English
Про Інститут | Наші розробки | Конференції | Проекти | Супутникові зображення
ЗМІ про нас | Відділи | Підрозділи | Публікації | Державні закупівлі | Прогноз погоди
     

РОЗРОБКИ




МЕТОДИ І ЗАСОБИ АГРОМЕТЕОРОЛОГІЧНИХ ВИМІРЮВАНЬ ПАРАМЕТРІВ ҐРУНТІВ

 ВСТУП
1.  Наземні методи і засоби визначення та експрес-вимірювання вологості і температури ґрунту 2.  Аерокосмічні методи визначення вологості і температури ґрунту
3.  Агрогідрологічні властивості ґрунтів
4.  Результати польових випробувань ВПҐ-4ц
5.  Методи і засоби агрометеорологічних вимірювань у системі гідрометеорологічного забезпечення землеробства
6.  Про економічну ефективність засобів агрометеорологічних вимірювань
7.  Технологічні рішення, які можуть бути прийняті при наявності інформації про вологість і температуру ґрунтів
7.  Література

ВСТУП

Невпинне зростання населення нашої планети ставить проблему продовольства на перше місце. Поряд із цим постійно зростає техногенне забруднення навколишнього середовища. Тому повстає завдання одержання екологічно чистої продукції сільськогосподарського господарства.

Україна володіє надзвичайним резервом родючих ґрунтів. Тому в минулому вона була, і в майбутньому повинна бути одним із світових лідерів виробництва високоякісних, екологічно чистих продуктів харчування. Але для цього потрібна повна інформація про стан ґрунтів, про їх родючість та інтенсивність забруднення хімічними елементами, залишками пестицидів, радіонуклідами, тощо. Необхідні також знання як впливають гідрометеорологічні умови на це забруднення.

Ґрунт (земля) є одним із основних природних засобів виробництва продовольства. Вологість і температура ґрунту - одні з головних фізичних властивостей ґрунтів, що визначають їх родючість. Без наявності необхідної кількості води в ґрунті і відповідної температури, сільськогосподарські культури не проростають зовсім. Вологість ґрунту впливає на розчинність, переміщення та ефективність органічних і мінеральних добрив, на ступінь забруднення ґрунту пестицидами і 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 управління виробництвом с.-г. продукції необхідна, в першу чергу, для прийняття оперативних рішень при розробці екологічно чистих технологій вирощування сільськогосподарських культур з метою одержання максимального врожаю. Маються на увазі технологічні рішення (агротехнічні заходи) з питань основного і передпосівного обробітку ґрунту, доцільності і строків сівби (посадки) с.-г. культур, норм і строків внесення добрив, норм і строків поливу, тощо. Однак органи управління, наука, виробництво володіють далеко неповною оперативною інформацією про вологість ґрунтів через нестачу необхідних методів і технічних засобів їх одержання.

Найбільш оперативно можна було б отримати інформацію про вологість і температуру ґрунту за допомогою штучних супутників, але ця інформація стосується тільки поверхні землі або кількох сантиметрів верхнього шару ґрунту. Окрім того, дані отримані з космосу вимагають наземної прив`язки, тобто датчики штучних супутників землі необхідно градуювати. А для цього потрібно мати надійні наземні експрес-методи і технічні засоби одержання інформації. Такі засоби повинні також забезпечувати отримання репрезентативної інформації у глибинному розрізі (на глибину залягання кореневої системи) і по площі с.-г. поля.

Найбільш поширеним методом одержання даних про вологість ґрунту від його 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, коли йдеться про об`єктивну інформацію в якійсь певній точці. Але, коли йдеться про відносне поверхневе зволоження всього поля, то тут уже ТВ-метод не може конкурувати з аерокосмічними методами і засобами одержання цієї інформації. Разом з тим, ТВ-метод має низку недоліків, які не сприяють тому, щоб брати його за еталон при градуюванні наземних та аерокосмічних приладів. Про них багато писалось в науковій і науково-методичній літературі, при обґрунтуванні необхідності розроблення і впровадження нових наземних швидкодіючих експрес-приладів для вимірювання вологості ґрунту. Але запропоновані досі такі прилади, як нейтронний вологомір ВНП-1, “Агротестер”, надвисокочастотний вологомір ґрунтових зразків СВП-5, вимірювач параметрів ґрунтів ВПҐ-1 (ИПП-1) не мають широкого розповсюдження в силу наступних об`єктивних причин. Застосування ВНП-1 вимагає установки на полях обсадних (металевих чи пластмасових) труб, які заважають міжрядному обробітку просапних культур. Надвисокочастотний вологомір ґрунтових зразків СВП-5 не здатен повністю замінити ТВ-метод, оскільки для відбору ґрунтових зразків використовується ґрунтовий бур.

Найбільш пристосовані до умов використання в сільському господарстві “Агротестер” і ВПҐ-1. Обидва прилади мають переносний датчик-бур, до якого підключають вимірювальний блок, а після вимірювань датчик і вимірювач видаляють з поля. Однак “Агротестер” не витримав перших польових випробувань через неточність вимірювань. Прилад ВПҐ-1 показав прийнятні результати при аналогічних випробуваннях і рішенням Центральної методичної комісії Держкомгідромету колишнього СРСР в грудні 1988 р. рекомендований до впровадження на гідрометеорологічних станціях України, Росії, Молдови, Казахстану та інших країн СНД. Проте в силу інших причин він також не знайшов широкого розповсюдження. Його датчик-бур виявився механічно недостатньо міцним для застосування на важких ґрунтах. Визначення вологості ґрунту за показаннями ВПҐ-1 здійснюється за непростою методикою. Для індикації показань приладу застосовано мікроамперметр - прилад сам по собі неточний, легко ушкоджуваний в польових умовах. Широке застосування ВПҐ-1 можливе було за умов, коли значно зміцнити конструкцію датчика, спростити методику градуювання і вимірювання, а у вимірювальному блоці застосувати більш надійну і точну цифрову індикацію показань приладу.

Такий прилад (ВПҐ-4ц) створено в Українському науково-дослідному гідрометеорологічному інституті в 2001-2002 рр. За даними польових випробувань нового приладу на полях господарств Київської області, обслуговуваних Київською гідрогеолого-меліоративною експедицією Держводгоспу України, Вимірювач параметрів ґрунтів ВПҐ-4ц перевищив ТВ-метод за всіма параметрами, в тому числі і за точністю (репрезентативністю) даних про вологість ґрунту на окремому с.-г. полі (угідді). Середньоквадратичне відхилення від даних термостатно-вагового методу для ВПҐ-4ц становило 1, 5 %. Це на 0, 5 % точніше ніж показує ВНП-1 і на 1, 0 % точніше ВПҐ-1. Досягнути цього вдалось завдяки тому, що при вимірюванні вологості застосовано новий, винайдений в УкрНДГМІ, спосіб вимірювання електричної ємності і вологості. Як відомо, основним способом отримання найбільш об`єктивних даних про вологість ґрунту, на думку багатьох дослідників, є ТВ- метод. Але при цьому, як правило, не враховують того що, ТВ-метод не відображає просторово поля вологості (тобто він не репрезентативний) тому, що вологість ґрунту визначається не у 10-см шарі всього поля, зайнятого конкретною с.-г. культурою, а тільки в тому зразку ґрунту, який відбирається для аналізу в алюмінієву баночку (це, орієнтовно, 40-50 грам ґрунту). В той же час ВПҐ-4ц вимірює вологість в об`ємі ґрунту, що нагадує форму циліндра, висотою 10 см і діаметром 60 см, а це була б проба вагою, близько, 40-50 кг сухого ґрунту, тобто в тисячу раз більша ніж проба ТВ-методу.

1. Наземні методи і засоби визначення та експрес-вимірювання вологості і температури ґрунту

Для визначення вологості ґрунту на мережі агро- і гідрометеорологічних станцій України, в підрозділах інших відомств широко використовують метод повітряної або теплової сушки ґрунтових проб (зразків) - термостатно-ваговий (ТВ) метод. Він відомий ще під назвою методу термогравіметричного. Це прямий метод. Згідно з ним вологість ґрунту на сiльськогосподарських угіддях визначають шляхом відбору ґрунтових проб з окремих шарів на глибині вiд 5 до 100-150 см, використовуючи спеціальний ґрунтовий бур, (наприклад, АМ-26). Ці проби вміщують в алюмінієві бюкси об'ємом, приблизно, 60 куб. см і транспортують в ґрунтову лабораторію, де визначають їх масу з вологим ґрунтом. Після висушування в термостатах визначають масу цих же бюксів разом з сухим ґрунтом. При відомій масі порожнього бюкса вираховують вологiсть ґрунту. При коректному виконанні всіх перерахованих вище операцій цей метод дозволяє з досить високою точністю визначати вологiсть 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, взятому з нижньої частини бурового циліндра, а не в шарі 10 см, одержані дані є випадковими і їх, здебільшого, неможливо розповсюджувати на все поле.

