CC BY
143
УДК 631.58:631.421.1
Реализация элементов точного земледелия в полевом опыте
А.И. БЕЛЕНКОВ, доктор сельскохозяйственных наук, профессор
А.Ю. ТЮМАКОВ, аспирант Сабо Умар Магаммед, аспирант
РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, ул. Тимирязевская, 49, Москва, 127550, Россия
E-mail: [email protected]
Исследования проводили с целью освоения и адаптации основных составляющих элементов точного земледелия в условиях Центра точного земледелия РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева применительно к Центральному району Нечерноземной зоны РФ. Оригинальность работы заключается в том, что на базе стационарного полевого опыта традиционное земледелие сравнивается с новой технологией, основанной на использовании современной сельскохозяйственной техники, навигационного оборудования и программного обеспечения. К числу определяющих элементов технологии точного земледелия относится посев с использованием корректирующего навигационного оборудования, то есть автопилота. Технология точного земледелия не только обеспечивает практически такую же урожайность зерновых культур, что и традиционная, но и позволяет создавать более качественную структуру посевов, сокращать расход семян на 10-15%, минеральных удобрений и средств химической защиты растений - на 15-20%, проводить агротехнические мероприятия в различных условиях, в том числе ночью. Лучшая конструкция ценозов зерновых культур формировалась при посеве с использованием автопилота. Подкормку озимой пшеницы целесообразно сочетать с предварительным определением плотности и густоты стеблестоя, основанным на сравнении показателей индекса NDVI. Урожайность озимой пшеницы и ячменя в меньшей степени зависела от технологии возделывания: на нее больше влияли обработка почвы и подкормки под первую культуру. В среднем за годы исследований урожайность озимой пшеницы равнялась 4,2-4,7 т/га, ячменя - 4,2-4,5 т/га.
Ключевые слова: точное земледелие, система GPS, автопилот, дифференцированное внесение удобрений и пестицидов, картирование урожая, электронные карты урожайности.
Для цитирования: Беленков А.И., Тюма-ков А.Ю., Сабо Умар Магаммед. Реализация элементов точного земледелия в полевом опыте // Земледелие. 2015. № 3. С. 37-39.
В 2007 г в рамках инновационного общеобразовательного проекта в РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева на базе Полевой опытной станции был создан научный Центр точного земледелия. Его основу представляет полевой опыт по сравнительному изучению точного и традиционного земледелия. Схема это-
го эксперимента в рамках четырехпольного зернопропашного севооборота (вико-овсяная смесь на корм - озимая пшеница с пожнивным посевом горчицы на сидерат - картофель - ячмень) предусматривает изучение трех факторов: технологии возделывания полевых культур (фактор А), приемов основной обработки почвы (В) и подкормки озимой пшеницы аммиачной селитрой в период вегетации (С) [1, 2].
Целью исследований стало освоение и адаптация основных составляющих элементов точного земледелия применительно к Центральному району Нечерноземной зоны РФ.
Традиционная технология возделывания сельскохозяйственных культур основана на применении современной техники с соблюдением рекомендуемых параметров и нормативных показателей. Технология точного земледелия базируется на использовании околоземной спутниковой системы GPS, с помощью которой корректируется выполнение отдельных агроприемов [3, 4].
Приемы основной обработки почвы включают отвальную вспашку оборотным плугом EurOpal на 20-22 см (под все культуры), минимальную обработку культиватором Pegasus на 12-14 см (под картофель и ячмень) и нулевую обработку (под вико-овсяную смесь и озимую пшеницу).
В период вегетации озимой пшеницы в фазе весеннего кущения и колошения проводятся две подкормки аммиачной селитрой в дозе 70 кг д.в./ га: на делянках с традиционной технологией - сплошным методом, с точной - дифференцированно с учетом биомассы культурных растений.
К числу определяющих элементов технологии точного земледелия относится посев с использованием корректирующего навигационного оборудования, то есть автопилота [1, 2, 5].
