Спецвозможности
Обзоры продукции

Методы измерения влажности почвы

19.10.2018
3440
Методы измерения влажности почвы фото, иллюстрация
Большинство физических или химических свойств почвы меняются с изменением ее влажности. Измерение влажности почвы является обязательной составляющей ее анализа. Влажность почвы обычно представляется как безразмерное соотношение между двумя массовыми или объемными величинами. Также можно вычислить процентное соотношение влажности по массе или объему. Если не указывается, на базе чего определяется влажность почвы, то обычно по умолчанию подается показатель, исчисленный по массе. Определение влажности почвы по объему предусматривает сначала определение по массе. Когда данные по массе определены, показатель по объему рассчитывается путем умножения на объемную плотность. Учитывая разнообразие почв, при определении объемной плотности почти всегда закрадывается ошибка. Количество влаги в почве может быть также представлена ​​в виде толщины приведенного слоя в миллиметрах - этим показателем оперируют обычно в ирригации. При этом обычно указывают зону: например, толщина приведенного слоя воды в прикорневой зоне.
 
Многочисленные методы измерения влажности почвы включают в себя прямые, косвенные и дистанционные. Прямые методы включают извлечение воды из образца почвы путем испарения, вымывания и химической реакции. Влажность почвы рассчитывается на основе массы извлеченной воды и сухой почвы.
 
Косвенные методы включают измерения некоторых характеристик почвы, которые зависят от содержания в ней воды. Также они могут измерять характеристики определенного объекта, помещенного в почву - обычно это пористый абсорбер. К сожалению, связь между физическими и химическими свойствами почвы и почвенной влагой не до конца изучена.
 
Дистанционные методы включают бесконтактные методы и методы измерения с большого расстояния. Дистанционное измерение влажности почвы базируются на измерении электромагнитного излучения поверхности почвы. Изменение интенсивности электромагнитного излучения с изменением влажности почвы зависит от диэлектрических характеристик (индекс отражения), температуры почвы и их сочетания. Характеристика, которая является важной, зависит от части спектра электромагнитного излучения, которое рассматривается. Измерение влажности почвы с дальней дистанции обычно включает спутниковое измерение отражения излучения в определенном диапазоне от поверхности почвы.
 
 

Гравиметрические методы

Гравиметрические методы измерения влажности почвы базируются на извлечении воды из образца путем испарения, вымывания или химической реакции. Количество извлеченной из образца воды измеряется, и на этой основе рассчитывается влажность почвы. Измерение количества извлечнной воды происходит несколькими методами. Самый простой метод - измерение уменьшения веса образца. Измерение количества извлеченной воды также может проводиться путем дистилляции или впитывания осушителем. Наконец, содержание воды в образце может быть определено количественным измерением продуктов реакции, извлеченных из образца. При каждом из этих методов происходит разделение почвы и воды с измерением или оценкой объема извлеченной воды.
 
Существует много различных типов приборов для гравиметрического измерения содержания воды в почве, поэтому каких-то специальных требований к ним нет. Для измерения влажности почвы с помощью сушильного шкафа нужны контейнеры с плотно прилегающими крышками, шкафы, где можно контролировать температуру и веса. Сушильный шкаф может быть конвективным или с принудительной вентиляцией. Самые точные данные дает вакуумный сушильный шкаф. Весы могут применяться от аналитических до крупных платформенных зависимости от величины образца и требуемой точности измерения.
 
Измерение влажности почвы в сушильном шкафу считается стандартом точности. А вот определение влажности поверхностного слоя почвы затруднено из-за пониженной чувствительности. Набор оборудования очень прост: пробоотборник, весы и сушильный шкаф. В то же время измерения влажности этим методом хлопотное и отнимает много времени: образец высушивается примерно сутки. А измерить влажность замерзшей почвы этим методом трудно. Зато влажность почвы легко вычислить по массе. Отбирать почву для анализа на влажность этим методом можно в любом месте. Определение влажности почвы гетерогенного профиля затруднено, как и определение влажности на определенной глубине. Забор образцов недорогой по сравнению с другими методами.

 

Нейтронное рассеивание

Среднее значение потери энергии, или термализация нейтронов, значительно выше, когда нейтроны сталкиваются с атомами с более низким атомным весом, чем когда с тяжелыми атомами. В почве атомы с малым весом представлены преимущественно водородом. В результате водород замедляет быстрые нейтроны гораздо эффективнее, чем любой другой элемент в почве. Поскольку крупнейшим источником атомов водорода в почве является вода, существует связь между влажностью и термализацией нейтронов.

Природа нейтронного рассеяния и процесса термализации накладывают существенные ограничения на точность измерения влажности. Объем почвенного образца зависит от концентрации рассеянных ядер, то есть, прежде всего от содержания воды, а также от энергии быстрых нейтронов.

