Эта статья проливает свет на влажность почвы как для садоводов и огородников, так и для тех, кто пытается облегчить себе жизнь занимаясь автоматизацией полива цветов и грядок. Дело в том, что одним из моих занятий является разработка различной автоматики, в том числе, сельскохозяйственной (большей частью садово-огородно-тепличной). И с путаницей на тему влажности приходится встречаться довольно часто. Это изложение не с точки зрения почвоведения или агрономии, а с точки зрения понимания и практического применения.
Но сначала нужно разобраться, что же такое почва и что такое ее влажность. На первый взгляд, все просто. Почва это "та самая земля" по которой мы ходим и в которую сажаем растения на грядках или в горшках на подоконнике. А влажность это "вода в почве". И мы на глаз почти всегда можем определить, полита ли грядка.
Но на самом деле все гораздо сложнее. А труднее всего дать точные определения для самых привычных вещей, задать точные критерии оценки самых обычных параметров. Вот и с почвой и ее влажностью все не так просто.
Небольшое введение в терминологию
Нам не нужны строгие научные определения, которые чаще отпугивают обычных людей, для понимания сути. Почва это смесь минеральных и органических веществ (на рисунке ниже показаны черным и серым цветом).
Минеральная составляющая это песок, глина, камушки, воздух, вода с растворенными в ней солями. Да, воздух (белый и светлосерый цвет) и вода (синий цвет) это тоже составляющие почвы. Органические составляющие это корни растений, насекомые и черви, перегнившие остатки растений, отходы жизнедеятельности животных и птиц (да, тот самый навоз). Это определение, скажем так, сильно не классическое, но точно отражающее то, из чего состоят наши грядки. Почвы бывают очень разные, даже в пределах одного населенного пункта (на разных огородах и даже в пределах одного огорода). Это будет важно в дальнейшем, когда я буду описывать способы измерения влажности. Нет, я не говорю про разные типы почв (черноземы, подзолистые, бурые, и так далее), я говорю про состав почвы на конкретной грядке. Сам слой грунта, в глубину, тоже не однороден. Плодородный слой (почва) находится сверху, им мы пользуемся для выращивания растений. Глубже могут находится слои песка, глины, щебня, водоносные горизонты, скальные породы. Корни растений могут проникать в эти слои, но непосредственно мы их не используем. Однако эти слои влияют на влажность почвы, как станет видно дальше.
Влажность почвы это содержание в ней влаги. Банальное определение. На первый взгляд. И вот тут начинается путаница. Во первых, влажность измеряют в процентах, хотя речь не всегда идет об относительной влажности. Во вторых, влажность можно определить как отношение массы воды к массе сухой почвы, а можно как отношение объема воды к объему сухой почвы. То есть, влажность бывает весовая (массовая) и объемная. Справедливости ради надо сказать, что объемная влажность в быту не применяется.
Продолжаю вас запутывать. Наверное все видели, что когда цветы на подоконнике поливают слишком обильно, то часть воды вытекает снизу. То есть, снизу влажность почвы ограничена 0% (абсолютно сухая почва), но есть и какое то ограничение сверху. Это ограничение называется влагоемкостью. Полная влагоемкость это процент воды при полностью заполненных порах. Именно такое состояние я показал на рисунке выше. Полная влагоемкость достижима при определенных условиях, но на грядках можно достичь лишь на короткое время. Если в почве воды больше, чем ее полная влагоемкость, то получаем "болото". Условием достижения полной влагоемкости является наличие под слоем слоя воды или не пропускающей воду глины/пленки. Если таких слоев нет, то часть воды стекает вниз, в блюдце под цветочным горшком, или нижние слои грунта. Оставшееся количество воды определяет Общая влагоемкость. То есть, общая влагоемкость это способность почвы удерживать воду при ее свободном оттоке под действием гравитации. Чаще можно встретить другой термин, Наименьшая влагоемкость, который эквивалентен общей влагоемкости, но менее удачен с точки зрения внесения путаницы.
Но это еще не все. Я упомянул выше "не пропускающие воду слои". Способность пропускать через себя воду называется водопроницаемостью. Чем она выше, тем меньше общая влагоемкость, так воде легче стекать вниз. Но это не означает, что низкая водопроницаемость означает высокую влагоемкость. Так как влага просто не способна проникнуть в такую почву.
