CC BY
24
УДК 631,42
УСТРОЙСТВО ОЦЕНКИ ПЕСТРОТЫ ПЛОДОРОДИЯ ПОЛЯ ПО ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ПОЧВ
А. А. Кошелев, ассистент; С. И. Щербаков, канд. техн. наук, профессор ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА», т. 8-902-349-5556
Максимальная эффективность применения удобрений при минимальных затратах возможно лишь при применении новых технологий точного земледелия. Построение карт электропроводности почв полей и последующее их применение значительно снижает затраты на проведение отбора проб при картографировании. Поэтому на кафедре «Механизация животноводства» ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» было разработано, изготовлено и испытано устройство картографирования почв поля по электропроводности.
Ключевые слова: точное земледелие, электропроводность, картографирование, устройство, картограмма
Картография очевидной электрической проводимости, или очевидного электрического удельного сопротивления почв геоэлектрическими методами, в настоящее время становится всё более популярной и используемой в точном земледелии. Значения электрической проводимости, или очевидного удельного сопротивления, в каждой точке поля, нанесённые на карту, могут коррелировать с другими свойствами почвы, которые положительно влияют на урожайность.
В настоящее время в мире выпускается небольшое количество устройств картографирования почв. Существует два метода измерения электрической проводимости почв, на основе которых работают все выпускаемые устройства. Это метод измерения сопротивления непосредственным контактом - гальваническое соединение «электродов» с поверхностью почвы и измере-
/
М
ние проводимости электромагнитной индукции без контакта с поверхностью почвы -индуктивное соединение.
Измерения разностей электрических потенциалов, а следовательно, сопротивления, могут производиться в различных «точках» пространства, охваченного созданным электрическим полем. Такой метод используется в основном с методическими целями. Неоднородное по своим параметрам электрическое поле удобно создавать с помощью точечной установки АМЫБ (рис. 1), где гп - расстояние между электродами. Причем в этом случае вовсе не обязательно создавать электрическое поле во всем изучаемом объекте одновременно. Достаточно создать электрическое поле в тех его частях, для которых проводится в данный момент измерение кажущегося удельного электрического сопротивления рк). Тем не менее и в этом случае картина изменения
О О
,, N
Рис. 1. Схема точечной установки АМЫБ
(р) будет адекватна структуре стационарных электрических полей - СЭП, как если бы электрическое поле создавалось во всем объекте одновременно.
Особенно явно это проявляется при измерениях по стенке разрезов и траншей установкой АМЫБ с малыми расстояниями между АВ и МЫ. В этом случае практически при всех измерениях на одном и том же объекте сила тока стабильна, а следовательно, измерения разности потенциалов или напряженности должны быть полностью адекватны изменению сопротивления.
Измерение удельного электрического сопротивления с помощью установок АМЫБ является основным элементом измерений в большинстве методов изучения СЭП искусственной природы, в том числе методах профилирования и зондирования.
Во всех случаях измерений этими методами четырехэлектродную установку АМЫБ можно рассматривать как инструмент - «пробник» для изучения поведения СЭП в почвах. Жесткость расположения электродов АМЫБ, строгая выверенность и повторяемость расстояний между этими электродами позволяют значительно упростить процесс расчета кажущихся удельных электрических сопротивлений, так как для расчета используются одни и те же стандартные коэффициенты установок «К». Причем, полученные кажущиеся удельные электрические сопротивления при определенных условиях измерений могут рассматриваться как сопротивления, аналогичные истинным. Такая операция возможна, в первую очередь, в том случае, когда созданное электрическое поле распространяется в достаточно однородном объеме почвы: морфоне, генетическом горизонте, слое почвы и т. п.
Конечно, такие утверждения всё же остаются весьма условными и в этом случае нельзя получить строгие значения истинных удельных электрических сопротивлений, как в случае измерения гомогенно-однородных сред при создании однородного плоскопараллельного электрического поля, но их значения в какой-то мере приближены к «истинным» удельным электрическим сопротивлениям исследуемых горизонтов.
Например, при измерениях на малых разносах электродов АВ и МЫ, когда распространение электрического поля ограничивается только самыми поверхностными объемами почвы, принадлежащими одному и тому же почвенному горизонту, появляется принципиальная возможность асим-
птотические значения рк считать за «истинные» сопротивления верхнего, первого слоя р. При определенных больших разносах АВ, когда электрическое поле в основном распространяется в однородной материнской (подстилающей) породе (толще), асимптотические значения (рк) также можно считать «истинным» сопротивлением подстилающего слоя (рп).
