Традиционная технология предполагает внесение усредненной дозы удобрения для всего обрабатываемого поля без учета рельефа, почвенного покрова, освещенности, температуры почвы, количества влаги, минеральных и органических веществ на каждом участке. При этом невозможно оптимизировать питание всех растений, так как их биологическая потребность в нём на разных участках поля может различаться. Это связано, в первую очередь, с неоднородностью почвенного плодородия, которое отмечается в Северо-Западном регионе и Нечерноземной зоне России, а также с тем, что растения поглощают не только вещества, вносимые при выращивании данной (сегодняшней) культуры, но и те, что накопились в почве ранее.
Современные способы внесения удобрений должны обеспечивать точное внесение оптимальных доз удобрений для каждого участка поля и удовлетворять требованиям по защите окружающей среды. В наибольшей степени этому соответствует технология дифференцированного внесения удобрений и средств химической защиты растений, являющаяся основным элементом системы точного земледелия, предусматривающая корректировку нормы внесения Я питательных веществ и средств защиты растений в зависимости от ситуации на каждом отдельном участке поля. Последовательность и технологии дифференцированного внесения удобрений можно объединить в три этапа (табл. 9) [58].
Технологический процесс дифференцированного внесения материалов осуществляется в двух основных режимах: online (режим реального времени) и offline (с готовой картой поля) [59]. Режим offline предусматривает предварительное проведение агрохимического обследования и создание карт обеспеченности почвы элементами питания.
Таблица 9 Этапы технологии дифференцированного внесения удобрений
Этап: Построение электронных карт вариабельности элементов питания растений
Включает в себя:
- определение параметров полей (размеры, форма поля, длина гонов, рельеф, наличие южных, северных и других склонов, их крутизна, наличие подъездных путей и др.);
- выбор метода отбора проб (сеточный или точечный) и определение шага квантования;
- разбивку поля на ареалы с использованием средств позиционирования ГЛОНАСС (GPS);
- лабораторный анализ почвенных проб с получением массива данных о содержании элементов питания в глобальной системе позиционирования;
- обработку массива данных;
- оформление электронных карт распределения элементов питания (N, Р, К, гумус)
Этап: Построение карты- задания дифференцированного внесения удобрений
Включает в себя:
- электронную карту с разбивкой поля на элементарные участки;
- электронную карту с разбивкой поля на ареалы;
- электронную карту урожайности;
- расчет доз NPK с использованием функций отзывчивости, алгоритма Каюмова и карт урожайности;
- построение карты дифференцированного внесения удобрений;
- выбор метода интерполяции;
- построение карты-задания дифференцированного внесения удобрений.
Этап: Процесс дифференцированного внесения удобрений
Включает в себя:
- выбор технологии и технического средства дифференцированного внесения удобрений с разделением:
- по участкам и применению агрегатов для внутрипочвенного или поверхностного внесения удобрений;
- по ареалам и применению агрегатов с дисковыми рабочими органами;
- настройку рабочих органов на заданный диапазон изменения доз Dmin, Dmax.
Для определения оптимального места расположения точек взятия образцов почв с различных горизонтов для определения химических, физико-химических и агрофизических характеристик используют данные аэрокосмической съемки или имеющиеся картографические материалы [60, 61]. Трактор, автомобиль или другое транспортное средство оснащается автоматическим пробоотборником, GPS-приемником и мобильным компьютером, что позволяет непосредственно в поле фиксировать на электронной карте координаты точек взятия проб. Анализ собранной информации после картирования полей с использованием GPS-приемника осуществляется с помощью соответствующих программ, которые сначала рассчитывают дозы под планируемый урожай на каждом участке поля, а затем нормы вносимых минеральных удобрений в физической массе. Программы создают карту-задание для дифференцированного внесения удобрений, которая переносится в бортовой компьютер трактора. При движении по полю информация о дозе удобрений, соответствующая месту нахождения, передается на контроллер разбрасывателя удобрений, который выставляет нужную дозу.
