Використання ІЧ-спектроскопії ґрунтується на тому, що в спектрах зберігається інформація про фундаментальний склад ґрунту — його органічні та неорганічні частини. Це швидкий та відносно дешевий метод.
Хімічний аналіз грунтів дедалі частіше перетворюється на аграріїв на необхідність, а господарств з ухилом на точне землеробство зовсім став обов'язковим елементом аналітики.
Проте головними проблемами традиційного методу аналізу є повільність, значний вплив людського чинника та дорожнеча. Ціни на обстеження одного гектара стартують у середньому від 200 грн. За даними білоруського стартапу OneSoil, Україна має 35,9 га ріллі, розбитої на 2 млн ділянок середньою площею 17,9 га.
Для того щоб провести хімічний аналіз, поле зазвичай поділяють на ділянки (квадрати), площа яких залежатиме від бюджету господарства та від розміру поля. Однак кожне поле може мати кілька різних за своїми властивостями ґрунтів та їх розташування та межі неможливо втиснути у геометричні фігури правильної форми. Наприклад, ділянка площею в 3 га, залежно від неоднорідності грунтового покриву, може мати 3 - 5 різних грунтів з яких буде відібрано лише одну пробу. Аналіз такої спроби, на думку кандидата с.-г. наук, головного наукового співробітника ТОВ «Український центр екології ґрунтів» Валерія Грекова, не характеризуватиме навіть жодного ґрунту.
Однак, крім аналітичного методу дослідження, існують і менш відомі, але не менш перспективні інструментальні, зокрема метод інфрачервоної (ІЧ) спектроскопії. Про нього в Україні активно заговорили з виходом на ринок голландського стартапу AgroCares, який хоче полегшити та здешевити процедуру обстеження полів. Поки що це єдине подібне рішення на вітчизняному ринку, тому на його прикладі зручніше розібрати принцип роботи схожих систем загалом.
Згадати дещо з курсу фізики.
Принцип ІЧ-спектроскопії полягає у поглинанні хімічними речовинами ІЧ-випромінювання з одночасним збудженням коливань молекул або окремих фрагментів. При цьому хвиля, що проходить крізь зразок, слабшає. Молекули, залежно від свого складу, по-різному адсорбують і відображають це випромінювання, перетворюють його на кінетичну енергію. Відбувається поглинання всього спектра, лише тих його ділянок, енергія яких відповідає енергії і збудженню досліджуваних молекул, тобто довжинам хвиль (частот), у яких спостерігається максимальне поглинання ІЧ-випромінювання. Це може свідчити про вміст у молекулах певних функціональних груп чи фрагментів. В результаті атоми всередині молекул рухаються швидше, згинаючи, подовжуючи і обертаючись поруч. Чим більше випромінювання адсорбовано, тим меншим буде його відображення.
І хоча кількість поглинених енергетичних квантів залежатиме від конкретного типу хімічного зв'язку в молекулах, це також впливає хімічна матриця і чинники довкілля, наприклад тип функціональної групи, сусідні молекули тощо. (Miller, 2001). Це дозволяє ідентифікувати діапазон молекул, які можуть мати однотипні зв'язки. Одна й та сама молекула може викликати кілька обертонів (явище, що виникає під час коливань) і комбінаційних смуг в області NIR зі зменшенням інтенсивності та збільшенням порядку обертонів, і тому смуги поглинання області NIR можуть перекриватися.
Енциклопедичні дані щодо використання цього методу саме для хімічного аналізу ґрунтів вельми неоднозначні і, до того ж, їх досить мало. Наприклад, російські вчені (Крищенко та ін.) досліджували цю тему ще понад 20 років тому. Вони зазначали, що вміст вологи в ґрунті можна досить точно визначити по смугах поглинання 1400, 1900 і 2200 нм. При цьому на відбивну здатність ґрунту впливає вміст органічної речовини та глинистих частинок. Спектри дифузного відбиття ґрунтів у ближній інфрачервоній ділянці насамперед відрізняються загальним рівнем поглинання. У ряді дослідів було доведено пряму залежність ступеня поглинання та кількості гумусу у зразках – чим більше гумусу, тим менше поглиналося інфрачервоне випромінювання у цій ділянці спектру. Вчені зазначали, що й значення величини оптичної щільності у певному зразку по конкретній довжині хвилі більше, ніж у іншому, це співвідношення зберігається й інших довжин хвиль. Це, зокрема, маскує функціональні зв'язки оптичної щільності ґрунту із вмістом гумусу у ньому. Також вони довели статистичну залежність між оптичною щільністю та значенням рН сольової витяжки, гідролітичною кислотністю, вмістом обмінного кальцію, магнію та ін.
