلافًا كبيرًا.

متابعة المثال: عند إضافة 100 مل ماء إضافية، ترتفع الرطوبة الحجمية من 40% إلى 50%. أما الرطوبة الوزنية فتصبح الآن 500/1700=حوالي 30%، أي زادت فقط بمقدار 5 نقاط مئوية. الفرق العددي بين قياسات الرطوبة الحجمية والوزنية لنفس عينة التربة يمكن أن يكون كبيرًا.

الصور التالية توضح بشكل تخطيطي كيف يملأ الماء الفراغات في التربة دون أن يغير الحجم الكلي للتربة بشكل كبير.

1. الجرافيمتري (تحديد الوزن)

الطريقة بسيطة ودقيقة، لكنها معقدة بعض الشيء. تحتاج فقط إلى ميزان، وعاء مقاوم للحرارة (لا يقل عن نصف لتر)، أدوات حديقة، وصبر.

الإجراء: وزن الوعاء، وضع عينة التربة في الوعاء ووزنها. ثم تجفيف عينة التربة، مثلاً تحت الشمس (2-3 أيام) أو في الفرن (2-3 ساعات عند 110°) أو في الميكروويف. تحديد الوزن بعد التجفيف.

القياس مفيد لتحديد خصائص التربة مثل السعة الحقلية لمرة واحدة، لكنه معقد وطويل جدًا للاستخدام العملي المستمر في الحديقة.

2. قياس رطوبة التربة المقاوم

أجهزة استشعار رطوبة التربة المقاومة تقيس المقاومة الكهربائية بين قطبين وبالتالي مدى قدرة البيئة على توصيل التيار الكهربائي. المشكلة هنا أن الماء النقي موصل ضعيف جدًا. فقط الأملاح المذابة في التربة تجعل الماء موصلًا. القياس يرتبط إلى حد ما بكمية الماء في حديقة معينة، لكنه يعتمد بشكل كبير على نوع التربة. القياس يعكس كمية المعادن والأملاح المذابة في المحلول أكثر من محتوى الماء المطلق.

تمر تيارات صغيرة أيضًا، مما يزيد من استهلاك الطاقة ويؤدي على المدى الطويل إلى تلف الأقطاب بسبب الترسبات. كما يتم إطلاق كميات قليلة من المعادن إلى التربة.

بشكل عام، قياس رطوبة التربة المقاوم له العديد من العيوب ولا يُنصح به إلا بشكل محدود.

3. قياس رطوبة التربة بالسعة

لفهم طرق القياس بالسعة، من الضروري القيام بجولة صغيرة في كيمياء الماء.

جزيئات الماء صغيرة وتتكون من ذرة أكسجين وذرتي هيدروجين. تجذب ذرة الأكسجين إلكترونات الجزيء بشدة. لذلك، يمتلك الجزيء من الخارج منطقة سالبة الشحنة حول ذرة الأكسجين ومنطقة موجبة الشحنة حول ذرات الهيدروجين. الماء هو المثال النموذجي للثنائي القطبية الكهربائية. لحظة ثنائي القطبية للماء مسؤولة عن العديد من خصائصه الفريدة والحيوية، مثل:

• قدرته على إذابة المواد القطبية الأخرى والأملاح كمذيب.
• تكوينه لبنية تشبه البلورات، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة غليانه، وتوتر السطح، وتأثير الشعيرات الدموية.

عندما توضع جزيئات الماء في بيئة مشحونة كهربائياً، مثل بين لوحين مشحونين إيجابياً وسلبياً (أقطاب كهربائية)، فإنها تصطف عكس شحنة اللوحين. هذا يخفف الشحنة ويتطلب طاقة. يتضح ذلك في الرسم التوضيحي التالي:

خاصية امتصاص الشحنة تعتمد على المادة وتُعرف بالسماحية وتقاس برقم السماحية. تبلغ هذه القيمة للماء 80 وهي أعلى بكثير من معظم المواد الأخرى. للمقارنة، رقم السماحية للهواء هو 1 وللتربة الجافة بين 3 و10. لذا، يخزن الماء كمية ضئيلة جدًا من الشحنة مثل البطارية. بالطبع لا يمكن استخدام الماء كبطارية، لكن التأثيرات الناتجة عن السماحية يمكن قياسها بطرق متعددة. تشمل هذه التأثيرات تأخير الإشارة، تخميد السعة، الانعكاسات وغيرها. وتعتمد عليها طرق القياس السعوي. هناك العديد من الطرق التقنية لتطبيق ذلك، وتقسم إلى مجموعتين.

3.1 قياس الانعكاس في مجال الزمن

ترسل حساسات المجموعة الأولى نبضة إشارة قصيرة وتقيس أوقات انتقال الإشارة أو الانعكاسات. يتطلب ذلك قياسات زمنية دقيقة جدًا. يُستخدم المصطلح الإنجليزي TDR (Time Domain Reflectometry) بشكل عام. عادةً ما تكون حساسات TDR كبيرة الحجم، توفر دقة قياس جيدة، تركيبها معقد، تحتاج إلى معايرة للتربة، وتكون مكلفة.

