Приемы дифференцированного внесения минеральных удобрений в точном земледелии
Важнейший компонент системы точного земледелия — использование специальных сканеров и сенсоров для оценки состояния посевов, последующего дифференцированного внесения удобрений и средств химической защиты растений (пестицидов) в зависимости от состояния культурных растений, наличия сорняков на отдельных участках поля.
При традиционной системе земледелия, даже при достаточно точном и обоснованном расчете необходимых доз применяемых агрохимикатов, всё равно отмечается их значительный перерасход, что, как уже отмечалось, не только экономически невыгодно, но и создает реальную опасность загрязнения окружающей среды.
С другой стороны, агрохимический анализ почвы, которую брали на участках с различной урожайностью, показал в пробах значительные отклонения по содержанию азота, фосфора и калия, несмотря на то, что минеральные удобрения вносились достаточно равномерно. Это связано, в первую очередь, с неоднородностью почвенного плодородия, что отмечается, например, в Северо-Западном регионе и Нечерноземной зоне России.
Все это является следствием того, что растения поглощают не только вещества, вносимые при выращивании данной (сегодняшней) культуры, но и те, что накопились в почве ранее. При этом сама биологическая потребность растения в питании на том или ином участке поля может быть разной, в зависимости от его освещенности, влажности почвы, наличия сорняков и т.д.
Следовательно, при внесении постоянной дозы удобрений нельзя добиться оптимизации питания всех растений. Поэтому удобрения нужно вносить в почву дифференцированно, с учетом количества ранее накопленных в ней основных питательных веществ и ряда других характеристик конкретного участка поля. Еще большую изобретательность и гибкий подход к расчету доз нужно проявлять при борьбе с сорняками, вредителями и болезнями растений.
Внесение удобрений по технологии точного земледелия проводится дифференцированно, то есть, условно говоря, на каждый квадратный метр вносится столько удобрений, сколько необходимо именно здесь (на данном элементарном участке поля). Внесение проводится в двух режимах — off-line и on-line. Дифференцированное внесение минеральных удобрений на сегодняшний день является одним из ключевых элементов в точном земледелии.
Режим off-line предусматривает предварительную подготовку на стационарном компьютере карты-задания, в которой содержатся пространственно привязанные с помощью GPS дозы удобрения для каждого элементарного участка поля. Для этого осуществляется сбор пространственно привязанных данных о границах поля и контурах неоднородности свойств. Проводится расчёт дозы для каждого элементарного участка поля, тем самым формируется (в специальной программе) карта-задание.
Затем карта-задание переносится на флеш-карте (или другом носителе информации) на бортовой компьютер, оснащённый GPS-приёмником и управляющим контроллером сельскохозяйственной техники. Трактор, оснащенный бортовым компьютером, двигаясь по полю, с помощью GPS определяет свое местонахождение, считывает с карты дозу удобрений, соответствующую месту нахождения и посылает сигнал на контроллер распределителя удобрений (или опрыскивателя). Контроллер же, получив сигнал, выставляет на распределителе удобрений нужную дозу.
Режим реального времени (on-line) предполагает предварительное проведение калибровки непосредственно на посевах перед выполнением операции, а доза удобрений определяется во время работы агрегата при его движении по полю. Калибровка в данном случае – это количественная зависимость дозы удобрения от показаний датчика, установленного на сельскохозяйственной технике, выполняющей операцию. Одним из таких датчиков является Hydro-N-Sensor производства фирмы Yara © , который в инфракрасном и красном диапазонах излучения определяет содержание хлорофилла в листьях и рассчитывает по этим показателям относительную биомассу.
На основании этих данных, а также данных по сорту и фазе развития (фенофазе) растения, определяется доза азотных удобрений. Помимо использования N-сенсора (Hydro-N-Sensor) также используется портативный прибор N-tester, определяющий азотный статус растения и позволяющий рассчитать рекомендуемую дозу внесения удобрений по калибровочным таблицам для разных сортов. Результаты выполнения операции внесения удобрений on-line (дозы и координаты, обработанная площадь, время выполнения и фамилия исполнителя) записываются на чип-карту.
