CC BY
62
УДК 631.4:621.315.6
С.К. Тойгамбаев, канд. техн. наук, доцент
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина»
А.С. Ногай, доктор физ.-мат. наук, профессор С.О. Нукешев, канд. техн. наук, доцент
Казахский государственный агротехнический университет им. С. Сейфуллина
ПРОВОДИМОСТЬ ПОЧВЕННОГО Слоя В АКМОЛИНСКОМ ОБЛАСТИ
Для повышения урожайности сельскохозяйственных культур используют различные подходы. Одним из таких подходов является своевременное проведение агротехнических мероприятий по подкормке и внесению минеральных удобрений с учетом состава почвы. Для этой цели разработана экспресс-методика, позволяющая установить связи между электрическими параметрами и химическим составом почвы и урожайностью сельскохозяйственных культур.
Нормальные условия роста растений обеспечиваются при нормировании поливов и внесении минеральных удобрений. Тогда содержащиеся в почве питательные вещества становятся доступными для корней растений. Под питательными веществами прежде всего подразумеваются растворы солей и микроэлементы. С точки зрения химии растворы солей и микроэлементы можно представить в виде анионов и катионов, что позволит использовать электротехнические методики для установления связи между проводящими параметрами и составом питательных веществ в почве с целью своевременного проведения агротехнических мероприятий по подкормке и внесению минеральных удобрений до необходимой концентрации.
Режим водопотребления посевного слоя экспериментально исследовали на пахотных полях АО «Акмола-Феникс». Для определения проводимости посевного слоя использовали установку, изображенную на рис. 1. Простота и доступность выбранной установки позволяет использовать ее для измерения проводимости почвы и воды, по которым можно оценить количественное и качественное содержание питательных веществ в почве.
В качестве источника питания в установке использован регулятор напряжения РН, обеспечивающий подачу необходимого напряжения на электроды измерительной ячейки. Для регистрации тока и напряжения в измерительной цепи применены самописец 2,
амперметр 3 и вольтметр 4. Исследуемый образец почвы помещали в ячейку, к которой плотно прилегают два металлические пластинчатые электрода, обеспечивающие подачу внешнего электрического напряжения. Для снятия температурной зависимости проводимости образец нагревали при помощи электропечи. Температуру образца регистрировали прибором ЭТСТ-1.
При взаимодействии электрического поля с грунтом через исследуемый образец протекает небольшой ток, обусловленный преимущественно ионной проводимостью [1].
Для определения проводимости о почвы необходимо воспользоваться формулой:
*=рк,
ИS
откуда
а = — = Р
А
’
где * — сопротивление образца при температуре Т; р — удельное электрическое сопротивление почвы, Ом-см; к — расстояние между электродами, принятое равным 5 см; S — площадь электрода, см2.
Рис. 1. Электрическая схема установки для измерения удельного электрического сопротивления почвенного грунта:
1 — регулятор напряжения РН-220 (0.. .240 В); 2 — самопишущий прибор Н390 для записи тока и напряжения; 3 — амперметр М-367 переменного тока со шкалой до 3 А; 4 — вольтметр Ц4201 до 250 В; 5 — пластинчатые электроды; 6 — емкость из керамического материала (размеры 10x10x5 см); 7 — электропечь; 8 — измеритель температуры ЭТСТ-1;
9 — экспериментальная среда (почва)
6
Следует отметить, что сопротивление исследуемой почвы зависит как от ее влажности, так и от температуры. С повышением температуры почвы снижается ее влажность, соответственно изменяется концентрация подвижных носителей тока. Проводимость почвы целиком определяется влажностью и содержанием в ней растворенных катионов (Са2+, Mg2+, К+, Ш+) и анионов (НС03-, С1-, Р042-, В042-, N0^) различных солей.
Проводимость почвы можно определить также по выражению
о = <яа№уш,
где а — эмпирическая постоянная; ож — электропроводность раствора в пористом материале (почве); уш — пористость почвы; т — связующая экспонента.
