CC BY
21УДК 631.1
ДИАГНОСТИКА НЕОДНОРОДНО-СТЕЙ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА В ПОЛЕВОДСТВЕ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА ВЕРТИКАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОЗОНДИРОВАНИЯ
Изотов А. М., доктор сельскохозяйственных наук, профессор; Тарасенко Б. А., кандидат сельскохозяйственных наук, доцент; Дударев Д. П., кандидат сельскохозяйственных наук, доцент; Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского»
В статье рассматриваются метод вертикального электрозондирования применительно к диагностике неоднородности строения почвенных профилей в степном Крыму для информационного обеспечения точных агротехнологий.
Ключевые слова: почва, вертикальное электрозондирование, кажущееся электрическое сопротивление, точные технологии.
DIAGNOSIS INHOMOGENE-ITIES SOIL IN FIELD BY THE METHOD OF VERTICAL ELECTRICAL SOUNDING
Izotov A. M., Doctor of Agricultural Science, Professor;
Tarasenko B. A., Candidate of Agricultural Science, Associate Professor; Dudarev D. P., Candidate of Agricultural Science, Associate Professor; Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University»
In the article the method of vertical electrical sounding with regard to the diagnosis of non-uniformity of the structure of soil profiles in the steppe Crimea to inform precision agricultural technologies.
Key words: soil, vertical electric sounding, apparent electrical resistance, precise technology.
Введение. Одной из задач информационного обеспечения точной технологии выращивания озимой пшеницы является обнаружение, локализация и идентификация внутрипольных неоднородностей почвенного покрова агрохимической или агрофизической природы, существенно влияющих на условия роста и развития её растений. С технологической точки зрения такие неоднородности важно выявлять не только в пахотном слое, но и в более глубоких горизонтах, определяющих особенности водного, воздушного и солевого режимов почв. Бесконтактное изучение свойств почв и подстилающих пород возможно с помощью такого метода дистанционного зондирования, как малоглубинная электроразведка. Как известно, гранулометрический состав почв, каменистые включения, гидрологический режим, содержание солей в почвах и грунтовых водах, поглощенные основания и гумусовое состояние в значитель-
ной степени определяют их электрофизические свойства [5; 6]. Среди наиболее информативных электрофизических свойств сравнительно легко определяется удельная электропроводность почвы или обратная ей величина - удельное электрическое сопротивление. Основными методами зондирования почв путём прямого измерения электрического сопротивления на постоянном токе являются вертикальное электрозондирование (ВЭЗ) [5; 7]. Оно предназначено для изучения стратиграфии профиля почвы до глубины нескольких метров.
Материал и методы исследований. Для определения чувствительности метода вертикального электрозондирования к стратиграфическим особенностям отдельных разрезов, были проведены работы по выполнению ВЭЗ в двух контрастных по почвенным условиям частях Степного Крыма: в Восточном Присивашье (Советский район, темно-каштановые солонцеватые почвы), на Центральной высокой равнине (Первомайский район, черноземы карбонатные на элювии и делювии карбонатных пород). Полевые работы по вертикальному электрозондированию проводились с применением автоматического измерителя электрических параметров почв и растений «LandMapper», снимая показания с четырехэлектродной симметричной установки по схеме Шлюмберже. Значения кажущегося удельного электрического сопротивления (КС) - показателя явно измеренного для неоднородного электрического поля в неоднородном объеме почвы, усреднялись для серий эквивалентных измерений [2; 3].
Результаты и обсуждение. По усредненным значениям данных вертикального электрозондирования темно-каштановой солонцеватой почвы (Советский район) была построена кривая зависимости КС от полуразноса питающей линии измерительной установки, которая представлена на рисунке 1.
Кажущееся сопротивление, Ом м О 5 10 15 20 25 30
Рис. 1. Кривая вертикального электрозондирования тёмно-каштановой почвы в зоне Восточного Присивашья (Советский район)
По мере увеличения полуразноса питающих электродов до семи метров и соответствующего повышения глубинности зондирования, кажущееся удельное электрическое сопротивление почвы закономерно падает с 32 до 6...8 Омм.
