CC BY
33PRINCIPAL DIRECTIONS OF AGRICULTURAL ROBOTICS DEVELOPMENT
F.L. Chernousko1, IL Ermolov1, RA. Afansev2
1 Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics, Vemadskogo prospect 101 korp. 1, Moscow, 119526, Russia 2 Pryanishnikov Institute of Agrochemistry, Pryanishnikova ul. 31A, Moscow, 127550, Russia, E-mail: [email protected]
In our study we investigated the main aspects of robotic application for agrochemical services in intensive agriculture, including technologies ofprecision farming. Necessity of agricultural production radical automation induced by short human resources supply is proved. The study also shows the technological practices of forwarding agriculture to the robotics basis. Keywords: agriculture, motoring, fertilizers, technologies
УДК 631.58.551
РОБОТОТЕХНИКА В АГРОХИМИИ ТОЧНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ
1А.Ю. Измайлов, академик РАН, 1З.А. Годжаев, д.т.н., 2В.Г. Сычев академик РАН, 2Р.А. Афанасьев, д.с.-х.н.
Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, 2ВНИИА
Проведен анализ почвенных, интеллектуальных и технических ресурсов, способных оказать существенное влияние на совершенствование систем применения удобрений, в частности на развитие технологий точного земледелия. Показаны характерные закономерности внутриполъной пестроты плодородия почв, которые должны учитываться при проектировании и создании техники для дифференцированного применения удобрений в технологиях точного (координатного) земледелия. Выявлены условия эффективности дифференцированного внесения агрохимических средств в зависимости от выраженности внутриполъной вариабельности агрохимическиких показателей плодородия почвы.
Ключевые слова: почва, плодородие, внутрипольная вариабельность, удобрение, дифференцированное внесение, эффективность.
ООГ 10/25680/819948603.2018.100.13
Под термином «точное земледелие» обычно понимают технологические операции, связанные с учетом внутрипольной неоднородности (пестроты, вариабельности) почвенного плодородия. Иногда его ошибочно называют «точечным земледелием», видимо исходя из второго названия точного земледелия - «координатное земледелие», полагая, что координаты - это географические координаты отдельных точек на наших земледельческих полях. Однако такие «точки» могут иметь разные размеры. Если географические координаты обозначаются только в градусах, то площадь такой условной точки на местности в районе экватора может составлять более 10 тыс. км2, если в градусах и минутах, то более 3 км2, а если еще и в секундах, то около 1 тыс. м2. Эти данные приведены для примера, чтобы показать разницу между используемыми в литературе терминами. Мы же будем рассматривать точное земледелие в его номинальном значении, причем с агрохимической точки зрения, так как именно агрохимический подход
позволяет наиболее адекватно оценивать возможности нового направления в современном земледелии.
Условно начало точному земледелию положили в США в 1928 г., когда попытались внести известковое удобрение на поле с учетом неоднородности показателя кислотности почвы. К сожалению, эксперимент не был завершен и эффективность данного приема неизвестна. Тем не менее, основная идея точного земледелия, уже в послевоенное время была озвучена нашими корифеями-агрохимиками: академиком Д.Н. Прянишниковым и членом-корреспондентом АН СССР A.B. Соколовым. В частности, Д.Н. Прянишников указывал на целесообразность дифференцированного по полю внесения азотных, фосфорных и калийных удобрений в соответствии с внутрипольными различиями его плодородия, а также на необходимость поиска наиболее адекватных способов определения этих различий [1]. A.B. Соколов призывал инженеров страны к созданию сельскохозяйственной техники, способной изменять дозировку
удобрений во время движения агрегатов по полю [2, 6]. Однако идея точного земледелия нашла реальное воплощение, прежде всего в США. В результате аэрофотосъемки одного из полей в инфракрасном диапазоне отраженного спектра была выявлена разница между двумя частями поля, вызванная различием в гранулометрическом составе почвы. Вследствие этого открытия, в США, а затем и в других странах было организовано производство сельскохозяйственной техники, приспособленной к дифференцированному по площади поля внесению минеральных удобрений (рис. 1,2).
Рис. 1. Агрегат для дифференцированного внесения жидких азотных удобрений (США)
Рис. 2. Роботизированное самоходное гусеничное шасси (РСГШ) сельскохозяйственного назначения на электроприводе «Элеком-6,0»
Научный опыт дифференцированного применения удобрений в нашей стране пока не вышел за рамки отдельных экспериментов, хотя уже первые результаты по моделированию дифференцированного внесения удобрений, проведенные в 2000-2001 гг. ВНИИ агрохимии им. Д.Н. Прянишникова (ВНИИА) совместно с ВНИИ механизации сельского хозяйства (ВИМ) на базе Центральной опытной станции (ЦОС ВНИИА), показали, что окупаемость азотных удобрений, вносимых дифференцированно под зерновые культуры, в среднем за два года была на 30% выше по сравнению с внесением их по традиционной технологии, т.е. усредненной дозой.
