Перспективы использования влагомера для оперативного определения влажности почвы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перспективы использования влагомера для оперативного определения влажности почвы

Цель исследований - использовать в полевых условиях разработанный в Волжском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации экспериментальный электронный прибор для определения влажности почвы (влагомер) и дать сравнительный анализ полученных данных по слоям от 0 до 100 см с данными, полученными при использовании термостатно-весового метода, а также определить перспективы использования влагомера для оперативного определения влажности почвы на больших производственных площадях. В процессе решения поставленной задачи был разработан прибор для оперативного определения влажности почвы. Прибор фиксирует изменение полного сопротивления почвы между двумя электродами на переменном токе, которое пропорционально влажности почвы, и преобразует эту величину в цифровое значение. В полевых условиях в опытно-производственном хозяйстве Волжского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации проведены испытания экспериментального прибора для определения влажности почвы. Влажность почвы определялась двумя методами: традиционным термостатно-весовым и с использованием разработанного прибора.

В результате испытаний установлено, что при определении влажности почвы в трехкратной повторности сходимость результатов составляет по слоям от 0,1 до 0,7 м 99,7 %, для слоя 0,8-1,0 м - 97,5 %. Применение прибора дает возможность проводить экспресс-измерения с точностью ±0,3-2,5 % в диапазоне измерений влажности почвы 10-30 %, что позволят рекомендовать применение прибора на больших производственных площадях, и будет способствовать экономному расходованию водных ресурсов.

Широкий круг задач мелиорации и освоения земель Поволжья требует тесной связи и концентрации усилий мелиоративной науки и производства, поиска инновационных технологий и технических решений.

В опытах по изучению режима орошения сельскохозяйственных культур при существующих способах полива необходимо очень часто и в больших масштабах проводить определение запасов влаги в почве, которые в дальнейшем используются для расчета поливных норм, назначения сроков поливов, определения глубины промачивания толщи почвогрунтов и других параметров.

Рост и развитие растения находится в тесной связи с влажностью почвы. В зависимости от целей и задач влажность почвы определяют по отдельным частям пахотного слоя, на глубину расположения корневой системы, на глубину 1-2 м, а иногда 3 м [1, 2].

Основным методом определения влажности почвы является термостатно-весовой, основанный на отборе почвенных образцов в полевых условиях и длительной их сушке при постоянной, высокой температуре в термостатах. Вес испарившейся влаги, отнесенный к весу абсолютно сухой почвы, выраженный в процентах, и является при этом методе основным показателем запасов влаги в почве.

Термостатно-весовой метод определения влажности почвы довольно точен и является пока эталоном при сравнении его с другими методами. Однако, наряду с определенными преимуществами, он обладает рядом недостатков, главными из которых являются: трудоемкость, нарушение естественного сложения почвы при отборе образцов, невозможность наблюдать влажность в одних и тех же объемах почвогрунта, большая повторность и др.

В современном сельском хозяйстве при выращивании сельскохозяйственных культур с использованием автоматизированных систем полива применяются датчики влажности почвы, которые дают наиболее полную информацию о количестве влаги у корневой системы растений. Это позволяет принимать обоснованные решения, чтобы обеспечить орошение в нужном количестве и в нужное время [3-5].

В странах с промышленно развитым сельским хозяйством используют различные приборы и системы для контроля влажности почвы в корнеобитаемом слое сельскохозяйственных растений и передачи этих данных по каналам мобильной связи фермерам [6]. Например, фирма Valley для этой цели использует систему контроля влажности почвы Base Station 2-5М, которая включает в себя данные, считываемые с датчиков влажности почвы Watermark компании Irrometr (каталог продукции Valley, RUS 10098 9/11). Фирма Zimmatic предлагает стационарно устанавливаемые зонды на отдельных участках орошения [7-9].

В Японии для создания почвенных карт в технологиях точного земледелия применяются почвенные оптоволоконные датчики для определения влажности и содержания азота в почве в режиме реального времени, однако они имеют высокую стоимость [10].

