ЛЕКЦИЯ ПО СИСТЕМНОМУ АНАЛИЗУ: Исследование методов измерения влажности почвы.

 В аграрной сфере показатель производительности в растениеводстве зависит от качества почвы. Чтобы был высокий урожай, необходимо, чтобы почва была насыщена влагой. Проблема заключается либо в нехватке влажности, либо в переизбытке, что в свою очередь пагубно влияет на растения. Исследования качества почвы начинаются с контроля пахотного слоя. Контроль позволяет определять время сева семян и сбора урожая. Однако в области точного земледелия трудно оценить показатель влажности, потому что он зависит от правильности применения полученных данных. Данные, предоставленные на анализ, должны обладать достоверностью о состоянии пахотного слоя почвы. Замена ручного труда (применение лабораторного метода) на автоматику тоже ведет к улучшению производительности и сокращению времени на анализ почв. На данный момент в России исследуют почву традиционным способом, в соответствии с «Методическими указаниями по проведению комплексного агрохимического обследования почв сельскохозяйственных угодий» и «Методическими указаниями по проведению комплексного мониторинга плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения». На исследуемом участке определяются точки для проведения измерений, зависящих от макро и микрорельефа местности (склоны, холмы, ложбины) и выкапывается вертикальная выработка. На больших площадях по одной точке на гектар. Площадь и местоположение выбирают приблизительно, что даёт неточный результат. Это заметно при сравнении результатов анализа за несколько лет, так как проба берётся не в том же самом месте, а с погрешностью в десятки метров или более. Измерения на выбранных участках проводят обычно в весной и летом, во время жизненного цикла растений. Измерения проводят перед посадкой, внесением удобрений и уборкой урожая. Делают это из-за сложности получения и обработки большого количества данных, из-за проблемных участков, сравнивая их с наилучшими (на склоне — верх, середина, низ), из-за малой производительности, сильной изменчивости погодных условий, неоднородности плодородия земельных участков, отсутствия одновременности, равнокачественности и краткосрочности всех работ на участках, с большим количеством исследуемых параметров. Нарушение измерений ведет к искажению результатов. Даже незначительные отклонения во влажности почвы, вызванные неравномерностью полива, приводят к различиям в продуктивности растений. Во многих сельскохозяйственных производствах применяют современные методы, основанные на автоматизированных системах измерения, компьютерной технике, системе глобального позиционирования (GPS, ГЛОНАС), имеющие большое количество достоинств. Основными из них являются:

 – определение точного местонахождения объекта; 

– автоматическая разметка территории; – возможность визуального отображения длин и площадей объектов на мониторе бортового компьютера; 

– ведение пространственной базы данных, полученной информации с привязкой к координатам места;

 – автоматический отбор пробы почвы. 

Перечисленные показатели являются характеристикой «точного земледелия». Основным принципом точного земледелия является постоянный мониторинг состояния почвы на выбранном микро-участке поля. Контролируются плотность, твердость, влажность, агрегатный состав, содержание микроорганизмов и микроэлементов в почве, их распределение по всей территории. Чтобы управлять почвенно-водным режимом необходимо проводить наблюдения и вести базу данных. Для этого существует множество методов и технологий, позволяющих измерять уровень влажности почвы и грунта контактно либо бесконтактно. 

Методы определения влажности почвы делятся на контактные и бесконтактные. 

Контактные в свою очередь делятся на прямые и косвенные, а бесконтактные — на портативные и дистанционные. 

Основные методы измерения влажности почвы 

При прямых методах проводят отбор проб на разной глубине, а затем анализируют, полученные результаты. В таких методах разделяют материал на сухое вещество и влагу. В косвенных методах измерения, по сравнению с прямыми методами, исследуют физические показатели, зависящие от влажности материала или среды. Измеряется величина, показывающая влажность материала. Оценивается изменение свойств почвы. В косвенных методах сначала проводят калибровку, чтобы установить зависимость влажности почвы и измеряемой физической величины. К таким методам относят механические методы, где измеряются изменяющиеся с влажностью механические характеристики твердых материалов. Достоинством косвенных контактных методов является быстрое проведения. При термостатно-весовом методе производится сушка отобранной почвы, чтобы вес образца достиг равновесия с окружающей средой. Сушка производится до тех пор, пока вес не достигнет минимального значения. На это уходит минимум — 5 часов, максимум — 8 часов. Полученное равновесие является показателем полного удаления влаги. При экстракционном методе влагу убирают не сушкой, а введением в исследуемый образец водопоглощающей жидкости (диоксан, спирт). После введения исследуется жидкий экстракт, зависящий от влагосодержания: плотности, показателя преломления, температуры кипения или замерзания. Пиктонометрический метод является «обратным» двум предыдущим. Потому что образец почвы не осушается, а увлажняется, пока не будет превышен порог влагоудержания — объем жидкости, которого нужно достичь для расчета изначальной влажности пробы. Экстракционный и пиктонометрический методы являются лабораторными и неточными, в отличие от термогравиметрического. В гигрометрическом методе измеряется разность температур сухого и влажного термометров. Рассматривается ухудшение водопоглощающих материалов из-за увеличения от влаги, находившихся в почве. Образец почвы уменьшается из-за высокого давления, которое фиксируется на шкале «давление», на другой шкале отмечается величина усадки. Величина усадки выше, чем выше влажность исследуемой почвы. Усадка происходит только до степени насыщения почвы водой, равной к полевой. Электрические методы показывают зависимость влажности и электрических свойств, таких как электропроводность, диэлектрическая проницаемость, диэлектрическая проницаемость буферной промежуточной среды — влагообменника, контактирующего с почвой. Электрические влагомеры бывают одно- и многоуровневыми, измеряя влажность одновременно на нескольких глубинах, переносными с индивидуальным дисплеем или предполагающим стационарную установку и интеграцию в какую-либо систему. При дистанционных методах фотографируется поверхность Земли без прямого контакта с почвой, а затем измеряются. Осуществляются летательным аппаратами, наземной платформой с установленными на них системами гравитационной регистрации электромагнитных полей и определенной частотой радиоизлучений, с выведением информации в виде графиков, сигналов и кривых спектральной яркости. В зонах с разряженным и низким слоем растительности, влажность четко отображается на снимках. Использование данных методов исследования в аграрном хозяйстве является технически сложным из-за дорогостоящего оборудования. 

Метод регистрации теплового (инфракрасного) излучения — это способ исследования инфракрасных сигналов оптического излучения в спектре электромагнитных колебаний почвы различной влажности с помощью экспериментальной установки. Для этого каждую выбранную точку на поверхности предварительно нагретой почвы представляют как центр, из которого испускается инфракрасное излучение во всех направлениях и, к которому поступает инфракрасное излучение из окружающего пространства.  Спутниковый мониторинг — это новая разработка, дорогая и мало испытанная. 

Продвижения этого метода прогнозируют популярность метода в будущем с помощью сервисов, использующих спутниковое наблюдение. Эти методы могут применяться стационарными платформами, с самолетов или с околоземной орбиты, как бесконтактно с малого расстояния, так и со большого расстояния. Таким образом, если опираться на точность измерений, то особого различия в методах нет, погрешность методов колеблется от 2 до 4 %. Если же рассматривать скорость получения результатов, наиболее быстро происходит при электрометрическом методе, но из-за плохого контакта измерителя с почвой, возможны погрешности результатов. Тензометрический метод более точный и доступный по цене, но зависит от температуры.  Электрометрический метод измерения влаги почвы является наиболее выгоден из-за скорости измерения. Электрометрический метод можно проводить в любое время года. Средства, реализующие данный метод, применяются в автоматизированных системах.