Вместе с тем, следует учитывать, что единичные эксперименты не могут заменить результатов масштабных исследований, проводимых в условиях точного полевого опыта и реального производства, т.е. в опытах Геосети и агрохимслужбы, в частности. Поэтому разработка и осуществление полноценной программы исследований по дифференцированному применению удобрений и других средств химизации должны быть одним
из приоритетных направлений в работе научных учреждений сельскохозяйственного профиля, центров и станций агрохимической службы. При этом особое значение приобретает комплексность научных и опытно-производственных работ агрохимиков с механизаторами при максимальном использовании потенциала конверсионных предприятий ВПК, обладающих уникальными технологиями в области дистанционного (аэрокосмического) зондирования и автоматизации управления исполнительными органами агрегатов. Интенсификация земледелия, и в частности его химизация, в минувшем столетии основывалась, главным образом, на экономических показателях производства. Со сменой парадигмы природопользования с антропоцентрической на природоохранную, предпринимаемой международным сообществом, в наступившем столетии приоритетное значение будет иметь экологическая адаптация высоких агротехнологий, основывающаяся на широком использовании информации о многообразии почвенных и других условий природной среды.
Точное земледелие как этап дальнейшего развития мирового земледелия в значительной мере должно основываться на принципах оптимизации минерального питания растений, т.е. на рациональном, биологически, экономически и экологически сбалансированном применении удобрений и других агрохимических средств. Поэтому при разработке и внедрении агротехнологий точного земледелия следует максимально учитывать диагностические показатели плодородия почв и состояние растений. Практически это стало возможным благодаря переходу от зональных агротехнологий, базирующихся на обобщенных, усредненных показателях плодородия почв, к учету конкретных условий возделывания сельскохозяйственных культур, включая определение внутрипольной пестроты почвенного плодородия, физиологического и фитосанитарного состояния посевов. Отсюда, прежние методические подходы по адаптации агротехнологий к требованиям сельскохозяйственного производства по своему характеру не вполне соответствуют принципам точного земледелия, в частности из-за территориального усреднения агрохимических показателей по каждому полю или группе полей севооборота.
Для точного учета внутрипольной вариабельности плодородия почв должны быть выявлены их отличительные признаки, или характерные особенности. Институтами ВНИИА и ВИМ совместно с рядом других научных и научно-производственных учреждений, проведены исследования, в значительной мере раскрывающие особенности применения удобрений в условиях точного земледелия. Установлено несколько закономерностей внутрипольной вариабельности агрохимических показателей плодородия почвы, имеющих важное значение для понимания взаимодействия факторов в агроэкологической системе «удобрение - почва - растение» и, соответственно, для разработки и внедрения технологий точного земледелия.
В частности показано, что реакция почвенной среды, содержание гумуса, подвижных форм фосфора и калия в принципе соответствуют закону нормального распределения. Так, на агрополигоне ЦОС ВНИИА общей площадью 4 га с тяжелосуглинистой дерново-подзолистой почвой из 400 его делянок, каждая по 100 м2, более половины приходилось на делянки с содержа-
нием подвижного фосфора от 16 до 20 мг/кг, а численность делянок с минимальным и максимальным содержанием подвижного фосфора не превышала четыре десятка. Подобная закономерность характерна для других типов и разновидностей почв (рис. 3).
Р70-100 Р101-130 Р131-160 Р161-190 содержание Р205 в почве, мг/кг
Р191-230
агрохимических показателей, снижает вариабельность между контурами и увеличивает ее внутри контуров, и наоборот. Это отчетливо проявилось на агрополигоне ЦОС ВНИИА (табл. 1).
1. Зависимость вариабельности агрохимических показателей пахотного слоя дерново-подаолистой почвы на агрополигоне
Число Площадь Коэффициенты вариации
участков одного агрохимических показате-
участка, га лей (¥).%
гумус Р2О, К,О
40 0.1 0.8 2.1 2.4
20 0.2 1.6 3.5 4.6
8 0.5 3.2 7.3 10.0
4 1.0 5.6 12.6 17.1
2 2.0 10.0 20.8 27.6
1 4.0 18.6 30.7 41.2
Рис. 3. Кривая распределения содержания подвижного фосфора в легкосуглинистой дерново-подзолистой почве в 144 делянках полевого опыта до внесения удобрений (Смоленская обл.)
