Nr. contract: 15 N/27.02.2009; PN 09-15 05 06

 

SISTEM DE PROCESARE A DATELOR DE ELECTRO-CONDUCTIVITATE A SOLULUI PENTRU

INTERPRETAREA HĂRŢILOR DE CULTURĂ

 

ETAPE DE EXECUŢIE:

 

Nr.

crt

Denumire etapa

Termen de predare

1

Studiu de fundamentare ştiinţifică privind posibilităţile de utilizare a electro-conductivităţii solului pentru localizarea zonelor cu productivitate scăzută

10.04.2009

2

Realizarea modelelor de hărţi agricole pentru determinarea conductivităţii

15.08.2009

 

ETAPA 1

 

REZULTATE PRECONIZATE PENTRU ATINGEREA OBIECTIVULUI ETAPEI:

Studiu de fundamentare ştiinţifică privind posibilităţile de utilizare a electro-conductivităţii solului pentru localizarea zonelor cu productivitate scăzută

 

REZULTATE OBŢINUTE:

 

§   Elaborarea unui studiu de fundamentare ştiinţifică privind posibilităţile de utilizare a electro-conductivităţii solului pentru localizarea zonelor cu productivitate scăzută conform conceptului de agricultură de precizie  cuprinde:

-          rolul electro-conductivitaţii (EC) solului în perfecţionarea tehniciilor de cultură în agricultura de precizie;

-          echipamnete şi metode pentru determinarea / măsurarea electro-conductivităţii (EC) solului;

-          situaţia actuală a utilizării electro-conductivităţii solului;

-          noţiuni de cartare a solurilor agricole;

-          sisteme de informaţii geografice (GIS) utilizate pentru cartarea solurilor;

Pentru ca producţia agricolă din România să poată fi competitivă, este necesar a fi găsite soluţii optime de valorificare superioară a condiţiilor naturale, de climă şi sol, a resurselor umane, a celor biologice şi tehnologice, a resurselor materiale şi financiare şi, pe de altă parte, de valorificare a şanselor care decurg din evoluţia pieţei interne şi internaţionale. Este cunoscut că România dispune de o mare suprafaţă arabilă, care o situează pe unul din primele locuri în Europa. Se uită însă faptul că o mare parte din solurile ţării sunt sărace, acide, cu un conţinut scăzut de azot şi fosfor. O valorificare eficientă a importanţei resurselor naturale, reprezentată de suprafaţa arabilă, pune în faţa cercetării dificila problemă de a găsi noi soluţii pentru valorificarea superioară a acestor „soluri problemă”.

Agricultura de precizie (AP) – este un model care este pe cale de aplicare în toate ţările foarte dezvoltate şi urmăreşte o gestionare modulată a intrărilor (seminţe, apă de irigat, îngrăşăminte, fungicide, erbicide, insecticide) prin adaptarea lucrărilor solului, al semănatului, al îngrăşămintelor, la caracteristicile de heterogenitate ale parcelei. Agricultura de precizie, fiind agricultura văzută ca o aplicaţie a mecatronicii, face loc unei noi metodologii (aceasta ţinteşte către un nou sistem agricultural) care poate fi cheia mai multor probleme.

            Îmbunătăţirea calităţii recoltelor şi a randamentelor este necesară în sistemele de agricultură modernă. O cerinţă necesară pentru costurile de producţie este ca acestea să fie cât mai mici posibile pentru a garanta competivitatea pe piaţă. Realizarea acestor scopuri implica folosirea managementului complex şi controlul sistemelor pentru a reglementa, într-un mod eficient, o cantitate mare de variabile fizice interactive. Progresele recente în hardware şi software precum microprocesoarele şi microcontolerele, conduc la integrarea controlului complex şi managementul task-urilor în exploatările agricole.

 

Electro-conductivitatea (EC) solului

Electro-conductivitatea (EC) solului este una din determinările cele mai simple şi mai puţin costisitoare pentru agricultura de precizie, care pot fi efectuate astăzi. Electro-conductivitatea (EC) solului este o măsurare care integrează multe proprietăţi ale solului ce afectează productivitatea culturilor agricole. Acestea includ conţinutul de apă, textura solului, materia organică a solului (OM), adâncimea până la stratul de argilă, capacitatea de schimb de cationi (CEC), salinitatea, calciu, magneziu.