Дальнейшее увеличение глубинности установки приводит к стабилизации величины КС на уровне 8,0...8,9 Омм. Представленные на графике перегибы кривой функции кажущегося сопротивления в зависимости от полуразноса электродов линии питания отвечают границам перехода между слоями с различной электропроводностью. Такая кривая содержит информацию об изменении удельного электрического сопротивления почвы с глубиной, но не напрямую, а опосредованно через длину линии питания кондуктометрической установки [3; 8]. С научной и практической точек зрения представляется целесообразным восстановить по данным вертикального электрозондирования строение почвенно-электрического разреза. То есть, исходя из горизонтально-слоистой модели почвенного разреза, по кривой кажущихся сопротивлений определить мощности слоёв разреза и их удельные электрические сопротивления. Задача интерпретации данных ВЭЗ зачастую не имеет только одного корректного решения вследствие широких пределов действия принципа эквивалентности мощности слоя и его удельного сопротивления [1]. Вместе с тем, достаточную информацию можно получить при интерпретации данных ВЭЗ на основе решении задачи с распространением постоянных электрических полей в слоистом полупространстве из однородных пластов с горизонтальными границами раздела с помощью программы iVES. Результаты интерпретации трёхслойной моделью кривой рисунка 1 представлены в графическом виде на рисунке 2.
Рис. 2. Почвенно-электрический разрез по интерпретации трехслойной моделью данных ВЭЗ тёмно-каштановой почвы в зоне восточного Присивашья (Советский район)
Верхний слой почвенно-электрического разреза по своей мощности, составляющей 35 см, в целом соответствует гумусовому горизонту А. Ниже него выделяется более электропроводный слой мощностью почти два метра (195 см), который можно отнести переходному горизонту В и в нижней части - к материнской породе. Удельные сопротивления этих двух слоев хорошо соответствуют их типичным, по данным А. И. Позднякова, значениям для почв чернозёмного типа [6]. В целом, строение полученного электрического профиля
почвенного разреза до 2,3 м вполне объяснимо морфологическими особенностями южных чернозёмов и тёмно-каштановых почв. Вместе с тем, глубже этой границы расположен слой с аномально низким электрическим сопротивлением - в 4,2 раза ниже, чем в вышележащих горизонтах. Такое положение может быть объяснено наличием на этой глубине зеркала среднеминерализованной грунтовой воды с содержанием солей порядка 6...9 г/л [4].
Результаты вертикального электрозондирования чернозема карбонатного на элювии и делювии карбонатных пород на Центральной высокой равнине Крыма (Первомайском район) принципиально отличаются от данных, полученных в восточном Присивашье. В соответствии с рисунком 3 кривая кажущегося сопротивления в интервале полуразносов питающих электродов от 0,3 до 3 м показывает практическое постоянство его значений на уровне 43...44 Омм.
Кажущееся сопротивление, Ом м
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 п п -I-1--1--1--1-1-1-1-1--1-1-1--1--1--1--1-и П ()
Рис. 3. Кривая вертикального электрозондирования чернозема карбонатного в зоне центрального Крыма (Первомайский район)
Затем, при увеличении глубинности измерительной установки отмечается резкий переход к набору значений кажущегося электрического сопротивления вплоть до 100...110 Омм при полуразносах электродов линии питания до 11...15 м. При этом на участке роста КС кривая имеет выраженный перегиб, который можно трактовать, как границу между слоями с разным удельным электрическим сопротивлением. В связи с такими особенностями кривой ВЭЗ, непротиворечивые результаты компьютерной интерпретации были получены при использовании трёхслойной модели почвенно-электрического разреза. Его схема представлена на рисунке 4.
