Speciální zařízení pro měření variability půdních vlastností

Velký rozmach technologií precizního zemědělství můžeme v zemědělství sledovat na každém kroku. U výrobců traktorů a sklízecích mlátiček, u firem nabízejících agrochemické služby, v médiích i na výstavách.

Složitým problémem, kterým se věda i praxe v tomto oboru intenzivně zabývá, je odhalení různorodosti uvnitř pozemků. Bylo dokázáno a v praxi ověřeno, že například efektivita lokálně cíleného vápnění je mnohem vyšší než plošná aplikace stejné dávky. Ovšem výnos v první řadě závisí na úrodnosti půdy resp. komplexu jejích vlastností. V tomto článku si hlouběji všimneme měření elektrické vodivosti a pevnosti půdy a interpretace naměřených hodnot z pohledu zemědělství.

Do rámu
Použité pojmy: Elektrická vodivost (vlhkost, druh půdy=obsah jílových částic, živiny v půdě, pH), tahový odpor, stupeň drobení půdy (hrubost povrchu), obsah dusíku, množství rostlinných zbytků, obsah humusu, podloží,
Konec rámu

Elektrická vodivost půdy

Elektrická vodivost (ECa) vyjadřuje schopnost materiálu vést elektrický proud. Pro měření ECa se používají dvě základní metody, tj. měření bezkontaktní (pomocí elektromagnetické indukce) nebo kontaktní při využití stejnosměrného i střídavého proudu o nízké frekvenci. Výzkumy potvrzují, že obě uvedené metody dosahují přibližně stejných výsledků.
Kontaktní senzory měří elektrickou vodivost půdy elektrodami, které jsou v přímém kontaktu s půdou. Elektrody jsou zpravidla konstruovány jako kotouče zatlačované do půdy. Půda představuje pro elektrický proud odpor, který lze vypočítat ze změřeného úbytku napětí mezi měřenými elektrodami a známé velikosti proudu. Vodivost je převrácenou hodnotou odporu a udává se v milisiemensích na metr (mS.m-1). Hloubka zkoumaného profilu je určena vzdáleností elektrod. Počet zkoumaných rovin závisí na počtu elektrod. Elektrická vodivost závisí především na obsahu vody, solí, jílovitých a písčitých částic, organických látek, objemové hmotnosti půdy a její teplotě. Měření ECa může negativně ovlivnit výskyt trhlin a makropórů v půdě a výskyt organických zbytků na povrchu půdy.
Bezkontaktní senzory nepřicházejí do přímého styku s půdou. Skládají se z vysílací jednotky generující indukční elektromagnetické pole a přijímače, který měří odezvu.
Popis aparatury pro kontaktní měření elektrické vodivosti uvádí Rouiller. Tento systém byl vyvinut Geofyzikálním výzkumným centrem v Garchy (Francie). Zařízení měří elektrický odpor půdy (Electrical Resistivity – ER) , což je obrácená hodnota vodivosti půdy ECa. ER lze měřit velmi jednoduchou aparaturou a měření je velmi robustní proti teplotním vlivům, vibracím a elektromagnetickému rušení, kterými trpí měření ECa. Aparatura se vyznačuje velmi rychlou reakcí (lepší než 10 Hz), dobrým přenosem proudu do půdy a dobrou tolerancí ke kontaktnímu (přechodovému) odporu. Zařízení může pracovat s proudem od 0,1 do 20 mA. ER je měřen pomocí čtyř elektrod ručně zaváděných do půdy. Jeden pár elektrod emituje nastavený střídaný proud a druhý pár měří výsledný potenciál. Poměr mezi nimi je nazýván elektrickým odporem půdy. Jestliže je půda homogenní, elektrický odpor je konstantní. Změnou hloubky půdního horizontu, obsahu půdní vody, struktury nebo obsahu jílovitých částic dochází ke změně ER. Hloubka měření je funkcí tvaru elektrod a druhu zkoumané půdy. Zvětšením vzdálenosti mezi elektrodami roste i hloubka měření zatímco klesá měřený potenciál. Aparatura používající 4 elektrody tedy umožňuje zkoumat půdní horizont v různých hloubkách. Aby byly odstraněny nevýhody ručně zaváděných elektrod, byl sestroj mobilní přístroj s označením MuCEP, který je tažen za vozidlem. Umožňuje měřit téměř spojitě (po 10 cm) ve třech hloubkách (0,5, 1 a 2 m) současně. Elektrody mají tvar plného nebo vykrojeného kotouče. Pojezdová rychlost je limitována (10 km/h) kvůli mechanickými vlivům (dobrý kontakt s půdou, mechanický odpor). Elektronika přitom umožňuje pracovní rychlost až do 40 km/h. Data jsou pořizována v reálném čase se zaměřením pomocí DGPS.
Měření elektrické vodivosti půdy ECa má šanci stát se metodou výzkumu půd v precizním zemědělství, protože byla zjištěna dobrá korelace mezi ECa a parametry půdy. Údaje získané měřením elektrické vodivosti půdy ECa byly srovnávány s dalšími různými zdroji informací jako jsou půdoznalství, výnosové mapy, spektrální snímky z dálkového průzkumu Země (DPZ). Měření uskutečněná v několika opakováních ukázala srovnatelný model elektrické vodivosti v celém časovém horizontu sledování. Při nižším obsahu půdní vody měla i ECa tendenci dosahovat nižších hodnot.
Lokalizaci různých půdních substrátů na pozemku lze podle řešitelů projektu PREAGRO pomocí ECa provést lépe než jakoukoliv jinou známou metodou půdního průzkumu. Srovnáním výsledků z průzkumu půd (manuální odběr půdních vzorků) byla zjištěna korelace s výsledky získanými měřením ECa v rozsahu r2=0,01 – 0,71. Nejtěsnější vztahy byly zjištěny na heterogenních plochách. Na takových plochách lze najít úzké interakce ECa k výnosu s hodnotou korelačního koeficientu r2 až 0,71. Na těchto plochách korelují NDVI (Normalized Difference Vegetation Index, charakteristická veličina vyjadřující odraz světla od povrchu rostlin) zjištěný z multispektrálních snímků DPZ s ECa o hodnotě r2=0,47. Metoda měření elektrické vodivosti ECa se při zpracování projektu PREAGRO projevila jako rychlá a praktická metoda k zjištění rozdílů v půdě. Podle Dalgaarda lze pomocí elektrické vodivosti půdy dobře odhadnout obsah jílovitých částic. Při provedených pokusech byla zjištěna lineární korelace mezi hodnotami ECa a strukturními vzorky půdy o hodnotě r2=0,79.
Neudecker tvrdí, že mapy ECa se během roku nemění. To znamená, že mapování může být provedeno kdykoliv během roku. Interpretace získaných informací příznivě odpovídá údajům získaným jinými metodami např. výnosové mapy nebo některou z metod dálkového průzkumu Země a přitom není nutno provádět měření každý rok. Pokud tomu tak skutečně je, znamená to, že měření elektrické vodivosti půdy lze použít k charakteristice půdních vlastností kdykoliv to organizace práce v podniku a využití techniky dovolí. To by z hlediska stanovení optimálního termínu měření charakteristiky půdy bylo velmi cenným přínosem.

