Почвенные сенсоры являются важными источниками информации для точного земледелия

Сканер для почвы

Почвенные сенсоры являются важными источниками информации для точного земледелия

Редакция НСХ

Редакция журнала «Новое сельское хозяйство»


Вольфганг Рудольф, ФРГ

Поделитьтся

Поч­вен­ные сен­со­ры явля­ют­ся важ­ны­ми источ­ни­ка­ми инфор­ма­ции для точ­но­го зем­ле­де­лия. Рас­тет коли­че­ство изме­ря­е­мых вели­чин, и уве­ли­чи­ва­ет­ся срок служ­бы сен­со­ров. Под­час их ста­вят в один ряд с основ­ны­ми сред­ства­ми про­из­вод­ства, пото­му что рабо­та­ют они совместно.

Точное земледелие

Точное зем­ле­де­лие тре­бу­ет точ­ных дан­ных. С этим поспо­рить труд­но. Одна­ко эта точ­ность нуж­на не про­сто в опре­де­лен­ный момент вре­ме­ни или в опре­де­лен­ном месте. Все поле­вые рабо­ты сами по себе долж­ны про­во­дить­ся с при­ем­ле­мой сте­пе­нью точ­но­сти, являть­ся свое­об­раз­ным источ­ни­ком дан­ных о состо­я­нии и типе поч­вы, а так­же куль­ту­ры на кон­крет­ном участ­ке поля. Мне­ние спе­ци­а­ли­стов в этом вопро­се еди­но: буду­щее при­над­ле­жит интер­ак­тив­ным дат­чи­кам, уста­нов­лен­ным непо­сред­ствен­но на агре­га­тах или трак­то­рах и выда­ю­щим сиг­нал на тер­ми­нал управ­ле­ния в трак­то­ре, кото­рый управ­ля­ет пара­мет­ра­ми рабо­ты агре­га­та (напри­мер опрыс­ки­ва­те­ля или раз­бра­сы­ва­те­ля мине­раль­ных удоб­ре­ний). Воз­мож­но, в даль­ней­шем появят­ся даже систе­мы, поз­во­ля­ю­щие в зави­си­мо­сти от типа поч­вы про­во­дить поч­во­об­ра­бот­ку, диф­фе­рен­ци­ро­ван­ную по глубине.

– Были раз­ра­бо­та­ны про­грамм­ные комп-лек­сы для обес­пе­че­ния сов­мест­ной рабо­ты сен­со­ров и обо­ру­до­ва­ния точ­но­го зем­ле­де­лия. При­чем сте­пень вза­им­ной инте­гра­ции подоб­ных систем в после­ду­ю­щие годы будет лишь воз­рас­тать,– пред­ска­зы­ва­ет про­ра­бо­тав­ший в дан­ной обла­сти мно­гие годы д-р Робин Геб­берс из Инсти­ту­та сель­хоз­тех­ни­ки (ATB) им. Г. В. Лейб­ни­ца (Потс­дам-Бор­ним, ФРГ).

Взгляд вглубь

Основ­ным сред­ством про­из­вод­ства в рас­те­ние­вод­стве явля­ет­ся поч­ва. Судить же о ее состо­я­нии лишь по тому, что «вид­но» на поверх­но­сти, не вполне кор­рект­но. Для эффек­тив­но­го веде­ния рас­те­ние­вод­ства необ­хо­ди­мо загля­нуть глуб­же: в при­кор­не­вой слой. Кор­не­вая систе­ма у мно­гих сель­хоз­куль­тур раз­рас­та­ет­ся до глу­би­ны в два мет­ра или более. Посколь­ку и нор­ма вне­се­ния удоб­ре­ний, и оро­ше­ние, и нор­ма высе­ва, и даже глу­би­на обра­бот­ки при диф­фе­рен­ци­ро­ван­ном под­хо­де долж­ны уста­нав­ли­вать­ся в зави­си­мо­сти от акту­аль­но­го состо­я­ния и типа поч­вы, а так­же неод­но­род­но­сти поля, полу­чать эту инфор­ма­цию нуж­но в тот же рабо­чий про­ход. Для это­го тре­бу­ют­ся мобиль­ные поч­вен­ные сен­со­ры. Толь­ко они могут обес­пе­чить, во‑первых, про­ве­де­ние изме­ре­ний в режи­ме реаль­но­го вре­ме­ни, а во‑вторых, боль­шую точ­ность: ведь проб при отбо­ре будет взя­то в сот­ни или даже тыся­чи раз боль­ше, чем при отбо­ре проб буром соглас­но сет­ке. Наи­бо­лее рас­про­стра­нен­ные мето­ды изме­ре­ний при авто­ма­ти­че­ском отбо­ре и ана­ли­зе поч­вен­ных проб, так же как и при лабо­ра­тор­ных иссле­до­ва­ни­ях, мож­но раз­де­лить на три груп­пы: гео­элек­три­че­ские, гам­ма-спек­тро­мет­ри­че­ские, а так­же ИСЭ (ионо­се­лек­тив­ные элек­тро­ды),– пояс­ня­ет д-р Геб­берс. Одна­ко уни­вер­саль­ный изме­ри­тель­ный при­бор до сих пор не раз­ра­бо­тан. Каж­дый из мето­дов име­ет свои силь­ные и сла­бые стороны.