В режиме online доза удобрений определяется непосредственно во время операции за один проход техники по полю. Сенсорные датчики в режиме реального времени определяют основные параметры состояния почвы, плотность травостоя и его жизнеспособность, содержание хлорофилла в листьях и биомассу растений. Информация подается на бортовой компьютер трактора, управляющего дозирующей системой машины для внесения удобрений. С помощью соответствующего программного обеспечения происходит обработка данных, после чего определяется необходимое количество удобрений и посылается сигнал на контроллер по той же схеме, что и в режиме offline [62]. В мировой практике наибольшее распространение получили сенсорные датчики GreenSeeker, MiniVeg N, N-Sensor, Crop-Sensor (фирма «Hydro Agri»), Weed- Seeker (компания «Trimble»).
Система GreenSeeker представляет собой несколько оптических датчиков, определяющих содержание азота в листьях и засоренность посевов (рис. 10). Измеряет индекс вегетации биомассы NDVI (Normalized Difference Vegetative Index – нормализованный относительный индекс растительности), затем сравнивает полученное значение индекса с заданным алгоритмом и в режиме реального времени определяет, сколько азотных удобрений или пестицидов необходимо 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. «Направление» датчика не имеет значения, но прямоугольное светодиодное окошко должно быть параллельно штанге.
Рис. 10. Установка GreenSeeker на передней навеске трактора
Каждый из датчиков имеет свой источник света и может использоваться в любое время суток. Система снабжена активным источником света, 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. Рабочий захват системы - 18 м; 30 датчиков и жиклеров монтируются через каждые 0,6 м. Бортовой компьютер позволяет вычислять необходимое количество жидких удобрений и подавать их в каждый жиклер отдельно. Близится к завершению разработка версии для гранулированных удобрений. Создаются системы, работающие по такому же принципу и позволяющие вносить фунгициды и стимуляторы роста. Система совместима с аппаратурой позиционного управления и соответствует всем международным нормам.
Система N-Sensor предназначена для оптического замера плотности посевов и концентрации хлорофилла в листьях растений. Состоит из датчика, установленного на крыше машины (рис. 11). Площадь захватываемой поверхности зависит от высоты крепления датчика. Например, при высоте 3,5 м с обеих сторон образуется эллипс шириной 2,85 м. В датчике происходит разложение солнечных лучей на 256 диапазонов спектра и сравнение со светом, отраженным от поверхности растений. В зависимости от содержания хлорофилла в видимой части спектра отражается больше или меньше света. После определения этих двух параметров компьютер вычисляет с использованием математической функции необходимое количество удобрений. Алгоритм, заложенный в системе, позволяет локально вносить необходимое количество удобрений. Бортовой компьютер имеет полную совместимость со всеми современными системами управления. В сочетании с системой точного позиционирования он выполняет аналогичные функции при внесении фунгицидов и стимуляторов роста. Недостатком системы является ограничение ее работы в зависимости от солнечного освещения.
Рис. 11. Сканирующая система N-Sensor, установленная на кабине трактора
Оптические датчики RT-200 GreenSeeker и N-Sensor используются в Центре точного земледелия РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева для сканирования посевов.
Для эффективного управления продукционным процессом сельскохозяйственных культур необходимо получать информацию о факторах, характеризующих состояние растения и окружающей среды, воздействуя на которые, можно получить ожидаемый эффект. На начальной стадии заболевания растений наиболее подходящим является метод флуоресценции, позволяющий оценить состояние растения по продуктивности фотосинтеза. По мере развития метаболических изменений, грибок начинает распространяться радиально вокруг точки инфекции. Инфицированные участки растения подвергаются некрозу: меняют пигментацию, процесс фотосинтеза прекращается и клеточные стенки разрушаются. В этот момент инфицированные участки становятся видимыми. Анализ спектра, отраженного от растений, или спектра люминесценции, позволяет обнаружить заболевание растений. Это диффузно отраженное излучение образует образ растения в форме функции, описывающей соотношение интенсивности отраженного и поступившего на растение света, для каждой длины волны в видимом (400-700 нм), ближнем инфракрасном (700-1200 нм) и коротковолновом инфракрасном (1200-2400 нм) диапазонах спектра.
