способ мониторинга почвенной структуры

Формула изобретения

Способ мониторинга структуры почвы, при котором периодически измеряют влажность естественной почвы термостатно-весовым методом, отличающийся тем, что измеряют емкость почвенного датчика с изолированными электродами на частоте от 50 кГц до 1 МГц и рассчитывают коэффициент пропорциональности (k₁) между относительными изменениями емкости и влажности естественной почвы, определяют величину соответствующего коэффициента (k₂) между относительными изменениями емкости и влажности той же почвы с разрушенной структурой, делят величину k₁ на k₂ и получают показатель структурности естественной почвы.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано в агрономических целях для наблюдения за состоянием почвенного покрова.

Агрономически ценными считаются водопрочные структурные агрегаты почвы диаметром 10-0,25 мм, аккумулирующие воду, между которыми содержится воздух, необходимый для дыхания корней.

При использовании тяжелой сельскохозяйственной техники и поливе минерализованной водой структура почвы разрушается. Деструктивные процессы протекают медленно (в течение многих лет), поэтому для сохранения и восстановления структуры почвы необходимо проводить ее мониторинг, т.е. непрерывно наблюдать за ее агрегатным состоянием непосредственно в естественных условиях.

Для оценки качества структуры почвы существуют методы, большинство из которых основано на разрушении агрегатов в лабораторных условиях [4].

1. По методу Н.А.Качинского определяют «фактор дисперсности» по (К): К=(а/б)·100%, где а - содержание ила при микроагрегатном анализе, б - содержание ила при гранулометрическом анализе почв.

2. По методу Фиглера определяют «фактор структурности (К_ф ): К_ф=(б-а)/б·100%.

3. По методу А.Ф.Вадюниной на основании результатов гранулометрического анализа почв определяют «гранулометрический показатель структурности» (P): для гумусных почв P_с=(a+b)/c·100%, для малогумусных почв P=a/(b+c)·100%, где a, b и c соответственно содержание в почве (в %) ила, мелкой пыли, средней и крупной пыли.

4. По методу Д.Г.Виленского определяют водоустойчивость отдельных агрегатов путем действия на них капель воды. Водоустойчивость агрегата определяется количеством воды, потребной для его полного размыва. Из данных по 50 агрегатам выводится средняя величина их водоустойчивости.

5. По методу П.И.Андрианова измеряют количество расплывшихся агрегатов в стоячей воде через различные интервалы времени. Показатель водопрочности рассчитывают по формуле: ,

где a, b, n - количество агрегатов, распавшихся в минуту, k₁, k₂, k_n - поправочные коэффициенты.

6. Наиболее распространен метод сухого и мокрого просеивания, предложенный Н.И.Савиновым, который можно принять за прототип [8]. Для «сухого просеивания» образцы, отобранные в поле, сушат до воздушно-сухого состояния и затем последовательно просеивают через набор сит с отверстиями 10, 7, 5, 3, 2, 1, 0,5 и 0,25 мм. Оценку структуры производят по содержанию (P, %) агрономически ценных агрегатов размером 10-0,25 мм при помощи коэффициента структурности (K_стр. ): К_стр= Р(10-0,25 мм)/ Р(>10 мм, <0,25 мм).

Для определения водопрочности агрегатов проводят их «мокрое просеивание». Для этого из агрегатов сухого просеивания составляют среднюю пробу, замачивают ее в течение 10 минут в сосуде и затем, закрыв сосуд, 10 раз его переворачивают. После этого почву переносят в набор сит, находящихся в воде и скрепленных друг с другом в порядке убывания размера отверстий (5, 3, 2, 1, 0,5 и 0,25 мм). Набор сит погружают в воду, встряхивают 10 раз и определяют содержание фракций. По суммарному количеству агрегатов >0,25 мм при мокром просеивании оценивают их водоустойчивость: <10% - водоустойчивость отсутствует; 10-20 - неудовлетворительная; 20-30 - недостаточно удовлетворительная; 30-40 - удовлетворительная; 40-60 - хорошая; 60-75 - отличная; >75% - избыточно высокая.

Недостатком известного способа является то, что оценивается структура почвы не в ее естественном состоянии, а при ее разрушении с помощью различных внешних воздействиях. Недостатком является также высокая трудоемкость и длительность анализа.

Известны электрофизические методы для определения различных физико-химических свойств почв и грунтов, основанные на зондировании почвы электрическим током [6]. Однако до сих пор они не применяются для характеристики агрегатного состояния почвенной структуры и ее динамики в природных условиях.

Известны емкостные датчики для определения влажности почвы [1, 2, 7]. Они используются во влагомерах, работающих на частотах f=0,1-11 ГГц. Существует пропорциональность между емкостью датчика и содержанием влаги в почве. В предлагаемом способе электроемкостный метод используют для оценки почвенной структуры. Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что сравнивают коэффициенты пропорциональности между относительными изменениями емкости и влажности для естественной почвы (k ₁) и той же почвы с разрушенной структурой (k₂ ). Измерения емкости датчиков проводят на частоте, лежащей в диапазоне 50 КГц - 1 МГц. Отношение коэффициентов k₁ и k₂ используют как показатель структурности исследуемой почвы. Возможен вариант, когда для получения коэффициента k ₂, напротив, используют почву с ненарушенной, эталонной структурой. Сущность предлагаемого способа поясняется следующим. На фиг.1 показана схема прохождения тока в цепи измерительного электрода. Там же приведены удельные сопротивления проводящих сред на частоте 1 мГц [6, 3, 4, 5]. Позиции на фиг.1: 1 - металл электрода, 2 - изоляция, 3 - омическое сопротивление влаги на поверхности агрегата, 4 - емкостное сопротивление влаги, 5 - омическое сопротивление самого агрегата, 6 - его емкостное сопротивление. Самое большое сопротивление сосредоточено в изоляции электрода. Она служит диэлектриком конденсатора. Одной обкладкой этого конденсатора является металл электрода, другую обкладку образуют крупные капилляры и мениски жидкости в зоне контактов почвенных агрегатов с изоляцией. При увлажнении почвы капилляры заполняются влагой, мениски расширяются, увеличивается смоченная поверхность изоляции. Это эквивалентно увеличению площади второй обкладки конденсатора, отчего его емкость возрастает. Зона контактов оказывает наибольшее влияние на величину измеряемой емкости. Сопротивление почвы и воды существенно меньше, они фактически играют роль проводников, подводящих электрический ток к этому конденсатору. Бесструктурная почва, например влажная глина, прилегая к изоляции, занимает всю свободную поверхность. При высыхании глины в ее тончайших капиллярах создается отрицательное давление, стягивающее ее минеральные частицы в плотный конгломерат, облегающий поверхность электрода. Размер второй обкладки конденсатора максимален и почти не меняется в диапазоне доступной влаги. Емкость конденсатора велика, а чувствительность датчика, его коэффициент k₁ минимальны. При изменении влажности меняется лишь омическое сопротивление почвы 5 на фиг.1, но его сопротивление на порядок меньше сопротивления изоляции 2. Поэтому роль сопротивления 5 мала, оно почти не влияет на величину тока в этой схеме и на результат измерения емкости при изменении влажности. Реальные почвы фактически содержат как структурные, так и бесструктурные составляющие и в этом ряду занимают промежуточное положение. На фиг.2 показаны сравнительные изменения емкости датчиков в структурных и бесструктурных почвах при их иссушении. На горизонтальной оси указана объемная влажность почвы (г/см³), на вертикальной - емкость датчика (пФ). Черные индексы относятся к структурным почвам, белые - к бесструктурным. Датчиками служили отрезки изолированного провода ТРП длиной по 2 метра. Испытывались: дерново-подзолистая суглинистая почва, горизонт A (графики под № 1-2); пойменная луговая гор. A, B, C ( № 3-8); перегнойная, суглинок, гор. A ( № 9-10). Участок почвы делился пополам. В одной половине структура сохранялась, на другой половине датчик помещался в растертую почву. Влажность почвы измеряли темостатно-весовым методом, емкость датчиков - при помощи прибора E7-9, работающего в диапазоне 50 кГц - 1 МГц. Определялись коэффициенты k₁ , k₂, их отношение k_]/k₂. Результаты приведены в табл.1.

Таблица 1
Величина отношения k1/k2 для разных типов почв
Почва	Дерново-подзолистая	Луговая	Перегнойная
Суглинок
горизонт	A	A	B	C	A
K1/k 2	2,85	12,3	4,62	3,2	9,3

Сопоставление коэффициентов показывает, что при разрушении значительно изменилась структура горизонта A луговой почвы и перегнойного суглинка, т.е. они исходно были хорошо структурированы. Дерново-подзолистая почва и горизонты B и C луговой почвы в меньшей степени изменили свои свойства, это свидетельствует об их слабой структурности. Таким образом, предлагаемый метод позволяет не только осуществлять мониторинг структуры почвы, но и оценивать ее исходную структурность путем сравнения с такой же почвой разрушенной структуры.

Срок службы датчиков из изолированного провода - несколько лет, что позволяет проводить долговременные наблюдения за состояние структуры почвы. Используемый диапазон частот 50 кГц - 1 МГц дает возможность существенно увеличить длину датчика (до нескольких десятков метров, не опасаясь возникновения резонансных явлений). За счет этого усредняют структурные неоднородности почвенного покрова вдоль протяжения датчика.

ЛИТЕРАТУРА

1. Баталов B.C. Диэлькометрический влагомер. Патент № 2.254.569, G01N 27/22, 2005 г.

2. Башилов СМ. и др. Емкостный датчик влажности. Патент № 2.167.414, G01N 27/22, 2001 г.

3. Бобров П.П., Мандрина В.Н. Диэлектрическая проницаемость почв лесотундровой зоны Красноярского края. http//WWW//edu/article/vestnik-omgpi.2006.6p

4. А.Ф.Вадюнина, З.А.Корчагина. Методы определения физических свойств почв и грунтов. М.: Высшая школа. 1961. С.68-81.

5. Зайдельман Ф.Р. и др. Практикум по курсу «Мелиорация почв». стр.22. М.: Изд. МГУ 2002 г.

6. Поздняков А.И. Электрофизические методы исследования почв (методическое пособие), стр.26,32. М.: МГУ. 2009 г.

7. Судницын И.И. и др. Устройство для измерения влажности почвы. Авт. свид. СССР № 1.458.791, G01N 27/22, 1988 г.

8. Шеин Е.В., Карпачевский Л.О. Теории и методы физики почв. Стр. 97-103. М.: Изд.»Гриф и К». 2007 г. С.97-102.