Electro-conductivitatea (EC) este abilitatea unui material de a transmite (conduce) un curent electric şi se exprimă de obicei în miliSiemens/ metru (Ms/m). Măsurările de electro-conductivitate (EC) a solului, de asemenea, pot fi raportate in decisiemens pe metru (dS/m), care egal cu citirea în mS/m împărţită la 100. Avantajul unei unităţii de măsură standard este aceea că transformă datele absolute in unele cantitative. Identificarea vizuală a solurilor poate adesea să determine diferenţe de culori pe hărţile obţinute, dar nu pot atribui valori cantitative pentru fiecare culoare în parte. Hărţile de electro-conductivitate ce prezintă valorile” X” pentru EC măsurată în mS/m ne permit să identificăm şi să se managerieze similar si alte zone ale câmpului.

 

. Influenţa proprietăţilor solului asupra electro-conductivităţii (EC)

          Conductibilitatea electrică (CE) în sol se produce în stratul de apă care umple spaţiul dintre particulele de sol.Conductibilitatea electrică (CE) este influenţată de următoarele proprietăţi dominate ale solului si anume:

·          Proprietăţile mecanice ale solului:

-           textura;

-           structura;

-           caracterizarea şi clasificarea fracţiunilor granulometrice;

-           consistenţa şi plasticitatea;

-           compresibilitatea.

·          Proprietăţile fizice ale solului:

-           densitatea şi porozitatea;

-           gradul de tasare;

-           umiditatea;

-           temperatura solului.

·          Proprietăţile chimice ale solului:

-           compoziţia chimică a soluţiei solului;

-           coloizii solului;

-           capacitatea de adsorbţie (capacitatea de schimb cationic);

-           reacţia (pH-ul) solului: aciditatea actuală şi potenţială;

-           capacitatea de tamponare a solului.

Principiile măsurării conductivităţii electrice aparente (ECa)

            Pentru măsurarea salinităţii solului şi implicit a electro-conductivităţi solului menţionate anterior, măsurarea electro-conductivităţii aparente a solului (ECa) prin măsurarea rezistivităţii electrice şi a comportării electromagnetice este privită ca cea mai potrivită cale de stabilire a distribuţiei spaţiale a salinităţii la nivelul suprafeţei terenului sau mai profund. Măsurarea electro-conductivităţii aparente a solului (ECa) prin măsurarea rezistivităţii electrice şi a comportării electromagnetice (EM) prezintă interes maxim pentru agricultura de precizie, deoarece este o metodă sigură şi precisă, care permite obţinerea relativ simplă a unui volum mare de date măsurate.

            Conductanţa electrică aparentă a solului se realizează, în primul rând, prin sărurile conţinute în apa prezentă în porii mai largi; în consecinţă, măsurarea conductivităţii electrice în masa solului este strâns legată de salinitatea acestuia. De asemenea, există şi o contribuţie a fazei solide din solurile umede la conductivitatea electrică aparentă, pe calea schimbului de cationi asociaţi mineralelor din argilă. O a treia cale de conductivitate este constituită din particulele solului aflate în contact permanent una cu alta. Aceste trei căi de străbatere a curentului contribuie la conductivitatea electrică aparentă a solului, după cum se poate observa din figura 1.

 

 

Fig. 1 - Traseul electro-conductivităţii în sol

1 – lichid, 2 – solid-lichid; 3 - solid

 

            Un alt factor care influenţează conductivitatea electrică aparentă (ECa) este temperatura. Conductivitatea electrolitică creşte cu o rată de aproximativ 1,9% cu fiecare grad Celsius de creştere a temperaturii. În mod obişnuit, conductivitatea electrică este indicată la o temperatură de referinţă de 25°C, pentru a permite comparaţii.

 

 Echipamente pentru măsurarea conductivităţii electrice aparente (ECa)

Marea majoritate a metodelor de determinare a electro-conductivităţii solului utilizează (măsoară) rezistivitatea electrică („sistemul Wenner”).

O altă metodă de determinare a electro-conductivităţii utilizează inducţia electromagnetică EM (cu ajutorul reflectometriei în domeniul timpului - TDR). Deşi metoda TDR a fost demonstrată ca fiind comparabilă cu alte metode acceptate pentru măsurarea electro-conductivităţii (Heimovaara şi alţii, 1995; Mallants si alţii. 1996, Spaans şi Baker, 1993, Reece, 1998), ea nu este încă suficient de simplă, robustă şi rapidă pentru măsurarea în câmp a electro-conductivităţii solului (Rhoades şi alţii, 1999a).

De-a lungul timpului, numai rezistivitatea electrică (în special, sistemul Wenner) şi inducţia electromagnetica (EM) au fost adaptate pentru măsurarea în câmp, la scară mare, a electro-conductivităţii (Rhoades şi alţii, 1999a, 1999b).

            Echipamentul cel mai răspândit, utilizat pentru determinarea electro-conductivităţii solului este cel tip Veris, realizat în trei variante: Veris 3100; Veris 3150 (poate determina şi pH-ul) şi Veris 2000XA (utilizat cu preponderenţă în vii şi livezi).

            Veris Technologies a dezvoltat acest tip de echipament pentru determinarea electro-conductivităţii solului (ECa) pe baza principiilor sistemului Wenner. Echipamentul Veris utilizează şase electrozi-cuţit (funcţie de tipul de echipament diferind aşezarea cuţitelor pe cadru, distanţa între ele şi greutatea maşinii). Acest tip de senzori foloseşte brăzdare tip discuri ca electrozi pentru a se realiza un contact cat mai uniform cu solul şi astfel se măsoară Electro-Conductivitatea (EC). În această abordare două pană la trei perechi de discuri sunt montaţi pe un şasiu, o pereche furnizează curent electric în sol (electrozi de transmisie) în timp ce ceilalţi electrozi (electrozi de recepţie) măsoară căderea de tensiune dintre ei (în sol), aşa cum se poate observa şi în figura 2.

 

 

       

 

Fig. 2 - Sistemele Veris Technologies pentru maparea electro-conductivităţii solului,

în timpul lucrului

 

Situaţia actuală a utilizării electro-conductivităţii (EC) solului

În prezent în ţările dezvoltate ale lumii se practică o agricultură de precizie care implică folosirea datelor despre caracteristicile solului (proprietăţile mecanice ale solului - textura şi structura solului corelate cu proprietăţile fizice şi chimice ale acestuia ca densitatea şi porozitatea, gradul de tasare, umiditatea, capacitatea de schimb cationic, salinitatea, temperatura, compoziţia chimică a soluţiei solului, coloizii şi pH-ul solului) pentru  alegerea tipurilor de culturi ce se pretează în zona respectivă, cât şi a tratamentelor ce vor fi aplicate ulterior solului. Aceste date se obţin cu ajutorul unor echipamente tehnice moderne prin intermediul cărora se realizează zonarea terenurilor agricole obţinându-se hărţi de electro-conductivitate a solului  extrem de utile pentru caracterizarea acestuia din punct de vedere al proprietăţilor enumerate anterior. Principala caracteristică a acestei metode este posibilitatea de determinare a productivităţii, zonelor deficitare pe o suprafaţă de teren agricol.

            În ţările avansate tehnologic: SUA, Germania, Marea Britanie, Franţa, Japonia, Italia, Canada, Australia, China, etc., zonarea (cartarea) solului în funcţie de electro-conductivitate este o problemă rezolvată în mare parte observându-se o creştere semnificativă a productivităţii. Din aceste motive este necesară realizarea de metode, sisteme şi tehnologii care să permită zonarea mult mai precisă a proprietăţilor solului, pentru a putea lua măsuri locale de îmbunătăţire a performanţelor solului specifice agriculturii de precizie.

 

¨      Folosirea datelor electro-conductivităţii şi productivităţii în managementul terenului agricol pe plan mondial

            Mulţi fermieri se tem de aplicarea informaţiilor pe productivitate (chiar şi pentru câţiva ani), când determină suprafeţele potenţial productive dintr-un lot, deoarece productivitatea obţinută anterior nu este destul de adecvată pentru a delimita aceste suprafeţe. Din moment ce unele mărimi insuficiente ale unor intrări (de exemplu azot) se manifestă în termenii economiei, există o poziţie în a dizolva aceste intrări pe suprafeţe ce reprezintă productivitate scăzută, acolo unde este un potenţial de producţie globală inferioară. Monitorizarea confirmată a demonstrat că pentru a delimita suprafeţele de producţie ale unui lot cu ajutorul numai a datelor de productivitate este necesar să ai la dispoziţie informaţii de 7-10 ani. Altă investigaţie arată că aceste suprafeţe se schimbă după o perioadă de 6 ani. O cercetare asupra fertilizării cu o rată variabilă de azot au evidenţiat rezultate îmbunătăţite atunci când informaţiile spaţiale despre caracteristicile fizice şi productivitate au fost încorporate în managementul terenului agricol. Relaţiile dintre electro-conductivitatea solului şi productivitate pot fi folosite pentru cartarea suprafeţelor cu un potenţial productiv mai ridicat. După aceea, aceste cunoştinţe pot fi puse în practică la aplicarea variabilă a cantităţilor de azot administrat.

În acest caz, rezultatele economice sunt de departe mai bune în comparaţie cu aplicarea unei cantităţi egale de azot pe întregul lot. Fireşte, înaintea aplicării oricărei substanţe cu o reţetă individuală, creată cu ajutorul unei hărţi a potenţialului productivităţii, este esenţial să se determine relaţiile reciproce între un tip de sol şi substanţa care se va aplica. De exemplu, o productivitate scăzută pe suprafeţe, unde a fost măsurată o electro-conductivitate mai ridicată poate fi datorată fie denitrificării, fie adâncimii superficiale a stratului de humus (propice culturilor de plante). În ultimul caz productivitatea chiar poate fi amplificată prin introducerea unei cantităţi mai mari de azot, măsură luată în urma corelaţilor făcute între determinarea electro-conductivităţi şi proprietăţile mecanico-fizico-chimice ale câmpului agricol ce este supus investigări.

 

Situaţia utilizării electro-conductivităţii (EC) în România

          Cercetările efectuate până prezent în România sunt destul de puţine şi nu au luat în calcul faptul că conductivitatea solului ar putea influenţa capacitatea de producţie şi implicit rentabilitatea unui teren agricol, precum şi cultivarea acestuia cu un anumit tip cultură în funcţie de datele de conductivitate obţinute, pH-ul, capacitatea de schimb cationic, umiditatea şi textura solului.

 

Noţiuni de cartare a solurilor agricole

Prin lucrările de cartare pedologică şi de bonitare a solurilor se realizează baza de date grafice şi descriptive necesare pentru inventarierea, clasificarea şi evaluarea resurselor de sol dintr-un spaţiu geografic, care poate să fie reprezentat de o exploataţie agricolă.

Învelişul de soluri este studiat în raport cu factorii naturali şi antropici ce îi determină însuşirile şi respectiv, fertilitatea naturală cu diferite favorabilităţi pentru creşterea şi dezvoltarea  fitocenozelor agrare sau naturale.

            Utilizarea resurselor funciare din cadrul ecosistemelor agricole presupune cunoaşterea riguroasă a modului de manifestare şi evoluţie a factorilor restrictivi ai capacităţii de producţie. În acest scop se impune efectuarea periodică a studiilor pedologice, care asigură baza de date primare a caracteristicilor morfologice şi a însuşirilor fizice şi chimice pe unităţi cartografice de sol (US) şi respectiv de teritoriu ecologic omogen (T.E.O).

            Prin cartarea solurilor se înţelege un complex de operaţiuni. care constă în cercetarea, identificarea şi delimitarea spaţială a diferitelor soluri existente pe un anumit teritoriu şi apoi transpunerea lor pe hartă.

            După executarea recunoaşterii teritoriului, pedologul trece la cartarea propriu-zisă. Aceasta constă în cercetarea detaliată a învelişului de sol precum şi a condiţiilor fizico-geografice prin metoda descriptiv-comparativă asociată cu analiza geografico-genetică.

            Cartarea solurilor se realizează cu ajutorul profilurilor de sol repartizate pe teren, în aşa fel încât să formeze o reţea de puncte. Ele nu se deschid toate la aceeaşi adâncime, ci variază în funcţie de scopul pe care-l urmăresc în cartare.

 

ETAPA 2

 

REZULTATE PRECONIZATE PENTRU ATINGEREA OBIECTIVULUI ETAPEI: Realizarea modelelor de hărţi agricole pentru determinarea conductivităţii”

 

REZULTATE OBŢINUTE:

 

Încercările de câmp - laborator, s-au efectuat în următoarele condiţii:

LOCAŢIE

TIP DE SOL

INCDA FUNDULEA

brun roşcat de pădure

SCDA ŞIMNIC-CRAIOVA

brun roşcat luvic

USAMV TIMIŞOARA

cernoziom cambic

SCDA VALUL LUI TRAIAN

cernoziom vermic

Poligon INMA BUCUREŞTI

brun roşcat de pădure

 

 Realizarea modelelor de hărţi de EC (electro-conductivitate) pe baza rezultatelor experimentale – exemplificarea metodei de realizare de hărţi de electro-conductivitate in cadrul poligonului experimental al USAMV Timisoara

 

Încercările pentru determinarea EC solului cu ajutorul platformei mobile VERIS 3150 în locaţia USAMV TIMIŞOARA, pe tipul de sol cernoziom cambic au avut loc pe două loturi experimentale cultivate cu lucernă respectiv cu orz.

 

Realizarea modelor experimentale de hărţii agricole prin determinarea electro-conductivităţii solului

            Realizarea modelelor experimentale de hărţii agricole prin determinarea EC solului se va efectua pe baza rezultatele experimentale de electro-conductivitate ale solului cernoziom cambic. Pentru realizarea hărţilor s-au folosit ca suport două parcele din locaţia USAMV TIMIŞOARA cultivate cu orz recoltat de verde pentru însilozare şi cu lucernă.

1.        Parcelă I - teren cultivat cu orz recoltat de verde pentru însilozare, 10 hectare identificat în figura 3, obţinută cu ajutorul Google Earth şi cu sistemul informatic geografic - GIS. Probele de EC ale solului au fost obţinute cu ajutorul platformei mobile VERIS 3150 purtată de un tractor U 650 (fig. 4).

Fig. 3 - Localizare parcela experimentală TIMIŞOARA – sol cernoziom cambic, cultură orz recoltat de verde pentru însilozare (hrană animale)

Poz1 067         Poz1 123

Fig. 4 - Platforma VERIS 3150 în lucru în locaţia USAMV TIMIŞOARA - teren cultivat

 

Pe baza datelor se întocmeşte harta de electro-conductivitate atât pentru EC de suprafaţă care reprezintă electro-conductivitatea solului analizat la o adâncime de 30 cm, cât şi harta de electro-conductivitate pentru EC de adâncime care reprezintă electro-conductivitatea solului la o adâncime de 90 cm.

Modelele de hărţi de electro-conductivitate obţinute USAMV TIMŞOARA pe baza datelor prelucrate pentru tipul de sol cernoziom cambic, cultura orz, sunt reprezentate în figura 5.

Fig. 5 - Model experimental de harţi agricole în funcţie de EC solului

 

Histograme din care se poate observa domeniul predominant de electro-conductivitate pentru fiecare harta obţinută atât pentru cea de EC de adâncime cât şi de suprafaţă sunt prezentate în figura 6.

histograma timisoara orz 1histograma timisoara orz 2

Fig. 6 - Histograma EC de adâncime, respectiv EC de suprafaţă

 

            Prin efectuarea raportului între cele două tipuri distincte de electro-conductivitate a rezultat următorul model experimental de hartă de EC (fig. 7), pentru solul analizat.

Fig. 7 - Model de hartă de EC rezultat în urma raportului dintre

electro-conductivitatea de adâncime/suprafaţă

 

2. Parcelă IIteren cultivat cu lucernă, 5 ha, tip sol cernoziom cambic, identificată prin satelit cu ajutorul Google Earth în următoarea figura 8.

Fig. 8 - Localizare parcela experimentală TIMIŞOARA, sol cultivat cu lucernă

 

În urma parcurgerii întregii suprafeţe a parcelei cu ajutorul platformei VERIS 3150 cu o viteză a tractorului cuprinsă între 8-14 km/h (fig. 9) au rezultat datele brute de EC acestea fiind salvate sub forma unor fisiere ASCII.

