CC BY
74
ПЛОДОРОДИЕ
УДК 631.58.551.5
Электронная карта урожайности как информационная основа прецизионного внесения удобрений
В.П. ЯКУШЕВ, член-корреспондент РАСХН, директор
В.В. ЯКУШЕВ, кандидат технических наук, руководитель сектора
Л.Н. ЯКУШЕВА, кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник В.М. БУРЕ, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Агрофизический институт (АФИ) Е-таН^Ясе@адгорЬуз.ги
Рассмотрена прецизионная технология внесения мнеральных удобрений и мелиорантов. Информационной основой для расчетов в этой технологии служит электронная карта урожайности поля.
Ключевые слова: плодородие, почва, электронная карта, минеральные удобрения.
Точное земледелие получило развитие в мире в начале девяностых годов прошлого века. Это прогрессивное научно-производственное направление основывается на использовании комплекса технологий и поддерживается самыми последними достижениями не только в традиционных отраслях агрономической науки, но и других наук, на первый взгляд далеких от специфики сельскохозяйственного производства.
До сих пор учет материально-технических затрат на производство растениеводческой продукции про-о водился, как правило, относительно 8 всего земельного участка, всей так-« сономической единицы - поля. Про-2 странственная и временная изменчи-| вость почвенных характеристик и ^ микроклимата этого участка в силу ¡3 ряда причин в расчет не принима-| лась. В настоящее время, когда ин-
ш формационные технологии глубоко со
16
внедряются во все сферы человеческой деятельности, не использовать этот ресурс при производстве сельскохозяйственной продукции было бы нерационально.
В основу точного земледелия легло дифференцированное применение энергетических затрат в пределах поля. В тех случаях, когда применение точного земледелия на том или ином участке оправданно, эта технология позволяет сделать качественный и количественный прорыв в получении оптимального урожая сельскохозяйственных культур [1]. Для развития и внедрения в практику принципов точного земледелия необходимы минимум три условия:
- четкое представление о важности пространственной и временной изменчивости почвенно-климати-ческих показателей как факторов урожайности в пределах отдельного поля и по полям в пределах отдельного агроландшафта;
- возможность идентифицировать и количественно определять такую изменчивость;
- техническая возможность дифференцированно воздействовать на почву и посевы, увеличивая при этом рентабельность производства и качество продукции при неизменном сохранении безопасности окружающей среды.
Распознать пространственную и временную изменчивость факторов плодородия участка (пестроту почвенного покрова и динамику микроклиматических особенностей) на самом деле не так уж сложно. Это можно сделать даже с помощью практических наблюдений и интуиции земледельца. Однако сегодня уже существуют более эффективные методы оценки неоднородности влияющих на урожайность природных факторов. К примеру, навигационное
оборудование и датчик интенсивности поступления убираемого урожая в бункер, смонтированные на уборочной технике, помогают построить достаточно точную карту урожайности, которая позволяет объективно оценить природно-климатические условия произрастания той или иной культуры на данном поле.
Особое место в точном земледелии занимает система применения в севообороте минеральных удобрений и химических мелиорантов. По сложившейся практике этот рычаг воздействия на почвенное плодородие является самым действенным, и потому ожидаемая эффективность дифференциации данного приема также весьма высока. В перспективе сплошное внесение удобрений, приводящее зачастую к их передозировке на одном участке и нехватке на другом, будет заменено прецизионным, способным дать посевам ровно столько питательных веществ, сколько нужно в зависимости от по-чвенно-микроклиматических условий сельскохозяйственного угодья. Такой принцип применения удобрений и других агрохимикатов должен стать неукоснительным законом, так как сила антропогенного влияния этого приема на величину и качество урожая, а также окружающую среду очень велика.
Сегодня прецизионное применение агрохимикатов не только становится необходимым, но и создаются предпосылки для его успешного осуществления. Во-первых, высокая стоимость минеральных удобрений и средств химической защиты растений заставляет вести поиски режимов чрезвычайно экономного их расходования. Во-вторых, с каждым годом ширится производство достаточно эффективных технических средств осуществления этой технологии: бортовых компьютеров, специальных туковых сеялок, разбрасывателей, опрыскивателей, сенсоров. В-третьих, на рынке появилось специализированное программное обеспечение бортовых компьютеров и средств навигации, позволяющее создавать пространственно ориентированные карты урожайности и основных почвенно-агрохимических
характеристик участка. Эти карты, как правило, имеют высокую точность (около I м) и служат важным инструментом для дифференцированного внесения минеральных и органических удобрений, а также обработки посевов средствами защиты растений. И наконец, уже активно используются на практике так называемые N-сенсоры, позволяющие в режиме реального времени определять и удовлетворять потребность сельскохозяйственной культуры в азотном питании. Кроме того, отечественной наукой опробываются методы дистанционного зондирования полей с самолетов и искусственных спутников, которые позволяют выделять однородные зоны по цвету пашни или посевов.
