سنسورهای خاک: تعریف، انواع و مزایا

حسگرهای خاک یکی از راه‌حل‌هایی هستند که شایستگی خود را در مقیاس‌های کوچک‌تر ثابت کرده‌اند و می‌توانند برای اهداف کشاورزی بسیار ارزشمند شوند.

حسگرهای خاک چیستند؟

حسگرها شرایط خاک را ردیابی می‌کنند و امکان جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل داده‌ها را در زمان واقعی فراهم می‌کنند. حسگرها می‌توانند تقریباً هر ویژگی خاک، مانند DNA میکروارگانیسم‌های ساکن، را ردیابی کنند تا تعادل را به سمت میکروبیوم سالم‌تر خاک، افزایش عملکرد و کاهش استفاده از منابع تغییر دهند.

انواع مختلف حسگرها در کشاورزی از روش‌های متنوعی مانند سیگنال‌های الکتریکی و اندازه‌گیری بازتاب امواج نور استفاده می‌کنند تا ویژگی‌های اساسی مزرعه را که می‌توانند عملیات کشاورزی را متحول کنند، مشخص کنند.

انواع حسگرهای خاک

حسگرهای خاک می‌توانند ویژگی‌های خاک مانند رطوبت، دما، pH، شوری، رطوبت، تابش فتوسنتزی و تعادل مواد مغذی را اندازه‌گیری کنند.—عمدتاً نیتروژن، فسفر و پتاسیم حیاتی (NPK).

حسگرهای خاک علاوه بر مزایای مدیریت محصول، مانند کیفیت بهتر غلات و کاهش آبشویی مواد مغذی، می‌توانند پیش‌بینی‌هایی در مورد منابع آب، پایداری زمین و تغییرات اقلیمی ارائه دهند.

موارد استفاده دیگر شامل برنامه‌ریزی آبیاری، ارزیابی حوزه آبخیز، تهیه پروفایل اکولوژی میکروبی و پیشگیری از بیماری‌های گیاهی است.

مزایای استفاده از حسگرهای خاک

ردیابی وضعیت خاک مزایای زیادی برای کشاورزان و باغداران دارد، از جمله افزایش عملکرد محصول و افزایش بهره‌وری منابع. اینترنت اشیا، سرویس‌های ابری و ادغام هوش مصنوعی به کشاورزان این امکان را می‌دهد که تصمیمات مبتنی بر داده بگیرند.

حسگرها مصرف کود را بهینه می‌کنند، گیاهان را سالم نگه می‌دارند، منابع را به حداکثر می‌رسانند و رواناب و گازهای خروجی که به محیط زیست حمله می‌کنند را به حداقل می‌رسانند. نظارت مداوم همچنین از مشکلاتی مانند شیوع عوامل بیماری‌زا یا فشردگی خاک جلوگیری می‌کند.

نظارت بر وضعیت خاک با استفاده از حسگرهای خاک همچنین می‌تواند مصرف کود و آب را بهینه کند.'تخمین زده می‌شود که تقریباً 30٪ از کود نیتراتی که در ایالات متحده استفاده می‌شود، شسته شده و منابع آب را آلوده می‌کند. حتی سیستم‌های آبیاری پیشرفته نیز می‌توانند تا 50٪ آب را هدر دهند و کشاورزی مسئول 70٪ از مصرف آب شیرین جهانی است. توانایی بازیابی مؤثر و کارآمد رطوبت خاک می‌تواند تأثیر بزرگی داشته باشد.

نصب و کالیبراسیون سنسورهای خاک

هر سنسور راهنمای نصب مخصوص به خود را دارد، اما نصب آن معمولاً نیاز به حفر سوراخ یا گودال در ردیف محصولات و قرار دادن سنسورها در اعماق مختلف، از جمله نزدیک ریشه‌های گیاه، دارد.

در یک منطقه وسیع، بهترین شیوه‌ها، قرارگیری حسگرها را در مکان‌هایی که نشان‌دهنده بقیه مزرعه یا نوع خاک مورد نظر برای مدیریت هستند، نزدیک به نازل‌های آب و در تماس مستقیم با خاک (یعنی بدون حفره‌های هوا) تعیین می‌کنند. مکان‌های حسگر نیز باید با پرچم یا به روش دیگری روی سطح علامت‌گذاری شوند تا از آسیب تصادفی جلوگیری شود.

علاوه بر نصب صحیح، کالیبراسیون سنسور نیز کلیدی است. سنسورهای خاک داده‌های رطوبت خاک را به عنوان محتوای حجمی آب (VWC) ثبت می‌کنند و هر نوع خاک VWC مخصوص به خود را دارد. سنسورهای رطوبت خاک اغلب حساسیت‌های متفاوتی دارند و ممکن است نیاز به کالیبراسیون جداگانه داشته باشند.

عیب‌یابی

خرابی تجهیزات ممکن است به دلیل مشکلات الکتریکی، تداخل ناشی از حیات وحش یا اتصال نادرست سیم‌ها رخ دهد. هرگونه نشت هوا به داخل تانسیومتر، آن را غیرقابل اعتماد می‌کند. اطمینان از عمق نصب صحیح و روش‌های ضد آب می‌تواند به جلوگیری از مشکلات آینده کمک کند.