В наших исследованиях посев зерновых (озимой пшеницы и ячменя) на отвальном фоне проводили сеялкой точного высева Д-9-30 с применением системы GPS или маркера. В вариантах с нулевой и минимальной обработками почвы его выполняли пневматической сеялкой прямого посева DMC-3, только с автопилотом, поскольку использование маркера не предусмотрено конструктивными особенностями этой сеялки.
Еще один важный элемент системы точного земледелия - внесение удобрений в зависимости от состояния культурных растений с применением
специальных сканеров и сенсоров, корректирующих количество вносимых удобрений [5-7].
В Центре точного земледелия РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева для сканирования посевов используют оптические датчики RT-200 GreenSeeker (США) и N-Sensor ALS (Германия), установленные на трактор John Deere. Информация с датчиков растительного покрова обрабатывается в коммутационном блоке и передается на полевой компьютер, который формирует команды для изменения нормы внесения. К полевому компьютеру можно подключить внешний GPS приемник, необходимый для создания карт состояния растительного покрова и карт внесения материалов.
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). Для его расчета не требуется никаких дополнительных данных, кроме результатов дистанционного зондирования Земли и знания параметров съемки.
Green Seeker и N-sensor представляют собой активные источники светового излучения с датчиками отраженного от растений света, работающие в режиме реального времени. Это уникальные запатентованные оптические системы, излучающие свет на двух длинах волн, которые выводят стандартизированный индекс различий растительного покрова (NDVI). Они работают как при солнечном свете, так и в темное время суток. Формат данных, скорость и вторичные индексы растительности пользователь может настроить самостоятельно. Номинальная область захвата датчиков составляет от 60 см до 12-15 м.
Расчет NDVI базируется на двух наиболее стабильных участках спектральной кривой отражения сосудистых растений. В красной области спектра (600-700 нм) лежит максимум поглощения солнечной радиации хлорофиллом, в ИК-диапазоне (700-1000 нм) находится область максимального отражения клеточных структур листа. Высокая фотосинтетическая активность, связанная, как правило, с густой растительностью, обеспечивает меньшее отражение в красной области спектра и большее - в ИК-диапазоне. Соотношение величин этих показателей позволяет четко идентифицировать и е анализировать растительные объекты. | С помощью нормализованной разности д между минимумом и максимумом от- е ражений можно уменьшить влияние раз- | личия в освещении, дымки, поглощения № радиации атмосферой и др. Для ото- 3 бражения NDVI существует непрерывная м градиентная (дискретная), или так назы- 1 ваемая масштабированная, шкала. 5
Рисунок. Карты биомассы пшеницы на опыте Центра точного земледелия в 2011 г., полученные с помощью приборов GreenSeeker (ширина захвата луча — 1 м) и N-sensor (ширина захвата луча — 12-15м) [3].
Природные объекты, не связанные с растительностью, имеют фиксированные значения NDVI. Для почв, грунтов и сухой растительности величина индекса положительна и близка к 0. Максимальные его значения характерны для вегетирующей растительности. Они повышаются по мере развития зеленой биомассы и уменьшаются с ее усыханием. Расчет NDVI чаще проводят на основе серии разновременных снимков с заданным временным разрешением. Это позволяет получать динамическую картину процессов изменения границ и характеристик различных типов растительности (месячные, сезонные, годовые вариации).
В результате создания NDVI-карты вся биомасса, находящаяся в пределах заданного полигона, условно распределяется по цветовой гамме - от светло-зеленого до темно-зеленого. Темно-зеленый цвет показывает здоровые рас-
ных показателях величины индекса NDVI и значения ряда других физиологических параметров могут значительно колебаться даже в пределах одного поля. Следовательно, очень важно закрепить точки возможного внесения удобрений.
Ориентируясь на характер распределения биомассы по полю, которая определяется по NDVI-карте, построенной на основе спутникового снимка, достаточно взять 2-3 пробы с поля в тех местах, где наблюдаются отклонения цвета и, следовательно, необходимо внесение удобрений с целью выравнивания общей картины продуктивности посевов. На основе NDVI-карты можно быстро и точно определить участки, нуждающиеся в дополнительном внесении удобрений или в других мероприятиях, чтобы выровнять агрофон на всей площади поля. Таким образом, анализ на основе спутниковых снимков позволяет экономить денежные средства благода-1. Ширина стыковых междурядий и величина отклонений от стандартной величины междурядий сеялок (в среднем за 2009-2013 гг.), см*
образца. На основании этой информации формируют карту плодородия, которую загружают в память вычислительного устройства, где с помощью специальной программы SMS Advanced формируют задание для бортового компьютера машины. В результате на каждый квадратный метр поля будет внесено именно то количество удобрений, которое необходимо именно на этом участке [10].
Можно идти от обратного и анализировать не состояние почвы, а оценивать на каждом конкретном участке урожайность во время уборки и составлять соответствующую карту. Такие карты позволяют определять наиболее проблемные участки поля, требующие большего внесения удобрений [6, 9, 10].
В нашем эксперименте в отдельные годы и в целом за период исследований отмечена неодинаковая ширина стыковых междурядий между смежными проходами сеялок при посеве зерновых культу по маркеру и по автопилоту (табл. 1). Так, при использовании сеялки Д-9-30 на отвальном фоне с маркером на озимой пшенице она составила 16,8 см, на ячмене - 15,2 см, то есть отклонение от стандартной величины междурядья сеялки (12 см) было равно, соответственно, +4,8 и +3,2 см. Агротехнически допустимый норматив отклонений составляет ± 2, 5 см. Постепенно несоответствия в прямолинейности нарастают, и через 100-150 м гона образуется клин в форме равнобедренного треугольника с основанием 1-1,5 м, что значительно снижает качественные характеристики сева, повышает количество огрехов. Это особенно проявляется с ростом площадей посева и переходом от опытных делянок к производственным площадям.
Сеялка Д-9-30 (отвальный фон) DMC (минимальный фон)
по маркеру автопилот автопилот
Культура ширина стыкового междурядья отклонение от стандартного междурядья, см ширина стыкового междурядья отклонение от стандартного междурядья, см ширина стыкового междурядья отклонение от стандартного междурядья, см
Озимая пшеница 16,8 +4,8 13,8 + 1,8 19,2 +0,4
Ячмень 15,2 +3,2 13,4 + 1,4 18,7 -0,1
*Стандартная ширина междурядий сеялок: Д-9-30 - 12 см, DMC - 18,8 см.
тения и зоны с большой биомассой - на этих участках можно ожидать большую урожайность [3, 7, 8]. На каждом поле существует свой рисунок пространственной неоднородности почвенных свойств, который зависит от рельефа, качества внесения удобрений, возделываемых культур и др. Причем площадки для учета урожайности не совпадают с распреде-о лением почвенных характеристик. ^ На основе показателей NDVI строят ^ электронную карту биомассы расти-о тельного покрова (см. рисунок), затем | формируют план-задание по внесению подкормок минеральными удобрениями ® в ходе вегетации культур, в нашем случае 5 для озимой пшеницы. Содержание фото-$ синтетических пигментов в относитель-
ря сокращению количества взятых проб, по сравнению с традиционным методом, а также в результате оптимизации внесения удобрений [5, 7, 9].
Кроме того, на основании нормализованного относительного индекса можно судить и о фитосанитарном состоянии посева, что позволяет учитывать очаги развития сорных растений и планировать локальные операции по борьбе с ними на конкретных участках [2, 6, 7].
Для эффективного использования си -стемы точного земледелия необходимо знать содержание элементов питания в почве каждого конкретного участка поля. Один из способов его определения - отбор огромного количества почвенных проб с последующим анализом каждого
При посеве Д-9-30 с навигационной спутниковой системой GPS средняя величина отклонения стыковых междурядий находилась в пределах 1,4-1,8 см, что соответствует норме агротехнических требований (±2,5 см). При посеве зерновых культур на нулевом и минимальном фонах сеялкой DMC-3 отклонение ширины стыковых междурядий от стандартной величины не выходило за пределы 1 см, составляя в среднем 0,1-0,4 см.
Дифференцированное с учетом заранее определенного индекса NDVI биомассы проведение двукратной подкормки (в фазе весеннего кущения и колошения) посевов озимой пшеницы аммиачной селитрой позволило сэконо-
2. Урожайность зерновых культур по вариантам полевого опыта ЦТЗ
Технология(А) Обработка по- Подкормка (С) Урожайность по годам, т/га
чвы (В) 2012 2013 2014 средняя
Озимая пшеница
Точная отвальная без подкормки 5,43 5,28 2,19 4,30
N + N 70 70 без подкормки N + N 70 70 без подкормки N + N 70 70 без подкормки N + N 70 70 5,71 5,68 2,61 4.67
нулевая 4,94 5,63 5,16 5,47 2,45 3,07 4,18 4,72
Традиционная отвальная 5,34 5,58 5,20 5,51 2,09 2,44 4,21 4,51
нулевая 4,84 5,52 5,12 5,33 2,45 3,21 4,14 4,69
НСР05 А В 0,17 0,11 0,17 -
0,24 0,19 0,24 -
С 0,30 0,23 0,35 -
Ячмень
Точная отвальная - 4,23 5,00 3,92 4,38
минимальная - 4,37 5,18 3,81 4.45
Традиционная отвальная - 4,02 4,95 3,97 4.31
минимальная - 4,32 5,20 3,80 4.44
НСР05 А В 0,10 0,04 0,08 -
0,20 0,13 0,11 -
8. Точное сельское хозяйство (precision agriculture) / Под ред. Д. Шпаара, А.В. За-харенко, В.П. Якушева. СПб.: Изд-во ПИЯФ РАН, 2009. 400 с.
9. Березовский Е.В., Железова С.В., Самсонова В.П. Опыт составления карт для точного земледелия // Аграрное обозрение. 2010. № 2. С. 43-46.
10. Кирюшин В.И. Точные агротехноло-гии как высшая форма интенсификации адаптивно-ландшафтного земледелия // Земледелие. 2004. №6. С. 16-21.
implementation of precision farming elements in the field experiment
A.i. Belenkov, A.Yu. Tyumakov, Sabo Umar Magammed
Russian State Agrarian University -Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, Timiryazevskaya str., 49, Moscow, 127550, Russia
мить 15-20% минеральныхудобрений. Их доза в варианте с технологиями точного земледелия колебалась от 55 до 70 кг/га, а при традиционной технологии составляла 70 кг/га на всей площади поля.
Анализ усредненных показателей урожайности зерновых культур по отдельным годам позволил выявить влияние различных факторов полевого опыта на продуктивность. Так, озимая пшеница по-разному реагировала на технологию возделывания, проявляя существенное различие между вариантами точного и традиционного земледелия только в некоторых случаях. Наиболее заметная разница отмечена при сравнении результатов опытов с подкормкой и без подкорки культуры. В целом же технология не оказывала заметного влияния на размеры прибавок урожая. Изучение вариантов обработки почвы позволило установить положительное влияние вспашки на урожайность озимой пшеницы, в сравнении с нулевой обработкой, без применения подкормок. При проведении подкормки посевов культуры в период вегетации получен обратный результат.
За три года максимальная в опыте урожайность озимой пшеницы отмечена в вариантах с двумя подкормками - независимо от технологии возделывания. При выращивании культуры без использования этого агротехнического приема она была в среднем на 0,3-0,5 т/ га меньше (табл. 2).
На ячмене влияние технологии возделывания практически не прослеживалось. Преимущество минимальной обработки культиватором Pegasus отмечено на делянках с последействием подкормок, которое было существенным только в отдельные годы. В среднем за 3 года исследований наибольшая урожайность ячменя получена по минимальному фону обработки почвы. Разница между вариантами по фактору А составляла в среднем 0,04 т/ га, по фактору В - 0,07-0,15 т/га.