3.2 قياس الانعكاس في مجال التردد

تستخدم المجموعة الثانية من الحساسات السعوية إشارة عالية التردد وتقيس تغيرات التردد عند ملامسة عينة التربة. المصطلح الإنجليزي الأكثر استخدامًا هو FDR (Frequency Domain Reflectometry). توفر حساسات FDR دقة جيدة، إلكترونيات أقل تعقيدًا، وأسهل في الاستخدام مقارنةً بـ TDR، لكنها تحتاج إلى معايرة للتربة لتحقيق أفضل النتائج، وتكون أقل تكلفة من TDR.

القياس الحجمي: تقيس المستشعرات السعوية السعة الكهربائية والسماحية للتربة المحيطة.
يرتبط هذا ارتباطًا وثيقًا بـ محتوى الماء الحجمي، أي نسبة حجم الماء إلى الحجم الكلي. "يرى" المستشعر المجال الكهربائي بأكمله – أي الهواء والماء والمواد الصلبة – كمزيج. لذلك، تعتمد جميع نتائج القياس على نوع التربة. على سبيل المثال، تزيد الأملاح والأسمدة والسماد من السعة الأساسية للتربة الجافة. كما أن الترب الثقيلة لها سعة أساسية أعلى. هذا يعني أنه بدون المعايرة لا يمكن الحصول على قياس رطوبة مطلق صحيح، لأن تأثير التربة لا يمكن تجاهله.

المعايرة: يجب معايرة جميع المستشعرات السعوية على التربة إذا رغبنا في الحصول على قيم رطوبة حجمية مطلقة صحيحة. في الممارسة العملية، غالبًا ما لا يكون ذلك ضروريًا، لأن قراءات المستشعر تُزاح باستمرار "بحسب عامل التربة". يجب فقط مراعاة ذلك عند تفسير النتائج وخاصة عند التحكم في الري.

عمق الاختراق ونطاق القياس للمستشعرات السعوية محدود بين الأقطاب الكهربائية. أي إذا أردنا إجراء قياسات كبيرة الحجم، تصبح المستشعرات كبيرة وغير عملية بسرعة. الامتداد المكاني صغير جدًا، حيث أن المناطق التي تبعد بضعة سنتيمترات عن المستشعر لا تساهم بشكل ذي صلة.

الاتصال بالتربة: للحصول على قياسات موثوقة، تحتاج سطح المستشعر إلى اتصال مباشر مع التربة.

تأثير المستشعر: يؤدي تركيب المستشعر إلى تغيير تدفق الماء في التربة. كلما كان المستشعر أكبر، كان التأثير أكبر.

الاعتماد على درجة الحرارة: السماحية للماء تعتمد على درجة الحرارة – على سبيل المثال، تبلغ حوالي 80 عند 20 درجة مئوية، وترتفع إلى حوالي 88 عند 0 درجة مئوية وتنخفض إلى حوالي 72 عند 40 درجة مئوية. هذا يعني أن التربة الأكثر دفئًا تبدو أكثر جفافًا. هذا التأثير مستقل عن تأثيرات درجة الحرارة على الإلكترونيات ويؤثر على دقة القياس.

تستخدم مستشعرات MIYO تقنية FDR المطورة داخليًا لقياس رطوبة التربة. لا يتم توليد تردد محدد مسبقًا، بل يتم تحفيز دائرة رنين فقط. التربة هي جزء من دائرة الرنين وبناءً على السعة المحيطة يتحدد تردد يتم قياسه. تستغرق عملية القياس 30 مللي ثانية وكلما انخفض التردد، زادت الرطوبة في التربة.

العامل الحاسم لدقة القياس هو التركيب الصحيح. يجب أن تكون سطح المستشعر في القدم على اتصال بالتربة، ولكن دون ضغط مفرط، لأن ذلك يؤدي إلى ارتفاع قيم القياس بشكل غير دقيق.

إليك الخطوات التي تتبعها:

احفر حفرة بعمق لا يقل عن 13 سم. إذا لزم الأمر، لا مشكلة في دفن المستشعر أعمق. يجب أن تبرز أعلى 3 سم على الأقل من التربة، حيث توجد هناك الهوائي. أزل الشوائب الكبيرة مثل الخشب أو الحجارة ورش حفنة من التربة بشكل فضفاض في الحفرة المحفورة. ضع المستشعر. يجب أن يكون سطح المستشعر على اتصال بالتربة دون ضغط مفرط. املأ الحفرة مرة أخرى وثبت التربة. اسقِ الحفرة حتى تتماسك التربة أكثر. انتهى الأمر. في التطبيق سترى بالفعل رطوبة التربة الحالية.