CC BY
41
УДК 631.437.213 DOI 10.24411/2078-1318-2020-14156
ЧАСТОТНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРИ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОМ ПОДХОДЕ ОЦЕНКИ СВОЙСТВ ПОЧВ
ГУМИДНОЙ ЗОНЫ
Аспирант Михаил Викторович Левшин
(федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Мичуринский государственный аграрный университет»,
e-mail: elseti.pts-3@mail.ru) 393760, Российская Федерация, Тамбовская обл., г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101
Дата поступления в редакцию 01.01.2021 г. Дата принятия в печать 01.01.2021 г.
Аннотация. Современным трендом в области производства растениеводческой продукции признано точное земледелие. Его базисом является внесение удобрений в зависимости от пестроты почвенного плодородия. С целью агрохимической оценки, отвечающей требованиям экономичности и экспрессности, необходима разработка высокоточных методов анализа. Современный электрофизический метод, основанный на электрическом сопротивлении, в почвенно-аналитической практике получил широкое распространение. Он зарекомендовал себя как удобный и экспрессный способ получения комплексной характеристики свойств почв. Общеизвестно, что в зоне преобладания аридных почв активно используется электрическое сопротивление и обратное ему -электропроводность для оценки степени засоления. Эффективное применение метода в гумидных зонах возможно только после оценки величины отдельных почвенных свойств на сопротивление индивидуально и в совокупности.
Для того чтобы охватить больший спектр признаков, оказывающих влияние на электрические показатели основных типов почв Тамбовской области, были выбраны так называемые обыкновенные черноземы, черноземы солонцеватые и дерново-подзолистые и на базе этих типов почв исследованы зависимости частотных характеристик от содержания общего углерода, выявленные в образцах.
По итогам измерений при анализе полученных данных были составлены графики зависимостей удельного электрического сопротивления от содержания общего углерода при разных частотах подаваемого сигнала. Зависимость удельного сопротивления почвы от содержания общего углерода при заданных уровнях частоты сигнала показала, что наиболее низкие значения удельное сопротивление почвы имеет при высоких частотах (10 и 20 МГц). На полученных графиках видно, что графики зависимостей принимают различные формы для разных типов почв.
На примере черноземов обыкновенных, черноземов солонцеватых и дерново-подзолистых типах почв установлено, что электрическое сопротивление тесно связано с характеристиками подаваемого сигнала, а именно с частотой. Произведена оценка влияния частоты подаваемого сигнала на измеренное удельное электрическое сопротивление при разных уровнях содержания общего углерода.
Ключевые слова: гумидная зона, содержание общего углерода, электрическое сопротивление
FREQUENCY DEPENDENCE OF THE RESISTANCE IN THE ELECTROPHYSICAL APPROACH TO ESTIMATING THE PROPERTIES OF SOILS IN THE HUMID ZONE
Postgraduate Student Mihail Viktorovich Levshin
(Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Michurinsk State Agrarian University», e-mail: elseti.pts-3@mail.ru)
393760, Russian Federation, Tambov region, Michurinsk, Internatsionalnaya str., 101
Accepted 10/10/2020 Submitted 31/10/2020
Abstract. Precision farming is recognized as a modern trend in the field of crop production. Its basis is the application of fertilizers depending on the diversity of soil fertility. For the purpose of agrochemical assessment that meets the requirements of economy and espresso, it is necessary to develop high-precision analysis methods. The modern electrophysical method based on electrical resistance is widely used in soil analytical practice. It has proven to be a convenient and rapid way to obtain a comprehensive characteristic of soil properties. It is well known that in the zone of arid soil predominance, electrical resistance and the opposite - electrical conductivity-are actively used to assess the degree of salinity. Effective application of the method in humic zones is possible only after evaluating the value of individual soil properties for resistance individually and collectively.
In order to cover a larger range of features that affect the electrical parameters of the main types of soils in the Tambov region, so-called ordinary chernozems, saline chernozems and sod-podzolic were selected and on the basis of these types of soils, the dependence of frequency characteristics on the total carbon content identified in the samples was studied.
Based on the results of the measurements, when analyzing the obtained data, graphs of the dependence of the specific electrical resistance on the total carbon content at different frequencies of the signal were compiled. The dependence of the soil resistivity on the total carbon content at the specified signal frequency levels showed that the lowest values of soil resistivity are at high frequencies (10 and 20 MHz). The resulting graphs show that dependency graphs take different forms for different soil types.
On the example of ordinary chernozems, saline chernozems and sod-podzolic soil types, it is established that the electrical resistance is closely related to the characteristics of the signal being sent, namely, the frequency. The influence of the frequency of the supplied signal on the measured electrical resistivity at different levels of total carbon content is estimated.
Keywords: humic zone, total carbon content, electrical resistance
Введение. Оценка плодородия почвы с учетом разнообразия свойств почв является весьма трудоемкой задачей, она требует выбора огромного количества проб, а также их последующего анализа в лабораторных условиях. Однако во многих случаях при оценке почвенного покрова достаточно определить только степень выраженности какого-либо одного или нескольких свойств, которые характеризуют генетическую принадлежность той или иной почвы [1, 2, 3]. Успешное решение задачи может значительно облегчить разработку и использование методов, которые позволили бы непосредственно измерять несколько общих параметров, указывающих на значимый набор свойств почвы или ее основные (базовые) свойства, используемые для оценки состояния почвы. Одним из таких общих параметров может быть удельное электрическое сопротивление почвы, измеренное в полевых или лабораторных условиях. Важной особенностью этого показателя является чрезвычайно высокая зависимость от множества факторов [2, 4, 5, 6]. Согласно результатам, полученным в России и за рубежом, электрические свойства почвы в различных почвенно-климатических зонах зависят от «базовых» диагностических характеристик.
Таким образом, в засушливых регионах влажность и засоленность почвы имеют большое значение [7, 8]. В гумусовом регионе засоление встречается очень редко, поэтому, на
наш взгляд, такие факторы, как гранулометрический состав, содержание углерода и емкость катионного обмена, стоят на первом месте в качестве факторов, формирующих распределение ионных соединений в почве [9]. Длительное использование почвы как средства сельскохозяйственного производства, приводящее к изменению естественных почвенных процессов, проектированию и преобразованию свойств почвы, то есть к созданию новых культурных почв. Можно предположить, что обработка почвы - это процесс изменения ее природных характеристик под влиянием производственной деятельности человека с целью создания и постоянного поддержания высокого уровня плодородия [9].
Современный электрофизический метод, основанный на электрическом сопротивлении, в почвенно-аналитической практике получил широкое распространение. Он зарекомендовал себя как удобный и экспрессный способ получения комплексной характеристики свойств почв [10]. Общеизвестно, что в зоне преобладания аридных почв активно используется электрическое сопротивление и обратное ему - электропроводность для оценки засоления [8]. Эффективное применение метода в гумидных зонах возможно только после оценки величины отдельных почвенных свойств на сопротивление индивидуально и в совокупности. Выполнение этой задачи даст точное определение возможности методов электрофизики [3].
В насточщее время существует несколько способов измерения электрических характеристик почв - это при переменном и постоянном электрическом поле. У каждого из них есть свои преимущества, а также недостатки. Главное требование к выбору способа измерения - это получение максимального количества данных для характеристики исследуемого объекта. Более технически совершенным способом признано измерение на постоянном электрическом поле [10].
Однако при проведении измерений на переменном электрическом поле других характеристик, таких как удельное электрическое сопротивление почвы, недостаточное внимание, на наш взгляд, уделено зависимости результатов измерений от частоты переменного электрического тока.
Цель исследования. Целью данного исследования являются получение и оценка данных о степени влияния частоты электрического сигнала на значения измеренного удельного электрического сопротивления на фоне изменения показателя содержания общего углерода.
Материалы, методы и объекты исследований. Для охвата более широкого спектра признаков, влияющих на электрические параметры основных типов почв Тамбовской области, были выбраны черноземы обыкновенные, черноземы засоленные и дерново-подзолистые, на основе данных типов почв изучена зависимость частотных характеристик от содержания общего углерода в образцах почв.
Отбор проб проводился в районах, не включенных в сельскохозяйственное производство. Электрическое сопротивление измеряли в лаборатории после увлажнения почвы до состояния пасты.
В лабораторных условиях были определены следующие параметры: влажность термостатно-весовым методом и температура: цифровой мультиметр УТ 61 Э. Электросопротивление с помощью измерительного прибора, способного генерировать сигнал 5 различных форматов и вырабатывать синусоидальный выходной сигнал с частотой до 20 МГц - двухканальным цифровым осциллографом ИСДС205Б.
Для непосредственных измерений были предложены электроды, основными элементами которых являются: медные пластины; кубовидный сосуд из стекла, не имеющий верхней грани; металлические основания и металлический экран для защиты от различных возмущений, помех, наводок и т.д. Отходящие провода также экранированы.
