Dirvožemio elektrinio laidumo matavimas yra vienas iš perspektyviausių ir dažniausiai naudojamų tiksliosios žemdirbystės tyrimų būdų. Yra nustatyta tiesioginė elektrinio laidumo priklausomybė nuo dirvožemio granuliometrinės sudėties. Išmatavus dirvožemio elektrinį laidumą, galima išsiaiškinti dirvožemio savybes, nuo kurių priklauso ne tik žemės ūkio, bet ir energetinių augalų, skirtų atsinaujinančios energijos gamybai, derlingumo dėsningumai.

Tvari žemdirbystė - bene perspektyviausia vis gausėjančios žmonijos prasimaitinimo poreikių patenkinimo priemonė, o daugiausiai žadantis jos įgyvendinimo būdas yra tikslioji žemdirbystė. Tiksliosios žemdirbystės technologijos intensyviai tiriamos daugelyje pasaulio regionų (JAV, Australijoje, Japonijoje ir Europos Sąjungoje), nes tai vienas iš būdų, mažinantis laiko ir degalų sąnaudas, taupantis sėklas, trąšas ir augalų apsaugos preparatus, be to, atpiginantis augalininkystės produkciją.

Žemės ūkio augalų augimą ir produkcijos kokybę lemia daugybė veiksnių. Augalai maisto medžiagas gauna iš dirvos, todėl ji ir joje esančios maisto medžiagos sudaro pagrindą jiems augti. Dirvožemio tinkamumas augalams augti vertinamas pagal agrochemines dirvožemio savybes: dirvos tipą, dirvos granuliometrinę sudėtį, dirvos fizikines (struktūra, tankis, poringumas ir kt.) ir kitas savybes (turtingumas maisto medžiagų, humuso kiekis ir dirvožemio reakcija). Dirvožemio elektrinio laidumo EC (angl. Electrical Conductivity) matavimas yra dažniausiai naudojamų tiksliosios žemdirbystės tyrimų būdų, nes leidžia tiksliai išmatuoti fizikinių ir cheminių dirvožemio savybių svyravimus lauke ir atskleisti jų įtaką augalų derlingumui.

Dirvožemis ir jo ėminių paėmimo būdai

Žinoma, kad dirvožemis dėl įvairių priežasčių yra susidaręs iš subirusių uolienų ir augalų bei gyvūnų likučių. Dirva būna skirtingos granuliometrinės sudėties. Kartais dirvožemio skirtumus galima pastebėti plika akimi, bet, norint spręsti apie dirvožemio tinkamumą žemdirbystei, reikia jį ištirti.

Mechaninė sudėtis - tai dirvos kietosios dalies sandara. Dirva sudaryta iš įvairaus dydžio dalelių. Dalelės pagal dydį skirstomos į frakcijas. Dažniausiai skiriamos fizinio smėlio (1-0,01 mm), fizinio molio (0,01-0,001 mm) ir dumblo (mažesnės negu 0,001 mm) frakcijos.

Pagal fizinio molio kiekį dirvos skirstomos taip:

• molis > 50 proc.;
• priemolis 50-20 proc.;
• priesmėlis 20-10 proc.;
• smėlis < 10 proc.

Nuo frakcijos priklauso dirvą įdirbančių padargų traukos jėga, dilimas (pvz., sunku arti molio dirvoje, darbinės dalys labiau dyla smėlio dirvoje). Dirvožemio savybių visuma lemia jo kokybę. Nuo dirvožemio kokybės atitinkamai priklauso jo funkcionalumas. Todėl labai svarbu žinoti dirvožemio savybes, mokėti jas nustatyti, įvertinti ir prognozuoti jų įtaką dirvožemio kokybei.

Dirva nėra vienalytė, todėl ir augalai skirtinguose ploteliuose auga nevienodai. Amerikiečių mokslininkai teigia, kad, sudarius žemėlapius pagal keletą parametrų ir atskiriems dirvos ploteliams parenkant tręšimo, purškimo ir kalkinimo normas, galima sutaupyti net iki 20 proc. sunaudojamo medžiagų kiekio. Kuo tiksliau norima nustatyti daugelio dirvos savybių nevienodumus, tuo daugiau dirvos mėginių reikia ištirti laboratorijose, o tai yra labai brangu ir praktinė tiksliojo ūkininkavimo nauda gerokai mažėja.