Тривалість процесу визначення вологості ґрунту становить 1, 5-2 дні, що спричиняє запізнення для прийняття технологічних рішень, бо при значних опадах чи суховіях вологiсть ґрунту за цей час може істотно змінитись.

Трудомісткість методу та вартість апаратури обумовлюють високу собівартість одержання необхідної iнформацiї про вологість ґрунту.

Враховуючи вказані недоліки термостатно-вагового методу визначення вологості матеріалів вже на протязі досить тривалого часу розробляють непрямі (опосередковані) методи, засновані на вимірюванні фізичних властивостей ґрунтів, які в певній мірі залежать від їх вологості. В системі Гідрометеорологічної служби колишнього Радянського Союзу проблемі вимірювання вологості ґрунту приділялась особлива увага. Через кожні 4 роки скликались всесоюзні наради з цього питання, куди запрошувались спеціалісти всіх існуючих на той час галузей науки і техніки. Ці спеціалісти запропонували в свій час багато методів і технічних засобів. Однак увагу науковців і практиків привернули лише кілька пропозицій. Серед них нейтронний вологомір ВНП-1 Інституту гідротехніки і меліорації (Київ), прилад “Агротестер” Новосибірського відділення ВАСГНІЛ і вимірювач параметрів ґрунтів ВПҐ-1 (ИПП-1) Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту (Київ). Розглянемо основні їх технічні дані і характеристики та дамо їм стислу оцінку.

1. 1. Нейтронний вологомір ВНП-1

Принцип дії цього приладу заснований на здатності атомів водню уповільнювати рух швидких нейтронів, переводячи їх у ранг повільних. В складі приладу - електронний цифровий вимірювальний блок з індикатором на рідких кристалах і датчик, суміщений в одному корпусі з джерелом швидких нейтронів. Для повторних вимірювань 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 осипання ґрунту. Внутрішній діаметр труби повинен бути таким, щоб дозволяв легко рухатись датчику ВНП-1 при неодноразовому переміщенні його на різні рівні за глибиною.



Рис. 1. Нейтронний вологомір ВНП-1

Технічні дані ВНП-1 такі: діапазон вимірювання вологості становить 0, 05 - 0, 5 г/куб. см (або 5 - 50 %), похибка вимірювання - 0, 025 г / куб. см (або 2, 5 %). Загальна вага комплекту без обсадних труб 5 кг.

Задум засновників цього методу був такий: вода складається з двох атомів водню і одного атому кисню; якщо занурити датчик приладу в ґрунт і потім виміряти енергію нейтронів, уповільненених атомами водню, то на базі цих даних можна дуже точно визначити вміст води в ґрунті. Спочатку при впровадженні цього методу навіть вважалось, що це ідеальний метод, розрахований якраз на такі об’єкти, як ґрунт. Однак, як пізніше з’ясувалось, при цьому не було враховано багато супутніх факторів, які вносять суттєві помилки при визначенні вологості ґрунту цим методом. Перш за все, атоми водню входять не тільки до складу води, але й до складу органічної частини ґрунту (гумусу, перегнилих і не перегнилих решток рослин, органічних добрив та мікрофлори). Органічна фракція ґрунту, за літературними даними, може досягати 20 відсотків від всієї маси ґрунту. Таким чином при абсолютній вологості ґрунту в 20 %, максимальна похибка може сягати 100 % тільки за рахунок неврахування органіки і мікрофлори.

По-друге, сфера дії нейтронного методу має радіус 30 см. Це означає, що ним можна виміряти концентрацію повільних нейтронів у сфері діаметром 60 см (тобто в шарі ґрунту висотою 60 см), а це в 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 в 1, 5-2 рази менші значення в порівнянні з глибиною 30 см. Це явище пов`язане з тим, що на глибинах до 20 см сфера дії нейтронного методу включає також не тільки ґрунт, але й повітря, де концентрація атомів водню в одиниці об’єму значно нижча, ніж у ґрунті (див. рис. 2).



Рис. 2. Датчик ВНП-1 на глибині 10 см.
1- повітря, 2 - ґрунт, 3 - датчик-зонд приладу ВНП-1, 4 - обсадна труба.

Тому ВНП-1 рекомендують застосовувати починаючи з глибини не менше 30 см. Це суттєвий недолік даного методу, бо вологість орного шару ґрунту найбільш мінлива, а інформація про неї найбільш необхідна. По-третє, потреба закладання на полях обсадних труб створює певні незручності для господарників. Такі труби могли б стояти на полях з колосовими культурами і травами в період між останнім обробітком (боронуванням посівів, підкормкою, тощо) і збиранням. Щодо просапних культур, то тут період, коли обсадні труби можуть знаходитись на полі ще коротший. В той же час термостатно-ваговий метод гідрометстанції використовують весь вегетаційний період і навіть частково зимою.

Ми назвали тільки три недоліки, характерні для нейтронного методу визначення вологості ґрунту. Окрім того, похибки цього методу, як і будь-якого іншого, пов`язані також з неврахуванням щільності, температури, механічного і хімічного складу ґрунту, інших факторів.

1. 2. Прилад “Агротестер”

В основу цього приладу покладено метод вимірювання комплексного опору ґрунту в змінному електричному полі (так званий кондуктометричний метод). Він складається з цифрового електронного вимірювального блоку на світло-діодах і датчика-бура. Датчик “Агротестера” влаштовано так, що дві круглі шнекоподібні лопатні служать і засобом занурення датчика на задану глибину і засобом вимірювання, тобто конденсатором, в якому середовищем між обкладинками-лопатнями є ґрунт. Вага комплекту 6 кг. Споживає він 1, 5 Ват електроенергії від автономного блоку живлення на акумуляторах.

Прилад “Агротестер” має ту, основну, перевагу над ВНП-1, що він значно краще пристосований до технології землеробства. Для його використання не потрібно закладати в ґрунт стаціонарні обсадні труби. Датчик “Агротестера” занурюється в ґрунт і виймається після завершення вимірювань і поле вільне для проведення наступних робіт, пов`язаних з сівбою (посадкою) культур і доглядом за ними. Цінним є також і те, що датчик “Агротестера” з телескопічною трубою кріпиться до вимірювального пристрою і становить з ним єдине ціле, що створює додаткові зручності при користуванні приладом у полі. Однак сам “Агротестер” і метод, використаний при цьому для визначення вологості ґрунту мають певні недоліки. Перш за все, метод вимірювання комплексного опору ґрунту Z на двох частотах і використання відношення показань приладу на високих до показань на низьких частотах виявився недостатньо ефективним.



Рис. 3. Зовнішній вигляд приладу “Агротестер”.

Засновники цього методу (“двочастотного зондування” матеріалів) гадали, що виміривши електричний опір чи електропровідність матеріалу на високій і низькій частотах, та пов’язавши їх відношення з вологістю за термостатно-ваговим методом, можна вивести формулу для визначення вологості будь-яких матеріалів. Однак, як показали пізніші дослідження, проведені в УкрНДГМІ, для ґрунту цей метод непридатний. Як виявилось, нема принципової різниці між результатами вимірювань на будь-яких двох частотах, якщо вибирати їх у межах від 100 Гц до 2 Мгц. Навіть при максимальній різниці між частотами коефіцієнт кореляції R між двома вимірами становить більше 0, 90. Це означає, що на результати вимірювань на будь-якій частоті впливають, практично, однаково одні і ті ж параметри ґрунту: вологість, температура, щільність, хімічний і механічний склад. Саме ця обставина, на нашу думку, призвела до того, що “Агротестер” не пройшов виробничі випробування.

Прилад “Агротестер” має ще декілька інших недоліків, серед яких треба, особливо, відзначити те, що через надто великі розміри шнекоподібних лопатнів, датчик фізично не можна занурити глибше 20 см.

1. 3. Вимірювач параметрів ґрунтів ВПҐ-1 (ИПП-1).