В этом случае интерпретация вертикального электрозондирования не выделяет обособленного по электрофизическим свойствам слоя, который можно было бы идентифицировать как гумусовый слой почвы. Контрасты удельных сопротивлений трёх представленных на схеме слоёв объяснимы различиями их скелетности. По данным А. И. Позднякова [3], удельное сопротивление карбонатных почв Крыма тесно связано с содержанием в них
скелетных частиц и выражается экспоненциальной зависимостью. Так, для верхних слоев обсуждаемого почвенно-электрического разреза, в соответствии с их интерпретированным удельным сопротивлением, расчетное содержание скелетной фракции составляет 34...36%. На псевдоглубине 2,3 м диагностируется граница, связанная с переходом относительно высокоомно-му слою с содержанием скелета 53%. о-
Рис. 4. Почвенно-электрический разрез чернозема карбонатного по интерпретации трехслойной моделью данных ВЭЗ в зоне центрального Крыма (Первомайский район)
Для второго участка вертикального электрозондирования на Центральной высокой равнине Крыма (пикет 4) характерно прямая, близкая к линейной зависимость кажущегося сопротивления почвы от половины расстояния между питающими электродами измерительной установки. Графическое представление этой зависимости дано на рисунке 5.
Кажущееся сопротивление, Ом м
3 £
Г о
С
Рис.
5. Кривая вертикального электрозондирования чернозема карбонатного в зоне центрального Крыма (Первомайский район)
При начальных разносах электродов питания регистрировалось минимальное кажущееся электрическое сопротивление пород: 16...30 Омм. По мере увеличения расстояния между ними значение КС закономерно повышалось и достигало 190 Омм при полуразносе 14 м. Компьютерное интерпретирование обсуждаемой кривой ВЭЗ выделяет три контрастных по мощности и удельному сопротивлению почвенно-электрических слоя, схематическое представление которых показано на рисунке 6.
Рис. 6. Почвенно-электрический разрез чернозёма карбонатного по интерпретации трехслойной моделью данных ВЭЗ в зоне центрального Крыма (Первомайский район)
По результатам интерпретации верхний слой почвенно-электрического разреза имеет мощность 0,4 м при удельном сопротивлении 15 Омм. Его с большой долей вероятности можно отнести гумусовому горизонту А. Относительно низкое электрическое сопротивление первого от дневной поверхности слоя обусловлено сравнительно высоким, до 90%, содержанием мелкозёма.
В промежуточном слое мощностью 3,2 м удельное сопротивление соответствует расчетному содержанию скелетных частиц 50...54%. На глубине 3,6 м ожидается граница почти девятикратного скачка УЭС пород обсуждаемого разреза. Такое высокое удельное сопротивление характерно для плиты монолитного известняка. Результаты интерпретации данных ВЭЗ обсуждаемого профиля в целом подтверждаются строением разреза расположенного в близости от карьера по разработке строительного камня-ракушечника.
В целом, результаты малоглубинного вертикального электрозондирования почвенных профилей пашни различных зон равнинной части Крымского полуострова в определенной степени характеризуют такие особенности их строения и состава, которые оказывают существенное, а иногда определяющее влияние на плодородие почв и урожайность полевых культур. Среди них первоочередное значение имеют такие диагностируемые методом ВЭЗ показатели как мощность гумусового горизонта, скелетность, засолённость, глубина залегания минерали-
зованных грунтовых вод. В каждом конкретном случае для корректной интерпретации массовых данных ВЭЗ необходимо в ограниченном объеме проводить прямые исследования почвенных профилей. Совместное использование высокопроизводительного дистанционного электрозондирования с прямыми методами исследований почвы создает обоснованные предпосылки для обеспечения координатных агротехнологий объективной и достаточно детализированной для принятия управляющих решений агрономически значимой информацией о пространственном распределении особенностей строения и состава профилей почв.
Выводы. Электрофизические свойства почвенного покрова различных частей степной зоны Крыма заметно различаются как по зональным особенностям среднего уровня КС, так и по изменчивости по профилю. Малоглубинное ВЭЗ методом сопротивлений совместно с методами прямого изучения почвенных профилей перспективно для моделирования мощности гумусового горизонта, скелетности и засолённости почв, глубины залегания и степени минерализации грунтовых вод с целью обеспечения точных технологий выращивания озимой пшеницы в Крыму. Электропрофилирование на постоянном токе позволяет локализовать проблемные участки полей - пространственные аномалии КС, обусловленные засолённостью или высокой скелетностью профиля почвы.
