CC BY
9
Сведения об авторах
Краснов Иван Николаевич - доктор технических наук, профессор кафедры «Технологии и средства механизации агропромышленного комплекса», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» г. Зернограде (Ростовская область, Российская Федерация).
Краснова Александра Юрьевна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Технический сервис в АПК», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Российская Федерация). E-mail: krasnov1310@rambler.ru.
Мирошникова Валентина Викторовна - кандидат технических наук, главный специалист по научно-исследовательской работе дирекции Азово-Черноморского инженерного института - филиала ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Российская Федерация).
Глобин Андрей Николаевич - доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Технологии и средства механизации АПК», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Российская Федерация). Тел.: +7-909-400-61-33. E-mail: globin_andn@rambler.ru.
Information about the authors
Krasnov Ivan Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, professor of Technologies and means of mechanization of the agro-industrial complex, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russian Federation).
Krasnova Alexandra Yuryevna - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Technical service in the agro-industrial complex department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russian Federation). E-mail: krasnov1310@rambler.ru.
Miroshnikova Valentina Viktorovna - Candidate of Technical Sciences, chief research specialist of the directorate, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russian Federation).
Globin Andrey Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, associate professor, professor of the Technologies and means of mechanization of agroindustrial complex department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russian Federation). Phone: +7-909-400-61-33. E-mail: globin_andn@rambler.ru.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
УДК 631.437.213
ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА НА ИЗМЕРЯЕМОЕ УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРИ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОМ ПОДХОДЕ ОЦЕНКИ СВОЙСТВ ПОЧВ ГУМИДНОЙ ЗОНЫ
© 2020 г. М.В. Левшин
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. Установлено, что для эффективного применения электрофизического метода оценки свойств почв гумидной зоны способом переменного электрического поля, необходимо учитывать влияние частоты электрического сигнала. Выявлено различное влияние этого фактора на полученные значения удельного электрического сопротивления на примере черноземов обыкновенных, черноземов солонцеватых и дерново-подзолистых типах почв. Произведена оценка влияния частоты подаваемого сигнала на измеренное удельное электрическое сопротивление при разных уровнях влажности. При повышении частоты в диапазоне влажности 4-20% для черноземов обыкновенных, черноземов солонцеватых и для дерново-подзолистых в диапазоне 4-16% удельное сопротивление уменьшается. В диапазоне влажности 20-32% и 16-32%, соответственно типам почв, происходит насыщение почвы влагой, в результате сопротивление практически не зависит от частоты.
Ключевые слова: удельное электрическое сопротивление, частота переменного электрического поля, гумидная зона, электрофизический метод оценки свойств почвы.
INFLUENCE OF THE FREQUENCY OF THE ELECTRIC SIGNAL ON THE MEASURED SPECIFIC RESISTANCE
IN THE ELECTROPHYSICAL APPROACH TO ESTIMATE THE PROPERTIES OF SOILS IN THE HUMID ZONE
© 2020 M.V. Levshin
Precision farming is recognized as a modern trend in crop production. Its basis is the application of fertilizers, depending on the variability of soil fertility. For the purpose of agrochemical evaluation that meets the requirements of efficiency and expression, the development of high-precision methods is necessary. The modern electrophysical method based on electrical resistance in soil analytical practice has become widespread. It has established itself as a convenient and rapid way to obtain a comprehensive characterization of soil properties. It is well known that in the zone of predominance of arid soils, electrical resistance is actively used, and its inverse is electrical conductivity, to assess salinity. Effective application of the method in humid zones is possible only after assessing the value of individual soil properties for resistance individually and in combination. It has been established that for the effective application of the electrophysical method for assessing the properties of soils of the humid zone by the method of an alternating electric field, it is necessary to take into account the influence of the frequency of the electric signal. A different effect of this factor on the obtained values of electrical resistivity was revealed on the example of ordinary chernozems, chernozems of solonetzic and sod-podzolic soil types. The effect of the frequency of the supplied signal on the measured electrical resistivity at various humidity levels is estimated. With an increase in frequency in the humidity range of 4-20%, for ordinary chernozems, alkaline chernozems, and for sod-podzolic chernozems in the range 4-16%, the resistivity decreases. In the range of 20-32% and 16-32%, respectively, to soil types, the soil is saturated with moisture, as a result, the resistance is practically independent of frequency.
Keywords: electrical resistivity, frequency of an alternating electric field, humid zone, electrophysical method for assessing soil properties.
