Перспективи впровадження інтелектуальних систем моніторингу ґрунту

Сучасні виклики, пов’язані зі змінами клімату, обмеженістю ресурсів та зростаючими екологічними вимогами, стимулюють трансформацію традиційних підходів до агрохімічного обслуговування сільськогосподарських угідь. 

Серед адаптивних до змін клімату агротехнологій особливе місце займає технологія точного землеробства (ТЗ), яка використовує елементи глобального позиціонування, геоінформаційні системи та супутникові дані для оптимізації агрохімічного обслуговування. Її впровадження розпочалося з початку 90-х років минулого століття завдяки масовому розповсюдженню інформаційних технологій. Становлення ТЗ відбувалося завдяки конвергенції трьох ключових технологічних досягнень: створення надійних і високопродуктивних засобів механізації сільського господарства, стрімкого поширення електроніки та інформаційних технологій, а також загальної доступності глобальних систем позиціонування. На відміну від традиційних підходів, які передбачають однакове внесення агрохімікатів по всій площі поля, не враховуючи строкатості його родючості, технологія ТЗ враховує варіабельність ґрунтових умов у межах одного поля й дозволяє оптимізувати використання ресурсів, добрив або пестицидів. 

До основних компонентів системи ТЗ відносять комплекс взаємопов’язаних технологій та інструментів: 

• глобальні системи позиціонування (ГСП), які підвищують точність виконання технологічних операцій; 
• ГІС, які є платформою для збору, зберігання, аналізу та візуалізації просторових даних про поля й дають змогу інтегрувати різноманітні типи даних: карти ґрунтів, топографічні дані, історію врожайності, результати агрохімічного аналізу; 
• технології змінних норм внесення (ЗНВ) технологічних матеріалів, що дозволяє диференційовано вносити добрива та засоби захисту рослин відповідно до потреб конкретних ділянок поля на основі попередньо створених карт-завдань (offline) та в режимі реального часу (online) на основі даних від сенсорів; 
• карти врожайності для аналізу ефективності агротехнічних заходів та планування диференційованого внесення добрив у наступному сезоні; 
• системи дистанційного моніторингу, що включають аеро-фотозйомку з дронів, супутникові знімки та спеціалізовані сенсори для оцінки стану посівів, що дозволяє оцінювати стан посівів за спектральними індексами з періодичністю від щоденного до щотижневого залежно від критичності фаз розвитку культур; 
• пристрої для оперативної діагностики: контактні та безконтактні сенсори електропровідності ґрунту, датчики вологості, температури, щільності ґрунту, pH-метри, нітрат-тестери, хлорофіл-метри для моніторингу ключових агрохімічних та агрофізичних параметрів безпосередньо в полі, що забезпечує оперативність прийняття рішень. 

Нині у світі для ґрунтових обстежень широко застосовують електрофізичні методи, зокрема карти електропровідності ґрунту (КЕҐ). Ці методи базуються на вимірюванні здатності ґрунту проводити електричний струм, що залежить від комплексу його властивостей: вологості, гранулометричного складу, щільності, температури, умісту солей та органічних речовин. За принципом дії прилади для визначення електропровідності ґрунту поділяються на контактні (використовують електроди, що безпо-середньо контактують із ґрунтом) та безконтактні (працюють за принципом електромагнітної індукції). 

В технологіях точного землеробства широко застосовують пристрої для оперативної діагностики

Найпоширенішими комерційними системами є Veris (Veris® 3100, Veris Technologies, Salina, Kansas, USA), що використовує контактний метод із дисковими електродами, EM38 (Geonics Limited, Mississauga, Ontario, Canada) та Soil Doctor® System, (Crop Technology, Inc., Bandera, Texas, USA), що базуються на електромагнітній індукції. Обидві системи допомагають вимірювати електропровідність на різних глибинах (зазвичай, 0–30 см та 0–90 см), що надає спроможність будувати не лише горизонтальні карти варіабельності властивостей ґрунту, але й отримувати інформацію про їхню вертикальну стратифікацію. Численні дослідження підтверджують наявність тісної кореляції між електропровідністю ґрунту та такими важливими агрономічними показниками, як гранулометричний склад (уміст глини r = 0,7–0,9), ємність катіонного обміну (r = 0,6–0,8), водо-утримувальна здатність (r = 0,5–0,7), уміст органічної речовини (r = 0,5–0,7) та навіть урожайність сільськогосподарських культур (r = 0,3–0,6). 

Одним із перспективних напрямів технології ТЗ є апроксимація біологічних властивостей ґрунту за індексами вегетації рослин. Зондування ґрунту та рослинного проєктивного покриття може проводитися як дистанційне, так і проксимальне. Дистанційне зондування здійснюється з використанням супутників, літаків, безпілотних літальних апаратів (БПЛА) без безпосереднього контакту з досліджуваним об’єктом. Ця технологія дає можливість отримувати інформацію про стан рослинного покриву та опосередковано про стан ґрунту на великих площах. 

Основні спектральні індекси, що використовуються для оцінки стану рослинності, включають: 

• NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) – нормалізований різницевий індекс вегетації, який розраховується на основі співвідношення відбиття в червоному та ближньому інфрачервоному діапазонах і корелює з біомасою рослин; 
• EVI (Enhanced Vegetation Index) – покращений вегетаційний індекс, менш чутливий до насичення за високої біомаси; 
• SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index) – ґрунтово-скоригований вегетаційний індекс, що враховує вплив відкритого ґрунту; 
• NDRE (Normalized Difference Red Edge) – індекс, чутливий до вмісту хлорофілу й особливо корисний для оцінки забезпеченості рослин азотом. 

Одним із перспективних напрямів технології ТЗ є апроксимація біологічних властивостей ґрунту за індексами вегетації рослин.

Проксимальне зондування передбачає використання сенсорів, що знаходяться в безпосередній близькості до досліджуваного об’єкта (ґрунту або рослин). Цей метод забезпечує вищу точність вимірювань та спроможність визначення більшої кількості параметрів порівняно з дистанційним зондуванням. Прогрес у розвитку електроніки дає змогу створювати вимірювальні системи широкого спектру дії на основі нових принципів і підходів та розгортати їх у польових умовах. Сучасні сенсори для проксимального зондування ґрунтів можуть працювати на різних фізичних принципах: електромагнітному, оптичному, радіометричному, механічному, електрохімічному та акустичному. 

Н. Адамчук-Чала, д-р біол. наук, с. н. с., О. Тараріко, д-р. с.-г. наук, професор, головний науковий співробітник, Т. Ільєнко, канд. с.-г. наук, професор, 
завідувач лабораторії 
Інститут агроекології і природокористування НААН