Performance of Optical Sensors for Soil Water Content Measurement under Salinity of Irrigation Water Conditions

Document Type : Original Article

Authors

1 Assistant Prof., National Salinity Research Center, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Yazd, Iran

2 National Salinity Research Center (NSRC), Agricultural Research, Education and Extention Organization (AREEO), Yazd, Iran

3 Water Science and Engineering, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Ardakan University, Ardakan, Yazd, Iran

Abstract

The use of appropriate and reliable soil moisture sensors can greatly help the process of soil moisture monitoring and irrigation scheduling. The purpose of this study is to evaluate optical sensors for measurement of soil moisture under different conditions of irrigation water salinities. These sensors are based on the active proximal sensing techniques in which measure the reflections emitted by the objects in a specific range of the wavelength (300-1100 nm). In this study, four irrigation water salinity treatments (2, 6, 10 and 16 dS.m-1) were applied to the soil columns (or Lysimeters). Each Lysimeter have been equipped with an optical sensor, connected to a data logger and monitoring screen. Simultaneously, gravimetric and volumetric soil moisture of the Lysimeters have been measured to calibrate the readings of these sensors and to estimate the accuracy of calibration equations. The results showed that the highest accuracy of the sensors occurred at the salinity level of 2 dS.m-1, where the coefficients of R2, RMSE and NSE were to around 0.92, 0.02 and 0.92, respectively. In addition, declines in the accuracy of the sensors were observed for the salinities of 6 and 10 dS.m-1, but were in the acceptable range. While, for the salinity level of 16 dS.m-1, the accuracy of the sensors was drastically decreased and the NSE reduced to the unacceptable value of 0.55. According to the results of this study, these optical sensors can be confidently recommended for measurement of soil moisture and irrigation scheduling for salinities of less than 10 dS.m-1.