Всего с целью выполнения поставленных задач в полевых условиях было отобрано более 72 проб почвы. При этом измерялось электрическое сопротивление в точках отбора проб как по горизонтали, так и по вертикали. Наряду с этими процедурами было выполнено морфологическое описание профиля почвы на ключевых участках.
Классические методы и инструменты использовались для определения физических и химических свойств почвы. Влажность поля определялась на отобранных образцах почвы. Влажность определяли классическим стандартным весовым методом. Определялось и общее содержание углерода в отобранных образцах с помощью экспресс-анализатора. Отобранные образцы почвы также подвергались гранулометрическому анализу. Как известно, под гранулометрическим составом почв и коренных пород понимается относительное содержание в почве основных почвенных частиц разного диаметра, независимо от их минерального и химического состава. Измерения проводились на лазерном дифракционном анализаторе.
Для выполнения этой работы изначально предполагалось, что электрическое сопротивление имеет значение в любой точке исследуемого пространства, то есть непрерывно.
Результаты исследований. По итогам измерений при анализе полученных данных были составлены графики зависимостей удельного электрического сопротивления от содержания общего углерода при разных частотах подаваемого сигнала (рис. 1).
Рис. 1. Влияние частоты сигнала на результаты измерений удельного электрического сопротивления на примере чернозема обыкновенного в диапазоне 0,5-20 МГц
Зависимость удельного сопротивления почвы от содержания общего углерода при заданных уровнях частоты сигнала показала, что наиболее низкие значения удельное сопротивление почвы имеет при высоких частотах (10 и 20 МГц). Полученные графики зависимостей принимают различные формы для разных типов почв (рис. 2).
Рис. 2. Влияние частоты сигнала на результаты измерений удельного электрического сопротивления на примере дерново-подзолистой почвы в диапазоне 0,5-20 МГц
Обычно частотная зависимость почвы, которая относится к капиллярно-пористым материалам, в теории диэлектриков объясняется поляризацией этих материалов в электрическом поле.
С целью оценки влияния частоты сигнала вычислим ее по основной формуле:
§(0,5) , ( 1
где g(0,5) и g(20) - удельное электрическое сопротивление на частотах подаваемого сигнала 0,5 и 20 МГц.
На рисунке 3 с целью иллюстрации приведены графики, характеризующие влияние частоты сигнала (V) в зависимости от содержания общего углерода для черноземов обыкновенных, черноземов солонцеватых и дерново-подзолистых.
Рис. 3. Влияние частоты сигнала на результаты измерений удельного электрического сопротивления на примере чернозема солонцеватого в диапазоне 0,5-20 МГц
Таким образом, произведя расчеты, получим сравнительные данные степени влияния частоты на сопротивление при разных уровнях содержания общего углерода для исследуемых типов почв.
к 5 I К
5 ^
m iI
v
5 J 5
<n О SC
Черноземы обыкновенные
0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
Дерново-подзолистые
Lnor-voooioom 00 СП СП СЭ r-v 00 сэ СЭ СЭ СЭ »-Н »-Н »-Н fN
Содержание общего углерода, %
н е
и j
и
<п
о
ас
0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
(NLn^c^fNiDoom
mmmmm^r-vuD 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
Содержание общего углерода, %
Рис. 4. Оценка коэффициента влияния частоты сигнала на удельное электрическое сопротивление на фоне увеличения содержания общего углерода, рассчитанная по формуле 1
Данные рисунка 4 показывают, что с повышением содержания общего углерода в черноземах обыкновенных в диапазоне 0,856-1,005% коэффициент влияния возрастает до максимального значения. С дальнейшим ростом значения содержания общего углерода в образцах коэффициент снижается и принимает первоначальное значение. В образцах дерново-подзолистой почвы с повышением содержания общего углерода в диапазоне 0,312-0,486% происходит незначительное колебание значения коэффициента, в диапазоне 0,486-0,683% коэффициент принимает максимальное значение. В черноземах солонцеватых с ростом содержания общего углерода в диапазоне 0,04-0,072% наблюдается снижение коэффициента. При значениях содержания общего углерода 0,072-0,376% коэффициент достигает максимума.
Для выявления объективных причин необходимо анализировать минералогический и гранулометрический состав.
