ประเภทของ น้ำในดิน และ วิธีวัดค่าความชื้น ด้วยเซ็นเซอร์วัดความชื้นในดิน

น้ำในดิน (Soil Water) คืออะไร?

น้ำในดิน เป็นคำศัพท์ทั่วไปที่ใช้เรียกน้ำทุกรูปแบบที่อยู่ในดิน ทั้งน้ำที่แทรกตัวอยู่ในช่องว่างระหว่างเม็ดดิน (Soil pores) และน้ำที่ถูกดูดซับไว้โดยอนุภาคของดิน น้ำในดินถือเป็นแหล่งน้ำหลักที่พืชดูดซึมไปใช้งาน โดยปรากฏอยู่ใน 3 สถานะหลัก ได้แก่ สถานะก๊าซ (ไอระเหย), ของเหลว และของแข็ง

แหล่งที่มาหลักของน้ำในดินเกิดจากน้ำฝนและน้ำจากการชลประทาน นอกจากนี้ การซึมขึ้นมาของน้ำใต้ดิน และการควบแน่นของไอน้ำในชั้นบรรยากาศก็ถือเป็นแหล่งความชื้นในดินเช่นกัน

ในดิน น้ำจะถูกกระทำด้วยแรงทางฟิสิกส์หลายรูปแบบ เช่น แรงโน้มถ่วง, แรงแคปิลลารี (Capillary), แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลน้ำ และแรงดึงดูดบนพื้นผิวอนุภาคดิน ทำให้เกิดน้ำในดินประเภทต่างๆ ที่มีคุณสมบัติแตกต่างกันออกไป:

• น้ำสถานะของแข็ง (Solid water): ผลึกน้ำแข็งที่ก่อตัวขึ้นเมื่อน้ำในดินถึงจุดเยือกแข็ง
• น้ำสถานะก๊าซ (Vapor water): ไอน้ำที่ปะปนอยู่ในอากาศภายในช่องว่างของดิน
• น้ำที่ถูกยึดเหนี่ยว (Bound water): ได้แก่ น้ำดูดซับ (Hygroscopic water) และน้ำเยื่อบาง (Membrane water)
• น้ำอิสระ (Free water): ได้แก่ น้ำแคปิลลารี, น้ำซึม (Gravity water) และน้ำใต้ดิน
• น้ำจากแรงโน้มถ่วง (Gravity water): น้ำที่ซึมผ่านลงสู่ชั้นดินด้านล่างตามแรงโน้มถ่วง

ประเภทของน้ำในดินมีอะไรบ้าง?

1. น้ำดูดซับ (Hygroscopic water)

คือฟิล์มน้ำบางๆ ที่เกิดจากอนุภาคของแข็งในดินดึงดูดเอาความชื้นจากอากาศโดยตรง ความหนาและปริมาณของน้ำประเภทนี้จะขึ้นอยู่กับระดับความอิ่มตัวของไอน้ำในอากาศ ในสภาวะอากาศแห้งสนิท น้ำดูดซับจะมีค่าใกล้เคียงศูนย์ แต่ในสภาวะที่ไอน้ำอิ่มตัว จะมีค่าสูงสุด น้ำชนิดนี้ถูกดูดซับอย่างแน่นหนาโดยอนุภาคดิน จึงไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ ทำให้พืชนำไปใช้ประโยชน์ได้ยากมาก

2. น้ำเยื่อบาง (Film water)

เมื่ออนุภาคดินดูดซับไอน้ำจนถึงจุดสูงสุดแล้ว ดินจะยังสามารถดูดซับน้ำในสถานะของเหลวเพิ่มได้อีก ทำให้เกิดฟิล์มน้ำที่เชื่อมต่อกันห่อหุ้มอยู่รอบนอกของน้ำดูดซับ เรียกว่า "น้ำเยื่อบาง" น้ำชนิดนี้มีแรงยึดเหนี่ยวกับดินน้อยกว่า จึงสามารถเคลื่อนที่ไปมาระหว่างฟิล์มได้ (จากจุดที่หนาไปยังจุดที่บางกว่า) พืชสามารถดูดซึมน้ำเยื่อบางไปใช้ได้ แต่ในปริมาณที่น้อยมาก

3. น้ำแคปิลลารี (Capillary water)

เมื่อความชื้นในดินเพิ่มขึ้นจนเกินขีดจำกัดการอุ้มน้ำระดับโมเลกุล น้ำจะเข้าไปเติมเต็มในช่องว่างขนาดเล็กของดิน (Capillary pores) น้ำที่ถูกยึดเหนี่ยวด้วยแรงแคปิลลารีนี้ เป็นแหล่งน้ำที่สำคัญที่สุดสำหรับพืช เพราะมีแรงยึดเหนี่ยวน้อย เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ พืชจึงดูดซึมไปใช้ได้อย่างเต็มที่ นอกจากนี้ยังทำหน้าที่เป็นตัวทำละลายสารเคมีและธาตุอาหารในดินเพื่อลำเลียงไปสู่รากพืช

4. น้ำจากแรงโน้มถ่วง (Gravitational water)

เมื่อปริมาณน้ำในดินมีมากเกินกว่าที่แรงแคปิลลารีจะอุ้มไว้ได้ น้ำส่วนเกินจะไหลลงสู่ช่องว่างขนาดใหญ่ในดินตามแรงโน้มถ่วงของโลก แม้พืชจะสามารถดูดซึมน้ำชนิดนี้ได้ แต่มักจะไหลผ่านเขตรากพืช (Root zone) ไปอย่างรวดเร็ว ทำให้พืชส่วนใหญ่ไม่มีโอกาสได้ใช้ประโยชน์