Ещё одна особенность пространственной структуры почвенного покрова заключается в том, что наибольшая вариабельность агрохимических показателей наблюдается как раз на участках с относительно меньшими и большими их значениями при снижении вариабельности в среднем интервале. Эта закономерность внутри -польного варьирования плодородия почвы свидетельствует, что агроэкономический эффект дифференцированного внесения удобрений в каждом конкретном случае зависит от соотношения участков с маргинальными значениями агрохимических показателей к участкам со средними их значениями на данном поле: чем выше это соотношение, тем выше эффективность дифференциации доз. Однако, численность участков с маргинальной агрохимической характеристикой почвы, что следует из первой закономерности, находится по краям кривой нормального распределения, т. е. их общая площадь значительно меньше площади участков со средними для данного поля агрохимическими показателями (рис. 4). Поэтому и эффективность дифференцированного применения агрохимических средств детерминирована этой закономерностью.
Третья особенность вариабельности почвенного плодородия состоит в том, что внутрипольная пестрота плодородия почвы может превосходить межпольную.
Из таблицы 1 видно, что внутригрупповая вариабельность гумуса, подвижных форм фосфора и калия значительно, на порядок и более, возрастает при увеличении площади элементарного участка с 0,1 до 4 га. Указанную закономерность важно учитывать при разработке высоких агротехнологий, находя определенный компромисс между целесообразностью выделения контуров плодородия с наименьшей внутриконтурной вариабельностью плодородия почвы для повышения эффективности удобрений, с одной стороны, и наименьшим количеством таких контуров на поле для снижения затрат на отбор и анализ почвенных проб, с другой.
Четвертая особенность пространственной гетерогенности почвенного плодородия определяется плавным, постепенным переходом от наибольших значений агрохимических показателей к меньшим и, наоборот, от меньших - к наибольшим (рис. 5).
ч: о О
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 Номера делянок
Рис. 5. Характер вариабельности содержания подвижного фосфора в почве соседних делянок агрополигона
-8-8-
Группы 400 участков с содержанием гумуса от 1,5 до 2,6%
Рис. 4. Пространственное варьирование содержания гумуса почвы на агрополигоне ЦОС ВНИИА, %
Данное свойство обусловлено тем, что увеличение площади пашни, по которой проводится усреднение
Учет данной особенности структуры почвенного покрова важен с практической точки зрения так как позволяет при проектировании и создании машин для дифференцированного применения агрохимических средств предусматривать сравнительно плавное изменение их доз при продвижении по полю, что облегчает как конструкторские решения, так и рабочие процессы внесения удобрений в производственных условиях. К следующей, пятой особенности внутрипольной пространственной гетерогенности плодородия почвы следует отнести несовпадение границ различных агрохимических контуров между собой, что доказывает слабая корреляция между различными агрохимическими показателями на внутри-польных контурах (элементарных участках) полей ОПХ «Газырское» Краснодарского края (табл. 2). Это под-
тверждают результаты исследований, проведенные также на агрополигоне ЦОС ВНИИА и опытном поле «Олына» в Смоленской области.
2. Коэффициенты корреляции агрохимических показателей
чернозема обыкновенного на внутрипольных контурах _в ОПХ «Газырское» (п = 40)_
Показатель Гумус рНВОдН. ^мин. р2о5 к2о Са
рНвОДН. 0.3
^мин. 0 0.1
р2о5 0.1 0 0.2
к,о 0.1 0.2 0.1 0.2
Са 0.3 0.2 0.3 0 0.2
мё 0.5 0.1 0.1 0.2 0.2 0.2
Для каждого внутрипольного территориального аг-роконтура необходимы разные дозы и соотношения питательных веществ в удобрении, соответствующие агрохимической характеристике этих контуров. С учетом данной агрохимической особенности в технологиях дифференцированного внесения удобрений требуется или применение машин с одновременным высевом разных видов минеральных удобрений, или неоднократный проход машин, приспособленных для внесения одного вида удобрения.
Шестая закономерность внутрипольного варьирования агрохимических показателей проявляется в зависимости уровней плодородия почвы от мезо- и микрорельефа полей, что в значительной мере обусловливает указанные выше закономерности.