В этом случае значение электропроводимости зависит как от пористости измеряемого образца, так и от раствора, содержащегося в порах почвы. В отличие от жидких растворов и твердых электролитов при измерении проводимости почвы надо обязательно учитывать пористость материала. Проводимость жидких и твердых электролитов в основном определяется величиной заряда подвижных ионов, их концентрацией и коэффициентом диффузии [5-7].
Для объяснения электрической проводимости почвы рассмотрим модели, приведенные на рис. 2 [4]. Структуру почвы можно представить в трех различных вариантах, причем все они равновероятны. Так, в модели 1 при наличии внешнего напряжения ток может протекать как в объеме и по поверхности почвы, так и через раствор, в модели 2 — в объеме и по поверхности воздушных пор, содержащихся в почве, в модели 3 — только в объеме и по поверхности почвы.
Эти предположения весьма приближенно объясняют реальное значение проводимости почвы, но их можно использовать при интерпретации экспериментальных результатов.
1
Рис. 2. Схематичное изображение трех моделей, отражающих три возможных варианта протекания тока:
1 — в объеме и по поверхности почвы, а также через раствор; 2 — в объеме и по поверхности воздуха;
3 — в объеме и по поверхности почвы; а — почва; Ь — раствор; с — воздушная область
Для описания проводимости о почвы также может быть использована формула [4], учитывающая значение проводимости в объеме (о-С) и по поверхности (о8С) почвы:
(088 + 0—) о88 + 0 _ , 0 „
+ 0зз°зс + ^с°—с,
о =
033° WS + 0 WS0SS
где ©88 и 0— — объемные и поверхностные водопогла-щения, т. е. содержания воды соответственно в капиллярах почвы и в жидкостной фазе (растворе).
Зависимость проводимости почвы от температуры £ имеет вид
о = /Ор
где / — температурный фактор, определяемый по эмпирической формуле
/ = 0,4470 + 1,4034е 26,851.
Переносная (или мобильная) установка для измерения сопротивления почвы схематично изображена на рис. 3.
Преимущества данной установки для измерения сопротивления: простота, небольшие габаритные размеры и мобильность. Размещение цилиндрических электродов в растительном слое грунта по плоскопараллельной схеме исключает отрицательное влияние электрического тока на корневую систему растений.
А. Лидьярдом установлено, что проводимость ионных проводников определяется химическим составом вещества. С учетом этого авторами выполнен химический анализ почвы с посевных полей АО «Акмола-Феникс» по ГОСТ 26213-91, 26205-91,
1
//I [у А [ / / / [ А А \ \ г
Р
Р
2 а \ а / а 2
< ¥ А /-*
3
Рис. 3. Схема установки для измерения сопротивления почвы:
1 — измеритель сопротивления; 2 — токовые электроды; 3 — электроды для подачи напряжения; а — расстояние между электродами; р — аноды; с — катоды
с
с
Таблица 1
Результаты анализов почвы с элементарных участков на содержание гумуса, нитратов, подвижного фосфора и калия
Номер образца Показатель Координаты участка
Гумус, Р2О* К2О, N Е
% мг/кг мг/кг г/кг (долгота) (широта)
1 2,98 48,1 66,4 659 51° 05.551 70°57.351
2 3,11 38,4 55,2 670 51° 05.570 70°57.299
