Сучасні методики і засоби реєстрації властивостей ґрунту
Очевидно, що для правильного управління якістю навколишнього природного середовища абсолютно необхідною умовою є організація ефективного моніторингу. Для оцінки стану довкілля важлива об’єктивна оперативна інформація про критичні чинники антропогенної дії, фактичний стан біосфери і прогнози її майбутнього стану. Існує проблема організації спеціальних систем спостереження, контролю й оцінки стану природного середовища як у місцях інтенсивної антропогенної дії, так і у глобальному масштабі. Важливе місце на сучасному етапі посідає реєстрація електромагнітних характеристик ґрунту, що об’єднують багато його властивостей, які впливають на врожайність сільськогосподарських культур. До таких характеристик належать вміст ґрунтової вологи, гранулометричний склад ґрунту, ЄКО (ємність катіонного обміну), засоленість, вміст обмінних катіонів кальцію (Ca) та магнію (Mg) тощо. Електромагнітні характеристики ґрунту заважають безпосередньо виміряти вміст поживних речовин, натомість показують варіативність важливих характеристик, зокрема структуру ґрунту і вміст обмінних катіонів. Ця варіативність занадто важлива, щоб її ігнорувати, тож потрібно зважати на неї під час відбору проб (рис. 1).
Рис. 1. Електропровідність ґрунту
За допомогою карт ґрунтової електропровідності отримують картограми змінних норм внесення:
- технологічного матеріалу (насіння і мінеральних добрив) на основі очікуваної врожайності за кожною окремою ділянкою залежно від величини електропровідності,
- насіння на основі даних про глибину верхнього (орного) шару ґрунту,
- гербіцидів на основі даних про органічні речовини, структуру ґрунту й електропровідність,
- вапна на основі даних про агробіологічний стан ґрунтового середовища відповідно до рівнів електропровідності.
Метою проведеного дослідження є розроблення ефективної інформаційно-технічної системи оперативного моніторингу стану сільськогосподарських угідь за допомогою приладу конструкції Олександра Броварця.
Що пропонується зробити
Основним робочим органом згаданого пристрою є система електродів, якими слугують плоскі диски з горизонтальною віссю обертання на стояку, жорстко закріпленому до рами вимірювального пристрою у такий спосіб, що опорні колеса пристрою визначають глибину ходу дисків-електродів у ґрунті. Недоліком пристрою є значна похибка під час визначення, зумовлена тим, що в ході робочого процесу порушується стабільність контакту диска-електрода з ґрунтом. Це спричинено поперечними відхиленнями робочих дисків-електродів від прямолінійного напрямку руху, що зумовлено конструкцією пристрою, яка унеможливлює копіювання нерівностей поверхні поля дисками-електродами. При цьому змінюється площа контакту диска-електрода з ґрунтом, позаяк під час поперечних коливань плоскі диски-електроди одним боком можуть узагалі не контактувати із ґрунтом.
Найближчий прототип містить дві електродні пари, постійно занурені у ґрунт, що розміщуються на рамі, яка за допомогою шарніра з’єднана з причіпним пристроєм, під’єднаним до транспортного засобу. Недолік найближчого аналога полягає в тому, що така конструкція приладу не забезпечує стабільного контакту електродів з ґрунтом, як наслідок, значно знижується достовірність і якість даних, отриманих шляхом моніторингу під час визначення електропровідних властивостей ґрунтового середовища.
Вимірювання електропровідних властивостей ґрунту
Електропровідність (soil conductivity) — це властивість матеріалу передавати (проводити) електричний струм, вимірювана у сименсах на метр (См/м) або в мілісименсах на метр (мСм/м). Електропровідність ґрунту може виражатися також у децисименсах (дСм/м). Стандартною одиницею вимірювання величини електропровідності ґрунту є мілісименс на метр. У сименсах вимірюють електропровідність матеріалів. Стандартна одиниця вимірювання дає точні кількісні дані — у цьому її перевага. Візуальна оцінка ґрунту дає змогу легко виявити колірні відмінності, але не дає кількісного значення і пояснення суті колірних відмінностей. Карти електропровідності ґрунту показують значення в мСм/м, що дає можливість дізнаватися про схожі показники електропровідності й однаково обробляти такі ділянки. Як показали численні лабораторно-польові дослідження, існує взаємозалежність між параметрами електропровідності і вмістом поживних речовин у ґрунті за певних значень його вологості й твердості, зумовлених гранулометричним складом ґрунту.
