Misurare l’umidità del terreno: cosa leggono davvero i sensori

Che cosa significa “umidità del terreno”

L’espressione “umidità del terreno” viene usata per indicare grandezze diverse. Un sensore può stimare quanta acqua è presente in un determinato volume di suolo, oppure può misurare con quanta forza quell’acqua è trattenuta dalle particelle.

Le due informazioni sono collegate, ma non sono intercambiabili. La stessa quantità d’acqua può risultare facilmente disponibile in un terreno sabbioso e molto più difficile da estrarre in un terreno argilloso. Per questo una percentuale, da sola, non dice automaticamente se una pianta debba essere irrigata.

Prima di scegliere lo strumento occorre stabilire se interessa:

• il contenuto d’acqua;
• il potenziale matriciale, cioè la forza con cui l’acqua è trattenuta;
• la dinamica dell’irrigazione;
• la presenza di perdite o ristagni;
• la disponibilità nella zona radicale.

Contenuto gravimetrico e contenuto volumetrico

Il contenuto gravimetrico confronta la massa dell’acqua con la massa del terreno secco. Il metodo di riferimento consiste nel prelevare un campione, pesarlo, essiccarlo in condizioni controllate e pesarlo nuovamente.

Il contenuto volumetrico esprime invece il volume d’acqua contenuto in un volume totale di terreno. Un valore di 0,25 m³/m³ significa che, nel volume considerato, circa un quarto è occupato da acqua.

I sensori dielettrici vengono normalmente utilizzati per stimare il contenuto volumetrico. Non contano direttamente le molecole d’acqua: misurano una proprietà elettromagnetica del mezzo e la convertono mediante una calibrazione.

Scrivere semplicemente “25% di umidità” senza indicare la grandezza, il metodo e il terreno rende il dato ambiguo.

L’acqua disponibile dipende dal terreno

Dopo una bagnatura abbondante, l’acqua libera drena progressivamente verso il basso. Il terreno trattiene una parte dell’acqua nei pori e sulle superfici minerali e organiche.

La capacità di campo descrive, in modo operativo, una condizione successiva al drenaggio dell’acqua gravitazionale. Il punto di appassimento indica una condizione nella quale l’acqua residua è trattenuta troppo fortemente per essere estratta efficacemente da molte colture.

L’intervallo compreso tra queste condizioni viene spesso utilizzato per descrivere l’acqua disponibile. Non è però una proprietà universale: dipende da tessitura, struttura, sostanza organica, compattazione e apparato radicale.

Due terreni con lo stesso contenuto volumetrico possono quindi offrire disponibilità molto differenti.

I sensori resistivi economici

I moduli più semplici utilizzano due elettrodi metallici inseriti nel terreno. La resistenza elettrica tra gli elettrodi tende a diminuire quando aumenta la quantità di acqua e di ioni mobili.

Il valore è influenzato contemporaneamente da umidità, salinità, fertilizzanti, temperatura, contatto con il terreno e stato delle superfici metalliche.

Quando viene applicata corrente continua per periodi prolungati possono verificarsi elettrolisi, migrazione di ioni e corrosione. Gli elettrodi cambiano nel tempo e il sensore può mostrare una deriva anche se il terreno rimane invariato.

Questi moduli possono essere utili per esperimenti dimostrativi o per rilevare variazioni molto grossolane. Non dovrebbero essere presentati come strumenti capaci di fornire una percentuale universale d’acqua senza calibrazione e controllo della deriva.

Sensori capacitivi e FDR

I sensori capacitivi e quelli basati sulla riflettometria nel dominio della frequenza sfruttano il forte contrasto tra la permittività dielettrica dell’acqua e quella dei componenti solidi e dell’aria.

Il campo elettromagnetico generato dalla sonda interagisce con un volume di terreno. Il segnale viene trasformato in una stima del contenuto volumetrico attraverso una relazione di calibrazione.