В России автоматизированные системы определения влажности почвы и приборы для оперативного определения влажности почвы до сих пор не производятся, а зарубежные приборы дороги, поэтому необходима разработка отечественного измерителя влажности почвы, доступного каждому фермеру. Приборы для определения влажности почвы (тензиометры), выпускавшиеся раньше в России, оказались невостребованными из-за их погрешностей [11-14].

Ученые ВолжНИИГиМ много лет посвятили разработке экспериментальной системы автоматизированного управления процессом полива ДМ «Фрегат» с помощью усовершенствованного тензиометра ТП-1^,[15, 16].

Однако единственным практическим способом определения влажности почвы оставался термостатно-весовой метод. Он достаточно точный, широко применяется на практике, но очень трудоемкий и требует много времени для получения результатов. Особенно это проявляется при больших площадях орошения. Отсюда видна актуальность разработки и внедрения в производство отечественных приборов для оперативного, точного определения влажности корнеобитаемого слоя почвы [17, 18].

Цель исследований - использовать в полевых условиях разработанный в Волжском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации экспериментальный электронный прибор для определения влажности почвы (влагомер) и лабораторные мини-лизиметры, дать сравнительный анализ полученных данных по слоям от 0 до 100 см с данными, полученными при применении термостатно-весового метода, а также определить перспективы использования влагомера для оперативного определения влажности почвы на больших производственных площадях.

Материалы и методы исследования. В наших исследованиях на полях опытно-производственного хозяйства для определения влажности почвы применялся термостатно-весовой метод, сущность которого заключается в определении потери влаги при высушивании почвы. Показания занесли в таблицу для дальнейшего расчета и анализа полученных результатов. Определение влажности почвы термостатно-весовым методом проводили в 3-кратной повторности, периодичность наблюдения - 10 дней в зависимости от изменяющихся метеоусловий, глубина определения от 0,1 до 1,0 м [19, 20].

Задачей проводимых исследований в этом направлении является разработка отечественного прибора для оперативного определения влажности почвы в корнеобитаемом слое растений, доступного по цене любому фермеру.

Это условие достигается тем, что электронная схема прибора измеряет полное сопротивление слоя почвы между двумя обкладками датчика (которое зависит от наличия воды в порах почвы) на переменном токе. Полученное значение влажности преобразуется в цифровую форму и высвечивается на индикаторе прибора.

Результаты и их обсуждение. Новое устройство конструкции
ФГБНУ «ВолжНИИГиМ» содержит датчик влажности и блок управления, соединенные между собой кабелем через штепсельные разъемы.

Конструкция блока управления содержит регистрирующий блок в водонепроницаемом кожухе с открывающейся крышкой для наблюдения показаний, включения и выключения прибора посредством тумблера, две печатные платы (управляемого мультивибратора и частотомера) и источники питания.

Устройство работает следующим образом. Датчик влажности можно представить как емкость (конденсатор), где в качестве обкладок используются кольцевые электроды, а окружающая почва является межэлектродной средой с определенной диэлектрической проницаемостью. Емкость конденсатора определяется по формуле:

,

где - емкость, Ф;

- абсолютная диэлектрическая проницаемость ( = · ), Ф/м;

- площадь одного электрода, м²;

- расстояние между электродами, м;

и - конструктивные параметры датчика.

Поскольку диэлектрическая проницаемость почвы ? 4 и остается постоянной, то суммарная диэлектрическая проницаемость почвы будет определяться количеством воды в почве ( = 81), а емкостное сопротивление переменному току определяется соотношением:

,

где - емкостное сопротивление, Ом;

- частота переменного тока, Гц;

- емкость, Ф.

При включении в цепь обратной связи мультивибратора такого конденсатора на его выходе получаются колебания переменного тока с частотой:

,

где - частота переменного тока, Гц;

- активное сопротивление среды, Ом;

- емкость, Ф.

