Азот потребує точності
Сучасний розвиток суспільства створює передумови використання нових, відмінних від традиційних, методів та інструментів управління господарською діяльністю і передбачає адаптацію технологій землеробства до умов впливу факторів природного та соціального середовища. Технології землеробства у своєму розвитку включають не лише біологічні чи технічні здобутки суспільства, а й нові знання в галузі інформаційних технологій. Прикладом цього є перспективна технологія так званого змінного нормування, що вже знайшла застосування в низці господарств України.
Сучасний розвиток суспільства створює передумови використання нових, відмінних від традиційних, методів та інструментів управління господарською діяльністю і передбачає адаптацію технологій землеробства до умов впливу факторів природного та соціального середовища. Технології землеробства у своєму розвитку включають не лише біологічні чи технічні здобутки суспільства, а й нові знання в галузі інформаційних технологій. Прикладом цього є перспективна технологія так званого змінного нормування, що вже знайшла застосування в низці господарств України.
С. Любченко,
заввідділом УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого
Вирішення проблеми отримання сталих урожаїв з високою якістю продукції за умови високої ефективності використання добрив та зниження техногенного навантаження на довкілля передбачає розробку та впровадження в практику землеробства високоінтенсивних технологій, які найповніше забезпечуватимуть реалізацію потенціалу сорту шляхом створення оптимальних умов росту, розвитку та формування врожаю рослин. Одним із важливих аспектів таких технологій є забезпечення рослин оптимальною кількістю поживних речовин. Тому застосування добрив потребує не лише значних витрат, а й окремого підходу до кожного поля відповідно до його ступеня просторової неоднорідності, розмаху коливань та коефіцієнтів варіації родючості грунту. Принцип: добрив якомога менше, але точно відповідно до потреби культури вимагає детальної інформації про стан грунту та забезпеченість елементами живлення рослин на кожній ділянці.
За такого підходу особливе місце належить діагностиці забезпечення рослин елементами живлення, зокрема азотом, від якого значною мірою залежить урожай та, відповідно, точний розрахунок оптимальної дози добрив. Разом із тим, проблема визначення потрібних доз добрив є однією з найважчих.
Внесення з розрахунком
Зробити розрахунок оптимальних доз добрив можна в кілька способів:
визначенням запасу поживних речовин у грунті;
оцінкою забезпеченості рослин тощо.
Суттєвим недоліком цих методів є істотні затрати часу на здійснення відборів зразків та проведення аналізів, внаслідок чого отримана інформація часто втрачає свою актуальність.
Більші потенційні можливості з цієї точки зору має листкова діагностика, що базується на вимірюванні інтенсивності забарвлення рослин. Одне з актуальних питань, що може бути вирішене методами оптичної діагностики, — визначення кількості загального азоту в рослинах на основі спектрометрії у видимому та інфрачервоному діапазонах, на основі чого роблять розрахунок дози азотних добрив для підживлення. Оскільки вміст хлорофілу, а разом з ним й інтенсивність відбитого світла є індивідуальною особливістю кожного сорту і генетично встановленою ознакою, то під час вимірювання вмісту загального азоту в рослинах потрібно мати дані калібрувальної залежності для кожного сорту рослин. За відсутності таких даних технічні засоби диференційованого внесення азотних добрив за результатами оптичного зондування стану посівів налаштовують на перерозподіл встановленої дози відповідно до інтенсивності забарвлення рослин. Для цього визначають забезпеченість рослин азотом на найбільш характерній ділянці посіву і, згідно з отриманими даними, розраховують дозу добрив для цієї ділянки, проводять процедуру калібрування оптичних датчиків, встановлюють розраховану дозу добрив і мінімальне та максимальне її значення. Результати такого методу налаштування наведено нижче.
У цій статті проведено огляд наявних на ринку технічних засобів для проведення оптичної діагностики рослин (без поглибленого розгляду їхніх технічних та технологічних особливостей).
Одним із перших засобів оптичної діагностики, який широко застосовують у технологіях керованого землеробства, є N-sensor виробництва фірми Yara International (Норвегія). Він являє собою пасивну оптичну систему, що складається з чотирьох фотоелементів, які визначають інтенсивність відбитого сонячного світла, та одного фотоелемента — для визначення інтенсивності сонячного світла в діапазоні довжини хвиль 660–800 нм. Фотоелементи поєднані з блоком обробки отриманої інформації та за допомогою бортового обчислювального комплексу видають сигнал для управління роботою розкидача мінеральних добрив (вони змонтовані в полімерному корпусі на кабіні енергозасобу). Внутрішня межа зони вимірювання знаходиться на відстані 2–3 м від поздовжньої осі, зовнішня — в межах 6–7 м і сумарно становить приблизно 20 м2 (залежно від висоти встановлення). Недоліком цього сенсора є те, що джерелом світла слугує сонце, тому час роботи даного приладу обмежується 8–10 год денного часу.
