ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ПЕСЧАНЫХ ПОЧВ С ПОМОЩЬЮ ТЕПЛОВИЗИОННОЙ СЪЁМКИ

Кузнецов Д.М., Кучерова Л.В., Едренников А.А., Овчинников С.В.

ФГБОУ ВПО НГМА

Вода играет огромную роль в жизненном цикле растений. Она обладает большой подвижностью, передвигаясь даже в твёрдом состоянии. В климатическом круговороте главным источником движения воды является солнечная энергия, в геологическом – энергия земных недр. Вода на своём пути неизбежно попадает в почву. Почвенная влага – основной ресурс для построения тела растений и важнейший фактор, определяющий условия существования сельскохозяйственных культур и обработки почвы. Вода необходима для растений в больших количествах, чем другие средства питания. Почвенная влага, поступая в растения, является основным компонентом, участвующим в фотосинтезе.

При избыточном увлажнении, обусловленном близким залеганием грунтовых вод и застоем поверхностных вод в пониженных элементах рельефа, развивается болотный процесс почвообразования. Так же избыточное увлажнение в почве может привести к развитию такого процесса как оглеение минеральной породы.

При недостатке влаги и недостаточном её поступлении в растения резко снижается интенсивность фотосинтеза [1]. Дефицит влаги в почве может возникнуть при недостаточном количестве атмосферных осадков, а также при падении уровня грунтовых вод. Недостаток влаги в почве и соответственно в растении может вызвать ряд заболеваний: засыхание листьев, увядание растений, засыхание вершин, отмирание деревьев, карликовый рост растений [2].

Колебания урожаев год от года чаще всего вызываются именно несоответствием запасов влаги в почве потребностям в ней растений.

Воде принадлежит главная роль в почвообразовании: процессы выветривания и новообразования минералов, гумусообразование и химические реакции совершаются только в водной среде; формирование генетических горизонтов почвенного профиля, динамика протекающих в почве процессов также связаны с водой. Вода в почве выступает и как терморегулирующий фактор, определяя в значительной степени тепловой баланс почвы и ее температурный режим. Исключительно велика её роль в плодородии почвы /1/.

Зоны с избыточным увлажнением и дефицитом влаги в почве фиксируются дистанцион¬ными методами - аэрофотосъёмкой, радиолокационной и тепловой аэро¬съёмками. Аэрофотосъёмка фиксирует эти участки благодаря известной закономерности понижения альбедо почв с увеличением влажности, а также по развитию влаголюбивой растительности. Однако эти признаки косвенные и не всегда однозначные [3]. Радиолокационная аэросъёмка чет¬ко регистрирует участки повышенной влажности из-за резкого измене¬ния их электрических свойств и, соответственно, коэффициентов отра¬жения в сантиметровом и дециметровом диапазонах, однако ввиду низкой разрешающей возможности на РЛ-снимках изображаются лишь крупнейшие зоны колебания влаги в почвах [4].

Эти объекты уверенно картируются тепловой аэросъёмкой крупно¬го и среднего масштабов (1:5000 - 1:50000), эффективность которой обусловлена высокой контрастностью в температурном поле орошае¬мых земель и оросительных систем из-за сильного охлаждающего влия¬ния испарения и высокой тепловой инерции воды. Тепловая аэросъёмка является одним из наиболее динамично развивающихся и точных методов дистанционного зондирования для изучения проявления различных геодинамических процессов, связанных с увлажнением почвы, водонасыщением, и переносом теплоты (обводнение, заболачивание, растепление мерзлоты и т.д.).

Уже на ранних стадиях применения тепловизионной аэросъёмки для изучения геологического строения Земли было установлено, что резкая изменчивость температурного поля подстилающей поверхности во времени предопределяет необходимость исследования ее динамики, которая характеризуется тепловой инерцией объектов земной поверхности [5].

Необходимо выделить ряд основных преимуществ использования тепловизионной съёмки. Во-первых, способность инфракрасной съёмки работать в ночное время суток. Это позволяет использовать принцип тепловой инерции, благодаря чему можно оценить влажность почвы путем сравнения результатов измерений температурного поля дневной и ночной съёмок. Во-вторых, ИК излучение лучше, чем видимое проходит через дым, туман и растительный покров. Также использование тепловой съёмки обеспечивает возможность выполнения быстрого и всестороннего анализа. В частности, тепловизор преобразует тепловые изображения в термограммы, которые обрабатываются на компьютерах с помощью специально установленной программы и в соответствии с условиями съёмки позволяют вносить определённые поправки в изображения.

Объектом наших обследований являются песчаные почвы. Песчаные, или лёгкие, почвы характеризуются преобладающим содержанием песка, малой долей глинистых минеральных частиц и незначительным содержанием перегноя. Благодаря своей сыпучей зернистой структуре эти почвы быстро подвергаются эрозии, обладают повышенной воздухо- и водопроводимостью, но не удерживают влагу, хорошо прогреваются, а также быстро остывают.