Выводы. На примере черноземов обыкновенных, черноземов солонцеватых и дерново-подзолистых типах почв установлено, что электрическое сопротивление тесно связано с характеристиками подаваемого сигнала, а именно с частотой. Произведена оценка влияния частоты подаваемого сигнала на измеренное удельное электрическое сопротивление при разных уровнях содержания общего углерода. Коэффициенты влияния уровня содержания общего углерода различны. Коэффициент с ростом содержания общего углерода сначала возрастает, достигая максимума, а затем снижается до начальных значений для черноземов обыкновенных. Для дерново-подзолистых почв наблюдается незначительное изменение коэффициента с ростом содержания общего углерода, а с достижением определенного значения происходит его резкий рост. Черноземы солонцеватые показывают снижение коэффициента влияния с ростом содержания общего углерода, он достигает минимума, а затем растет до максимальных значений.
Литература
1. Поздняков А.И., Елисеев П.И. Зависимости удельного электрического сопротивления от некоторых свойств легких пахотных почв в окультуренных ландшафтах гумидной зоны // Вестник Оренбурского государственного университета. - 2012. - № 10 (146). - С. 96-102.
2. Поздняков А.И. Электрические свойства почв //Теория и методы физики почв: коллективная монография / под ред. Е.В. Шеина, Л.О. Карпачевского. - М.: «Гриф и К», 2007. - С. 426-463.
3. Поздняков А.И., Елисеев П.И., Русаков А.В. Электрическое сопротивление как возможный показатель окультуренности пахотных супесчаных почв гумидной зоны // Вестник Московского университета. Серия 17: Почвоведение. - 2012. - № 2. - С. 54-60.
4. Corwin D.L., Lesch S.M. Apparent soil electrical conductivity measurements in agriculture // Comp. Electron. Agric. - 2005. - Vol. 46. - P. 11-43.
5. Friedman S.P. Soil properties influencing apparent electrical conductivity: a review // Comp. Electron. Agric. 2005. Vol. 46. P. 45-70.
6. Grisso R., Alley M.M., Holshouser D. and Thomason W.E. Precision farming tools: soil electrical conductivity. - VCE PubVirginia Coop. Ext. Blacksburg, 2009. P. 442-508.
7. Судницын И.И., Смагин А.В., Шваров А.П. Учение Максвелла-Больцмана-Гуи о двойном электрическом слое дисперсных систем и его использование в почвоведении (к 100-летию публикации работы Гуи) // Почвоведение. - 2012. - № 4. - С. 507-512.
8. Федотова А.В., Яковлева Л.В. Новый подход к экологической оценке засоленных почв: материалы докладов VI съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева «Почвы России: современное состояние, перспективы изучения и использования». - Кн. 3. - Петрозаводск, 2012. - С. 150-151.
9. Поздняков А.И., Елисеев П.И. Электрофизические методы экспрессной оценки топографии распределения базовых свойств легких почв гумидной зоны // Естественные и технические науки. - 2012. - №4 (60). - С.128-131.
10. Johnson C.K., Eskridge K.M., Corwin D.L. Apparent soil electrical conductivity: Applications for designing and evaluating field-scale experiments // Соmр. Electron. Agric. 2005. № 46. P.181-202.
Reference
1. Pozdnyakov A.I., Eliseev P.I. Zavisimosti udel'nogo elektricheskogo soprotivleniya ot nekotoryh svojstv legkih pahotnyh pochv v okul'turennyh landshaftah gumidnoj zony // Vestnik Orenburskogo gosudarstvennogo universiteta. - 2012. - № 10 (146). - S. 96-102.
2. Pozdnyakov A.I. Elektricheskie svojstva pochv //Teoriya i metody fiziki pochv: kollektivnaya monografiya / pod red. E.V. SHeina, L.O. Karpachevskogo. - M.: «Grif i K», 2007. - S. 426-463.
3. Pozdnyakov A.I., Eliseev P.I., Rusakov A.V. Elektricheskoe soprotivlenie kak vozmozhnyj pokazatel' okul'turennosti pahotnyh supeschanyh pochv gumidnoj zony // Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 17: Pochvovedenie. - 2012. - № 2. - S. 54-60.
4. Corwin D.L., Lesch S.M. Apparent soil electrical conductivity measurements in agriculture // Comp. Electron. Agric. - 2005. - Vol. 46. - P. 11-43.
5. Friedman S.P. Soil properties influencing apparent electrical conductivity: a review // Comp. Electron. Agric. 2005. Vol. 46. P. 45-70.