Сферою використання пристрою для визначення електропровідних властивостей ґрунтового середовища конструкції Олександра Броварця є інформаційно-технічна система оперативного моніторингу стану ґрунтового середовища. Пристрій для визначення електропровідних властивостей ґрунтового середовища може працювати з ручними пристроями, його можна розміщувати на транспортних засобах високої прохідності, на сільськогосподарських та енергетичних засобах, які виконують технологічну операцію. Завдяки цьому отримують оперативні дані про агробіологічний стан ґрунтового середовища, на підставі яких приймають оперативні рішення про норму внесення технологічного матеріалу (насіння, мінеральних добрив тощо).
Фото 1. Функціонування пристрою для визначення електропровідних властивостей ґрунтового середовища на різних типах агрофону
Усі раніше декларовані елементи технологій точного (керованого) землеробства (лабораторний аналіз, урожайність) не давали можливості забезпечити таку точність. Завдяки цій системі можна отримати достовірну інформацію про агробіологічний стан ґрунтового середовища з кожного квадратного метра поля. Досі такої точності не дають жодні представлені на ринку технології, починаючи від лабораторного обстеження (одна проба на 5–10 га) і закінчуючи супутниковим моніторингом (точність до 10 м²). Крім того, слід брати до уваги вартість таких технологій, а саме: собівартість однієї проби коливається у межах $1–10, супутникового моніторингу — від $20. Натомість вартість такої проби, взятої за допомогою запропонованої конструкції технічної системи оперативного моніторингу, менше ніж $0,1 за 1 м² (табл. 1).
Таблиця 1. Методи моніторингу агробіологічного стану ґрунтового середовища сільськогосподарських угідь
За допомогою пристрою для визначення електропровідних властивостей ґрунтового середовища конструкції Олександра Броварця можна оперативно визначити параметри агробіологічного стану ґрунтового середовища, забезпечити «індивідуальний» підхід до кожної елементарної ділянки поля на основі даних електропровідних властивостей ґрунтового середовища. Пристрій використовують перед виконанням технологічної операції (сівба, внесення мінеральних добрив тощо), одночасно з її виконанням, упродовж вегетації та після збирання врожаю ((рис. 2а, б).
Рис. 2. Загальний вигляд технічної системи оперативного моніторингу стану ґрунтового середовища конструкції Олександра Броварця (б); (2а — вид згори)
Технічна система оперативного моніторингу стану ґрунтового середовища працює так: технічну систему на опорних колесах (1) переміщує транспортний засіб; на колесах розміщується П-подібна рама (2), до якої за допомогою кріплення (3) приєднана поздовжня рама (4). До поздовжньої рами приєднана поперечна рама (5), до якої через шарніри (6), важелі (7) і стояки-пружини (8) кріпляться підважені копіювальні колеса (13) з робочими електродами (14). Глибина ходу робочих електродів регулюється за допомогою копіювальних коліс, а стояки-пружини, прикріплені до обертового вала (10), гідроциліндра (11), кронштейна кріплення (12), притискають до поверхні поля робочі електроди, що копіюють її нерівності. Робочі електроди піднімаються й опускаються за допомогою кронштейна (9), до якого приєднано гідроциліндр, що обертає вал через кронштейн кріплення.
Технічна система оперативного моніторингу стану ґрунтового середовища, рухаючись поверхнею поля, за допомогою робочих електродів збирає оперативну інформацію про агробіологічний стан ґрунтового середовища для визначення згідно з алгоритмом норм внесення технологічного матеріалу (діаграми 1).
Діаграма 1. Завдання на реалізацію змінних норм внесення технологічного матеріалу залежно від параметрів електропровідних властивостей ґрунту і норми внесення добрив
Олександр БРОВАРЕЦЬ, канд. техн. наук, доцент
Київський кооперативний інститут бізнесу і права
