ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE T. XLVII NR 3/4 WARSZAWA 1996:247-250
ARTYKUŁ PROBLEMOWY
H E N R Y K A. S O B C Z U K , R Y S Z A R D T. W A L C Z A K
PR 'w 3L E M Y M ETROLOGII ST O SO W A N E J
W ZA K R E SIE FIZYKI G L E B Y
Instytut A g r o f i z y k i im. B o h d a n a D o b r z a ń s k i e g o P A N w L u b lin ie
A g ro fizy k a je st dziedziną nauki zajm ującą się badaniem procesów fizycznych zw ią zan y c h z w y m ian ą masy i energii w system ie g leba-roślina-atm osfera oraz p ro c esó w zw ią zanyc h ze zbiorem , transportem i prz ech o w a ln ic tw em m ateriałów roślinnych [W alczak 1993].
W zw iązku z szybkim rozw ojem m etod fizycznych stosow anych w opisie i m o d e lo w a n iu obiektów i m ateriałów rolniczych w ystępuje konieczność d o s k o n a lenia specyficznych dla rolnictw a m etod pom iarow ych.
Z e w zględu na złożoność procesów zachodzących w badanych obiektach w y m a g a n e są nowe, niestandardow e m etody pomiaru. M etody te m uszą być:
- selektyw ne, aby z wielu czynników zakłócających w y izo lo w a ć p aram etr m ierzony,
- dokładne, aby w ynik pom iaru był w iarygodny i szybki, co je s t szczególnie istotne w p om iara ch param etrów zm iennych w czasie.
K on iec zn o ść obserwacji procesów zachodzących w badanym obiekcie (co w iąże się z w ielokrotnym i pom iaram i w tym sam ym m iejscu) w y m a g a d o d a tk o wo, aby p o m iar był nieniszczący.
C h ara k te ry sty czn ą cechą gleby jest jej zm ienność w przestrzeni i czasie. Z m ie n n o ść przestrzenna w łaściw ości fizycznych gleby jest p o w a ż n y m u tru d n ie niem ko m p lik u jąc y m zrozum ienie i opis zjaw isk fizycznych za p o m o c ą teorii d eterm inistycznych. Jakk o lw iek w skali m akroskopow ej zjaw iska fizyczne w n iejed n o ro d n y m środow isku gleb o w y m są opisyw ane rów naniam i d e te rm in i stycznym i, to opis i p o m iar niejednorodnych pól p aram etrów fizycznych tego śro d o w isk a jest praktycznie bardzo trudny i pracochłonny.
A by o d w z o ro w a ć zm ienność przestrzenną param etrów fizycznych na k o n k re t nym obszarze, należy w y k o n a ć pom iary z dużą gęstością w przestrzeni, co prow adzi do dużej liczby pom iarów . Inform ację uzyskaną w taki sposób m o żn a w y k o rz y stać tylko do m od elo w an ia tego konkretnego obszaru.
W y jś c ie m z tej sytuacji je s t zastosow oanie opisu probabilistycznego m o d e lo w a n y ch zjawisk. Znając stochastyczne charakterystyki zm ienności param etró w
24 8 H. A. Sobczak, R. T. W alczak
fizycznych gleby, m ożem y u w zględnić w pływ ich zm ienności na m o d e lo w a n e wielkości fizyczne.
Szcz eg ó ln e znaczenie m a zm ienność p aram etrów w odnych gleby. N ie je d n o rodności w profilu gleb o w y m m ogą w szczególności dopro w a d zić do p re fe re n c y jn e g o p rz e p ły w u wody i zan ie czy sz cze ń w głąb, d o p ro w a d z a ją c do n ie p rz ew id y w aln y c h w teorii determ inistycznej efektów. G eostatystyczne m etody analizy zm ienności znalazły p oczesne m iejsce wśród m etod agrofizycznych.
O pis probabilistyczny u m ożliw ia uw zględnienie zm ienności przestrzennej p a ra m e tró w fizycznych w stopniu, n ajak i p o zw ala zna jom ość rozkładów zm iennych fizycznych i ich w z ajem n eg o skorelow ania. Inform acja o rozkładach statystycz nych param etró w fizycznych na danym obszarze m oże być łatw o prz en o szo n a na obszary o p o d o b n y ch lub identycznych charakterystykach stochastycznych i po weryfikacji użvta do ich m od elo w an ia [Usow icz i in. 1990, 1991; W a lc zak i in.
1993].
W y jaśn ie n ia p ow yż sz e m ają na celu w ykazanie, że rozwój m etod szybkiego i do k ład n eg o p om iaru zm iennych w czasie i przestrzeni p aram etrów fizycznych gleb j e s t p o d sta w o w y m w arunkiem rozw oju m o delow ania w ogóle, a m o d e lo w a nia probabilistycznego w szczególności.
S truktura gleby, rozum iana ja k o konfiguracja jej fazy stałej, oraz wilgotność dec y d u ją o przebiegu procesów fizycznych, fizy kochem icznych i biologicznych w glebie. Struktura gleby zm ienia się pod w pły w e m cz ynników naturalnych oraz upraw y. S tatyczne m etody pom iarów i m odelo w an ia używ ane w g ru ntozna w stw ie m ają ogra n ic zo n ą stosow alność w agrofizyce ze w zględu na d ynam ikę o d k sz ta ł ceń gleby w typow ych w arunkach uprawy. Duze szybkości deform acji gleby w czasie upraw y w ym aga ją now ych m etod pom iarow ych, analizy i opisu fizy c zn e go. W odróżnieniu od m etod stosow anych w gruntoznaw stw ie - agrofizyka bada glebę w stanie dalekim od m a k sy m aln eg o zagęszczenia. O dkształcenia luźnego ośro d k a gleb o w e g o poddają się analizie ja k o odkształcenia lepkosprężyste. Z m i a ny zagęszc zen ia p ro w a d zą do zm ian rozkładu porów, a zatem w łaściw ości w o d nych i p ow ietrz nych gleby.
Do celów m echaniki gleby w ykorzystuje się zm o d y fik o w a n y aparat trójosio- w e go ściskania, pozw alający na badanie naprężeń i odkształceń gleby w z a le ż n o ści od ich szybkości. U m o żliw ia to pom iary p aram etrów m ech a n iczn y c h gleby w w a ru n k ach zbliżonych do w ystępujących w czasie upraw y m echanicznej [Pukos, W a lc z a k 1989].
N o w e m etody opisu szybko odkształcanego ośrodka iepkosprężystego, ja k im je st gleba, m o g ą być w tych w arunkach w e ryfikow ane za p o m o c ą w ym ienionej
aparatury.
W ostatnich latach zaistniała m ożliw ość w ykorzystania w ielospektralnych o b ra zó w lotniczych [M azurek i in. 1990] i satelitarnych do badania stanu fiz y c z nego dużych obszarów gleby, a także pokryw y roślinnej. O brazy te w y k o rz y s ty w a n e są do oceny stanu fizjologicznego roślin w zależności od param etró w fizycznych gleby [W alczak i in. 1991]. P om ia r tem peratury radiacyjnej p o k ry w y roślinnej u m ożliw ia zdalne w ykrycie w a runków niedoboru wody.
W ilgo tn o ść gleby dornm ująco w p ływ a na w szelkie procesy za chodzą ce w glebie. P o m ia r wilgotno.^ jest j e d n y m z najistotniejszych pro b lem ó w w m e tro logii agrofizycznej. Klas-* ezny. suszarkow y po m iar wilgotności gleby, jakkolw iek d okładny, nie m oże hyc :,)sowany autom atycznych system ach po m iaro w y cii.
P roblem y metrologii 2 4 9
N e u tr o n o w a m e to d a pom iaru wilgotności nie za pew nia dostatecznej ro z d z ie lc z o ści w ym aga nej do opisu wilgotności w glebie.
O statnio o p ra co w an a m etoda pom iaru wilgotności T D R (time domain rejlec- tom etry) [Malicki i in. 1994; S obczuk i in. 1992; M alicki, S kierucha 1989] w d o m e n ie czasu m a wiele zalet, które stawiają j ą w rzędzie najlepszych m etod p om iaru w ilg o tn o śc i. M eto d a ta je st intensyw nie rozw ijana od strony aparaturow ej i naukow ej w Instytucie Agrofizyki P A N w Lublinie, gdzie o p ra c o w a n o serię n o w o c z e s n y c h m ierników opartych na zasadzie T D R . O p ra c o w a n e ro z w iąza n ia w d ro ż o n o do produkcji. M ierniki T D R stosow ane są w wielu laboratoriach.