В режиме on-line бортовой компьютер получает данные от датчика, сравнивает их с определенными и записанными в память значениями, полученными во время калибровки, и посылает сигнал на контроллер по той же схеме, что и в режиме off-line. В настоящее время активно ведутся разработки различных датчиков, позволяющих использовать режим on-line. Это оптические датчики, работающие в диапазонах разных длин волн, определяющие содержание азота в листьях, засоренность посевов, а также развитие болезней посевов.
Отмечается колоссальная польза совместного использования сенсоров и систем навигации при разбрасывании и опрыскивании. В отличие от посева и почвообработки, где заметна обработанная площадь, на этих операциях механизатору ориентироваться на предыдущие проходы значительно сложнее. По старинке в хозяйствах пользуются колышками-маркерами, используют помощь сигнальщиков с флажками или фонариками, указывающими направление движения соответственно при дневном и ночном опрыскивании. Курсоуказатели позволяют уйти не только от этих устаревших методов, но и отказаться от различных видов маркеров, стоимость которых иногда превышает стоимость навигационных приборов.
Как уже отмечалось, навигационное оборудование разрабатывалось для параллельного вождения (исключение пропусков и перекрытий), т.е. основная экономия происходит именно на данном этапе. Так, в ходе работы традиционным (глазомерным) способом было выявлено, что при внесении минеральных удобрений и обработке посевов средствами защиты растений ввиду отсутствия маркеров на разбрасывателях и опрыскивателях получены следующие данные: на 11 % площади поля были перекрытия, т.е. на этих участках была внесена двойная норма минеральных удобрений и средств защиты растений. Посевы на этих участках были угнетенными либо получили ожог (на 4 % площади поля).
Там, где были допущены пропуски, урожайность была ниже, чем на нормально обработанных участках, т.е. на 15 % площади поля не была соблюдена норма внесения и недополучена прибыль. Необходимо отметить, что при использовании систем автоматического вождения происходит повышение рабочей скорости на 13…20 % за счет концентрации тракториста только на технологическом процессе.
В Центре точного земледелия РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева для сканирования посевов используются оптический датчик RT-200 GreenSeeker ® (США) и N-Sensor ® ALS (Германия).
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). Это один из самых распространенных и используемых индексов для количественных оценок растительного покрова.
Будучи искусственным безразмерным показателем, NDVI предназначен для оценки эколого-климатических характеристик растительности, но в то же время может показывать значительную корреляцию с некоторыми параметрами из совсем другой области:
— продуктивностью (временные изменения);
— влажностью и минеральной (органической) насыщенностью почвы;
— объемом выпавших осадков;
— мощностью и характеристиками снежного покрова.
Зависимость между этими параметрами и NDVI, как правило, непрямая и связана с особенностями исследуемой территории, ее климатическими и экологическими характеристиками, кроме этого, часто приходится учитывать временную задержку параметра и ответной реакции NDVI.
Система RT 200 GreenSeeker снабжена активным источником излучения, излучаемого в диапазоне 600 нм (красный) и 780 нм (близкий к инфракрасному). Часть отраженного света попадает на фотодиоды, где измеряется его количество. После вычисления на компьютере выдается индекс вегетации, который служит показателем плотности травостоя и его жизнеспособности. Бортовой компьютер позволяет вычислять и изменять норму внесения.
Алгоритмы для внесения удобрения с региональной спецификой разработаны американской компанией для США и используются на озимой пшенице, вскоре ожидается появление версий для кукурузы и ячменя. Возможна самостоятельная разработка алгоритма внесения удобрений или средств защиты растений.
Например, перед проведением ранневесенней подкормки озимых необходимо на поле выделить и просканировать три (можно и более) участка. Показателям NDVI на плохом участке, где посев изрежен из-за зимнего выпревания, и уже заведомо не будет получено хорошего урожая, присвоить норму внесения удобрений равную нулю. Среднему участку со средними значениями NDVI — максимальную дозу азотных удобрений, для провокации кущения, а самому лучшему участку поля, с максимальными показаниями NDVI — среднюю дозу удобрений, чтобы дать оптимальную подкормку и в то же время снизить вероятность полегания.
Система GreenSeeker представляет собой несколько оптических датчиков, которые равномерно располагаются вдоль штанги опрыскивателя. Датчики можно устанавливать впереди или позади штанги. «Направление» датчика не имеет значения. Таким образом, прямоугольное светодиодное окошко может быть расположено как параллельно, так и перпендикулярно направлению движения. Рабочий луч прибора направлен перпендикулярно поверхности почвы.
Каждый из этих датчиков имеет свой источник излучения и может использоваться в любое время суток. Таким образом, система GreenSeeker ® RT 200 измеряет индекс вегетации биомассы NDVI, затем сравнивает полученное значение с заданным алгоритмом и в режиме реального времени определяет, сколько азотных удобрений надо внести на данном участке поля. Кроме того, если подключить приемник GPS, то в память компьютера можно занести значение индекса NDVI с привязкой к местности, а затем составить карту его распределения.
Индекс NDVI можно использовать для мониторинга состояния посевов, определения потенциального урожая, установления факторов стрессовых ситуаций, воздействия вредителей и болезней.
Системой с бόльшей площадью сканирования, выполняющей аналогичную работу, но несколько с иным принципом действия, является N-Sensor ® ALS, который также используется для сканирования растений.Информация, получаемая при эксплуатации указанных приборов, представляется в виде электронных карт, обрабатывается при помощи компьютерной программы SMS Advanced и представляется в виде ГИС (геоинформационной системы).
Особенно важно использование сенсорных датчиков при внесении азотных удобрений в виде подкормок, применение которых является решающим фактором для получения высоких урожаев и улучшения качества сельхозпродукции. Равномерное по площади внесение удобрений при неоднородном составе питательных веществ в почве приводит к их локальной передозировке или недостаточности.
Следовательно, удобрения необходимо вносить в соответствии с потребностями растений, что обеспечивает оптимальную эффективность их использования. Дифференциальное внесение минеральных удобрений — одно из важнейших экономических и экологических аспектов точного земледелия. Применение данной технологии и оборудования позволяет значительно сократить затраты на удобрения, т.е. вносить их в зависимости от потребности культурных растений, а также обеспечивает оптимальное содержание питательных веществ в почве.
Балабанов В.И., Березовский Е.В., Беленков А.И., Железова С.В.
Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К.А. Тимирязева
Использован материал из учебного пособия: Навигационные технологии в сельском хозяйстве. Координатное земледелие / 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.
Источник
Дифференцированное внесение удобрений точное земледелие
Точное земледелие — это совокупность технологий, которые позволяют повысить урожайность и экономическую эффективность сельскохозяйственных работ. Наверное, правильнее было бы называть этот подход точечным, ведь идея состоит в том, чтобы обеспечить максимально благоприятные условия для выращивания на каждом участке поля.
Агрономы знают, что среда обитания достаточно вариабельна даже внутри одного поля. Могут различаться состав почв и рельеф, а значит, солидный резерв повышения продуктивности кроется в совершенствовании внутрипольного управления питанием растений. Одной из таких технологий является система дифференцированного внесения удобрений.
Как это работает? С какими сложностями встречаются производители, внедряющие системы дифференцированного внесения удобрений, мы расскажем и покажем в первой серии спецпроекта «ИнноАгро».
Для внесения нужного количества удобрений на каждом участке делают отборы проб, в лаборатории анализируют полученные результаты, составляют карты полей, определяют задачи для машин, работающих в поле. При этом задействуется спутниковая навигация и специализированные программы для удаленного управления техникой.
Этот метод позволяет достичь максимальной урожайности, сократить объем вносимых удобрений, повысить экологичность земледелия.
Мы отправляемся изучать особенности технологии в один из кластеров инновационного агрохолдинга «Кернел» — «Дружба-Нова» . В 2016 г. площадь внесения удобрений локальным способом с возможностью использования переменной нормы в компании составила 150 тыс. га.
С момента возникновения идеи дифференцированного внесения удобрений до ее первого внедрения в нашей стране прошло более 20 лет.
Первый опыт по дифференцированному внесению гербицида с применением GPS был получен в Германии в
1989 г. Тогда технологию признали перспективной, однако качество GPS-позиционирования не позволяло реализовать потенциал этого метода в полной мере.
В 1995 г. после вывода всех спутников GPS на орбиту и создания коммерческой системы мониторинга земельных ресурсов LORIS™ открылись научно-исследовательские центры по точному земледелию в США и Австралии.
К началу нынешнего века GPS прибавила в функциональности. Появилась развитая беспроводная связь, компактные доступные видеокамеры и датчики, программно-аппаратные решения для оперативного управления и анализа массивов данных, в том числе и сельскохозяйственных. Только в комплексе эти средства способны обеспечить реализацию идеи дифференцированного внесения удобрений.
На рынке Украины одним из первопроходцев была «Дружба-Нова» , где внедрение элементов точного земледелия началось в 2009-2010 гг. с запуска системы параллельного вождения. С 2010 по 2013 г. компания внедрила технологию автоматического отбора почв, создала агрохимическую лабораторию, произвела первичное агрохимическое обследование почв основной части полей «Дружбы-Нова».
В 2012 г. технология переменного внесения фосфорно-калийных удобрений частично использовалась для локального внесения удобрений в рамках технологий Strip-Till, Mini-Till. Техника была оборудована системами управления и навигации Raven. Культиваторы-бункера Horsch и Ortman были модернизированы под функцию работы с заданиями согласно сменной нормы.
С 2013 по 2016 г. технологию агрохимического обследования реализовали на всей площади предприятий «Кернел». Обследовано 400 тыс. га, при средней продуктивности 150 тыс. га в год.
Для внедрения технологии создана сеть покрытия всех посевных площадей компании собственной сетью базовых РТК станций для получения точности в 2,5 см, установлены и запущены в работу около 300 систем управления и навигации техникой Trimble, John Deere, Raven, CNH. Дополнительно 38 прицепных бункеров переоборудованы для управления сменной нормой внесения удобрений. Бункера управляются и работают как с дополнительными системами управления нормой, так и через ISO BUS соединение (специально разработанным протоколом совмещения навесного и прицепного оборудования с бортовыми компьютерами).
Каждый образец взвешивают и пересыпают в колбу, получая «навески», для последующего определения содержания в почве подвижных химических элементов, которыми питаются растения. «Навески» заливают экстрагентом, чтобы получить экстракт каждого элемента отдельно. Экстракт, оставшийся после фильтрации почвы, также исследуют с помощью специальных методов.
Например, обеспеченность калием определяют с помощью метода пламенной фотометрии. Он основан на изучении насыщенности спектра излучения, энергии, выделяемой веществами.
Техника «Кернел» оборудована системами навигации, дисплеями и модемами ведущих мировых производителей: Trimble, Raven и John Deere. На интернет-порталы этих компаний из отдела ГИС загружаются карты-задания, а оттуда они поступают на бортовые компьютеры техники. Также передается информация, полученная с беспилотных летающих аппаратов, о рельефе местности и уклонах, что позволяет оптимизировать движение по полям и учесть препятствия.
Диспетчерский пункт контролирует процесс внесения удобрений и оперативно реагирует на отклонение полученных показателей от плановых. Отслеживаются расход топлива, простой, отклонения от маршрутов, нормы расхода удобрений. Информация по каждой единице техники собирается с помощью датчиков и трекеров и загружается на портал Сonnectedfarm в виде файлов о фактически проделанной работе. Если есть необходимость вмешаться, дежурный диспетчер сразу же связывается с машинистом и корректирует его действия.
За годы использования технологии дифференцированного внесения удобрений «Кернел» наработал внушительный опыт и собрал огромную базу данных. Если в 2015 г. технология внесения удобрений по переменной норме была реализована в рамках 3 кластеров на площади 55 тыс. га, то в 2016 г. компания использовала единую технологию внесения удобрений на всех кластерах (70% площадей) — локально-ленточную с работой по карте-предписанию в единую или переменную норму.
Как показала практика, локально-ленточное внесение удобрений в сравнении с внесением их в разброс повышает эффективность потребления элементов питания из удобрений на 10-30%. Это дает такое же уменьшение в физическом весе. Сегодня «Кернел» использует самый консервативный вариант уменьшения нормы — на 10%. Затраты на минеральное питание в денежном выражении сокращаются на сумму от 150 до 260 грн в расчете
на 1 га.
В 2015 г. компания «Кернел» использовала технологию дифференцированного внесения удобрений на предприятиях в Черниговской и Черкасской областях. В среднем получено уменьшение физической нормы фосфорно-калийных удобрений на 13% (в сравнении с внесением по единой норме). В денежном эквиваленте такое уменьшение составляет от 190 до 340 грн/га.
Для локального внесения переменных норм необходимы инвестиции в переоборудование техники. Переоснащение одного агрегата может стоить 280-400 тыс. грн. При этом предполагается, что в наличии уже имеется техника с навигационной системой и бункер. Таким образом, перевод одного агрегата на переменные нормы окупается при обработке 2 тыс. га за один сезон.
Кроме экономии на удобрениях, достигается сокращение расходов и по другим статьям, например, ГСМ. Для прицельной работы с рассчитанными объемами удобрений и посевного материала техника оборудуется системами параллельного и автоматического вождения, что снижает площади перекрытий при проведении полевых работ, в том числе и внесении удобрений.
Использование систем автоматического вождения — основной базовый элемент работы с любыми технологиями использования переменных норм. Логика проста: нет точного спутникового сигнала и автоматического вождения — нет всех других технологий точного земледелия. Поэтому они являются определяющими для достижения эффекта от технологии точного земледелия:
- экономия ресурсов за счет отключения секций;
использование переменных норм внесения продуктов (удобрения, семена, баковые смеси);
Внедрение новых технологических решений всегда сопровождается техническими или организационными сложностями. В случае с дифференцированным внесением удобрений проблемы чаще всего возникают в связи с достижением необходимой пространственной точности и правильностью дозирования.
Например, бывают ситуации с попаданием рядов посева в ленту внесения удобрений, а также прохождением агрегатом в одну и ту же линию из года в год.
Особое внимание следует уделить отладке механизмов калибровки раздаточного дозирующего механизма бункера, точности дозирования и равномерности распределения удобрения от бункера до сошника внесения.
Инноваторы могут столкнуться с «системными конфликтами» между телекоммуникационными устройствами различных производителей, которые используются при подготовке карт-предписаний для техники.
Не всегда высоким является качество беспроводной связи, которая необходима для загрузки заданий на технику удаленно и получения отчетов.
Дифференцированное внесение удобрений осуществляется по единому принципу. Однако формирование исходных данных и их использование в организации процесса дифференцированного внесения удобрений может осуществляться различными способами.
Сейчас конкурируют два основных процессных подхода. Условно их называют оффлайн и онлайн-подход. В первом случае нормы внесения по каждому участку поля определяются заранее, и техника работает по уже введенной программе со всеми расчетами по каждому участку поля. Так работают в «Кернеле».
Онлайн-способ позволяет производить расчет и коррекцию необходимого объема удобрений прямо во время проведения этой операции, в поле. Этот способ напоминает пошаговую стратегию, предполагает использование датчиков-спектрометров, которые могут находиться на движущемся тракторе или на беспилотнике. Сенсор излучает свет на двух длинах волн и измеряет отражение от поверхности растений. Возникающая разница в красном и инфракрасном спектрах тесно коррелирует с плотностью растительности и ее насыщенностью питательными веществами. На основе полученных данных вычисляются стандартизированные индексы различий растительного покрова — таких насчитывается более двух десятков. Среди них и наиболее известный вегетационный индекс NDVI. Они принимаются в расчет специальной программой, определяющей по заданном алгоритму оптимальную норму для каждого участка поля.
И так, шаг за шагом, в режиме онлайн с одновременным внесением удобрений. Будущее за развитием именно этой схемы, считает Константин Шитюк.
Источник