Таким образом, лучшая конструкция ценозов зерновых культур формировалась при посеве с использованием автопилота. Подкормку озимой пшеницы целесообразно сочетать с предварительным определением плотности и густоты стеблестоя, основанных на сравнении показателей индекса NDVI. Использование этих сведений дает возможность определять проблемные участки поля, требующие внесения повышенных доз удобрений.
Урожайность озимой пшеницы и ячменя в меньшей степени зависела от технологии возделывания: на нее больше влияли обработка почвы и подкормки под первую культуру в период вегетации.
Литература.
1. Элементы технологии точного земледелия в полевом опыте РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева / А.И. Беленков, С.В. Железова, Е.В. Березовский, М.А. Мазиров // Известия ТСХА. 2011. Вып. 6. С. 90-100.
2. Précision agriculture methods in a field experiment of Russian Timiryazev state agricultural university / A.I. Belenkov, S.V. Gelezova, E.V. Berezovsky, M.A. Mazirov // Izwestiya of Timiryazev agricultural academy. 2012. Special Issue. P. 94-101.
3. Навигационные технологии в сельском хозяйстве. Координатное земледелие: Учебное пособие / В.И. Балабанов, С.В. Железова, Е.В. Березовский, А.И. Беленков, В.В. Егоров. М.: Изд-во РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 2013. 148 с.
4. Якушев В.П. На пути к точному земледелию. СПб.: Изд-во ПИЯФ РАН, 2002. 458 с.
5. Личман ГИ., Марченко Н.М. Перспективы развития и введения в сельское хозяйство точного земледелия // Перспективные технологии современного сельскохозяйственного производства. СПб., 2007. С. 91-100.
6. Афанасьев Р. А., Беленков А.И. Особенности внутрипольной вариабельности: плодородия почв, состояния посевов, урожайности полевых культур в точном земледелии // Нива Зауралья. 2013. № 11. С. 58-60.
7. Боровкова А.С. Цирулев А.П. Дифференцированное внесение минеральных удобрений в условиях лесостепи Самарской области // Агрономия и защита растений. 2012. № 3. С.11-15.
Summary. The purpose of the research was implementation, development and adaptation of the basic constituent elements of precision agriculture in the areas of the Centre for precision farming of Russian state agrarian University-Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev with respect to the Central area of the non-Chernozem (non-black soil) zone of Russia. The originality of the work lies in the fact that based on stationary field experience traditional farming when compared with a new technology based on the use of modern agricultural machinery, navigation equipment and software. Among the defining elements of precision farming, technology is sowing with the use of corrective navigation equipment, i.e. autopilot. It is established that technology of precision farming not only provides almost the same crops yield as traditional one but also makeu it possible creation of a better structure of crops, saving the seeds for 10-15%, and conducting agricultural activities in a variety of conditions, including at night, save the consumption of mineral fertilizers and chemical means of plant protection by 15-20%. The best structure of grain crops cenosis was formed at sowing with autopilot using. Fertilizing in winter wheat is advisable to combine with a predetermined density and density of the crop, based on a comparison of performance standard differential vegetation index (NDVI). Yield of winter wheat and barley less depended on the cultivation technology but on type of soil cultivation and fertilization of the first crop culture. The result of the experiment shows that average for the years of research winter wheat yield amounted to 4.2-4.7 t/ha, and barley - 4.2-4.5 t/ha.
Keywords: precision agriculture, GPS, autopilot, soil fertility, discriminatory application of fertilizers and pesticides, tronic yield maps. S
Author Details: A.I. Belenkov, Dr. Sc.(Agr.), e Prof.(e-mail:[email protected],)A.Yu. Tyumakov, S Post-graduate Student, Sabo Umar Magammed, s Post-graduate Student. j§
For citation: Belenkov A.I., Tyumakov A.Yu., 2 Sabo Umar Magammed. Implementation of pre- 3 cision farming elements in the field experiment// 2 Zemledelie. 2015. No 3. pp. 37-39(in Russ.). 2