6. Grisso R., Alley M.M., Holshouser D. and Thomason W.E. Precision farming tools: soil electrical conductivity. - VCE PubVirginia Coop. Ext. Blacksburg, 2009. P. 442-508.
7. Sudnicyn I.I., Smagin A.V., SHvarov A.P. Uchenie Maksvella-Bol'cmana-Gui o dvojnom elektricheskom sloe dispersnyh sistem i ego ispol'zovanie v pochvovedenii (k 100-letiyu publikacii raboty Gui) // Pochvovedenie. - 2012. - № 4. - S. 507-512.
8. Fedotova A.V., YAkovleva L.V. Novyj podhod k ekologicheskoj ocenke zasolennyh pochv: materialy dokladov VI s"ezda Obshchestva pochvovedov im. V.V. Dokuchaeva «Pochvy Rossii: sovremennoe sostoyanie, perspektivy izucheniya i ispol'zovaniya». - Kn. 3. - Petrozavodsk, 2012.
- S. 150-151.
9. Pozdnyakov A.I., Eliseev P.I. Elektrofizicheskie metody ekspressnoj ocenki topografii raspredeleniya bazovyh svojstv legkih pochv gumidnoj zony // Estestvennye i tekhnicheskie nauki.
- 2012. - №4 (60). - S.128-131.
10. Johnson C.K., Eskridge K.M., Corwin D.L. Apparent soil electrical conductivity: Applications for designing and evaluating field-scale experiments // Somr. Electron. Agric. 2005. № 46. P.181-202.
Цитирование. Левшин М.В. Частотная зависимость удельного сопротивления при электрофизическом подходе оценки свойств почв гумидной зоны // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2020. - №4(61). - С. 156-162. DOI 10.24411/2078-1318-2020-14156
Авторский вклад. Все авторы настоящего исследования принимали непосредственное участие в планировании, выполнении и анализе данного исследования. Все авторы настоящей статьи ознакомились и одобрили представленный окончательный вариант. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Citation. Levshin M.V. Frequency dependence of the resistance in the electrophysical approach to estimating the properties of soils in the humid zone // Izvestiya Saint-Petersburg State Agrarian University, 2020. 4(61). 156-162. DOI 10.24411/2078-1318-2020-14156
Author's contribution. All authors of this research paper have directly participated in the planning, execution, or analysis of this study. All authors of this paper have read and approved the final version submitted. Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
УДК 631.316.2 DOI 10.24411/2078-1318-2020-14163
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОДГОТОВКИ ПОЧВЫ В БИОЛОГИЗИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
КАРТОФЕЛЯ
Аспирант Валентина Андреевна Калинина
(федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»,
e-mail: val.kalinina@gmail.com) РИНЦ SPIN-код: 7374-5750 ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5496-5428 196601, Российская Федерация, Санкт-Петербург, г. Пушкин, Петербургское шоссе, д. 2
Дата поступления в редакцию 10.10.2020 г. Дата принятия в печать 05.11.2020 г.
Аннотация. Для нормального развития растений картофеля и минимизации экологических и технологических рисков необходимо создать почвенное состояние, при котором корневая система растений способна проникать на глубину 120-130 см и охватывать площадь 90 см для доступа к запасам влаги и элементам питания в нижних горизонтах корнеобитаемого слоя. При этом основным сдерживающим фактором свободного распространения корневой системы картофеля является повышенная плотность почвы, созданная регулярными воздействиями на одну и ту же глубину таких орудий, как лемешные плуги, дисковые бороны, фрезы и др., а также в результате многократных проходов тяжелых машинно-тракторных и уборочно-транспортных агрегатов. По разным оценкам глубина залегания зон переуплотнения почвы достигает 65-70 см. Традиционно для устранения повышенного уплотнения почвы используют почвообрабатывающие орудия -глубокорыхлители, которые выполняют обработку почвы на глубину 35-40 см, однако это не всегда позволяет разрушить переуплотненные слои в нижележащих горизонтах корнеобитаемого слоя. Поэтому для проведения разуплотнения почвенных слоев на значительной глубине предлагается усовершенствовать технологические процессы подготовки почвы и в дополнение к механической обработке использовать биологический потенциал сидеральных культур ввиду того, что их быстрорастущая корневая система способна проникать на глубину более 130 см за короткий период времени. Для достижения этой цели предлагается обосновать принципы рационального сочетания комплекса почвообрабатывающих орудий и их оснащения необходимыми рабочими органами, использовать энергосберегающие режимы применения почвообрабатывающих агрегатов,
