أجهزة استشعار التربة: تعريفها وأنواعها وفوائدها

تُعد أجهزة استشعار التربة أحد الحلول التي أثبتت جدارتها على نطاقات أصغر، ويمكن أن تصبح لا تقدر بثمن للأغراض الزراعية.

ما هي أجهزة استشعار التربة؟

تراقب أجهزة الاستشعار ظروف التربة، مما يتيح جمع البيانات وتحليلها في الوقت الفعلي. ويمكنها تتبع أي خاصية من خصائص التربة تقريبًا، مثل الحمض النووي للكائنات الحية الدقيقة الموجودة فيها، وذلك لتحسين التوازن نحو بيئة ميكروبية صحية للتربة، وزيادة المحصول، وتقليل استهلاك الموارد.

تستخدم الأنواع المختلفة من أجهزة الاستشعار في الزراعة أساليب متنوعة، مثل الإشارات الكهربائية وقياس انعكاس الموجات الضوئية، لتحديد الخصائص الأساسية للحقل التي يمكن أن تغير العمليات الزراعية.

أنواع أجهزة استشعار التربة

تستطيع أجهزة استشعار التربة قياس خصائص التربة مثل محتوى الرطوبة، ودرجة الحرارة، ودرجة الحموضة، والملوحة، والرطوبة، والإشعاع الضوئي، وتوازن العناصر الغذائية.—وبشكل رئيسي العناصر الحيوية: النيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم (NPK).

بالإضافة إلى فوائدها في إدارة المحاصيل، مثل تحسين جودة الحبوب وتقليل تسرب المغذيات، يمكن لأجهزة استشعار التربة أن تفيد في التنبؤات المتعلقة بالموارد المائية واستقرار الأراضي وتغير المناخ.

وتشمل حالات الاستخدام الأخرى جدولة الري، وتقييم مستجمعات المياه، وتحديد خصائص البيئة الميكروبية، والوقاية من أمراض النبات.

فوائد استخدام أجهزة استشعار التربة

يُوفر تتبع حالة التربة فوائد عديدة للمزارعين والبستانيين، بما في ذلك زيادة إنتاجية المحاصيل وتحسين كفاءة استخدام الموارد. كما تُمكّن تقنيات إنترنت الأشياء والخدمات السحابية وتكامل الذكاء الاصطناعي المزارعين من اتخاذ قرارات مبنية على البيانات.

تعمل أجهزة الاستشعار على تحسين استخدام الأسمدة، والحفاظ على صحة النباتات، وترشيد استخدام الموارد، والحد من جريان المياه السطحية وانبعاث الغازات الضارة بالبيئة. كما تمنع المراقبة المستمرة حدوث مشاكل، مثل تفشي الأمراض أو انضغاط التربة.

يمكن أن يؤدي رصد حالة التربة باستخدام أجهزة استشعار التربة إلى تحسين استخدام الأسمدة والمياه.'تشير التقديرات إلى أن حوالي 30% من الأسمدة النيتروجينية المستخدمة في الولايات المتحدة تُغسل وتُلوث مصادر المياه. حتى أنظمة الري المتطورة قد تصل نسبة هدر المياه فيها إلى 50%، بينما يستهلك القطاع الزراعي 70% من المياه العذبة عالميًا. لذا، فإن القدرة على تجديد رطوبة التربة بكفاءة وفعالية قد تُحدث فرقًا كبيرًا.

تركيب ومعايرة أجهزة استشعار التربة

سيكون لكل مستشعر دليل تثبيت خاص به، ولكن التثبيت يتطلب عادةً حفر حفرة أو خندق داخل صف المحاصيل ووضع المستشعرات على أعماق متعددة، بما في ذلك بالقرب من جذور النبات.

في المساحات الواسعة، تنص أفضل الممارسات على وضع أجهزة الاستشعار في مواقع تُشير إلى نوع التربة أو باقي الحقل المراد إدارته، بالقرب من نقاط توزيع المياه، وعلى اتصال مباشر بالتربة (أي بدون جيوب هوائية). كما يجب وضع علامات على مواقع أجهزة الاستشعار على السطح لتجنب التلف العرضي.

بالإضافة إلى التركيب الصحيح، تُعد معايرة المستشعرات أمرًا بالغ الأهمية. تسجل مستشعرات التربة بيانات رطوبة التربة على شكل محتوى مائي حجمي (VWC)، ولكل نوع من أنواع التربة محتوى مائي حجمي خاص به. غالبًا ما تختلف حساسية مستشعرات رطوبة التربة، وقد تحتاج إلى معايرة فردية.

استكشاف الأخطاء وإصلاحها

قد تحدث أعطال في المعدات نتيجة لمشاكل كهربائية، أو تدخل من الحيوانات البرية، أو توصيلات خاطئة للأسلاك. أي تسرب للهواء إلى جهاز قياس التوتر سيجعله غير موثوق. لذا، فإن ضمان عمق التركيب الصحيح واتباع أساليب العزل المائي المناسبة يساعد على تجنب المشاكل المستقبلية.