 

Poz1 155        Poz1 160

Fig. 9 - Platforma VERIS 3150 în lucru în locaţia USAMV TIMIŞOARA , sol cultivat

 

Pe baza datelor se întocmeşte harta de electro-conductivitate atât pentru EC de suprafaţă care reprezintă electro-conductivitatea solului analizat la o adâncime de 30 cm, cât şi harta de electro-conductivitate pentru EC de adâncime care reprezintă electro-conductivitatea solului la o adâncime de 90 cm.

Modelele de hărţi de electro-conductivitate obţinute la USAMV TIMISOARA pe baza datelor prelucrate pentru tipul de sol cernoziom cambic, neprelucrat sunt reprezentate în figura 10.

Fig. 10 - Model experimental de hărţi agricole în funcţie de EC solului

 

Histograme din care se poate observa domeniul predominant de electro-conductivitate pentru fiecare harta obţinută atât pentru cea de EC de adâncime cât şi de suprafaţă sunt prezentate în figura 11.

histograma timisoara lucerna 1histograma timisoara lucerna 2

Fig. 11 - Histograma EC de adâncime, respectiv EC de suprafaţă

 

            Prin efectuarea raportului între cele două tipuri distincte de electro-conductivitate a rezultat următorul model experimental de hartă de EC (fig. 12), pentru solul cultivat cu lucerna din locaţia USAMV TIMIŞOARA.

Fig. 12 - Model de hartă de EC rezultat în urma raportului dintre

electro-conductivitatea de adâncime/suprafaţă

 

 

 

În urma analizei efectuate asupra datelor de electro-conductivitate obţinute în cadrul locaţiei USAMV TIMIŞOARA se pot trage primele concluzii preliminare, prezentate în tabelul nr. 1.

Tabel nr. 1

Starea solului

Interval de EC preponderent

1. Sol Prelucrat-cultură orz

ECAdâncime

25¸30 mS/m

ECSuprafată

6¸7 mS/m

Raport ECAdâncime / ECSuprafată

2¸5 mS/m

2. Sol Prelucrat-cultură lucernă

ECAdâncime

22¸28 mS/m

ECSuprafată

5¸6,5 mS/m

Raport ECAdâncime / ECSuprafată

2¸4,5 mS/m

 

Dintr-o primă analiză se poate constata, în cazul solului cernoziom cambic întâlnit în ceea de a treia locaţie supusă încercărilor de EC cu ajutorul platformei VERIS 3150 că valorile de EC înregistrate sunt asemănătoare atât pentru solul cultivat cu orz cât şi pentru cel cultivat cu lucernă (proprietăţile fizice, chimice şi mecanice pe cele doua parcele agricole sunt asemănătoare fiind acelaşi tip de sol-cernoziom cambic).

În urma recoltării probelor de sol pentru determinarea umidităţii solului (tabelul nr.2) la etuvă (metoda clasică) cât şi cu ajutorul unui umidometru digital s-au înregistrat următoarele valori după corelarea celor doua tipuri de determinări.

Tabel nr. 2

Stare sol/cultură

Adâncimea

[cm]

Umiditatea

[%]

1. Sol prelucrat / cultură orz

0¸5

13,8

5¸10

14,76

10¸20

16,06

20¸30

19,93

2. Sol prelucrat / cultură lucernă

0¸5

11,25

5¸10

12,45

10¸20

14,30

20¸30

16,2

 

Poz1 164        Poz1 138

 

Fig. 13 - Determinarea umidităţii solului

a) stânga - indicarea valorii umidităţii direct cu umidometrul HH2;

b) dreapta - prelevare probe de sol pentru etuvă

Poz1 080       Poz1 289

Fig. 14 - Determinarea umidităţi solului

a) stânga - direct cu umidometrul cu sonde tip HH2; b) dreapta - în laborator, în etuvă

 

Un alt factor fizic important ce influenţează electro-conductivitatea solului este temperatura acestuia. Aceasta a fost măsurată cu ajutorul unui termometru digital, după cum se poate observa din figura 15. În urma măsurătorilor efectuate a rezultat că  temperatura medie în cazul parcelei cultivate cu orz este de 21,7°C, în timp ce în cazul parcelei agricole cultivate cu lucernă este 23,2°C.

Poz1 097  Poz1 169

Fig. 15 - Măsurarea temperaturii solului

 

CONCLUZII