W ilg o tn o ść gleby w a runkuje dostępność tlenu. Z aw artość tlenu spada w glebie w w a ru n k ach wysokiej wilgotności. Do pom iaru dostępności tlenu stosuje się m e to d ę pom iaru O D R (oxygen diffusion rate) [Malicki, W a lc z a k 1983] opartą na sym ulacji przepływ u tlenu do cienkiej elektrody, która jest geo m etry czn ie p o d o bna do korzenia rośliny. W y d a te k dyfuzji tlenu m ierzony tą m e to d ą u m o żliw ia oce nę dostępności tlenu dla roślin, a także w y k ry w an ie w a ru n k ó w p ro w a d z ą c y c h do stresu tlenow ego.
Z w ięk sz o n y nacisk na ochronę środow iska staw ia n ow e zadania przed m e tro logią agrofizyczną. D ziedzina ta p o w in n a być coraz intensywniej roz w ija n a i rozszerzana, p o n iew a ż ochrona czy kształtow anie środow iska są m o żliw e tylko w p rz ypadku, gdy d ostępna je st aktualna inform acja o je g o stanie fizycznym .
LITERATURA
MALICKI M.A., SKIE RUCH A W.M. 1989: A manually controlled TDR soil moisture meter operating with 300 ps rise-time needle pulse. Irrigation Sei. 10: 153-1 163.
MALICKI M., W ALC ZAK R. 1983: A gauge o f the redox potential and the oxygen diffusion rate in the soil with an automatic regulation o f cathode potential. Zcsz. Probl. Post. Nauk Rol. 220, II. MALICKI M., WALC ZAK R., KOCH S., FLUHLER H. 1994: Dctcrming soil salinity from simulta
neous readings o f its dielectric constant and electrical conductivity using TDR. Proc. Symp. TDR. Evanston.
M AZUR EK W., WALC ZAK R., SO BCZ UK H., BAR ANO W SK I P. 1990: Wykrywanie stresu wodnego roślin łąkowych poprzez pomiary ich temperatury radiacyjnej. Mat. II Symp. Klimat pola uprawnego, 9. Lublin.
SOBCZ UK H.S., PLAGGE R., W AL CZAK R.T., ROTH Ch. 1992: Laboratory equipment and calculation procedure to rapidly determine hysteresis o f some soil hydrophysical properties under non-steady How conditions. Z. Pflanzenernähr. Bodenk., 155: 155-163.
PUKOS A., W A LC ZA K R. 1989: Methodical aspects o f the soil penetrometers construction as applied to the soil compaction evaluation. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol.
USOWICZ B., PASZ CZY K J., WALC ZA K R. 1990: Opis i analiza dynamiki temperatury modelami typu ARIMA. Mat. II Symp. Klimat pola uprawnego: 13-14.
USOW ICZ B., PASZ CZY K J., WALC ZA K R. 1991: Description and analyis o f soil temperature dynamics with ARIMA models. Part. I. Theory and experiment. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 396:
167- 17 2.
W A L C Z A K R.T., SŁAWIŃSKI C., MALICKI M., SOBC ZUK H. 1993: Measurement o f water characteristics in soils using TDR technique: Water characteristics o f loess soil under different treatment. Int. A groph ys. 7: 175-182.
W A L C Z A K R. 1993: N ow e aspekty metrologii agrofizycznej. Nauka Polska, nr 4.
W A L C Z A K R., M AZ UR EK W., BAR ANO W SK I P. 1991: Teledetekcja w badaniach agrofizycznych. Mat. III Szkoły Letniej "Fizyka z elementami agrofizyki", Lublin, 1-23.
250 H. A. Sobczak, R. T. W alczak H. A. SOBCZU K, R. T. W A L C Z A K
PROBLEMS OF METROLOGY IN SOIL PHYSICS
Institute o f A g r o p h y s i c s , P o li s h A c a d e m y o f S c i e n c e s , L u b iin
S U M M A R Y
T h e new m e a su re m e n t m ethods were d eveloped for agro-physical in vestiga tion. T h e d ev e lo p m e n t o f num erical m odels and m ore stress to env iro n m e n t protection force us to develop new m easu rem en t and data interpretation m ethods. B etw ee n new branches o f m easu rem en t technics one can count d e v e lo p m e n t o f T D R w ater content m easurem ent, oxygen diffusion rate m easurem ent, aerial and space p h o to g rap h s interpretation technics, high speed deform ation soil m e a s u r e m ents etc. S tochastical analysis o f series o f m easurem ents develops very quickly last years. It gives a new point o f view on soil status and processes w ithin variable m edia. T h e interpretation of m easured data sets in terms o f stochastic theory allows to gain m ore inform ation than from determ inistic theories.
Prof. d r H en ryk A. S o b czu k In stytu t A g ro fizy k i P A N L u b lin ul. D o ś w ia d c z a ln a 4