3 2,82 27,8 46,8 524 51°05.592 70°57.246
4 3,11 42,2 50,8 740 51° 05.614 70°57.193
5 3,15 36,8 44,8 684 51° 05.635 70°57.139
6 3,02 23,6 37,2 580 51° 05.655 70°57.084
7 2,94 22,3 28,8 625 51° 05.690 70°57.039
8 2,86 32,6 31,2 619 51° 05.692 70°56.979
9 2,78 21,1 29,3 547 51° 05.709 70°56.923
10 3,15 38,3 49,2 780 51° 05.733 70°56.873
11 2,86 29,0 19,1 560 51° 05.702 70°56.836
12 3,07 35,2 48,8 645 51° 05.679 70°56.889
13 3,19 33,2 64,0 810 51° 05.658 70°56.942
14 3,07 32,4 33,6 753 51° 05.640 70°56.992
15 3,02 33,4 53,2 652 51° 05.620 70°57.051
16 3,02 37,6 55,2 703 51° 05.601 70°57.102
17 2,73 36,8 29,6 627 51° 05.579 70°57.160
18 3,19 31,1 64,8 664 51° 05.555 70°57.214
19 3,48 47,4 74,2 679 51° 05.536 70°57.266
20 3,65 31,8 50,0 703 51° 05.514 70°57.316
21 3,85 20,4 58,4 823 51° 05.483 70°57.285
22 3,48 34,5 53,6 630 51° 05.503 70°57.235
23 3,52 34,3 21,6 637 51° 05.522 70°57.194
24 3,48 36,4 68,2 640 51°05.543 70°57.126
25 3,23 21,8 60,0 598 51° 05.532 70°57.072
26 3,40 38,4 44,8 578 51° 05.585 70°57.017
27 3,27 21,2 46,4 556 51° 05.605 70°56.959
28 3,02 28,5 19,1 552 51° 05.623 70°56.906
29 2,82 19,7 12,4 493 51° 05.648 70°56.853
30 2,90 30,9 15,2 500 51° 05.668 70°56.802
31 3,11 34,0 29,6 524 51° 05.636 70°56.765
32 3,40 26,9 21,2 670 51° 05.610 70°56.830
33 3,44 26,7 34,4 809 51° 05.593 70°56.876
34 3,40 35,5 33,4 620 51° 05.571 70°56.921
35 3,69 31,6 56,0 695 51° 05.553 70°56.986
36 4,06 45,3 80,9 767 51° 05.532 70°57.035
37 3,85 38,9 60,8 773 51° 05.511 70°57.087
38 3,44 44,7 37,0 738 51° 05.490 70°57.145
39 3,19 42,1 26,8 625 51° 05.470 70°57.196
40 3,23 21,4 38,2 725 51° 05.449 70°57.247
41 3,40 38,6 44,8 657 51° 05.414 70°57.207
42 3,32 30,3 42,2 693 51° 05.440 70°57.161
43 3,02 42,3 26,8 656 51° 05.460 70°57.108
44 3,27 32,5 53,6 773 51° 05.479 70°57.054
45 3,32 37,6 52,4 717 51° 05.500 70°56.995
46 3,07 29,2 24,6 673 51° 05.519 70°56.950
47 3,15 32,2 18,4 666 51° 05.540 70°56.897
48 3,23 24,1 31,8 680 51° 05.561 70°56.843
49 3,27 30,8 46,0 701 51° 05.585 70°56.790
50 3,07 20,3 18,7 664 51° 05.603 70°56.728
26483-85. Результаты химического анализа почвы представлены в табл. 1.
Из табл. 1 видно, что в составе почвы достаточно большое содержание оксидных соединений азота, фосфора и калия, а содержание гумуса составляет всего лишь 2,5...4 %. Не исключено, что в состав гумуса кроме микроэлементов входят также катионы (Са2+, №+) и анионы (С1-, Р042-). Несмотря на низкую концентрацию этих компонентов в почве, они могут существенно повлиять на ее проводимость.
Результаты экспериментов по определению проводимости почвы с посевных полей АО «Акмола-Феникс» от влажности и температуры приведены в табл. 2. Математическая обработка результатов, представленных в табл. 2, позволяет получить в графической форме температурные зависимости проводимости образцов почвы (рис. 4).
Согласно представленным данным, проводимость почвы слабо изменяется в зависимости от ее влажности в указанном диапазоне ^ = 25.35 %). Более существенное влияние на проводимость почвы оказывает температура.