Принимая во внимание, что величина цепи обратной связи постоянна ( = const), получим частоту мультивибратора ~ , т. е. частота мультивибратора будет определяться ?_a почвы, или ее влажностью. Измеряя эту частоту частотомером, получим искомую величину влажности в любой момент времени. Информация с частотомера представляется в виде величины постоянного тока, пропорциональной частоте мультивибратора, которая измеряется цифровым стандартным мультиметром, проградуированным в единицах влажности почвы. Градуировка устройства произведена при помощи термостатно-весового метода определения влажности почвы. Общий вид разработанного устройства показан на рисунке 1.

Рис.1

Прибор прошел полевые испытания. В полевых условиях были отобраны образцы почвы для определения влажности термостатно-весовым способом (таблица 1).

почва мелиорация влагомер

Таблица 1. Влажность почвы послойно (05.06.2018)

Параллельно на этой же глубине определена влажность почвы с помощью экспериментального влагомера. Полученные результаты опыта сведены в таблицу 2.

Таблица 2. Сравнительные характеристики влажности почвы

В результате проведения полевых испытаний влагомера и определения сходимости результатов с данными, полученными термостатно-весовым способом, установлено, что при определении влажности почвы в трехкратной повторности сходимость результатов составляет по слоям от 0,1 до 0,7 м 99,7 %, для слоя 0,8-1,0 м - 97,5 %. Результаты градуирования экспериментального прибора для определения влажности почвы с использованием термостатно-весового метода приведены по данным за вегетационный период на глубине 10 см при плотности сложения 1,27 т/м³ (таблица 3).

Таблица 3. Показания прибора в зависимости от влажности почвы

Для удобства оперативного определения размера поливной нормы в производственных условиях по показаниям прибора данные таблицы 3 нанесены на обратную сторону крышки прибора.

Выводы

Прибор для определения влажности почвы показал свою работоспособность и преимущество перед традиционным термостатно-весовым методом. С помощью этого прибора можно производить экспресс-измерения с точностью ±0,3-2,5 % в диапазоне измерений влажности почвы 10-30 %, а его применение на больших производственных площадях обеспечит существенную экономию материальных и финансовых ресурсов.

Следует отметить проявленную заинтересованность фермеров, присутствующих на полевых испытаниях, экспериментальным образцом прибора для определения влажности почвы с целью назначения сроков и норм полива, его преимуществом перед более трудоемким и затратным термостатно-весовым методом.

Список использованных источников

почва мелиорация влагомер

1. Шадских, В. А. Ресурсосбережение в орошаемом земледелии Поволжья / В. А. Шадских, В. Е. Кижаева, О. Л. Рассказова // Вестник мелиоративной науки. - 2018. - № 1. - С. 66-74.

2. Костин, Б. И. Некоторые особенности формирования мелиоративного состояния орошаемых земель при дождевании / Б. И. Костин, М. Я. Фишман, З. Ф. Иванищева // Актуальные вопросы мелиорации и водного хозяйства: материалы респ. науч.-техн. конф. ученых и специалистов. - Баку: АзНИИГиМ, 1985. - С. 44-45.

3. Волокитин, М. П. Режим влажности серых лесных почв под различными фитоценозами / М. П. Волокитин, В. Е. Остроумов // Мелиорация и водное хозяйство. - 2018. - № 2. - С. 7-12.

4. Шадских, В. А. Выращивание сельскохозяйственных культур по заданной программе / В. А. Шадских, В. Е. Кижаева // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Вавилова. - 2008. - № 8. - С. 46-49.

5. Панкова, Т. А. Определение влажности почвы для регулирования режима орошения сельскохозяйственных культур в условиях Саратовского Заволжья / Т. А. Панкова, А. Н. Руковичникова // Научная жизнь. - 2013. - № 4. - С. 17-23.

Размещено на Allbest.ru