Внедрение технологий точного земледелия: опыт Тимирязевской академии

Егор Березовский, Андрей Захаренко, Валерий Полин, РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, Москва
Точное, или прецизионное, земледелие представляет собой высшую форму адаптивно-ландшафтного земледелия, основанного на наукоемких агротехнологиях с высокой степенью технологичности. Широкое внедрение таких технологий в сельскохозяйственное производство требует повышения качественного уровня знаний и опыта специалистов-аграриев. С этой целью в Российском государственном аграрном университете – МСХА им. К.А. Тимирязева в 2007 году был создан Центр точного земледелия. Центр создан на базе «колыбели» отечественной агрономии – Полевой опытной станции, которая является старейшим научно-исследовательским учреждением России. Инициатором её основания в 1867 г. был один из основоположников научного земледелия и сельскохозяйственного опытного дела в России, профессор, первый заведующий кафедрой земледелия Тимирязевки И.А. Стебут.
Главная цель деятельности Центра – обучение студентов технологиям точного земледелия, повышение квалификации профессорско-преподавательского состава, специалистов сельскохозяйственных предприятий, внедрение разработанных учеными Тимирязевки элементов технологий точного земледелия, пропаганда передовых агротехнологий в области адаптивно-ландшафтного земледелия, передача их заинтересованным сельхозпроизводителям.
На базе Центра выполняются диссертационные, магистерские и дипломные работы, проводятся курсы повышения квалификации, популяризация и пропаганда достижений по приоритетному научному направлению точного земледелия.
Созданный Центр точного земледелия – единственный на сегодняшний день в системе аграрных вузов России учебно-научный инновационный комплекс, оснащенный уникальной современной сельскохозяйственной техникой с программным обеспечением, оборудованной спутниковой системой глобального позиционирования GPS и позволяющей обеспечить точное выполнение агротехнических приемов и агротехнологий с детальным учетом почвенно-экологических условий агроландшафта.
В соответствии с программой деятельности Центра в 2008 году был заложен полевой стационарный опыт, демонстрирующий на практике преимущества точного земледелия.
Опыт проводится с использованием современной сельскохозяйственной техники – тракторов JOHN DEERE, оборудованных системой «Автопилот», навесных агрегатов разработки компании AMAZONE, произведённых на заводе «Евротехника» в Самаре. К сожалению, отечественная техника, даже производства  Минского тракторного завода пока не соответствует требованиям, предъявляемым для ведения высокоэффективного земледелия.
Под опыт было отведено 6 га, разделённых на четыре равных участка для четырёхпольного севооборота:
1. Викоовсяная смесь;
2. Озимая пшеница с пожнивным посевом горчицы на сидерат;
3. Картофель;
4. Яровой ячмень.
Участок под каждую из культур делится на две части – для возделывания этой культуры по технологии классического земледелия (отвальная вспашка) и по технологии ресурсосберегающего земледелия (минимальная обработка или прямой посев). Изучаемые системы обработки почвы различаются между собой по степени интенсивности и характеру воздействия на почву. Выбор системы обработки почвы зависит от условий увлажнения, так как нередко в Центральном регионе России во время уборки выпадают осадки, приводящие к образованию на полях колеи от уборочной техники, что делает невозможным, например, прямой посев.
Обращаем внимание, что и картофель (вопреки общепринятому мнению о нецелесообразности этого) мы возделываем в том числе и по минимальной технологии, предполагая получить интересный результат, о чём поговорим позже, после подведения и анализа итогов уборочной 2009 года.
Каждый из участков, возделываемых по традиционной и ресурсосберегающей технологии, делится в свою очередь на два: с использованием технологий точного земледелия и без них.
И тут мы подошли к сути настоящей статьи.
Как известно, традиционная технология возделывания культур основана на использовании современной техники с соблюдением рекомендуемых режимов, сроков и нормативных показателей их выполнения.
Технология точного земледелия включает в себя три основных компонента.
Первый компонент системы точного земледелия – технологии параллельного вождения на базе системы навигации GPS, обеспечивающие точность посева, выравненность рядков зерновых, картофельных гребней и т.д. Точность простых систем, то есть опирающихся только на обычные 24 спутника, невысока – ±30 см., и использование их ограничено. Есть несколько самых распространенных способов корректировки спутниковых навигационных сигналов для достижения высокой точности. Поправки могут быть получены как от геостационарных спутников, что повысит точность до ±10 см, так и от базовой спутниковой станции РТК, расположенной в непосредственной близости от поля. Её использование реально позволило добиться отклонений в траекториях движения трактора не более 2,5 см.
Необходимо отметить, что к хорошей системе обработки спутниковых навигационных сигналов необходимо добавить соответствующую точную автоматическую систему управления, так как ни один механизатор вручную не в состоянии обеспечить требуемую точность движения. Скажем, компания JOHN DEERE уже на заводах устанавливает на свои тракторы системы типа «Автопилот», одну из которых мы и испытываем в наших опытах. Есть и другие системы подруливания, реагирующие на соответствующие навигационные сигналы. Можно установить сервопривод на рулевое управление трактора, который тоже будет автоматически управлять направлением движения машины. Мы пытались поставить такой сервопривод на трактор МТЗ-1221, но ничего не получилось из-за очень тугого руля: автоматика эту тугость воспринимает как попытку человека взять управление на себя и постоянно отключается. Сейчас на Минском тракторном заводе, насколько нам известно, начали выпускать тракторы с гидравликой производства фирмы BOSCH, и тогда, возможно, удастся поставить серворуль на тракторы МТЗ. Но это вопрос будущего.
Второй компонент системы точного земледелия – в режиме реального времени корректировка доз внесения удобрений и средств защиты растений в зависимости от состояния растений, наличия сорняков на каждом конкретном участке обрабатываемого поля. Для этого применяются специальные сканеры и сенсоры, которые в процессе работы опрыскивателя или машины для внесения удобрений корректируют количество вносимых препаратов. При традиционном земледелии, как известно, нормы внесения удобрений и средств защиты растений едины для всего поля.
Третий компонент точного земледелия – наиболее трудоёмкий и сложный, мы к нему только ещё подходим – это оценка состояния почвы каждого конкретного участка поля. Один из способов такой оценки – отбор огромного количества почвенных проб, после чего каждый образец анализируется, определяется содержание в нём азота, фосфора, калия, микроэлементов, в результате чего формируется карта плодородия каждого конкретного поля. Эта карта загружается в специальную программу SMS Advanced, формирующую задания для бортового компьютера машины для внесения удобрений. В результате на каждый квадратный метр поля будет внесено именно то количество тех удобрений и микроэлементов, которые необходимы именно этому участку. Повторимся, это весьма трудоёмкая процедура.
Есть другой способ получения того же результата, который нам представляется предпочтительнее. Можно идти от обратного и анализировать не состояние почвы, а во время уборки оценивать урожайность не в среднем, а на каждом конкретном участке. Исходя из этих данных составляется карта урожайности того или иного поля. По этой карте, зная, какие участки поля дали больший урожай, а какие меньший, можно планировать программу внесения удобрений, возвращая почве то, что мы у неё забрали.
Кстати, на основании перечисленных выше данных можно сформировать карту рентабельности того или иного участка поля. Известны случаи, когда выясняется, что одна половина поля рентабельна, а другая – убыточна. В таком случае надо задумываться над дальнейшим использованием «убыточных» участков. Мы ведём в этом направлении исследовательскую работу и по итогам сбора урожая 2009 года будем иметь первые результаты, которые непременно представим вниманию общественности.
А пока переходим к уже имеющимся результатам. Они относятся к первым двум составным частям точного земледелия – системе параллельного вождения и сканирования состояния посевов.