Система MiniVeg N работает по принципу лазерной флуоресценции и способна определять заболевания на листьях растений. Датчики крепятся на штанге, которая поворачивается в сторону по ходу движения техники. Активный источник излучения, в спектре которого измеряется концентрация хлорофилла, обеспечивает ее работу независимо от солнечного освещения.
В системе Crop-Sensor установлен механический датчик, измеряющий биомассу растений. Может применяться для растений, имеющих вертикально стоящий стебель. С помощью маятника, закрепленного на постоянной высоте на передней части трактора, измеряется сила сопротивления растений при их отклонении от вертикального положения. Во избежание погрешностей измерения необходимо выдерживать постоянную скорость движения машины. Все другие условия, влияющие на точность измерения, например, глубина колеи трактора или его наклон из-за неровности местности, учитываются автоматически при дополнительной установке соответствующих устройств. Система может применяться для внесения фунгицидов и стимуляторов роста. Функционирует независимо от условий погоды и освещения.
Особенно важно использование сенсорных датчиков при внесении азотных удобрений, применение которых является решающим фактором поддержания плодородия почв, получения высоких урожаев и улучшения качества сельхозпродукции. Одинаковое 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.
Система автоматической детекции и опрыскивания сорняков WeedSeeker (рис. 12) позволяет опрыскивать только сорняки, что сокращает затраты на сплошную химическую прополку, время и трудозатраты, а также снижает негативное влияние на окружающую среду. Встроенные светодиоды сканируют поверхность поля в красном и инфракрасном диапазонах. Ширина сканирования одного сенсора - от 30 до 38 см. Отраженный от поверхности свет улавливается детектором, находящимся в центральной части сенсора. При попадании сорной растительности в область датчика система подает команду распылителям, точно дозирующим гербицид.
Рис. 12. Система автоматической детекции и опрыскивания сорняков WeedSeeker
Использование средств технического зрения (СТЗ) для обнаружения сорняков при дифференцированном применении химических средств защиты растений является наиболее распространенным в томном земледелии. Для проведения данной технологии важно владеть информацией о наличии сорной растительности на участке, обеспечить выделение её среди культурных растений или конкретного сорняка - среди остальных с целью применения соответствующего гербицида. В первом случае объект идентифицируют среди двух классов. Вторая задача сложнее, так как приходится выбирать конкретный сорняк из большого числа их классов. Обнаружение культурных растений посредством СТЗ значительно упрощает обнаружение сорняков.
Среди систем контроля и управления процессом внесения удобрений и средств защиты следует отметить систему Field-IQ (компания «Trimble»), которая позволяет одновременно управлять нормами внесения до шести различных материалов, включая семена, гранулированные семена, гранулированные удобрения, жидкости и безводный аммиак в различных комбинациях, а также работой до 48 секций и форсунок, закрывая во избежание передозировки секции на водотоках и пересечениях рядков. Для самоходных опрыскивателей в систему Field-IQ добавлена функция контроля высоты штанги (она регулируется ультразвуковыми датчиками, измеряющими расстояние до земли или растительного покрова) для равномерного внесения материала.
На опрыскивателях устанавливаются контролирующие и исполнительные электронные системы, которые дают возможность полностью автоматизировать управление работой агрегата, обеспечивают необходимое количество внесения рабочего раствора и поддержание его в пределах агротехнических требований независимо от рельефа участка, скорости движения техники, давления в гидросистеме. Такие агрегаты расходуют в среднем на 10% меньше пестицидов по сравнению с обычными опрыскивателями [8].
Система контроля высоты штанг Norac UC5 (фирма «Norac») с помощью пяти ультразвуковых датчиков и гидравлических приспособлений путем мониторинга рельефа земли или поверхности урожая поддерживает постоянную высоту штанг. Управление секциями штанги осуществляется с помощью бортового компьютера, который запоминает траекторию движения техники и путем выключения различных секций штанги не допускает повторного внесения 1 материалов на пройденных участках. Система оснащена функцией «крена» (определения угла наклона штанги), которая позволяет системе контролировать и компенсировать штангу в центре. Имеет возможность контроля «покачивания» штанги, что также позволяет проводить максимально равномерную обработку растений.
