МІНІСТЕРСТВО АГРАРНОЇ ПОЛІТИКИ УКРАЇНИ
ТАВАРІЙСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРОТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Кафедра «Сільськогосподарські машини|»
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ|
студентів 2 курсу
факультету «Екології та охорони навколишнього середовища|»
при вивченні дисципліни
«ТЕХНОЕКОЛОГІЯ|»
«Методи визначення вологості ґрунту|»
Мелітополь, 2010
Розробив: к.т.н., доцент Саньков С.М.,
к.с.-г.н., доцент Кольцов М.П.
Рецензент: к.т.н., доцент
Розглянуто і схвалено на засіданні кафедри сільськогосподарських машин, протокол
№ _______ від __________ 20____р.
Схвалено і рекомендовано до впровадження в навчальний процес методичною комісією факультету агротехнології та екології, протокол № ____ від ___ _____20____р.
Комп’ютерний набір і верстка зроблені на кафедрі сільськогосподарських машин доцентом Саньковим С.М.
© С.М. Саньков
ВСТУП
Ріст населення нашої планети ставить проблему продовольства на перше місце. Поряд з цим постійно зростає техногенне забруднення навколишнього середовища, тому виникає задача одержання екологічно чистої продукції сільськогосподарського виробництва. Україна володіє надзвичайним резервом родючих ґрунтів. Тому в минулому вона була, і в майбутньому повинна бути одним зі світових лідерів виробництва високоякісних, екологічно чистих продуктів харчування. Але для цього потрібна повна інформація про стан ґрунтів, про їхню родючість, про інтенсивність забруднення ґрунтів хімічними елементами, пестицидами, радіонуклідами, і т.п., а також залежність цього забруднення від гідрометеорологічних умов.
Ґрунт (земля) - основний природний засіб виробництва продовольства. Вологість і температура ґрунту - одні з головних фізичних властивостей ґрунтів, що визначають його родючість. Без наявності необхідної кількості води в ґрунті і відповідної температури сільськогосподарські культури не проростають узагалі. Вологість ґрунту впливає на розчинність, переміщення й ефективність органічних і мінеральних добрив, на ступінь забруднення ґрунту пестицидами й іншими продуктами техногенного походження, на те, скільки с.-г. рослини засвоять шкідливих для здоров'я людей хімікатів.
Поточна інформація про вологість і температуру ґрунту в системі керування виробництвом с.-г. продукції необхідна, у першу чергу, для прийняття оперативних рішень при розробці екологічно чистих технологій при вирощуванні сільськогосподарських культур з метою одержання максимального врожаю. Маються на увазі технологічні рішення (агротехнічні заходи) у питаннях основної і передпосівний обробки ґрунту, доцільності і термінів сівби (посадки) с.-г. культур, норм і термінів внесення добрив, норм і термінів поливу, і т.п. Однак органи керування, наука, виробництво володіють далеко неповною оперативною інформацією про вологість ґрунтів через недостачу необхідних методів і технічних засобів їхнього одержання.
Найбільше оперативно можна було б одержати інформацію про вологість і температуру ґрунту за допомогою штучних супутників, але ця інформація стосується тільки поверхні землі або декількох сантиметрів верхнього шару ґрунту. Крім того, отримані з космосу дані, необхідно розпізнавати. А це значить, що необхідно градуювати датчики штучних супутників землі. Щоб це здійснювати необхідно, мати надійні наземні експрес-методи і технічні засоби одержання інформації про вологість і температуру ґрунту. Такі засоби повинні забезпечувати одержання репрезентативної інформації в глибинному розрізі (на глибину залягання кореневої системи) і по площі с.-г. поля.
Найбільш відомим методом одержання даних про вологість ґрунту від її поверхні до глибини 100-150 см, пошарово через кожні 10 см, є термостатно-ваговий (ТВ) метод. Він надає можливість одержати дані про вологість ґрунту для всієї глибини залягання кореневої системи с.-г. рослин, що ставить його поза конкуренцією з аерокосмічними методами, якщо мова йде про об'єктивну інформацію в якійсь визначеній точці с.-г. поля. Але, якщо мова йде про відносне поверхневе зволоження усього поля, то тут вже ТВ-метод, також, як і будь-який інший наземний спосіб, не може конкурувати з аерокосмічними методами і засобами одержання цієї інформації.
Разом з тим, ТВ-метод має ряд недоліків, що не сприяють тому, щоб використовувати його як еталон при градуюванні наземних і аерокосмічних приборів. Про них багато писалося в науковій і науково-методичній літературі, при обґрунтуванні необхідності розробки і впровадження нових наземних швидкодіючих експрес-приладів для виміру вологості ґрунту. Але запропоновані дотепер прилади (нейтронний вологомір ВНП-1, "Агротестер", надвисокочастотний вологомір ґрунтових зразків СВП-5, вимірник параметрів ґрунтів ВПГ-1 (ИПП-1) не знайшли широкого поширення в силу наступних об'єктивних причин. Застосування ВНП-1 вимагає установки на полях обсадних (металевих або пластмасових) труб, що заважають міжрядній обробці просапних культур. Надвисокочастотний вологомір ґрунту зразка СВП-5 не здатний цілком замінити ТВ-метод, оскільки для добору ґрунтових зразків використовується ґрунтом бур.