Програмне забезпечення дає можливість використовувати комплекс на низці культур та в період декількох фаз їхнього розвитку. Зокрема, щодо озимої пшениці передбачено внесення добрив у фазі виходу в трубку та в фазі початку наливання зерна.
Технологічний
процес роботи
На початку роботи обирають ділянку посіву, характерну для більшості площі, та проводять калібрування вимірювального обладнання, за яким установлюють середню інтенсивність відбитого світла та відповідну дозу азотних добрив (у фізичній вазі). Наступна операція — вихід із режиму калібрування та перехід у робочий режим: відбуваються вимірювання інтенсивності відбитого зеленого світла та синтез отриманої інформації, що передається відповідним сигналом на засоби управління роботою розкидача. Частота обміну інформацією та подавання відповідного командного сигналу — один раз у секунду. Таким чином у режимі реального часу дане обладнання дає змогу проводити вимірювання інтенсивності відбитого світла, обраховувати запаси азоту в рослинах, на основі цих даних розраховувати потрібну дозу азотних добрив та керувати роботою розкидача. Всі ці операції за допомогою навігаційного обладнання документуються у вигляді електронного файла, який можна перевести в графічний вигляд для подальшого використання або формування бази даних.
Звітні матеріали мають вигляд двох карт із легендою-поясненням. Перша карта — графічне зображення просторового розміщення виміряних значень інтенсивності відбитого зеленого світла, що перераховано в так званий показник запасів біомаси. Друга карта — графічне зображення просторового розміщення доз унесення мінеральних добрив, що розраховані за результатами вимірювань.
Визначення економічної ефективності системи оптичного зондування вмісту азоту N-sensor та порівняльна оцінка технологій, застосовуваних на озимій пшениці (площа — 3,2 га), довели переваги застосування системи оптичного зондування стану рослин, зокрема: економія азотних добрив — 9% та зниження фінансових витрат — 50 грн/га. Значення показників узято зі звітів системи та наведено в табл. 1.
Принцип роботи оптичної системи діагностики стану рослин Green Seeker RT 200 виробництва Trimble Agriculture США грунтується на здатності хлорофілу рослин відбивати світлові хвилі у близькому інфрачервоному діапазоні електромагнітного спектра та поглинати в червоному діапазоні. Відношення значень інтенсивності цих двох хвиль (так званий індекс NDVI) дає змогу чітко визначати рослинні об’єкти та аналізувати їхній стан. Прилад обладнаний власним джерелом світла, тому може працювати як протягом світлового дня, так і вночі. Система складається з шести датчиків, об’єднаних за допомогою комутаційного блока та бортового комп’ютера Nomad Trimble TDS 800 L з програмним забезпеченням RT-Commander. Інформація з датчиків опрацьовується комутаційним блоком та передається на бортовий комп’ютер, який формує команди для засобів внесення. Таке обладнання працює в складі розкидачів або обприскувачів, що обладнані сучасними системами управління: контролерами та електричними виконавчими механізмами.
Green Seeker-датчик використовує окреме джерело світла для кожної довжини хвилі й одного детектора. Поле зору Green Seeker у всьому діапазоні робочої висоти (0,6–1,6 м) становить 61 см ± 10 см x 1,5 см ± 0,5 см, проте є свідчення, що більша частина інформації надходить із центра поля зору. Датчики монтують на штанзі обприскувача або за допомогою спеціального кронштейна — на розподілювачах мінеральних добрив. Протокол обміну даних опрацьовує CAN Bus (250 кГц) або RS 232 Output, що дає можливість без особливих труднощів переносити дані в ПК.
Алгоритм роботи такий: датчики визначають індекс NDVI, отримана інформація надходить до бортового комп’ютера, де обробляється, далі розраховується оптимальна норма азоту та формується сигнал, що надходить на виконавчі механізми розкидача. Система працює в режимі реального часу. В нашому разі в процесі роботи на основі інформації з азотовимірювальних датчиків, що аналізують стан рослин на приблизно 20–30% оброблюваної площі з частотою 10 раз за секунду, формуються два командних сигнали: на правий та лівий виконавчі механізми розкидача добрив. Відповідно до стану рослин на цих ділянках, система визначає забезпеченість рослин азотом. На основі отриманих даних вносили потрібні дози добрив.
Протягом 2010 р. такі системи працювали в двох господарствах України і були застосовані під час вирощування озимої пшениці. Результати їхньої роботи наведено в табл. 2.
Застосування систем оптичного зондування стану рослин свідчить про їхню високу економічну ефективність. Порівняно із загальноприйнятою технологією, в обох господарствах отримана значна економія мінеральних добрив — у межах 17–20%. На площі 2 тис. га посівів у Вінницькій області — це 57 т. Попри зменшення загальної кількості внесення добрив в умовах 2010 р., отримано прибавку врожайності — 12–16 ц/га за поліпшеної якості продукції, зокрема вмісту білка та клейковини. У дещо гірших природних умовах вирощування в Чернігівській області на площі близько 600 га отримано економію добрив на рівні 20% за збереження показників урожайності та покращання якості зерна.