Функция автоматического включения/выключения секций Auto Swath в системе управления Direct Command (фирма «Ag Leader Technology»), используя сигнал с расходомера и данные о скорости с GPS-приемника, контролирует, регулирует и записывает операции на поле, основанные на нормах внесения, выставленных вручную или с использованием дифференциальной нормы внесения из файла предписания.
Совместно с системой автоматического вождения AutoTrac Assisted Steering система Swath Control Pro (фирма «John Deere») автоматически включает и выключает отдельные секции штанги и распылители на поворотных полосах, водоотводах и других ранее обработанных участках, обеспечивая снижение нагрузки на оператора и сокращение производственных расходов.
Система Swath Manager (фирма «TeeJet») позволяет автоматически управлять секциями штанги (до десяти секций) и сохранять информацию об уже обработанных участках.
Технические средства для внесения удобрений и средств защиты могут оснащаться электронными устройствами, позволяющими измерять основные параметры их работы, автоматически управлять работой основных узлов и рабочих органов, обеспечивать более точное и равномерное внесение. Разбрасыватель удобрений Axent 100.1 фирмы «Kuhn Farm Machinery» имеет в своем оснащении систему электронного управления потоком (ЕМС), обеспечивающую регулировку на ходу нормы внесения по всей рабочей ширине. На основе непрерывного измерения крутящего момента разбросных дисков, данных карт, норм внесения осуществляется изменение потока удобрений.
На разбрасывателе удобрений ZA - TS («Amazone») установлена система Argus Twin , которая осуществляет контроль поперечного распределения удобрений обоими распределительными дисками с помощью радарных сенсоров. С помощью ISOBUS-терминала вводятся норма внесения и все необходимые для того или иного вида удобрений данные из таблицы распределения. При отклонении от расчетных значений электрическая распределяющая системы автоматически корректирует настройку распределяющей системы индивидуально для каждой стороны.
На разбрасывателях удобрений фирм «Sulky» и «Rabe» используется интеллектуальная система отключения участков STOP & GO, обеспечивающая автоматическое закрытие или открытие разгрузочных заслонок разбрасывателя удобрений на разворотах и при перемещении по технологической колее для предотвращения передозировки или недостаточной дозировки удобрений. Работает в комплекте с навигационной системой [63].
Применение на машинах для внесения удобрений и средств защиты компьютерных систем автоматизированного контроля и управления позволяет минимизировать пропуски и двойное внесение; осуществлять контроль технологических параметров и неисправностей рабочих органов; увеличить коэффициент загрузки техники благодаря возможности работы ночью или в условиях плохой видимости (пыль, туман); способствует уменьшению неблагоприятного воздействия на окружающую среду, экономии рабочего времени и снижению утомляемости оператора (рис. 13) [64].
Рис. 13. Опрыскивание картофеля на поле Центра точного земледелия РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева
Несмотря на прогресс в изучении технологий точного земледелия, на практике технологии, позволяющие дифференцированно вносить удобрения, внедряются слабо, а компоненты для дозированного внесения СЗР практически не используются. Разработка датчиков для получения информации о наличии и распределении сорняков, состоянии и густоте посевов существенно отстает от других технологий, используемых в точном земледелии, таких как GPS, GIS. Существует острая необходимость в разработке систем для оценки распределения элементов питания в почве и повышения точности карт распределения NPK. Необходимы дальнейшие исследования по разработке датчиков для определения структуры и физического состояния почвы, оценки состояния растений и посевов, наличия вредителей растений и сорняков [58].
В ФГБНУ ФНАЦ ВИМ проведены научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию инновационных образцов технических средств для внесения жидких минеральных удобрений и пестицидов (табл. 10).
Мировая практика передовых сельскохозяйственных предприятий показывает, что для дальнейшего развития картофелеводства нерационально просто увеличивать дозы удобрений и средств защиты растений. Интенсификация картофелеводства возможна при использовании высокоэффективных ресурсосберегающих технологий, что требует постоянного мониторинга сельскохозяйственных угодий и основанного на его результатах оперативного управления ростом и развитием растений. Всё это позволяет экономить агрохимикаты, повышать урожайность и минимизировать вред, наносимый окружающей среде.
