هكذا تعمل قياسات رطوبة التربة

الماء - مادة خاصة

الماء هو أكثر المركبات الكيميائية شيوعًا وخاصة على الأرض. يغطي الماء 70% من سطح الأرض، ويتكون جسم الإنسان أيضًا من 60% ماء. 97% من الماء موجود في المحيطات وفقط 0.001% في السحب والهواء والهطول. 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 مهتمين بالتقنيات 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) تعرف بأنها حجم الماء مقسومًا على الحجم الكلي للتربة.

مثال:
لتر واحد من تربة الحديقة يحتوي على 400 مل من الماء → θᵥ = 0,4 أو 40%

الرطوبة الوزنية (θg) تعرف بأنها نسبة كتلة الماء إلى الكتلة الكلية.

مثال:
يبلغ وزن لتر واحد من تربة الحديقة من المثال أعلاه جافًا مثلاً 1.200 جم. عند إضافة 400 جم من الماء، يصبح الوزن الكلي 1.600 جم و θg=400/1.600=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%.

يبقى حجم التربة ثابتًا إلى حد كبير عبر نطاق واسع من الرطوبة، لأن الماء يملأ المسام والفجوات. فقط عندما يختفي الكثير من الماء وتنهار بنية التربة، ينخفض الحجم أيضًا. عندها تظهر تشققات جفاف. متى وإلى أي مدى يحدث هذا يعتمد بشكل كبير على نوع التربة. في الترب الرملية، لا يتغير الحجم كثيرًا حتى في الحالة الجافة تمامًا لأن الجسيمات كبيرة الحجم. لذلك تختلف الرطوبة الحجمية والرطوبة الوزنية اختلافًا كبيرًا.

متابعة المثال: عند إضافة 100 مل من الماء، ترتفع الرطوبة الحجمية من 40% إلى 50%. الرطوبة الوزنية الآن 500/1.700=حوالي 30%، أي زادت فقط بمقدار 5 نقاط مئوية. الفرق العددي بين القيم الحجمية والوزنية لنفس عينة التربة يمكن أن يكون كبيرًا.

تُظهر الصور التالية بشكل تخطيطي كيف يملأ الماء الفراغات في التربة دون تغيير الحجم الكلي للتربة بشكل كبير.

1. الجرافيمتري (تحديد الوزن)

الطريقة بسيطة ودقيقة، لكنها معقدة. تحتاج فقط إلى ميزان، وعاء مقاوم للحرارة (لا يقل عن 1/2 لتر)، أدوات حديقة وصبر.

الإجراء: وزن الوعاء، ملء 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 مرة واحدة مثل السعة الحقلية، لكنه معقد وطويل جدًا للاستخدام العملي المستمر في الحديقة.

2. قياس رطوبة التربة المقاوم

أجهزة استشعار رطوبة التربة المقاومة تقيس المقاومة الكهربائية بين قطبين كهربائيين وبالتالي مدى قدرة البيئة على توصيل التيار الكهربائي. المشكلة هي 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.

تتدفق أيضًا تيارات صغيرة، مما يزيد من استهلاك الطاقة ويضر الأقطاب الكهربائية على المدى الطويل بسبب الترسبات. بدرجة قليلة، يتم أيضًا إطلاق معادن 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 السعوية، من الضروري القيام بجولة صغيرة في كيمياء الماء.

جزيئات الماء صغيرة وتتكون من ذرة أكسجين وذرتي هيدروجين. تجذب إلكترونات الجزيء بشدة ذرة الأكسجين. 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 مواد قطبية وأملاح أخرى كمذيب.
• تشكيل بنية تشبه البلورة، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة غليانه، والتوتر السطحي، والتأثير الشعري.

عندما تُوضع جزيئات الماء في بيئة مشحونة كهربائيًا، مثلما بين لوحين مشحونين إيجابيًا وسلبيًا (أقطاب كهربائية)، فإنها تصطف عكس شحنة اللوح. هذا يخفف الشحنة ويتطلب طاقة. هذا واضح في الرسم البياني التالي:

خاصية امتصاص الشحنة تعتمد على المادة وتُسمى السماحية 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 عديدة. تشمل هذه التأثيرات تأخير الإشارة، تخميد السعة، الانعكاسات وغيرها. تعتمد عليها طرق القياس السعوية. هناك العديد من الإمكانيات للتصميم الفني المحدد، والتي تُقسم إلى مجموعتين.