При использовании некоторых серийных моделей инструментов можно измерить влажность с точностью больше, чем 0,1%. В то же время измерение влажности зависит от многих физических и химических свойств почвы, которые сложно измерить. Метод не позволяет точно измерить влажность на или около поверхности почвы.
 
Приборы компактные и простые в использовании. Влажность может быть измерена независимо от физического состояния почвы. Приборы могут быть интегрированы с базой данных, что позволяет автоматические сбор и запись показателей. Благодаря этой методике легко обнаружить быстрые изменения влажности почвы. Данные о влажности почвы приборы выдают сравнительно быстро - в течение 1-5 мин.
 
Измерение можно повторить на том же месте. Настройка в соответствии с местными особенностями почвы может быть сложной. Также сложно измерить абсолютные показатели влажности. И одним из самых больших недостатков является высокая стоимость оборудования.

 

Угасание гамма-излучения

Метод угасания гамма-излучения можно использовать для измерения влажности почвы в слое 1-2 см. Принцип поглощения гамма-излучения веществом хорошо известен. Степень снижения интенсивности гамма-лучей при их прохождении через почву зависит от состава почвы и ее плотности. Рассеяние и поглощение гамма-лучей зависит от плотности вещества, через которое они проходят.

На точность измерения может повлиять то, что в почвах пестрого строения могут возникать большие погрешности в измерении общей плотности и влажности. Метод также не подходит, если вода в почве замерзла, замерзает или тает. Точность измерения влажности на поверхности почвы такая же, как и на разных глубинах.

Оборудование для полевых анализов сравнительно дорогое и сложное в использовании. Система может быть настроена на возможность автоматического считывания данных. Быстрые изменения влажности почвы легко отследить.
 
Образец отбирается быстро - в течение 10 секунд. При анализе образец не разрушается. Для специфических условий могут потребоваться специальные настройки.
 

Электромагнитные методы

Сюда входят методы, основанные на воздействии влажности на электрические свойства почвы. С помощью этих методов возможны как контактный, так и дистанционный анализ влажности почвы. Разработан целый ассортимент встроенных сенсоров, которые реагируют на сопротивление, поляризацию или на обе эти характеристики. Эти сенсоры оказались очень перспективными в плане измерения влажности в поверхностном слое почвы. К сожалению, измерения датчиками электрических характеристик почвы глубже поверхностной зоны не показали четкой корреляции с влажностью. И, хотя определенные проблемы и остаются, в последние годы наблюдается заметный прогресс в разработке датчиков, расположенных непосредственно в почве, использующих эти методы. Впрочем, если отобрать пробу просто, то электроника, которая используется для снятия данных, остается дорогой.
 
Сопротивление почвы зависит от ее влажности. Однако неоднородность почвы мешает измерению сопротивления прямыми методами. Многие проблемы измерения электрического и термического сопротивления почвы решают пористые блоки. Эти однородные блоки, содержащие встроенные электроды, помещают в почву до достижения равновесной с почвой влажности. Тогда их электрические и тепловые характеристики принимают за однозначные с характеристиками почвы. Однако сопротивление таких пористых блоков зависит от концентрации электролита, поэтому электромагнитные методы не позволяют достичь точности измерения более 2% в ту или иную сторону, а иногда погрешность может составить и 100%.
 
Впрочем, в целом методика подходит для измерения абсолютных показателей влажности. Точность датчиков считается высокой, однако они не способны измерить содержание связанной воды, особенно на глинистых почвах. Кроме того, сложность калибровки может вызвать большие погрешности при измерении на поверхности почвы.
 
Оборудование и процесс отбора образцов достаточно просты. Но датчики следует устанавливать правильно, с минимальными нарушениями целостности почвы. Надежность калибровки в долгосрочной перспективе вызывает сомнения, поскольку концентрация ионов в почве меняется.
 
Датчики можно устанавливать на любую глубину, а их ассортимент достаточно широк - от маленьких до больших. Стоимость приборов и программного обеспечения для дистанционного сбора данных может быть высокой.

 

Тензиометрический метод

Самый известный метод измерения капиллярной или общей влагоемкости почвы базируется на способности последней впитывать воду. Приборы, использующие этот метод, способны фиксировать изменения влагоемкости почвы, что является следствием инфильтрации воды, полива, подъема грунтовых вод, испарения и транспирации. Ноль на шкале тензиометра означает, что почва полностью насыщена влагой. В то же время максимальный показатель тензиометра - 1 бар. Таким образом, диапазон влажности почвы, в котором тенизометр может работать, ограничен. И в почвах высокой потенциальной влагоемкости в очень сухих условиях тензиометры зашкаливали и ломались.
 
Тензиометр направления измеряет водопоглощающую способность почвы, но только косвенно - собственно влажность почвы. Чтобы понимать связь между влагоемкостью и влажностью, необходимо знать водные характеристики почвы.
 
Прямые измерения на поверхности почвы невозможны. Систему приборов легко сформировать, и она долго служит, если правильно настроена. При температурах около и ниже нуля можно использовать другие жидкости, например, этиленгликоль. Влажность мерзлой почвы система не измеряет.
 
Информацию о насыщенности почвы влагой можно получать почти в режиме реального времени. Реакция системы на изменения характеристик почвы очень быстрая. Приборы легко размещаются в почве.
 
При калибровке приборов необходимо понимать водопоглощающую способность различных типов почв. Стоимость системы приборов сравнительно низкая.

 

Микроволновые методы

Вода имеет уникально низкие электро- и теплопроводность. Соответственно, электрические и тепловые характеристики почвы, в частности, показатели излучения и отражения, зависят от ее влажности. Излучение тепла поверхностью почвы в микроволновом диапазоне можно определить дистанционно соответствующими измерительными приборами - пассивными (радиометрическими) или активными (радар) методами. Разрешение пассивных систем ограничено размерами антенны и на практике ограничивается 5-10 км. Работа активных систем базируется на том, что способность голой почвы рассеивать микроволновое излучение зависит от ее влажности, неровности поверхности и электропроводности. Растительный покров снижает мощность отраженного излучения до 40% по сравнению с голой почвой. Ограничивающим фактором является способность метода измерять влажность почвы только в верхнем слое: для активного метода - до 5-10 см, для пассивного - несколько сантиметров.
 
Таким образом, точность метода снижается при неровности поверхности или наличии растительного покрова. По точности метод уступает прямым методам измерения и ограничивается только верхним слоем почвы. По стоимости метод очень дорогой, поскольку часто требует задействования спутников или, по крайней мере, летательных аппаратов.

 

Ядерно-магнитный резонанс

Базируется на способности резонанса выявить концентрацию атомов водорода и, соответственно, влаги в почве. Недостатки у него почти те же, что и нейтронного рассеяния. Преимуществом является способность фиксировать атомы водорода и молекулы воды различной степени связанности: прочно связанной (в составе гидратов), слабо связанной (абсорбированной) и свободной. Способен анализировать образцы малого объема и обеспечивать высокую скорость анализа.
 
Практическому применению метода в полях препятствуют габариты и дороговизна оборудования.

 

Термические методы

Базируются на связи тепловой инерции грунта и его влажности. Затрудняет связь снижение чистого поглощения солнечной энергии почвой в результате испарения с поверхности. Испарение также снижает суточную амплитуду колебаний температуры поверхности почвы. Таким образом, разница дневной и ночной температуры отражает влажность почвы и испарения с его поверхности.
 
Многочисленные исследования показали, что для определенных почв суточные колебания температуры поверхности является хорошим индикатором содержания влаги в верхнем (до глубины 4 см) слое почвы.
 
В то же время данный метод не подходит для полей, покрытых растительным покровом. Также он зависит от почвенно-климатических условий и в большинстве случаев работает только в поверхностном слое почвы. Датчики температуры поверхности портативные по размеру. Процедура отбора образцов сравнительно проста. Стоимость колеблется в широком диапазоне.

 

Рефлектометрический метод

Один из новейших методов измерения влажности почвы. Заключается в измерении времени прохождения электрического импульса по кабелю, который зависит от электропроводности, а, следовательно, влажности, почвы. Корреляция с гравиметрическим методом измерения влажности превышает 0,9. Достигается точность измерения в 2%.

Оборудование очень сложное, зато сам анализ очень прост и может быть проведен менее чем за 5 секунд. Прибор может удерживать в памяти результаты анализов за длительное время. Метод позволяет достичь очень высокой точности, но очень дорогой.

 

Оптические методы

Метод поляризованного света базируется на том, что при наличии влаги на поверхности свет, отраженный от нее, поляризуется. Ближний инфракрасный метод основан на поглощении молекулами воды в поверхностном слое ИК-излучения на определенных частотах. Не подходит для случаев, когда влага распределена очень неравномерно. Технология обеспечивает быстрое проведение измерений, но зависит от неровности поверхности и показывает только поверхностную влажность.

Применяются также гигрометрические, электролитические методы и математическое моделирование.

 

Перевел Богдан Малиновский, b.malinovskiy@univest-media.com

Интервью
Rebiyar1
Сегодня наш собеседник - Антуан Ребийар, бизнес-директор New Holland Agriculture в Украине, Молдове, странах Балтии и Финляндии. Он живет и работает в Украине уже более четырех лет, впрочем, для
клубника
Рынок ІТ-решений для сельского хозяйства в мире достигает $400 млрд в год. Применение ІТ-технологий значительно увеличивает производительность аграрного производства.

1
0