НИОКР по созданию инновационных образцов технических средств для внесения жидких минеральных удобрений и пестицидов
1) Машина для дифференцированного внесения пестицидов и жидких минеральных удобрений с автоматизированным управлением технологическим процессом на основе бортового компьютера с встроенной системой GPS. Оснащена специальными электромагнитными клапанами, управляемыми от микропроцессора, и модульной системой дозирования и распределения рабочих растворов пестицидов
Внешний вид, основные управляющие системы
а - система дискретной дифференциации доз;
б - блок контроля и автоматического регулирования;
в - бортовой компьютер
Техническая характеристика:
Грузоподъемность - 2,5 т; скорость движения - 8-14 км/ч;
рабочая ширина захвата - 18 м.
Агрегатируется с тракторами классов 1,4-2,0
2) Самоходное роботизированное устройство для дифференцированной обработки пестицидами низкорастущих пропашных культур. Снабжено бортовым компьютером и приемником GPS, шасси с движителями на электрической тяге
Внешний вид, основные управляющие системы
Компьютерный блок настройки и управления работой самоходного роботизированного устройства
3) Опрыскиватель, монтируемый на самоходное шасси ВТЗ-3О СШ. Отличительной особенностью конструкции является наличие специального дублирующего сливного узла для калибровки форсунок и дифференцированного переключения секций штанги
Внешний вид, основные управляющие системы
Техническая характеристика:
Производительность - 1,6-4,8 га/ч
рабочая скорость - 2-6 км/ч;
рабочая ширина захвата штанги -8 м;
высота установки штанги - 0,5-1,5 м;
вместимость резервуара для пестицидов - 2*300 л;
масса опрыскивателя: конструкционная - 200 кг;
полная - 1000 кг
Литература
8. Васильченко А.В. Инновации и цифровизация в защите растений // Плодоводство и виноградарство Юга России. - 2020 г. - № 61 (1). - С. 161-172.
58. Смирнов И.Г. Разработка технологических процессов и технических средств для интеллектуальных технологий возделывания кустарниковых ягодных культур : дис. ... д-ра техн. наук: 05.20.01 Технологии и средства механизации сельского хозяйства. - М., 2019. - 427 с.
59. Якушев В.П. Состояние, задачи и перспективы развития научных основ и технических средств в системе точного земледелия // Машинные технологии производства продукции в системе точного земледелия и животноводства: матер. науч.-практ. конф. (г. Москва, 16-18 июня 2004 г.) - М.: ВНИИМСХ, 2005. - С. 30-37.
60. Личман Г.И., Елизаров В.П. О возможных подходах к построению карт-заданий для дифференцированного внесения удобрений // Интеллектуальные машинные технологии и техника для реализации Государственной программы развития сельского хозяйства: сб. науч. докл. Междунар. науч.-техн. конф. - М.: ВИМ, 2015. - Ч. 2. - С. 181186.
61. Старовойтова О.А. Методические подходы к построению 3D-мо дели почвы в картофелеводстве // АПК России. - 2017. - Т. 24. - № 1. - С. 220-225.
62. Щеголихина Т.А., Гольтяпин В.Я. Современные технологии и оборудование для систем точного земледелия: науч.-аналит. обзор. - М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2014. - 80 с.
63. Федоренко В.Ф., Гольтяпин В.Я., Колчина Л.М. Интеллектуальные системы в сельском хозяйстве: науч. аналит. обзор. - М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2017. - 156 с.
64. Балабанов В.И., Романенкова М.С. Управление продукционными процессами производства сельскохозяйственных культур с применением технологии точного земледелия // Доклады ТСХА: матер. Междунар. науч. конф., посв. 175-летию К.А. Тимирязева (г. Москва, 6-8 декабря 2018 г.). - М.: РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 2019. - С. 107-109.
Источник: Старовойтова О.А., Старовойтов В.И., Мишуров Н.П., Щеголихина Т.А., Манохина А.А., Воронов Н.В., Технологии внесения удобрений и применения средств защиты при возделывании картофеля: аналит. обзор. - М.: ФГБНУ "Росинформагротех", 2020.- С. 51-65