Рассмотрим технологию дифференцированного применения удобрений в системе точного земледелия более подробно. Существует два режима осуществления этой операции: off-line и on-line. Режим on-line используется в настоящее время в основном для подкормки посевов азотными удобрениями в реальном режиме времени. Для точного внесения минеральных удобрений при основной заправке почвы используется режим off-line, предусматривающий предварительное планирование [2].
Использование режима off-line предполагает заблаговременную подготовку на стационарном компьютере электронной карты-задания, на которой отображена картина пространственного расположения в системе координат необходимых норм внесения минеральных удобрений по всему полю в зависимости от объективных почвенно-агрохи-мических показателей. Эта карта может иметь довольно выраженную мо-заичность, но может представлять собой и вполне однородный массив. Для сбора исходных данных используются различные информационная и техническая базы, позволяю-
щие рассчитывать дозы вносимых удобрений и определять границы технологических зон внутри заданного поля.
В Агрофизическом институте разработана и осуществлена опытно-производственная проверка пяти прецизионных технологий внесения минеральныхудобрений и мелиорантов, которые охватывают весь возможный спектр информационного обеспечения применения минеральных удобрений и химических мелиорантов при проведении агрохимических, агробиологических, реабилитационных, мелиоративных и других мероприятий [3].
Особый интерес представляют технологии, где информационной основой для последующих расчетов служит электронная карта урожайности заданного поля. Карта формируется автоматически с помощью уборочной техники, оснащенной специальными датчиками и приемником системы глобального позиционирования. Информация, отраженная в ней, характеризуется, как правило, большим числовым массивом, в котором заключены данные об урожайности на участках поля с определенными координатами.
Получение такого рода картографического материала дает возмож-
Основные этапы информационного обеспечения прецизионной технологии внесения удобрений на основе электронной карты урожайности
U ф
2
Ф Ь Ф
s
ф
ы
P
о о
(О
3 Земледелие 3
17
ность анализировать неоднородность главного показателя производственной деятельности - урожайности -что, безусловно, имеет уникальное значение для производителя, так как позволяет судить о степени обеспеченности продукционного процесса необходимыми факторами роста и развития растений.
Остановимся на этой технологии более подробно. На рисунке схематично представлены основные этапы технологии информационного обеспечения прецизионного внесения минеральных удобрений, апробированной на научно-производственных посевах опытной станции Агрофизического НИИ (Гатчинский район Ленинградской области). В частности, исходная электронная карта (рис. I на 3 стр. обл.) получена с помощью зернового комбайна Class Dominator ©, оснащенного датчиками влажности зерна и интенсивности зернового потока при обмолоте, а также приемником системы глобального позиционирования.
Эта карта получена на посеве яровой пшеницы в 2008 г., состоящем из совокупности небольших элементарных участков, площадь S которых в системе мониторинга урожайности рассчитывается по формуле:
s a L ■ (V . ДТ),
где L - ширина захвата жатки, м; V - скорость движения комбайна, м/с; ДТ - интервал регистрации местоположения комбайна, с.
В рассматриваемом случае величины L, V, ДТ равны соответственно 4,27 м; 1,3 м/с и S,0 с. По каждому элементарному участку электронной карты в момент уборки автоматически фиксируются глобальные координаты его центра и величина фактической урожайности на нем.
На втором этапе исходная электронная карта обрабатывается специальной программой [4], которая в соответствии с урожайностью на локальных участках выделяет однородные технологические зоны - кластеры. В основу решения задачи кластеризации положен метод разделения смеси вероятностных распределений, при котором отдельные компоненты моделируются нормальны-о ми распределениями с различными ® параметрами. При этом математичес-« кое ожидание соответствует средней z урожайности с участка внутри одной g зоны, а дисперсия характеризует раз-¡3 брос внутри зоны однородности [S]. ■з Выходными данными являются s два файла в формате ESRI®
§ Shapefite. Один из них содержит косо
18
ординаты центра элементарного участка, урожайность этого участка и номер зоны (кластера), другой отражает пространственное расположение однородных технологических зон на всем сельскохозяйственном поле (рис. 2 на 3 стр. обложки).