Введение. Сегодня одним из основных направлений развития в области производства растениеводческой продукции признано точное земледелие [5, 6]. Его базисом является внесение удобрений в зависимости от пестроты почвенного плодородия. Для агрохимической оценки, отвечающей требованиям экономичности и повышению скорости получения первичной информации, необходима разработка высокоточных методов сбора данных.
Современный электрофизический метод, основанный на информации об электрическом сопротивлении, в почвенно-аналитической практике получил широкое распространение. Он зарекомендовал себя как удобный и скоростной способ получения комплексной характеристики свойств почв [7, 8]. Общеизвестно, что в зоне преобладания аридных почв активно используется информация об электрическом сопротивлении и обратной ему величине - электропроводности, для оценки засоления почв [1, 2, 3, 4, 10]. Эффективное применение метода в гумид-ных зонах возможно только после оценки величины отдельных почвенных свойств на сопротивление индивидуально и в совокупности. Выполнение этой задачи даст точное определение возможности применения для этого методов электрофизики [9].
В наши дни существует несколько способов измерения электрических характеристик почв, например с использованием переменного или постоянного электрического тока. У каждого из них есть как свои преимущества, так и недо-
статки. Главным требованием к выбору способа измерения является получение максимального количества данных для характеристики исследуемого объекта. На сегодня более технически совершенным способом признаны измерения, проводимые на постоянном электрическом токе [8].
Не смотря на то, что использование постоянного электрического тока дает данные о профиле почвы, существует достаточное количество исследований, которые говорят о его неэффективности при определении почвенной влаги [7]. Главный аргумент при этом - это неоднозначность и изменчивость показаний во времени, что приводит к получению недостоверных данных о содержании влаги в почве.
Однако при проведении измерений на переменном электрическом токе и получении других характеристик, таких как удельное электрическое сопротивление почвы, недостаточно внимания, на наш взгляд, уделено анализу зависимости полученных результатов измерений от частоты измерительного переменного электрического тока.
Целью данного исследования является получение данных о влиянии частоты измерительного сигнала на получаемые значения удельного электрического сопротивления на фоне изменения уровня влажности и их анализ.
Методика исследования. С целью охвата большего диапазона выраженности признаков, влияющих на электрическое сопротивление, были выбраны основные типы почв Тамбовской области. К ним относятся черноземы
обыкновенные, черноземы солонцеватые и дерново-подзолистые, на образцах данных типов проходило выявления зависимости частотных характеристик от влажности.
Отбор образцов производился на участках, не задействованных в сельскохозяйственном производстве.
Измерение удельного электрического сопротивления проводилось в лабораторных условиях при увлажнении почв до пастообразного состояния, то есть при стандартизированных «равновесных» условиях.
В лаборатории были определены: влажность - термостатно-весовым методом, температура - при помощи цифрового мультиметра ит 61Е; частота измерительного тока задавалась при помощи прямого цифрового синтезатора частоты (DDS), который генерирует сигналы 5-ти различных форм и выдаёт синусоидальный сигнал с частотой до 20 МГц, осциллограммы которых отображаются на двухканаль-ном цифровом осциллографе ISDS205B.
Для непосредственного измерения сопротивления почвы была предложена измерительная ячейка с электродами в виде медных пла-
стин; сама емкость изготовлена в форме куба без верхней грани, выполненная из стекла, с металлическим основанием, а также металлическая крышка, предохраняющая от различных помех, наводок и т.д. Отходящие от электродов провода экранированы, что также защищает процесс измерения от помех.
Всего было исследовано 72 образца.
Результаты исследований и их обсуждение. По итогам измерений, при анализе полученных данных были составлены графики зависимостей удельного электрического сопротивления от влажности при разных частотах подаваемого сигнала.
Влажностная зависимость удельного сопротивления почвы при фиксированных уровнях частоты подаваемого токового сигнала показала, что наиболее низкие значения удельное сопротивление почвы имеет при высоких частотах (10 и 20 МГц). При этом, как можно увидеть на графиках, чем больше влажность почвы, тем в меньшей степени проявляется влияние частоты сигнала.
Рисунок 1 - Влияние частоты сигнала на результаты измерений удельного электрического сопротивления на примере чернозема обыкновенного в диапазоне 0,4-20 МГц
Рисунок 2 - Влияние частоты сигнала на результаты измерений удельного электрического сопротивления на примере дерново-подзолистой почвы в диапазоне 0,4-20 МГц
Рисунок 3 - Влияние частоты сигнала на результаты измерений удельного электрического сопротивления на примере чернозема солонцеватого в диапазоне 0,5-20 МГц
Рисунок 4 - Оценка коэффициента влияния частоты сигнала на удельное электрическое сопротивление на фоне увеличения влажности, рассчитанная по формуле 1
Обычно частотная зависимость электрофизических характеристик почвы, которая по своей структуре относится к капиллярно-пористым материалам, в теории диэлектриков объясняется поляризацией этих материалов в электрическом поле.
