Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ВЗЯТИЯ ПРОБ ПОЧВЫ ДЛЯ АГРОХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ПО РАССТОЯНИЯМ ВДОЛЬ МАЛОЙ РЕКИ И ПОПЕРЕК ОТ УРЕЗА ВОДЫ

Изобретение относится к контролю качества и экологической безопасности почвы и почвенного покрова, преимущественно находящегося под травяным покровом на изучаемой территории водоохранной зоны прибрежного ландшафта малой реки. Изобретение также может быть использовано при изучении рельефа сельскохозяйственных угодий, расположенных рядом с водоохранной зоной малой реки. Техническое решение применимо при экологическом и технологическом мониторинге прибрежных сельхозугодий.

Известен способ отбора проб почвы для агрохимического или иного анализа по международным стандартам (Фомин Г.С., Фомин А.Г. Почва. Контроль качества и экологической безопасности по международным стандартам. Справочник. М., Издательство «Протектор», 2001, 304 с., с. 57-58), включающий определение места, частоты, длительности отбора проб почвы на исследуемой территории, а для этого намечают площадки отбора по координатной сетке, указывая их номера и координаты. Отбор проводят с учетом вертикальной структуры, неоднородности покрова почвы, рельефа и климата местности. При исследовании сельскохозяйственных угодий пробы для агрохимического анализа отбирают с глубины от 0 до 5 см при массе пробы не менее 100 г.

Отобранные пробы сопровождают регистрационной карточкой, в которой указывают следующие данные: номер пробы, место и глубину взятия пробы, рельеф и климатические характеристики местности, тип почвы, вид предполагаемого загрязнения, дату отбора.

Пробы, отобранные для проведения химического анализа, упаковывают в емкости из химически нейтрального материала. Пробы почвы доставляют в лабораторию и сразу анализируют. Пробы, отобранные для определения физико-химических свойств, должны сохранять структуру почвы после доставки в лабораторию.

Недостатками являются несогласованность взятия проб почвы с водной поверхностью малой реки и урезом воды в летний период. В нашей стране поймы малых рек в патентной классификации по изобретениям относят к лесному хозяйству, хотя пойменные луга являются объектами сельского хозяйства. А в аналоге отбор проб почвы проводят в основном из земельных участков пашни. При этом поведение водной поверхности малой реки полностью игнорируется. Из-за функциональной неопределенности способа отбора пробы почвы для водоохранной зоны преимущественно с травяным покровом, не имеющим хозяйственного значения, любая координатная сетка по аналогу не подходит из-за сложности прибрежного рельефа. Поэтому координатная сетка нужна только по створам перпендикулярно реке или ее притоку.

Известен также способ биохимического анализа проб почвы на пойменном лугу малой реки по решению о выдаче патента на изобретение по заявке №2013104463/13(006640), включающий определение места, частоты, длительности отбора проб почвы на исследуемой территории, а для этого намечают площадки отбора по координатной сетке, указывая их номера и координаты, причем отбор проб проводят с учетом вертикальной структуры, неоднородности покрова почвы, рельефа и климата местности, а при исследовании сельскохозяйственных угодий пробы отбирают с глубины от 0 до 5 см. При этом вертикальную структуру почвенного покрова принимают с каждой стороны малой реки в отдельности, с учетом неоднородности покрова почвы и прибрежного рельефа у малой реки или ее притока в принятом перпендикулярно руслу реки створе измерений, при этом эта вертикальная структура в виде профиля определяется измерениями расстояния от кромки берега до точки взятия пробы на глубине почвенного слоя 0-5 см, до агрохимического анализа из проб почвы удаляют корни травяных растений, а по результатам агрохимического анализа проб почвы проводят статистическое моделирование для выявления устойчивых биотехнических закономерностей.

Недостатками являются также несогласованность взятия проб почвы и расстояния от уреза водной поверхности малой реки до точки взятия проб почвы, а также недостаточная для статистического моделирования точность измерения расстояния вдоль реки по соответствующим точкам взятия проб почвы, начиная от первого. В итоге привязка к береговой линии не дает высокой точности сопоставления содержания биохимических веществ с координатной сеткой. При этом береговая линия, из-за эрозии, может по-разному отстоять от уреза воды. Поэтому геодезическая привязка к береговой линии дает высокие погрешности.

Технический результат - повышение точности сопоставления точек взятия проб почвы с измеренными концентрациями биохимических веществ в почвенном покрове, а также повышение функциональных возможностей сопоставления результатов биохимического анализа с расстояниями вдоль реки и вдоль створов измерений по двухфакторным статистическим моделям.

Этот технический результат достигается тем, что способ взятия проб почвы для агрохимического анализа по расстояниям вдоль малой реки и поперек от уреза воды, включающий определение места, частоты, длительности отбора проб почвы на исследуемой территории, а для этого намечают площадки отбора по координатной сетке, указывая их номера и координаты, причем отбор проб проводят с учетом вертикальной структуры, неоднородности покрова почвы, рельефа и климата местности, при этом вертикальную структуру почвенного покрова принимают с каждой стороны малой реки в отдельности, с учетом неоднородности покрова почвы и прибрежного рельефа у малой реки или ее притока в принятых перпендикулярно руслу реки створах измерений, эта вертикальная структура в виде профиля определяется измерениями расстояния до точки взятия пробы на глубине почвенного слоя 0-5 см, до агрохимического анализа из проб почвы удаляют корни травяных растений, а по результатам агрохимического анализа проб почвы проводят статистическое моделирование для выявления устойчивых биотехнических закономерностей, согласно изобретению исследуемую территорию в виде координатной сетки для взятия проб почвы определяют на стороне малой реки в пределах водоохранной зоны рядом с сельхозугодиями, площадки отбора проб почвы координатной сетки размещают в местах без заметного антропогенного или техногенного воздействия, причем площадки отбора проб почвы принимают в виде точек на прибрежном рельефе естественного происхождения, затем за начало координатной сетки принимают точку пересечения первого створа измерений с линией уреза водной поверхности малой реки, причем первые точки отбора проб почвы на всех створах измерений располагают от уреза воды дальше береговой линии малой реки, при этом створы измерений не менее трех вдоль реки располагают нерегулярно, а точки отбора проб почвы на каждом створе измерений располагают регулярно с постоянным расстоянием между ними, отбор проб почвы выполняют примерно в летнюю межень малой реки, на неравномерной координатной сетке вдоль реки из-за разной длины между линией уреза воды и первыми точками отбора проб на створах измерений, расположенных по ходу течения малой реки, расстояние между соответствующими точками на створах измерений измеряют по карте, после измерений относительно координатной сетки по всем точкам взятия проб почвы по данным агрохимического анализа проб почвы проводят двухфакторное статистическое моделирование содержания химических веществ в зависимости от расстояния по координатной сетке вдоль реки и расстояния от уреза воды до равномерно расположенных вдоль створов точек взятия проб почвы.

Створы измерений не менее трех вдоль реки располагают нерегулярно с учетом вертикальной структуры, неоднородности покрова почвы, рельефа и климата местности, при этом расстояния вдоль реки между соответствующими точками взятия проб почвы на координатной сетке, начиная с первых точек на створах измерений, измеряют по карте с масштабом не более М 1: 2000 с погрешностью ±0,5 м.

Точки взятия проб для анализа почвы на каждом створе измерений располагают через расстояние 10 м в количестве не менее 10 штук до границы водоохранной зоны малой реки, при этом расстояния между точками вдоль створа измеряют геодезической мерной лентой длиной 20 м с погрешностью ±5 см.

Двухфакторное статистическое моделирование содержания химических веществ в зависимости от расстояния по координатной сетке вдоль реки и расстояния от уреза воды до равномерно расположенных вдоль створов точек взятия проб почвы проводят для всех биохимических веществ почвы по общему уравнению волновой функции

где у_i - изучаемый биохимический показатель по массовой доле нитрата азотного, фосфора, калия (мг/кг), а также кислотности почвы;

A_i - амплитуда (половина) колебания показателя, мг/кг;

P_i - полупериод волны вдоль реки или вдоль створа измерений, м,

i - номер составляющей общей статистической модели,

a₁…a₈ - параметры модели, вычисляемые по экспериментальным данным измерений расстояний и массовой доли химических веществ.