Далее, существует еще водоподъемная способность почвы. Наверное всем знаком способ полива цветочных горшков подливанием воды в блюдце под горшком. Это как раз демонстрация водоподъемных свойств. По сути своей, это проявление капилярного эффекта. Для нас это свойство имеет значение, так как грядки в крытой теплице дождь не поливает непосредственно, но стекающая по нижележащим слоям (глинистая почва, например) вода благодаря водоподъемным свойствам почвы увлажняет грядки в теплице. Еще существует влагопоглощающая способность - способность поглощать влагу из воздуха.
Как видно, на верхнюю границу влажности почвы влияет много факторов. Что бы упростить ситуацию вводится термин Предельная полевая влагоемкость почвы. Это способность почвы удерживать воду с учетом и полной влагоемкости, и водопроницаемости, и водоподъемности, и расположения гидроизолирующих слоев, и наличия близлежащих водоносных слоев (например, близко река, ручей или родник). Предельная полевая влагоемкость определяется экспериментально может быть разной даже для почвы идентичного состава, но находящейся на разных участках поля. Не говоря уже о разных грядках, одна из которых может располагаться на солнечном пригорке, а другая в тенистой низине с ручьем неподалеку. Обратите внимание, слово полевая тут не случайно, так как речь идет о привязке к конкретному реальному земляному участку.
Определение общей (минимальной) влагоемкости почвы и предельной полевой влагоемкости
Стоит сказать, что в большинстве бытовых случаев предельная полевая влагоемкость будет примерно равна общей (наименьшей) влагоемкости. Исключением будут болотистые почвы, насыпные грунты (если почва насыпается на глинистый участок или на полимерную пленку) и расположение участка в низине у ручья или реки.
Я приведу лишь упрощенную методику, которой вполне достаточно для бытового применения. Возьмите сосуд с отверстием в дне, которое прикрыто от высыпания через него почвы. Диаметр отверстия должен исключать влияние эффектов поверхностного натяжения. Достаточно будет отверстия диаметром 5 мм. Насыпьте в сосуд почву и слегка утрамбуйте ее, что бы избежать излишней пористости. Обильно полейте, так что бы вода начала капать из расположенного в дне отверстия. Поставьте сосуд так, что бы вода могла спокойно вытекать из отверстия не перекрывая его. То есть, вытекающая вода должна сливаться не доходя до уровня дна сосуда. Когда вода полностью прекратит капать, воспользуйтесь методикой определения влажности выпариванием, которая изложена ниже.
Для чего это нужно? В большинстве случаев это не требуется. Но полезно для калибровки датчиков влажности или для расчета требуемого для полива количества воды.
Собственно влажность почвы
Итак, мы разобрались с тем, что такое почва и что влияет на ее способность удерживать влагу. Теперь переходим к собственно определениям понятия влажности.
Абсолютная влажность Wa - содержание влаги в почве по отношению к ее массе.
Здесь Мв масса влажной почвы, Мс масса сухой почвы. Измеряется в процентах.
Относительная влажность Wo - отношение абсолютной влажности и предельной полевой влагоемкости.
Здесь ПВ предельная полевая влагоемкость. Измеряется в процентах.
Не вся содержащаяся в почве влага может использоваться растениями. Поэтому определяют еще и влажность завядания растений.
Влажность устойчивого завядания растений - влажность почвы, при которой у растений появляются признаки завядания не проходящие (поэтому и устойчивого) при перемещении растений во влажную атмосферу.
Фактически, нас интересует относительная влажность, в большинстве случаев. И она будет изменяться, теоретически, от нулевой, до предельной полевой влагоемкости. Практически, относительная влажность не должна быть ниже влажности устойчивого завядания (5-15%) . Верхнюю границу относительной влажности на реальной грядке будет определять растущее на ней растение. Так для огурцов относительная влажность почвы будет около 70% во время роста и около 85% во время плодоношения. А для помидоров 65% и 75%. Впрочем, цифры у каждого садовода и огородника свои, я привел конкретные лишь в качестве примера. Так многие считают, в период созревания помидоров их надо поливать меньше и реже. Но это зависит еще и от региона.
