РАДИОФИЗИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ГЛИНЫ В ПОЧВАХ
RADIOPHYSICAL METHOD FOR DETECTION OF CONTENT OF PHYSICAL CLAY IN SOILS

Изобретение относится к способам измерений и может быть использовано в сельском хозяйстве, мелиорации, при составлении земельного кадастра и т.п. для определения гранулометрического класса почв.
Гранулометрический состав почв является важнейшей характеристикой, определяющей многие свойства и режимы, включая водные и тепловые, поглотительную способность, трансформацию веществ и плодородие. Это базовый уровень, от которого зависит формирование всех основных почвенных параметров (Шеин Е.В. Курс физики почв. - М.: Изд-во МГУ, 2005. 432 с.). При этом наиболее существенную роль играет фракция глины, поскольку ее содержание является важным показателем гидрофизических (Нерпин С.В., Чудновский А.Ф. Физика почвы. - М.: Наука, 1967. 584 с.) и диэлектрических свойств почвы (Mironov V.L., Fomin S.V. Temperature and Mineralogy Dependable Model for Microwave Dielectric Spectra of Moist Soils // PIERS Online, 2009. Vol.5. №.5. P.411-415).
Известны прямые (лазерные) и косвенные способы определения гранулометрического состава почв и грунтов. Наибольшее распространение получил традиционный пипеточный седиментационный метод в модификации Н.А.Качинского (Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы определения физических свойств почв и грунтов. - М.: Высшая школа, 1961. 345 с.). Он проводится в несколько этапов: от разделения элементарных почвенных частиц, кипячения до непосредственного отбора проб суспензии пипеткой через фиксированные промежутки времени с определенной глубины, что может занимать в общей сложности до 30 часов. Данный метод весьма трудоемок и, кроме того, в ходе проведения анализа необходимо соблюдать постоянство температуры и минимизировать возможные вибрации.
Современные способы проведения гранулометрического анализа, основанные на дифракции рентгеновских лучей на частицах в суспензии, позволяют в несколько раз сократить время анализа, но требуют применения дорогостоящего оборудования.
c
t
s
s
3
Известен дистанционный способ определения содержания физической глины в почвах (под физической глиной понимается доля частиц размером менее 0,01 мм, см.: Воронин А.Д. Основы физики почв. - М.: МГУ, 1986, 243 с.), основанный на том, что количество незамерзшей воды в мерзлых незасоленных почвах зависит от содержания глины и термодинамической температуры (Патент РФ на изобретение №2411505, МПК G01N 22/04 от 10.13.2009 г. Зарегистрирован 10.02.2011 г.). Диэлектрические свойства незамерзшей воды в мерзлых грунтах аналогичны диэлектрическим свойствам связанной воды в незамерзших почвогрунтах. Для определения содержания физической глины в полевых условиях измеряют радиояркостную температуру почвы и термодинамическую температуру мерзлой почвы и почвы непосредственно перед промерзанием, определяют коэффициенты собственного радиотеплового излучения почвы до промерзания и после промерзания на глубину, превышающую глубину зондирования, далее с помощью регрессионных уравнений или графически определяют объемную долю льда W и максимальную объемную долю связанной влаги W, используя коэффициенты излучения почвы до промерзания и после промерзания. Содержание физической глины С (в процентах от общей массы) определяют из соотношения: C=277,1·W/ρ+0,9595, где ρ - плотность сухой почвы в г/см.