Важный шаг в информационном обосновании операции внесения удобрений - выбор схемы агрохимического обследования поля [6]. Если производитель имеет детальные картограммы содержания питательных веществ в почве и кислотности участка, специальных исследований пахотного горизонта можно не проводить. Карта урожайности, наложенная на имеющийся картографический материал по обеспеченности почвы основными питательными веществами и микроэлементами, позволяет путем обычных балансовых расчетов определить потребность сельскохозяйственной культуры в удобрениях. Если данные такого обследования отсутствуют, то провести его целесообразно с учетом имеющихся кластеров, рассматривая их как относительно однородные зоны и по агрохимическим свойствам.
На рисунке 3 (см. 3 стр. обл.) представлена схема агрохимического обследования земельного участка по выделенным однородным технологическим зонам карты урожайности. Перед выездом в поле необходимо определить оптимальный маршрут движения механизированного пробоотборника, оснащенного бортовым компьютером и приемником GPS, который отображается на схеме линией. С каждого кластера отбирается один объединенный почвенный образец, состоящий из многих отдельных проб, взятых по маршруту следования в максимальной степени равномерно с четкой фиксацией координат. Количество отобранных объединенных проб должно соответствовать количеству выделенных на карте урожайности однородных зон. Почвенные пробы незамедлительно поступают в агрохимическую лабораторию на анализ. В дальнейшем по результатам проведенных анализов для каждого кластера по известным методикам [7, 8] автоматически рассчитывается потребность в тех или иных удобрениях. Одновременно формируется электронная карта-задание для этого поля на их внесение [3].
На рисунке 4 ( см. 3 стр. обл.) представлена электронная карта-задание на внесение калийных удобрений под картофель на 2009 г. Важно от-
метить, что норма внесения определяется в зависимости от того, к какой технологической зоне относится тот или иной участок поля. Затем карта записывается на чип-карту, переносится на бортовой компьютер трактора, который по ходу движения агрегата будет автоматически на основании задания и данных СРЭ-при-емника вносить удобрения в нужных количествах в нужном месте.
Итак, мы кратко рассмотрели основные этапы информационного обеспечения прецизионной технологии внесения удобрений на основе электронной карты урожайности. Наличие подобной информации, получаемой автоматически при уборке урожая, позволяет значительно снизить расходы на агрохимическое обследование, которое в точном земледелии должно проводиться особенно тщательно. На начальном этапе количество отбираемых почвенных образцов для анализа, как правило, равняется количеству элементарных участков на площади поля. Для каждого обследуемого поля их количество, размеры и конфигурация определяются индивидуально. В зависимости от зоны, почвенного покрова и истории участка этот этап чрезвычайно важен.
Исходя из отечественного и зарубежного опыта, размер участка, как правило, составляет 1-3 га [9], а количество индивидуальных проб для смешанного образца, должно быть не менее 20-30. Чем сложнее рельеф и история участка, тем на большее количество элементарных участков он разбивается, тем больше берется смешанных образцов, анализ которых в специализированных аттестованных лабораториях в настоящее время довольно дорог.
Используя карту урожайности как основу для отбора проб на агрохимический анализ можно построить агрохимическую картограмму поля. Это намного сократит затраты на почвенное обследование, так как сокращается количество анализируемых проб. Как правило, на карте урожайности выделяется не более пяти однородных технологических зон, отличающихся по своей продуктивности: благоприятные, хорошие, удовлетворительные, неблагоприятные и плохие.
Конечно, этот метод не лишен недостатков, так как на то, чтобы определить более или менее точно очерченные однородные зоны плодородия для всех культур севооборота, понадобится время. Общеизве-
стно, что сельскохозяйственные культуры по-разному отзываются как на факторы плодородия, так и на погодные условия. К примеру, карта урожайности озимой пшеницы будет отличаться от карты урожайности на этом участке овса, поскольку требования к плодородию почв и погодным условиям у них разные. Разработанная карта-задание под урожай следующего года будет, конечно, ориентироваться на данные урожая предыдущей культуры, что может привести к смещению контуров. Эти коррективы неизбежны, однако, общей картины продуктивности участка они исказить не смогут, поскольку урожайность, главным образом, зависит от плодородия пахотного слоя. По мере накопления опыта построения карт урожайности, интерполяции их данных, идентификации по годам с разными климатическими условиями, мониторинга эффективности применения минеральных, органических удобрений и микроэлементов в севообороте их репрезентативность будет возрастать.
Карты урожайности широко взяты на вооружение в Германии, Нидерландах, Китае и других странах, где точное земледелие давно практикуется, особенно в крупных хозяйствах. Там они стали самой востребованной картографической основой для управления сельскохозяйственным производством. Их наличие являет-
ся, как правило, незаменимым инструментом для анализа причин внутриполевого варьирования урожайности.