С целью оценки влияния частоты сигнала вычислим коэффициент такого влияния, используя следующую формулу:
§(0,5.)-§(2 О])
V =
(1)
где д(0,5) и д(20) - удельные электросопротивления на частотах 0,5 и 20 МГц.
На рисунке 4 с целью иллюстрации приведены графики, характеризующие влияние частоты сигнала (V) в зависимости от влажности (М) для черноземов обыкновенных, черноземов солонцеватых и дерново-подзолистых.
Таким образом, произведя расчеты, можно получить сравнительную таблицу степени влияния частоты на сопротивление при разных уровнях влажности для исследуемых типов почв.
Исходя из данных исследований, представленных на рисунке 4, можно сделать вывод о том, что частота сигнала влияет на величину измеренного удельного сопротивления в диапазоне влажности 4-20% для дерново-подзолистых почв, для черноземов солонцеватых диапазон влажности составляет 4-16%. Максимальный коэффициент влияния частоты среди всех типов почв составляет 0,81 для черноземов солонцеватых при влажности 4%, коэффициент для дерново-подзолистых и черноземов обыкновенных при том же уровне влажности соот-
ветственно равен 0,7 и 0,35. Для выявления объективных причин необходимо анализировать минералогический и гранулометрический состав.
Заключение. На примере черноземов обыкновенных, черноземов солонцеватых и дерново-подзолистых типов почв установлено, что электрическое сопротивление тесно связано с характеристиками подаваемого сигнала, а именно с частотой измерительного тока. Произведена оценка влияния частоты подаваемого сигнала на измеренное удельное электрическое сопротивления при разных уровнях влажности. При повышении частоты в диапазоне влажности 4-20% для черноземов обыкновенных, а для черноземов солонцеватых и дерново-подзолистых типов почв в диапазоне 4-16% их удельное сопротивление уменьшается. В диапазоне 2032% и 16-32% по соответствующим типам почв происходит насыщение почвы влагой, в результате чего сопротивление практически не зависит от частоты.
Литература
1. Бойцова, Л.В. Точная система удобрения в различных ландшафтно-экологических условиях / Л.В. Бойцова, Е.Г. Маглыш // Плодородие. - 2012. - № 5. - С. 4-5.
2. Крамкова, Т.В. Состояние и перспективы оценки земель и почв России / Т.В. Крамкова, Д.Л. Голованов // Материалы докладов VI съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева «Почвы России: современное состояние, перспективы изучения и использования». - Кн. 3. -Петрозаводск, 2012. - С. 138-140.
3. Поздняков, А.И. Зависимости удельного электрического сопротивления от некоторых свойств легких пахотных почв в окультуренных ландшафтах гумидной зоны / А.И. Поздняков, П.И. Елисеев // Вестник Оренбур-
ского государственного университета. - 2012. - № 10 (146). - С. 96-102.
4. Поздняков, А.И. Электрофизические методы экспрессной оценки топографии распределения базовых свойств легких почв гумидной зоны / А.И. Поздняков, П.И. Елисеев // Естественные и технические науки, М.: Спутник, 2012. - № 4 (60). - С. 128-131.
5. Поздняков, А.И. Электрическое сопротивление как возможный показатель окультуренности пахотных супесчаных почв гумидной зоны / А.И. Поздняков, П.И. Елисеев, А.В. Русаков // Вестник Московского университета. Серия 17: Почвоведение. - 2012. - № 2. -С. 54-60.
6. Федотова, А.В. Новый подход к экологической оценке засоленных почв / А.В. Федотова, Л.В. Яковлева // Материалы докладов VI съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева «Почвы России: современное состояние, перспективы изучения и использования». - Петрозаводск, 2012. - Кн. 3. - С. 150-151.
7. Johnson, C.K. Apparent soil electrical conductivity: Applications for designing and evaluating field-scale experiments / C.K. Johnson, K.M. Eskridge, D.L. Corwin // Со^р. Electron. Agric. - 2005. - № 46. - P. 181-202.
8. Lesch, S.M. Apparent soil electrical conductivity mapping as an agricultural management tool in arid zone soils / S.M. Lesch, D.L. Corwin, D.A. Robinson // Сошр. Electron. Agric. - 2005. - № 46. - P. 351-378.