Так же нужно отметить, что влажность даже плодородного слоя почвы по глубине не постоянна. Верхний слой почвы может быть довольно сухим, тогда как влажность на глубине залегания корней растения вполне достаточна, или даже избыточна.
Измерение влажности почвы
Мы определились с разными понятиями влажности почвы. Настало время переходить к практической части - измерениям влажности.
Проблема измерения влажности состоит в том, что это не быстрый процесс, что препятствует оперативному и постоянному мониторингу. Поэтому наряду с классическими методами определения влажности выпариванием или сжатием кома земли рукой было придумано множество технических методов. Предлагались даже радиоизотопные методы. Но говорить об экзотике я не буду.
Так же надо отметить, что для бытового применения не требуется точного знания влажности, достаточно лишь условных значений граничных уровней влажности и измерения условного значения соответствующего текущей влажности. То есть, любителям не нужен точный измерительный прибор, а нужен лишь датчик влажности, индикатор.
Классический метод измерения влажности выпариванием
Этот метод определяется ГОСТ 28268-89. Отбирается проба почвы массой от 15 до 50 грамм, причем чем меньше влажность, тем больше масса и и взвешивается. Пробу просушивают в духовом шкафу при температуре 105 градусов в течении достаточного времени (ГОСТ определяет конкретные временные интервалы между взвешиваниями, но суть сводится к одному - до постоянного веса). Достаточно часов 10. Высушенная почва взвешивается. По формуле для Wa, приведенной выше, вычисляется абсолютная влажность.
Измерение влажности тензиометром
Тензиометр состоит из пористой трубки или пластины, расположенной выше емкости с водой и вакуумметра. Суть метода измерения заключается в том, что вода из емкости через пористую платину поглощается почвой, причем это зависит от влажности почвы. Сам прибор герметичен, поэтому расход воды из емкости приводит к образованию в нем вакуума. Разумеется, вместо стрелочного вакуумметра можно использовать электронный и результат измерения передавать в управляющую систему. Тензиометры дороги и требуют калибровки и обслуживания. Поэтому на в обычных садах и огородах не используются. Однако, прибор измеряет влажность напрямую, чего нельзя сказать о других, косвенных методах.
Измерение влажности методом измерения электрического сопротивления
Популярный у любителей метод, но очень не точный и ограниченный по диапазону измеряемой влажности. И дающий очень большую погрешность при внесении удобрений. Суть метода заключается в измерении сопротивления между двумя размещенными в почве электродами. Сухая почва плохо проводит электричество, но с увеличением влажности ее проводимость растет (за счет проводимости воды). Электродами могут служить два гвоздя воткнутые в почву на некотором расстоянии друг от друга. Наверное многие видели подобное
Это как раз датчик для измерения влажности таким методом. Скажу несколько слов о проблемах метода
1. Датчик подвергается активной электрохимической коррозии. А это ведет к его разрушению. И чем выше ток через электроды, тем выше скорость разрушения. А использование малого тока приводит к сильному влиянию помех. Так датчик, показанный на фото, часто разрушается в течении пары недель или месяцев. Он годится для экспериментов, а не постоянного использования. Гвозди выдержат дольше, но все равно разрушатся (буквально растворятся). Что бы избежать разрушения электродов используют измерение на переменном токе или используют электроды из графита или нержавеющей стали. Можно проводить измерения не постоянно, а, например, раз в час или даже реже.
2. Большая чувствительность к постоянству контакта с почвой. Достаточно пошевелить датчик, что бы показания изменились. Это свойственно многим датчикам, но датчику сопротивления в значительной степени.
3. Высокие уровни влажности датчик измерить, зачастую, не может. Просто сопротивление между электродами перестает уменьшаться с увеличением влажности. Проводились эксперименты с чувствительности этого метода (и таких датчиков) к изменениям влажности. Их можно найти в интернете. То есть, этот метод позволяет определить, что пора поливать растение (причем, не очень влаголюбивое), а вот что полив достаточен, уже нет, скорее всего. Сам я такие датчики не использую.
4. Высокая чувствительность к содержанию солей (и не только солей) в используемой для полива воде. Соль увеличивает проводимость воды. Поэтому простое добавление удобрений (не важно, органических, или нет) исказит показания датчика до неузнаваемости.
