ความชื้นในดินคืออะไร ในมุมมองการตรวจวัดด้วยเซ็นเซอร์ #1

เปลี่ยนบทบาทจากนักเดินทางเพื่อค้นพบ (ติดตามการเดินทางของพวกเราใน Discovery) และหนอนหนังสือ(มุมมองจากหนังสือใน Bookspective) มาเป็นนักศึกษาวิจัยกันบ้างครับ

วันนี้เราจะมาคุยกันเรื่อง ความชื้นในดินครับ… เริ่ม!

ความชื้นในดิน???

ความหมายพื้นฐานที่เข้าใจกันคือ “น้ำในดิน” ไม่มากไม่น้อยไปกว่านั้น แต่เมื่อพิจารณาจาก มุมมองการตรวจวัดด้วยเซ็นเซอร์ แล้วนั้น “ความชื้นในดิน” มีความซับซ้อนมากกว่าที่คิด

น้ำที่อยู่ในดิน

สัดส่วนประมาณการ

น้ำเป็นสสารหนึ่งในนิเวศน์ของดิน และเป็นองค์ประกอบหลักของกลไกต่างๆ ในดิน ตั้งแต่การผุกร่อนของหินแร่อันเป็นต้นกำเนิดของดิน, การเปลี่ยนแปลงสภาพดิน, การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของดิน ไปจนถึงกิจกรรมการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด (ในส่วนของความสัมพันธ์ระหว่างกิจกรรมสิ่งมีชีวิตกับน้ำและดิน ขอไปเล่าต่อในบทความอื่นนะครับ) ในตอนนี้ขออนุญาตลงลึกเฉพาะน้ำในดินเท่านั้นก่อนครับ

น้ำในดิน เป็นองค์ประกอบหนึ่งของดิน แทรกอยู่ตามช่องว่างระหว่างเม็ดดินกับ ช่องโพรงของเนื้อดิน สัดส่วนต่างๆ แบ่งเป็นอากาศ สิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก อินทรีย์และอนินทรีย์วัตถุผสมคละเคล้ากัน

เมื่อกล่าวถึงน้ำในดินตามช่องโพรงของเม็ดดิน “ลักษณะของดิน” ถือเป็นหัวใจสำคัญของปริมาณน้ำในดิน โดยเนื้อดินมีการจัดประเภทตามลักษณะทางกายภาพ (ด้านล่าง)

เนื้อดินแบ่งเป็นกลุ่มใหญ่ 3 กลุ่ม ได้แก่

• ดินเหนียว (Clay) มีเนื้อละเอียด เกิดจากแร่ดินเหนียว ช่องว่างภายในดินน้อยเพราะความละเอียดของเนื้อดิน แต่สัดส่วนผิวสัมผัสมาก
• ดินทราย (Sand) มีเนื้อหยาบ เกิดจากการผุพังของแร่ เม็ดดินมีขนาดใหญ่ เกิดช่องว่างมากและกว้าง
• ดินทรายแป้ง (Silt) เป็นอนุภาคละเอียด เกิดจากตะกอนและการพัดพาขัดสี มีช่องว่างขนาดเล็กมาก

ทว่า ในบริบทดินจริงๆ ตามสภาพจริงนั้น “ดิน” ที่เราพบเห็นหรือทำการเพาะปลูก คือดินที่เกิดจากการผสมผสานของดินหลายประเภทและมีสัดส่วนมากน้อยตามแหล่งดิน ตามที่มีการสำรวจไว้ ดินสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามสภาพแวดล้อมและกิจกรรมของมนุษย์ จึงทำให้พื้นที่หนึ่งๆ สามารถเกิดดินได้นับร้อยนับพันรูปแบบ

เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่า กลุ่มดินทรายมีลักษณะระบายน้ำ/น้ำซึมได้รวดเร็ว กักเก็บน้ำได้น้อย ส่วนกลุ่มดินเหนียวระบายน้ำไม่ดี/ซึมน้ำช้า แต่กักเก็บน้ำไว้ได้นาน ฉะนั้น ดินที่มีสัดส่วนของดินเหนียวมากก็จะมีคุณสมบัติการกักเก็บน้ำตามไปด้วย ขณะเดียวกันดินที่มีสัดส่วนของทรายมากก็จะระบายน้ำได้ดี ฯลฯ ทั้งนี้ทั้งนั้น ปัจจัยที่เรากำลังจะพูดถึงเป็นหลักในการตรวจวัดดินด้วยเซ็นเซอร์คือ

1. ปริมาณน้ำในดิน

มีการตรวจวัดพื้นฐานอยู่ 2 แบบคือ โดยมวล (น้ำหนัก) และโดยปริมาตร (ขนาด)

สมการการตรวจวัดโดยมวล

• ปริมาณน้ำในดินโดยมวล: ทำการทดสอบพื้นฐานได้โดยขุดดินตัวอย่าง มาชั่งน้ำหนัก แล้วนำไปอบให้แห้งสนิท ก่อนนำมาชั่งอีกครั้ง จากนั้นหารด้วยน้ำหนักของดินแห้ง ซึ่งตีความได้ว่า น้ำหนักที่หายไปคือน้ำหนักของน้ำ ก็จะทำให้ได้สัดส่วนปริมาณน้ำ/น้ำหนัก ของดินที่ขุดมาในตอนแรก

สมการการตรวจวัดโดยปริมาตร

• ปริมาณน้ำในดินโดยปริมาตร: ต้องอาศัยข้อมูลความหนาแน่นของดินมาร่วมด้วย ทำการทดลองในลักษณะเดียวกันกับการทดสอบน้ำหนัก แต่หลักจากอบแห้งแล้ว ต้องทำการบีบอัดดินแห้งให้แน่นและเล็กที่สุดเท่าที่จะทำได้ เพื่อเทียบกับปริมาตรดินในขั้นแรก ก่อนการอบแห้ง

การทำการทดลองทั้งสองแบบนี้ เป็นวิธีการพื้นฐาน ซึ่งต้องอาศัยทรัพยากรคน ตลอดจนอุปกรณ์ชั่ง ตวง วัด และระยะเวลาค่อนข้างมาก โดยเฉพาะข้อจำกัดด้านความต่อเนื่อง กล่าวคือ การขุดดินหนึ่งครั้ง หมายความว่าเราจะได้ข้อมูลปริมาณน้ำในดินเท่ากับดิน ณ เวลานั้นเท่านั้น จะไม่สามารถทราบว่า น้ำในดินมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร หากต้องการทราบก็จำเป็นต้องทำการทดลองอีกครั้ง และอีกครั้ง (และอีกครั้ง)

หรือหากมองว่า มีเครื่องมือในการตรวจวัดปริมาณน้ำอย่างเข้มงวดนี่นา เราจะรู้ว่าให้น้ำไปกี่ลิตรหรือกี่คิวแล้ว ซึ่งหากเป็นแนวทางนี้ ต้องมาพิจารณากันประเด็นต่อไป นั่นคือ

2. ศักย์ของน้ำในดิน (Water Potential)

ศักย์ของน้ำ คือ พลังงานรูปแบบหนึ่งที่อยู่ในน้ำ น้ำที่มีศักย์มากจะสามารถเคลื่อนไหวได้โดยอิสระมากกว่าน้ำที่มีศักย์น้อย ศักย์ของน้ำจะลดลงตามแรงที่มากระทำต่อน้ำ

ตัวอย่างแบบคลาสสิค คือ ความกดอากาศที่กดลงบนผิวน้ำ สามารถดันน้ำเข้าไปในหลอดได้สูงกว่าระดับน้ำอ้างอิง (ในภาชนะ) หรือกล่าวได้ว่าเกิดจากความดันบรรยากาศไม่เท่ากัน ยิ่งขนาดของช่องว่าง/หลอดเล็ก ระดับน้ำก็ยิ่งสูงขึ้น

มาลองดูอีกตัวอย่างครับ

เปรียบเทียบแก้วที่เทน้ำสีฟ้าลงในดินที่มีเนื้อหยาบหรือเม็ดดินขนาดใหญ่ (แทนด้วยน้ำแข็งก้อนใหญ่) กับแก้วที่เทน้ำสีแดงลงในน้ำแข็งบด (แทนเม็ดดินละเอียด) จากนั้นดูดน้ำออกแล้วสังเกตผล

ประเด็นที่ 1 ศักย์ของน้ำ แสดงผลในเบื้องต้นผ่านแรงที่ใช้ดูดน้ำออก แก้วสีฟ้าจะใช้แรงน้อยกว่าแก้วสีแดง

ประเด็นที่ 2 ช่องว่างขนาดเล็กของเม็ดน้ำแข็งในแก้วสีแดงมีแรงดึงดูดต่อน้ำมากกว่าช่องขนาดใหญ่ของแก้วสีฟ้า ทำให้มีน้ำสีแดงเหลืออยู่ในแก้วมากกว่า ตามช่องว่าระหว่างน้ำแข็ง

สรุปได้ว่า ดินที่มีเนื้อดินละเอียดจะมีแรงดึงดูดกระทำต่อน้ำมากกว่า ทำให้ศักย์ของน้ำลดลง น้ำจึงเคลื่อนที่ได้ช้า (นึกภาพน้ำที่ซึมในดินเหนียวช้ากว่าดินทราย) และน้ำยังถูกตรึงไว้ด้วยแรงดังกล่าวได้นานมากขึ้นอีกด้วย (นึกภาพดินเหนียวที่แห้งช้ากว่าดินทราย)

เมื่อเนื้อดินดูดน้ำเอาไว้ อย่างนั้นรากพืชจะนำไปใช้ได้อย่างไรล่ะ???

