НОВОСТИ

О чем рассказывает удельная электропроводность почвы

ТЕГИ: карты электропроводности сенсоры электропроводность почвы

Роберт «Бобби» Гриссо, преподаватель и инженер-агротехник

Марк Элли, профессор агрономии и специалист по плодородию

Дэвид Холсхаусер, адъюнкт-профессор и консультант по выращиванию сои

Уэйд Томасон, адъюнкт-профессор и консультант по зерновым культурам  Вирджинский технический университет

Удельная электропроводность почвы (или просто электропроводность) - показатель, коррелирующий со свойствами почвы, оказывающими влияние на продуктивность выращиваемых культур. Речь идет о структуре почвы, емкости катионного обмена почвы (CEC), дренажной системе, уровне органических веществ, осолоненности и других характеристиках подпочвы.

В этой публикации мы обсудим следующие темы:

1) каким образом при работе непосредственно на поле электропроводность почвы может быть связана со специфическими свойствами почвы, влияющими на урожайность культур, - глубиной верхнего (пахотного)слоя почвы, кислотностью, концентрацией солей и водоудерживающей способностью;

2) как карты электропроводности почвы, визуально корреспондирующие картам урожайности, могут помочь в объяснении колебаний урожайности.

Экономия времени

Фермеры, практикующие точное земледелие, сегодня могут получить более подробную информацию о пространственных характеристиках своих сельскохозяйственных операций, чем это было возможно прежде. Теперь в дополнение к картам урожайности, картам границ участка и различным картам полей разрабатываются новые электронные, механические и химические сенсоры, позволяющие замерять множество свойств почвы и растений, необходимых для уточнения параметров и составления карт. Электропроводность почвы - одна из простых в использовании и самых дешевых в измерении характеристик поля, имеющихся в распоряжении фермера. Замеры почвенной электропроводности могут за короткий промежуток времени дать больше данных, чем традиционный отбор почвенных образцов. Электропроводность почвы меняется в зависимости от количества влаги в частицах почвы. У песков низкая электропроводность, илистые почвы обладают средней электропроводностью, глинистые почвы - высокой. Следовательно, электропроводность устойчиво коррелирует с размерами и структурой составляющих почву частиц.

Значения электропроводности не только указывают на различия в структуре почвы,но и тесно связаны с другими свойствами почвы, используемыми для определения продуктивности почвы. Водоудерживающая способность/дренаж. Засушливые участки обычно отличаются заметными различиями в структуре почвы от участков, в которых воды в избытке. И это можно определить с помощью электропроводности. Почвы со средним уровнем электропроводности, имеющие среднюю структуру и среднюю водоудерживающую способность, часто оказываются наиболее плодородными. Поскольку водоудерживающая способность уже сама по себе оказывает сильнейшее влияние на урожай зерновых, то данные о ней - самая ценная информация, которую дают показатели электропроводности.

Измерение электропроводности в почве.

Электропроводность (soil conductivity) - это свойство материала передавать (проводить) электрический ток, измеряемое в сименсах на метр(См/м) или в миллисименсах на метр (мСм/м). Электропроводность почвы может выражаться также в децисименсах (дСм/м).

Что означает миллисименс на метр (мСм/м)

Это стандартная единица измерения величины электропроводности почвы. В сименсах измеряют электропроводность материалов. Преимущество стандартной единицы измерения в том, что она дает точные количественные данные. Визуальная оценка почвы позволяет легко выявить цветовые различия, но не дает количественного значения и объяснения сути цветовых различий. Карты электропроводности почвы показывают значение в мСм/м, что позволяет узнавать и одинаковым образом обрабатывать участки со сходными показателями электропроводности.

Электропроводность почвы
Электропроводность почвы

Емкость катионного обмена почвы (CEC) зависит от процента глины и органических веществ. С увеличением их содержания растет и емкость катионного обмена. Исследования подтверждают корреляцию между электропроводностью и показателем CEC. Глубина глинистого слоя или каменистой породы. Реакция электропроводности на присутствие глины используется для точного определения глубины пахотного слоя, лежащего над глинистым слоем или каменистой породой. Пористость. Чем выше общая пористость почвы, тем лучше она проводит электричество. При одинаковости всех остальных параметров почва с высоким содержанием глины отличается более высокой пористостью, нежели песчаные почвы.

Осолоненность. Избыток растворенных солей в почве легко определяется с помощью показателя электропроводности.

Температура. Снижение температуры до точки замерзания воды приводит к некоторому снижению электропроводности. Если температура опускается ниже точки замерзания, общая электропроводность почвы резко снижается.

Как измерить электропроводность

Для измерения электропроводности в полевых условиях используются коммерческие кондуктометры с двумя типами сенсоров - контактными и бесконтактными. Использование обоих типов сенсоров дает примерно одинаковые результаты.