Список использованных источников:
1. Заславский М. Ю. Об интерпретации данных электроразведки постоянным током // Математическое моделирование. - М.: МГУ им. М. В Ломоносова, 2010. - т. 22. - № 3. - С. 3-14.
2. Куфуд О. Зондирование методом сопротивлений. - Пер. с англ. -М.: Недра, 1984. - 270 с.
3. Опанасенко Н. Е., Поздняков А. И. Методические рекомендации по изучению и оценке садопригодности скелетных почв вертикальным электрическим зондированием. - Ялта: ГНБС, 1989. - 38 с.
4. Поздняков А. И. Оценка засоления почв и грунтовых вод методами электрического сопротивления / А. И. Поздняков, Е. В. Шеин, А. В. Федотова, А. П. Шваров. - М.: МГУ им. М. В. Ломоносова, 2009. - 77 с.
5. Поздняков А. И. Полевая электрофизика почв. - М.: МАИК «Наука / Интерпериодика», 2001. - 188 с.
References:
1. Zaslavsky M. U. On the interpretation of electrical data DC // Mathematical modeling. - M.: MSU. M. V. Lomonosov Moscow State University, 2010. - 22 t. - Number 3. -P. 3-14.
2. Kufud O. sensing resistors. -Ed. from English. - M.: Nedra, 1984. -270 p.
3. Opanasenko N. E., Pozdnyakov A. I. Guidelines for the Study and Evaluation suitability for the garden skeletal soils vertical electrical sounding. -Yalta: GNBS, 1989. - 38 p.
4. Pozdnyakov A. I. Assessment of soil salinity and groundwater means the electrical resistance / A. I. Pozdnyakov, E. V. Shein, A. Fedotov, A. P. Shvarov. -M.: MSU. M. V. Lomonosov Moscow State University, 2009. - 77 p.
5. Pozdnyakov A. I. Field electro-physics soil. - M.: IAPC «Nauka / Interperiodica», 2001. - 188 p.
6. Поздняков А. И. Электрические параметры почв и почвообразование // Почвоведение, 2008. - J№ 10. - С. 1-11.
7. Электроразведка: Справочник геофизика. В двух книгах / Под ред. В. К. Хмелевского и В. М. Бондарен-ко. Книга первая. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1989. - 438 с.
8. Pozdnyakova L. Electrical properties of soils: Ph. D. dissertation. - Laramie, WY: University ofWyoming, 1999. - p. 136.
Сведения об авторах:
Изотов Анатолий Михайлович -доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заместитель директора по научной работе Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: a.m.izotov@mail.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».
Тарасенко Борис Алексеевич -кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры растениеводства ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: boris.tarasenko.58@ mail.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».
Дударев Дмитрий Петрович -кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры растениеводства ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: kdime_80@mail.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».
6. Pozdnyakov A. I. Electrical parameters of soils and soil formation // Soil Science, 2008. - № 10. - P. 1-11.
7. Geoelectrics: Directory geophysics. The two books / Ed. V. C. Khme-levskiy and V. M. Bondarenko. Book One. - 2 nd ed., Revised. and ext. - M .: Nedra, 1989. - 438 p.
8. Pozdnyakova L. Electrical properties of soils: Ph. D. dissertation. - Laramie, WY: University ofWyoming, 1999. - p. 136.
Information about the authors:
Izotov Anatolii Mihailovich - Doctor of Agricultural Sciences, Professor, the deputy director for scientific work of Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University, e-mail: a.m.izotov@mail.ru, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
Tarasenko Boris Alekeevich - Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor, Department of Plant Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University, e-mail: boris.tarasenko.58@mail.ru, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
Dudarev Dmitry Petrovich - Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor, Department of Plant Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University, e-mail: kdime_80@mail.ru, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal Univer-sity» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
