Научная статья на тему 'Точное земледелие (precision agriculture) -путь к ресурсосбережению'

Точное земледелие (precision agriculture) -путь к ресурсосбережению Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

CC BY
878
434
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТОЧНОЕ ЗЕМЛЕДЕЛИЕ / ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ / ПОЧВЕННЫЙ ПОКРОВ / PRECISION AGRICULTURE / REMOTE SENSING OF LANDS / LAND COVER

Аннотация научной статьи по сельскому хозяйству, лесному хозяйству, рыбному хозяйству, автор научной работы — Шаяхметов Марат Рахимбердыевич, Дубровин Илья Александрович

Накопленный с 2005 г. в ОмГАУ опыт использования космической информации свидетельствует, что проведение почвенного дешифрирования на основе космической информации в настоящее время становится реальной решаемой задачей. Рассмотрены методические вопросы от выбора наиболее информативных типов космических аппаратов для дистанционного зондирования земель сельскохозяйственного назначения до определения необходимости проведения работ по комплексной мелиорации земель в районах неорошаемого земледелия равнинных районов Западной Сибири

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по сельскому хозяйству, лесному хозяйству, рыбному хозяйству , автор научной работы — Шаяхметов Марат Рахимбердыевич, Дубровин Илья Александрович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Precision Agriculture the way to the resource conservation

The experience in the use of space information, gained since 2005 in OmGAU, shows that soil-decoding of space information is now becoming a real problem under consideration. This article discusses the methodological problems such as the choice of the most informative types of spacecraft, the remote sensing of agricultural land, to determine the need for work on complex land reclamation in dry lands plains of Western Siberia.

Текст научной работы на тему «Точное земледелие (precision agriculture) -путь к ресурсосбережению»

УДК б3116424631.602 М. Р. ШАЯХМЕТОВ

И. А. ДУБРОВИН

Омский государственный аграрный университет им. П. А. Столыпина

ТОЧНОЕ ЗЕМЛЕДЕЛИЕ (PRECISION AGRICULTURE) —

ПУТЬ К РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЮ_________________________

Накопленный с 2005 г. в ОмГАУ опыт использования космической информации свидетельствует, что проведение почвенного дешифрирования на основе космической информации в настоящее время становится реальной решаемой задачей. Рассмотрены методические вопросы от выбора наиболее информативных типов космических аппаратов для дистанционного зондирования земель сельскохозяйственного назначения до определения необходимости проведения работ по комплексной мелиорации земель в районах неорошаемого земледелия равнинных районов Западной Сибири

Ключевые слова: точное земледелие, дистанционное зондирование земли, почвенный покров.

Глобализация экономики, а также стремительное развитие технических и информационных инноваций ставит перед экономикой нашей страны определённый круг задач, от решения которых будет зависеть положение и роль России в ближайшем будущем. Например, вступление России в ВТО способствует техническому прогрессу, но, вследствие низкого уровня производительности труда, особенно в сельском хозяйстве и, следовательно, низкой конкурентоспособности продукции может губительно сказаться на некоторых его отраслях, по крайней мере, в том состоянии, в котором они сейчас находятся.

Главный путь развития мировой экономики в XXI веке — выравнивание уровня экономического развития большей части государств. При этом одним из важных факторов данного процесса является развитие и внедрение ресурсосберегающих технологий.

Первое условие обеспечения данного уровня — резкий подъем производительности труда как за счет модернизации технического обеспечения производства, так и существенного повышения продуктивности земель сельскохозяйственного и лесного назначения. Для этого научными коллективами страны разработан ряд специфических систем земледелия: с одной стороны, адаптивно-ландшафтная (акад. В. И. Кирюшин) и ландшафтно-экологическая (акад. А. Н. Каштанов), и т.п., обеспечивающие учет специфики многих компонентов почвенного покрова (ПП) не только разных регионов, но и отдельных землепользований, а с другой — минеральная, органическая, биологическая и т.п., обеспечивающие сохранение, а в ряде случаев и повышение плодородия почв.

Поскольку плодородные почвы, не нуждающиеся в мелиорации, занимают в пашне России менее 50 %, а в Казахстане и Средней Азии еще меньше, в Омском аграрном университете разрабатывается своеобразная ландшафтно-мелиоративная система, включающая положительные стороны каждой из этих систем с учетом конкретного состояния почвенно-ландшафтных комплексов отдельных зем-

лепользователей и разнообразия способов мелиорации.