t
t
Наиболее близким техническим решением является радиофизический способ определения доли физической глины в почве, основанный на измерениях в лабораторных условиях ряда значений комплексного показателя преломления почвы , где ε' и ε" - действительная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости в зависимости от ее влажности W. В результате получают зависимость действительной части комплексного показателя преломления n=f(W) на частоте около 1 ГГц (Комаров С.А., Миронов В.Л. Микроволновое зондирование почв. - Новосибирск: Научно-издательский центр СО РАН. 2000. 289 с). После чего по полученной зависимости находят максимальную объемную долю связанной влаги W и определяют содержание физической глины из соотношения между W и процентным содержанием глины. Достоинством метода является то, что определяемое таким образом содержание глины является входным параметром диэлектрической модели почв (Mironov V.L., Fomin S.V. Temperature and Mineralogy Dependable Model for Microwave Dielectric Spectra of Moist Soils // PIERS Online. 2009, Vol.5. №5. P.411-415). Однако этот способ является трудоемким, так как для построения зависимости n=f(W) требуется измерение комплексного показателя преломления почв при 10-12 значениях влажности, причем после каждого измерения требуется сушка образца в течение 2-4 часов для определения его влажности на момент измерения.
Техническим результатом предложенного способа является повышение производительности измерений путем сокращения времени на проведение измерений.
1
2
1
2
Указанный технический результат достигается тем, что в радиофизическом способе определения содержания физической глины в почвах, основанном на измерении показателя преломления влажной почвы, новым является то, что почвы с влажностью, превышающей максимальное содержание связанной воды, выдерживают в герметическом контейнере в течение 1-2 суток, проводят измерения показателя преломления при температуре почвы t от 10 до 40°С на частотах f=0,35 ГГц и f=1,75 ГГц, находят разность показателей преломления Δn=n(f)-n(f) на этих частотах и определяют массовую долю физической глины С в почве из соотношения:
С=(-0,0392·t+1,992)·Δn+0,0031·t-0,0594,
где С - содержание физической глины в почве (в массовых долях),
t - температура почвы (°С),
Δn - разность показателей преломления.
t
1
2
1
2
В заявляемом способе технический результат достигают так же, как и в прототипе, путем измерения комплексного показателя преломления влажной почвы, но при этом в отличие от прототипа измерения проводятся при одном значении влажности почвы, превышающем максимальное количество связанной воды W, на частотах f=0,35 ГГц и f=1,75 ГГц; находят разность показателей преломления на этих частотах Δn=n(f)-n(f), далее с помощью регрессионного уравнения или графически определяют массовую долю глины. Точного измерения влажности почвы не требуется.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
На фиг.1а приведена зависимость показателя преломления от частоты для почвы с содержанием глины 0,26 г/г при различных влажностях W и температуре 20°С.
1
2
На фиг.1б показана зависимость разности показателей преломления Δn=n(f)-n(f) от частоты при разных влажностях почвы и температуре 20°С.
1
2
На фиг.2 приведены графики зависимости содержания глины (в массовых долях) от разности показателей преломления Δn=n(f)-n(f) при разных температурах.
На фиг.3 приведены зависимости параметров уравнения линейной регрессии C=kΔn+b от температуры почвы.
На фиг.4 приведены результаты проверки заявляемого способа определения содержания глины с использованием источников, в которых приведены результаты диэлектрических измерений на частотах 0,35 и 1,75 ГГц и данные гранулометрического анализа.
t
В условиях, когда влажность почвы W больше, чем W, часть влаги находится в пленочной и капиллярной формах. В соответствии с рефракционной моделью (Mironov V.L., Dobson М.С., Kaupp V.Н., Komarov S.A., Kleshchenko V.N. Generalized refractive mixing dielectric model for moist soils // IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, 2004. Vol.42. №4. P.773-785) показатель преломления почвы является суммой показателей преломления компонент, составляющих почву, умноженных на объемные доли этих компонент. При уменьшении частоты ниже 1-2 ГГц показатель преломления влажной почвы, содержащей некоторое количество глины, возрастает. Это возрастание обусловлено межповерхностной поляризацией на границе раздела почвенная частица - связанная вода и зависит только от максимального содержания связанной воды, так как показатели преломления пленочной и капиллярной воды в диапазоне частот ниже 1-2 ГГц, а также показатели преломления твердой фазы почвы практически не зависят от частоты (Миронов В.Л., Бобров П.П., Кондратьева О.В., Репин А.В. Измерение комплексной диэлектрической проницаемости различных форм почвенной влаги в микроволновом диапазоне // Российская научная конференция «Зондирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой», Улан-Удэ, 06.09-10.09.2010, Электронный сборник докладов. С.344-355). Чем больше в почве глины, тем больше в ней максимально возможного количества связанной воды, тем более резким является возрастание показателя преломления при уменьшении частоты.