Измерение сопротивления с помощью четырехэлектродной установки АМЫБ являются основным элементом измерений при изучении поведении искусственных СЭП почв.
Измеряемыми параметрами при изучении сопротивления является разность потенциалов между электродами МЫ (ДЫ) и сила тока в линии АВ (I). Зная расстояние между электродами АМЫБ, легко вычислить коэффициент установки «К» по формуле [8]:
„ пх АМ хАЫ
К =-. (1)
МЫ
Сопротивление рассчитывается по весьма простой формуле [8]:
г ди
р = К—.
(2)
Важной методической особенностью измерения сопротивления на постоянном токе является различная самопроизвольная поляризация электродов, которая включается в измеряемую величину «ди» и тем самым вносит в нее ошибки (Фрид-рихсберг, Сидорова, 1961). В приборах ЭСК и АЭ-72 предусмотрена компенсация самопроизвольной ЭДС поляризации до включения электрического тока в цепь АВ. Но при протекании электрического тока через электроды во время проведения измерений возникает ЭДС так называемой вынужденной поляризации, исключить влияние которой невозможно (Комаров, 1980). Значительно снизить влияние ЭДС вынужденной поляризации до уровня, позволяющего получать достоверные данные о величинах электрического сопротивления почв, можно путем измерения сопротивления на малых токах не больше 10-15 мА, поскольку значительные ЭДС вынужденной поляризации возникают лишь при создании токов в 1-2 сотни мА (Комаров, 1980: Фридрихсберг, Сидорова, 1961). Это методическое требование легко выполнимо, так как для большинства почв возможно измерение сопротивления с помощью указанных приборов при токах не более 3-5 мА. Принципиальная схема измерений сопротивления с помощью установки АМЫБ приведена на рис. 1.
Рис. 2. Схема устройства «Veris - 3100»: 1 - пневмобаллон; 2 - электрод; 3 - рама установки; 4 - амортизаторы
Приборами для измерений могут служить ЭСК или АЭ-72. Величина постоянного электрического тока измеряется любым миллиамперметром постоянного тока (например, М 42100) с подходящим пределом и шкалой измерений. Электрическое поле создается в почве с помощью батарей через посредство заземлителей - электродов.
Поскольку величины измеряемых сопротивлений достаточно сильно меняются для различных почв, то для стабильных и точных измерений ди и I необходимо создавать различное по направленности исходное поле. Электродами могут служить различные металлические стержни таких размеров, чтобы выполнялась точечность
источника.
Существует всего несколько устройств, работающих на основе метода контакта, рабочие органы которых подводят электрический ток и снимают показания падения напряжения, непосредственно контактируя с поверхностью почвы.
В настоящее время компания «Veris» США, выпускает несколько устройств картографирования почв.
Устройство «Veris - 3100» (рис. 2) разрабатывалось специально для картографирования сельскохозяйственных площадей. Это устройство имеет возможность проводить измерения одновременно на двух глубинах, величина частоты перемен-
Рис. 3. Схема разработанного устройства картографирования почв (ПГСХА): 1 - токопроводящий электрод; 2 - рама устройства; 3 - амортизаторы; 4 - пневмобаллон
ного тока составляет 150 Гц. Устройство имеет шесть электродов, расположенных в один ряд.
Внешние электроды удалены от соседних внутренних на расстояние 0,72 м, остальные имеют расстояние 0,24 м. Они прикреплены на отдельные подрессоренные рычаги, которые изолированно прикреплены к раме. Регулирование глубины заглубления осуществляется при помощи передвижения колёс. Передвижение устройства по полю осуществляется при помощи автомобиля. Процесс фиксации данных выполняет ПК, установленный в кабине движителя. Компания «Veris» также выпускает устройства на базе «Veris -3100», отличающиеся количеством электродов. Используют эти устройства в определённых условиях исследования почв. Основным недостатком устройства «Veris -3100» также является его громоздкость.
На основе анализа существующих методов картографирования почв и устройств, выполняющих данные задачи, на кафедре «Механизация животноводства» в
Пензенской ГСХА было принято решение спроектировать и изготовить мобильное устройство для построения карт электропроводности (рис. 3), работающего на основе метода гальванического соединения, так как данный метод в большей степени подходит для работы в условиях Пензенского региона.
Разработанное нами устройство имеет шасси и шесть катящихся электродов, изолированно прикреплённых к нему, с шагом 0,35 м. Электроды установлены под определённым углом атаки, позволяющим снизить погрешность при проведении измерений, так как увеличена площадь контакта электрода с почвой.