В приладі ВПҐ-1 використано принцип вимірювання комплексної електропровідності Y в змінному струмі низької частоти (до 10 кГц). Основні його технічні дані такі: діапазон вимірювання вологості ґрунту 2 - 40 % від сухої маси ґрунту; діапазон вимірювання температури ґрунту - 0…+ 50°С; Середньоквадратичне відхилення від даних ТВ-методу 2, 5 %. Маса вимірювального пристрою - 2 кг, маса датчика - 1, 5 кг; споживає прилад 70 мВт від батареї типу “Крона” напругою 9 В . В комплект приладу входять вимірювальний пристрій на базі звичайного мікроамперметра, датчик-свердло і з’єднувальний шнур між ними (див. рис. 4). Прилад створено в УкрНДГМІ.



Рис. 4. Вимірювач параметрів ґрунтів ВПҐ-1
1 – вимірювальний блок вологості і температури;
2 – з’єднувальний шнур;
3 – датчик-свердло;
4 – чутливі до вологості і температури елементи датчика у збільшеному вигляді

На відміну від методик вимірювань, яку застосовано в приладах ВНП-1 і “Агротестер”, для визначення вологості ґрунту за допомогою ВПҐ-1 була розроблена спеціальна методика, за якою перед використанням прилад необхідно проградуювати на даному ґрунті і визначити так звані градуювальні коефіцієнти. В методиці вимірювань приладом ВПҐ-1 також передбачена компенсація температурної похибки шляхом введення поправок на температуру T , виміряної тим же ВПҐ-1 на тій же глибині, що і Y, чого також не передбачалось в методиках ВНП-1 і “Агротестера”. Саме завдяки цим особливостям вдалось вперше одержати позитивні наслідки випробувань перших 15 приладів, виготовлених Харківським заводом “Елітан” (вимірювальний пристрій) і ЦКБ Гідрометеорологічного приладобудування (датчик) в Обнінську. В 1985 р. 15 приладів було випробувано тільки на деяких типах ґрунтів в Україні. Потім, після одержання задовільних результатів польових випробувань на замовлення Головного управління Гідрометслужби СРСР у 1987 р. Охтирським заводом “Промзв’язок” було виготовлено ще 200 комплектів для більш широких випробувань на території колишнього Радянського Союзу. В системі Гідрометслужби було розповсюджено 100 комплектів, решта - в науково-дослідних установах і окремих господарствах сільськогосподарського профілю.

Необхідно відзначити, що так само, як в 1985 р. на Україні, так і в 1987 на території СРСР, в цілому, ВПҐ-1 виправдав себе. Центральна Методична комісія (ЦМК) Держкомгідромету в Москві у грудні 1988 р. рекомендувала використовувати ВПҐ-1 майже на всій території колишнього Союзу. Поряд з цим комісія запропонувала розробникам приладу в подальшому поліпшити конструкцію датчика (зміцнити свердло), перевести ВПҐ-1 на цифрову індикацію і на базі його розробити також і стаціонарний варіант вимірювача параметрів (вологості і температури) ґрунтів. На прикладі ВПҐ-1 УкрНДГМІ наочно довів що кондуктометричний метод можна застосовувати для вимірювання вологості ґрунту. Це мало велике значення, бо провідні наукові установи у справі вологометрії ґрунтів - Московський інститут “Агроприбор”, а слідом за ним ВНДІСГМ (м. Обнінськ) і багато інших авторитетних установ і осіб, зважаючи на очевидні невдачі вологометрії ґрунту, почали навіть стверджувати, що будь-які електричні вологоміри неможливі. Тоді великі надії покладали лише на нейтронний метод, припускали можливість застосування методу магнітного резонансу, методу інфрачервоної спектроскопії та їм подібним. І коли вперше на матеріалах масових випробувань ВПҐ-1, було одержано середньоквадратичне відхилення даних вологості ґрунту даних приладу від даних ТВ-методу рівне 2, 5 % (факт відомий тільки вузькому колу спеціалістів), це викликало деяке здивування. Поряд з тим, за результатами дослідної експлуатації в 1987 р. було виявлено цілий ряд недоліків і прорахунків. Ці недоліки слід розбити на 3 групи: конструктивні, методологічні і технологічні. Конструктивні - це прорахунки розробників, методологічні - торкаються методики вимірювань і визначення вологості ґрунту, також прорахунки розробників і технологічні - недоробки інженерно-технічного персоналу заводу-виговлювача. Зазначимо, що помітних прорахунків методологічного плану зі сторони авторів ВПҐ-1 не було. Були тільки певні прорахунки, що стосувались конструкції першого датчика. Але переважна більшість недоліків були технологічного характеру. Основні випадки відмови ВПҐ-1 в роботі були пов’язані з недостатньою якістю виготовлення окремих компонентів приладу.

Ось короткий перелік деяких порушень технології виготовлення ВПҐ-1 на заводі:
Деталі датчика (два напівгвинти і капролонова прокладка) були проклеєні не клеєм “Стик”, як було вказано в ТЗ і ТУ, а іншим клеєм не таким міцним (деякі датчики зовсім не були проклеєні, а держались тільки на 4 гвинтиках діаметром 4 мм).

В більшості датчиків товщина стінок труби-штанги була не 2-2, 5 мм, а 1, 5 мм. Це привело до цілого ряду деформацій і поломок штанги датчика. Коробка вимірювального пристрою була виготовлена з листового заліза товщиною біля 1 мм. Тому сама коробка була важча за індикатор разом з платою і ручками управління в декілька раз.

Близько 15 приладів дійшли в неробочому стані до гідрометстанцій, які мали здійснити їх випробування.

Датчик ВПҐ-1 має певні переваги перед датчиком “Агротестера”. У останнього чутливі шнекоподібні елементи мають великий розмір. Датчик ВПҐ-1 в декілька разів менший діаметром. Завдяки цьому свердло ВПҐ-1 легше занурюється на глибину до 1 м, ніж датчик “Агротестера”, який, за свідченням агрометеорологів, фізично неможливо заглибити далі 20 см навіть на легких ґрунтах. Однак в процесі дослідної експлуатації ВПҐ-1 виявлено основний конструктивний недолік його датчика, виконаного у формі двох металевих електродів, виготовлених у формі двох напівгвинтів і скріплених між собою через ізолятор товщиною 6 мм гвинтиками діаметром 4 мм та проклеєних згаданим клеєм “Стик”. (Цей конструктивний недолік було пізніше виправлено створенням цільноблочного металевого датчика, захищеного патентом України і використаного в приладі ВПҐ-4ц).

За результатами дослідної експлуатації ВПҐ-1 в 1987-88 рр. можна було зробити наступні висновки:
Кондуктометричний метод цілком придатний для вимірювання вологості ґрунту при застосуванні розробленої в УкрНДГМІ методики градуювання датчиків на різних ґрунтах і при введенні поправок на температуру ґрунту.

Для впровадження ВПҐ-1 на гідрометеорологічних станціях і постах необхідно вдосконалити конструкцію датчика, зміцнивши свердло.

Широке застосування ВПҐ-1 (не тільки в системі Гідрометслужби) можливе тоді, коли у вимірювальному блоці його використати цифровий рідинно-кристалічний індикатор, і метод вимірювання , який дозволяв би одержувати значення вологості і температури ґрунту на цифровому табло в закінченому вигляді без додаткових обчислень.

Необхідно створити стаціонарний варіант датчика ВПҐ-1. Враховуючи численні побажання спеціалістів сільського господарства, корисно було б розробити комплексний прилад для вимірювання вологості ґрунту і зерна.

1. 4. Вимірювач параметрів ґрунтів ВПҐ-4ц

В основу ВПҐ-4ц покладено новий спосіб вимірювання вологості матеріалів, розроблений УкрНДГМІ в 2001 р. Особливість цього методу та, що він більш чутливий до ємнісної складової комплексної електропровідності ґрунту, ніж всі відомі досі. Прилад ВПГ-4ц захищений патентами України №239 вiд 16. 01. 1993р. , №27798 вiд 16. 10. 2000 р. та заявкою № 2004031597 від 04. 03. 2004 р. Всеукраїнський державний науково-виробничий центр стандартизації, метрології, сертифікації та захисту прав споживачів (УКРМЕТРЕСТАНДАРТ) визнав Вимірювач параметрів ґрунтів ВПҐ-4ц придатним для вимiрювання вологостi i температури ґрунту (протокол №36-2/182 вiд 04. 03. 2004 р. ).