1. Контактный сенсор

Рис.1. Принцип работы кондуктомера с сенсором контактного типа

Рисунок 1 

В этом типе сенсора в качестве электродов используются щупы, которые опускаются в почву и замеряют ее электропроводность. Всего на панели устанавливают несколько пар таких щупов; на одну пару (передающие электроды) подается напряжение, остальные (принимающие электроды) служат для измерения падения напряжения между ними (рис. 1). Электропроводность почвы фиксируется регистратором данных одновременно с информацией о месте замера. Эту информацию предоставляет регистратору система глобального позиционирования (GPS). Контактные сенсоры в точном земледелии популярнее бесконтактных, потому что позволяют быстро картировать большие участки и не так подвержены воздействию внешнего электрического поля. Недостаток контактных сенсоров в том, что они массивнее бесконтактных и потому не годятся для небольших экспериментальных участков и маленьких делянок. В настоящее время компания Veris Technology выпускает кондуктометр для измерения почвенной электропроводности контактного типа, в том числе несколько коммерческих моделей, предназначенных для свободной продажи. Одна из таких моделей дает показания электропроводности с двух глубин (30,48 см и 91,44 см -1 фут и 3 фута). Другая модель, поменьше, может быть использована как прицеп к небольшому вездеходу, но она показывает электропроводность только на одной глубине. Обе модели могут прицепляться к грузовику (рис. 2) и работать при скорости до 10 миль/час (около 16 км/час. - Ред.). Расстояние между точками замера составляет от 6,1 м до 18,3 м в зависимости от желаемой плотности дискретизации или от количества разных видов почв на одном поле.

Рис.2. Грузовик с прицепленным кондуктомером

Рисунок 2

2.  Бесконтактный сенсор

Рис.3. Принцип действия кондуктомера с сенсором бесконтактного типа

Рисунок 3

Бесконтактные сенсоры электропроводности работают по принципу электромагнитной индукции. При этом не требуется непосредственный контакт с почвой. Инструмент состоит из передатчика (трансмиттера) и принимающей (приемной) катушки (рис. 3), устанавливаемых на противоположных концах устройства. Под воздействием электрического поля трансмиттера в приемной катушке индуцируется электрический ток который можно измерить. Сила этого тока будет пропорциональна электропроводности почвы. Чтобы избежать помех, трансмиттер и приемная катушка должны устанавливаться на неметаллическую основу (рис. 4). Эти сенсоры легкие: их под силу нести одному человеку, что особенно полезно при замерах на небольших делянках. ЕМ-38 (производство Geonics Limited) и GEM-2 (производство Geophex) -две популярные модели бесконтактных сенсоров. GEM-2 - цифровой многочастотный сенсор,способный замерять электропроводность на разных глубинах. ЕМ-38 работает только с фиксированной (постоянной) частотой и дает эффективные замеры электропроводности на глубине чуть больше 1,5 м в горизонтальном и 0,76 м в вертикальном режиме.

Рис.4. Электромагнитное устройство,установленное на самодельный трактор

Рисунок 4

Электропроводность и урожайность

 После того как фермер, использующий точное земледелие, создаст карты урожайности и сделает предварительную оценку ожидаемого урожая, он приступает к определению поддающихся коррекции факторов, влияющих на урожайность. Разница в свойствах почвы -одна из самых очевидных причин, влияющих на урожай. Электропроводность почвы позволяет оценивать изменения в некоторых физических свойствах почвы непосредственно на поле. Карты урожайности коррелируют с картами почвенной электропроводности, как показано на рис. 5. Часто их сходство объясняется различиями в почве. Водоудерживающая способность почвы - главный фактор, влияющий на урожай, и карту урожайности можно соотнести с картой электропроводности. Чаще всего карты электропроводности почвы дают ценную информацию о сходствах и различиях почв на разных участках поля, что делает возможным деление поля на несколько  более мелких делянок с разными видами обработки.

Рис.5. Сравнение карт урожайности с картой электропроводности

Влияние почвенной влаги

Действительно ли карта поля, отражающая изменения в состоянии почвенных вод, показывает новые зоны, появившиеся вследствие изменения увлажненности? Чтобы карты электропроводимости почвы имели реальную ценность, обозначенные модели и участки должны быть устойчивыми и повторяющимися. Показатели электропроводности почвы должны быть нормализованы (стандартизированы) как для полей с разной историей выращивания зерновых, так и для случаев, когда данные о почвенной электропроводности снимались в разное время. Например, рассмотрим поле в Вирджинии. Оно было наполовину засеяно кукурузой, наполовину соей. Урожай кукурузы был снят за несколько недель до уборки урожая сои. У этих полей разные показатели электропроводности, но разница в показателях является следствием разного содержания воды в почве, а не следствием разных свойств почвы. В той части поля, где выращивалась кукуруза, в почве было много влаги благодаря прошедшим после уборки урожая дождям. В то же время соя поглотила большую часть почвенной влаги, и до почвы она не дошла. В результате на поле появились значительные различия во влажности почвы между той частью, где ничего не росло (после уборки кукурузы), и той частью, где росла соя, потреблявшая воду. Картирование поля сразу же после уборки сои дало карту с тремя отчетливо различающимися зонами. Но эти различия возникли в основном из-за содержания в почве воды, которое было разным из-за выращивания разных культур. Стандартизация электропроводности почвы обеих половин поля позволила устранить временное влияние содержания влаги.

После проведения стандартных измерений электропроводности полученные значения на обеих половинах поля оказались очень похожими и дали только две отчетливо различающиеся зоны на этом поле. Поля, картированные несколько раз в течение года при разном содержании влаги, показали изменение значения электропроводности, но не изменение характера зонирования. За исключением почти чистого песка электропроводность почвы колебалась от 5 до 10%. Таким образом, изменения в типе почвы можно обнаружить независимо от того, сколько влаги в данный момент в ней содержится. С другой стороны, это означает, что не следует использовать электропроводность для определения содержания влаги в почве. Для этой цели больше подходит исследование водоудерживающих способностей почвы.

Электропроводность и посев/внесение удобрений

Связь между электропроводностью и вносимым в почву материалом (семена, удобрения и т.д.) нелинейна. Максимальный экономический эффект достигается при использовании данных почвенной электропроводности в сочетании с другой информацией. Это может быть история урожайности, данные проб почвы и местные агрономические данные. Так, в одних регионах более высокая электропроводность указывает на более высокое содержание глины и емкость катионного обмена почвы (CEC), что позволяет рассчитывать на высокую урожайность и планировать дополнительное внесение семян. В других регионах более высокая электропроводность указывает на избыток глины, что может ограничить урожайность, а значит, есть смысл уменьшить и нормы внесения семян. В обоих случаях карта почвенной электропроводности позволяет выделить разные участки и продумать индивидуальные методы их обработки. Если у вас есть карты почвенной электропроводности, вам пригодятся следующие модели:

  1. Переменные нормы внесения семян и азота на основе ожидаемой урожайности по каждому отдельному участку, рассчитанные исходя из уровней СЕС.
  2. Переменные нормы внесения семян на основе данных о глубине верхнего (пахотного) слоя почвы.
  3. Переменные нормы внесения в почву гербицидов на основе данных об органических веществах, структуре почвы и СЕС.
  4. Переменные нормы внесения извести на основе данных проб грунта в соответствии с уровнями СЕС.
  5. Ограничение применения гипса (сульфата кальция) на богатых натрием почвах.

Рекомендации по сбору данных

  • Собирайте данные при ширине прохода не больше 18,3 м. Опыт показывает, что проходы от 12,2 до 18,3 м обеспечивают данные, адекватно представляющие пространственную модель поля. Такой проход может составлять половину полной длины штанги разбрызгивателя или быть кратным ширине сеялки или комбайна, следовательно, представляет собой тот минимальный участок, с которым справится большинство земледельцев.
  • При использовании электромагнитного (бесконтактного) сенсора избегайте воздействия металла - расстояние между сенсором и любым металлическим объектом должно составлять не менее 1,3-1,5 м. Этого можно достичь, если аккуратно расположить сенсор под транспортным средством с большим клиренсом или на самодельной тележке, собранной из неметаллических частей (см. рис. 4).
  •  Делайте пробы электропроводности, когда почва не слишком влажная и не слишком сухая. Для контактных   сенсоров необходим хороший контакт почвы со щупом.
  •  Лучшие условия для картирования урожая  получаются на ровных нераспаханных полях или перед посевом в подготовленную почву. При севообороте  кукуруза- соя условия, сложившиеся после уборки сои, являются предпочтительными для замеров, поскольку остатки сои минимальны. В остальных случаях для измерения электропроводности предпочтительна твердая, но не уплотненная почва и ровная поверхность.
  •  Замеряйте электропроводность почвы, пока та не замерзла.
  •  Чтобы повысить ценность вашей карты электропроводности, необходимо, чтобы были сделаны глубокие пробы почвы и проведены сравнительные замеры в нескольких точках каждого поля. Физические характеристики почвы и замеры влажности помогут интерпретировать факторы, вызывающие различия в показаниях электропроводности. Пробы нужно брать одновременно с измерением электропроводности.

Показатели электропроводности, вводящие в заблуждение

Иногда показатели почвенной электропроводности бывают неверными. Например, неправильная карта может получиться, если замеры проводятся сразу же после внесения больших норм навоза или других твердых веществ биологического разложения. Поскольку из-за такой обработки в почве может образоваться избыток солей, полученные значения могут представлять электропроводность почвы неверно. Слишком сухая почва тоже может дать ошибочные показатели. Не замеряйте электропроводность, когда почва суха на глубине 30-40 см, поскольку при этом электропроводность значительно снижается и результаты становятся ненадежными. Знание подобных ситуаций поможет вам получить более объективные показатели и более надежные карты почвенной электропроводности.

Резюме

Для успешного воплощения идей точного земледелия необходимы более точные карты, показывающие свойства почвы. Ненадлежащая площадь выборки и высокая стоимость обычных проб и анализа почвы могут препятствовать правильной классификации почв. Использование данных о почвенной электропроводности дает хозяйствам хорошую альтернативу: оно способно улучшить разрешение (заменив пробы с большей плотностью) и снизить расходы на составление почвенных карт. Карты почвенной электропроводности можно использовать для разграничения зон, требующих разной обработки ввиду очевидных различий в свойствах почвы. Каждую такую зону можно обследовать и обрабатывать отдельно.

ВИДЕО
СОБЫТИЯ