Крім економічного ефекту застосування таких систем, слід відмітити і вигоди за використання інформації в управлінні господарством, плануванні, обліку та контролі за якістю виконання операцій.
Одна з провідних світових компаній, що працює в галузі розробки оптичних систем Topcon Positioning Systems (Японія), у співпраці з Yara International розробила та впроваджує систему оптичної діагностики забезпеченості рослин азотом на основі датчика CropSpec. Система Topcon використовує два датчики (з лівого і правого боку агрегату) для вимірювання спектральних характеристик посіву — індекс NDVI. Датчики обладнані власним джерелом світла (два імпульсні лазерні діоди), потік якого спрямований на посів, і одним детектором. Розміщені датчики на даху енергозасобу (оглядовість — 45–55°). Частота вимірювань — один раз за секунду. Значна відстань до поверхні рослин (2–4 м) дає змогу вимірювати відбите світло з площі 5–8 м2, що забезпечує стабільні результати вимірювань. Система має два основних режими роботи: документування інформації, отриманої системою, та автоматичний режим управління роботою за результатами зондування. До складу системи входять: консоль управління X20 (System 200), два датчики CropSpec, програмне забезпечення Topcon’s Maplink, що реалізує технологію VRC (variable rate control) для розподілювачів рідких чи гранульованих добрив.
Ще одним із технічних засобів для реалізації технології змінного нормування є оптичний датчик Holland Scientific Crop Circle ACS-470 (США). Він належить до групи активних датчиків, має власне джерело світла: один поліхромний світловипромінювальний діод (LED) і триканальний кремнієвий детектор із спектральним діапазоном 320–1100 нм. Оптична система включає в себе три оптичних канали вимірювання, що забезпечує можливість користувачеві працювати з декількома довжинами хвиль, нм: 450, 550, 650, 670, 730, 800. Зміна спектральних характеристик виконується за допомогою стандартних фільтрів (12,5 мм). Поле огляду датчиків (вертикально знизу) пропорційне висоті над поверхнею, становить 25–183 см, кут огляду — 30–14°. Частота вимірювань — один раз за секунду, проте може змінюватись до 20 разів за секунду. Система має два режими роботи: документування отриманої інформації і складання карти біомаси та автоматичний режим управління роботою за результатами зондування в режимі реального часу.
Інформація, отримана за допомогою датчика (індекси NDVI, NDRE), може бути використана для кількісної оцінки впливу поживних речовин, забезпеченості рослин вологою, виявлення захворювань рослин або інших ознак поточного стану культури. За використання реєстратора даних GeoSCOUT GLS-400 результати вимірювання можуть бути легко і швидко перенесені в текстовий файл на карту пам’яті, СD або флеш-пам’ять.
Оптичний датчик OptRx — це наступне покоління датчиків фірми Holland Scientific, виготовлених на основі розробок та досвіду експлуатації Crop Circle. На ринку його реалізують під торговою маркою AG Leader з назвою CropSensor. До складу системи входить багатофункціональний дисплей Integra DirectCommand. Система реалізації технології змінного нормування на основі OptRx використовує параметри калібрувальної залежності, що розроблені для попереднього покоління. Датчики визначають індекс NDVI. За даними досліджень, проведених у Південній Дакоті, в результаті обробки азотними добривами 678 га отримали прибуток 56,53 дол. США/га.
Система Fritzmeier ISARIA (Німеччина) складається з двох вимірювальних головок, кожна з яких оснащена чотирма LED-джерелами світла, що випромінюють хвилі певної довжини. Відбите світло реєструється за допомогою високочутливих вимірювальних приладів до 500 разів за секунду, і дані передаються на процесор. Тут значення вимірювань обробляються і надходять через Bluetooth до терміналу ISARIA в кабіні трактора. Отримані значення вимірювань (індекс REIP) або складені карти розрахованого внесення добрив вводяться в термінал ISARIA, який встановлює відповідну дозу азотних добрив. Управління засобами для внесення добрив здійснюється безпосередньо з терміналу ISARIA.
На жаль, допоки технології змінного нормування на основі оптичної діагностики забезпеченості рослин елементами живлення не знайшли широкого застосування в сільськогосподарському виробництві України. Причин цього, на мою думку, декілька, зокрема:
відсутність достатньої інформації про технологічні, економічні та екологічні вигоди, які забезпечує ця технологія;
недостатня наукова підтримка технологій змінного нормування на основі оптичної діагностики забезпеченості рослин;
висока вартість обладнання та обмежена кількість кваліфікованих агрономів, технологів сільськогосподарського виробництва, які розуміють перспективність застосування таких технологій.
Можливо, інформація, наведена в цій статті, стане мотивом для вивчення досвіду застосування таких технологій, їхньої адаптації до умов України та застосування в сільськогосподарському виробництві.