9. Pellerin, L. Multi-dimensional electromagnetic modeling and inversion with application to near-surface earth investigations / L. Pellerin, P.E. Wannamaker // Со^|р. Electron. Agric. - 2005. - № 46. - P. 71-102.
10. Seyfried, M.S. Field calibration and monitoring of soil-water content with fiberglass electrical resistance sensors // Soil Sci. Soc. Am. J. - 2007. - № 57. - P. 1432-1436.
References
1. Boytsova L.V., Maglysh E.G. Tochnaya sistema udobreniya v razlichnykh landshaftno-ekologicheskikh uslovi-yakh [Precise fertilizer system in various landscape and environmental conditions], Plodoodie, 2012, No 5, pp. 4-5. (In Russian)
2. Kramkova T.V., Golovanov D.L. Sostoyanie i per-spektivy otsenki zemel' i pochv Rossii [Dependences of electrical resistivity on some properties of light arable soils in cultivated landscapes of the humid zone], Materialy dokladov VI s"ezda Obshchestva pochvovedov im. V.V. Dokuchaeva «Pochvy Rossii: sovremennoe sostoyanie, perspektivy
izucheniya i ispol'zovaniya», Kn. 3, Petrozavodsk, 2012, pp. 138-140. (In Russian)
3. Pozdnyakov A.I., Eliseev P.I. Zavisimosti udel'nogo elektricheskogo soprotivleniya ot nekotorykh svojstv legkikh pakhotnykh pochv v okul'turennykh landshaftakh gumidnoy zony [Electrophysical methods for rapid assessment of the topography of the distribution of the basic properties of light soils of the humid zone], Vestnik Orenburskogo gosudar-stvennogo universiteta, 2012, No 10 (146), pp. 96-102.
(In Russian)
4. Pozdnyakov A.I., Eliseev P.I. Elektrofizicheskie metody ekspressnoy otsenki topografii raspredeleniya ba-zovykh svoystv legkikh pochv gumidnoy zony [Electrophysical methods for rapid assessment of the topography of the distribution of the basic properties of light soils of the humid zone], Estestvennye i tekhnicheskie nauki, M: Sputnik, 2012, No 4 (60), pp. 128-131. (In Russian)
5. Pozdnyakov A.I., Eliseev P.I., Rusakov A.V. Elektricheskoe soprotivlenie kak vozmozhnyy pokazatel' okul'turennosti pahotnykh supeschanykh pochv gumidnoy zony [Electrical resistance as a possible indicator of cultivation of arable sandy loamy soils of the humid zone], Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 17: Pochvovedenie, 2012, No 2, pp. 54-60. (In Russian)
6. Fedotova A.V., Yakovleva L.V. Novyy podkhod k ekologicheskoy otsenke zasolennykh pochv [A new approach to the environmental assessment of saline soils], Materialy dokladov VI s"ezda Obshchestva pochvovedov im. V.V. Dokuchaeva «Pochvy Rossii: sovremennoe sostoyanie, perspektivy izucheniya i ispol'zovaniya, Petrozavodsk, 2012, Kn. 3, pp. 150-151. (In Russian)
7. Johnson C.K., Eskridge K.M., Corwin D.L. Apparent soil electrical conductivity: Applications for designing and evaluating field-scale experiments, Comp. Electron. Agric., 2005, No 46, pp. 181-202.
8. Lesch S.M., Corwin D.L., Robinson D.A. Apparent soil electrical conductivity mapping as an agricultural management tool in arid zone soils, Comp. Electron. Agric., 2005, No 46, pp. 351-378.
9. Pellerin L., Wannamaker P.E. Multi-dimensional electromagnetic modeling and inversion with application to near-surface earth investigations, Comp. Electron. Agric., 2005, No 46, pp. 71-102.
10. Seyfried M.S. Field calibration and monitoring of soil-water content with fiberglass electrical resistance sensors, Soil Sci. Soc. Am. J., 2007, No 57, pp. 1432-1436.
Сведения об авторе
Левшин Михаил Викторович - аспирант, ФГБОУ ВО «Мичуринский государственный аграрный университет» (Тамбовская область, Российская Федерация). Тел.: +7-953-717-81-36. E-mail: elseti.pts-3@mail.ru.
Information about the author Levshin Mikhail Viktorovich - postgraduate student, FSBEI HE «Michurinsk State Agrarian University» (Tambov region, Russian Federation). Phone: +7-953-717-81-36. E-mail: elseti.pts-3@mail.ru.
Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов. Conflict of interest. The author declares no conflict of interest.