Рис. 5. Зовнішній вигляд вимірювача параметрів ґрунтів ВПҐ-4ц.
1 - цифровий вимірювальний блок;
2 - наконечник переносного датчика у збільшеному вигляді;
3 - з`єднувальний провід;
4 - переносний датчик вологості ґрунту;
5 - стаціонарний датчик вологості ґрунту.

Це забезпечує переваги нового методу перед відомими, бо, як доведено більшістю досліджень, саме активна складова є причиною виникнення помилок при вимірюванні вологості ґрунту, пов’язаних із нестабільністю щільності, механічного та хімічного складу ґрунтів. На основі цього методу розроблено універсальний пристрій вимірювача вологості матеріалів. Градуювальні графіки вологості ґрунту практично лінійні. При вимірюванні вологості повітря вони лінійні в діапазоні 20 - 100 %. Дослідження показали також достатню лінійність графіків вологості коренеплодів цукрових буряків і зерна.

Технічні дані ВПҐ-4ц

Розміри ВПҐ-4ц, мм, не більше:
габарити вимірювача
180 х 140 х 70
довжина датчика - бура для глибини 1 м
1250
довжина датчика - бура для глибини 1.5 м
1750
Маса, кг, не більше:
вимірювача
0,8
датчика
1,5
Час безупинної роботи від одного джерела постійної напруги, годин., не менше 100
Максимальна електрична потужність, мВт, не більше 100
Діапазон вимірювання параметрів ґрунту:
температури Т, °С
-15 … +35
вологості ґрунту W’( % )
2 … 40
загальних запасів вологи в 10 см шарі (мм)
3 … 60
Сеpедньоквадpатична похибка вимірювання:
температури
± 1,0°С (2,5 %)
вологості ґрунту W’( % )
± 1,5
загальних запасів вологи в 10 см шарі (мм)
±3
Середній термін служби до списання не менше 8 років
Термін гарантійного ремонту 1 рік


1. 5. Інші методи і засоби

Серед інших методів і засобів, які можна спробувати використати для вимірювання вологості ґрунту слід відзначити стаціонарний датчик вологості ґрунту корпорації Sutron (США), надвисокочастотний вологомір ґрунтових зразків СВП-5, радіолокатор для визначення вологості ґрунту, фотооптичний вологомір ґрунтових зразків, переносний ІЧ-вологомір IRMM-106, вологомір "ВИМС-1" (для бетону, цегли, піску, деревини, зерна), цифровий вологомір для сіна і силосу WILE-25 і ряд інших.

1. 5. 1. Датчик вологості ґрунту корпорації Sutron (США)

Датчик електричного опору, призначений для дистанційного контролю вологості ґрунту (рис. 6). конструктивно виконаний таким чином, що основна стінка циліндра є напівпроникною (пропускає тільки воду, а в середині циліндра знаходяться два ізольовані електричні контакти і речовина, що всмоктує вологу з ґрунту. Коли внутрішня всмоктувальна сила датчика більша ніж у ґрунті він усмоктує воду, і віддає воду, коли, навпаки, смоктальна сила ґрунту більша. Таким чином між осмосом в нутрі датчика і осмосом ґрунту завжди існує динамічна рівновага. Діапазон осмотичних сил знаходиться в межах від 10 до 200 сантибар, а виміряний електричний опір - в межах від 500 до 30000 Ом. Датчик сертифіковано Міжнародною організацією по стандартизації. Недоліками такого типу датчиків є велика інерційність і неможливість використання їх на будь-яких полях, а тільки на таких, які в даний момент не обробляються (такий же недолік і нейтронного вологоміра ВНП-1). Окрім того датчик - сорбційний (усмоктуючий), а це означає, що сорбційна здатність його з часом може змінюватись, а з нею і його градуювальні параметри. Адже ґрунт - не інертне, а активне середовище. Активність, а подекуди і агресивний характер цього середовища може призвести до того, що внутрішній наповнювач датчика почне хімічно взаємодіяти з ґрунтом, а це, в свою чергу, до змін в його електричних градуювальних параметрах.



Рис. 6. Датчик вологості ґрунту корпорації Sutron (США)

Разом з тим виникають певні проблеми, обумовлені конструкцією датчика і пов`язані з його установкою на окремих полях. Для установлення таких датчиків на полях іншого підходу поки що не знайдено, як ручним способом копати лопатою шурфи і встановлювати такі датчики на глибинах 10, 20, 30, . . . 100, . . . 150 см. (Така ж методика установки датчиків Даніліна, де використано вугільні електроди). На противагу цим датчикам, стаціонарні датчики УкрНДГМІ (рис. 5, фігура 5; рис. 9, фігура 2 )  для глибин 10, 20, . . . 50 см і глибше, зібрані в спільний монолітний циліндр, який має діаметр ґрунтового бура АМ-26. Такий збірний датчик-моноблок легко можна вставити в свердловину, зроблену у ґрунті буром АМ-26 і не потрібно рити шурфи лопатою. Висота кожного окремого датчика рівно 10 см і це забезпечує точну установку всіх датчиків на відповідну глибину. Глибину установки датчиків корпорації Sutron важко точно контролювати.

1. 5. 2. Надвисокочастотний вологомір ґрунтових зразків СВП-5

Розробником приладу є Білоруський державний аграрний технічний університет. Прилад призначений для використання на гідрометеорологічних станціях, а також у сільському господарстві для експресного визначення вологості ґрунтів. Принцип дії його заснований на вимірюванні послаблення електромагнітної енергії надчастотного (НВ) поля вологими зразками ґрунтів. За твердженням розробника обраний метод вимірювання у частотному діапазоні 10 Ггц дозволив виключити вплив хімічного складу ґрунтів на результат вимірювання вологості, хоча таке твердження потребує ретельної експериментальної перевірки. За даними авторів розробки технічні характеристики СВП-5 трохи уступають приладу ВПҐ-4ц. Головним і вагомим недоліком СВП-5 є те, що він потребує відбору ґрунтових зразків ґрунтовим буром. Другим важливим недоліком цього приладу є те, що він так само, як і ТВ-метод, є менш репрезентативним для окремого поля, ніж прилади ВПҐ-1 і ВПҐ-4ц. Прилад СВП-5 і ТВ-метод не відображають просторово поля вологості тому, що вологість ґрунту визначається не у 10-см шарі всього поля, зайнятого конкретною с.-г. культурою. Вона вимірюється і визначається тільки в тому зразку ґрунту, який відбирають ґрунтовим буром (орієнтовно, 40-50 грам). В той же час ВПҐ-4ц вимірює вологість, якщо також не на всьому полі, зате в об`ємі ґрунту, що нагадує форму циліндра, висотою 10 см і діаметром 60 см, а це була б проба вагою, близько, 40-50 кг сухого ґрунту, тобто набагато більша ніж проба 40-50 грам. Такий же недолік і фотооптичного вологоміра ґрунтових зразків та переносного ІЧ-вологоміра IRMM-106. Щоб використати ці обидва прилади для вимірювання вологості необхідно вийняти з ґрунту ґрунтовим буром проби дуже малого об`єму.

1. 6. Дистанційний та автоматизований експрес-контроль агрометеорологічних умов вирощування сільськогосподарських культур

На гідрометеорологічних станціях, в науково-дослідних установах сільськогосподарського профілю, природоохоронних закладах та багатьох сільськогосподарських підприємствах ведеться важка рутинна робота, спрямована на збирання, обробку, збереження i передачу інформації про навколишнє середовище, стан рослин і т. п. Такі роботи вимагають матеріальних витрат і великої ручної праці, що призводить до суттєвого збільшення вартості інформації. Широка автоматизація цих робіт із застосуванням сучасних комп`ютерних технологій дозволила б не тільки зменшити обсяги ручних робіт, але й знизити вартість інформації і, що особливо важливо, істотно покращити її якість та оперативність. Розробка та застосування автоматизованих вимірювальних систем для збирання, обробки, передача i збереження інформації про стан ґрунту, пов’язані з вирішенням кількох важливих проблем, серед них одна з найважливіших - проблема датчика вологості ґрунту.

Для вимірювання такого, можливо, найголовнішого параметра, як вологість ґрунту фактично ні в Україні, ні за її межами поки що немає офіційно визнаного датчика. Але без вирішення проблеми датчика вологості ґрунту вся справа автоматизації вимірювання інших параметрів ґрунту в агрометеорології та агрономії є малоефективною. При наявності датчиків вологості ґрунту вже стають важливими також датчики температури, щільності, кислотності та інших параметрів ґрунту, рослин і повітря. Широкій автоматизації вимірювань агрометеорологічних параметрів ґрунтів може передувати створення та впровадження дистанційних агрометеорологічних постів. Ці пости дозволили б добре випробувати датчики та вимірювальні системи, відпрацювати технологію вимірювань і, на початку, значно зменшити трудомісткість і вартість первинної інформації про стан ґрунтів. Потім, при додаткових матеріальних затратах, ці пости легко перевести на повний автоматичний режим без зміни інфраструктури мережі агрометеорологічних спостережень.



Рис. 7. Автоматизований агрометеорологічний пост (ААП)

1 - ПЕОМ, 2 - радіоприймач, 3 - приймальна антена, 4 - блок датчиків вологості і температури повітря, 5 - аналогово-цифровий перетворювач разом з радіопередавачем, 6 - передавальна антена, 7 - датчики вологості ґрунту .

Перед тим як розробляти власну автоматизовану вимірювальну систему нами, були вивчені вже існуючі у світі системи не агрометеорологічного спрямування. Серед них розглянуті дистанційні метеорологічні пости фінської фірми “Вайсала”, автоматизована метеостанція білоруського НПО “Агат”, автоматизована метеорологічна станція спільного ізраїльсько-американського виробництва та вітчизняна розробка АРМ, створена Кримським НПО “Селта”. Слід зазначити, що жодна із розглянутих систем не повністю відповідає завданням агрометеорології, оскільки не пропонує реального датчика для вимірювання вологості ґрунту, без якого автоматизація вимірювань є мало перспективною.

Правда, працівники НПО “Селта”, включили в комплект своєї системи проект вимірювача вологості ґрунту з застосуванням перспективного (на думку переважної більшості дослідників) методу інфрачервоної (ІЧ) спектроскопії. Однак з цього приводу вважаємо за доцільне зазначити наступне. Дійсно, метод ІЧ-спектроскопії виявився найбільш плідним для визначення вмісту найрізноманітніших речовин у складі суміші, але в усіх випадках він застосовувався у варіанті пропускання ІЧ-променів через досліджуваний об`єкт. Проте коли взяти навіть тонку плівку ґрунту товщиною кілька мікрон, то вона є абсолютно непроникною для ІЧ-променів. Можливе застосування підходу, заснованого на відбитті ІЧ-променів, але цей підхід на даний час залишається, майже недослідженим. Окрім того, метод ІЧ-спектроскопії, так і залишився надто дорогим і придатним більше для лабораторних досліджень, а не для розробки польових експрес-приладів та автоматизованих дистанційних пристроїв вимірювання вологості ґрунту.

Немає єдиної думки і щодо принципів побудови автоматизованих вимірювальних систем не тільки в агрометеорології, але й гідрометеорології в цілому. Найбільш досконалою, щодо методів і засобів автоматизованого контролю гідрометеорологічних параметрів, на наш погляд є фінська фірма "Вайсала", яка пропонує споживачам деяку автоматичну систему для спостереження за станом багатьох елементів погоди на базі спеціалізованого ("метеорологічного") комп'ютера. В процесі виконання науково-дослідних робіт в УкрНДГМІ упродовж 1991-1996 рр. нами була створена автоматизована система контролю параметрів ґрунтів, що за багатьма ознаками переважала подібну розробку фірми “Вайсала”:

Система УкрНДГМІ дозволяє одночасно знімати і передавати дані з великої кількості датчиків (до 256) на відстань до 10 км за допомогою кабелю і до 100 км і більше із використанням радіоканалу.

Гравіювальні параметри датчиків передбачено заносити в пам'ять ПЕОМ заздалегідь для постійного зберігання і знімати дані з 200-300 датчиків за 1 секунду, а не вводити з індивідуальної перфострічки перед вимірюванням за допомогою кожного окремого датчика, як пропонувала у свій час фірма "Вайсала"

Система фірми "Вайсала" є "закритою". Без спеціального "метеорологічного комп’ютера" датчики фірми не можуть бути використані. Пропонована нами система є відкритою для будь-якого датчика і може прямо підключатись до комп'ютерної мережі через стандартний зв'язок без додаткових зв'язуючих пристроїв.

Для комплектації автоматизованого агрометеорологічного поста нами також розроблено діючі макети датчиків та вимірювальні пристрої до них з такими параметрами:

вологості повітря (діапазон 25-100 %, при температурах від -4 до +50°С);

вологості ґрунту (діапазон 2-40 % при температурах від 0 до +50°С);

температури повітря (діапазон - від -50 до +50 ° С);

температури ґрунту (діапазон - від -25 до +50°С);

фотосинтетично активної радіації ФАР (діапазон 0, 38-0, 70 мкМ) та інші.

Ці датчики і функціональні перетворювачі "сигнал-напруга" є універсальними, тобто придатні до застосовування як в автоматизованих вимірювальних системах, так і в окремих дискретних приладах. Крім датчиків вологості i температури ґрунту, датчиків температури i вологості повітря, датчика ФАР автоматизований агрометеорологічний пост ААП-1 включає багатоканальний аналогово-цифровий перетворювач, з'єднаний за допомогою кабелю, або через радіоканал, як показано на малюнку, із персональним комп'ютером IBM PC. Комп’ютер забезпечує обробку i зберігання агрометеорологічної інформації.

Базовий ААП-1 комплектується 16 датчиками. В комплект ААП-1 включені датчики вологості ґрунту для глибин 10, 20, . . . , 50 см (5 шт. ), датчики температури ґрунту для глибин 10, 20, . . . , 50 см (5 шт. ), датчики вологості повітря (2 шт. ), датчики температури повітря (2 шт. ) i датчики для вимірювання фотосинтетично активної сонячної радіації (ФАР) - 2 шт. В залежності від потреб споживачів кількість каналів може бути збільшена до 64 і більше для підключення будь-якої кількості датчиків. Це не заважатиме роботі ААП, оскільки швидкодія його така, що дозволяє "опитати" до 200-300 датчиків упродовж 1 секунди. Відстань між ПЕОМ і датчиками може сягати 10 км і більше, при використанні двожильного (екранованого) кабелю та 100 км і більше при використанні радіозв`язку. Дальність радіозв`язку залежить від потужності передавальних та приймальних пристроїв.

2. Аерокосмічні методи визначення вологості і температури ґрунту

Аналіз патентної, науково-технічної літератури та інформації, представленої у мережі Internet, присвяченої аерокосмічним методам контролю стану поверхні землі, зокрема, рослинності і ґрунтів дає підстави стверджувати, що при розробці методів такого контролю, наземним методам і засобам контролю приділяється мало уваги. Розроблювані моделі оцінки стану рослин і ґрунту за супутниковими даними, що базуються переважно на законах оптики, термодинаміки та інших фізичних законах, завжди потребуватимуть експериментальної перевірки в наземних умовах. А для цього необхідна надійна наземна мережа контролю стану рослин і ґрунту. Однак при цьому виникають дуже складні і, тим не менше, важливі проблеми, пов'язані з особливостями аерокосмічних і наземних методів.

Перша особливість. Дуже відрізняються роздільна здатність (область охоплення) об`єкту аерокосмічними датчиками і наземними засобами. Так, якщо датчики супутників землі охоплюють площу земної поверхні, що має форму кола діаметром від десятків метрів до кількох кілометрів, то термостатно-ваговий метод може характеризувати, хіба що, грудочку землі діаметром до 3-4 см. В той же час датчики ВПҐ-4ц (стаціонарний і переносний) діють у полі, що має форму кола діаметром 60 см і більше. Це положення ілюструють рис. 8. і 9. Якщо для космічних датчиків за роздільну здатність прийняти коло діаметром 10 м, то обсяги вибірки щодо вологості поверхні ґрунту для датчиків супутників становитимуть 7, 85. 107 см2, для ВПҐ-4ц - 2, 826. 103 см2, а для ТВ-метода - лише 7, 1 см2 . Тобто вони співвідноситимуться як 1, 1. 107 : 4, 0. 102 : 1. Єдиним, ефективним, способом врахувати цю особливість, поки що лишається збільшення на площі числа повторень вимірювань приладом ВПҐ-4ц і, особливо, визначень вологості ґрунту ТВ-методом.



