Дифференцированное внесение удобрений в системе точного земледелия

Точное земледелие получило развитие в мире в начале девяностых годов прошлого века. Это прогрессивное научно-производственное направление основывается на использовании комплекса технологий и поддерживается самыми последними достижениями не только в традиционных отраслях агрономической науки, но и других наук, на первый взгляд далеких от специфики сельскохозяйственного производства [2]. Например, с использованием спутниковой системы GPS, с помощью которой корректируется выполнение агроприемов [3].

В последние 20 лет данное направление становится одной из доминирующих тенденций в мировом земледелии. Особое развитие технологии прецизионного земледелия получили в США. Практически во всех ведущих университетах этой страны имеются группы по исследованию вопросов прецизионного земледелия. Более 10 лет назад президент США обозначил прецизионное земледелие как главный приоритет в развитии национальной экономики [1]. Если раньше технология точного земледелия широко использовалась на пахотных землях, к настоящему времени точное земледелие внедряется и на пастбищах [4].

Налажен выпуск специального оборудования несколькими международными корпорациями с центрами базирования в США, Дании, Англии, Франции, Финляндии. Широкомасштабные исследования проводятся также в странах Центральной Азии и в Китае [1]. Текущие исследования по точному земледелию сосредоточены на разработке датчиков с помощью которых можно дистанционно определять свойства культур и почв в реальном масштабе времени, включая анализ цифрового изображения (DIA) и дистанционное зондирование (RS) [4]. Похожие работы ведутся и в России, например разработан экспресс-метод количественной оценки пожнивных остатков на поверхности почвы [5].

Применение технологий прецизионного земледелия позволяет обеспечить экономию ресурсов на 20-30%, существенно повысить эффективность и экологические показатели использования земельных ресурсов [1].

В основу точного земледелия легло дифференцированное применение энергетических затрат в пределах поля. В тех случаях, когда применение точного земледелия на том или ином участке оправданно, эта технология позволяет сделать качественный и количественный прорыв в получении оптимального урожая сельскохозяйственных культур [2].

Одним из основных показателей, определяющих уровень пестроты почвенного плодородия, является дифференциация содержания гумуса и основных элементов питания в почве. В связи с этим одним из элементов точного земледелия является дифференцированное внесение удобрений.

Методика проведения полевых опытов по дифференцированному применению удобрений существенно отличается от традиционных методов полевого эксперимента, так какдолжна быть ориентирована на наличие значительной пестроты плодородия почвы опытного участка, в то время как для обычных полевых опытов участки подбирают наиболее выровненные по своему плодородию. Объяснение этому очень простое: на ровных по плодородию опытных участках дифференцированное внесение удобрений априори не может дать какого-либоэффекта, так как при этом исключается дифференциация доз удобрений в зависимости от пестроты плодородия почвы – основополагающего принципа точного земледелия [6]. Следует отметить также, что ограничивающими факторами являются, прежде всего, количество выпадающих атмосферных осадков и потенциальное плодородие почвы, так при высокой обеспеченности почв элементами питания дифференцированное внесение удобрений также не даст должного эффекта [6, 7].

При наличии же значительной пестроты почвенного плодородия в результате дифференцированного внесения удобрений, точно рассчитанная норма удобрения вносится только на тех участках поля, где это необходимо. Одинаковое внесение удобрений при неоднородном составе питательных веществ в почве приводит к их локальной передозировке или недостаточности [8-10]. Преимуществами этой технологии являются как повышение экономической эффективности использования дорогостоящих минеральных удобрений, так и снижение риска загрязнения окружающей среды избыточным количеством средств химизации сельскохозяйственного производства [8-9]. Результаты исследований проведенные ФГУ ЦАС «Татарский» на одном из полей ООО «Бирюли» Высокогорского района показывают, что затраты на комплект оборудования для дифференцированного внесения удобрений окупаются в течение 1 года [11].

Дифференцированное внесение удобрений осуществляется двумя основными способами: внесение в режиме on-line (режим реального времени) и внесение в режиме off-line (с предварительно подготовленной картой поля).