تکنیک‌های رایج عیب‌یابی عبارتند از:

بررسی منبع تغذیه و مدارها

تمیز کردن سنسورها بدون استفاده از مواد شیمیایی

انجام تعمیر و نگهداری منظم برای تعویض قطعات آسیب دیده طبق دستورالعمل سازنده'راهنمای تعمیر

نظارت بر سلامت خاک

حسگرهای خاک، استراتژی دقیق‌تر و ساده‌تری برای ارزیابی سلامت خاک ارائه می‌دهند. ارزیابی‌های مرسوم خاک معادل بیوپسی هستند که بسته به خواص خاک، می‌تواند هفته‌ها یا ماه‌ها طول بکشد.

اندازه‌گیری‌های حسگر بسیار سریع‌تر هستند و برای هر ۵۰ هکتار یک یا دو ساعت طول می‌کشد. حسگرها هر آنچه را که برای مدیریت کارآمد محصول لازم است، از جمله میزان آب، تنش آبی و وجود مواد آلی، نمایش می‌دهند.—یک شاخص عالی برای سلامت کلی خاک—بدون نیاز به برداشتن فیزیکی نمونه‌های خاک.

ادغام با سیستم‌های مدیریت مزرعه

طبق گزارش StartUS Insights، حسگرهای خاک به دلیل مقیاس‌پذیری، کارایی و کاربردپذیری، تأثیرگذارترین فناوری نظارت بر خاک هستند. ترکیب حسگرهای خاک با سایر فناوری‌های کشاورزی رو به رشد، از جمله نقشه‌برداری خاک با هوش مصنوعی، تصویربرداری هوایی، ربات‌های خودکار نظارت بر خاک، ردیاب‌های انتشار گازهای گلخانه‌ای، تجزیه و تحلیل خاک با واقعیت افزوده، فناوری نانو و ادغام بلاکچین، می‌تواند مدیریت مزرعه را بهینه کند.

چالش‌ها و راه‌حل‌ها در فناوری حسگر خاک

بر اساس گزارش دانشگاه نبراسکا در سال ۲۰۲۰، تنها ۱۲ درصد از مزارع ایالات متحده از حسگرهای رطوبت خاک برای تعیین برنامه‌های آبیاری استفاده می‌کنند. حسگرهای خاک به دلیل پیشرفت‌های قابل توجه در دسترسی، کاربرپسند بودن و قابلیت‌های پردازش و نمایش داده‌ها، کاربردی‌تر شده‌اند، اما پیشرفت بیشتری لازم است.

حسگرهای خاک برای پذیرش جهانی باید از نظر هزینه و قابلیت تعامل، مقرون به صرفه‌تر شوند. انواع زیادی از حسگرها وجود دارند که منجر به عدم استانداردسازی و سازگاری می‌شود.

بسیاری از فناوری‌های موجود به حسگرهای اختصاصی متکی هستند که می‌تواند سفارشی‌سازی را دشوار کند. پیشرفت‌ها در فناوری حسگر، مانند پیشرفت‌های توسعه‌یافته توسط دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، فرآیند استخدام را ساده کرده و امکان نظارت زنده بر داده‌ها را فراهم کرده و تصمیم‌گیری چابک را در حوزه‌ها و بازارها ارتقا می‌دهد.

مطالعات موردی: پیاده‌سازی موفقیت‌آمیز حسگرهای خاک

حسگرهای خاک به کشاورزان در صرفه‌جویی در آب و هزینه کمک می‌کنند

یک مطالعه دانشگاه کلمسون نشان داد که حسگرهای رطوبت خاک می‌توانند به کشاورزان کمک کنند تا ...'با افزایش راندمان آبیاری در مزارع آزمایش‌شده‌ای که بادام‌زمینی، سویا یا پنبه کشت می‌کردند، میانگین درآمد خالص ۲۰ درصد افزایش یافت.

زمین‌های ورزشی پایدارتر

به گفته‌ی شرکت سازنده‌ی حسگرهای خاک، Soil Scout، ورزشگاه ومبلی و پارک سیتیزنز بانک (خانه‌ی تیم فیلادلفیا فیلیز) از جمله مکان‌های ورزشی هستند که از حسگرهای خاک برای حفظ شادابی سطوح بازی و در عین حال به حداکثر رساندن مصرف آب و انرژی استفاده می‌کنند.

روندهای آینده در فناوری حسگر خاک

روندهای نوظهور شامل فناوری نانو، با نانوذرات مبتنی بر طلا یا نقره است که حساسیت حسگر را برای تشخیص آلاینده‌های خاک مانند فلزات سنگین افزایش می‌دهد.

حسگرهای پوشیده شده با ترکیبات نانو می‌توانند ویژگی‌های خاک را ردیابی کرده و سپس مواد مغذی مانند اکسیژن را در پاسخ به نوسان کیفیت خاک آزاد کنند. برخی دیگر از حسگرها، شاخص‌های زیستی مانند تعداد کرم‌های خاکی یا تنوع میکروارگانیسم‌ها را از طریق تجزیه و تحلیل DNA محاسبه می‌کنند تا میکروبیوم خاک را بهبود بخشند.