อิทธิพลของน้ำในดินต่อพืช

น้ำในดินมีบทบาทสำคัญตั้งแต่ก่อนที่เมล็ดจะงอก ความชื้นในดินช่วยทำให้เปลือกเมล็ดนิ่มลงและกระตุ้นกระบวนการงอก นอกจากนี้ ระดับความชื้นในดินยังมีผลโดยตรงต่อการพัฒนาระบบราก ในสภาพดินแห้งแล้ง พืชจะมีรากที่หยั่งลึกเพื่อหาแหล่งน้ำ ในขณะที่ดินที่มีความชื้นสูง รากพืชจะแผ่อยู่บริเวณผิวดินตื้นๆ

พืชแต่ละชนิดมีความต้องการระดับน้ำที่เหมาะสมแตกต่างกัน หากน้ำน้อยเกินไปพืชจะเหี่ยวเฉา หากมากเกินไปรากจะขาดออกซิเจนและเน่าตาย ตัวอย่างเช่น หญ้าที่ขึ้นบนเนินทรายต้องการความชื้นในดินประมาณ 60% ในขณะที่ผักบุ้งที่เติบโตในพื้นที่ชุ่มน้ำอาจต้องการความชื้นสูงถึง 110% หรือมากกว่านั้น

น้ำในดิน (Soil Water) VS ความชื้นในดิน (Soil Moisture)

• ความชื้นในดิน (Soil Moisture) : คือปริมาณน้ำสัมพัทธ์ในดิน มักแสดงผลเป็นเปอร์เซ็นต์ (เช่น ความชื้นในดิน 25%) เป็นค่าที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลาตามสภาพอากาศและชนิดของดิน สามารถวัดค่าได้อย่างแม่นยำด้วย เซ็นเซอร์วัดความชื้นในดิน (Soil Moisture Sensor)
• น้ำในดิน (Soil Water) : คือปริมาณน้ำทั้งหมดในดินครอบคลุมทุกสถานะ (ของเหลว, ของแข็ง, ก๊าซ) มักแสดงในหน่วยปริมาตรหรือมวล (เช่น ลูกบาศก์เมตร หรือ กิโลกรัม) วัดได้จากการชั่งน้ำหนัก
  ตารางเปรียบเทียบคุณสมบัติการอุ้มน้ำตามเนื้อดิน (Soil Texture)
  

ตารางเปรียบเทียบคุณสมบัติการอุ้มน้ำตามเนื้อดิน (Soil Texture)
วิธีการวัดปริมาณความชื้นในดิน

1. วิธีการชั่งน้ำหนักและอบแห้ง (Weighing method)

เป็นวิธีพื้นฐานโดยการเก็บตัวอย่างดินมาชั่งน้ำหนัก จากนั้นนำไปอบที่อุณหภูมิ 105 องศาเซลเซียสจนแห้งสนิท แล้วนำมาชั่งอีกครั้ง น้ำหนักที่หายไปคือปริมาณความชื้นในดิน

2. การใช้เซ็นเซอร์วัดความชื้นในดิน (Soil Moisture Sensors)

โซลูชันยอดนิยมสำหรับ Smart Farm นี่คือวิธีที่ได้รับความนิยมสูงสุดในยุคปัจจุบัน เซ็นเซอร์จะส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าลงไปในดินเพื่อวัดค่าคงที่ไดอิเล็กทริก ซึ่งจะสัมพันธ์กับปริมาณความชื้นโดยตรง การติดตั้ง เซ็นเซอร์วัดความชื้นในดิน จาก Epower ช่วยให้คุณสามารถผสานข้อมูลเข้ากับระบบ IoT เพื่อทำ ระบบรดน้ำอัตโนมัติ สั่งการปั๊มน้ำให้ทำงานเฉพาะเมื่อดินมีความชื้นต่ำกว่าเกณฑ์ ช่วยประหยัดน้ำและลดค่าไฟได้อย่างมหาศาล

3. วิธีวัดความต้านทานไฟฟ้า (Resistance method)

ใช้วัสดุพรุน เช่น บล็อกยิปซัมหรือไนลอนที่ฝังขั้วไฟฟ้าไว้ด้านใน ฝังลงในดิน เมื่อบล็อกดูดซับความชื้นจนสมดุล ค่าความต้านทานไฟฟ้าจะเปลี่ยนไปตามปริมาณน้ำในดิน

4. วิธีกระเจิงนิวตรอน (Neutron scattering method)

ใช้เครื่องวัดนิวตรอนยิงอนุภาคนิวตรอนความเร็วสูงลงในดิน เมื่อชนกับอะตอมของไฮโดรเจน (ในน้ำ) นิวตรอนจะสูญเสียพลังงานและช้าลง ปริมาณความชื้นจะถูกประเมินจากจำนวนนิวตรอนที่ช้าลง

5. วิธีวัดแรงตึงน้ำในดิน (Tensiometer method)

วัดความชื้นโดยประเมินจาก "แรงดูดซับ" ของดิน เมื่อเสียบหัวเซรามิกพรุนลงในดิน น้ำในหลอดจะสัมผัสกับน้ำในดินจนเกิดความสมดุล ค่าแรงตึงที่อ่านได้จากเครื่อง Tensiometer จะบอกให้รู้ว่ารากพืชต้องออกแรงมากแค่ไหนในการดูดน้ำจากดิน