Литература
1. Ancha Srinivasan, PhD (Ed.) "Handbook of Precision Agriculture: Principles and Applications". Food Product Press. 2006, 656 p.
2. Якушев В.П., Якушев B.B. Информационное обеспечение точного земледелия. - СПб.: Изд-во ПИЯФ РАН, 2007. - 384 с.
3. Отчет НИР по контракту №957/13 от 11.08.2006 г. «Разработка системы комплексного проведения агрохимических, агробиологических, реабилитационных, фитосанитарных противоэрозион-ных мелиоративных мероприятий, регулирующих плодородие земель сельскохозяйственного назначения; ресурсосберегающих технологий и технических средств для производства, хранения и внесения высокоэффективных экологически безопасных удобрений и мелиорантов». - СПб: АФИ, 2007. - 130 с.
4. Буре В.М., Петрушин А.Ф., Якушев В.В. Автоматизированная система стохастического выделения однородных технологических зон на сельскохозяйственном поле по данным урожайности/Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2008614663, 29.09.2008г.
5. Якушев В.П., Буре В.М., Якушев В.В. Выделение однородных зон на поле по урожайности отдельных участ-ков//Доклады Россельхозакадемии,
2007, № 3, с. 33-37.
6. Якушев В.П., Якушева Л.Н., Суханов П.А. и др. О методах агрохимического обследования сельскохозяйственных угодий в точном земледелии// Вестник РАСХН, 2004, № 3, с. 32-34.
7. Небольсин А.Н. и др. Научно-методические основы оптимизации доз удобрений под основные сельскохозяйственные культуры по агрономическим, экономическим и экологическим параметрам. - СПб: ЛНИИСХ, 2003.
8. Интегрированное применение удобрений в адаптивно-ландшафтном земледелии в Нечерноземной зоне Европейской части России (Практическое руководство). - М.: ВНИИА, 2005. - 160 с.
9. Методика отбора почвенных проб по элементарным участкам поля в целях дифференцированного применения удобрений. - М.: ВНИИА, 2007. - 36 с.
Electronic map of yield as informational basis of precision applying of fertilizers
V.P. Yakushev, V.V. Yakushev, L.N. Yakusheva, V.M. Bure
Precision technology of mineral fertilizers and meliorant's applying is considered. Electronic map serves as information basis for calculations in this technology. Keywords: fertility, soil, electronic map, mineral fertilizers.
Основные направления научной работы
11-13 февраля в Москве состоялось общее годичное отчетное собрание Российской академии сельскохозяйственных наук (фото на 2 стр. обложки).
Ученые, приехавшие из всех регионов России, обсудили итоги деятельности Россельхозакадемии в 2008 г. Открывая собрание, Президент РАСХН Г.А. Романенко отметил, что научно-исследовательские учреждения академии на высоком методическом уровне выполняли работы, определенные Программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006-2010 гг. и другими программами.
Большая научная работа прове-
дена, в частности, Отделением земледелия, в результате чего разработаны предложения по государственной стратегии предотвращения распространения различных видов деградации почвы, а также восстановления продуктивности земель сельскохозяйственного назначения. Проведена оценка агроэкологического состояния и перспектив использования земель, выбывших из активного сельскохозяйственного производства. Внесены предложения по совершенствованию организационно-экономического и правового регулирования земельных отношений и контроля за использованием и мониторингом земель сельсхозназна-чения. Разработаны адаптивно-ландшафтные системы земледелия для сельхозпроизводителей различных регионов страны. Подготовлена программа формирования внутреннего рынка минеральных удобрений, известкования и фосфоритования почв, созданы новые приемы комплексного использования средств химизации.
Президиум академии рекомендовал отраслевым отделениям сконцентрировать внимание на важнейших проблемах, в числе которых создание новой схемы природно-экологического районирования, классификации земель, положения по проведению агроэкологическо-го мониторинга земель, создания методики их кадастровой оценки; разработка адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агротех-нологий возделывания сельскохозяйственных культур различного уровня интенсификации; обоснование приемов управления продуци-онным процессом сельскохозяйственных культур агрохимическими средствами; создание и усовершенствовании технологий использования органических удобрений; создание тестовых полигонов для мониторинга состояния почв с использованием методов дистанционного зондирования.
U ф
s
ä
ф
s
ф
ä
s
ф
w
P
о о
(О
lëîäîÔîäèâ.p65
22.03.2009, 18:28
19