Методика внесения минеральных удобрений в режиме off-line описана во многих научных работах [12-15]. Например, в работе В.А. Любчич дифференцированное внесение удобрений в режиме off-line выполнялось в следующем порядке: на I этапе создавалась электронная карта по обеспеченности почвы химическими элементами питания. С помощью системы картирования урожайности комбайна ClaasLexion 540C, определяли урожайность на каждом участке. Данные по урожайности во время уборочных работ записывались на чип-карту бортового компьютера Cebis комбайна. Затем обрабатывались в программе Agro-MapStart, таким образом, получили электронную карту поля по урожайности. Анализ урожайности позволяет определить «проблемные» участки, то есть участки с минимальным уровнем урожайности. Таким образом, использование элементов точного земледелия позволяет отбирать почвенные пробы не со всего поля, а с «проблемных» участков. II этап – отбор почвы. III этап – расчёт дозы удобрений на планируемый урожай. Рассчитанные значения норм внесения удобрений формируют в программе SMS-Advanced карту-задание на внесение удобрений. IV этап – дифференцированное внесение удобрений в режиме off-line. Карта-задание загружалась в бортовой компьютер Insight. По завершении работы в бортовом компьютере трактора Insight формируется карта выполнения задания.

В результате дифференцированного внесения фосфорных удобрений на площади 40 га было установлено, что применение дифференциального внесения способом off-line при возделывании сельскохозяйственных культур позволяет рационально использовать дорогостоящие минеральные удобрения, что в сравнении с традиционным фоновым методом экономит до 500 руб. с одного гектара обрабатываемой площади [12].

Режим реального времени (on-line) предусматривает предварительное определение агротребования на выполнение операции, а необходимая доза удобрений рассчитывается в момент выполнения операции. Агротребованием является количественная зависимость необходимой дозы удобрений от полученных показаний датчика,основанных на регистрации оптических характеристик отраженной от листьев радиации и установленного на сельскохозяйственной машине [16]. Результат выполнения операций автоматически вносятся на чип-карту [15]. Дифференцированное внесение удобрений в режиме on-line зачастую используется в комбинации с внесением в режиме off-line.

Внесение удобрений в режиме on-line позволяет проводить азотные подкормки, экономя удобрения и избегая передозировки, что уменьшает стоимость операции и повышает экологическую безопасность. Апробация «on-line» - внесения, проведенная на опытных полях Агрофизического НИИ (г. Санкт-Петербург), показала 25% экономию удобрений при одновременном увеличении урожайности на 15%, а также повышении качества зерна озимой пшеницы по сравнению с традиционной технологией внесения удобрений (Якушев В.В., Якушев В.П., 2007) [17].

Одним из аспектов получения высоких урожаев и высокого качества зерна является оптимизация азотного питания. Дифференцированное внесение азотных удобрений существенно сокращает количество вносимых в почву азотных удобрений (до 25–30 %), стоимость которых составляет одну из основных статей затрат производства сельскохозяйственной продукции. Кроме того, дифференцированное внесение снижает риск низких урожаев от наблюдаемых в годы исследований колебаний погодных условий, обеспечивая стабильность функционирования сельскохозяйственного производства [9-10].

В условиях точного земледелия оперативная фитодиагностика азотного питания может осуществляться дистанционными (авиакосмическими) методами, мобильными и портативными фотометрами. По данным исследований (съемка 25 мая 1991 г.) с использованием космического аппарата «Алмаз-1» в ОПХ «Газырское» при радиолокации посева озимой пшеницы на специально заложенном подспутниковом опыте, отмечена возможность дистанционного определения нуждаемости растений в азоте с относительной ошибкой от 4 до 9% по сравнению с определением элемента химическим методом.

Из наземных фотометров чаще всего используются портативные N-тестеры и мобильные, устанавливаемые на подкормочных агрегатах, N-сенсоры и GreenSeeker. Портативными приборами определяется средняя доза азота для подкормки посевов [18]. Исследованиями,проводившимися в течение двух вегетационных сезонов (2012, 2013 гг.) в полевом опыте Центра точного земледелия России установлено, что измерения с помощью N-tester являются точечными и не могут полноценно охарактеризовать пространственное варьирование биомассы посева на поле, что требуется в точном земледелии для проведения подкормок по технологии on-line [19].

N-сенсор по ходу движения трактора определяет потребность культур в азоте по интенсивности окраски листьев и регулирует дозу вносимых удобрений [9].

Прибор GreenSeeker также во время движения трактора по полю может оценивать пространственное варьирование состояния посевов по индексу NDVI. Во время обследования прибором Green-Seeker оцениваются не отдельно взятые растения, как в случае работы с прибором N-tester, а некая пробная площадь (полоса посева, делянка, поле) [19].