พื้นฐาน คือ รากพืชต้องทำให้ศักย์ของน้ำภายในราก ต่ำว่าศักย์ของน้ำในดิน!!! เพื่อที่น้ำศักย์มากกว่าจะเคลื่อนตัวไปยังน้ำศักย์ต่ำกว่าได้ง่าย กระบวนการเหล่านี้เป็นธรรมชาติของพืช เป็นกระบวนการต่อเนื่องจากการลำเลียงอาหารและการคายน้ำของพืชทางใบ อย่างไรก็ตาม พืชแต่ละชนิดชอบดินหรือน้ำในดินต่างกัน บ้างปลูกในดินเหนียวได้ดี บ้างปลูกในดินทรายได้ดี ชนิดของระบบรากก็มีส่วนเกี่ยวข้องกับลักษณะดินด้วยเช่นกัน

ประเด็นที่น่าสนใจต่อมาก็คือ ดินแต่ละชนิดจะมีจุดอิ่มตัวของน้ำตามช่องว่างในโครงสร้างดินเรียกว่า ความจุสนาม ส่วนจุดแห้งมากๆ ซึ่งเป็นจุดที่น้ำน้อยมากจนถูกเม็ดดินดูดด้วยแรงมหาศาลเคลือบเป็นชั้นบางๆ รอบเม็ดดิน ส่งผลให้พืชนำไปใช้ไม่ได้นั้น เราจะเรียกว่า “จุดเหี่ยวถาวร” และทั้งสองจุดนี้ ในเนื้อดินแต่ละชนิด มันมีค่าไม่เท่ากันครับ!!!

ตัวอย่างเช่น ดินทรายแม้มีช่องว่างขนาดใหญ่ รับน้ำได้มาก ซึมน้ำได้เร็ว ขณะเดียวกันก็ระบายน้ำทิ้ง ระเหยได้เร็วเช่นกัน ทั้งยังมีแรงดึงดูดน้ำไว้ได้น้อย (กว่าดินเหนียว) ดินทรายจึงเข้าสู่จุดเหี่ยวถาวร (จุดที่สูญเสียน้ำอันเป็นประโยชน์ต่อพืชได้เร็วกว่า)

ปริมาณ vs. ศักย์ของน้ำ

มาไล่เลียงกันอีกทีครับ เนื้อดิน(หยาบ-ละเอียด) มีผลต่อศักย์ของน้ำ →ศักย์ของน้ำบอกถึงคุณลักษณะการเคลื่อนตัวของน้ำในดิน จากกราฟ จะเป็นการทดลองตรวจวัดการเปลี่ยนแปลงของศักย์น้ำที่มีหน่วยเป็นความดันบรรยากาศ( -KPa) เราจะพบว่าดินร่วนปนทรายแป้ง (Silt Loam) มีความจุสนามมากกว่า (รับน้ำได้มากกว่า) แต่ก็มีจุดเหี่ยวถาวรสูงกว่า (พื้นดูดน้ำไปใช้ไม่ได้แม้จะมีน้ำมากกว่าดินทราย เพราะดินดูดเอาไว้ได้แรงมากกว่ารากพืช) ส่วนดินทรายปนดินร่วน (สัดส่วนทรายมากกว่า) จะสูญเสียปริมาณน้ำอย่างรวดเร็วในขณะที่ศักย์ของน้ำไม่เปลี่ยนแปลงไปมากนัก กล่าวคือ พืชจะนำน้ำที่อยู่ในทรายไปใช้ได้ง่ายกว่า ขณะเดียวกัน ช่วงเวลาก็มีจำกัดเพราะทรายระบายน้ำจนหายไปอย่างรวดเร็ว

สำหรับตอนแรก ทุกท่านมีความคิดเห็นอย่างไร สามารถแลกเปลี่ยนกันเข้ามาได้เลยครับ ในตอนหน้า เราจะมาพูดถึงความซับซ้อนด้านโครงสร้างของดิน และบริบทของการตรวจวัดด้วยเซ็นเซอร์กันครับ

ติดตามเนื้อหาอื่นๆ ของเราได้ที่ เกษตรไทยIoT และ Facebook Page เกษตรไทยIoT