Резуль­та­ты гео­элек­три­че­ских изме­ре­ний, будь то элек­тро­про­вод­ность или элек­три­че­ское сопро­тив­ле­ние, зави­сят от доволь­но боль­шо­го коли­че­ства фак­то­ров: влаж­но­сти, гра­ну­ло­мет­ри­че­ско­го соста­ва поч­вы, плот­но­сти, содер­жа­ния солей и тем­пе­ра­ту­ры. На гам­ма-спек­тро­мет­рию, заклю­ча­ю­щу­ю­ся в изме­ре­нии есте­ствен­но­го излу­че­ния содер­жа­щих­ся в поч­ве радио-нук­ли­дов (уран-238, калий-40, торий-232), вли­я­ют кис­лот­ность поч­вы, содер­жа­ние в ней гли­ны и сте­пень обо­га­ще­ния ее пита­тель­ны­ми веще­ства­ми. Самые точ­ные и быст­рые изме­ре­ния pH поч­вы мож­но про­из­ве­сти с помо­щью ИСЭ. «В реаль­но­сти раз­брос полу­чен­ных резуль­та­тов на нашем опыт­ном поле непо­да­ле­ку от инсти­ту­та ока­зал­ся доста­точ­но велик. Зна­че­ния pH коле­ба­лись в диа­па­зоне от 5 до 7 единиц».

– С недав­них пор для поч­вен­но­го ана­ли­за ста­ли исполь­зо­вать и опти­че­ские дат­чи­ки,– объ­яс­ня­ет дру­гой пред­ста­ви­тель инсти­ту­та д-р Миха­эль Ширр­ман. Прин­цип их рабо­ты во мно­гом схож с прин­ци­пом рабо­ты азот­но­го сен­со­ра. Одна­ко в дан­ном слу­чае поч-вен­ный спек­тро­метр опре­де­ля­ет сте­пень отра­же­ния све­та не от поверх­но­сти листа, а от частиц поч­вы. Поэто­му сен­сор рас­по­ла­га­ет­ся гораз­до бли­же к поверх­но­сти поч­вы на высо­те око­ло 10 см. Заклю­че­ние о соста­ве поч­вы дела­ет­ся на осно­ве реги­стра­ции отра­жен­ных све­то­вых волн как в види­мом, так и в инфра­крас­ном спек­трах. Сте­пень погло­ще­ния све­то­вых волн раз­лич­ны­ми части­ца­ми поч­вы раз­ли­ча­ет­ся доста­точ­но силь­но. Ска­жем, поч­ва, содер­жа­щая мно­го желе­за, име­ет крас­но­ва­тый отте­нок, а мно­го гуму­са – черный.

Колесная платформа и мобильные сенсоры

До насто­я­ще­го вре­ме­ни мобиль­ные поч­вен­ные сен­со­ры для управ­ле­ния акту­аль­ной нор­мой вне­се­ния удоб­ре­ний в режи­ме реаль­но­го вре­ме­ни были пред­став­ле­ны про­дук­ци­ей лишь одной фир­мы – аме­ри­кан­ской Crop Technology. Акту­аль­ность пред­ла­га­е­мой ею систе­мы Soil Doctor System, опре­де­ля­ю­щей струк­ту­ру поч­вы, неод­но­знач­на и вызы­ва­ет спо­ры в сре­де спе­ци­а­ли­стов. Рынок же офлайн-систем, напро­тив, демон­стри­ру­ет зна­чи­тель­ный рост. Разу­ме­ет­ся, воз­мож­но­стью управ­ле­ния акту­аль­ной нор­мой вне­се­ния в режи­ме реаль­но­го вре­ме­ни они не обла­да­ют. Для рабо­ты им тре­бу­ют­ся пред­ва­ри­тель­но собран­ные дан­ные и под­го­тов­лен­ные кар­ты полей. И лишь при нали­чии этих состав­ля­ю­щих мож­но будет при­сту­пить к диф­фе­рен­ци­ро­ван­но­му вне­се­нию удоб­ре­ний. Одна­ко лаг меж­ду изме­ре­ни­ем и вне­се­ни­ем име­ет и свои пре­иму­ще­ства. Во-пер­вых, дан­ные, полу­чен­ные сен­со­ра­ми, мож­но про­ве­рить на отсут­ствие в них ошиб­ки. Вто­рым момен­том явля­ет­ся то, что мож­но про­ве­сти калиб­ров­ку сен­со­ров допол­ни­тель­ны­ми поч­вен­ны­ми про­ба­ми. Подоб­но­го типа систе­мы пред­став­ле­ны в боль­шом коли­че­стве в про­из­вод­ствен­ном порт­фе­ле дру­гой аме­ри­кан­ской ком­па­нии – Veris Technologies. Систе­мы уста­нав­ли­ва­ют­ся на модуль­ной плат­фор­ме. Изме­ре­ния выпол­ня­ют­ся на ходу, когда плат­фор­му бук­си­ру­ют по полю. За изме­ре­ние элек­тро­про­вод­но­сти отве­ча­ют шесть заглуб­лен­ных в поч­ву дис­ков. Что же каса­ет­ся кис­лот­но­сти поч­вы, то для ее изме­ре­ния на плат­фор­ме закреп­лен пер­фо­ри­ро­ван­ный конус. Отту­да захва­чен­ные части­цы поч­вы отправ­ля­ют­ся в нако­пи­тель. Послед­ний пери­о­ди­че­ски под­ни­ма­ет­ся, и бла­го­да­ря это­му сурь­мя­ные элек­тро­ды ока­зы­ва­ют­ся погру­жен­ны­ми в про­бу. Опци­о­наль­но мож­но доосна­стить ука­зан­ную плат­фор­му поч­вен­ным спек­тро­мет­ром, что­бы изме­рять раз­ные харак­те­ри­сти­ки поч­вы, в част­но­сти содер­жа­ние в ней гуму­са, фос­фо­ра и азота.

Доста­точ­но рас­про­стра­нен­ной в Гер­ма­нии моде­лью поч­вен­но­го ска­не­ра явля­ет­ся EM 38 от канад­ской ком­па­нии Geonics. Для транс­пор­ти­ров­ки ска­нер поме­ща­ет­ся в багаж­ник авто­мо­би­ля. Вме­сто дис­ко­вых элек­тро­дов, кото­рые про­ре­за­ют пласт поч­вы, за изме­ре­ние элек­тро­про­вод­но­сти отве­ча­ют две индук­ци­он­ные катуш­ки. Они закреп­ле­ны на спе­ци­аль­ных поло­зьях и бук­си­ру­ют­ся по полю. При этом каж­дую секун­ду пере­да­ю­щая катуш­ка излу­ча­ет элек­тро­маг­нит­ные вол­ны в поч­ву, кото­рые при про­хож­де­нии через раз­лич­ные струк­ту­ры поч­вы инду­ци­ру­ют раз­лич­ные токи. Обра­зу­ют­ся вто­рич­ные вол­ны, кото­рые улав­ли­ва­ет и пре­об­ра­зу­ет при­ем­ная катушка.