Химизм почв одного местоположения на рельефе местности влияет на агрохимические процессы соседних почв, в том числе на выщелачивание, перенос и осаждение химических компонентов. В условиях агро-полигона ЦОС ВНИИА на ровных участках содержание нитратного азота в почве превалировало над аммонийным, в то время как в понижениях содержание аммонийного азота было выше, чем нитратного из-за большего анаэробиозиса и редукции нитратов, мигрирующих с поверхностным и внутрипочвенным стоком в пониженные местоположения. В почве пониженных частей рельефа отмечалось также большее содержание подвижного фосфора. Данная закономерность позволяет использовать результаты топографической съемки полей для априорного выявления контуров плодородия (агроконтуров) для отбора и агрохимического анализа почвенных проб в целях сокращения затрат на агрохимическое обследование по сравнению с традиционной технологией агромониторинга.
Следующая, седьмая, особенность внутрипольной пестроты плодородия почв относится не столько к собственно плодородию почв, сколько к использованию питательных веществ почвы растениями. Она заключается в том, что урожайность культур варьирует в меньшей степени, чем внутрипольные показатели плодородия почвы. Так, на 400 делянках агрополигона коэффициент вариации урожайности сена однолетних трав (V = 41%) был значительно ниже коэффициентов вариации легкоподвижных форм фосфора (V = 52%) и калия (V = 62%). Данный эффект вызван физиологической пластичностью растений, их способностью при недостатке питания усиливать развитие корневых систем, повышать их воздействие на труднорастворимые питательные вещества почвы. Подобная приспособительная реакция растений, направленная на их нор-
мальное функционирование, вместе с тем снижает различия в урожайности сельскохозяйственных культур на участках с неодинаковым уровнем плодородия почвы и, соответственно, прибавки урожая от дифференцированного внесения удобрительных средств. Все перечисленные особенности внутрипольного состояния почв и растений, их взаимодействия в процессе вегетации и формирования урожайности должны учитываться при разработке систем удобрения сельскохозяйственных культур, включая определение видов, форм, доз удобрений, сроков и способов их внесения.
В условиях точного земледелия, по результатам агрохимического обследования почв, рассчитывают дозы видов и форм удобрений по каждому агроконтуру конкретного поля для допосевного, припосевного внесения и в подкормку. В ВИМ совместно с предприятиями ВПК были созданы и испытаны действующие образцы машин для дифференцированного применения минеральных удобрений для внесения основного удобрения и подкормки вегетирующих посевов (рис. 6, 7). В настоящее время на основании полученного опыта разрабатывают более совершенные, роботизированные агротехнические комплексы, которые в обозримой перспективе могут заменить зарубежную технику. Важное значение при этом оба наши института придают разработке технических средств и методов оперативной диагностики минерального питания растений, о чем говорил Д.Н. Прянишников. В частности, под научным руководством дирекции ВИМ ведется разработка беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и их систем (БАС) как для диагностики состояния почв и посевов, так и для применения агрохимических средств. В этом плане ВИМ ведет сотрудничество с такими организациями, как НТИ «АэроНет» и 000«Геоскан», ООО «ГИНУС», разработана новая классификация степеней интеллектуализации мобильных энергетических средств по объему применения мехатронных модулей, обеспечивающих замену кинематических связей информационными при решении энерго-технологических задач в точном земледелии [8].
В рамках тематического плана технологической платформы «Инновационные машинные технологии сельского хозяйства» (организация-координатор ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) с участием ООО "КБ Аврора" и ООО "Аврора Роботикс" предусмотрены:
разработка системы бесперебойного точного позиционирования и курсоуказания в составе системы автономного управления сельскохозяйственной техникой;
разработка встраиваемого навигационного трансивера в инфраструктуру зоны технического обслуживания и калибровочного маршрута беспилотной сельскохозяйственной техники.
Эти разработки послужат созданию интеллектуальных технических средств в точном земледелии.
Проверка эффективности дистанционной диагностики азотного питания тестовой культуры - озимой пшеницы в полевом опыте с возрастающими дозами азотных удобрений на базе ВНИИА, проведенная институтом совместно с НПЦ «АгроДронГрупп», показала тесную зависимость показаний аппаратуры БПЛА, а именно вегетационного индекса (№)У1), от обеспеченности растений азотом [3,7].