В качестве экспериментальных данных взяты спектры комплексного показателя преломления почв, приведенные в работе (Curtis, J.О., Weiss С.A., Jr., Everett J.В. Effect of soil composition on dielectric properties / Technical Report EL-95-34. December 1995), где содержатся также данные о гранулометрическом составе почв. Измерения проведены для частот в диапазоне от 44,5 МГц до 26,5 ГГц, при четырех фиксированных температурах: 10, 20, 30, 40°С. Содержание глинистой фракции в почвах (в массовых долях) составляло от 0 до 0,88. Для каждой почвы проведено несколько измерений при разных влажностях, в диапазоне значений объемной влажности почвы от 0 до 95%.
1
2
1
2
Вычисление разности показателей преломления Δn=n(f)-n(f), где f=0,35 ГГц и f=1,75 ГГц, показало, что разность Δn практически не зависит от влажности почвы и статистически связана с содержанием глины при высоком коэффициенте корреляции. При разных температурах квадрат коэффициента корреляции составляет 0,96-0,99. Зависимости параметров k и b уравнения линейной регрессии C=kΔn+b могут быть также представлены в виде линейной регрессии с квадратами коэффициентов корреляции 0,95-0,96.
Уравнение регрессии, позволяющее определить массовую долю глины С в почве по разности показателей преломления Δn при значениях температуры t в диапазоне от 10 до 40°С, имеет вид:
t
1
2
1
2
Заявляемый способ реализуется следующим образом. Образцы почв увлажняют до влажности, большей, чем W, и выдерживают в герметическом контейнере в течение 1-2 суток. Проводят измерения показателя преломления на частотах f=0,35 ГГц и f=1,75 ГГц. Находят разность показателей преломления Δn=n(f)-n(f) и по формуле (1) определяют содержание глины.
Для проверки заявляемого способа были проанализированы литературные данные из источников, в которых имелись результаты измерений показателя преломления или комплексной диэлектрической проницаемости почв и данные гранулометрического анализа.
На фиг.4 приведены результаты проверки заявляемого способа определения содержания глины с использованием источников, в которых приведены результаты диэлектрических измерений на частотах 0,35 и 1,75 ГГц и данные гранулометрического анализа. Каждая точка на графике пронумерована в соответствии с номером публикации из нижеследующего списка.
1 - Kelleners Т.J., Robinson D.A., Shouse P.J., Ayars J.E., Skaggs Т.Н. Frequency Dependence of the Complex Permittivity and Its Impact on Dielectric Sensor Calibration in Soils // Soil Sci. Soc. Am. J. 2005. 69: 67-76. P.67-76.
2 - Topp G.C., Davis J.L., Annan A.P. Electromagnetic determination of soil water content: measurements in coaxial transmission lines // Water resources research. 1980. Vol.16. №.3. P.574-582 (измерение на частоте 0,35 ГГц); Miyamoto Т., Chikushi J. Time domain re-flectometry calibration for typical upland soils in Kyushu// Japan. JARQ. 2006. Vol 40. №3. P.225-231 (измерение на частоте 1,75 ГГц).
3 - Logsdon S.D., Laird D.A. Ranges of bound water properties associated with a smectite clay // Fifth International Conference on Electromagnetic Wave Interaction with Water and Moist Substances (ISEMA), Society for Electromagnetic Aquametry, Rotorua, New Zealand, March 2003. P.101-108.
4, 5 - Миронов В.Л., Бобров П.П., Кондратьева О.В., Репин А.В. Измерение комплексной диэлектрической проницаемости различных форм почвенной влаги в микроволновом диапазоне // Российская научная конференция «Зондирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой», Улан-Удэ, 06.09-10.09.2010, Электронный сборник докладов. С.344-355.