Сущность технического решения заключается в том, что при применении способа образуется двумерная координатная сетка относительно поверхности воды по линии уреза воды на одном из берегов малой реки на участке, расположенном около сельскохозяйственных угодий (как правило, пашни). Это позволяет затем определять природные распределения химических питательных веществ в условиях неизменного годами прибрежного рельефа малой реки на территории водоохранной зоны.

Сущность технического решения заключается также в том, что появляется практическая возможность выявления закономерностей влияния двух факторов (расстояние вдоль реки относительно водной поверхности малой реки, расстояния вдоль створа измерений поперек реки от линии уреза воды на одном из берегов малой реки) на свойства почвенного слоя 0-5 см. Таким образом, предлагаемое техническое решение явится основой для статистического моделирования распределения параметров почвы и растительности по двум параметрам прибрежного рельефа.

Положительный эффект достигается тем, что принятая нелинейная координатная сетка позволит выявлять закономерности изменения массовой доли химических веществ и кислотности почвы только от двух расстояний. Это позволит в последующем проводить дистанционные измерения расстояний, например, методами аэрофотосъемки.

Новизна технического решения заключается в том, что впервые за базу привязки рельефа и растительности на ней принимается поверхность водной поверхности малой реки с кривой линией уреза воды по отдельному берегу малой реки. Новизна заключается еще и в том, что впервые предлагается определять координаты первой точки отбора пробы почвы на каждом створе наблюдений по высоте и расстоянию от линии уреза воды. Кроме того, новизна заключается в том, что два расстояния вполне достаточны для выявления очень точных двухфакторных уравнений для описания распределений питательных химических веществ по координатной сетке.

Предлагаемое техническое решение обладает существенными признаками, новизной и значительным положительным эффектом. Материалов, порочащих новизну технического решения, нами не обнаружено.

На фиг. 1 приведена карта-схема расположения точек на прибрежной водоохранной зоне малой реки со стороны сельскохозяйственных угодий с отображением в виде рядов точек взятия проб почвы на трех створах измерений; на фиг. 2 показан пространственный график влияния параметров поверхности рельефа (расстояние вдоль реки от первого створа измерений и расстояния вдоль створа от первой точки на кромке берега малой реки) на изменение высоты от уреза поверхности воды малой реки; на фиг. 3 показан пространственный график влияния на содержание нитрата азота двух расстояний (расстояние вдоль реки и расстояние вдоль створа измерений); на фиг. 4 - то же на фиг. 3 по содержанию фосфора; на фиг. 5 - то же на фиг. 3 по содержанию калия; на фиг. 6 - то же на фиг. 3 по кислотности; на фиг. 7 показаны графики составляющих и общей модели с остатками по нитрату азота (по вычислительным возможностям программной среды CurveExpert); на фиг. 8 - то же на фиг. 7 по фосфору; на фиг. 9 - то же на фиг. 7 по калию; на фиг. 10 - то же на фиг. 7 по изменению кислотности.

Способ взятия проб почвы для агрохимического анализа по расстояниям вдоль малой реки и поперек от уреза воды в общем случае включает следующие действия.

Исследуемую территорию в виде координатной сетки для взятия проб почвы определяют на стороне малой реки в пределах водоохранной зоны рядом с сельхозугодиями. Площадки отбора проб почвы координатной сетки размещают в местах без заметного антропогенного или техногенного воздействия, Причем площадки отбора проб почвы принимают в виде точек на прибрежном рельефе естественного происхождения, затем за начало координатной сетки принимают точку пересечения первого створа измерений с линией уреза водной поверхности малой реки. Причем первые точки отбора проб почвы на всех створах измерений располагают от уреза воды дальше береговой линии малой реки. При этом створы измерений не менее трех вдоль реки располагают нерегулярно, а точки отбора проб почвы на каждом створе измерений располагают регулярно с постоянным расстоянием между ними. Отбор проб почвы выполняют примерно в летнюю межень малой реки. На неравномерной координатной сетке вдоль реки из-за разной длины между линией уреза воды и первыми точками отбора проб на створах измерений, расположенных по ходу течения малой реки, расстояние между соответствующими точками на створах измерений измеряют по карте. После измерений относительно координатной сетки по всем точкам взятия проб почвы по данным агрохимического анализа проб почвы проводят двухфакторное статистическое моделирование содержания химических веществ в зависимости от расстояния по координатной сетке вдоль реки и расстояния от уреза воды до равномерно расположенных вдоль створов точек взятия проб почвы.

Створы измерений не менее трех вдоль реки располагают нерегулярно с учетом вертикальной структуры, неоднородности покрова почвы, рельефа и климата местности, при этом расстояния вдоль реки между соответствующими точками взятия проб почвы на координатной сетке, начиная с первых точек на створах измерений, измеряют по карте с масштабом не более М 1: 2000 с погрешностью ±0,5 м.

Точки взятия проб для анализа почвы на каждом створе измерений располагают через расстояние 10 м в количестве не менее 10 штук до границы водоохранной зоны малой реки, при этом расстояния между точками вдоль створа измеряют геодезической лентой длиной 20 м с погрешностью ±5 см.

Двухфакторное статистическое моделирование содержания химических веществ в зависимости от расстояния по координатной сетке вдоль реки и расстояния от уреза воды до равномерно расположенных вдоль створов точек взятия проб почвы проводят для всех биохимических веществ почвы по общему уравнению волновой функции

где y_i - изучаемый биохимический показатель по массовой доле нитрата азотного, фосфора, калия (мг/кг), а также кислотности почвы;

A_i - амплитуда (половина) колебания показателя, мг/кг;

P_i - полупериод волны вдоль реки или вдоль створа измерений, м,

i - номер составляющей общей статистической модели,

a₁…a₈ - параметры модели, вычисляемые по экспериментальным данным измерений расстояний и массовой доли химических веществ.

Способ взятия проб почвы для агрохимического анализа по расстояниям вдоль малой реки и поперек от уреза воды, например на водоохранной зоне малой реки со стороны сельскохозяйственных угодий, включает следующие действия.

По карте местности или по аэрокосмическим снимкам, с учетом точечных, линейных или площадных источников загрязнения, выбирают территорию между руслом малой реки и сельхозугодиями. На местности проводят геодезическую привязку изучаемой территории и определяют координатную сетку площадок для отбора проб почвы.

Затем определяют места вдоль реки по ее сторонам с наличием сельхозугодий, например пашни за границей водоохранной зоны малой реки. При этом это место может быть с травяным покровом любого качества (он может быть не пригодным для сенокоса или пастбища). Главное, чтобы не было вмешательства человека, то есть место для закладки координатной сетки должно быть без тропинок и других воздействий человеком, нарушений почвенного слоя автомобилями и бульдозерами и пр. После этого определяют частоту, длительность отбора проб почвы по координатной сетке, указывая номера и координаты точек взятия проб почвы,

Исследуемую территорию в виде координатной сетки для взятия проб почвы определяют на стороне малой реки в пределах водоохранной зоны рядом с сельхозугодиями. Площадки отбора проб почвы координатной сетки размещают в местах без заметного антропогенного или техногенного воздействия, причем площадки отбора проб почвы принимают в виде точек на прибрежном рельефе естественного происхождения, затем за начало координатной сетки принимают точку пересечения первого створа измерений с линией уреза водной поверхности малой реки. Причем первые точки отбора проб почвы на всех створах измерений располагают от уреза воды дальше береговой линии малой реки. При этом створы измерений не менее трех вдоль реки располагают нерегулярно, а точки отбора проб почвы на каждом створе измерений располагают регулярно с постоянным расстоянием между ними. Отбор проб почвы выполняют примерно в летнюю межень малой реки. На неравномерной координатной сетке вдоль реки из-за разной длины между линией уреза воды и первыми точками отбора проб на створах измерений, расположенных по ходу течения малой реки, расстояние между соответствующими точками на створах измерений измеряют по карте. После измерений относительно координатной сетки по всем точкам взятия проб почвы по данным агрохимического анализа проб почвы проводят двухфакторное статистическое моделирование содержания химических веществ в зависимости от расстояния по координатной сетке вдоль реки и расстояния от уреза воды до равномерно расположенных вдоль створов точек взятия проб почвы.