Měření tahového odporu ke zjištění půdních vlastností

Znalosti variability lokální pevnosti půdy resp. odporu půdy proti vnikání cizího tělesa lze využít k jejímu mapování za účelem stanovení vlivu struktury půdy na vývoj rostlin a výnos. Sirjacobs a kol. koncipovali pokusný senzor pevnosti půdy (soil-strength sensor) následovně: úzké ostří radličky při pohybu nosného prostředku vniká do půdy v požadované hloubce. Rameno přenáší sílu z ostří radličky na osmihranný kruhový převodník připevněný na nosném prostředku. Deformace kruhu jsou převáděny napěťovým členem na tři elektrické signály, které vyjadřují horizontální (Fx) a vertikální (Fz) síly a celkový moment (My). Hodnoty Fx, Fz a My jsou funkcí fyzikálních vlastností půdy (obsahu jílovitých částic, ale i geometrie radličky, hloubky a pracovní rychlosti. Poslední tři parametry je třeba ponechat konstantní, aby bylo možno sledovat variabilitu pevnosti půdy.
Sirjacobs a kol. doporučuje pro senzor pevnosti půdy následující parametry: délka ostří radličky 27 cm, šířka 4,5 cm, horizontální umístění na rámu se sklonem 10° směrem dopředu. Měření prováděl na fixovaném tříbodovém závěsu traktoru. Ostří radličky je nastaveno do hloubky 30 cm, aby byly získány informace z nejvrchnější vrstvy půdy. Pracovní rychlost by měla být 5 km/h, která je charakteristická pro většinu prací souvisejících se zpracováním půdy.
Jiným způsobem měření pevnosti půdy je zjišťování tahového odporu celého stroje pro zpracování půdy. Experimentální práce s touto aparaturou byly prováděny na katedře zemědělských strojů ČZU Praha. Nejčastěji to bývá radličkový kypřič s úzkými dlátovými nebo nožovými radličkami. Měření tahového odporu provedl Kroulík na KZS ČZU Praha. K měření byl použit radličkový kypřič o záběru 2 m. Pro sledování tahového odporu byl použit tříbodový měřící rám vložený mezi traktor a kypřič. Rám umožňuje připojení jakéhokoliv neseného stroje a je osazen tenzometrickými můstky ve všech třech bodech závěsu. Naměřené výsledky lze prostorově umístit pomocí koordinátů snímaných v průběhu pokusu přijímačem signálu GPS nebo DGPS do obrysové mapy pozemku. Výsledkem jsou mapy hodnot naměřených senzorem na ploše sledovaného pozemku. Měřící systém pro měření půdního odporu souprav pro zpracování půdy obsahuje přijímač družicového naváděcího signálu GPS, přijímač diferenčního signálu, tenzometrický dynamometr včetně zesilovače a převodníku U/D a jednočipový mikropočítač vybavený programem pro zpracování a přenos dat. Jednočipový mikropočítač zpracovává hodnoty naměřené dynamometrem a data o poloze z přijímače GPS do datové věty, kterou periodicky v intervalu 1 až 5 s vysílá po sériovém portu do PC. Celé zařízení pro sledování tahového odporu celého stroje společně s jeho geografickou lokalizací bylo navrženo a odladěno ve spolupráci s katedrou využití strojů TF ČZU Praha.

Srovnání obou metod měření

Ve snaze nalézt levnější způsob sledování prostorové heterogenity půdních vlastností srovnával Gilbertsson senzor tahového odporu a senzor pro měření elektrické vodivosti půdy. U obou senzorů byla zjištěna dobrá korelace výsledků měření s obsahem jílu. Gilbertsson tvrdí, že obsah jílových částic lze nejpřesněji odhadnout na základě kombinace měření oběma senzory pomocí vícefaktorové lineární regresní analýzy.

Ing. Pavel Přidal

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *