Способ определения зольности торфяной почвы

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗОЛЬНОСТИ ТОРФЯНОЙ ПОЧВЫ(71) Заявители Государственное научное учреждение Объединенный институт проблем информатики Национальной академии наук Беларуси Государственное научное учреждение Институт физики им. Б. И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Давейнис Валерьян Семенович Давейнис Михаил Валерьянович Кравцов Аркадий Анатольевич Чумаков Александр Никитич Ничипорович Зинаида Адамовна(73) Патентообладатели Государственное научное учреждение Объединенный институт проблем информатики Национальной академии наук Беларуси Государственное научное учреждение Институт физики им. Б. И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ определения зольности торфяной почвы, в котором производят спектрометрирование почвы в спектральном диапазоне от 430 до 780 нм, устанавливают регрессионную зависимость между интегральным коэффициентом спектральной яркости и зольностью высушенной почвы контрольно-тестового участка и определяют зольность почвы на исследуемой площади путем сравнения измеренных интегральных коэффициентов спектральной яркости с регрессионной зависимостью, отличающийся тем, что спектрометрирование осуществляют непосредственно после отвала почвы плугом с глубины от 0,1 до 0,5 м, ее прокатной прессовки валиком и последующей сушки ее поверхностного слоя лазерным излучением с плотностью потока от 30 до 300 Вт/см 2 в зависимости от длины волны используемого лазерного излучения и скорости вспашки. Изобретение относится к почвоведению и земледелию и может быть использовано для определения зольности торфяной почвы. Известен весовой способ оценки зольности методом сжигания 1, включающий отбор и подготовку проб, высушивание, прокаливание, взвешивание и расчет зольности по формуле А(/а)100 ,где А - содержание золы в аналитической пробе ва - навеска сухого торфа, г- вес остатка в тигле после прокаливания, г. 12427 1 2009.10.30 Однако этот способ имеет ряд существенных недостатков. Среди них многооперационность, включающая четыре операции - это разделка образцов, многократное взвешивание, высушивание образцов до абсолютно сухого состояния, расчет влажности, сжигание образцов, расчет зольности трудоемкость, связанная с отбором проб в полевых условиях и с их лабораторной обработкой значительные затраты времени на определение зольности в одном образце энергоемкость. В связи с перечисленными недостатками использование этого метода на больших территориях исключено. Известен спектрометрический способ определения зольности (степени деградации) торфяной почвы 2, включающий отбор почвенной пробы, подготовку образцов для спектрометрирования, состоящую из измельчения, просеивания через сито с размером ячеек 0,5 мм, заполнения кюветы, разравнивания поверхности специальным шаблоном, регистрацию коэффициента диффузного отражения при 660 нм, по которому на основании регрессионной зависимости между зольностью и коэффициентом диффузного отражения и определяют зольность. Недостатками данного способа являются 1) невозможность использования указанного способа на больших территориях из-за его трудоемкости, связанной с отбором проб вручную и последующей их лабораторной обработкой 2) нарушение естественной структуры торфяной почвы, связанное с измельчением образца при подготовке проб в лабораторных условиях 3) значительная погрешность определения зольности из-за использования одной длины волны. Известны также спектрометрические способы определения зольности торфяной почвы, отличающиеся от описанного в 2 использованием зональных и интегральных коэффициентов яркости торфа в спектральном диапазоне 430-780 нм 3 и 500-750 нм 4. Для указанных способов преодолен недостаток, указанный выше в пункте 3), однако недостатки, перечисленные в пунктах 1) и 2) остались непреодоленными. Известен спектрометрический способ дистанционной оценки зольности торфяной почвы 5, основанный на аэрофотосъемке исследуемой территории, установлении регрессионной зависимости между яркостью изображения на снимках (панхроматический материал) и зольностью почвы в контрольных точках на тестовых участках, и определении зольности исследуемых участков по яркости изображения с