Створы измерений не менее трех вдоль реки располагают нерегулярно с учетом вертикальной структуры, неоднородности покрова почвы, рельефа и климата местности, при этом расстояния вдоль реки между соответствующими точками взятия проб почвы на координатной сетке, начиная с первых точек на створах измерений, измеряют по карте с масштабом не более М 1: 2000 с погрешностью ±0,5 м.

Точки взятия проб для анализа почвы на каждом створе измерений располагают через расстояние 10 м в количестве не менее 10 штук до границы водоохранной зоны малой реки, при этом расстояния между точками вдоль створа измеряют геодезической лентой длиной 20 м с погрешностью ±5 см.

Двухфакторное статистическое моделирование содержания химических веществ в зависимости от расстояния по координатной сетке вдоль реки и расстояния от уреза воды до равномерно расположенных вдоль створов точек взятия проб почвы проводят для всех биохимических веществ почвы по общему уравнению волновой функции

где y_i - изучаемый биохимический показатель по массовой доле нитрата азотного, фосфора, калия (мг/кг), а также кислотности почвы;

A_i - амплитуда (половина) колебания показателя, мг/кг;

P_i - полупериод волны вдоль реки или вдоль створа измерений, м,

i - номер составляющей общей статистической модели,

a₁…a₈ - параметры модели, вычисляемые по экспериментальным данным измерений расстояний и массовой доли химических веществ.

Пример. Эксперименты были проведены летом 2013 года. Река Пез находится в Волжском районе, в юго-восточной части Республики Марий Эл. Карта масштаба 1:25000 - O-39-134-Б-г была использована для измерений расстояний между точками вдоль реки. А расстояния вдоль створа измерений между точками взятия проб почвы измеряли геодезической лентой длиной 20 м. Высоты точек взятия проб почвы измерялись нивелиром.

Для изучения прибрежного рельефа были взяты три створа перпендикулярно р. Пез (с левой стороны берега) (фиг. 1), на котором после водоохранной зоны располагается пашня. По рельефу было выбраны створы так, что они расположены в 350-400 метрах друг от друга. Длина каждого створа примерно равна 100 м.

Начиная со стороны реки, через каждые 10 м створа вбивали 10 пронумерованных колышков. Около каждого колышка лопатой убираем растительный покров и в слое 0-5 см берем пробы почвы более 100 г. Затем укладывали пробу почвы в полиэтиленовый пакет. Из одного створа измерений брали 10 проб, а всего на площадке 30 по всей координатной сетке.

Исходные данные для статистического моделирования. После все пакетики отправляли на ФГБУ Станцию агрохимической службы «Марийская» Минсельхоза РФ для изучения химического состава. В соответствии с ГОСТ (табл. 1) агрохимическим анализом определяли подвижный азот, подвижный калий и фосфор, а также водную кислотность почвенной пробы.

Из данных таблицы 1 видно, что из-за кривой линии уреза воды расстояние вдоль реки на втором и третьем створах измерений изменяются по разным точкам взятия проб почвы. Первая точка располагается на расстоянии 1.4, 3.8 и 1.5 м по номерам створов измерений от линии уреза воды. При этом она располагается на высоте 1.10, 3.20 и 2.32 м от уреза воды.

Из графика на фигуре 2 видно, что наибольшую соразмерность имеет с двумя расстояниями высота точки взятия пробы почвы над урезом воды. Поэтому все три параметра L_p, L и h характеризуют рельеф прибрежного ландшафта.