Найбільш пристосовані до умов використання в сільському господарстві "Агротестер" і ВПГ-1. Обидва прилади мають переносний датчик-бур, до якого підключають вимірювальний блок, а після вимірів датчик і вимірник видаляють з поля. Однак "Агротестер" не витримав перших польових випробувань через неточність вимірів. Прибор ВПГ-1 показав прийнятні результати при аналогічних випробуваннях і рішенням Центральної Методичної комісії Госкомгідромету колишнього СРСР у грудні 1988 р. рекомендований до впровадження на гідрометеорологічних станціях України, Росії, Молдови, Казахстану й інших країн СНД. Проте в силу інших причин він також не знайшов широкого поширення. Його датчик-бур виявився механічно недостатньо міцним для застосування на важких ґрунтах. Для визначення вологості ґрунту по показанням ВПГ-1 застосовується досить непроста методика. Для індикації показань прибору застосований мікроамперметр - прилад сам по собі неточний, ушкоджується легко в польових умовах. Для широкого застосування ВПГ-1 необхідно було значно зміцнити конструкцію датчика, спростити методику градуювання і виміру, а в вимірювальному блоці застосувати більш надійну і точну цифрову індикацію показань приладу.
Такий прилад (ВПГ-4ц) створений в Українському науково-дослідному гідрометеорологічному інституті в 2001 році. За даними польових випробувань нового приладу на полях господарств Київської області, що обслуговуються Київської гідрогеологомеліоративною експедицією Госводхозу України, прилад ВПГ-4ц перевищив ТВ-метод за всіма показниками, у тому числі і по точності (репрезентативності) даних про вологість ґрунту на окремому с.-г. поле (угіддя). Середньоквадратичне відхилення від даних термостатно-вагового методу для ВПГ-4ц складало 1,5 %. Це на 0,5 % точніше, ніж показує ВНП-1 і на 1,0 % точніше ВПГ-1. Досягти цього удалося завдяки тому, що при вимірі вологості застосований новий, винайдений в УКРНДГМІ, спосіб виміру електричній ємності і вологості.
Як відомо, основним способом одержання найбільш об'єктивних даних про вологість ґрунту, на думку багатьох дослідників, є ТВ - метод. Але при цьому, як правило, не враховують те, що Тв-метод не відображає просторово поля вологості (тобто він не репрезентативний) тому, що вологість ґрунту визначається не в 10-см шарі усього поля, зайнятого конкретною с.-г. культурою, а тільки в тім зразку ґрунту, який відбирається для аналізу в алюмінієву баночку (орієнтовно, 40-50 грам ґрунту). У той же час ВПГ-4ц вимірює вологість в обсязі ґрунту, що нагадує форму циліндра, висотою 10 см і діаметром 60 см, а це була би проба вагома, біля, 40-50 кг сухого ґрунту.
1 Наземні методи і засоби визначення й експрес-вимір вологості та температури грунту
Для визначення вологості ґрунту в мережі агро- і гідрометеорологічних станцій України, у підрозділах інших відомств широко використовують метод повітряного або теплового сушіння ґрунтових проб (зразків) - термостатно-ваговий (ТВ) метод. Це прямий метод. Відповідно до нього вологість ґрунту на сільськогосподарських угіддях визначають шляхом добору ґрунтових проб з окремих шарів на глибині від 5 до 100-150 см, використовуючи спеціальний ґрунтовий бур, (наприклад, АМ-26). Ці проби поміщають в алюмінієві бюкси обсягом 50 куб. см і транспортують у ґрунтову лабораторію, де визначають їхню масу з вологим ґрунтом. Після висушування в термостатах визначають масу цих же бюксів разом із сухим ґрунтом. При відомій масі порожнього бюкса розраховують вологість ґрунту. Коректне виконання всіх перерахованих вище операцій цим методом дозволяє з досить високою точністю визначати вологість окремого зразка ґрунту, тому його часто використовують для градуювання ґрунтових вологомірів.
Головними недоліками ТВ-методу є наступні:
- в зв'язку з тим, що вологість визначають в окремому зразку ґрунту, а не у всьому шарі 10 см даного поля, отримані дані є випадковими і їх, здебільшого , неможливо поширювати на все поле.