Полезная информация

Дру­гой совре­мен­ней­ший на дан­ный момент поч­вен­ный сен­сор родом уже из Гер­ма­нии. Уче­ные из Уни­вер­си­те­та Потс­да­ма, Инсти­ту­та ово­ще­вод­ства и деко­ра­тив­но­го садо­вод­ства (IGZ) им. Г. В. Лейб­ни­ца (Гро­сбе­рен и Эрфурт) раз­ра­бо­та­ли гибрид­ный поч­вен­ный сен­сор Geophilus electricus, в кото­ром изме­ре­ние элек­тро­про­вод­но­сти поч­вы ском­би­ни­ро­ва­но с исполь­зо­ва­ни­ем гам­ма-зон­да. Две­на­дцать изо­ли­ро­ван­ных и уста­нов­лен­ных попар­но метал­ли­че­ских дис­ков выпол­ня­ют функ­ции элек­тро­дов. Пер­вая пара дис­ков слу­жит для поч­вы источ­ни­ком элек­три­че­ско­го заря­да. Осталь­ные пять пар – для реги­стра­ции элек­три­че­ско­го напря­же­ния в пла­стах поч­вы на раз­лич­ной глу­бине. Чем боль­ше рас­сто­я­ние от пита­ю­ще­го элек­тро­да до сни­ма­ю­ще­го пока­за­ния элек­тро­да, тем на боль­шую глу­би­ну рабо­та­ет эта пара. Шири­на захва­та тако­го сен­со­ра состав­ля­ет 18 мет­ров. На осно­ве зна­че­ний элек­тро­про­вод­но­сти поч­вы, инфор­ма­ции гам­ма-зон­да, а так­же дан­ных точ­но­го гео­по­зи­ци­о­ни­ро­ва­ния созда­ет­ся трех­мер­ная поч­вен­ная кар­та поля. Отдель­ные тема­ти­че­ские кар­ты полей могут быть объ­еди­не­ны в общую инфор­ма­ци­он­ную базу для созда­ния атла­са всех полей хозяй­ства. Наря­ду с полу­че­ни­ем инфор­ма­ции о поч­вен­ных гори­зон­тах, их кон­фи­гу­ра­ции (укло­ны, ров­ные участ­ки и т. д.), спо­соб­но­сти поч­вы накап­ли­вать воду и пита­тель­ные веще­ства выше­ука­зан­ная база поз­во­ля­ет сфор­ми­ро­вать мас­сив дан­ных о вли­я­нии выше­упо­мя­ну­тых пара­мет­ров на такие реле­вант­ные агро­но­ми­че­ские пока­за­те­ли, как влаж­ность устой­чи­во­го завя­да­ния и эффек­тив­ность вла­го­удер­жи­ва­ю­щей спо­соб­но­сти, т. е. фак­ти­че­ски полу­чить кар­ти­ро­ван­ные дан­ные по вла­го­ем­ко­сти и доступ­но­сти вла­ги для растений.

– Подоб­ная инфор­ма­ция помо­жет понять при­чи­ны коле­ба­ний элек­тро­про­вод­но­сти поч­вы. Ведь одно дело, когда высо­кая влаж­ность поч­вы опре­де­ля­ет­ся тем, что здесь про­сто низи­на, а совсем дру­гое – ее связь с соста­вом поч­вы,– рас­ска­зы­ва­ет один из раз­ра­бот­чи­ков Geophilus electricus д-р Йёрг Рюль­ман из IGZ. Все это тре­бу­ет осо­бо­го вни­ма­ния в реги­о­нах с лими­ти­ро­ван­ным коли­че­ством осад­ков: нор­ма вне­се­ния удоб­ре­ний долж­на соот­вет­ство­вать вла­го­ем­ко­сти поч­вы. Конеч­но, мел­ко­му сель­хоз­то­ва­ро­про­из­во­ди­те­лю подоб­ная точ­ность изме­ре­ний и кар­ти­ро­ва­ния не нуж­на. Но если гово­рить о совре­мен­ном рас­те­ние­вод­че­ском хозяй­стве, зада­чи кото­ро­го гло­баль­ны (накор­мить всех), то такой под­ход оправ­дан: во‑первых, он спо­со­бен пол­но­стью рас­крыть в дол­го­сроч­ной перс-пек­ти­ве весь потен­ци­ал уро­жай­но­сти; а во‑вторых, сэко­но­мить за счет диф­фе­рен­ци­ро­ван­но­го вне­се­ния мине­раль­ных удобрений.