Mėginių paėmimo metodai:

• proporcinio tinklelio;
• specifinio tinklelio;
• tikslingo mėginių ėmimo (šiuo atveju imama mažiau mėginių, nes jau būtina turėti informacijos apie maisto medžiagų įvairovę dirvoje).

Praktiškai dažniausiai naudojamas tinklinis metodas. Jei tinklelis pritaikomas prie laukų formos ir technologinių vėžių krypties, tai metodas vadinamas specifiniu. Naudojant proporcinį tinklelį netaisyklingos formos laukuose, labai skiriasi ėminių paėmimo laukelių dydžiai ir netolygiai pasiskirsto ėminiai. Kiekviename tyrimų laukelyje reikia paimti kelis ėminius. Jų skaičius priklauso nuo naudojamo tinklelio dydžio. Pavyzdžiui, kai laukelio dydis 1 hektaras, reikėtų imti apie 15 ėminių. Moksliniai tyrimai rodo, kad maisto medžiagų kiekis dirvoje gali skirtis jau už 45-120 m, todėl daugeliu atvejų patartina naudoti 1 ha tinklelį.

Laukelyje ėminiai gali būti imami apskritimais, tolstant nuo jo centro, arba išilgai, pagal įstrižaines. Abu šie būdai, naudojant 1 ha tinklelį, yra lygiaverčiai. Pirmasis būdas dažniau naudojamas imant ėminius rankiniu būdu, o antrasis - mechanizuotu. Naudojant didesnio kaip 1 ha dydžio tinklelį, labai svarbu, kad, padidėjus spinduliui, ėminiai tolygiai pasiskirstytų.

Ėminių paėmimo įranga gali būti montuojama ant visureigių, keturračių motociklų ar mažų traktorių. Visos šios transporto priemonės turi turėti GPS imtuvus ir nešiojamuosius kompiuterius. Kompiuterio ekrane operatorius gali stebėti lauko ribas ir transporto priemonės vietą lauke, svarbiausią informaciją apie atliekamą technologinę operaciją, laukelių, kuriuose jau paimti ėminiai, skaičių. Naudojant tinklinį metodą, speciali kompiuterio programa lauką į plotelius suskirsto automatiškai. Operatorius vaizdą mato kompiuterio ekrane ir gali patikrinti atlikto darbo rezultatus. Kadangi visas dirvos ėminių paėmimo procesas dokumentuojamas, galima bet kada jį pakartoti tomis pačiomis sąlygomis. Tai ypač gerai, norint palyginti įvairių metų dirvos analizes. Toliau duomenims apdoroti reikalingos specialios kompiuterinės programos. Pagal dirvos tyrimų duomenis sudaromi dirvos agrocheminių savybių žemėlapiai, pagal kuriuos, įvertinant laukiamą derlių ir tręšimo organinėmis trąšomis lygį, sudaromi atskirų lauko vietų tręšimo žemėlapiai.

Dirvožemio analizė lauko sąlygomis

Pagal šiuo metu taikomus tradicinius ūkininkavimo metodus visas laukas yra laikomas vienalyčiu ir neatsižvelgiama į natūraliai susiklosčiusį dirvožemio nevienodumą. Skirtingose lauko vietose augalų augimo dėsningumus lemia dirvožemio savybės, kurios nėra vienodos. Kol nebuvo sukurta pasaulinė vietos nustatymo sistema (GPS) ir derlingumo stebėsenos įranga, aprašyti augalų derlingumą ir dirvožemio atskirų plotelių nevienodumą tam tikro lauko mastu buvo sunku. Dabar yra pakankamai duomenų, įrodančių, kad atskirų dirvožemio plotelių nevienodumas lauke turi labai didelę reikšmę augalų augimui ir derliui. Todėl tiksliajai žemdirbystei yra labai svarbūs efektyvūs metodai, leidžiantys tiksliai išmatuoti fizikinių ir cheminių dirvožemio savybių svyravimus lauke.