Вейвлет-сигнал. Моделирование содержание химического вещества проводили общей многочленной формулой

где y_i - изучаемый биохимический показатель по массовой доле нитрата азотного, фосфора, калия (мг/кг), а также кислотности почвы;

A_i - амплитуда (половина) колебания показателя, мг/кг;

P_i - полупериод волны вдоль реки или вдоль створа измерений, м,

i - номер составляющей общей статистической модели,

a₁…a₈ - параметры модели, вычисляемые по экспериментальным данным измерений таблицы 1 в программной среде CurveExpert (URL: http://www.curveexpert.net/).

По формуле (1) с двумя фундаментальными физическими постоянными е (число Непера или число времени) и п (число Архимеда или число пространства) образуется изнутри изучаемого явления и/или процесса квантованный вейвлет-сигнал. Понятие асимметричного вейвлет-сигнала позволяет абстрагироваться от физического смысла рядов чисел. При этом рассматривается только аддитивное разложение изучаемого процесса.

Однофакторное моделирование дало формулы, адекватность которых приведена в таблице 2.

Для всей координатной сетки был получен коэффициент коррелятивной вариации 7,1941/(3×4)=0,5995. Оказалось, что три влияющих фактора разделяются на две группы: расстояния вдоль реки и вдоль створа; высота от уреза воды. В данном техническом решении рассматривается совместное влияние расстояний на содержание химических веществ в пробах (фиг. 3-6).

Нитратный азот. По возможностям программной среды было получено шестичленное уравнение (фиг. 7) вида

Как видно из данных таблицы 3 компактной записи параметров модели, всего образовалось 13 членов.

Остатки после 13-го члена сравнимы с погрешностью измерений. Подвижный фосфор. По этому химическому веществу также была получена (фиг. 8) модель вида

Все члены общей модели приведены в таблице 4.

Таким образом, видно, что вычет влияния расстояния вдоль реки существенно повышает возможности вейвлет-анализа влияния второго фактора - расстояния вдоль створа малой реки. Тогда можем предположить, что увеличение количества створов измерений также приведет от детерминированных простых моделей к волновым уравнениям.

Подвижный калий. Для этого химического вещества в пробах почвы также было получено семь членов (фиг. 9) по общей формуле

Все полученные члены по параметрам приведены в таблице 5.

До погрешности моделирования, примерно равной погрешности измерений, получились 28 составляющих общей статистической модели.

Водная кислотность. Это показатель (фиг. 10) определяется формулой

Все члены модели, по параметрам в компактной записи в матричной форме, приведены в таблице 6.

Частота колебаний изменения массовой доли химических питательных веществ показывает адаптивную способность почвы как живого организма (по Докучаеву) к внешним проявлениям со стороны растительного покрова. Даже без наличия травяного покрова в данной точке взятия пробы почвы наблюдается колебание каждого химического вещества и кислотности. Причем все эти колебания проявляются с переменными амплитудой и частотой (обратная величина от периода колебания).

Предлагаемый способ позволяет определять реальную относительно линии уреза воды малой реки координатную сетку, привязанную по расстояниям вдоль реки и вдоль створов измерений к водной поверхности малой реки, имеющей нелинейные формы по водной поверхности и изгибам линий уреза воды. Кроме того, измерение расстояния от линии уреза воды до первой точки взятия пробы почвы позволяет дать реальную картину распределения свойств почвы на прибрежном ландшафте. А это, в свою очередь, определяет точные расстояния перемещения воды от малой реки к корням растений. Поэтому выявляемые двухфакторные закономерности изменения концентрации питательных химических веществ в почве будут более точными. При постоянстве прибрежного рельефа эти закономерности дадут возможность изучения влияния параметров предлагаемой нелинейной координатной сетки на изменение свойств почвы и травяной растительности на ней. А сами расстояния можно измерять дистанционно методами аэрофотосъемки. После моделирования получаются высокоточные статистические модели распределения биохимических веществ и кислотности почвы по координатной сетке.