N-сенсор и GreenSeeker, синхронизированные через борт- компьютеры с GPS-терминалами и рабочими органами машин-удобрителей, дают команды для дифференцировки введенной в борт-компьтер средней дозы адекватно состоянию посева: интенсивности зеленой окраски растений и величине биомассы. [10, 19].

В течение вегетационного сезона обследование поля оптическими датчиками проводится неоднократно, что позволяет наблюдать развитие посева в динамике и контролировать азотное питание растений. Следует отметить, что встроенные в прибор калибровочные таблицы подходят для сортов и условий страны-производителя сенсора и должны уточняться для конкретных почвенно-климатических условий, сортов, фазы развития растения [20]. По расчетам [14], экономическая целесообразность использования навигационной системы при внесении азотных удобрений начинается с 15 % различия в содержании N-NO3 по элементарным участкам и на площади не менее 20 % поля.

На опытных полях филиала ГНУ АФИ Россельхоз академии разработаны и уже несколько лет используются технологии дифференцированной подкормки растений азотными удобрениями. Расчет доз азотных удобрений основан на оптических характеристиках посевов яровой пшеницы, которые измеряются с помощью азотного Hydro-N-Sensor и по картам-заданиям, разработанным на основе дешифровки аэрофотоснимков посевов. При этом настройка N-сенсора для реализации технологических воздействий в режиме on-line осуществлялась на основании калибровочных данных, полученных непосредственно на посевах, а также на тестовых площадках с помощью портативного прибора N-тестера. В сравнении с традиционной технологией внесения удобрений наиболее эффективным был вариант с дифференцированным внесением азотных удобрений по картам-заданиям, созданным на основе дешифровки аэрофотоснимков посевов с помощью оптических характеристик тестовых площадок [9].

На базе научно-технологического центра ВНИИМЗ (п. Эммаус, Тверская обл.) в 2011 и 2013 гг. проводили полевые эксперименты с использованием N-тестера для изучения особенностей азотного питания новых сортов льна-долгунца.На основании полученных экспериментальных данных предложен график потребности льна в азотных удобрениях с учётом планируемой урожайности льносоломы и показателей N-тестера. Ограничениями данного метода являются неизученные вопросыпо реакции растения льна на дисбаланс элементов питания и другие почвенно-климатические лимитирующие факторы.Таким образом, разработка калибровочных таблицдля различных типов оптических N-тестеров для современных и перспективных сортов льна-долгунца и льна масличного позволит в режиме реального времени проводить корректировку в азотном питании культуры на начальных этапах развития [20].

В западной Сибири изучалось содержание нитратного азота в пахотном черноземе при использовании дифференцированного внесения удобрений на планируемую урожайность яровой пшеницы в режиме «off-line». Опыты проводились в лесо-степной зоне Зауралья на поле с сильно выраженной по плодородию пространственной неоднородностью. Было установлено, что для оптимизации системы дифференцированного внесения минеральных удобрений использование только данных по содержанию нитратного азота явно недостаточно. Необходимо также учитывать такие показатели, как содержание легкогидролизуемого азота, текущая нитрификация и показатели, стимулирующие действие азотных удобрений на микробиологическую активность почвенной микрофлоры [13].

По результатам исследований, проводившимисяв полевом опыте Центра точного земледелия (ЦТЗ на озимой пшеницепришли к выводу, что наиболее существенным фактором, влияющим наурожайность и качество зерна, является применение азотных подкормок: урожайностьповышается в среднем на 21-23%, содержание белка на 35-38%. При сравнении влиянияточной и традиционной технологий возделывания на урожайность и качество зерна существенных различий между технологиями не выявлено [19].

Апробация методики дифференцированного внесения удобрений на посевах озимой пшеницы проводилась на опытном поле Фонда «Сельскохозяйственного обучения», расположенном в учебном хозяйстве Самарской ГСХА. Было показано, что внесение удобрений в режиме «on-line» имеет значение, прежде всего, для сельскохозяйственных предприятий с высоким уровнем применения удобрений - не ниже 90-120 кг/га д. в. При этом затраты на оборудование для внесенияудобренийв режиме «on-line» стоимостью 2,2 млн. рублей окупаются уже за 2 – 2,5 года [17].

В полевом опыте на дерново-подзолистой суглинистой окультуренной почве в Нечерноземной зоне России оптимизация азотного питания ячменя при внедрении точного земледелия. Эффективным было как одноразовое, так и дробное внесение азота. Прибавки урожая от эквивалентных доз азота были практически одинаковыми. Однако дополнительное внесение азота в подкормку по эффективности в 2-3 раза уступало эквивалентной дозе, внесенной до посева [21].

1 В.Т. Лобков, С.А. Плыгун. Анализ приоритетных направлений развития земледелия на современном этапе научно-технического прогресса.RussianJournalofAgriculturalandSocio-EconomicSciences, No. 2 (2) / 2012.С. 3-9.

2 В. П. Якушев, В.В. Якушев, Л.Н. Якушева, В. М. Буре. Электронная карта урожайности как информационная основа прецизионного внесения удобрений. Земледелие №3, 2009. С. 16-19.

4 Jürgen Schellberg, Michael J. Hill, Roland Gerhards, Matthias Rothmund, Matthias Braun. Precision agriculture on grassland: Applications, perspectives and constraints. Europ. J. Agronomy 29 (2008). Р. 59–71.

5 С. А. Васильев, В. В. Алексеев, А. В. Речнов. Экспресс-метод количественной оценки пожнивных остатков на поверхности почвы. Аграрный научный журнал. № 9, 2015 г. С.11-13.

6 Р. А. Афанасьев. Методика полевых опытов по дифференцированному применению удобрений в условиях точного земледелия. Проблемы агрохимии и экологии, № 1, 2010. С. 38-44.

7 И. Ф. Медведев, Д.И. Губарев, С. С.Деревягин, Ф. В. Сиренко. Эффективность применения минеральных удобрений и средств химизации под зерновые культурыв условиях точного земледелия.Проблемы агрохимии и экологии, № 1, 2012. С 28-31.

8 А.С. Боровкова, А.П. Цирулев. Дифференцированное внесение минеральныхудобрений в условиях лесостепиСамарской области.Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. №4, 2008 г. С. 56-61.

10 А.И. Беленков, С.В. Железова, Е.В. Березовский, М.А. Мазиров. Элементы технологии точного земледелия в полевом опыте РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. Известия ТСХА, выпуск 6, 2011 год. С. 90-100.

11 П.А. Чекмарёв,А.А. Лукманов. Освоение элементов точного земледелия в практической агрохимии Республики Татарстан. Достижения науки и техники АПК, №03-2011. С. 3-4.

12 В.А. Любчич, С. В. Попов, Ф.Г. Бакиров, А.П. Долматов, М.Р. Курамшин. Дифференцированное внесение удобрений в системе точного земледелия.Известия Оренбургского государственного аграрного университета. №1-1, 2012 г. С. 73-75.

14 Н.В. Абрамов, С.В. Шерстобитов, О.Н. Абрамов. Дифференцированное внесение минеральных удобрений с использованием космических систем. Агропродовольственная политика России. №2(26), 2014 г. С. 2-8.

17 А.С. Боровкова, А.П. Цирулев. Методика дифференцированного внесения удобрений в режиме on-line и опыт его проведения в условиях Самарской области. 2009. http://fondfso.ucoz.ru/publ.

18 Р. А. Афанасьев. Агрохимическое обеспечение точного земледелия. Проблемы агрохимии и экологии, № 3, 2008. С. 46-53.

19 С.В. Железова, И.Ф. Шамбинго, А.В. Мельников, Е.В. Березовский. Урожайность и качество зерна озимой пшеницы в зависимости от технологии возделывания в полевом опыте центра точного земледелия. Вестник Алтайского государственного аграрного университета № 10 (120), 2014. С 10-14.

20 И. В. Ущаповский, Е. М. Корнеева, Л. Н. Павлова, Е. В. Ожимкова, Е. А. Прутенская, С. Л. Белопухов. Особенности азотного питания новых сортов льна-долгунца для задач точного земледелия. Известия Оренбургского государственного аграрного университета: теорет. и науч.-практ. журн./ Оренбург. гос. аграр. ун-т. - Оренбург. №6, 2015г. С.40-43.

21 А.В. Ваулин. Оптимизация азотного питания ячменя при внедрении точного земледелия. Агрохимический вестник • № 1 – 2013. С. 15-16.