Патент на изобретение №2331070

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ПОЧВЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области сельского хозяйства и предназначено для определения удельной электропроводности почвы. Для определения удельной электропроводности почвы определяют ее электропроводность. Электропроводность почвы определяют непосредственно в почвенном образце без использования водной вытяжки. Для этого из почвенного образца готовят почвенную пробу путем его высушивания до воздушно-сухого состояния. Полученную пробу измельчают и просеивают через сито с диаметром ячеек 2 мм. Затем часть почвенной пробы помещают в кювету кондуктометрического прибора, изготовленную из диэлектрической пластмассы. Причем масса почвенной пробы равна объему кюветы. Пробу в кювете увлажняют до влажности, равной 30%, и соответствующей наименьшей влагоемкости, размещают в почвенной пробе по торцам кюветы два электрода, равных по площади торцевым сторонам этой кюветы и подсоединяют их к клеммам кондуктометрического прибора для измерения электропроводности почвы. Удельную электропроводность рассчитывают путем деления показателя электропроводности на объем почвенной пробы. Использование изобретения позволит обеспечить рациональное применение удобрений на различных по влажности почвах. 3 ил., 1 табл.

Использование: изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к сравнительной оценке почв по электропроводности, обусловленной содержанием в них ионов вводно-растворимых солей, являющихся или ингибиторами, или стимуляторами (питательными веществами) ростовых процессов для культивируемых растений. Сущность изобретения: новый способ определения электропроводности почвы включает отбор почвенных проб на сельскохозяйственном поле (обрабатываемом участке) или по профилю почвенного разреза с последующей их подготовкой к анализу, принятой в агрохимслужбе (подсушивание до воздушно-сухого состояния, измельчение и просеивание). Из подготовленной таким образом пробы отбирается навеска почвы определенной массы, помещается в измерительную ячейку кондуктометрического прибора (пластмассовую кювету) и увлажняется дистиллированной водой до 30% уровня, ориентировочно соответствующего наименьшей полевой влагоемкости (НВ), с последующим измерением электропроводности и расчетом удельной электропроводности почвенного образца. Наименьшая полевая влагоемкость служит одной из основных характеристик водно-физических свойств почв, используемых в агромелиоративных целях, которая в полевых условиях соответствует насыщению почвы водой в оптимальном для растений количестве.

Сравнение исследуемых образцов засоленных почв с незасоленным аналогом позволяет установить относительный уровень засоления почв по территории поля или глубине почвенного профиля. На незасоленных почвах определение электропроводности почвы позволяет судить о ее относительном плодородии, поскольку многие ионы, находящиеся в почвенном растворе – нитратный, аммонийный и др., оказывающие определяющее влияние на электропроводность почвы, являются питательными веществами для растений. Результаты определения электропроводности таких почв могут использоваться для рационального применения удобрений.

Описание изобретения. Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к сравнительной оценке почв по электропроводности, обусловленной содержанием в них ионов вводно-растворимых солей, являющихся или ингибиторами, или стимуляторами (питательными веществами) ростовых процессов для культивируемых растений.

Известен способ определения удельной электропроводности засоленных почв по кондуктометрическому определению электропроводности почвенных вытяжек (Зырин Н.Г., Орлов Д.С. Физико-химические методы исследования почв. – М.: Изд-во МГУ, 1964. – С.176-178) – прототип. Недостаток известного способа заключается в том, что в водные вытяжки переходит только часть ионов, причем не пропорционально содержанию в исследуемой почве в силу различной связи их с почвенным поглощающим комплексом (ППК). Вследствие этого известный способ рекомендован для исследования только засоленных почв, в которых вредные для растений концентрации солей натрия и других элементов значительно превосходят концентрации других ионов, являющихся питательными веществами для растений, а ионы солей – хлориды, сульфаты, бикарбонаты – слабо связаны с ППК и легко переходят из почвы в водную вытяжку. Кроме того, известный способ требует специального оборудования (солемеров) и является довольно сложным по исполнению, так как связан с приготовлением суспензий и получением из них отфильтрованных почвенных вытяжек. Прежние попытки разработать метод прямого определения удельной электропроводности почвы, по признанию авторов, описавших известный способ, оказались безуспешными, поскольку, по их словам, «электропроводность почвы зависит не только от солесодержания, но и от влажности, и общих свойств почвы».

Цель изобретения – прямое кондуктометрическое определение удельной электропроводности засоленных и незасоленных почв.

Поставленная цель достигается тем, что измерение электропроводности почвы проводится непосредственно в почвенных образцах, приведенных в лабораторных условиях к одинаковой влажности, что исключает влияние на электропроводность различий во влажности почвы, обычно наблюдаемых в полевых условиях. При этом почти исключается влияние «общих» свойств почв, т.е. различий в их минералогическом составе и гумусированности, так как почвенные минералы и органические вещества являются, по существу, диэлектриками и не влияют в значительной степени на электропроводность почвы. Электропроводность пород и минералов, составляющих почву, относительно не велика – до 10^-15 Ом^-1·м^-1, что позволяет без особой погрешности отнести их к диэлектрикам, особенно при низковольтном напряжении тока, используемого при определении электропроводности почвы по предложенному способу. Предложенный способ осуществляют следующим образом.

Отобранные в поле пробы почвы высушивают при естественной температуре воздуха без воздействия прямого солнечного света до воздушно-сухого состояния, измельчают в фарфоровой ступке или на специальной мельнице, просеивают через сито с ячейками диаметром 2 мм и тщательно перемешивают. Из подготовленной таким способом пробы отбирают навеску воздушно-сухой почвы и помещают ее в кювету, изготовленную из диэлектрической пластмассы. Целесообразный объем почвенной навески должен соответствовать внутреннему объему кюветы. Помещенную в кювету навеску выравнивают по высоте насыпи шпателем и увлажняют дистиллированной водой до 30-процентной влажности по отношению к воздушно-сухой почве, не принимая в расчет гигроскопическую влагу. Для этого воду точно отмеренного объема осторожно, малой струей выливают на поверхность почвы, по возможности равномерно распределяя по всей площади кюветы. Из-за рыхлого и однородного по всей массе сложения почвы в кювете прилитая вода в течение нескольких минут равномерно распределяется по всей массе навески, что предопределяет готовность почвенного образца к измерению его электропроводности. Таким образом, через 5 минут после увлажнения почвы можно проводить анализ ее электропроводности. При наличии большого количества образцов и серийной пробоподготовке увлажнение почвы в кюветах целесообразно проводить не более чем за 15 минут до измерения электропроводности во избежание существенных потерь воды на испарение из увлажненной почвы. Процессы пробоподготовки и анализа электропроводности необходимо осуществлять при стабильной комнатной температуре около 20°С или термостатируя почвенные образцы, для того чтобы их температура при анализе была примерно одинаковой, учитывая, что изменение температуры электролитов (растворы солей низкой концентрации) на ±5°С изменяет их электропроводность на ±10-11%.

Электропроводность подготовленных вышеописанным способом почвенных образцов может измеряться двумя методами: по силе тока или по обратной величине омического сопротивления. Приборы для измерения электропроводности почвы (кондуктометры) монтируются из серийно выпускаемых электротехнических изделий (миллиамперметров, вольтметров или омметров). В качестве измерительных ячеек применяются кюветы, состоящие из диэлектрического материала (пластмассы) с рекомендуемыми внутренними размерами: 14 (длина)×9 (ширина)×4 (высота) см, и двух металлических пластинчатых электродов одинакового размера (9×4 см), соответствующего внутреннему размеру торцов пластмассовой кюветы, с проводами, подсоединяемыми к измерительной цепи. При указанных размерах кювет объемом 504 см³ они вмещают 300 г воздушно-сухой почвы. Размеры кювет и, соответственно, пластинчатых электродов могут отличаться от указанных выше, но должны быть одинаковыми для всех анализируемых партий почв. Следует также указать, что значительное, более чем в 2 раза, уменьшение размеров кювет и, соответственно, массы анализируемой навески может снизить репрезентативность (представительность) результатов определения электропроводности почвы.

По первому методу прямого измерения удельной электропроводности почвы измерительная цепь составляется из источника постоянного тока низкого напряжения (до 10 вольт), вольтметра, миллиамперметра и измерительной ячейки. При пропускании электротока через измерительную ячейку с почвой фиксируются показания напряжения и силы тока в измерительной цепи. Электропроводность почвы в сименсах (См), или обратных омах (Ом^-1), рассчитывают путем деления силы тока на величину напряжения в сопоставимых по размерности единицах.

По второму, более простому и удобному, методу измерительная цепь монтируется из источника переменного тока напряжением 220 вольт и частотой 50 герц, омметра с пределом измерения от 0 до 10 килоом и измерительной ячейки. Могут применяться также портативные омметры с внутренним источником тока. В этих случаях измеряется омическое сопротивление почвенного образца, а его электропроводность рассчитывается путем деления единицы (число) на величину сопротивления почвы. Схема измерительной электрической цепи с использованием омметра, общий вид кондуктометра и измерительной ячейки (отдельно) представлены на фиг.1-3.

На фиг.1 представлена схема кондуктометра, состоящего из измерительной ячейки (позиция 1), электродов (2), электрических проводов (3), омметра (4). На фиг.2 показан общий вид (фотография) кондуктометра, соответствующий вышеприведенной схеме, т.е. измерительная ячейка, наполненная почвой, с электродами и электрическими проводами, подключенными к омметру, который в свою очередь подключен к электрической сети переменного тока. На фиг.3 отдельно показана измерительная ячейка с почвой и вставленными в почву электродами (фотография).

Измерение электропроводности почвы осуществляется в следующем порядке. Пластинчатые электроды помещают в кювету с почвой вплотную к торцам кюветы так, чтобы они с обеих внутренних сторон кюветы полностью контактировали со всей торцовой площадью почвенного образца. После включения электротока в измерительную цепь проводится запись отсчета по шкале измерительных приборов (миллиамперметра, вольтметра или омметра) с последующим расчетом удельной электропроводности почвы.

Расчет электропроводности почвы при измерении силы тока и напряжения проводят по формуле с соблюдением соразмерности показателей (1):

где: G – электропроводность, Ом^-1;

I – сила тока, ампер (А);

U – напряжение тока, вольт (В).

Расчет электропроводности почвы при измерении электрического сопротивления проводят по формуле (2):

где: G – электропроводность, Ом^-1;

R – электрическое сопротивление, Ом.

Удельная электропроводность рассчитывается делением полученного результата электропроводности на объем почвенного образца, выраженный в кубических сантиметрах по формуле (3):

где: – удельная электропроводность, Ом^-1·см^-1;

G – электропроводность, Ом^-1;

V – объем почвенного образца в кювете, см³.

Пример конкретного выполнения предложенного способа прямого определения удельной электропроводности почвы по первому методу ее измерения. Отобранные в поле 8 проб чернозема обыкновенного, суглинистого по гранулометрическому составу, массой 500 г каждая после высушивания измельчили согласно общепринятой методике в фарфоровой ступке, просеяли через сито с диаметром ячеек 2 мм. Отобранные из проб навески массой по 300 г поместили в пластмассовые кюветы (нижние части стандартных коробок для хранения почвенных образцов, имеющие внутренние размеры: длина 14 см, ширина 9 см, высота 4 см), выровняли шпателем поверхность почвы и прилили в кюветы из мерного стакана по 100 мл дистиллированной воды для доведения влажности почвы до 30% (по массе, без учета гигроскопической влаги). После равномерного распределения прилитой жидкости по всей массе почвы, занявшего по времени 2-3 минуты, во внутренние торцевые стороны кювет для контакта с почвой вставляли пластинчатые электроды, подсоединенные проводами последовательно в измерительную цепь кондуктометра. Поочередные во времени измерения электропроводности 8 почвенных образцов при напряжении постоянного тока 2,2 вольта показали, что по данному показателю они различались максимально на 0,06·10^-3 Ом^-1. Для расчета удельной электропроводности показатели электропроводности почвенного образца разделили на объем почвы в кювете, выраженный в кубических сантиметрах, т.е. на 504 см³ (14×9×4). Результаты удельной электропроводности почвы при ее влажности около 30% представлены в таблице.

Корреляция удельной электропроводности почвы в данном эксперименте с агрохимическими показателями почвенного плодородия выявила наиболее тесную связь, достоверную при уровне вероятности 95%, с содержанием в почве минерального азота (r=+0,85), т.е. с суммой ионов нитрата (NO₃ ^–) и аммония (NH₄ ⁺), и на уровне вероятности 90% – с рН (r=-0,66), т.е. с отрицательным логарифмом концентрации ионов водорода – протонов (Н⁺). Практически отсутствовала корреляционная зависимость электропроводности почвы от содержания в ней гумуса, что свидетельствует о диэлектрических свойствах органического вещества почвы.

Характерно, что наиболее высокой была корреляционная связь показателей удельной электропроводности почвы элементарных участков, на которых для анализов отбирались почвенные пробы, с величиной отраженных от этих участков радиолокационных сигналов космического аппарата «Алмаз-1»: r=+0,89 при уровне вероятности 0,99%. Это обусловлено тем, что интенсивность радиолокационного отклика от почвы определялась именно ее электропроводностью, поскольку для радиоволн диэлектрики являются прозрачной средой.

Пример конкретного выполнения предложенного способа при измерении удельной электропроводности почвы по второму методу. Подготовленный для измерения электропроводности образец дерново-подзолистой суглинистой почвы, отобранный на опытном участке Полевой опытной станции РГАУ-МСХА, поместили в пластмассовую кювету указанного выше размера и, вставив в почву пластинчатые электроды и подсоединив их к омметру, подключенному к электрической сети напряжением 220 В, измерили сопротивление в цепи, которое составило 4,8 килоом (кОм). Разделив, согласно формуле (2), единицу на 4800 Ом, определили электропроводность почвенного образца, составившую 0,21·10^-3 Ом^-1. Расчет удельной электропроводности почвы по формуле (3) показал, что она для данного образца дерново-подзолистой суглинистой почвы равнялась 0,4·10^-6 Ом^-1·см^-1.

По сравнению с черноземом дерново-подзолистая почва характеризуется, по результатам измерений, более низкой электропроводностью, что связано, главным образом, с более низким ее плодородием. Разница в плодородии этих почв подтверждается агрохимическим анализом почвенных образцов. Если в черноземной почве содержание гумуса, являющегося источником минеральных веществ, составляло в среднем 3,3%, то в дерново-подзолистой почве – только 2,2%. По содержанию подвижных форм азота, фосфора и калия, определяющих эффективное плодородие почв, чернозем также значительно превосходил дерново-подзолистую почву.

Таким образом, сравнительная оценка удельной электропроводности почвенных образцов свидетельствует о реальной зависимости ее от эффективного плодородия почв, что предопределяет возможность использования предлагаемого способа в практике агрохимии и агропочвоведения.

Формула изобретения

Способ определения удельной электропроводности почвы, отличающийся тем, что электропроводность почвы определяют непосредственно в почвенном образце без использования водной вытяжки, для чего из почвенного образца готовят почвенную пробу путем его высушивания до воздушно-сухого состояния, полученную пробу измельчают и просеивают через сито с диаметром ячеек 2 мм, затем часть почвенной пробы помещают в кювету кондуктометрического прибора, изготовленную из диэлектрической пластмассы, причем масса почвенной пробы равна объему кюветы, далее пробу в кювете увлажняют до влажности, равной 30% и соответствующей наименьшей влагоемкости, размещают в почвенной пробе по торцам кюветы два электрода, равных по площади торцевым сторонам этой кюветы, и подсоединяют их к клеммам кондуктометрического прибора для измерения электропроводности почвы, а удельную электропроводность рассчитывают путем деления показателя электропроводности на объем почвенной пробы.

РИСУНКИ