учетом установленной регрессионной зависимости. Полученные данные о зольности торфяных почв используются в дальнейшем для оценки степени их деградации. Этот метод может использоваться дистанционно, что позволяет использовать его для получения данных с больших территорий. Однако указанный способ 5 также обладает рядом недостатков. Он может использоваться для определения зольности только воздушно-сухой торфяной почвы. Применение этого способа возможно лишь в ранневесенний, или позднеосенний периоды, когда почва наиболее распахана и менее всего покрыта растительностью. Существенный недостаток метода, приводящий к значительным погрешностям, состоит в проведении измерений на поверхности почвы, измененной наличием растительности, естественных неровностей и следами хозяйственной деятельности человека. Кроме того, на результаты измерений существенное влияние оказывает накопленная в почве влага, поэтому измерения необходимо проводить в периоды наименьшего влагосодержания почвы. Способ также не обеспечивает достаточного пространственного разрешения и высокой точности топографической привязки результатов измерений. Указанные недостатки характерны и для известного способа оценки засоленности почвы на орошаемых землях хлопкового севооборота 6, основанного на аэрокосмической многозональной съемке исследуемой площади в весенний и позднелетний периоды и аналогичного описанному выше способу 5. 12427 1 2009.10.30 Зольность органогенной почвы может также определяться по эффекту замедления быстрых нейтронов из-за упругого рассеяния на ядрах водорода, содержащегося во влаге и органических компонентах исследуемой почвы, путем облучения почвы быстрыми нейтронами изотопного источника и регистрации интенсивности рассеянного гаммаизлучения в мягкой области, что используется в известном способе измерения влажности органогенной почвы 7. Недостатком этого способа является использование изотопного радиоактивного источника из-за необходимости применения специальных мер защиты от его излучения. Кроме того, этот метод не является дистанционным и реализуется при погружении в органогенную почву на заданную глубину измерительного преобразователя,содержащего радиоактивный источник, что затрудняет проведение экспрессных измерений. Аналогичный описанным в 2-5 способ спектрометрической диагностики положен также в основу способа и устройства для анализа содержания тяжелых металлов в почве 8, который отличается лишь использованием лазерного источника излучения и учетом влажности почвы, контролируемой датчиком влажности, устройство и принцип действия которых в патенте не описаны. В настоящее время большое значение придается переходу к адаптивной системе землепользования с дифференцированным воздействием на систему почва-растение. Это может достигаться за счет использования современных информационно-навигационных технологий, обеспечивающих элементы подобного координатного земледелия. Поэтому особенно возрастает значение экспрессных способов определения плодородия почв с координатной привязкой получаемых данных. В связи с этим описанные выше способы определения зольности торфяных почв мало применимы для решения современных задач координатного земледелия. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ определения зольности, основанный на определении зональных или интегральных коэффициентов яркости торфа в видимом или инфракрасном диапазоне спектра и включающий, кроме того, отбор выборочных наземных данных по зольности в контрольных точках исследуемой площади, определение регрессионной зависимости между зольностью и интегральным коэффициентом спектральной яркости и определение зольности по экспериментально определенным коэффициентам спектральной яркости с учетом полученной регрессионной зависимости 3. Недостатками данного способа являются невозможность его использования на больших территориях из-за трудоемкости, связанной с отбором проб вручную для последующей лабораторной обработки, и нарушение естественной структуры торфяной почвы,обусловленное измельчением образца при подготовке проб в лабораторных условиях. Задача предлагаемого изобретения состоит в повышении точности измерения и расширении возможностей применения экспрессного спектрометрического способа