Многочисленные почвенные исследования доказали, что в большинстве случаев почвенное плодородие земель сельскохозяйственного назначения ухудшается вследствие неадекватных методов ведения сельского хозяйства, водной эрозии, недостаточного или чрезмерного внесения удобрений. Последнее также приводит к загрязнению подземных и поверхностных вод или накоплению химических веществ в опасных концентрациях в почве. Разработка принципов использования сельскохозяйственных земель, не допускающих подобных крайностей, является главной целью так называемой концепции точного земледелия, которая направлена на обеспечение необходимого количества питательных веществ и влажностных характеристик в почве, необходимых для поддержания оптимального роста сельскохозяйственных растений. Одним из главных препятствий для применения данной концепции является неоднородность почвенного покрова, зачастую даже в пределах одного земельного участка.
Вследствие этого даже при технической возможности выполнения широкого спектра анализов и определения плодородности почвы по различным методикам большинство из них достаточно трудоемки и на практике не позволяют сопоставить свойства почвенного покрова сельскохозяйственных земельных участков с необходимым пространственным и/или временным разрешением.
Мы разрабатываем экспресс-метод определения параметров плодородия почв для земель сельскохозяйственного назначения, базирующийся на радиолокационных методах измерения химического состава почв.

Использование инфракрасной (ИК) спектроскопии, уже давно признанное одним из наиболее перспективных методов изучения почв ^1),2) основано на взаимодействии молекул с электромагнитной энергией в ИК области спектра. Особенностью среднего ИК диапазона является то, что он включает в себя так называемые фундаментальные колебания молекул. Когда молекула поглощает ИК излучение на частотах, соответствующих собственным колебаниям молекул, это приводит к увеличению амплитуды колебаний. Так как каждая частота соответствует определенному количеству энергии и удельному движению молекул (например: растяжение, изгиб химических связей), в среднем ИК-спектре можно выявить вид молекулярных движений и функциональные группы, которые присутствуют в молекуле, следовательно, данная информация может служить в качестве уникальной характеристики почвы, так же как отпечаток пальца человека в дактилоскопии.

Полевые исследования с использованием методов спектроскопии в нашем случае определяется необходимостью создания ЭТАЛОННЫХ характеристик исследуемых почв для проведения сравнительного анализа данных, полученных спектрографическими и радиолокационными методами.

Задачи, решаемые с помощью данных методов в области почвенных исследований, сводятся к использованию их для оценки микроэлементов и органических веществ почвы. Такие минеральные элементы почвы, как C, N, P, K, S, Ca и микроэлементы играют первостепенную роль в развитии сельскохозяйственных культур и, следовательно, определение их концентраций имеет решающее значение для применения концепции точного земледелия. В научной литературе имеется достаточно большое количество публикаций на эту тему. Один из наилучших обзоров исследований по данному направлению с помощью спектрорадиометрических методов подготовлен коллективом авторов. ³⁾

При этом наиболее распространенным подходом является поиск корреляционных связей между содержанием элемента и показателем спектральной яркости, а в нашем случае показателями отражения/поглощения радиоволн определённого диапазона.
В подавляющей доле исследований отмечаются сильные корреляционные связи (более 0.9) между содержанием органического углерода в почве и показателем спектральной яркости. Также высокие значения (R>0.80) были получены для общего содержания азота. Хотя для нитратов не выявили корреляции ³⁾, этот вывод опровергается сильными корреляционными связями со спектральной яркостью, полученными другими коллективами исследователей. ^{4), 5), 6)}

Применительно к калию, фосфору и органическим веществам были получены противоречивые результаты. В исследованиях ⁷⁾ коэффициент корреляции для концентрации калия равнялся 0.85. В некоторых работах отмечаются более низкие (R=0.6[3] и R=0.76 [11]) коэффициенты корреляции. Высокая степень связи отмечается для фосфора – R=0.87 [12] и R=0.81[13]. Несмотря на значимые результаты для органических веществ отраженных в работах ⁸⁾ со значениями коэффициентов корреляции выше 0.90, между спектрами и содержанием органического вещества была определена очень слабая корреляция.

Таким образом, на сегодняшний день современное состояние исследований в данной области носит несколько противоречивый характер. По всей видимости, имеется необходимость стандартизации отбора проб и анализов почвы, а также географическая локализация для конкретных типов и подтипов зональных почв. В любом случае все исследователи подчеркивают необходимость дальнейшего изучения свойств почвы данными методами с увеличением географического охвата исследуемых почв.

Полученные результаты достаточно четко говорят о статистически значимых связях между определенными группами агрохимических показателей (гумус) для почвенных разновидностей, что позволит при накоплении соответствующих данных по конкретным почвам автоматизировать данный процесс.

Лаборатория Инновационных агро- аэротехнологий ИТЦ «Болат» продолжает исследования и разработки по данной перспективной тематике.

Список референции:
1) McCarty G.W., Reeves J.B. “Comparison of NFAR infrared and mid infrared diffuse reflectance spectroscopy for field-scale measurement of soil fertility parameters”, Soil Science, 2006,Vol. 171, Iss. 2,pp. 94-102.
2) Cécillon L., Barthès B.G., Gomez C., Ertlen D., Genot V., Hedde M., Stevens A., Brun J.J. “Assessment and monitoring of soil quality using near infrared reflectance spectroscopy (NIRS)”,European Journal of Soil Science, 2009, Vol. 60, Iss. 5, pp. 770-784.
3) Rossel R.A.V., Walvoort D.J.J., McBratney A.B., Janik L.J., Skjemstad J.O. “Visible, near infrared, mid infrared or combined diffuse reflectance spectroscopy for simultaneous assessment of various soil properties”,Geoderma, 2006, Vol. 131, Iss. 1, pp. 59-75.
4) Linker R., Kenny A., Shaviv A., Singher L., Shmulevich I. “Fourier transform infrared-attenuated total reflection nitrate determination of soil pastes using principal component regression, partial least squares, and cross-correlation”, Applied Spectroscopy, 2004, Vol. 58, Iss. 5, pp. 516-520.
5) Borenstein A., Linker R., Shmulevich I., Shaviv A. “Determination of soil nitrate and water content using attenuated total reflectance spectroscopy”, Applied Spectroscopy, 2006, Vol. 60, Iss. 11, pp. 1267-1272.
6) Jahn B.R., Linker R., Upadhyaya S.K., Shaviv A., Slaughter D.C., Shmulevich I. “Mid-infrared spectroscopic determination of soil nitrate content”, Biosystems Engineering, 2006, Vol. 94, Iss. 4, pp. 505-515.
7) Du C.W., Zhou J.M., Wang H.Y., Chen X.Q., Zhu A.N., Zhang J.B. “Determination of soil properties using Fourier transform mid-infrared photoacoustic spectroscopy”, Vibrational Spectroscopy. 2009. Vol. 49. Iss. 1. P. 32-37.
8) Masserschmidt I., Cuelbas C.J., Poppi R.J., De Andrade J.C., De Abreu C.A., Davanzo C.U. “Determination of organic matter in soils by FTIR/diffuse reflectance and multivariate calibration”, Journal of Chemometrics. 1999. Vol.13. p. 265-273.