3.1 انعكاس المجال الزمني

ترسل أجهزة الاستشعار من المجموعة الأولى نبضة إشارة قصيرة وتقيس أوقات انتقال الإشارة أو الانعكاسات. يتطلب ذلك قياسات زمنية دقيقة للغاية. يُستخدم المصطلح الإنجليزي TDR (انعكاس المجال الزمني) بشكل عام. عادةً ما تكون أجهزة استشعار TDR كبيرة الحجم، توفر دقة قياس جيدة، معقدة في التركيب، يجب معايرتها للتربة، ومكلفة.

3.2 انعكاس المجال الترددي

تستخدم المجموعة الثانية من أجهزة الاستشعار السعوية إشارة عالية التردد وتقيس تغيرات التردد عند التلامس مع عينة التربة. المصطلح الإنجليزي الأكثر استخدامًا هو FDR (انعكاس المجال الترددي). توفر أجهزة استشعار FDR دقة جيدة، ولديها إلكترونيات أقل تعقيدًا وأسهل في الاستخدام مقارنة بـ TDR، لكنها تحتاج إلى معايرة للتربة لتحقيق أفضل النتائج وتكون أقل تكلفة من TDR.

القياس الحجمي: يقيس المستشعرات السعوية السعة الكهربائية والسماحية للتربة المحيطة.
يرتبط هذا ارتباطًا وثيقًا بـ محتوى الماء الحجمي، أي نسبة حجم الماء إلى الحجم الكلي. "يرى" المستشعرات المجال الكهربائي بأكمله – أي الهواء والماء والمواد الصلبة – كمزيج. لذلك، تعتمد جميع نتائج القياس على نوع التربة. على سبيل المثال، تزيد الأملاح والأسمدة والمواد العضوية 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 كنت ترغب في الحصول على قيم رطوبة حجمية مطلقة صحيحة. في الممارسة العملية، غالبًا ما لا يكون ذلك ضروريًا، لأن قيم القياس لمستشعر ما يتم تحريكها باستمرار "بحسب عامل التربة". يجب فقط أخذ ذلك في الاعتبار عند تفسير النتائج وخاصة عند التحكم في الري.

عمق الاختراق ونطاق القياس لمستشعرات السعوية يقتصر على المنطقة بين الأقطاب الكهربائية. أي إذا كنت تريد إجراء قياسات كبيرة الحجم، تصبح المستشعرات كبيرة وغير عملية بسرعة. الامتداد المكاني صغير جدًا، حيث أن المناطق التي تبعد بضعة سنتيمترات عن المجس لا تساهم بشكل ذي صلة.

الاتصال بالأرض: للحصول على قياسات موثوقة، يحتاج سطح المستشعر إلى اتصال مع التربة.

التأثير بواسطة المستشعر: يؤدي تركيب المستشعر أيضًا 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 ذاتيًا لقياس رطوبة التربة. لا يتم توليد تردد محدد، بل يتم تحفيز دائرة رنين فقط. التربة هي جزء من دائرة الرنين وبناءً على السعة المحيطة يتحدد تردد يتم قياسه. تستغرق القياس 30 مللي ثانية وكلما انخفض التردد، زادت الرطوبة في التربة.

العامل الحاسم لدقة القياس هو التركيب الصحيح. يحتاج سطح المستشعر في القاعدة إلى اتصال مع الأرض، ولكن دون ضغط مفرط، لأن ذلك قد يؤدي إلى قراءات مرتفعة جدًا.

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 الأرض، لأن الهوائي موجود هناك. أزل الشوائب الكبيرة مثل الخشب أو الحجارة ورش حفنة من التراب بشكل فضفاض في الحفرة المحفورة. ضع المستشعر. يجب أن تكون سطح المستشعر على اتصال مع الأرض دون ضغط مفرط. املأ الحفرة مرة أخرى وثبت الأرض. اسقِ الحفرة حتى تتماسك الأرض أكثر. انتهى. في التطبيق سترى بالفعل رطوبة التربة الحالية.