Параллельное вождение: «Автопилот» против маркера
Весной 2009 года во время посева ярового ячменя использовался обычный маркер и система «Автопилот», установленная на тракторе JOHN
DEERE 6920. В таблице 1 представлены данные о величине стыковых междурядий посева ячменя по маркеру и с использованием системы «Автопилот» (фото 1).




Фото 1. Навигационный прибор EZ-Guide 500 Lightbar для системы «Автопилот»


Несмотря на сравнительно хорошие средние значения отклонений (0,63 см и 2,98 см в первом повторении и 1,59 см и 2,68 см во втором соответственно), посев ячменя по маркеру (фото 2) показал большее расхождение в параметрах стыковых междурядий – от +13,75 см до –9,0 см, что может иметь негативное значение, особенно при выращивании пропашных культур. При использовании системы «Автопилот» такого существенного отклонения не наблюдалось (фото 3).


Фото 2. Вид стыкового междурядья при посеве по маркеру




Фото 3. Вид стыкового междурядья при посеве по «Автопилоту»


Необходимо отметить и ещё одно очень важное достоинство системы «Автопилот» по сравнению с маркером. При работе по системе нулевой обработки почвы след от маркера, особенно в сумерки, не очень хорошо виден. «Автопилот» же позволяет работать в круглосуточном режиме. Одно это обстоятельство может существенно повысить эффективность сельского хозяйства: два механизатора могут работать по очереди на одном тракторе без перерыва 24 часа в сутки и проводить посевную в кратчайшие и лучшие агротехнические сроки.
На фото 4 показан вид поля, на котором производился посев викоовсяной смеси в темное время суток с высокой точностью.



Фото 4. Посев, проведенный по «Автопилоту» в ночное время


В ходе экспериментов мы предприняли попытку адаптировать систему «Автопилот» под междурядные обработки картофеля. Для этого пришлось в компьютер системы «Автопилот» загрузить траектории, пройденные преды-дущими агрегатами – траектория движения картофелесажалки была загружена в задание для гребнеобразователя. Специально под картофель был выбран участок на склоне, чтобы сделать работу «Автопилота» более сложной. Надо признать, что «Автопилот» без труда справлялся с такими задачами, которые обычному механизатору было бы выполнить очень тяжело, так как трактор стаскивало вниз по склону. Системе «Автопилот» удавалось подруливать трактор, движущийся практически боком. Как результат – идеально прямолинейные гребни на склоне (фото 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11).



Фото 5 и фото 6. Посадка картофеля с использованием «Автопилота»



Фото 7 и фото 8. Гребнеобразование на посадках картофеля с использованием «Автопилота»




Фото 9 . Всходы картофеля. Посадка и гребнеобразование проводились по «Автопилоту»



Фото 10. Результаты зауженного стыкового междурядья при формировании гребней без «Автопилота»



Фото 11. Посадка и гребнеобразование без «Автопилота»

Интеллектуальное внесение удобрений и средств защиты растений

Как уже было сказано, актуальным направлением исследований технологий точного земледелия является изучение дифференцированного внесения удобрений и средств защиты растений в режиме реального времени. В Центре точного земледелия для решения поставленной задачи имеется две системы – оптический датчик RT-200 GreenSeeker (производства США) и N-Sensor ALS (Германия).
RT-200 GreenSeeker позволяет определять индекс биомассы растений (NDVI) посредством излучения света по двум длинам волн и измерения отраженного света от листовой поверхности растений (фото 12). Данный показатель можно использовать для мониторинга состояния посева, определения потенциального урожая, установления факторов стресса, воздействия вредителей и болезней.


Фото 12. Система RT-200 GreenSeeker

В таблице 2 показана зависимость индекса NDVI от количества сорняков в посевах ярового ячменя. Оптические датчики RT-200 GreenSeeker в опыте сканировали только технологические колеи



Несмотря на то, что коэффициент корреляции между количеством сорняков и индексом NDVI оказался невысоким – 0,32, данные заслуживают определенного внимания, так как именно возможность определения биомассы сорняков открывает новые направления дифференцированного внесения гербицидов. С 2009 года нами в схему опыта включены дополнительные варианты, в которых средства защиты растений вносятся в зависимости от биомассы (сорняки + культурные растения), складывающейся на конкретном участке поля.
С 2009 года на посевах озимой пшеницы нами используется N-Sensor ALS (фото 13 и 14), превосходящий по площади сканирования систему RT-200 GreenSeeker. С помощью N-Sensor ALS изучается возможность в середине вегетации, через оценку биомассы растений, определить прогнозируемый урожай каждого конкретного участка поля. Полученная информация в виде электронных карт будет обработана в программе SMS Аdvanced и сформирована в виде ГИС (глобальной информационной системы). Мониторинг посевов, а также анализ карт биомассы позволит в процессе выращивания урожая вносить корректировки в использование регуляторов роста, удобрений и т.д. А это в свою очередь обеспечит влияние, например, на качество будущего урожая. Не секрет, что проблема российского зернопроизводства – в низком качестве выращиваемого зерна. А у нас есть технологии, позволяющие в условиях московского региона получать зерно 2-3 класса.



Фото 13 и фото 14. Система N-Sensor ALS

Предварительные выводы
Таким образом, уже сейчас можно говорить, что изучаемый нами комплекс оборудования и технологий точного земледелия обеспечивает дифференцированное внесение удобрений, учитывающее пестроту почвенного плодородия и биомассу растений, средств защиты растений с учетом фитосанитарного состояния агроландшафта, проведение основных агротехнических мероприятий с использованием приборов параллельного вождения на основе спутниковой системы глобального позиционирования, обеспечивающих высокую точность выполнения агроприемов. Но наша работа ещё не завершена. С анализом её следующих этапов мы будем знакомить читателей по мере поступления новой информации ближе к зиме 2009-2010 гг.




Наша справка

Центр точного земледелия
Российского государственного
аграрного университета –
МСХА имени К.А. Тимирязева

Цели деятельности
Центра точного земледелия

- отработка на базе полевого стационарного опыта современных технологий точного земледелия;
- проведение комплексных научных исследований;
- внедрение элементов новых агротехнологий в сельскохозяйственное производство;
- освоение и внедрение разработанных учёными университета элементов технологий точного зем-леделия;
- обучение студентов, профессорско-преподавательского состава, привлечённых научных работников, практиков сферы АПК;
- организация и проведение курсов повышения квалификации.

В составе
Центра точного земледелия:

- полевой стационарный опыт по изучению технологий точного земледелия;
- лаборатория кафедры земледелия и МОД;
- эллинг с широкозахватной техникой для точного земледелия в Демонстрационном выставочной центре;
- оборудованные учебные аудитории;
- сектор по оценке эффективности технологий точного земледелия в учхозе «Муммовское» Саратовской области.


По всем вопросам вы можете обращаться по телефону: (495) 976-11-82

e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Источник: журнал "Аграрное обозрение", сентябрь-октябрь 2009