Влияние влажности почвы наиболее заметно проявляется на её тепловой инерции:

Δt = (λ/ c *ρ)1/2 Дж/(м2 с1/2 К),

где ρ, c, l, - плотность, удельная теплоёмкость и коэффициент теплопроводности слоя грунта, участвующем в теплообмене - теплофизическая характеристика, определяющая скорость восприятия и отдачи тепла.

Основной фактор, влияющий на изменение тепловой инерции почвы – это высокая тепловая инерция воды, обусловленная высокой теплоёмкостью воды (см. табл. 1).

Таблица 1 – Сравнение теплоёмкости воды и составляющих почву компонентов

Компоненты почвы Удельная теплоёмкость (Дж/кг*К)

Вода 4180

Песок (SiO2) 835

Полевые шпаты 756

Пироксен 780

Кварц 750

Слюда 880

Каолинит 932

Монтмориллонит 986

Как видно из таблицы 1, удельная теплоёмкость воды превышает теплоёмкости различных компонентов почвы в пять раз.

В связи с вышеизложенным целью данной работы является определение влажности песчаных почв с помощью тепловизионной съёмки, путём измерения разности показаний температурного поля поверхности почв. Это обеспечит повышение оперативности и снижение экономических затрат при проведении мониторинга земель.

Для достижения поставленной цели был проделан следующий опыт. В одинаковых климатических условиях были поставлены 4 бокса с одинаковой массой песчаной почвы. Образцы содержали различное количество влаги. В первом боксе вода отсутствовала, второй образец содержал 5% влажности, третий – 10 %, а четвёртый – 15 %. У данных образцов три раза в день (7.00; 14.00; 20.00) с помощью тепловизора измерялась температура поверхности почвы. Все полученные данные фиксировались для дальнейшего анализа.

Ниже представлен ряд полученных результатов. Для исключения грубых промахов был проведен расчет по критерию Шовине с доверительной вероятностью, равной 0,95. Очищенные от грубых промахов экспериментальные данные представлены в табл. 2. В первую очередь обращает на себя внимание, что при низкой влажности песчаной почвы суточные колебания температур наиболее значительны. Причем зафиксированные изменения могут оцениваться как статистически значимые с величиной достоверности аппроксимации, равной 0,994 (см.рис.1).

Таблица 2. - Полученные данные по изменению температуры образцов почвы в зависимости от количества содержащейся в ней влаги

Количество воды, ст. Утро День Вечер

S(h)1 x͞(1) Ϭ(1) S(h)2 x͞(2) Ϭ(2) S(h)3 x͞(3) Ϭ(3)

0 0,45 10,17 0,28 1,21 15,53 0,64 2,74 12,8 1,52

1 0,73 9,8 0,46 2,07 14,5 1,09 3,49 12,2 1,94

2 0,73 10 0,45 2,35 14,6 1,24 2,77 12,64 1,54

3 0,72 10,33 0,45 1,6 14,8 0,84 3,12 12,86 1,73

Рис.1- Изменение суточных колебаний температур в песчаной почве в зависимости от ее влажности

Интересно отметить, что полученная зависимость для песчаных почв носит нелинейный характер, и это предполагает что для почв, характеризующихся еще более сложным химическим составом, например, дерново-подзолистых почв зоны хвойных лесов или чернозёмов степной зоны зависимость будет иметь еще более сложный характер.

Проведённые эксперименты показали, что погрешность определения влажности почвы по измерению температурного поля велика.

Температура поверхности почвы зависит от скорости испарения влаги. Изменение влажности зависит от внешних условий и свойств почвы. Так как песчаная почва имеет более простой гранулометрический, химический и механический составы, то в ней задерживается только влага, идущая на смачива¬ние поверхности почвенных частиц. Проследив с помощью тепловизионной техники суточное изменение температуры поверхности почвы можно определить влажность и тип почвы.

Данные разработки находятся на начальных стадиях. В дальнейшем будет проведён аналогичный опыт с почвами, имеющими более сложный гранулометрический состав (такими как чернозёмы южные, пойменно-луговые почвы, солончаковые почвы), что позволит сравнить образцы и сделать вывода о зависимости разности температур поверхности почв и плотности от влажности.

Литература

1.Н.В. Клебанович, Почвоведение и земельные ресурсы, изд-во БГУ – 2009г.

2. С.В. Фролов, журнал «Всё о лесном деле и деревообработке», Болезни от недостатка воды в почве.

3.Г.А. Ланчаков, Методические рекомендации для мониторинга окружающей среды, Москва – 2005 г.

4.Л.В. Константиновская, Аэро- и космосъёмка, Москва – 2003 г.

5.В.Н. Губин, Учебное пособие Дистанционные методы – Минск изд-во Белорус. Гос. Ун-та. 2003 г.