Ее формирование стало возможным благодаря повышению доступности материалов ДЗЗ и развитию компьютерной техники, которая на фоне повышения внимания к модернизации сельскохозяйственной техники обеспечила реальную возможность анализа пространственной структуры двух-, трехмерных почвенно-ландшафтных объектов и создания компьютерно-управляемых тракторных агрегатов.

Такие агрегаты, в зависимости от агротехнических требований конкретных компонентов почвенных комбинаций, указанных в компьютерной рабочей картограмме, даже при работе на современных относительно больших скоростях могут оперативно изменять глубину хода рабочих органов, а также способ внесения и дифференциацию нормы удобрений или мелиорантов (от поверхностного разбрасывания до внесения в подпахотный горизонт при отвальной и даже безотвальной системе почво-обработки) [1].

Использование компьютерно-управляемых тракторных агрегатов обеспечило возможность применения в ряде стран технологии «точного земледелия» (precision farming, или адекватно precision agriculture). Смысл данной терминологии определяется возможностью обеспечения точного, четкого обеспечения дифференциации агротехнологии в строгом соответствии с принципиальными различиями почвенного плодородия или состояния агрофона по степени деградации почв, засоренности посевов, поражения их вредителями или болезнями.

На этом основании целесообразно применять не дословный перевод термина «точное земледелие», а его агрономический синоним — «точечное» земледелие, предполагая необходимость изменения элементов агротехнологии в зависимости от состояния земельного объекта и объективного изменения в пространстве факторов, определяющих эффективность того или иного варианта его мелиорации.

Точное (точечное) земледелие — это управление продуктивностью посевов c учётом внутрипольной

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (118) 2013 СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (118) 2013

вариабельности среды обитания растений. Целью такого управления является получение максимальной прибыли при условии оптимизации сельскохозяйственного производства, экономии хозяйственных и природных ресурсов. При этом открываются новые возможности производства качественной продукции и сохранения экологически сбалансированной окружающей среды [2].

Применительно к задачам обработки почвы использование точечного земледелия характеризуется дифференциацией применяемых способов обработки почв, возможностью регулировки сельскохозяйственных орудий в зависимости от изменения мощности плодородного горизонта, степени его засоления, щелочности или кислотности, а также дифференцированного обеспечения растений элементами питания с учетом состояния почвы и биологических особенностей сельскохозяйственных культур в данную фазу их развития.

В современном земледелии действуют три концепции точного земледелия.

В странах Европы, где характерной особенностью ПП пахотных земель является его относительная однородность в пределах одного поля при низкой степени засоренности посевов, наиболее узким местом агротехнологии является необходимость регулирования нормы вносимых удобрений в зависимости от обеспеченности отдельных почвенных контуров поля элементами питания растений. В этом случае базой компьютерного агроплана полевых работ off-lain становится результат различного уровня урожайности участков в пределах одного поля в предшествующий год, благодаря оснащению комбайнов устройствами непрерывного учета поступающей массы. В итоге специалист хозяйства (или группа специалистов района) сразу после уборки урожая видит на карте учета урожайности «узкие» места, требующие дифференциации применения удобрений, мелиорантов либо пестицидов. В нашей стране этот принцип развивается в Агрофизическом институте Россельхозакадемии (С.-Петербург) и Институте защиты почв от эрозии (Курск), а в Сибири — Тюменской сельскохозяйственной академией.

Другой принцип точного земледелия предложен учеными института СибИМЭ СО Россельхозакадемии. Он основан на том, что, в отличие от пашни европейских хозяйств, в условиях Сибири и Северного Казахстана для ПП характерно распространение пятен маломощных, легко уплотняющихся солонцов среди плодородных черноземных или каштановых почв. При обработке таких полей тракторный двигатель испытывает резко переменные нагрузки, вплоть до существенной перегрузки.

Анализ учета этих перегрузок показал возможность автоматического регулирования рабочих органов тракторного агрегата непосредственно в период его работы on-line по динамичности тягового сопротивления в момент обработки комплексного поля.

При явной эффективности предлагаемого решения вопроса трудность широкого распространения данного метода, обусловлена нестабильностью влажности почвы, которая определяет непредсказуемые изменения тягового сопротивления орудий рядом расположенных почвенных контуров от плюса до минуса даже в период одного полевого сезона.

Третий путь базируется на использовании картограмм агроприемов, которые должны ежегодно составляться off-lain специалистами районного звена

на основе анализа оперативных материалов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

Накопленный с 2005 г. в ОмГАУ опыт использования космической информации свидетельствует, что проведение почвенного дешифрирования на основе космической информации в настоящее время становится реальной решаемой задачей. Достаточно надежной базой методики проведения таких работ является система из пяти спутников Германии Rapidye с разрешением 5 м на пиксель, запущенная в Байконуре в 2009 году. Она производит мульти-спектральную съемку всей планеты ежесуточно.

Использование ежесуточной космической информации о состоянии земель сельскохозяйственного и лесного назначения позволяет в любой сезон сельскохозяйственных работ иметь набор снимков с различной степенью облачности и времени съемки, позволяющий учесть влияние этих внешних факторов на реальную отражательную способность агроценозов и коэффициент спектральной яркости изучаемых объектов (КСЯ).

Хотя принцип дифференциации агротехнологии с учетом различного плодородия компонентов ПП был обоснован еще в конце XIX века трудами

А. А. Измаильского, П. А. Костычева, а в дальнейшем блестяще развит в трудах Г. И. Высоцкого, А. А. Роде, Н. А. Качинского и других ученых России, невозможность его использования в практике современного земледелия была связана с упрощенным отражением комплексности ПП на ранее составляемых почвенных картах М 1:25 000 и даже 1:10 000.

Несмотря на обоснованную В.М. Фридландом теорию структуры почвенного покрова (СПП), в практике почвенных исследований до последнего времени продолжается выделение типов и групп почвенных комбинаций, в том числе комплексов с участием почв низкого плодородия до 10 %, от 10 до 25 (30) %, от 25 до 50 и более 50 процентов. Не изменился он и в рекомендациях В. И. Кирюшина по внедрению адаптивно-ландшафтного земледелия [1].

В результате любые мелиоративные группировки вынуждены приспосабливаться к такому грубому отражению соотношения на одном массиве почв различного плодородия. Это ведет к сплошному применению дорогостоящих мелиоративных приемов иногда в пределах целого поля и даже группы соседних полей.

При такой географической основе, где почвенные контура не имеют геодезической привязки, невозможно даже в будущем планировать применение рекомендаций по точному земледелию.

Невозможен по этим картам и действенный экологический анализ, который предполагает оптимизацию агротехнологии применительно к каждому почвенному ареалу среди земель сельскохозяйственного назначения.

Но именно реализация экологического анализа ландшафтных особенностей почвенного покрова, как показывает международный опыт, обеспечивает гораздо больший экономический эффект и, самое главное, позволяет обеспечить воспроизводство почвенного плодородия и уровень экологической чистоты сельскохозяйственной продукции.

Судя по публикациям германских специалистов, фермер даже на полях с относительно однородным почвенным покровом, внедряя элементы точного земледелия при использовании минеральных удобрений и средств защиты урожая от сорняков, вредителей и болезней, реально добивается повышения урожая на 30 % при одновременном снижении за-

трат на использование минеральных удобрений на 30 % и на пестициды на 50 % [3].

Для реализации технологии точного земледелия необходимы современная сельскохозяйственная техника, управляемая бортовой ЭВМ и способная дифференцированно проводить агротехнические операции, приборы точного позиционирования на местности (GPS-приёмники), технические системы, помогающие выявить неоднородность поля, среди которых, по нашему мнению, в современных условиях на первое место выдвигается задача использования дистанционного зондирования сельскохозяйственных посевов.

Этот первый этап технологии точного земледелия достаточно развит в плане технического и программного обеспечения. За рубежом активно используются дистанционные методы зондирования (ДМЗ), такие как мультиспектральная 4 — 5 канальная (в последние годы ряд спутников выдает уже 8-канальные спектральные снимки) аэрофото и космоснимки, почвенные автоматические пробоотборники, оснащенные GPS-приемниками и бортовыми компьютерами; геоинформационные системы (ГИС) для составления пространственно-ориентированных электронных карт полей.

Ядром технологии точного земледелия (второй этап из рассмотренных выше) является программное наполнение, которое обеспечивает автоматизированное ведение пространственно-атрибутивных данных картотеки сельскохозяйственных полей, а также генерацию, оптимизацию и реализацию агротехнических решений с учётом вариабельности характеристик каждого из полей того или иного землепользования. При этом следует иметь ясность о преобладающем факторе вариабельности.

Наиболее значимым фактором неоднородности почвенных условий в Западной Сибири является комплексность почвенного покрова. Это было установлено еще работами основателя кафедры почвоведения ОмГАУ С. С. Неуструева (1915, 1930) и развито в учении о структуре почвенного покрова

В. М. Фридландом (1972). Именно она характеризует резкую неоднородность и существенные различия в плодородии компонентов ПП и необходимость в дифференциации технологии работ по обработке и мелиорации почв [1].

При преобладании в пределах поля или массива полей одной почвенной разности, фактор комплексности может уступать по значимости колебаниям содержания элементов питания, плотности пахотного и мощности корнеобитаемого слоя и других показателей плодородия почвы, варьированию засоренности поля и поражению посевов болезнями растений. В этом случае элементами управления агротехнологии являются те или иные методы агрохимических исследований и как результат — маневрирование нормами и дозами удобрений, пестицидов, а также нормами высева семян и т.п.

Решение этих задач обеспечивается целым рядом программных комплексов, среди которых выделяется по информативности программный комплекс Е№У1, используемый мировыми лидерами в области создания геоинформационных приложений и программного обеспечения для обработки данных ДЗЗ DigitaIGlobe, GeoEye и др. В последние годы она успешно используется на этапе почвенного дешифрирования космоснимков для составления пространственно-ориентированных электронных карт полей [3].

Наиболее слабым звеном в нашей стране является практическое осуществление дифференцирован-

ного использования результатов дистанционного зондирования земель сельскохозяйственного назначения. Относительно успешными являются лишь работы по обработке посевов пестицидами. Рядом вузов и НИИ начаты работы по дифференцированному внесению различных норм жидких и твердых минеральных удобрений, а также посеву зерновых культур с различной нормой высева семян.

Элементы дифференциации агромелиоративных операций пока еще находятся в стадии теоретических исследований для обоснования технологии выборочной поконтурной мелиорации [2]. На этой основе впервые обосновывается типовое содержание картограмм комплексной мелиорации ландшафтных элементов земель того или иного хозяйства.

Режим off-line предусматривает предварительную подготовку на стационарном компьютере карты-задания, в которой содержатся агротехнически обоснованные нормы удобрений для каждой культуры и ее изменение по фазам развития растений или мелиорантов с учетом изменчивости плодородия почв по элементом ландшафта.

Затем карта-задание переносится на чип-карте (носитель информации) на бортовой компьютер сельскохозяйственной техники, оснащённой GPS-приёмником.

Бортовой компьютер, установленный на тракторе, при движении по полю, контролируя с помощью GPS свое местонахождение, считывает с чип-карты дозу мелиоранта или удобрений, соответствующую месту нахождения и посылает соответствующий сигнал на контроллер распределителя удобрений (или опрыскивателя). Контроллер же, получив сигнал, выставляет на распределителе удобрений нужную дозу.

Режим реального времени (on-line) предполагает предварительную разработку агротребований на выполнение операции, а дифференциация их осуществления определяется непосредственно во время выполнения производства работ. Но реализация этой технологии сдерживается отсутствием приборов, определяющих необходимость применения приемов мелиорации почв. Существующие датчики помогают контролировать лишь потребность растений в азотных удобрениях.

В перспективе комплексной мелиорацией земель предусматривается сочетание этих двух элементов агротехнологии. Применение адаптивно-ландшафтного, а тем более ландшафтно-мелиоративного земледелия должно обеспечить дифференциацию работы комбинированного почвообрабатывающего агрегата (КПА) как по глубине, так и по способу внесения удобрений и мелиорантов, причем не только на богаре, но и на орошаемых массивах.

Выходом из сложившейся ситуации, по нашему мнению, является сочетание обоих подходов к решению проблемы точного земледелия. Причем наиболее универсальным решением, как мы считаем, является использование материалов ДЗЗ для составления почвенно-агротехнических картограмм, благодаря оперативному анализу спектральной отражательной способности агроценозов [2].

Библиографический список

1. Березин, Л. В. Мелиорация и использование солонцов Сибири : моногр. / Л. В. Березин. — Омск : Изд-во ОмГАУ, 2ОО5. - 2О8 с.

2. Березин, Л. В. Инновационные технологии в почвоведении, агрохимии и экологии (Современные проблемы и иннова-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (118) 2013 СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (118) 2013

ции в почвоведении) : учеб. пособие / Л. В. Березин, Л. О. Кар-пачевский ; М-во сел. хоз-ва Рос. Федерации, Ом. гос. аграр. ун-т. — Омск : Изд-во ФГБОУ ВПО ОмГАУ им. П.А. Столыпина, 2012. - 200 с.

3. Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов : тез. докл. II Междунар. конф., г. Тюмень, 15-17 ноября 2011 г. / под ред. А. В. Соромотина, А. В. Толстикова. — Тюмень : Изд-во Тюменского гос. ун-та, 2011. — 284 с.

ШАЯХМЕТОВ Марат Рахимбердыевич, ассистент кафедры почвоведения.

ДУБРОВИН Илья Александрович, студент 43-й группы факультета агрохимии, почвоведения и экологии.

Адрес для переписки: schayakhmetov.marat@yandex.ru

Статья поступила в редакцию 07.03.2013 г.

© М. Р. Шаяхметов, И. А. Дубровин

Информация

Громадин, А. В. Дендрология : учеб. для студентов образовательных учреждений среднего проф. образования / А. В. Громадин, Д. Л. Матюхин. - М. : Academia, 2012. - 368 с. - Гриф МО РФ. - ISBN 978-5-7695-8763-4.

В учебнике описаны жизненные формы древесных растений, понятия об ареалах, изложены основы экологии, фенологии, интродукции, акклиматизации растений, декоративной дендрологии. Приведены данные по методике и практике семенного и вегетативного размножения важнейших видов. Учебник может быть использован при изучении общепрофессиональной дисциплины ОП.04. «Дендрология и лесоведение» в соответствии с ФГОС СПО для специальности 250110 «Лесное и лесопарковое хозяйство». Для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования. Может быть полезен агрономам питомников и садоводам-любителям.

Гордей, И. А., Секалотритикум (Secalotriticum): генетические основы создания и формирования генома : моногр. / И. А. Гордей, Н. Б. Белько, О. М. Люсиков. - Мн. : Белорусская наука, 2011. - 214 с. - ISBN 978985-08-1344-2.

В монографии обобщены многолетние исследования авторов (1995 — 2010 гг.) по созданию нового типа тритикале с цитоплазмой ржи — секалотритикум (RRAABB, 2п = 6х — 42). Освещены проблемы отдаленной гибридизации пшеницы с рожью и представлены в историческом плане — от создания первых гибридов до селекции коммерческих сортов тритикале. Широко рассмотрена проблема совместимости ржи с тритикале и пути преодоления стерильности отдаленных гибридов F1 Изложены результаты исследований цитогенетических механизмов формирования функциональных гамет с различным хромосомным составом у ржано-тритикальных гибридов F1 и амфиплоидов F1BC1. Теоретически и экспериментально обоснованы основные факторы и закономерности формирования генома секалотритикум. Изложены генетические основы и методология создания секалотритикум, представлена технология рекомбинационной селекции гете-роплазматических тритикале. Дана кариотипическая, морфобиологическая и селекционная характеристика созданного генофонда секалотритикум. В монографии генетически обоснована целесообразность выделения гетероплазматических тритикале в ранг отдельных подвидов ssp. Triticale Tscherm. и ssp. Secalotriticum Rozenst, et Mittelst. в системе рода xTriticosecale Wittm. Предназначена для биологов, генетиков, селекционеров, преподавателей, аспирантов и студентов высших учебных и научных учреждений биологического и сельскохозяйственного профиля.

Третьяков, Н. Н. Вредители и болезни сельскохозяйственных культур : учеб. пособие для НПО / Н. Н. Третьяков, Ю. М. Стройков, В. В. Гриценко. - 3-е изд., стер. - М. : Academia, 2012. - 224 с. - Гриф Экспертного совета по проф. образованию МО РФ. - ISBN 978-5-7695-9041-2.

В учебном пособии рассмотрены морфологические и биологические характеристики основных групп вредителей и возбудителей болезней растений. Описаны наиболее важные и распространенные вредители и болезни зерновых, бобовых культур, картофеля, овощных, плодовых и ягодных культур, а также методы и приемы защиты растений от них. Дана характеристика современных химических и биологических препаратов, применяемых для защиты растений. Приведены основные элементы организации работ по защите растений. Учебное пособие может быть использовано при освоении общепрофессиональной дисциплины 0П.01 «Биологические основы агрономии» в соответствии с ФГОС НПО для профессии 110401.01 «Мастер растениеводства». Для обучающихся в учреждениях начального профессионального образования.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.