Поглинання в області NIR між 780 та 2500 нм є результатом коливань сполук OH, NH, CH, SO та CO, які мають великий дипольний момент (Стенберг та ін., 2010).
Незважаючи на складність та неоднорідність хімічних та фізичних властивостей, спектральні ґрунтові дані досить однорідні. Наприклад, 30 типів грунтів класифікації USDA можна згрупувати лише п'ять спектральних класів.
Маллі (2004), Нідербергер, Тодт та інші (2015) досліджували, що мінеральні фракції, які переважають у ґрунті, погано визначаються цим методом. Внаслідок низького дипольного моменту між фосфором та киснем фосфати не збуджуються від інфрачервоного випромінювання і тому безпосередньо не визначаються за допомогою ІЧ-спектроскопії. Однак Р можна виявити опосередковано завдяки органічним зв'язкам або певній кореляції з іншими властивостями грунту, наприклад, за співвідношенням C і N. У своїй роботі Нідербергер і Тодт вказують на те, що в органічних фракціях якість прогнозів вмісту фосфору вища, ніж у неорганічних. У будь-якому випадку це залежить від мінливості вмісту фосфору та властивостей ґрунту.
Руйнівники чи джерела міфів?
Оскільки метод ІЧ-спектроскопії передбачає використання спеціальних моделей прогнозування, для їх калібрування потрібна значна кількість ґрунтових зразків. Кожна з варіацій взаємодії ґрунтових та кліматичних факторів створює унікальні умови для вегетації сільськогосподарських культур.
Своєю сильною стороною компанія AgroCares вважає саме базу даних для калібрування, яку, за словами її представників, постійно доповнюють. Перш ніж досліджувати ґрунти певної країни та внести їх до цієї бази, команда стартапу спочатку детально аналізує її ринок, насамперед оцінюючи потенційних партнерів у цій країні, їхній рівень знань та досвіду, попит на подібні рішення та поінформованість самих аграріїв про важливість агрохімічного аналізу ґрунту. Зараз у пріоритеті для стартапу стоїть розвиток продукту в Польщі, Угорщині та Україні. У відборі зразків стартапа допомагають локальні партнери, далі відібраний матеріал направляють до центрального офісу компанії у Вагенінгені (Нідерланди). В Україні таким партнером був Інститут ґрунтознавства та агрохімії ім. А. Н. Соколовського. Кожен зразок аналізують класичними методами, а потім із використанням спектрометрів. Спектральні та аналітичні дані надалі застосовують для створення регресійних моделей, які мають передбачати властивості ґрунтових зразків, які вже протестовані на обладнанні SoilCares. У компанії заявляють, що для кожної країни достатньо відібрати від 400 до 1500 зразків, залежно від мінливості ґрунтового покриву, площі країни та наявності таких ґрунтів у сусідніх країнах, де дослідження вже проводилися. Зараз глобальна база грунтів SoilCares налічує близько 14 000 зразків із понад 15 країн. Ґрунтознавці стартапу переконані, що, зібравши 30 000 зразків, вони охоплять спектральний діапазон всіх ґрунтів світу.
В Україні понад 3000 ґрунтових різновидів. Але команда AgroCares відібрала лише 1350 зразків. Відбір проводили у господарствах, а й на цілинних землях, щоб отримати максимальний варіаційний ряд по кожному елементу.
Сканер (спектроскоп) - оптичний прилад, який використовує природне чи штучне джерело світла для створення відповідних коливань. У SoilCares це рентгенівське, ближнє та середнє інфрачервоне випромінювання. Результатом роботи приладу є крива поглинання характерної форми, яку використовують для аналізу та прогнозування властивостей ґрунту. Вона є частотами, на яких поглинається випромінювання.
Прилад приєднують через Bluetooth до мобільних програм AgroCares, які інструктують користувача, як зробити калібрування та сканування, а також пов'язані з базою даних. Факторами, що найбільше впливають на спектральні властивості ґрунту є вологість, температура та її хімічний склад. Глибина відбору зразків для сканування залежить від запланованої культури, найчастіше від 25 до 35 см. Дуже важливо ретельно перемішати зразок, адже це може вплинути на результат, він повинен бути не надто вологим і не надто сухим. Зразки відбирають із GPS-прив'язкою, завдяки чому за результатами можна буде побудувати карту вмісту елементів живлення тощо.