Augalų nevienodumas atskiruose dirvožemio ploteliuose - tai sudėtingos sąveikos tarp daugelio veiksnių rezultatas. Juos veikia biologiniai (kenkėjai, sliekai, mikrobai), su dirvožemiu susiję (druskingumas, organinės medžiagos, maistinės medžiagos, konsistencija), antropogeniniai (maistingųjų medžiagų išplovimo iš dirvožemio efektyvumas, dirvožemio sutankinimas dėl žemės ūkio mašinų naudojimo), topografiniai (nuolydis, aukštis) ir klimato (santykinis drėgnis, temperatūra, metinis kritulių kiekis) veiksniai. Atskirų lauko plotelių tiksliojo ūkininkavimo sistemos (angl. Site-specific crop management, SSCM) tikslas - dirbti dirvą, kontroliuoti kenkėjus ir auginti augalus, atsižvelgiant į atskirų dirvožemio plotelių nevienodumą lauke. Tiksliau sakant, atskirų lauko plotelių tiksliojo ūkininkavimo sistema - tai žemės ūkio augalų vadyba, erdviniu mastu aprėpianti mažiau nei visą lauką ir atsižvelgianti į vietovėje vyraujančią įvairovę, siekianti ekonomiškai maksimizuoti auginamų augalų derlių ir, efektyviai naudojant žemės ūkio paskirties cheminius preparatus, iki minimumo sumažinti žalingą poveikį aplinkai.

Dirvožemio analizei lauko sąlygomis gali būti naudojami įvairūs jutikliai. Pagal jų matavimų duomenis galima parinkti atliekamų žemės dirbimo, sėjos ir kitų operacijų optimalius parametrus.

Dirvos granuliometrinei sudėčiai tirti ypač naudingas yra nepertraukiamas dirvos elektrinio laidumo (EC) matavimas. Pirmieji dirvos elektrinio laidumo tyrimai siejami su dirvožemio druskėjimo problema. Didelis dirvožemio druskingumas yra problema, būdinga drėkinamiems sausringiems žemės ūkio paskirties plotams ir seklaus gruntinio vandens teritorijoms. Išmatuotam dirvos elektriniam laidumui įtakos turi fizikinių ir cheminių veiksnių visuma, įskaitant tirpių druskų, molio dalelių ir vandens kiekį dirvoje, piltinį tankį, organinių medžiagų kiekį, dirvos temperatūrą ir kt.

Dirvožemio elektrinį laidumą lemia trys dalys (t. y. elektrinio laidumo keliai): 1 - skystoji fazė, per ištirpusias kietąsias daleles, esančias dirvožemio vandenyje, užimančiame dideles poras; 2 - kietojiskystoji fazė, daugiausia per apykaitoje dalyvaujančius katijonus, susijusius su molio mineralais, ir 3 - kietoji fazė, per dirvos daleles, kurios tiesiogiai liečiasi viena su kita.

Dirvožemio elektrinį laidumą lemia ne tik druskingumas, bet ir kitos dirvos savybės, t. y. dirvos granuliometrinė sudėtis (molio dalelių dalis), drėgnis, tankis, organinių medžiagų kiekis (humusas) ir temperatūra. Tad apdorojant tyrimų rezultatus, taikoma taisyklė: jei EC > 100 mS∙m^-1, tai EC matavime dominuoja druskingumas; jei EC < 100 mS∙m^-1, tai EC matavime dominuoja dirvos molio dalelių kiekis, drėgnis, organinių medžiagų kiekis ir tankis. Jei tiriamajame lauke pastarieji išvardyti veiksniai yra beveik pastovūs, tai galima teigti, kad matuojami dirvos molio dalelių pokyčiai. Tai patvirtina kitų tyrėjų tyrimų rezultatai, kurie rodo, kad dirvožemio elektrinis laidumas stipriai koreliuoja su molio dalelių kiekiu (kuo daugiau molio dalelių, tuo didesnis EC). Remiantis šiais tyrimais, galima teigti, kad, nustačius dirvožemio atskirų plotelių elektrinio laidumo skaitines reikšmes, galima sudaryti ir viso lauko mechaninės sudėties žemėlapį, išskiriant smėlio, priesmėlio, priemolio ir molio plotus. Pastarojo žemėlapio viena svarbesnių panaudojimo galimybių yra ėminių paėmimo zonų nustatymas azoto, fosforo ir kalio (NPK) tyrimams.

