Esteu aquí: Inici Secundària Activitats per grups Setmana de la Ciència. Any Internacional dels Sòls

Setmana de la Ciència. Any Internacional dels Sòls

Els temes centrals de l’edició d’enguany són la llum i els sòls amb motiu de la celebració, aquest 2015, de l’Any Internacional de la Llum i de les Tecnologies basades en la Llum i de l’Any Internacional dels Sòls.

Setmana de la Ciència

La Setmana de la Ciència és una iniciativa coordinada per la Fundació Catalana per a la Recerca i la Innovació.

Importància dels sòls

Els sòls emmagatzemen i filtren l'aigua, millorant la seguretat alimentaria i la nostra resiliència a les inundacions i sequeres.

Els sòls funcionals desenvolupen un paper clau en l'abastament d'aigua neta i en la resiliència davant d'inundacions i sequeres. La filtració d'aigua a través dels sòls atrapa els contaminants i impedeix que aquests es filtrin en l'aigua freàtica. A més, el sòl captura i emmagatzema l'aigua , posant-la a disposició dels cultius per a la seva absorció; d'aquesta forma, redueix al mínim la superfície d'evaporació i maximitza l'eficàcia i productivitat de l'ús de l'aigua.

Un sòl sa, amb un elevat contingut de matèria orgànica té la capacitat d'emmagatzemar grans quantitats d'aigua. De fet la matèria orgànica pot retenir al voltant de 20 vegades el seu pes en aigua. Això és beneficiós no únicament durant les sequeres, quan la humitat del sòl és crucial pel creixement de les plantes, sinó que també durant les pluges intenses, perquè el sòl redueix les inundacions i les escorrenties al alentir l'aportació d'aigua sobre els rierols.

L'aigua és "l'ànima" de la pràctica agrícola al món sencer

Per tant, la millora de la gestió de la humitat del sòl és fonamental per a la producció d'aliments i el proveïment d'aigua sostenibles. La disminució de la capacitat del sòl d'acceptar, retenir, alliberar i traslladar aigua redueix la seva productivitat, tant si es tracta de cultius, espècies de pastures, arbustos o arbres. El gran repte dels decennis vinets serà augmentar la producció d'aliments amb menys aigua, especialment en els països amb limitats recursos d'aigua i de terra. Per minimitzar l'impacte de la sequera a la seguretat alimentària, el sòl ha de capturar l'aigua pluvial que cau sobre ell, emmagatzemar la quantitat més gran d'aigua possible per a la futura utilització de les plantes i permetre que les arrels d'aquestes penetrin i proliferin. Els problemes o limitacions d'una o diverses d'aquestes condicions fan que la humitat del sòl sigui un important factor limitant per al creixement dels cultius. En efecte, els escassos rendiments dels cultius es relacionen més sovint amb una insuficiència d'humitat del sòl que amb una insuficiència de precipitacions.

(Extret del web de la FAO.)

Evapotranspiració (ET)

L'evapotranspiració és el paràmetre que suma la transpiració vegetal i l'evaporació des de la superfície del sòl cap a l'atmosfera terrestre. És a dir, és la combinació dels dos paràmetres pels quals es perd l'aigua del sòl.

Surface water cycle, by Mwtoews. CC BY 3.0

L'evaporació i la transpiració ocorren simultàniament i no hi ha una manera senzilla de distingir entre aquests dos processos. A part de la disponibilitat d'aigua en els horitzons superficials, l'evaporació d'un sòl conreat és determinada principalment per la fracció de radiació solar que arriba a la superfície del sòl. Aquesta fracció disminueix al llarg del cicle del cultiu a mesura que el dosser del cultiu projecta més i més ombra sobre el terra. En les primeres etapes del cultiu, l'aigua es perd principalment per evaporació directa del sòl, però amb el desenvolupament del cultiu i finalment quan aquest cobreix totalment el sòl, la transpiració es converteix en el procés principal.

Els factors que afecten l'Evapotranspiració són el clima, les característiques del cultiu, la gestió i el medi ambiental de desenvolupament.

Evapotranspiració de referència (ETo)

L'evapotranspiració d'una superfície de referència, que passa sense restriccions d'aigua, es coneix com evapotranspiració del cultiu de referència (o ETo). La superfície de referència correspon a un cultiu hipotètic de pastura amb unes característiques específiques.

L'evapotranspiració és la mateixa que l'evapotranspiració potencial quan hi ha prou aigua. En canvi, si hi ha secada, l'evapotranspiració real serà inferior a la potencial, ja que no es pot evaporar l'aigua de la qual no es disposa.

Es poden comparar valors mesurats o estimats d'Evapotranspiració de Referència en diferents localitats o en diferents èpoques de l'any, a causa que es fa referència a l'Evapotranspiració sota la mateixa superfície de referència.

Els únics factors que afecten l'Evapotranspiració de Referència són els paràmetres climàtics. Per tant, l'Evapotranspiració de Referència és també un paràmetre climàtic que pot ser calculat a partir de dades meteorològics. l'Evapotranspiració de Referència ETo expressa el poder evaporador de l'atmosfera en una localitat i època de l'any, i no es considera ni les característiques del cultiu, ni els factors del sòl.

Determinació de l'Evapotranspiració

Aquest paràmetre no és simple de mesurar i per determinar-la es necessari fer ús de equips específics i mesurar diferents paràmetres de forma específica. Aquests mètodes són cars i exigeixen de gran precisió en la mesura. Per tant els mesuraments estan a l'abast de col·lectius d'investigadors amb recursos materials i el coneixement necessari per portar-les a terme.

Donades les dificultats per determinar l'Evapotranspiració de forma correcta i fiable a partir de dades de mesura directa, han aparegut quantitat d'equacions empíriques o semi empíriques que busquen realitzar la determinació de l'Evapotranspiració a partir únicament de dades meteorològiques. Malauradament, alguns d'aquests mètodes són vàlids únicament per determinades condicions específiques i no són d'aplicació generalitzada.

A partir d'una consulta realitzada a experts l'any 1990, es recomana el mètode FAO Penman-Monteith com a estàndard per a la definició i el càlcul de l'Evapotranspiració de Referència (ETo). A partir d'aquest càlcul, l'Evapotranspiració (ET) es determina utilitzant uns coeficients, anomenats coeficients de cultiu (Kc) i coeficient d'estrès hídric (Ks) que relacionen els dos termes.

Equació FAO Penman-Monteith

En 1948 Penman va dissenyar una equació per calcular l'evaporació d'una superfície d'aigua oberta a partir de dades climàtiques, hores de sol, temperatura, humitat atmosfèrica i velocitat del vent,

Aquesta metodologia va ser adaptada i ampliada posteriorment per molts investigadors i abastant a les superfícies cultivades a través de la introducció de factors de resistència.

L'equació Penman-Monteith és aquesta:

Equació Penman-Monteith

On:

  • λv = Calor latent de vaporització. Energia necesària per unitat de massa vaporitzada. (J g−1)
  • Lv = Calor latent volumètric de vaporització. Energia necesària per volum d'aigua vaporitzada.(Lv = 2453 MJ m−3)
  • E = Ràtio d'evapotranspiració de Massa d'aigua (g s−1 m−2)
  • ETo = Volum d'aigua evapotranspirat (mm s−1)
  • Δ = Ràtio de canvi de la humitat de saturació específica amb la temperatura de l'aire. (Pa K−1)
  • Rn = Irradiació neta (W m−2), el fluxe de la font d'energia externa.
  • G = Flux de calor del sòl (W m−2), habitualment difícil de mesurar.
  • cp = Capacitat de calor específica de l'aire. (J kg−1 K−1)
  • ρa = densitat de l'aire sec. (kg m−3)
  • δe = Dèficit de pressió de vapor, o humitat específica. (Pa)
  • ga = Conductivitat de l'aire, conductància atmosfèrica (m s−1)
  • gs = Conductivitat de l'estoma, conductància de superfície (m s−1)
  • γ = constant psicomètrica (γ ≈ 66 Pa K−1)

 

L'enfoc de l'equació inclou tots els paràmetres que governen l'intercanvi d'energia i el flux de calor (l'evapotranspiració) de grans extensions de vegetació uniformes. L'equació pot ser utilitzada pel càlcul directe de l'evapotranspiració de qualsevol cultiu, donat que les conductàncies superficials i atmosfèriques són específiques per cada cultiu.

La majoria de paràmetres poden ser mesurats o calculats amb facilitat a través de dades meteorològiques.

Projecte ArduDrop

Logo Projecte ArduDrop

El Projecte ArduDrop va ser creat pel Doctor en Geologia de la Universitat de Alcalá Miguel Ángel de Pablo Hernandez. El nom complet del projecte és "Dispositiu de baix cost basat en Arduino per la gestió de l'Aigua segons la metodologia FAO Penman-Monteith". Sota aquest nom, el projecte té els següents objectius:

 

  1. Adquisició de dades ambientals que permetin aplicar la metodologia FAO Penman-Monteith
  2. Realitzar un dispositiu de baix cost i manteniment
  3. Fomentar una gestió responsable de l'aigua

 

A més el dispositiu creat hauria de respondre a diferents requeriments:

 

  1. Baix cost
  2. Desenvolupament fàcil
  3. Mínimes feines d'instal·lació i manteniment
  4. Autonomia energètica
  5. Desvinculació del PC

 

En les següents imatges es pot observar com s'ha realitzat la fabricació del dispositiu. Moltes de les peces utilitzades són reciclades o reutilitzades. Per exemple podem veure que les cassoletes del anemòmetre estan realitzades a partir de taps de plàstic.

Dispositiu ArduDrop Anemòmetre

 

La sensórica comercial utilitzada és molt fàcilment localitzable i el seu cost és normalment molt baix.

Podeu veure el projecte sencer en el següent enllaç: ArduDrop

En bona part aquest projecte ha inspirat la realització d'aquest taller, en el qual es realitzarà el muntatge, calibració i la programació de tres sensors diferents. Aquests sensor són el d'humitat, el de temperatura i un heliòmetre, Aquesta sensorica es fonamental per la determinació de l'Evapotranspiració de Referència, segons el mètode FAO Penman-Monteith, al igual es proposava en el projecte ArduDrop.

ANEM A PROGRAMAR ARDUINO !!

Accions del document

Grau en Enginyeria de Sistemes TIC - iTIC
Escola Politècnica Superior d'Enginyeria de Manresa
Universitat Politècnica de Catalunya a Manresa
Avda. Bases de Manresa, 61-73,
08242 Manresa http://itic.cat