Після сканування отримане зображення слід надіслати для подальшої обробки системою. Тому сканер є лише технічною складовою рішення. Обробка триває кілька хвилин. З усіх калібрувальних тестів система вибирає найбільш схожі, поєднує їх і використовує цю комбінацію для складання прогнозів.
Після цього користувач зможе ознайомитися з результатами, наприклад: кількість загальних азоту і фосфору, обмінного калію, рН, вміст органічної речовини, ємність катіонного обміну, вміст фізичної глини (як одного з елементів гранулометричного складу) і рекомендаціями щодо цих параметрів.
Але є і але. Наприклад, загальний (валовий) фосфор у ґрунті не може служити показником доступності фосфору для рослин, адже вони споживають лише водорозчинні дигідрофосфати та у меншій мірі — гідрофосфати, концентрація яких у ґрунтовому розчині незначна, адже вони швидко переходять у слаборозчинні та/або недоступні форми.
Тому сканер призначений лише для оперативної базової діагностики.
— За допомогою цього приладу можна дослідити багато різних показників ґрунту: наявність макро- та мікроелементів, фізичні властивості тощо. Щоб зібрати дані в Україні, AgroCares за три роки витратила 500 000 євро. Завдяки цьому зараз ми можемо порівняти отримані результати та знайти релевантні значення, — коментує співзасновник Drone.UA Валерій Яковенко, ексклюзивний дистриб'ютор AgroCares в Україні. — Принцип роботи цього приладу не можна порівнювати з іншими методами діагностики ґрунту, адже це експрес-оцінка, яка потрібна для швидкого визначення зон неоднорідності на полі та виявлення їхньої природи. На агроринку думки щодо нового методу розходяться на два табори — одні приймають його з радістю, а інші — досить обережно та скептично. Проте переважно виробники зацікавлені у цьому продукті. Один сформований звіт із рекомендаціями коштуватиме аграріям приблизно 10 — 12 євро. У ньому будуть результати вимірювання рН ґрунту, вмісту органічної речовини, загального азоту та фосфору, обмінного калію, гранулометричний склад, ємність катіонного обміну.
Замість ув'язнення
Будь-який з нині відомих способів аналізу ґрунту має свої переваги та недоліки. Класичний метод тривалий, складний та кількість досліджуваних зразків дуже обмежена. Якщо цитувати підручник з агрохімічного аналізу, там «часто неможливо зробити висновок про достовірність лише за кінцевими аналітичними результатами, оскільки сам аналіз багатостадійний і кожна зі стадій робить висновки свою похибку». Основним хімічним методом дослідження є екстракція. Інші полягають у хімічному чи термальному окисленні. Однак екстрагенти підбирають таким чином, щоб виділяти ті сполуки, які можуть бути засвоєні рослиною. Це, наприклад, стосується фосфору. Екстракція калію, кальцію та магнію є основним шляхом вилучення розчинних та обмінних форм цих елементів із ґрунту. І це плюс.
Метод ІЧ-спектроскопії визначає вміст елементів молекулярному рівні. Деякі вчені наголошували, що точність цього методу вища для органічних фракцій та елементів, що містяться в них, ніж для мінеральних. Лулева та ін. досліджували можливість визначення нітрату калію і дійшли висновку, що текстура ґрунту та його гранулометричний склад, а саме вміст глини, заважає виведенню універсальної моделі для обчислення кількості калію. Однак цей метод є мобільним. На атомарному рівні результати можуть бути більш точними, але питання, які є доступними для рослин, а які ні, так само залишається відкритим.
Однозначним є те, що використання сканера має бути в комплексі з іншими елементами точного землеробства, щоб аграрій якомога зміг визначити, що насамперед вимагає його уваги.
Коментар фахівця
Сергій Пліщак, агроном-консультант Дніпровського РСП ТОВ «УкрАгроКом»:
— Я звернув увагу на цей метод аналізу, оскільки постійно працюю з клієнтами в польових умовах, і фактично хочу отримати пристрій, який завжди буде під рукою та допоможе робити точніші рекомендації. Минулого року після презентації свого рішення компанія AgroCares запросила мене приєднатися до професійної групи дослідників для надання експертної оцінки. У період тестування я провів близько 500 аналізів і після його закінчення точно знав, що хочу й надалі використовувати цей сканер. Зазвичай я працюю з клієнтами, які мають в обробці 15-20 тис. га. Незважаючи на компактність приладу та специфічний метод його роботи, отримані результати були достовірними. У моїй роботі сканер допомагає провести діагностику швидше і мати можливість краще дослідити поле. Тепер я можу проводити діагностику найчастіше з миттєвим отриманням результатів.
Олена Нінуа, Agroexpert (Україна)