Questi sensori evitano normalmente il passaggio continuo di corrente tra elettrodi metallici nudi e sono più adatti al monitoraggio prolungato. Restano però sensibili a:

• tipo di terreno;
• salinità e conducibilità elettrica;
• densità apparente;
• temperatura;
• vuoti d’aria attorno alla sonda;
• geometria del contenitore;
• materiale organico e substrati artificiali.

Una scala ottenuta in acqua o in un terriccio commerciale non può essere trasferita automaticamente a un terreno argilloso, sabbioso o salino.

Riflettometria nel dominio del tempo

La TDR invia un impulso elettromagnetico lungo guide inserite nel terreno e analizza il tempo di propagazione e la forma della riflessione. La velocità del segnale dipende dalla permittività apparente del mezzo, fortemente influenzata dal contenuto d’acqua.

Il metodo può fornire misure accurate e ripetibili, oltre a informazioni sulla conducibilità elettrica apparente. Richiede però elettronica, sonde e procedure di installazione più impegnative rispetto ai moduli capacitivi economici.

Anche la TDR non è indipendente dal contesto. Elevata conducibilità, terreni compatti, forte contenuto di argilla, lunghezza delle aste e qualità del contatto possono modificare la risposta e richiedere una calibrazione specifica.

Tensiometri e potenziale matriciale

Il tensiometro non misura direttamente quanta acqua è contenuta nel terreno. Misura la tensione con cui l’acqua è trattenuta nel campo di funzionamento dello strumento.

È formato normalmente da una coppa porosa collegata a una colonna d’acqua e a un misuratore di pressione. Quando il terreno si asciuga, richiama acqua attraverso la coppa e nel sistema si sviluppa una depressione.

Il vantaggio è la misura diretta di una grandezza strettamente collegata allo sforzo necessario alle radici per estrarre acqua. Il limite è che il tensiometro opera soltanto in terreni sufficientemente umidi: quando la depressione diventa troppo elevata può entrare aria e interrompere la continuità idraulica.

Richiede riempimento, eliminazione delle bolle, controllo della tenuta e buon contatto tra coppa e terreno.

Sensori a matrice granulare

I sensori a matrice granulare utilizzano un materiale poroso che raggiunge un equilibrio idrico con il terreno circostante. La resistenza elettrica interna viene poi correlata al potenziale dell’acqua.

Sono generalmente più robusti dei tensiometri nelle condizioni asciutte e richiedono meno manutenzione idraulica. La risposta è però più lenta e dipende da temperatura, salinità, contatto e storia di bagnatura e asciugatura.

Anche in questo caso il valore non rappresenta una percentuale volumetrica, ma una stima dello stato energetico dell’acqua nel terreno.

La salinità può sembrare umidità

L’acqua del terreno contiene sali disciolti. Fertilizzanti, acqua di irrigazione, evaporazione e drenaggio modificano la concentrazione ionica.

Nei sensori resistivi una maggiore concentrazione di ioni può ridurre la resistenza e far apparire il terreno più umido. Nei sensori dielettrici una conducibilità elevata può attenuare o deformare il segnale elettromagnetico.

Un aumento della lettura dopo la fertilizzazione non dimostra quindi necessariamente che sia aumentata la quantità d’acqua.

Quando il terreno è soggetto a salinità variabile è utile affiancare la misura della conducibilità elettrica e utilizzare una calibrazione che comprenda le condizioni reali del sito.

Temperatura, densità e struttura

La temperatura modifica le proprietà elettriche dell’acqua, dei sali e dei materiali del sensore. Alcuni strumenti applicano una compensazione interna, ma questa non elimina tutte le dipendenze dal terreno.

Anche la densità apparente è importante. Un terreno compattato contiene meno pori e presenta un contatto differente con la sonda rispetto allo stesso materiale lavorato e soffice.

Crepe, pietre, radici, vuoti d’aria e canali preferenziali possono collocarsi proprio nel volume esplorato dal sensore. La lettura può quindi essere corretta per quel piccolo volume ma non rappresentativa dell’intera aiuola o del campo.