- Тривалість процесу визначення вологості ґрунту складає 1,5-2 дня. Це приводить до запізнення при прийнятті важливих технологічних рішень, тому що при значних опадах або суховіях вологість ґрунту за цей час може істотно змінитися
- Трудомісткість методу і вартість апаратури обумовлюють високу вартість одержання необхідної інформації про вологість ґрунту
З огляду на зазначені недоліки термостатно-вагового методу визначення вологості матеріалів, уже протягом досить тривалого часу вчені, конструктора розробляють непрямі (опосередковані) методи, засновані на вимірі фізичних властивостей ґрунтів, що у визначеній мері залежать від їхній вологості. Однак увагу науковців і практиків привабили лише декілька пропозицій. Серед них нейтронний вологомір ВНП-1 Інституту гідротехніки і меліорації (Київ), прилад "Агротестер" Новосибірського відділення ВАСГНІЛ і вимірник параметрів ґрунтів ВПГ-1 (ИПП-1) Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту (Київ). Розглянемо основні їхні технічні дані і дамо їм коротку оцінку.
1.1 Нейтронний вологомір внп-1
Принцип дії цього приладу заснований на здатності атомів водню сповільнювати рух швидких нейтронів, переводячи їх у ранг повільних. У складі приладу – електронний цифровий вимірювальний блок з індикатором на рідких кристалах і датчик, сполучений в одному корпусі з джерелом швидких нейтронів. Для повторних вимірів в одній і тій же точці поля необхідно пробурити свердловину на глибину 1-1,5 м і вставити в неї стаціонарну обсадну металеву, або пластмасову трубу, щоб закріпити стінки і попередити опадання ґрунту. Внутрішній діаметр труби повинний бути таким, щоб дозволяв легко рухатися датчикові ВНП-1 при кількаразовому переміщенні його на різні глибини.
Рисунок 1 - Нейтронний вологомір ВНП-1
Технічні дані ВНП-1 такі: діапазон виміру вологості складає 0,05-0,5 г/см3 (або 5-50 %), погрішність виміру - 0,025 г/ см3 (або 2,5 %). Загальна вага комплекту без обсадних труб - 5 кг. Задум засновників цього методу була такий: вода складається з двох атомів водню й одного атома кисню; якщо занурити датчик приладу в ґрунт і потім вимірювати енергію нейтронів, уповільнених атомами водню, то на базі цих даних можна дуже точно визначити зміст води в ґрунті. Спочатку при впровадженні цього методу навіть вважалося, що це ідеальний метод, розрахований якраз на такі об'єкти, як ґрунт. Однак, як пізніше з'ясувалося, при цьому не було враховано багато супутніх факторів, що вносять істотні помилки при визначенні вологості ґрунту цим методом. Насамперед , атоми водню входять не тільки до складу води, але і до складу органічної частини ґрунту (гумусу, залишків рослин, що перегнили і не перегнили, органічних добрив і мікрофлори). Органічна фракція ґрунту, по літературним даним, може досягати 20 відсотків від усієї маси ґрунту. Таким чином, при абсолютній вологості ґрунту 20 %, максимальна погрішність може досягати 100 % тільки за рахунок не врахування органіки і мікрофлори
1- повітря, 2 - ґрунт, 3 - датчик-зонд приладу ВНП-1, 4- обсадна труба.
Рисунок 2 - Датчик ВНП-1 на глибині 10 см.
По-друге, сфера дії нейтронного методу має радіус 30 см. Це означає, що їм можна вимірювати концентрацію повільних нейтронів у сфері діаметром 60 см (тобто в шарі ґрунту висотою 60 см), а це у свою чергу означає, що у верхніх шарах ґрунту 0-10 і 0-20 см цим методом визначати вологість просто не можливо. При зануренні датчика на глибину 10 см прилад ВНП-1 завжди показує нуль, навіть при повному насиченні ґрунту водою, а на глибині 20 см дані вологості ґрунту мають у 1,5-2 рази менші значення в порівнянні з глибиною 30 см Це явище зв'язане з тим, що на глибинах до 20 см сфера дії нейтронного методу включає не тільки ґрунт, але і повітря, де концентрація атомів водню в одиниці об'єму значно більш низька, чим у ґрунті (див. рис. 2). Тому ВНП-1 рекомендують застосовувати, починаючи з глибини не менш 30 см. Це істотний недолік даного методу, тому що вологість орного шару ґрунту найбільш непостійна, а інформація про неї найбільш необхідна.
По-третє, потреба закладання на полях обсадних труб створює визначені незручності для господарників. Такі труби могли б стояти на полях з колосовими культурами і травами в період між останнім обробленням (боронуванням посівів, підгодівлею, і т.п.) і збиранням. Щодо просапних культур, то тут період, коли обсадні труби можуть знаходитися на поле, ще коротше. У той же час термостатно-ваговий метод гідрометеостанції використовують весь вегетаційний період і навіть, частково, узимку. Ми назвали тільки три недоліки, характерні для нейтронного методу визначення вологості ґрунту. Крім того, погрішності цього методу, як і будь-якого іншого, зв'язані також з не врахуванням щільності, температури, механічного і хімічного складу ґрунту, інших факторів.