5. На результат измерения влияет явление поляризации электродов. Особенно в теорию не буду углубляться, скажу лишь, что это проявляется в постепенном изменении показаний при неизменной влажности почвы. Избежать явления можно измерением на переменном токе или в импульсном режиме.
Датчики для измерения сопротивления почвы просты и дешевы, поэтому довольно распространены. А недостатки пытаются устранить измерением на переменном тока или, даже, использованием методов импедансометрии (Wireless Soil Moisture Sensor Based on Fringing Capacitance. Darold Wobschall Esensors Inc, Buffalo NY and Deepak Lakshmanan University at Buffalo NY) или (ZigBee Wireless Soil Moisture Sensor Design for Vineyard Management System, T. A. S. Achala Perera, A thesis submitted to Auckland University of Technology in fulfilment of the requirements for the degree of Master of Philosophy (MPhil), May 2010, School of Engineering, Primary Supervisor: Dr John Collins).
Измерение влажности методом измерения емкости конденсаторного датчика.
Метод похож на предыдущий, ни измеряет не электрическое сопротивление почвы, а ее диэлектрическую проницаемость. При этом прямого контакта металлических электродов с почвой нет, они изолированы, что исключает их разрушение. Однако такой способ измерения более сложный и дорогой. Но значительно дешевле тензиометров.
Суть метода заключается в факте разницы диэлектрической проницаемости воздуха, которая равна 1, и воды, которая равна 81. Диэлектрическая проницаемость почвы выше, чем воздуха, но ниже, чем воды. И разная для разных по составу почв. По мере повышения влажности растет общая диэлектрическая проницаемость почвы, что ведет к увеличению емкости измерительного конденсатора.
Конденсатором, точнее его обкладками, могут служить два отрезка провода в изоляции исключающей контакт металла с влагой почвы. Или две изолированные металлические пластины. Или два кольца из фольги расположенные в изолирующей трубке. Разная форма конденсатора позволяет измерять или среднюю влажность почвы в некотором слое, или влажность почвы на заданной глубине. Важен тот факт, что собственная емкость датчика-конденсатора должна быть минимальной.
Приведу пример параметров одного из используемых мной датчиков средней влажности. Емкость в воздухе 24 пФ, емкость в воде 135 пФ. Кроме того, нужно учитывать, что емкость самого земного шара тоже влияет на такие датчики. Дополнительная емкость вносимая планетой соответствует примерно 25 пФ эквивалентной емкости. Общая влагоемкость одного из образцов почвы составила порядка 25% (абсолютная влажность).
Это дает представление о сложности и требуемой точности измерения. Ведь изменение емкости в реальных условиях составляет всего порядка 20 пФ (и меньше), на фоне емкости порядка 60 пФ. Поэтому емкостный метод измерения влажности распространен меньше.
Само измерение емкости может выполняться любым способом. Измерение реактивного сопротивления. Измерение частоты генератора, в качестве частотозадающего конденсатора которого используется емкостный датчик. Метод переноса заряда. И любой другой. Мне больше нравится использование генератора и метод переноса заряда. Но это выходит далеко за рамки статьи.
Недостатки метода:
1. Сложность и цена. В самоделках, по этой причине используется реже.
2. Меньшая помехозащищенность. Но так как датчик размещен в земле, это не столь критично.
3. Выше уровень помех от датчика, так как измерения проводятся на высокой частоте. Однако размещение датчика в земле снижает его излучение, а грамотная схемотехника и изготовление сводят к минимуму общие помехи.
Достоинства:
1. Более высокая точность измерения и широкий диапазон измерения. Фактически, датчик реагирует на изменение абсолютной влажности до 75% и выше. Но точность при этом снижается, так как относительное изменение емкости становится слишком мало.
2. Гораздо меньшая критичность к надежности контакта поверхности датчика с землей. Да, влияние все равно есть, но так как измерение происходит не в точке контакта, то оно значительно ниже.
Заключение
Пожалуй, на этом остановлюсь. Формат Zen не способствует объемными публикациям на технические и научные темы. Изложенного достаточно, что бы и садоводы любители, и "автоматизаторы" поняли суть вопроса и смогли сделать дальнейшие шаги самостоятельно, если, конечно, захотят.
Есть вопросы? Задавайте.
