سنسورهای خاک: تعریف، انواع و مزایا

سنسورهای خاک راه حلی هستند که شایستگی خود را در مقیاس های کوچکتر ثابت کرده اند و می توانند برای اهداف کشاورزی بسیار ارزشمند باشند.

سنسورهای خاک چیست؟

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

انواع مختلف حسگرها در کشاورزی از روش‌های متنوعی مانند سیگنال‌های الکتریکی و اندازه‌گیری انعکاس امواج نور برای تعیین ویژگی‌های ضروری میدانی که می‌توانند عملیات کشاورزی را متحول کنند، استفاده می‌کنند.

انواع سنسور خاک

حسگرهای خاک می توانند ویژگی های خاک مانند رطوبت، دما، pH، شوری، رطوبت، تابش فتوسنتزی و تعادل مواد مغذی را اندازه گیری کنند.-به طور عمده نیتروژن، فسفر و پتاسیم حیاتی (NPK).

علاوه بر مزایای مدیریت محصول، مانند کیفیت بهتر دانه و کاهش شستشوی مواد مغذی، حسگرهای خاک می توانند پیش بینی های مربوط به منابع آب، ثبات زمین و تغییرات آب و هوایی را اطلاع دهند.

موارد استفاده دیگر شامل برنامه ریزی آبیاری، ارزیابی حوضه، پروفایل اکولوژی میکروبی و پیشگیری از بیماری های گیاهی است.

مزایای استفاده از سنسورهای خاک

ردیابی وضعیت خاک مزایای بسیاری را برای کشاورزان و باغداران فراهم می کند، از جمله افزایش عملکرد محصول و افزایش بهره وری منابع.اینترنت اشیا، خدمات ابری و ادغام هوش مصنوعی به پرورش دهندگان اجازه می دهد تا تصمیمات مبتنی بر داده را بگیرند.

حسگرها استفاده از کود را بهینه می‌کنند، گیاهان را سالم نگه می‌دارند، منابع را به حداکثر می‌رسانند و رواناب و گازهای خروجی را که به محیط زیست حمله می‌کنند به حداقل می‌رسانند.نظارت مداوم همچنین از بروز مشکلاتی مانند شیوع پاتوژن یا فشردگی خاک جلوگیری می کند.

نظارت بر وضعیت خاک با استفاده از حسگرهای خاک نیز می تواند مصرف کود و آب را بهینه کند.آی تی'تخمین زده شد که تقریباً 30 درصد از کود نیتراتی که در ایالات متحده استفاده می شود، منابع آب را شسته و آلوده می کند.حتی سیستم های آبیاری ماهرانه می توانند تا 50 درصد هدر رفت آب را برسانند و کشاورزی مسئول 70 درصد مصرف آب شیرین جهانی است.توانایی تامین موثر و موثر رطوبت خاک می تواند تاثیر زیادی داشته باشد.

نصب و کالیبره کردن سنسورهای خاک

هر سنسور راهنمای نصب خود را دارد، اما نصب معمولاً مستلزم حفر یک سوراخ یا ترانشه در ردیف محصول و قرار دادن حسگرها در اعماق چندگانه، از جمله در نزدیکی ریشه گیاه است.

در یک منطقه وسیع، بهترین شیوه‌ها مستلزم قرار گرفتن در مکان‌هایی است که نشان‌دهنده بقیه مزرعه یا نوع خاک است که باید مدیریت شود، در نزدیکی ساطع‌کنندگان آب، و در تماس مستقیم با خاک (یعنی بدون حفره‌های هوا).محل‌های حسگر نیز باید بر روی سطح علامت‌گذاری شوند تا از آسیب‌های تصادفی جلوگیری شود.

علاوه بر نصب صحیح، کالیبراسیون سنسور کلیدی است.حسگرهای خاک داده های رطوبت خاک را به عنوان محتوای حجمی آب (VWC) ثبت می کنند و هر نوع خاک VWC خاص خود را دارد.سنسورهای رطوبت خاک اغلب دارای حساسیت های متفاوتی هستند و ممکن است نیاز به کالیبره کردن جداگانه داشته باشند.

عیب یابی

خرابی تجهیزات ممکن است به دلیل مشکلات الکتریکی، تداخل حیات وحش یا سیم‌های نادرست رخ دهد.نشت هوا به داخل تانسیومتر آن را غیر قابل اعتماد می کند.اطمینان از عمق نصب صحیح و روش های ضد آب می تواند به جلوگیری از مشکلات بعدی کمک کند.

تکنیک های رایج عیب یابی عبارتند از:

چک کردن منبع تغذیه و مدار

تمیز کردن سنسورها بدون استفاده از مواد شیمیایی

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

نظارت بر سلامت خاک

حسگرهای خاک یک استراتژی دقیق تر و ساده تر برای ارزیابی سلامت خاک ارائه می دهند.ارزیابی های مرسوم خاک معادل بیوپسی است که بسته به ویژگی های خاک ممکن است هفته ها یا ماه ها طول بکشد.

اندازه گیری سنسور بسیار سریعتر است و در هر 50 هکتار یک یا دو ساعت طول می کشد.حسگرها همه چیزهایی را که برای مدیریت کارآمد محصول لازم است، از جمله محتوای آب، کشش آب و وجود مواد آلی نشان می‌دهند-یک شاخص عالی برای سلامت کلی خاک-بدون نیاز به حذف فیزیکی نمونه های خاک.

ادغام با سیستم های مدیریت مزرعه

طبق گزارش StartUS Insights، حسگرهای خاک به دلیل مقیاس پذیری، کارایی و کاربردی بودن، تاثیرگذارترین فناوری نظارت بر خاک هستند.ترکیب حسگرهای خاک با سایر فناوری‌های در حال رشد کشاورزی، از جمله نقشه‌برداری خاک با هوش مصنوعی، تصویربرداری هوایی، روبات‌های نظارت بر خاک خودکار، ردیاب‌های انتشار گازهای گلخانه‌ای، تجزیه و تحلیل خاک واقعیت افزوده، فناوری نانو و یکپارچه‌سازی بلاک چین، می‌تواند مدیریت مزرعه را بهینه کند.

چالش ها و راه حل ها در فناوری سنسور خاک

بر اساس گزارش سال 2020 دانشگاه نبراسکا، تنها 12 درصد از مزارع ایالات متحده از حسگرهای رطوبت خاک برای تعیین برنامه آبیاری استفاده می کنند.حسگرهای خاک به دلیل پیشرفت های قابل توجه در دسترسی، کاربر پسند بودن، و پردازش داده ها و قابلیت های نمایش قابل دوام تر شده اند، اما پیشرفت بیشتری لازم است.

حسگرهای خاک باید برای پذیرش جهانی مقرون به صرفه تر و قابل استفاده تر شوند.انواع بسیاری از سنسورها وجود دارد که منجر به عدم استانداردسازی و سازگاری می شود.

بسیاری از فناوری‌های موجود بر حسگرهای اختصاصی متکی هستند که می‌تواند سفارشی‌سازی را دشوار کند.پیشرفت‌ها در فناوری حسگر، مانند آنچه که توسط UC Berkeley ایجاد شده است، ورود به سیستم را برای ارائه نظارت زنده داده‌ها و ارتقای تصمیم‌گیری چابک در زمینه‌ها و بازارها ساده می‌کند.

مطالعات موردی: اجرای موفقیت آمیز حسگرهای خاک

حسگرهای خاک به کشاورزان در صرفه جویی در آب و پول کمک می کنند

مطالعه دانشگاه کلمسون نشان داد که حسگرهای رطوبت خاک می توانند کشاورزان را افزایش دهند'با افزایش راندمان آبیاری در مزارع آزمایش شده که بادام زمینی، سویا یا پنبه کشت می‌شود، میانگین درآمد خالص 20 درصد به‌دست می‌آید.

زمین های ورزشی پایدار بیشتر

مکان های ورزشی نیز از سنسورهای خاک استفاده می کنند.طبق گفته سازنده حسگر خاک، Soil Scout، استادیوم ومبلی و پارک سیتیزنز بانک (محل فیلادلفیا فیلیز) از جمله مکان‌های ورزشی هستند که از حسگرهای خاک برای حفظ سطوح بازی سرسبز و در عین حال حداکثر استفاده از 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 شناسایی آلاینده‌های خاک مانند فلزات سنگین افزایش می‌دهد.

حسگرهای پوشش داده شده با نانو ترکیبات می توانند ویژگی های خاک را ردیابی کنند و سپس مواد مغذی مانند اکسیژن را در پاسخ به نوسان کیفیت خاک آزاد کنند.برخی دیگر شاخص‌های زیستی مانند تعداد کرم‌های خاکی یا تنوع میکروارگانیسم‌ها را از طریق تجزیه و تحلیل DNA برای بهبود میکروبیوم خاک محاسبه می‌کنند.