Рис. 8. Роздільна здатність різних способів одержання інформації
про вологість ґрунту:

1 - аерокосмічних, 2 - приладу ВПҐ-4ц, 3 - ТВ-метода.



Рис. 9. Роздільна здатність переносного (1) і
стаціонарного (2) датчиків ВПҐ-4ц

З іншого боку, за допомогою аерокосмічних методів не можна одержати розподіл температури і вологості ґрунту на глибинах до 1-1, 5 м. В цьому випадку вони, поки що, не можуть замінити наземні засоби одержання інформації про вологість і температуру ґрунту.

Друга особливість. Аерокосмічні дані, як правило, не співпадають із наземними в часі і просторі. Траєкторія супутників часто не співпадає з місцем розташування існуючої мережі гідрометеорологічних станцій і постів, які ведуть наземні спостереження за станом атмосфери, рослин і ґрунту. Строки агрометеорологічних спостережень також, частіше всього, не співпадають із часом проходження штучних супутників над місцем розташування станцій і постів. Щоб врахувати цю особливість є два способи. Перший спосіб. Коли добре вивчені мікрокліматичні особливості території і добовий хід агрометеорологічних показників, потрібно вводити відповідні поправки в дані наземних спостережень. Другий спосіб. По трасі проходження штучного супутника заздалегідь розмістити пересувні агрометеорологічні пости з частішими ніж на гідрометеорологічних станціях строками спостережень. Такі пости дозволять не тільки більш точно прив'язати наземні спостереження до аерокосмічних даних, але можуть служити новою, дуже ефективною технічною базою для мікрокліматичних досліджень території. Реалізація другого способу дозволить у майбутньому використати перший спосіб, або комбінацію першого і другого.

Третя особливість. Різні фізичні принципи, покладені в основу наземних і аерокосмічних засобів вимірювання. В аерокосмічних методах і засобах вимірювання використовуються кілька способів вимірювання параметрів підстильної поверхні землі. Це реєстрація відбитої радіації у видимій частині спектра, в інфрачервоному (ІЧ) діапазоні та у високочастотному радіодіапазоні, а також фіксація природного гама-випромінювання поверхні землі. В приладі ВПҐ-4ц застосовано кондуктометричний спосіб вимірювання ємності ґрунту в змінному електричному струмі. ТВ-метод заснований на зважуванні, висушуванні та визначенні кількості випаруваної води. Кожний із трьох вищезгаданих методів має свої переваги і недоліки. Переваги аерокосмічних методів полягають у тому, що вони швидкодіючі і охоплюють великі території. Але вони мають і недоліки. За допомогою їх не можна отримати розподіл агрометеорологічних показників в глибинному розрізі до 1-1, 5 м, що є перевагою наземних засобів. Прилад ВПҐ-4ц має ту перевагу перед ТВ-методом, що він характеризує пробу ґрунту об`ємом 28 літрів, а ТВ-метод - лише 22 мілілітра. ТВ-метод окрім названих вище недоліків має свою основну перевагу перед ВПҐ-4ц і аерокосмічними методами. Його перевага полягає в тому, що він прямий метод і служить засобом градуювання як ґрунтових вологомірів, так і аерокосмічних засобів вимірювання вологості ґрунту. Однак, як показано на рис. 1, спроба градуювати космічні датчики лише за допомогою ТВ-методу може бути безуспішною, якщо не використовувати ВПҐ-4ц як проміжний засіб. Таким чином, потрібне таке співвідношення у використанні всіх трьох методів, щоб одержувати найбільш об`єктивну інформацію про вологість ґрунту.



Рис. 10. Загальний вигляд
дистанційного агрометеорологічного поста ДАП-1

На рис. 10. представлено загальний вигляд дистанційного агрометеорологічного поста ДАП-1, який може використовуватись як стаціонарно на гідрометеологічних станціях і постах, так і в пересувних агрометеорологічних лабораторіях на базі будь-якого мікроавтобуса-всюдихода. В останньому випадку установка і демонтаж обладнання, представленого на рис. 10 можна здійснити за годину. Передбачається, що на трасі проходження супутника (або в точці, де перехрещуються траєкторії кількох супутників землі), серед поля завчасно мають бути установлені датчики ДАП-1. Цифровий пульт можна установити за межами поля, наприклад в лісосмузі у палатці. Таких постів можна установити декілька не тільки на трасах проходження супутників, але для спеціальних мікрокліматичних досліджень території. ДАП-1 і операторів-спостерігачів можна транспортувати в одному мікроавтобусі. Можливий варіант об`єднання ДАП-1 і ВПҐ-4 ц в одному універсальному пристрої. За допомогою ДАП -1 можна вимірювати такі агрометеорологічні показники:

вологість в шарах ґрунту: 0-10, 11-20, . . . 91-100, . . . 141-150 см;
температуру ґрунту на глибинах : 0, 3, 10, 20, . . . 91-100, . . . 141-150 см;
температуру і вологість повітря на висоті 2 м (або на іншій);
сумарну і фотосинтетично активну радіацію (ФАР) та альбедо.

Точність вимірювання не поступається кращим аналогам.



3. Агрогідрологічні властивості ґрунтів.

Електрофізичні властивості ґрунтів тісно пов`язані з їх агрогідрологічними властивостями. Так ще в 1990 р. нами було встановлено, що градуювальні параметри K приладу ВПҐ-1 дуже тісно пов’язані з об`ємною масою Q(щільністю) ґрунтів і можуть служити електричним еталоном того чи іншого ґрунту. Коефіцієнт кореляції R між K приладу і Q ґрунту сягав 0, 95 і завжди був вище 0, 75. (Коефіцієнт K визначали за даними вимірювання приладом і термостатно-вагового (ТВ) методу. )Оскільки перед тим, як застосовувати ВПҐ-1 і ВПҐ-4ц на конкретному полі їх потрібно градуювати, то такий зв`язок між K і Q можна використати для того, щоб завчасно визначати параметри K для різних ґрунтів без застосування ТВ-метода. У зв’язку з цим треба відзначити, що агрогідрологічні властивості різних типів ґрунтів на даний час набагато краще вивчені ніж їх електричні властивості, тому що прилади для вимірювання вологості ґрунтів ще мало поширені.

В УкрНДГМІ підготовлено до видання довідник “Агрогiдрологiчнi властивості ґрунтів України”, де подана найбільш повна характеристика таких агрогідрологічних властивостей різних типів ґрунтів: об`ємна маса (щiльнiсть, густина) ґрунту, вологiсть стiйкого в`янення, непродуктивна волога, найменша польова вологоємнiсть і повна (максимальна) польова вологоємнiсть. Крім того, вміщено статистичні дані про мінливість вказаних властивостей багатьох типів та різновидів ґрунтів, а також деякі практичні рекомендації щодо застосування їх в агрометеорології та агромеліорації. Як показали наші дослідження, використання даних окремих ґрунтових розрізів для характеристики конкретного поля, враховуючи природну мінливість агрогідрологічних властивостей у часі і просторі, не завжди є обґрунтованим. Коли об'єднати групи даних, які відносяться до тих чи інших ґрунтових відмін і різновидів, то кожну таку групу даних можна вважати як спільну сукупність. Мінливість таких агрогідрологічних властивостей, як щільність, найменша польова і повна польова вологоємність, тощо, така ж як і на окремому гектарі поля. Це дає можливість одержані середні значення агрогідрологічних властивостей ґрунту за відповідною методикою екстраполювати навіть на поля, де ніколи не проводились подібні спеціальні дослідження.

На рис. 8, для прикладу, подано мапу об`ємної маси ґрунтів України в шарі ґрунту 0-20. Такі ж мапи побудовані і для всіх шарів ґрунтів України до метрової глибини. Вони підготовлені за допомогою ПЕОМ, можуть бути представлені на аркушах формату А5, А4, А3 і повинні слугувати основою для складання карт градуювальних прараметрів ВПҐ-4ц на різних типах ґрунтів у масштабі України. Проведені дослідження агрогідрологічних властивостей ґрунтів дозволяють також складати аналогічні мапи у розрізі областей, районів і окремих господарств при наявності відповідних ґрунтових карт.