Проведённые испытания показали работоспособность устройства на полях Пензенской области, показания электропроводности считывающего прибора варьировали в пределе 4,5...11,5 В. на определённой площади поля. Величина источника тока составляла 12,7 В., что говорит о разнородности почв. Наличие шести электродов, расстояние между которыми 0,35 м,
Рис. 4. Картограмма вариабельности электропроводности почв поля ГНУ «Мордовский НИИСХ»: 0 - 1 В - жёлтый; 1- 2 В - зелёный; 2- 3 В - красный; 3 - 4 В - синий; 4- 5 В - коричневый; 5- 6 В - чёрный
280-
260-
240-
300-
250-
130-1
юо-
50-
34
20
2-4-
Ю
Рис. 5. Картограмма вариабельности электропроводности почв поля ГНУ «Мордовский НИИСХ»
Рис. 6. Картограмма урожайности озимой пшеницы (ц/га) данного поля ГНУ «Мордовский НИИСХ»
10 20
1220
1200
100
МО
100
Рис. 7. Картограмма распределения К2О на опытной поле Мордовского НИИСХ
1
СГ*\- п
0 у 1 А 1
1 ч
1 I
1360
1з20 Ьж
240 200 160 120 80
Рис. 8. Картограмма распределения Л/Оз на опытном поле Мордовскго НИИСХ
Рис. 9. Картограмма распределения Р? О;,
на опытном поле Мордовского НИИСХ
позволяло исследовать разные глубины. Также были выявлены некоторые недостатки. Проведённые доработки экспериментального устройства по определению электропроводности почв поля были направлены на улучшение контакта катящихся электродов с поверхностью поля, так как при проведении испытаний была выявлена нестабильность контакта электродов с почвой, в результате чего значения величин значительно изменялись. Электроды получили дополнительную нагрузку.
После проведения опытов на опытном поле ГНУ «Мордовский НИИСХ» и обработки полученных результатов при помощи программ «Excel» (рис. 4) и «SurfeD> (рис. 5) были построены картограммы электропроводности почв исследуемого поля.
На картограмме 6 чётко видны границы разнородных участков поля. Картограммы 6, 7, 8 и 9 предоставлены для сравнения Мордовским НИИСХ.
На картограммах хорошо видно, что участки с наибольшей электропроводностью имеют большее содержание калия, фосфора, азота. Особенно это хорошо заметно в верхних частях картограмм. Аналогичный результат показала и картограмма урожайности озимой пшеницы, большую урожайность наши коллеги получили в той же части поля. Полученная нами картограмма электропроводности почв поля имеет большее количество разнородно-стей из-за большего количества произведённых измерений.
На данном участке поля мы провели 86 измерений электропроводности, наши коллеги из «Мордовского НИИСХ» отобрали 45 проб по площади поля.
Разработанная нами установка и данный метод определения границ разнородных участков поля позволят значительно снизить затраты на исследования разно-
типных почв по площади поля, так как значительно снизится требуемое количество отбора проб для исследования почвы.
Литература
1. Антипов-Каратаев, И. Н. Физико-химические методы исследования почв. Почвенные растворы, диффузия, фотометрия, интерференция, спектроскопия / И. Н. Ан-типов-Каратаев (отв. ред.). - М.: Наука, 1968. - 168 с.
2. Вадюнина, А. Ф. Зависимость электрических свойств почвы от частоты электрического тока / А. Ф. Вадюнина, Ю. Г. Тка-ченко // Вестник МГУ, сер. Биология, почвоведение. - 1973. - № 4.
3. Горячко, И. В. Электроразведочная аппаратура и оборудование / И. В. Горяч-ко. - М.: Недра, 1965. - 214 с.
4. Изменение потенциала электрического поля некоторых почв // Вестник МГУ, сер. Биология, почвоведение. - 1974. -№ 4. - С. 35.
5. Марченко, Н. М. Механико-технологические основы компьютеризированного проектирования машинных технологий дифференцированного применения удобрений в системе координатного земледелия / Н. М. Марченко, Г. И. Личман. - М.: Труды ВИМ. Т. 129. - 1997.
6. Матвеев, Б. К. Вопросы машинной интерпретации электромагнитных зондирований / Б. К. Матвеев // Прикладная геофизика, вып. 58. - М.: Недра, 1970.
7. Орехова, И. Г. Изменение электрического сопротивления дисперсных материалов в процессе сушки / И. Г. Орехова // Вестник с.-х. науки. - 1967. - № 1. - С. 76-78.
8. Поздняков, А. И. Стационарные электрические поля в почвах / А. И. Поздняков, Л. И. Позднякова, А. Д. Позднякова. - М., 1996. - 354 с.