Dirvožemio elektrinį laidumą lemiantys veiksniai

• Poringumas. Kuo didesnis dirvožemio poringumas, tuo lengviau per jį praleidžiama elektra. Daug molio turinčio dirvožemio poringumas yra didesnis negu smėlingesnės dirvos. Suslėgimas paprastai didina dirvožemio EC.
• Vandens kiekis. Sauso dirvožemio elektros laidumas yra gerokai mažesnis negu drėgno.
• Druskingumas. Didėjant elektrolitų (druskų) koncentracijai dirvožemio vandenyje, gerokai padidėja jos EC. Lietuvos dirvožemių druskingumas nėra didelis.
• Katijonų mainų geba (angl. CEC). Mineralinėms dirvoms, turinčioms daug organinių medžiagų (humuso) ir (arba) 2:1 tokių molio mineralų, kaip montmorilonitas arba vermikulitas, būdingas kur kas didesnis gebėjimas sulaikyti teigiamą krūvį turinčius jonus (Ca, Mg, K, Na, NH arba H) negu dirvoms, kuriose šių komponentų trūksta. Šių jonų buvimas drėgmės pripildytose dirvožemio tuštumose didina dirvos EC lygiai taip pat kaip ir druskingumas.
• Temperatūra. Temperatūrai krentant ir artėjant prie vandens užšalimo taško, dirvožemio EC šiek tiek sumažėja. Žemiau užšalimo taško dirvožemio poros tampa gerai izoliuotos viena nuo kitos ir bendrasis dirvos EC sparčiai krinta.

Dirvožemio elektrinio laidumo nustatymo įrenginiai

Šiuo metu rinkoje yra dviejų tipų EC jutiklių, skirtų dirvožemio elektriniam laidumui laukuose matuoti. Juos galima suskirstyti į dvi grupes pagal EC matavimo būdą: kontaktiniai ir nekontaktiniai.

Kontaktinis matavimo būdas. Šios rūšies jutikliai paprastai turi elektrodus, kurie būna plūgo diskinio peilio pavidalo ir, liesdamiesi su dirva, išmatuoja jos elektrinį laidumą. Taikant šį metodą, ant agregatų tvirtinimo strypo sumontuojama nuo dviejų iki trijų diskų porų: viena diskų pora leidžia elektros srovę į dirvą, kita - matuoja įtampą tarp jų.

Informaciją apie dirvos EC registruoja automatinis duomenų registravimo įrenginys kartu su informacija apie vietą. Automatiniam duomenų registravimo įrenginiui informaciją apie vietą teikia pasaulinė vietos nustatymo sistema (GPS). Toks kontaktinis metodas yra gerokai populiaresnis precizinės žemdirbystės srityje, nes juo aprėpiami didesni plotai, be to, jį mažiau veikia išoriniai trukdžiai.

Šios sistemos trūkumas - kartais jos būna gana griozdiškos, todėl nepritaikomos mažuose ūkiuose ar sklypuose. Šiuo metu kompanija „Veris Technologies" gamina kontaktinio tipo EC matavimo prietaisus. Rinkoje galima įsigyti dviejų tipų Veris prietaisų: 300XA ir 200XA. 300XA prietaisas EC rodmenis gauna iš dviejų gylių (0,3 ir 0,9 m), o 200XA - EC matuoja tik viename gylyje.

Tačiau gylį galima reguliuoti ir paprastai jis nustatomas lygus 0,9 m. 200XA prietaisas yra mažesnis ir juo lengviau manevruoti mažesniuose ūkiuose. Veris prietaisas gali būti traukiamas per lauką paskui traktorių ar visureigį iki 20 km/val. greičiu. Jis apima nuo 6 iki 18 m pločio juostas, priklausomai nuo reikiamo tikslumo ir dirvos varijavimo laipsnio lauke.

Nekontaktinis matavimo būdas. Šio tipo EC jutikliai veikia elektromagnetinės indukcijos (EMI) principu. EMI tiesiogiai su dirvos paviršiumi nesiliečia. Prietaisą sudaro siųstuvo ir imtuvo ritės, kurios dažniausiai montuojamos priešinguose elektrai nelaidaus strypo galuose, esančiuose priešinguose prietaiso galuose.

EM38 („Geonics Limited") ir GEM-2 („Geophex") - tai du labai populiarūs nekontaktinių jutiklių modeliai, kuriuos galima įsigyti rinkoje. GEM-2 yra skaitmeninis kelių dažnių jutiklis, galintis veikti nuo 300 Hz iki 24 KHz diapazone. Prietaisu GEM-2 galima išmatuoti EC įvairiuose gyliuose. EM-38 veikia tik fiksuotu dažniu ir matavimus atlieka 1,5 m gylyje horizontalaus dipolio režimu arba 0,75 m vertikalaus dipolio režimu.