Рис. 11. Об'ємна маса ґрунтів України     збільшити

4. Результати польових випробувань ВПҐ-4ц

Польові випробування будь-яких приладів необхідні для вирішення питання доцільності їх впровадження. Прилад ВПҐ-1 проходив польові випробування декілька разів. Наслідки його випробувань досить детально описані у вступі цієї роботи. Там же подані деякі дані про наслідки польових випробувань нового приладу ВПҐ-4ц в 2002 р. на полях господарств Київської області, обслуговуваних Київською гідрогеолого-меліоративною експедицією (КГГМЕ) Держводгоспу України. Одержані результати випробувань ВПҐ-4ц в 2002 р. перевищили всі наші сподівання і заслуговують на те, щоб розглянути їх трохи детальніше.

Враховуючи корисний досвід, набутий при випробуваннях ВПҐ-1 в 1982-1987 р. , нами була знайдена більш досконала методика дослідження. Справа в тому, що при конкурсних випробуваннях ВНП-1 і ВПҐ-1, проведених співробітниками ВНДІСГМ (м. Обнінськ) і УкрНДГМІ в 1982 р., вже виникала думка про те, що термостатно-ваговий (ТВ) метод, взятий нами за еталон, не є абсолютним, необхідно також визначити його істинну помилку. Але в той час ніхто нічого не міг запропонувати. В 2002 р. при польових випробуваннях ВПҐ-4ц нами застосована наступна схема: в точці поля, де проведені вимірювання приладом, на відстані 10 см буряться дві свердловини ґрунтовим буром АМ-26 (АМ-16), або буром Скіпського (див. схему на рис. 9). Перевага такої схеми досліду полягає в тому, що вона дає змогу оцінити не тільки відхилення показань приладу від даних ТВ-метода, але й оцінити помилки самого ТВ-метода, взятого за еталон. Не треба доводити, що, коли прилад дає показання, які відрізняються від еталону не більше ніж два визначення вологості еталонним методом між собою, то такий прилад цілком може замінити еталон.



Рис. 12. Схема досліду
1, 3 - свердловини бура АМ-16 (Скіпського) для відбору проб
і визначення вологості ґрунту (і щільності) за ТВ-методом;
2 - свердловина датчика-свердла ВПҐ-4ц.
Віддаль між свердловинами 10 см.

Глибина всіх свердловин 1 м, вимірювання і взяття проб для визначення вологості ТВ-методом здійснювалось в шарі ґрунту 10 см через кожні 10 см. Буром АМ-16 користувались співробітники КГГМЕ, приладом ВПҐ-4ц і буром Скіпського користувались співробітники УкрНДГМІ. У зв’язку з цим треба відзначити те, що буром Скіпського відбирались проби непорушеної структури ґрунту у формі циліндра висотою 10 см. Така ж висота чутливої частини датчика ВПҐ-4ц. Буром АМ-16 відбирається в алюмінієву баночку проба, адекватна грудочці землі діаметром не більше 4 см (орієнтовно, 40-50 грам ґрунту). Таким чином можна було завчасно передбачити, що вимірювання ВПҐ-4ц повинні краще співпадати з даними ТВ-метода при використанні бура Скіпського, ніж при використанні бура АМ-16. До того за допомогою бура Скіпського визначають ще один важливий параметр - об`ємну масу ґрунту, чого не можна досягти при використанні бура АМ-16. За схемою, поданою на рис. 12 були проведені випробування на 10 полях із різними ґрунтами. За видовим складом охоплено такі ґрунти: дернові глейові, сірі, темно-сірі, чорноземи опідзолені, торф’яники і інші. За механічним складом охоплено піщані, супіщані, суглинки і піщано-глинисті ґрунти. Із аналізу даних таблиць 1 і 2 дуже виразно випливає висновок, що Вимірювач параметрів ґрунтів ВПҐ-4ц дає більш об`єктивні дані про вологість ґрунту, ніж ТВ-метод. Коли поставити таку умову, щоб відхилення загальних вологозапасів за абсолютним значенням, не перевищували ± 5 мм (табл. 1), то при використанні ТВ-метода така умова забезпечена в 24-72 % випадків, в той час як для ВПҐ-4ц вона забезпечена в 53-94 % випадків.

Таблиця 1. Забезпеченість відхилень даних вимірювань вологості приладом ВПҐ-4ц та ТВ-методом, отриманих співробітниками УкрНДГМІ і КГГМЕ

РІЗНИЦЯ (відхилення) Забезпеченість (%) відхилень
3 мм 4 мм 5 мм
між даними ТВ-метода УкрНДГМІ і КГГМЕ 12-57 18-67 24-72
між даними вимірювань ВПҐ-4ц і середніми з даних УкрНДГМІ і КГГМЕ, отриманих ТВ-методом 35-61 47-83 53-94

Аналогічно в табл. 2 показано, що коефіцієнт кореляції R між даними ТВ-метода знаходився в межах 0,60-0,82, в той час як між даними ВПҐ-4ц і ТВ-метода він знаходився в межах 0,92-0,94. В табл. 2 подано тільки два крайні значення статистичних храктеристик із десяти .(мінімум і максимум).

Таблиця 2. Два крайні значення статистичних характеристик даних польових експериментів вимірювання вологості ґрунту різними методами на різних полях

РІЗНИЦЯ (відхилення) Коефіцієнт кореляції Сер. кв. відхилення, мм Помилка, мм Відношення
R± Er S E E/S
між даними ТВ-методу УкрНДГМІ КГГМЕ 0,60 ± 0,15

0,82 ± 0,08
14,61

7,67
9,30

2,53
0,64

0,33
між даними вимірювань ВПҐ-4ц і середніми з даних УкрНДГМІ і КГГМЕ, отриманих ТВ-методом 0,92 ± 0,04

0,94 ± 0,03
7,67

14,61
1,16

1,39
0,15

0,11

Пояснюється цей факт тим, що, як уже було згадано, ТВ-метод, об`єктивно, не відображає просторово поля вологості (тобто він не репрезентативний) тому, що вологість ґрунту визначається не у 10-см шарі всього поля, зайнятого конкретною с.-г. культурою, а тільки в тому зразку ґрунту, який відбирається спеціалістом-спостерігачем для аналізу в алюмінієву баночку (це, орієнтовно, 40-50 грам ґрунту). В той же час ВПҐ-4ц вимірює вологість в об`ємі ґрунту, що нагадує форму циліндра, висотою 10 см і діаметром 60 см, а це була б проба вагою, близько, 40-50 кг сухого ґрунту, тобто в тисячі раз більша ніж проба ТВ-методу.

5. Методи і засоби агрометеорологічних вимірювань в системі гідрометеорологічного забезпечення землеробства

Ефективність гідрометеорологічного забезпечення сільського господарства в цілому і землеробства конкретно залежить від точності агрометеорологічної інформації, яка визначається точністю вимірювання агрометеорологічних величин (параметрів) і точністю агрометеорологічних прогнозів. Між іншим, точність агрометеорологічних прогнозів також в певній мірі залежить від точності вимірювання агрометеорологічних показників. Дослідження, проведені в УкрНДГМІ показали, що існуюча мережа агро- і гідрометеорологічних спостережень в Україні така, що дозволяє одержувати задовільну агрометеорологічну інформацію для гідрометеорологічного забезпечення землеробства тільки в масштабі держави, на обласному рівні вже відчувається брак необхідної інформації як за обсягом, так і за точністю.

Існуюча мережа агрометеорологічних спостережень практично не може забезпечити районний рівень, і зовсім не в стані забезпечити рівень окремого господарства. В той же час наші розрахунки довели, що якраз найбільший економічний ефект від впровадження агрометеорологічних рекомендацій можна отримати тільки тоді, коли вони розраховані на рівень окремого господарства з прив’язкою до конкретних полів. Цілком зрозуміло, що відкривати нові гідрометеорологічні станції і пости в окремих господарствах неможливо і недоцільно. Тут якраз могли б прислужитися деякі нові методи і засоби вимірювання агрометеорологічних елементів, особливо автоматизовані системи, побудовані на їх основі. Проведений аналіз нових методів вимірювання вологості ґрунту дає можливість зробити декілька загальних висновків, які мають практичне значення для гідрометеорологічного забезпечення землеробства :
Ні термостатно-ваговий метод ні окремі технічні засоби самостійно не можуть забезпечити достовірну і повну інформацією про вологість ґрунту в справі гідрометеорологічного забезпечення. Тільки оптимальне поєднання їх дозволить забезпечити потреби землеробства в цій інформації на всіх рівнях агрометеорологічного обслуговування.

