Важнейший компонент системы точного земледелия – использование специальных сканеров и сенсоров для оценки состояния посевов, последующего дифференцированного внесения удобрений и средств химической защиты растений (пестицидов) в зависимости от состояния культурных растений, наличия сорняков на отдельных участках поля.
При традиционной системе земледелия, даже при достаточно точном и обоснованном расчете необходимых доз применяемых агрохимикатов, все равно отмечается их значительный перерасход, что не только экономически невыгодно, но и создает реальную опасность загрязнения окружающей среды.
С другой стороны, агрохимический анализ почвы, которую брали на участках с различной урожайностью, показал в пробах значительные отклонения по содержанию азота, фосфора и калия, несмотря на то, что минеральные удобрения вносились достаточно равномерно. Это связано, в первую очередь, с неоднородностью почвенного плодородия, что отмечается, например, в Северо-Западном регионе и Нечерноземной зоне России.
Все это является следствием того, что растения поглощают не только вещества, вносимые при выращивании данной (сегодняшней) культуры, но и те, что накопились в почве ранее. При этом сама биологическая потребность растения в питании на том или ином участке поля может быть разной, в зависимости от его освещенности, влажности почвы, наличия сорняков и т.д.
Следовательно, при внесении постоянной дозы удобрений нельзя добиться оптимизации питания всех растений. Поэтому удобрения нужно вносить в почву дифференцированно, с учетом количества ранее накопленных в ней основных питательных веществ и ряда других характеристик конкретного участка поля. Еще большую изобретательность и гибкий подход к расчету доз нужно проявлять при борьбе с сорняками, вредителями и болезнями растений.
Внесение удобрений по технологии точного земледелия проводится дифференцированно, то есть, условно говоря, на каждый квадратный метр вносится столько удобрений, сколько необходимо именно здесь, на данном элементарном участке поля. Внесение проводится в двух режимах – офлайн и онлайн. Дифференцированное внесение минеральных удобрений на сегодняшний день является одним из ключевых элементов в точном земледелии.
Режим офлайн предусматривает предварительную подготовку на стационарном компьютере карты-задания, в которой содержатся пространственно привязанные с помощью GPS дозы удобрения для каждого элементарного участка поля. Для этого осуществляется сбор пространственно привязанных данных о границах поля и контурах неоднородности свойств. Проводится расчет дозы для каждого элементарного участка поля, тем самым формируется (в специальной программе) карта-задание.
Затем карта-задание переносится на флеш-карте (или другом носителе информации) на бортовой компьютер, оснащенный GPS-приемником и управляющим контроллером сельскохозяйственной техники. Трактор, оснащенный бортовым компьютером, двигаясь по полю, с помощью GPS определяет свое местонахождение, считывает с карты дозу удобрений, соответствующую месту нахождения, и посылает сигнал на контроллер распределителя удобрений (или опрыскивателя). Контроллер же, получив сигнал, выставляет на распределителе удобрений нужную дозу.
Режим реального времени (онлайн) предполагает предварительное проведение калибровки непосредственно на посевах перед выполнением операции, а доза удобрений определяется во время работы агрегата при его движении по полю. Калибровка в данном случае – это количественная зависимость дозы удобрения от показаний датчика, установленного на сельскохозяйственной технике, выполняющей операцию.
Одним из таких датчиков является Hydro-N-Sensor производства фирмы Yara©, который в инфракрасном и красном диапазонах излучения определяет содержание хлорофилла в листьях и рассчитывает по этим показателям относительную биомассу. На основании этих данных, а также данных по сорту и фазе развития (фенофазе) растения определяется доза азотных удобрений. Помимо использования Hydro-N-Sensor, также используется портативный прибор N-tester, определяющий азотный статус растения и позволяющий рассчитать рекомендуемую дозу внесения удобрений по калибровочным таблицам для разных сортов. Результаты выполнения операции внесения удобрений онлайн (дозы и координаты, обработанная площадь, время выполнения и фамилия исполнителя) записываются на чип-карту.
В режиме онлайн бортовой компьютер получает данные от датчика, сравнивает их с определенными и записанными в память значениями, полученными во время калибровки, и посылает сигнал на контроллер по той же схеме, что и в режиме офлайн. В настоящее время активно ведутся разработки различных датчиков, позволяющих использовать режим онлайн. Это оптические датчики, работающие в диапазонах разных длин волн, определяющие содержание азота в листьях, засоренность посевов, а также развитие болезней посевов.
Отмечается колоссальная польза совместного использования сенсоров и систем навигации при разбрасывании и опрыскивании. В отличие от посева и почвообработки, где визуально заметна обработанная площадь, на этих операциях механизатору ориентироваться на предыдущие проходы значительно сложнее. По старинке в хозяйствах пользуются колышками-маркерами, используют помощь сигнальщиков с флажками или фонариками, указывающими направление движения соответственно при дневном и ночном опрыскивании. Курсоуказатели позволяют не только уйти от этих устаревших методов, но и отказаться от различных видов маркеров, стоимость которых иногда превышает стоимость навигационных приборов.
Навигационное оборудование разрабатывалось для параллельного вождения (исключение пропусков обработанных площадей и их перекрытий), т.е. основная экономия происходит именно на данном этапе. Так, в ходе работы традиционным (глазомерным) способом было выявлено, что при внесении минеральных удобрений и обработке посевов средствами защиты растений ввиду отсутствия маркеров на разбрасывателях и опрыскивателях получены следующие данные: на 11% площади поля были перекрытия, т.е. на этих участках была внесена двойная норма минеральных удобрений и средств защиты растений. Посевы на этих участках были угнетенными либо получили ожог (на 4% площади поля).
Там, где были допущены пропуски (15% площади поля), урожайность была ниже, чем на нормально обработанных участках, т.е. на 15% площади поля была не соблюдена норма внесения и недополучена прибыль.
Кроме того, необходимо отметить, что при использовании систем автоматического вождения происходит повышение рабочей скорости на 13–20% благодаря концентрации тракториста только на технологическом процессе.
В Центре точного земледелия РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева для сканирования посевов используются оптический датчик RT-200 GreenSeeker® (США) и N-Sensor® ALS (Германия).
Принцип работы сенсорных датчиков основан на измерении индекса NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) – нормализованного относительного индекса растительности – простого показателя количества фотосинтетически активной биомассы (обычно называемого вегетационным индексом). Это один из самых распространенных и используемых индексов для количественных оценок растительного покрова.
Будучи искусственным безразмерным показателем, NDVI предназначен для оценки эколого-климатических характеристик растительности, но в то же время может показывать значительную корреляцию с некоторыми параметрами из совсем другой области:
- продуктивностью (временные изменения);
- биомассой;
- влажностью и минеральной (органической) насыщенностью почвы;
- испаряемостью (эвапотранспирацией);
- объемом выпавших осадков;
- мощностью и характеристиками снежного покрова.
Зависимость между этими параметрами и NDVI, как правило, непрямая и связана с особенностями исследуемой территории, ее климатическими и экологическими характеристиками. Кроме этого, часто приходится учитывать временную задержку параметра и ответной реакции NDVI.
Система GreenSeeker снабжена активным источником излучения, излучаемого в диапазоне 600 нм (красный) и 780 нм (близкий к инфракрасному). Часть отраженного света попадает на фотодиоды, где измеряется его количество. После вычисления на компьютере выдается индекс вегетации, который служит показателем плотности травостоя и его жизнеспособности. Бортовой компьютер позволяет вычислять и изменять норму внесения.
Алгоритмы для внесения удобрения с региональной спецификой разработаны американской компанией для США и используются на озимой пшенице, вскоре ожидается появление версий для кукурузы и ячменя. Возможна самостоятельная разработка алгоритма внесения удобрений или средств защиты растений.
Например, перед проведением ранневесенней подкормки озимых необходимо на поле выделить и просканировать три (можно и более) участка. Показателям NDVI на плохом участке, где посев изрежен из-за зимнего выпревания и уже заведомо не будет получено хорошего урожая, присвоить норму внесения удобрений, равную нулю. Среднему участку со средними значениями NDVI – максимальную дозу азотных удобрений для провокации кущения, а самому хорошему участку поля с максимальными показаниями NDVI – среднюю дозу удобрений, чтобы дать оптимальную подкормку и в то же время снизить вероятность полегания.
Система GreenSeeker представляет собой несколько оптических датчиков, которые равномерно располагаются вдоль штанги опрыскивателя. Датчики можно устанавливать впереди или позади штанги. «Направление» датчика не имеет значения. Таким образом, прямоугольное светодиодное окошко может быть расположено как параллельно, так и перпендикулярно направлению движения. Рабочий луч прибора направлен перпендикулярно поверхности почвы.
Каждый из этих датчиков имеет свой источник излучения и может использоваться в любое время суток. Таким образом, система GreenSeeker измеряет индекс вегетации биомассы NDVI, затем сравнивает полученное значение с заданным алгоритмом и в режиме реального времени определяет, сколько азотных удобрений надо внести на данном участке поля. Кроме того, если подключить приемник GPS, то в память компьютера можно занести значение индекса NDVI с привязкой к местности, а затем составить карту его распределения.
Индекс NDVI можно использовать для мониторинга состояния посевов, определения потенциального урожая, установления факторов стрессовых ситуаций, воздействия вредителей и болезней.
Системой с большей площадью сканирования, выполняющей аналогичную работу, но с несколько иным принципом действия является N-Sensor, который также используется для сканирования растений. Информация, получаемая при эксплуатации указанных приборов, представляется в виде электронных карт, обрабатывается при помощи компьютерной программы SMS Advanced и представляется в виде ГИС (геоинформационной системы).
Особенно важно использование сенсорных датчиков при внесении азотных удобрений в виде подкормок, применение которых является решающим фактором для получения высоких урожаев и улучшения качества сельхозпродукции. Равномерное по площади внесение удобрений при неоднородном составе питательных веществ в почве приводит к их локальной передозировке или недостаточности.
Следовательно, удобрения необходимо вносить в соответствии с потребностями растений, что обеспечивает оптимальную эффективность их использования. Дифференцированное внесение минеральных удобрений – один из важнейших экономических и экологических аспектов точного земледелия. Применение данной технологии и оборудования позволяет значительно сократить затраты на удобрения, т.е. вносить их в зависимости от потребности культурных растений, а также обеспечивает оптимальное содержание питательных веществ в почве.
Авторы:
Балабанов В.И., Березовский Е.В., Беленков А.И., Железова С.В.
Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева
