В традиционном земледелии используют отбор небольшого количества проб почвы или отбор одного смешанного образца с определенной площади, что не позволяет оптимизировать питание всех растений, поскольку их биологическая потребность в питании на различных участках поля может быть разной - в зависимости от освещенности, влажности почвы, наличия питательных веществ, сорняков и т. д.
Дифференцированное внесение минеральных удобрений на основе картограммы плодородия почвы является одним из ключевых элементов точного земледелия. Поэтому отбор проб на каждом поле производится по сетке, узлы которой благодаря системе навигации имеют точные координатные привязки [71, 72].
Например, в Германии на каждом сельскохозяйственном поле пробы почвы отбираются по постоянной фиксированной сетке (одна проба на 0,25 га) каждые пять лет. Для более подробного картирования сетка отбора проб может быть более частой. Отобранные по сетке почвенные пробы анализируются в агрохимической лаборатории на содержание основных элементов минерального питания растений, затем полученные данные вводятся в программу в системе координат, что позволяет получить карту плодородия каждого конкретного поля. Карта и уровни плодородия в каждой точке загружаются в специализированные программы (например, SMSAdvanced или Agrar-Office), которые формируют задание для бортового компьютера, регулирующего дозы внесения удобрений машиной (по технологии offline). Таким образом, для каждого участка поля рассчитываются и вносятся расчетные дозы именно тех удобрений и микроэлементов, которые необходимы именно на этом конкретном участке поля [72].
Отбор образцов по сетке может быть осуществлен с точностью, которую могут обеспечить навигационная система и существующие технологии. Внесение удобрений осуществляется с той точностью, которую обеспечивают машины для внесения удобрений. Поэтому построение картограмм плодородия и картограмм применения удобрений или внесения СЗР (файлов предписания) должно учитывать ширину захвата машин. Выбор сетки для автоматического отбора проб можно задать любого масштаба в зависимости от цели картографирования в строгом соответствии с площадью участка. В то же время размеры площади для определения индекса NDVI зависят от модели прибора, и могут составлять от сотых долей до нескольких квадратных метров. Использование индекса NDVI позволяет оценить не только неоднородность плодородия почвы, но и пятнистость, обусловленную засоренностью посевов и распространением болезней.
Данные по агрохимическим показателям свойств почвы могут быть получены только точечным методом с указанием координат точек. По этим данным строится картограмма или контурная карта распределения почвенных свойств. Пример пространственного распределения фосфора (P2O5) в пахотном слое почвы на поле, полученный при различных способах обработки данных, представлен на рис. 18 [71, 72].
Рис. 18. Пространственное содержание подвижного фосфора в пахотном слое почвы: a - точки диаметром 10 м; b - сетка 30*30 м; с - контурная карта
Основой технологии дифференцированного внесения удобрений, проводимого в режимах offline и online, являются почвенные карты, созданные на основе отбора и анализа почвенных проб.
Режим offline предусматривает предварительную подготовку на стационарном компьютере карты-задания, в которой содержатся пространственно привязанные с помощью ГНСС дозы удобрения для каждого элементарного участка поля. Для этого осуществляется сбор пространственно привязанных данных о границах поля и контурах неоднородности свойств. Формируется карта-задание на основе расчёта дозы для каждого элементарного участка поля, которая затем переносится на флеш-карту бортового компьютера, оснащённого ГНСС-приёмником и управляющего контроллером сельскохозяйственной техники. Трактор, оснащенный бортовым компьютером, двигаясь по полю, с помощью ГНСС-приемника определяет свое местонахождение, считывает с карты дозу удобрений, соответствующую месту нахождения, и посылает сигнал на контроллер распределителя удобрений (или опрыскивателя), который выставляет на распределителе удобрений необходимую дозу [72].
В режиме online бортовой компьютер получает данные непосредственно от датчика, сравнивает их с определенными и записанными в память значениями, полученными во время калибровки, и посылает сигнал на контроллер, который устанавливает необходимую дозу, как и в режиме offline.
В настоящее время активно ведутся разработки различных датчиков, позволяющих использовать режим online. Это оптические датчики, работающие в диапазонах разных длин волн, определяющие содержание азота в листьях, засоренность и развитие болезней посевов. Для мониторинга плодородия почвы отбирают пробы с разных участков поля или отбор одного смешанного образца с определенной площади по различным горизонтам. Для этого применяются контактный и бесконтактный способы, но наиболее часто используются контактные.
Схема отбора и анализа почвенных проб, создания почвенных и технологических карт представлена на рис. 19 [96].
Плодородие почвы определяют по следующим основным показателям [72]:
• агрохимические показатели: рН - кислотность, органическое вещество, гранулометрический состав, гидролитическая кислотность, сумма поглощенных оснований, нитраты;
• макроэлементы: подвижный фосфор, обменный калий, азот нитратов, азот аммонийный, железо;
• микроэлементы: кобальт, марганец, медь, молибден, цинк, никель;
• токсичные элементы: кадмий, свинец, хром, ртуть, мышьяк, бензапирен, нефтепродукты;
• бактериология: индекс БГКП (количество бактерий группы кишечная палочка на 1 г почвы), индекс энтерококков (количественное содержание бактерий рода энтерококки в 1 г почвы), патогенные бактерии, в том числе сальмонеллы.
Рис. 19. Схема отбора почвенных проб для создания почвенных и технологических карт
Для взятия образцов почв используются автоматические почвенные пробоотборники, которые устанавливаются на тракторы, автомобили, четырехколесные мотоциклы, мини-тракторы и др. Кроме этого, транспортное средство оснащается GPS-приемником и мобильным компьютером, что позволяет непосредственно в поле фиксировать на электронной карте координаты точек взятия проб для возможности восстановления маршрута обследования [72].
Фирма «Bodenprobetechnik Nietfeld» (Германия) выпускает пробоотборники Easy-Sampler, Duoprob 60, Concord C 2400 с глубиной взятия однородных проб почвы от 30 до 90 см. Скорость цикла взятия пробы составляет 20-25 с. Некоторые модели пробоотборников фирмы «Bodenprobetechnik Nietfeld» представлены в табл. 3 [93, 96].
Таблица 3
Пробоотборники фирмы «Bodenprobetechnik Nietfeld»
При определении содержания нитратов используется пробоотборник NH 90 (без автоматического выгружения желобка), при исследовании на нематоды - NEPROMAX (System Einig). Автоматический прoбоотборник Multiprob 120 с глубиной отбора 10-90 см может брать пробы с глубины 120 см, при этом пробный материал из различных горизонтов автоматически попадает в соответствующие емкости. Все функции выполняются двумя приводами, которые работают поочередно, при этом контролируются позиция и скорость [72].
Другая немецкая фирма «Fritzmeier Systems GmbH & Co KG» поставляет автоматические приборы для исследования почвы серии Profi, которые полностью автоматизированы, имеют веретенообразный бур с гидравлическим приводом. Они позволяют отбирать пробы с глубины 0-90 см. Встроенный компьютер с пакетом прикладных программ обеспечивает картирование каждой точки отбора проб и документирование результатов исследований за несколько лет. Для записи результатов, фиксации точек отбора проб, получения почвенных карт используются бортовой компьютер с встроенным GPS-приемником и специализированное программное обеспечение [71].
Широкий спектр оборудования для анализа почвы выпускает фирма «Amity Technology» (США). Пробоотборники Конкорд позволяют отбирать однородные пробы почвы с глубины 0-61 см и 0-120 см, время отбора - от 4 до 60 с (в зависимости от модели). Имеются модели, которые позволяют получать пробы, исключающие попадание в них посторонних примесей, в том числе частей других проб. Получили распространение пробоотборники таких зарубежных фирм как «Wintex Agro» (Wintex 1000, Wintex 2000, Wintex 3000, Wintex MCL3), «Chrestie Engeneering» (Soiltest 1600), «AgriCon GmbH Precision Farming Company» и др. [72].
Так, для агрохимического анализа почвы и определения наличия элементов, определяющих ее плодородие (обеспеченность основными элементами минерального питания, механический состав, водородный показатель, и степень насыщения органическим веществом), в Краснодарском крае использовался автоматический пробоотборник почвы Wintex 2000 (Дания). В комплект входят GPS-приемник, компьютер и картографическое обеспечение. Общий вид прибора представлен на рис. 20 [97, 98].
Рис. 20. Общий вид автоматизированного пробоотборника Wintex 2000 (а) и смонтированного на квадроцикле (б)
Пробоотборник почвы Wintex 2000 может забирать образцы из двух почвенных слоев (0-30 см и 30-60 см) в рамках одного рабочего хода с помещением проб в разные контейнеры. Самоочищающийся зонд способен проникнуть на глубину до 60 см. Может работать в рыхлом песке, глине, а также очень сухих и твердых почвах. Управление пробоотборником выполняется с сиденья водителя.
Зонд пробоотборника Wintex 2000 погружается в землю при помощи гидравлического молота, выполняющего 2100 ударов в минуту, и давления, которое можно регулировать в зависимости от типа почвы. Когда зонд достигает нужной глубины, происходит вращение, а затем поднятие почвы, т.е. нет смешивания слоев. Анализ почвы производится в специализированной лаборатории.
Техническая характеристика автоматического пробоотборника почвы Wintex 2000
Автоматизация отбора - Полная
Глубина взятия пробы, см - 0-30; 30-60
Число уровней отбора - 2
Диаметр зонда, мм - 22/26
Скорость отбора, с - 20
Масса пробы, г - 75 - 138
Гидравлическая система - Двигатель Honda GX200 - 5,5 л.с.
Принцип отбора - Гидравлический молот + гидравлический цилиндр Гидравлический насос - 16 л/мин, 100 бар
Электрообеспечение - 12 В постоянного тока
Емкость батареи - 14 A-ч, 250 Вт
Масса пробоотборника, кг - 91,5
Полученные данные по кислотности почвы, содержанию нитратного и аммонийного азота, а также подвижного фосфора, калия и серы легли в картографическую основу для использования в технологиях точного земледелия.
Комплекс приборов, входящих в автоматизированные анализаторы плодородия почвы, как правило, размещается на прицепных устройствах автомобилей повышенной проходимости (рис. 21) и включает датчики влажности почвы и электропроводности, рН-метр, датчик обеспеченности почвы органическим веществом, систему навигации и другое оборудование [71].
Технические средства для анализа и отбора проб почвы в системах точного земледелия созданы и в России. Например, мобильный комплекс на базе автомобиля «Нива» для анализа и отбора проб почвы, разработанный Агрофизическим НИИ, включает в себя автоматический почвенный проботборник HYDRO 20 (Германия), спутниковую систему позиционирования, бортовой компьютер, программное обеспечение FieldRover II. Комплекс позволяет брать пробы с глубины 25 см, создавать электронные карты полей и проводить агрохимическое обследование почв.
Агрохимическое обследование включает в себя следующие этапы: создание контура поля (с точностью GPS-приемника); разметка поля на элементарные участки заданной площади; отбор и маркировка проб; агрохимический анализ в аккредитованной лаборатории; визуализация и анализ результатов в ГИС. Помимо обследования полей, такой комплекс может применяться для измерения электропроводности и теплопроводности почвы, выявления специфических участков, пораженных нематодой, и других целей [72, 93].
По результатам измерения электропроводности почвы определяются гранулометрический состав, органическое вещество, влажность, концентрация солей в почвенном растворе, показатель pH и др. Для изучения электропроводности почвы используют контактный и бесконтактный методы измерения. Контактный метод основан на измерении электропроводности почвы с помощью электродов, которые представляют собой изолированные стальные диски, находящиеся в постоянном контакте с почвой. Для измерения электропроводности используется внедорожник с бортовым компьютером, GPS-приемником, прибором, определяющим электропроводность, и прицепным агрегатом с дисками (рис. 22). Технология измерения электропроводности заключается в следуюшем: агрегат движется по полю в режиме параллельного вождения с погруженными в грунт дисками. На одну пару изолированных электродов подается напряжение, другая служит для измерения падения напряжения между ними. Значения электропроводности совмещаются с данными GPS и отображаются в виде карты [71, 72].
Рис. 22. Измерение электропроводности почвы с помощью прицепного агрегата Veris 3100 (компания «Veris Technologies», США)
Агрегат Veris 3100 формирует два вида карт - карту поверхностного слоя (30,5 см) и карту, захватывающую корневую зону (91,5 см). Первая часто используется для выбора мест забора проб, вторая - для определения нормы внесения удобрений [93].
Бесконтактное определение электропроводности почвы проводится с помощью приборов для измерения электромагнитной индукции и георадаров. Аппаратура для измерения электромагнитной индукции в большинстве случаев объединяется с приемниками GPS для обеспечения позиционирования проводимых измерений, позволяет обойтись без отбора образцов. Так, разработанный компанией «Geonics Limited» (Канада) датчик EM38-MK2 для измерения электропроводности почвы позволяет выделить почвенные контуры, оценить электропроводность почвы и магнитную восприимчивость в интервалах почвенных глубин 0,75 и 1,5 м без разрушения почвы и отбора образцов [72].
Институтом нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Тро-фимука СО РАН на основе метода электромагнитного индукционного частотного зондирования разработан многоцелевой электромагнитный сканер «Немфис», который может использоваться для исследования состояния почв. Прибор представляет собой трехкатушечный зонд, позволяет сканировать большие площади с привязкой GPS, визуализации карт и разрезов в реальном времени. Сканер управляется с помощью беспроводного модуля на базе карманного ПК по технологии Blue Tooth, эксплуатируется одним оператором и обладает высокой помехозащищенностью [72].
Для мониторинга плотности почвы в России и зарубежных странах применяются специальные приборы (пенетромеры). Так, электронный пенетрометр SC 900 (компания «Spectrum Technologies», США) позволяет измерять уплотнения почвы с привязкой к координатам местности. Прибор совместим с картографическим онлайн-приложением SpecMaps, имеет память для хранения до 772 профилей [99].
Наряду с применением автоматизированных пробоотборников для анализа плодородия почв проводятся исследования по применению и интерпретации многозональных космических снимков среднего и детального пространственного разрешения, которые показали, что их можно успешно использовать для мониторинга различных процессов на землях сельскохозяйственного назначения, приводящих к изменению плодородия почв (например, развитие плоскостной и линейной эрозии, уменьшение гумусированности и выход на поверхность карбонатных и других пород, просадки, заболачивание, подтопление). Выявлены дешифровочные признаки, соотносимые с данными показателями почвенного плодородия. В процессе дешифрирования космических снимков детального пространственного разрешения были выделены элементы структуры почвенного покрова, ограничивающие почвенные комбинации и являющиеся границами элементов их внутреннего строения, что очень важно для целей картирования почв.
Исследования показали, что по единичным космическим снимкам проводить дешифрацию почвенного плодородия невозможно, необходим анализ серии снимков разных лет. При этом для каждого временного среза отражательная способность пашни в ближнем ИК-и видимом диапазонах тем ниже, чем выше процент органического вещества в почве.
В основу предложенной схемы проведения мониторинга и оценки плодородия почв положено сочетание использования регулярно поступающих материалов дистанционного зондирования, данных полевых почвенных исследований, почвенных карт, картографических кадастровых данных, обработка фондовых материалов по почвам и почвенным свойствам [100].
Источник: Буклагин Д.С., Мишуров Н.П., Балабанов В.И., Зейлигер А.М., Петухов Д.А. Цифровые технологии оценки, планирования и прогнозирования использования земель сельскохозяйственного назначения: аналит. обзор – М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2020. – 92 с., страница 65-79