анализа увлажненных и покрытых растительностью почв, ускорении процесса измерения с получением данных о зольности почвы на заданной глубине, а также в повышении точности координатной (топографической) привязки получаемых результатов. Поставленная задача решается тем, что в способе определения зольности торфяной почвы, в котором производят спектрометрирование почвы в спектральном диапазоне от 430 до 780 нм, устанавливают регрессионную зависимость между интегральным коэффициентом спектральной яркости и зольностью высушенной почвы контрольно-тестового участка и определяют зольность почвы на исследуемой площади путем сравнения измеренных интегральных коэффициентов спектральной яркости с регрессионной зависимостью, спектрометрирование осуществляется непосредственно после отвала почвы плугом с глубины от 0,1 до 0,5 м, ее прокатной прессовки валиком и последующей сушки ее поверхностного слоя лазерным излучением с плотностью потока от 30 до 300 Вт/см 2 в зависимости от длины волны используемого лазерного излучения и скорости вспашки. 12427 1 2009.10.30 Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Выполняют сканирование многоканальным спектрометром калибровочно-тестового участка торфяной почвы вслед за ее вспашкой, прессовкой вращающимся валиком и просушкой лазерным излучением при мощности 30-300 Вт в пучке диаметром 1 см при скорости перемещения лазерного луча (и плуга) 0,2-0,5 км/ч осуществляют отбор выборочных данных по зольности в контрольных точках исследуемой площади устанавливают регрессионную зависимость интегрального коэффициента спектральной яркости от зольности в одном из интервалов спектра в диапазоне 430-780 нм, и по экспериментально измеренному коэффициенту спектральной яркости определяют зольность расчетным путем из регрессионного уравнения. Скорость вспашки может изменяться в диапазоне 0,2-0,5 км/ч в зависимости от мощности, длины волны лазерного излучения и диаметра лазерного пучка. Повышение точности измерений основано на единообразной и воспроизводимой подготовке торфяной почвы при вспашке плугом и прессовке ее валиком. Кроме того, излишняя влага удаляется с тонкого поверхностного слоя почвы, используемого для спектрометрирования, при его нагреве лазерным излучением. Проведенные исследования показали, что интенсивное испарение влаги визуально наблюдается уже в течение первых секунд облучения торфа излучением С 2-лазера мощностью 100 Вт, а слой торфа толщиной 2 см полностью высушивается за 1-2 минуты. В процессе непрерывной вспашки почвы со скоростью 0,2-0,5 км/ч достигается эффективное просушивание поверхностного слоя торфа толщиной 1 мм при мощности излучения СО 2-лазера 100 Вт в пучке диаметром 1 см, что обеспечивает возможность проведения непрерывных измерений с заданной скоростью. Кроме того, регулируя глубину вспашки, можно определять зольность почвы на заданной глубине. Предлагаемый способ определения зольности обеспечивает также возможность координатной привязки получаемых результатов при установке датчика навигационной спутниковой системы (, ГЛОНАСС). Источники информации 1. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв.- М., 1972.- 490 с. 2. Ковалев А.А., Ничипорович З.А., Зайцева В.А., Никоненко С.В. Оптические свойства мелиорированных торфяных почв Полесья.- Минск, 1995.- 53 с. (Препринт 30 / Акад. наук Беларуси. БелГео). 3. Зайцева В.А., Никоненко С.В., Ничипорович З.А. Выбор информативных спектральных каналов для определения степени деградации мелиорированных торфяных почв с различной влажностью // Журн. прикл. спектроскопии.- 1995.- Т. 62.-1.- С. 53-58(прототип). 4. Зайцева В.А., Никоненко С.В. Дистанционная спектрофотометрия в задачах определения степени минерализации торфяных почв Полесья // Журн. прикл. спектроскопии.1998. - Т. 65.-1.- С. 102-106. 5. Патент РБ 7938. Способ оценки степени деградации мелиорированных торфяных почв / Ковалев А.А., Ничипорович З.А., Кривонос О.В.- По заявкеа 20000436 от 04.05.2000.- Опубл. 2006.04.30. 6.1807312 А 1. Способ оценки засоленности почвы на орошаемых землях хлопкового севооборота.- 1993. 7.1783396 А 1. Способ измерения влажности органогенной почвы.- 1992. 8.2003098084 А..- 2003. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4