CC BY
57УДК 631.816
Дифференцированное внесение азотных удобрений на основе данных дистанционного зондирования земли с беспилотных летательных аппаратов
Е.В. БЕРЕЗОВСКИЙ, ФГБОУВО РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева H.A. ПРОКОФЬЕВ, ООО «Геоскан» (e-mail: n.prokofiev@geoscan.aero) А.Н. ТЕЛЫШЕВ, ЗАО «Откормочное»
Пшеница — одна из основных сельскохозяйственных культур. По данным ФГБУ «Центр оценки качества зерна», в 2016 г. валовой сбор пшеницы в Российской Федерации составил 73 268 тыс. т, или 63% общего количества зерна. В то же время пшеница 3-го класса (т.е. зерно, пригодное для производства хлебопекарной муки без добавления улучшителей или более высокобелкового, «сильного» зерна) составила всего 22,3% валового сбора мягкой пшеницы, что является самым низким относительным значением за последние пять лет. Одна из возможных причин низкого качества пшеницы в урожаях последних лет — использование современных интенсивных и высокоурожайных сортов. Исследования генотипа пшениц показали, что признак «суммарное содержание белка» является полигенным, кроме того, обнаружена отрицательная корреляция между содержанием белка в зерне и урожайностью (Ва1уап et а1., 2013). Опыты, проведённые на Полевой опытной станции РГАУ-МСХА с 1994 по 2005 г., свидетельствуют, что при возделывании озимой пшеницы на дерново-подзолистых почвах Центрального Нечерноземья при любом уровне урожайности можно ежегодно получать зерно продовольственного назначения (Березовский, 2005). При этом проведение нескольких азотных подкормок является обязательным условием. Значимых результатов достигли сотрудники Агрофизического института на полях Меньковской опытной станции, с 2007 г. неоднократно получая пшеницу 2-го класса (пригодную для самостоятельного хлебопечения) в условиях Ленинградской области за счёт внедрения элементов точного земледелия. Таким образом, есть основания полагать, что путём оптимизации азотного питания пшеницы возможно как увеличение урожайности, так и повышение качества зерна.
Для распределения удобрений современная техника позволяет производить подкормки дифференцированно, в соответствии с картами предписаний. Соответственно, одной из задач при подготовке к подкормке является определение пространственной неоднородности развития растений внутри поля. Одним из решений данной задачи представляется применение беспилотных летательных аппаратов, оснащённых аппаратурой для дистанционного зондирования земли (ДЗЗ).
Для проведения опыта было выбрано два поля, засеянных озимой пшеницей, в хозяйстве ЗАО «Откормочное» (Тульская область). Сбор данных включал в себя проведение аэрофотосъёмки в видимом и ближнем ИК-диапазонах и наземные наблюдения. Аэрофотосъёмка проводилась трижды: в апреле (перед первой подкормкой), мае (перед второй подкормкой) и в июне. В качестве носителя аппаратуры использовались беспилотные летательные аппараты (БПЛА) «Геоскан». Фотограмметрическая обработка выполнялась в ПО Agisoft Photoscan. Результаты аэрофотосъёмки — ортофотопланы и карты вегетационного индекса — загружались в геоинформационные системы, после чего производилось сравнение оперативных данных (БПЛА) с данными прошлых лет (композит космических снимков). Сравнение с архивными снимками необходимо для того, чтобы различать участки, на которых повышенный или пониженный вегетационный индекс (ВИ) наблюдается из года в год от участков, где отклонения в вегетации наблюдаются только в текущем сезоне (рис. 1). На основании вышеперечисленной информации были выбраны участки для наземных наблюдений (далее — участки № 1 и № 2), которые, помимо визуальной оценки состояния растительности и наличия болезней, включали в себя подсчёт количества растений
на единицу площади и оценку потребности растений в азоте с помощью прибора N-Tester. Результаты измерений на участках № 1 и № 2 проиллюстрированы на рис. 2.
Следующим этапом подготовки данных является классификация по значению вегетационного индекса и преобразование исходных растровых данных в векторные карты предписаний. Для этой задачи использовалась ГИС «Спутник Агро». Данное ПО использует алгоритм расчёта зональной статистики по прямоугольной сетке, в качестве параметров задаются размеры прямоугольной ячейки и наклон сетки. При классификации границы классов указываются вручную на гистограмме. Ячейки, принадлежащие одинаковым классам, автоматически группируются в полигоны. Дозу внесения удобрений для каждого класса определяет агроном в соответствии с выбранной стратегией подкормки. Введённые значения записываются программой в атрибуты полигонов. Результатом обработки является файл в формате
Shapefile, совместимый с универсальными терминалами Amatron 3. Для внесения удобрений использовался высокопроизводительный распределитель Amazone ZG-B 8200.
В рассматриваемом опыте при расчёте доз удобрений использовалась методика, разработанная в Тимирязевской академии (рис. 3). На сильно изрежен-ных участках, т.е. там, где количества растений недостаточно для получения хорошего урожая и ситуацию уже не исправить (см. рис. 3, ^ева от вертикальной линии), применяется минимальная доза удобрений. По мере увеличения количества растений доза азотных удобрений увеличивается вплоть до максимальной для усиления кущения. Поскольку внесение повышенных доз азотных удобрений повышает вероятность полегания растений, на участках с высоким вегетационным индексом доза удобрений снижается (см. рис. 3, правую часть графика).
Карты-задания для первой и второй подкормок показаны на рис. 4. Первая подкормка проводилась
Рис. 1: а) карта ВИ, полученная с помощью БПЛА с выделенными участками № 1, № 2; б) пятилетний композит карт ВИ, полученных по спутниковым снимкам
Рис. 2. Показания прибора N-Tester: а) на участке № 1 (475растений/м2); б) на участке № 2 (687растений/м2)
Количество внесения азота Граница проблемного участка
Максимальная
дозировка Рекомендуемая дозировка Калибровка
Минимальная дозировка
Показания сенсора
Рис. 3. Экспериментальный алгоритм внесения азотных удобрений на озимой пшенице по рекомендациям прибора N-tester в зависимости от биомассы посевов
Рис. 4: а) карта задания для первой подкормки, т/га; б) карта задания для второй подкормки, кг/га. Овалом выделена область, показанная на рис. 5
а
№ 10 • 2017 САХАР 23
а б
Рис. 6: а) карта урожайности; б) средняя урожайность по выделенным парам участков
дифференцированно на всём поле, в среднем по полю доза аммиачной селитры составила 150 кг/га. При второй подкормке на части поля был заложен контрольный участок с фиксированной нормой 150 кг/га. Остальная часть поля обрабатывалась дифференцированно, и среднее количество вносимого удобрения на этом участке составило 59,9 кг/га. На рис. 5 приведён фрагмент ортофотоплана (съёмка 6 июня), на котором видно, что внесение удобрений на хозяйственном фоне привело к полеганию растений (одна из причин — избыточное азотное питание).
Уборка проводилась комбайнами John Deere S690. Каждый комбайн оборудован датчиками урожайности и влажности, что совместно с наличием навигационной системы и бортового компьютера позволяет вести картирование урожайности при уборке. Карта урожайности, а также сравнение средней урожайности по выборке из 20 пар опытных и контрольных участков, приведены на рис. 6. Проанализировав данные среднего урожая на опытных и контрольных участках, можно отметить повышение сбора зерна на участках с дифференцированным внесением азотных удобрений по сравнению с классическим методом единой нормы. Средняя прибавка урожайности в варианте дифференцированного внесения азотных удобрений составила 0,345 т/га в сравнении с урожайностью контрольных участков (постоянная норма). Данная прибавка обусловлена как выравниванием фитомассы растений, так и меньшим полеганием пшеницы на участках с дифференцированным внесением.
Рассматривая полученные данные с экономических позиций, можно отметить два момента:
— в варианте дифференцированного метода средняя норма внесённых удобрений меньше на 90,1 кг/га по сравнению со стандартным способом;
— как отмечалось выше, получен дополнительный урожай в количестве 3,45 ц/га.
Рис. 5. Увеличенный фрагмент ортофотоплана (съёмка 6 июня), полегание в области с нормой внесения 150 кг/га
При стоимости удобрений в 13,9 тыс. р/т и цене реализации зерна 10 тыс. р/т суммарная дополнительная прибыль в сравнении с методикой внесения азотных удобрений, применяемых в хозяйстве, составила 4 978 р/га.
Список литературы
1. Оценка качества зерна урожая 2016 года. — ФГБУ «Центр оценки качества зерна». Режим доступа: http://www.fsvps.ru/fsvps-docs/ru/news/files/20306/grain_ presentation.pdf
2. Balyan, H.S. Genetic improvement of grain protein and other health-related constituents of wheat grain / H.S. Balyan [and oth.]. — Plant Breeding, 2013. — Available at http:// wileyonlinelibrary.com. DOI 10.1111/pbr.12047
3. Березовский, Е.В. Влияние азотных удобрений на урожайность и качество зерна озимой пшеницы / Е.В. Березовский // Материалы Междунар. научн. конф. «Агроэко-логическая эффективность применения средств химизации в современных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур». — М., 2005.
Аннотация. Рассмотрен вопрос подкормки озимой пшеницы азотными удобрениями в соответствии с концепцией координатного земледелия. В качестве основного источника пространственных данных использованы беспилотные летательные аппараты «Геоскан», оснащённые цифровыми фотокамерами для аэрофотосъёмки в видимом и ближнем инфракрасном участках спектра. В работе принимали участие сотрудники ЗАО «Откормочное», Полевой опытной станции РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева и ООО «Геоскан». Kпючевые слова: БЛА, БПЛА, ДЗЗ, точное земледелие, подкормка, дифференцированное внесение. Summary. The report contains the results of field tests with variable rate nitrogen fertilization on winter wheat. As the main source of spatial data the Geoscan unmanned aerial vehicles, equipped with digital cameras for aerial photography in the visible and near infrared bands, were used. The report is a result of collaborative work between Otkormochnoe CJSC, Moscow Timiryazev Agricultural Academy and Geoscan LLC.
Keywords: UAV, remote sensing, precision agriculure, fertilization, variable rate