La calibrazione non consiste in due numeri casuali

Nei progetti amatoriali è comune registrare un valore con la sonda all’aria e uno con la sonda immersa in acqua, assegnando rispettivamente 0% e 100%.

Questa procedura descrive soltanto gli estremi elettrici del modulo. Il sensore, nel normale utilizzo, opera in una miscela di solidi, acqua e aria molto diversa dall’acqua libera.

Una calibrazione utile deve essere eseguita nel terreno o substrato reale. Per ottenere contenuto volumetrico, la lettura della sonda viene confrontata con campioni misurati mediante metodo gravimetrico a più livelli di umidità.

La curva può essere lineare soltanto in un intervallo limitato. Prima di usarla occorre verificare se l’errore rimanga accettabile nelle condizioni operative.

Calibrazione pratica nel substrato reale

Una procedura semplificata può comprendere:

1. preparare un campione rappresentativo del terreno;
2. installare la sonda evitando vuoti;
3. portare il campione a diversi livelli d’acqua;
4. attendere la redistribuzione;
5. registrare la lettura elettronica;
6. prelevare un campione vicino al volume misurato;
7. determinare gravimetricamente l’acqua;
8. convertire, quando necessario, usando la densità apparente;
9. costruire e validare la relazione di calibrazione.

Una calibrazione eseguita in un vaso molto piccolo può risentire delle pareti. Una sonda vicina al bordo esplora anche un volume che non si comporta come il terreno libero.

Il contatto con il terreno è essenziale

I sensori dielettrici misurano il mezzo presente attorno alla propria zona sensibile. Se rimangono sacche d’aria, il valore tende a indicare un contenuto d’acqua inferiore rispetto al terreno circostante.

Forzare la sonda in un terreno duro può creare fessure, danneggiare le aste o compattare localmente il materiale. Scavare una buca troppo larga e riempirla con terreno smosso produce invece un microambiente differente.

La procedura di installazione deve rispettare le indicazioni del costruttore e mantenere:

• contatto continuo;
• orientamento noto;
• profondità documentata;
• cavi protetti;
• assenza di percorsi preferenziali lungo il cavo.

La profondità deve seguire le radici

Una sonda superficiale può rilevare rapidamente pioggia e irrigazione, ma non descrive necessariamente l’acqua disponibile alle radici più profonde.

Una sonda molto profonda può rimanere umida mentre lo strato attivo per una coltura giovane è già asciutto.

La posizione deve considerare:

• profondità effettiva delle radici;
• fase di crescita;
• tipo di irrigazione;
• tessitura del terreno;
• profondità del vaso o dell’aiuola;
• eventuale falda o strato impermeabile.

Nei profili profondi è spesso preferibile utilizzare più livelli invece di cercare una singola quota “media”.

Con l’irrigazione a goccia pochi centimetri cambiano il risultato

Un gocciolatore crea un bulbo umido che si espande verso il basso e lateralmente in modo dipendente da portata, durata e tessitura.

Una sonda troppo vicina al punto di erogazione può restare quasi sempre bagnata. Una sonda appena fuori dal bulbo può non rilevare l’irrigazione e far avviare cicli eccessivi.

La posizione deve essere scelta in base alla zona radicale che si vuole rappresentare, non alla comodità del cablaggio. È utile effettuare prove dopo l’irrigazione e osservare tempi e ampiezza della risposta in più punti.

Un punto non rappresenta l’intero terreno

La distribuzione dell’acqua è irregolare anche in superfici piccole. Cambiano ombra, vegetazione, compattazione, drenaggio, sostanza organica e portata degli erogatori.

Due sonde dello stesso modello, poste a breve distanza, possono fornire valori differenti senza che una delle due sia guasta.

Per distinguere variabilità reale, errore di installazione e deriva occorre:

• interconfrontare le sonde prima dell’installazione;
• documentare la posizione;
• osservare la risposta agli stessi eventi;
• spostare temporaneamente uno strumento di riferimento;
• utilizzare più repliche nelle zone critiche.

Frequenza di campionamento e risposta

Il terreno cambia più lentamente dell’aria, ma l’arrivo dell’acqua vicino alla sonda può produrre variazioni rapide.

Campionare ogni secondo non aumenta necessariamente l’informazione utile. Può aumentare rumore, consumo e quantità di dati. Intervalli di alcuni minuti sono spesso sufficienti per seguire irrigazione e drenaggio, ma la scelta dipende dal sistema.

Il dato archiviato può essere una media, mentre il controllo può usare letture più frequenti. Il valore grezzo deve comunque essere conservato o reso recuperabile durante la fase di verifica.

Comandare l’irrigazione richiede due soglie

Una sola soglia produce continui avviamenti e arresti quando la lettura oscilla vicino al limite.

Una logica semplice utilizza isteresi:

• avvio dell’irrigazione sotto una soglia inferiore;
• arresto sopra una soglia superiore;
• tempo minimo di funzionamento;
• pausa minima per consentire la redistribuzione dell’acqua.

Le soglie non devono essere copiate da una tabella generica. Devono essere ricavate dal terreno, dalla coltura, dalla profondità, dalla calibrazione e dalla strategia agronomica.

Il sensore deve verificare l’effetto dell’irrigazione

Dopo l’apertura di una valvola il sistema dovrebbe controllare che la misura cambi nella direzione prevista entro un intervallo ragionevole.

Se il valore non aumenta, le possibili cause comprendono:

• serbatoio vuoto;
• pompa bloccata;
• valvola guasta;
• gocciolatore ostruito;
• tubo rotto;
• sonda fuori dal bulbo umido;
• sensore o cavo guasto.

La conferma non deve basarsi su un singolo campione. Serve una variazione persistente e compatibile con il tempo di propagazione dell’acqua.

Riconoscere sonde bloccate o scollegate

I guasti possono produrre valori evidentemente impossibili, ma anche dati perfettamente plausibili.

Il sistema dovrebbe rilevare:

• valore fermo per un tempo anomalo;
• salto al minimo o al massimo;
• variazione incompatibile con pioggia o irrigazione;
• discordanza persistente rispetto alle sonde vicine;
• perdita di comunicazione;
• alimentazione insufficiente;
• deriva lenta nel confronto stagionale.

In caso di guasto non è prudente irrigare indefinitamente. Occorrono limite massimo per ciclo, volume massimo giornaliero e allarme indipendente.

I dati grezzi non devono essere cancellati

Il file dovrebbe distinguere almeno:

• lettura grezza;
• valore calibrato;
• temperatura del terreno;
• eventuale conducibilità;
• stato dell’irrigazione;
• pioggia;
• identificativo e profondità della sonda;
• allarmi e manutenzioni.

Se la calibrazione viene aggiornata, i dati grezzi permettono di ricalcolare l’intera serie. Salvare soltanto la percentuale elaborata rende impossibile correggere retroattivamente gli errori.

Che cosa può dire un sensore

Un sistema ben installato può mostrare:

• quanto rapidamente il terreno si bagna;
• quanto tempo impiega a drenare o asciugarsi;
• se l’acqua raggiunge la profondità desiderata;
• se alcuni erogatori funzionano diversamente;
• se una zona rimane costantemente bagnata;
• come cambia il fabbisogno con clima e crescita.

Le tendenze temporali sono spesso più robuste del valore assoluto, soprattutto con sensori economici correttamente interconfrontati.

Che cosa non può dire da solo

La misura non identifica automaticamente:

• quanta acqua assorbe la pianta;
• la salinità specifica dei singoli fertilizzanti;
• lo stato sanitario delle radici;
• la disponibilità in tutto il volume radicale;
• la necessità agronomica senza conoscere la coltura;
• la causa di ogni variazione senza dati meteorologici e irrigui.

Un valore basso può derivare da terreno asciutto, scarso contatto, calibrazione errata o guasto. Il dato acquista significato soltanto quando è inserito in un sistema documentato.