Keywords


احمدی، س. ع. ا.، نصیری، پ.، صالحی ع. و یارمحمدی، م. 1399. تحلیل آماری. انتشارات دانشگاه پیام نور. 288 ص.
انصاری. ح. و حسن‌پور، م. 1394. طراحی و ساخت دستگاه اندازه‌گیری داده‌های محیطی خاک به‌ویژه رطوبت. دما و شوری با نام تجاری REC-P55. نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 9 (1). 43 - 32
برادران مطیع، ج.، آق خانی، م.ح.، عباسپور فرد، م.ح، و لکزیان، ا. 1389. تعیین هدایت الکتریکی ظاهری خاک به روش تماس مستقیم. آب و خاک. 24 (5). 965 - 955.
بلابادی، ح.، افراسیاب، پ.، دلبری، م. و قائدی، س. 1396. تأثیر بافت خاک و شوری و نسبت جذب سدیم آب آبیاری بر دقت اندازه‌گیری رطوبت خاک به‌وسیله‌ی دستگاه تتاپروب. علوم و مهندسی آبیاری. 40 (4). 30-17.
خورسندی، آ.، همت، ع.، معصومی، ا.ا. و امیرفتاحی، ر. 1390. طراحی، ساخت و ارزیابی حسگر خازنی اندازه‌گیر پیوسته رطوبت خاک به‌صورت بلادرنگ. مهندسی بیوسیستم ایران (علوم کشاورزی ایران). 42 (1). 7-1.
رحمانی ثقیه، ج.، قائمی ع.ا. 1392. اثر شوری بر کاربرد حسگر‏های هوشمند در تعیین رطوبت خاک. مدیریت آب و آبیاری. دوره 3، ش 2، صص. 146-135.
رحیمیان، م.ح.، دهقانی، ف. و هاشمی‌نژاد، ی. 1397. نگاه تحلیلی به کیفیت (شوری) منابع آب مورداستفاده در بخش کشاورزی، گزارش علمی مرکز ملی تحقیقات شوری. سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی. ص.20 (منتشرنشده).
سالاری، ا.، هوشمند، ع.ر. و  برومند نسب، س. 1387. بررسی اثر شوری بر واسنجی دستگاه TDR در مکش‌های مختلف خاک. دومین همایش ملی مدیریت شبکه‌های آبیاری و زهکشی. اهواز. ایران.
قهرمان، ب.، داوری، ک.، آستارایی، ع.ر.، مجیدی، م. و تمسکی، س. 1388. امکان تصحیح اثرات شوری بر قرائت بلوک گچی در اندازه‌گیری رطوبت خاک. مجله آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی). 23(1). 78-69.
مهاجران، م.، گلزاریان، م.ر.، خجسته پور، م. و آق خانی، م.ح. 1395. بررسی تغییرات در محتوای رطوبتی خاک با استفاده از اندازه‌گیری‌های هدایت الکتریکی ظاهری به روش القای الکترومغناطیسی. دهمین کنگره ملی مهندسی مکانیک بیوسیستم (ماشین‌های کشاورزی) و مکانیزاسیون ایران.
نامدار خجسته، د.، شرفا، م. و فاضلی سنگانی، م. 1390. تأثیر میزان رس و مینرالوژی بر ضریب دی‌الکتریک خاک برای اندازه‌گیری میزان رطوبت حجمی خاک با TDR. پژوهش‌های حفاظت آب و خاک. 18(3). 100-85.
Benítez-Buelga, J., Sayde, C., Rodríguez-Sinobas, L. and Selker, J.S. 2014. Heated fiber optic distributed temperature sensing: A dual-probe heat-pulse approach. Vadose Zone Journal. 13.
Cao, D.F., Shi, B., Wei, G.Q., Chen, S.E. and Zhu, H.H. 2018. An improved distributed sensing method for monitoring soil moisture profile using heated carbon fibers. Measurement. 123: 175–184.
Cao, D.F., Shi, B., Zhu, H.H., Inyang, H.I., Wei, G.Q. and Duan, C.Z. 2018. A soil moisture estimation method using actively heated fiber Bragg grating sensors. Engineering geology. 242: 142–149.
Eldredge, E. P., Shock, C. C. and Stieber, T. D. 1993. Calibration of granular matrix sensors for irrigation management. Agronomy Journal. 85(6): 1228-1232.
George, B. H. 2006. Comparison of techniques for measuring the water content of soil and other porous media. Department of agricultural chemistry and soil science. University of Sydney. Australia.
Goodwin, I. T. 2000. Gypsum blocks for measuring the dryness of soil. Agriculture notes. AG0294.
Hardie, M. 2020. Review of Novel and Emerging Proximal Soil Moisture Sensors for Use in Agriculture. Sensors. 20, 6934.
Hook, W. R. and Livingston, N. J. 1996. Errors in converting time domain reflectometry measurements of propagation velocity to estimates of soil water content. Soil Science Society of America Journal. 60(1): 35-41.
Komatsu, M., Nishigaki, M., Seno, Sh., Toida, M., Hirata, Y., Takenobu, K., Tagishi, H., Nakano, K., Kunimaru, T., Maekawa, K. and Yamamoto, Y. 2012. Developing the soil moisture sensor using optical fiber technique (Joint research). The Japan Atomic Energy Agency. Pp. 94.
Kumar, S., Sonkar, I., Gupta, V., Prasad K.S.H. and Ojha, C.S.P. 2021. Effect of Salinity on Moisture Flow and Root Water Uptake in Sandy Loam Soil. Journal of Hazardous, Toxic, and Radioactive Waste. 25 (3). 1-191.
Leone, M., Consales, M., Principe, S., Parente, R., Laudati, A., Caliro, S., Cutolo, A. and Cusano, A. 2017. Fiber Optic Thermo-Hygrometers for Soil Moisture Monitoring. Sensors. 17 (6): 1451.
Metternicht, G. I. and Zinck, J. A. 2003. Remote sensing of soil salinity: potentials and constraints. Review article. Remote sensing of environment. 85(1): 1-1-2020.https://doi.org/10.1016/S0034-4257 (02)00188-8
Vidana Gamage, D.N., Biswas, A., Strachan, I.B. and Adamchuk, V.I. 2018. Soil water measurement using actively heated fiber optics at field scale. Sensors, 18 (4): 1116.
Wackerly, D., Mendenhall, W. and Scheaffer, R. L. 2008. Mathematical Statistics with Applications (7 Ed.). Belmont, CA, USA: Thomson Higher Education. ISBN 0-495-38508-5.
Yeo, T.L., Sun, T. and Grattan, K.T.V. 2008. Fibre-optic sensor technologies for humidity and moisture measurement. Sensors and Actuators A: Physical. 144(2), 280-295.
Zubelzu, S., Rodriguez-Sinobas, L., Saa-Requejo, A., Benitez, J., Tarquis, A.M. 2019. Assessing soil water content variability through active heat distributed fiber optic temperature sensing. Agricultural Water Management. 212, 193–202