Методы измерения влажности почв

Свойства воды в почве

Водные свойства почвы могут быть охарактеризованы путем определения количества воды, содержащейся в ней и измерения силы с которой вода связана (потенциал воды). Значения потенциала указывают на доступность содержащейся в почве воды растениям. Когда потенциал воды в почве уменьшается, вода становится менее доступна. Существует ряд методов измерения значений содержания (или потенциала) воды в почве. Ниже приводится краткий обзор самых важных и наиболее часто используемых в садоводческой практике методов измерения влажности почвы.

Измерение водного потенциала

Метод тензиометра

Тензиометр включает керамический фильтр, пластиковую трубу, вакуумный манометр (вакуумметр). После того как он заполняется водой его помещают в почву для определения давления. Вода движется в керамическом элементе, что приводит к изменению давления в трубе и изменениям показания счетчика. После гидратации (или дождя) в почве вода не поступает в трубку, пока не произойдет смещение потенциалов между почвой и тензиометром. Тензиометры — коммерчески доступные трубки различной длины для измерения водного потенциала в почве на различных глубинах. Тензиометры часто масштабируются в диапазоне от 0 до (-)100 centybarów (или в других единицах давления). На практике, их показания меньше и составляют от 0 (полностью насыщенной почвенной воды) до (-) 60 — 70 сантибаров (1 сантибар соответствует 1 кПа или 10 мбар).

Установка состоит из полости с отверстием, близким к диаметру тензиометра (например, с использованием металлической трубки). Суспензия с почвой и водой выливается в отверстие трубки, которая ставится в тензиометр.

Тензиометры используются в основном для принятия решения о начале и окончании полива. Их лучше устанавливать на разных глубинах (например, 20 см и 40 см). По показаниям тензиометра, можно определить время начала орошения (на основе показаний тензиометра расположенного ближе к поверхности) и время окончания полива (по данным тензиометра размещенного глубже).

Показания в диапазоне 10-30 centybarów соответствуют полевой влагоемкости, при которой влажность почвы является оптимальной (для легких почв — 30 -40 centybarów). Понижение водного потенциала (заметим, что в измерительных приборах знак минус часто упускается из виду, вследствие чего наблюдаются более высокие значения в вакуомметре) показывает состояние почвы, в меньшей степени нуждающейся в поливе. Не забудьте удалить тензиометр до наступления зимы. В последние годы разработан метод, который позволяет подключать электронные тензиометры, с помощью которых проводятся автоматические учеты и записи данных.

Измерение электрического сопротивления

При этом методе используются датчики (в виде блоков, цилиндров), изготовленные из пористого материала (гипс), в которых размещены два электрода, подключенные к счетчику. Электрическое сопротивление материала зависит от содержания в нем воды, а это, в свою очередь, определяет содержание влаги в почве.

В почве делают отверстия до необходимой глубины и размещают в них датчики. Существенным является тесный контакт между чувствительным элементом и почвой (это относится ко всем влагомерам).
Новые типы датчиков (датчики gramilar матрицы) используют материал в виде гранул, который окружает специальную мембрану и перфорированные крышки, изготовленные из стали или ПВХ. Это обеспечивает более длительный срок службы датчиков, более быстрый отклик и более точные измерения. Датчики такого типа могут быть использованы в системах автоматического контроля оросительных систем.

Измерения с помощью диэлектрических зондов TDR и EDR (емкостное)

Определение содержания влаги в почве при использовании данного метода происходит путем измерения диэлектрической среды, которая зависит от влажности почвы. Изменения содержания воды в почве вызывает изменения её диэлектрической постоянной, что позволяет определить соотношение между этими параметрами.

С развитием технологий, этот метод становится все более популярным. Датчики этого типа (в частности, «смещение») находят все более широкое использование для мониторинга влажности почвы в поле и чистой влаги в субстратах у культур в защищенном грунте. Они просты в использовании и показываемые ими данные характеризуются высокой степенью точности. Для повышения точности прибора, его необходимо откалибровать к конкретному типу почвы. В соответствии с требованиями покупателя, производитель должен предоставить полный набор калибровочных для различных почв и субстратов. В саду выкапывают ямки и размещают датчики на стену ямки на нужной глубине. Влажность почвы определяется портативным измерителем. В последние годы такие датчики нашли широкое применение в системах автоматического контроля полива.

Преимущества этого типа датчика — это возможность передавать измерения без проводов (по радио или на большие расстояния через сети мобильной связи).

Почвы помещают в специальную трубку из ПВХ (диаметром в несколько см). Измерение основано на движение зонда вдоль трубки (вставляется и извлекается). С помощью зонда подключаемого к счетчику, можно прочитать содержание воды в выбранном почвенном профиле (например, 0 — 10 см). Недостатком такого метода является трудоемкость. Чтобы дать правильную оценку состоянию почвы будет недостаточно одной трубки. Чем больше точек измерения, тем достовернее будет информация о содержании воды в почве на выбранном участке.

На рынке имеются также устройства, в которых зонды постоянно размещаются в трубе на выбранной глубине. Данные снимаются автоматически и передаются исследователю. Стоимость таких устройств намного больше.

Источник

Определение влажности почвы и грунта: методы и приборы

Основной показатель присутствия влаги в почве – влажность. Это процентное соотношение воды и сухой массы в грунте. Методы вычисления влажности классифицируются на несколько групп:

Первая – изъятие образцов земли и измерение влажности в лабораторных условиях.
Вторая – использование приборов, установленных в грунте при естественном залегании.

Зачем измерять влажность почвы и грунта

Во время вегетации в клетках и тканях растений содержится 70-90% воды. Влага – основной фактор, оказывающий влияние на плодородность земли.

Влажность почвы определяют для того, чтобы узнать:

количество содержания влаги в земле;
структуру грунта: плотность, эластичность;
какие удобрения необходимы для грунта;
какая культура может выращиваться на определенном участке;
предупредить выветривание земли из-за чрезмерной сухости;
определить способность грунта к сельскохозяйственным, агротехническим процессам.

Для полноценного развития растений, тканям и клеткам нужно получать необходимое количество воды, особенно во время роста. В этих целях и необходимо определить влажность грунта.

Опасность переизбытка и недостатка влаги

Переизбыток влаги может привести к отмиранию корневой системы, замедлению микробиологических процессов.

Недостаток – снижению урожайности плодовых и овощных культур, к их засухе и гибели.

Методы определения содержания влаги в почве и грунте

Существует 5 способов проверки количества воды в грунте. Самые популярные из них:

Гравиметрические – основаны на получении воды из грунта посредством химической реакции и испарения. Более точные результаты достигаются с использованием сушильной емкости.
Электромагнитные – связаны с действием влажности на электрические характеристики земли. Существует множество сенсоров, реагирующие на поляризацию, сопротивление или на два свойства одновременно. Приборы широко используются для определения влаги в верхнем слое, при глубинных исследованиях четкая корреляция отсутствует.
Микроволновые – базируется на низкой тепло- и электропроводности воды, характеристики излучения связаны с влагоемкостью. Минус – высокая цена приборов.
Тензометрический – основан на возможности грунта впитывать влажность. Устройства определяют колебания влагоемкости земли. Ноль означает, что грунт насыщен водой.
Термический – связан с тепловой инерцией почвы, ее влажности. Диагностика выполняется посредством портативных приборов.

На заметку! Среди отечественного производства, одним из самых эффективных и результативных приборов для определения влажности почвы признан влагомер МГ-44. Он позволяет получить быстрые и более точные результаты, сравнительно с аналогичными приборами.

Определение влажности «на ощупь»

Самый достоверный способ определения количества воды в земле – лабораторный. Но, если у собственника участка нет оборудования, проверить состояние почвы он может «на ощупь». Нужно взять немножко земли, сдавить ее. Сделать заключение можно, опираясь на таблицу, приведенную ниже:

Таблица определения влаги «на ощупь»

Не собирается в комок, не скатывается

В комок собирается, но при подкидывании разлетается

Скатывается в твердый шар, при надавливании эластичен, быстро слипается

Хороший показатель – от 70%.

Внимание! На песчаниках скомканные шарики ломкие и рыхлые независимо от уровня влажности.

Самый быстрый способ измерения влажности

На основе электромагнитного метода измерения содержания влаги в земле изготавливаются разные устройства для садоводов, огородников и фермеров.

Самый популярный и востребованный среди влагомеров – модель МГ-44. Прибор предназначен для определения относительного содержания воды в почве посредством радиочастотного чувствительного датчика.

Измерение влажности выполняется с применением косвенного метода, основанной на связи диэлектрических характеристик среды с ее влажностью. Повышение диэлектрических свойств исследуемого материала, говорит об увеличении количества воды в грунте.

Прибор МГ-44 предназначен для регионов с умеренными климатическими условиями. По защищенности от механического воздействия, влагомер имеет простое исполнение, корпус сделан из пластика, датчик из стали. В месте установки устройства допускается присутствие агрессивной среды, паров и газов, не превышающих допустимые норма согласно СН-245-71.

Важно! Преимущество прибора МГ-44 – высокая эффективность измерений, простота использования, возможность быстро получить результаты.

4 совета для получения точных результатов измерений

Точные измерения можно получить, следуя простой инструкции:

После удобрения земли, использовать влагомер можно через 3 суток.
Землю, которую будут проверять, нужно заранее полить.
В месте нахождения щупа почву утрамбовать.
Сделать 3 замера и определить среднее значение.

По окончанию измерений стержень устройства нужно хорошо обработать. Он должен содержаться в чистоте.

Норма влаги в грунте – 70-80%. Переизбыток влажности, как и недостаток отрицательно влияет на культуры. Влагомер МГ-44, специально изготовленный для определения влажности почвы и других методов, позволяет своевременно привести землю в порядок. В результате фермер получит хороший урожай плодовых, овощных культур.

Источник

Исследование методов измерения влажности почвы

Рубрика: Сельское хозяйство

Дата публикации: 17.12.2020 2020-12-17

Статья просмотрена: 103 раза

Библиографическое описание:

Медведева, Е. С. Исследование методов измерения влажности почвы / Е. С. Медведева, Т. В. Атоян, К. В. Киримова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 51 (341). — С. 449-452. — URL: https://moluch.ru/archive/341/76744/ (дата обращения: 11.12.2021).

В статье изучены методы измерения продуктивной влажности почвы. Проведен анализ методов и средств измерения влажности почвы. Раскрыты достоинства и недостатки данных методов измерения. Метрологический подход заключается в контроле параметров, где большое внимание будет уделено сопутствующим параметрам. Объектом исследования являются взятые пробы почв. Предметом изучения являются методы измерения влажности почвы.

Ключевые слова: влажность почвы, измерение, методы измерения, метрология, мониторинг, средства измерения влажности, принцип действия, влагомер.

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. [1]

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». [2,3]

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. [4]

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. [5]

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. [6]

Рис. 1. 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. [7]

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. [8]

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. [9]

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. [10]

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. [11]

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. [12]

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. [13]

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. [14]

Спутниковый мониторинг — это новая разработка, дорогая и мало испытанная. Продвижения этого метода прогнозируют популярность метода в будущем с помощью сервисов, использующих спутниковое наблюдение. [15]

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. [16]

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.

Роде А. А. Основы учения о почвенной влаге. Том 1: Водные свойства почв и передвижение почвенной влаги. [Текст] / А. А. Роде. — Л.: Гидрометеоиздат, 1965.- 664 с.
Методические указания по проведению комплексного агрохимического обследования почв сельскохозяйственных угодий. — М.: ЦИНАО, г. Москва, 1994 г — 95 с.
Методические указания по проведению комплексного мониторинга плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения. — М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2003. — 240 с.
Вадюнина, А. Ф., Корчагина, З. А. Методы исследования физических свойств почв: учебники и учебные пособия для студентов вузов — изд. 3–е, перераб. и доп. — М.: Агропромиздат, 1986. — 416 с.
Якушев В. П. Информационное обеспечение точного земледелия / В. П. Якушев, В. В. Якушев. — Санкт-Петербург: Изд-во ПИЯФ РАН, 2007. — 384 с.
Берлинер М. А. Измерения влажности Издание 2: Учебное пособие для вузов / Берлинер М. А. — Л.:Логос, 2004. — 269 с.
Теории и методы физики почв / под ред. Е. Шеина, Л. Карпачевского. — Москва: Гриф и К, 2007. — 368 с.
Васильев С. И. Анализ современных электротехнических методов измерения влажности почвы // Научный форум: Технические и физикоматематические науки: сб. ст. по материалам I междунар. науч.-практ. конф. — № 1(1). — М., Изд. «МЦНО», 2016. — С. 49–52.
Неручев Ю. А., Зотов В. В., Шойтов Ю. С. Скорость звука и флуктуация плотности. // Ультразвук и термодинамические свойства вещества. — 1989.–75 с.
Попов А. Н. Технология и техническое средство бесконтактного измерения влажности почвы [Текст] / Дисс. канд. техн. наук. — Мичуринск, 2014. — 212 с.
Толмачева, Н. И. Методы и средства гидрометеорологических измерений (для метеорологов): учебное пособие / Н. И. Толмачева. — Пермь: Изд-во Пермского университета, 2011. — 223 с.
Берлинер М. А. Электрические измерения, автоматический контроль и регулирование влажности Издание 2: Учебное пособие для вузов / Берлинер М. А. — Л.:Логос, 2006. — 320 с.
Обиралов А. И. Фотограмметрия и дистанционное зондирование: Учеб. пособие / А. И. Обиралов, А. Н. Лимонов, Л. А. Гаврилова. — М.: КолосС, 2006. — 334 с.
Попов А. Н. Экспериментальная установка для исследования инфракрасных сигналов почвы различной влажности / А. Н. Попов, А. С. Гордеев. — Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий, 2013. — 96 с.
Мурзин В. С. Астрофизика космических лучей. Учебное пособие для вузов / Мурзин В. С. — Л.: Логос, 2007. — 486 с.
ГОСТ 20915−2011. Испытания сельскохозяйственной техники. Методы определения условий испытаний. — Взамен ГОСТ 20915−75; введ. 2013–01–01. — М.: ФГУП «Стандартинформ»: Изд-во стандартов, 2013. — 24 с.

Источник

➤