تشمل تقنيات استكشاف الأخطاء وإصلاحها الشائعة ما يلي:

فحص مصدر الطاقة والدوائر الكهربائية

تنظيف الحساسات بدون استخدام مواد كيميائية

إجراء الصيانة الدورية لاستبدال الأجزاء التالفة وفقًا لتعليمات الشركة المصنعة.'دليل الإصلاح

مراقبة صحة التربة

توفر أجهزة استشعار التربة استراتيجية أكثر دقة وكفاءة لتقييم صحة التربة. أما التقييمات التقليدية للتربة فهي بمثابة خزعة، والتي قد تستغرق أسابيع أو شهورًا، حسب خصائص التربة.

تتميز قياسات المستشعرات بسرعة أكبر بكثير، حيث تستغرق ساعة أو ساعتين لكل 50 فدانًا. وتعرض المستشعرات كل ما هو ضروري لإدارة المحاصيل بكفاءة، بما في ذلك محتوى الماء، وتوتر الماء، ووجود المواد العضوية.—مؤشر رائع على صحة التربة بشكل عام—دون الحاجة إلى إزالة عينات التربة فعلياً.

التكامل مع أنظمة إدارة المزارع

بحسب تقرير صادر عن StartUS Insights، تُعدّ أجهزة استشعار التربة من أكثر تقنيات مراقبة التربة تأثيراً نظراً لقابليتها للتوسع وكفاءتها وفائدتها. ويمكن تحسين إدارة المزارع من خلال دمج هذه الأجهزة مع تقنيات زراعية أخرى ناشئة، تشمل رسم خرائط التربة المدعوم بالذكاء الاصطناعي، والتصوير الجوي، وروبوتات مراقبة التربة الآلية، وأجهزة تتبع الانبعاثات، وتحليل التربة بتقنية الواقع المعزز، وتقنية النانو، وتكامل تقنية سلسلة الكتل (البلوك تشين).

التحديات والحلول في تكنولوجيا أجهزة استشعار التربة

استنادًا إلى تقرير صادر عن جامعة نبراسكا عام 2020، فإن 12% فقط من المزارع الأمريكية تستخدم أجهزة استشعار رطوبة التربة لتحديد مواعيد الري. وقد أصبحت هذه الأجهزة أكثر جدوى بفضل التحسينات الكبيرة في سهولة الوصول إليها، وسهولة استخدامها، وقدرات معالجة البيانات وعرضها، ولكن لا يزال هناك حاجة إلى مزيد من التطوير.

يجب أن تصبح أجهزة استشعار التربة أكثر فعالية من حيث التكلفة وقابلية للتشغيل البيني لكي يتم اعتمادها عالميًا. توجد أنواع عديدة من أجهزة الاستشعار، مما يؤدي إلى نقص في التوحيد القياسي والتوافق.

تعتمد العديد من التقنيات الحالية على أجهزة استشعار خاصة، مما قد يُصعّب عملية التخصيص. أما التطورات في تكنولوجيا أجهزة الاستشعار، كتلك التي طورتها جامعة كاليفورنيا في بيركلي، فتُسهّل عملية الإعداد لتوفير مراقبة البيانات المباشرة وتعزيز اتخاذ القرارات السريعة في مختلف المجالات والأسواق.

دراسات حالة: التنفيذ الناجح لأجهزة استشعار التربة

تساعد أجهزة استشعار التربة المزارعين على توفير المياه والمال

وجدت دراسة أجرتها جامعة كليمسون أن أجهزة استشعار رطوبة التربة يمكن أن تزيد من قدرة المزارعين على تحسين أداء الزراعة.'زيادة متوسط ​​صافي الدخل بنسبة 20٪ عن طريق زيادة كفاءة الري في الحقول المختبرة التي تزرع الفول السوداني أو فول الصويا أو القطن.

ملاعب رياضية أكثر استدامة

بدأت الملاعب الرياضية أيضاً في استخدام أجهزة استشعار التربة. ويُعدّ ملعب ويمبلي وملعب سيتيزنز بانك بارك (ملعب فريق فيلادلفيا فيليز) من بين الملاعب الرياضية التي تستخدم أجهزة استشعار التربة للحفاظ على أرضيات لعب خصبة مع ترشيد استهلاك المياه والطاقة، وذلك وفقاً لشركة سويل سكاوت المتخصصة في تصنيع أجهزة استشعار التربة.

الاتجاهات المستقبلية في تكنولوجيا أجهزة استشعار التربة

وتشمل الاتجاهات الناشئة تقنية النانو، مع جزيئات نانوية مصنوعة من الذهب أو الفضة تزيد من حساسية أجهزة الاستشعار للكشف عن ملوثات التربة مثل المعادن الثقيلة.

يمكن لأجهزة الاستشعار المطلية بمركبات نانوية تتبع خصائص التربة، ثم إطلاق المغذيات، مثل الأكسجين، استجابةً لتغيرات جودة التربة. بينما يقوم آخرون بحساب المؤشرات الحيوية، مثل أعداد ديدان الأرض أو تنوع الكائنات الدقيقة، من خلال تحليل الحمض النووي، لتحسين الميكروبيوم في التربة.