Нейтронний метод не можна брати за основу при модернізації спостережень за вологістю ґрунту в Україні. І не стільки через небезпеку радіаційного опромінення персоналу, а через те що цей метод фізично не може забезпечити необхідної точності вимірювань, особливо у верхньому 0-10 см шарі ґрунту.

У процесі подальшої модернізації наземних спостережень за вологістю ґрунту доцільно орієнтуватись на Вимірювач параметрів ґрунтів ВПҐ-4ц. При цьому треба врахувати деякі корисні особливості конструкції “Агротестер”, незважаючи на його недоліки при виробничих випробовуваннях. Недоліки “Агротестера” пов’язані не стільки з конструкцією приладу, скільки з тим, що для розрахунку вологості ґрунту використано формулу, яка авторами не була ретельно перевірена до випробувань.

Для вирішення проблеми вологометрії на гідрометеорологічній мережі України необхідно застосувати комплексний підхід із врахуванням надбань різних галузей науки і техніки, як наземної вологометрії, так і з застосуванням аерокосмічних методів. За допомогою інформації зі штучних супутників землі можна одержати оперативно інформацію про зволоження поверхні ґрунту на великих територіях. За допомогою наземних засобів можна отримати дані про вологість різних шарів ґрунту в окремих точках на глибину до 1-1, 5 м. Поєднання цих методів дозволило б відтворити поле вологості ґрунту як у часі, так і в просторі. А - це нова інформація, яку поки що ніхто не отримує. Тому потрібні нові дослідження в цьому напрямку.

Існуюча система наземних спостережень за вологістю ґрунту потребує модернізації. Проте єдиного погляду на цю справу немає, тому необхідно розробити загальну концепцію вирішення проблеми вологометрії на Україні з врахуванням успіхів і прорахунків від впровадження експрес-методів і засобів вимірювання вологості ґрунту, а також потреб різних рівнів агрометеорологічного забезпечення сільського господарства і інших галузей народного господарства. При потребі проект такої концепції та конкретні пропозиції щодо вдосконалення системи гідрометеорологічних спостережень УкрНДГМІ міг би розробити.

6. Про економічну ефективність засобів агрометеорологічних вимірювань

Вартість інформації заданої точності, одержувана різними засобами дуже важлива при модернізації (оптимізації) агрометеорологічної мережі. Однак доцільність введення нових засобів спостережень і вимірювань визначається економічною ефективністю їх впровадження і застосування. Як показали наші дослідження, проведені раніше, найбільшої економічної ефективності агрометеорологічної інформації можна досягнути тоді, коли агрометеорологічне забезпечення здійснювати на рівні окремого господарства і навіть поля. При впроваджені нових технологій, об`єктів у народне господарство в масштабі держави приймають терміни їх окупності до 10 років. Нові технічні засоби одержання агрометеорологічної інформації (ААП і ВПҐ-4ц) можуть окупитись лише за один рік.

Наведемо приклад. У степовій частині України з частотою, приблизно, один раз у чотири роки повторюються осінні ґрунтові посухи. В цих умовах на окремих полях запаси продуктивної вологи бувають такими, які просто не можуть забезпечити нормальні сходи озимих. Такі посіви гинуть ще до початку зими. Якби вдалось завчасно виявити такі поля, то можна було б зекономити норму висіву насіння, в середньому, 2 ц. на кожному гектарі. Їх на даний час можна виявити лише за допомогою приладу ВПҐ-4ц. Термостатно-ваговий метод через неоперативність і необхідність масового обстеження всіх полів, призначених для сівби озимих, непридатний. Якщо прийняти ціною 1 т. озимої пшениці 500 грн., а вартість 1 комплекту ВПҐ-4ц 5000 грн. , то прилад окупиться вже тоді, коли за його допомогою стане можливим зекономити всього 10 т. насіння. Це посівна норма на 50 га озимини. Тобто, придбання приладу ВПҐ-4ц окремим господарством чи фермером, може окупитись при одноразовому його використанні, коли застосувати його лише на площі озимини в 50 га.

7. Технологічні рішення, які можуть бути прийняті при наявності інформації про вологість і температуру ґрунтів

Вище наведено приклад економічної ефективності використання приладу ВПҐ-4ц у період сівби озимини при наявності ґрунтової посухи. У приведеній нижче таблиці подано приклади застосування приладу для прийняття також інших господарських рішень. В першій колонці наведені види сільськогосподарських робіт, у другій колонці - критерії для прийняття рішень, у третій колонці - ефективність корисних рішень.

Таблиця 3. Можливості застосування ВПҐ-4ц у землеробстві

Види с.-г. робіт Критерії для прийняття господарських рішень Ефективність корисних рішень

Сівба зернових культур при наявних ґрунтових посухах.

Для вирішення питання доцільності сівби тієї чи іншої культури необхідні в першу чергу дані про вологість ґрунту.

Відомо, що при 5 мм продуктивних вологозапасів в орному шарі ґрунту сходи зернових не появляються зовсім [1], при 10-15 мм вони бувають зрідженими на 30-50 %.

Економія насіневого матеріалу на полях, підданих ґрунтовій засусі, де сівба згідно вказаного критерію виявиться недоцільною.

Вибір оптимальних термінів сівби с.-г. культур.

Для їх визначення вирішення необхідні дані про температуру і вологість ґрунту, що використовуються у вигляді поправок до агрокліматичних оптимальних термінів сівби.

Критеріями можуть бути дані про мінімальні, оптимальні температури і вологозапаси, що забезпечують нормальні сходи с.-г. культур.

Мінімальні температури проростання: колосових — 5, картоплі — 10, кукурудзи — 10 - 12 градусів [5]. Оптимальними продуктивними вологозапасами для більшості с.-г. культур є 25-30 мм [1] у шарі ґрунту 0-20 см.

Максимальний врожай при оптимальних термінах сівби, що може відрізнятись від пересічного у бік збільшення на 10-35%.

Визначення оптимальних доз і термінів внесення добрив.

Використовуються дані про вологість ґрунту у співставленні з вологопотребою рослин.

Оптимальні дози і терміни внесення добрив, встановлені науковими сільськогосподарськими дослідними установами, розраховані на оптимальні (або середні) умови зволоження ґрунту.

Відомо, що при зволоженні ґрунту менше 10 і більше 90 % найменшої вологоємності азотна підкормка навіть шкідлива (приводить до зниження протеїну в зерні) [6].

Економія добрив, збільшення врожайності на 20-30 % та поліпшення якості зерна в умовах ґрунтових посух або перезволоження ґрунту.

Оптимізація норм і термінів поливу с.-г. культур.

Необхідні дані про вологість ґрунту.

Створення оптимальних умов зволоження ґрунту неможливе без точних даних про наявні в ньому вологозапаси. Контроль за поливом також стає можливим при наявності експрес-контролю вологості ґрунту.

Економія води при зрошенні, уникнення вторинного засолення ґрунтів, одержання сталих врожаїв.



ЛІТЕРАТУРА

1. Вериго С. А. Методика составления прогноза запасов продуктивной влаги и оценка влагообеспеченности зерновых культур. - В кн. : Сборник методических указаний по анализу и оценке агрометеорологических условий. - Л., Гидрометеоиздат, 1957, с. 143-164.

2. Грушка І. Г. Нові методи і засоби агрометеорологічних вимірювань і питання гідрометеорологічного забезпечення землеробства. Матеріали наради-семінару “Обмін досвідом гідрометеорологічного забезпечення сільськогосподарського виробництва у сучасних умовах”. 15-20 жовтня 2001 р. м. Ялта. Український ГМЦ, Київ, 2001., С. 43-54.

3. Звiт про науково-дослідну роботу “Розробити автоматизовану систему контролю вологостi, температури ґрунту та інших агрометеорологічних параметрів”, УкрНДГМІ, Київ, 1997 р.

4. О составе, точности и пространственно-временном разрешении информации, необходимой для гидрометеорологического обеспечения народного хозяйства и службы гидрометеорологических прогнозов. Коллектив авторов в составе комиссии, организованной по приказу ГУГМС № 41 от 15. 03. 1971. Гидрометеоиздат, Л., 1975, -220 с.

5. Степанов В. Н. Биологическая классификация сельскохозяйственных растений полевой культуры. - Изв. ТСХА, вып. 2, 1957, с. 5-29.

6. Федосеев А. П.. Агротехника и погода. - Л. : Гидрометеоиздат, 1976, - 240 с.

agrometriya.iatp.org.ua
Дизайн MEDuza Studioвгору