на дела. Несмотря на постепенное улучшение материально-технического обеспечения отечественных агро-технологий, оно пока существенно отстает от требований современного земледелия. Достаточно отметить, что в России на 1000 га пашни приходится всего 2 трактора, тогда как в Казахстане 6, в Белоруссии - 9, в США - 26, в странах ЕС - 85. Средний возраст российского трактора 25 лет, что, по мнению ответственных экспертов, представляет большую опасность для будущего отечественного земледелия [4, 5]. Но, как ни парадоксально, нынешний кризис нашего сельскохозяйственного машиностроения может быть в известной степени полезным для модернизации этой отрасли с ориентацией ее на создание техники четвертого и пятого поколений. Производственные мощности, в том числе на конверсионных предприятиях ВПК, в стране имеются, о чем недавно говорил и Президент России. Проблема научно-технического обеспечения сельского хозяйства, в том числе точного земледелия, состоит в реализации того потенциала, который накоплен нашими специалистами и учеными в данной области знаний, и она должна постепенно решаться.
В заключение следует отметить, что методология координатного земледелия, в том числе дифференцированного применения удобрений и других агрохимических средств, вполне соответствует как arpo экономическим, так и экологическим требованиям отечественного земледелия, перспективам его роботизации в нашей стране.
Литература
1. Прянишников Д.Н. Избранные сочинения. Т. 1. - М.: Колос, 1965. -С. 721.
2. Соколов A.B.. Агрохимическое картографирование почв. - М.:Изд-во АН СССР. 1962.-154 с.
3. Сычев В.Г.. Афанасьев P.A.. Ермолов II.Л.. Кладко С.Г.. Ворончихин
B.В. Диагностика азотного питания растений с использованием беспилотных летательных аппаратов // Плодородие. - 2017. - № 5 (98). -
C. 2-4.
4. Стеновой В. Трактор как дойная корова//Мир Новостей,- 2017,- № 46 (1246)-С. 3.
5. Годжаев ЗА.. Горин Г.С.. Головач В.М.. Кузьмин В.А. Исследования поворачиваемости трактора для построения гибридной теории поворота// Сельскохозяйственные машины и технологии. - 2016. - №
5. -С. 3-11.
6. Измайлов А.Ю.. Годжаев ЗА.. Афанасьев P.A. Перспективы роботизации агрохимических работ//Плодородие,- 2016. - № 5 (92).- С. 9 - 12.
7. Сычев В.Г.. Афанасьев P.A.. Годжаев ЗА.. Гришин А.П.. Гришин A.A. Робототехника и агрохимическое обеспечение растениеводства //Тракторы и сельхозмашины,- 2016,- № 9,- С. 40-43.
8. Годжаев ЗА.. Гришин А.П.. Гришин A.A. Беспилотное мобильное энергосредство сельскохозяйственного назначения //Тракторы и сельхозмашины- 2016,- № 10.
Рис. 7. Агрегат для дробно-дифференцированного внесения азотных удобрений
Оперативность и технологическая простота, а также экономическая составляющая использования беспилотных летательных аппаратов для мониторинга посевов сельскохозяйственных культур по существу открывают новую страницу в решении проблемы диагностики азотного питания растений. Прежние методы наземного да и космического мониторинга посевов не вполне удовлетворяли потребность земледелия в оперативной диагностике состояния посевов, что сдерживало принятие адекватных технологических решений, в частности о проведении азотных подкормок в период вегетации растений.
По некоторым оценкам, в обозримом будущем до 75% выпускаемых в мире беспилотных летательных аппаратов будет использоваться в интересах сельского хозяйства. Исследования показали, что этот прогноз имеет реальную научную основу. Научно-технические проблемы точного земледелия в нашей стране и за рубежом решаются в направлении его максимальной роботизации. Вызывает вопрос лишь практическая сторо-
Рис. 6. Комбинированный агрегат для припосевного дифференцированного внесения минеральных удобрений
ROBOTICS IN AGROCHEMISTRY OF PRECISION AGRICULTURE
A.Yu. Izmailov1, Z.A. Godzhiev1, RA Afanasev2
1 Federal Scientific Agroengineering Center VIM, Institutskiy pr. 5, Moscow, 109428, Russia
2 Pryanishnikov Institute of Agrochemistry, Pryanishnikova ul. 31A, Moscow, 127550, Russia
E-mail: [email protected]
The current study presents an analysis of soil, intellectual and technical resources that could influence on improvement offertilizer application systems including the development ofprecision agriculture technologies. The study shows characteristic patterns of soil in-field diversity of fertility that have to be taken in account during the designing and building of technical devices for differential application of fertilizers in technologies ofprecision (coordinate) agriculture. In our study we identified the conditions of effective differential agro-chemicals application depended on the degree of in-field variability of agrochemical soil fertility properties. Key words: soil, fertility, in-field variability, fertilizer, differential application, effectiveness.