Несмотря на различную влажность почв, проводимости двух исследуемых образцов существенно не меняются. Из температурной зависимости проводимости почвы следует, что при низких температурах (в интервале 293.313 К) образцы имеют невысокие значения проводимости и энергии активации Е = 0,226 эВ, что указывает на ионный характер проводимости, которая может быть осуществлена преимущественно за счет катионов (К+) и анионов (Р042-, N0^), а также групп элементов Са2+, №+, С1- и примесей различных растворенных солей.
Для объяснения температурной зависимости проводимости почвы на участке 1 (см. рис. 4) больше всего подходит модель 1 (см. рис. 2). Низкая энергия активации свидетельствует о том,
высоких температур значения проводимости и энергии активации почвы будут изменяться.
По результатам исследования можно заключить, что существуют два варианта электропроводности почвы: в температурном интервале 293.313 К
и о2 в интервале 313.388 К. В общем случае температурная зависимость проводимости для исследуемого образца о(!) может быть записана в виде
o(T) = о (T) + 02 (T) +... + оn = 00 £ exp
i=1
ael
kT
Т ■ 10-3, К
Рис. 4. Температурные зависимости проводимости почвы при разных значениях влажности:
1 — w = 35 %; 2 — w = 25 %
Таблица 2
Удельное электрическое сопротивление и проводимость почвы при различной влажности
Температура почвы Т, К Удельное электрическое сопротивление p и проводимость о при влажности
w = 25 % w = 25 °% w = 30 °% w = 35 °%
p, Ом-см о, (Ом-см)1 p, Ом-см p, Ом-см
293 5714 8,75-ю-6 5594 5476
298 4878 - 4758 4638
303 4255 - 4135 4015
308 384б 1,410-5 3726 3606
313 3571 - 3451 3331
318 322б - 3106 2986
323 3030 - 2910 2790
328 2857 1,874-10-5 2737 2617
333 2бб7 - 2547 2427
338 2500 - 2380 2260
343 2352 - 2232 2112
358 1904 - 1784 1664
353 1739 2,875 10-5 1619 1499
358 1534 3,5910-5 1390 1274
где о0 — проводимость при нулевой температуре; T— температура образца; —изменение энергии активации про-
цесса проводимости; k — постоянная Больцмана.
Предварительно полученные значения проводимости почвы коррелируют с данными химического состава грунта с разных участков опытного поля, что свидетельствует о возможности создания экспресс-методики определения влажности и содержания минеральных солей в почве на различных участках поля (т. е. методики определения плодородия почвы).
Таким образом, проводимость и химический состав почвы могут служить ориентиром при определении содержания в ней влаги и различных минеральных солей. При составлении картограммы проводимости почвы с посевных полей АО «Акмола-Феникс» использована мобильная установка, изображенная на рис. 3. Для совершенствования данной методики необходим дальнейший сбор информации и обработка новых результатов.
что проводимость осуществляется по электролиту, а низкое ее значение указывает на то, что раствор электролита разделен пористым слоем почвы. При дальнейшем повышении температуры проводимость растет, а энергия активации повышается до 0,776 эВ (для участка 2 на рис. 4). Это может быть связано с тем, что раствор электролита впитывается в поры почвы и проводимость реализуется за счет модели 3 (см. рис. 2). Данные по температурной зависимости проводимости получены в небольшом интервале температур. Не исключено, что в области
Список литературы
1. Ногай А.С. Электротехнические материалы. — Астана: КазГАТУ, 2005. — 171 с.
2. Corwin D.L., Lesch S.M. Characterizing soil spatial variability with apparent soil electrical conductivity. — Computers and Electronics in agriculture. — 2005. — V. 4б. — P. 135-152.
3. Corwin D.L., Lesch S.M. Apparent soil electrical conductivity measurements in agriculture. — Computers and Electronics in agriculture. — 2005. — V. 4б. — P. 11-43.
4. Хладик Дж. Физика электролитов. — М.: Мир, 1978. — 555 с.
5. Ногай А.С. Электротехнические материалы. — Астана: КазГАТУ, 2005. — 171 с.