Для того что­бы про­ще было опре­де­лить­ся с акту­аль­но­стью кар­ти­ро­ва­ния полей со столь высо­кой раз­ре­ша­ю­щей спо­соб­но­стью под усло­вия кон­крет­но­го хозяй­ства, спе­ци­а­ли­сты из IGZ раз­ра­ба­ты­ва­ют про­грам­му Geophilus Ökonom. Ожи­да­ет­ся, что в бли­жай­шее вре­мя она будет выло­же­на для обще­го досту­па по адре­су www.geophilus.de. Руко­во­ди­тель или агро­ном смо­гут само­сто­я­тель­но вве­сти дан­ные хозяй­ства и посмот­реть, воз­ник­нет ли выго­да при пере­хо­де от сплош­ной нор­мы вне­се­ния мине­раль­ных удоб­ре­ний к дифференцированной.

Выводы

В буду­щем нас ожи­да­ют еще более инте­рес­ные раз­ра­бот­ки в обла­сти поч­вен­ных сен­со­ров. При­ме­ром могут слу­жить раз­ра­ба­ты­ва­е­мые в инсти­ту­те ATB ионо­се­лек­тив­ные элек­тро­ды, кото­рые могут опре­де­лять не толь­ко pH поч­вы, но и содер­жа­ние фос­фа­тов, калия, нит­ра­тов. Совер­шен­ству­ют­ся и сами сен­со­ры. Необ­хо­ди­мость в боль­шей про­ни­ка­ю­щей спо­соб­но­сти под­тал­ки­ва­ет иссле­до­ва­те­лей к пере­хо­ду на так назы­ва­е­мые тера­гер­це­вые сен­со­ры. Одна­ко повы­шен­ная про­ни­ка­ю­щая спо­соб­ность – не един­ствен­ное пре­иму­ще­ство. Наря­ду с малой мощ­но­стью, соот­вет­ствен­но мень­шим энер­го­по­треб­ле­ни­ем, а так­же отсут­стви­ем вре­да для здо­ро­вья их излу­че­ние пол­но­стью погло­ща­ет­ся водой и отра­жа­ет­ся метал­лом. Новые сен­со­ры опре­де­ля­ют орга­ни­че­ские суб­стан­ции в почве.

Комментарии экспертов

При­ме­не­ние дат­чи­ков, уста­нов­лен­ных на обо­ру­до­ва­нии, оправ­дан­но не все­гда. Ведь обла­дая нема­лой сто­и­мо­стью, они не могут похва­стать­ся высо­кой про­из­во­ди­тель­но­стью. В ряде слу­ча­ев аэро­фо­то­съем­ка и кос­ми­че­ская съем­ка могут быть на несколь­ко поряд­ков эффек­тив­нее. Как пра­ви­ло, наи­бо­лее актуа­лен тот под­ход, кото­рый обес­пе­чи­ва­ет наи­боль­шую про­из­во­ди­тель­ность при сохра­не­нии каче­ства. По про­из­во­ди­тель­но­сти ни один под­ход не может срав­нить­ся со спут­ни­ко­вой съем­кой, но для уточ­не­ния ее резуль­та­тов может потре­бо­вать­ся ана­лиз поч­вы уже не по сет­ке, а по зонам. Все зави­сит от кон­крет­ной зада­чи, для реше­ния кото­рой исполь­зу­ют­ся сенсоры.

Поч­вен­ные усло­вия игра­ют опре­де­ля­ю­щую роль в рас­те­ние­вод­стве. Одна­ко сво­дить точ­ное зем­ле­де­лие толь­ко к ана­ли­зу неод­но­род­но­сти поч­вы – некор­рект­но. На рост и раз­ви­тие сель­ско­хо­зяй­ствен­ных куль­тур вли­я­ют более 140 базо­вых фак­то­ров, вклю­чая сор­та и гибри­ды, их реак­цию на мест­ные усло­вия, коли­че­ство осад­ков и часто­ту их выпа­де­ния, тем­пе­ра­ту­ру и влаж­ность воз­ду­ха, сум­му актив­ных тем­пе­ра­тур, направ­ле­ние и ско­рость вет­ра, облач­ность, фото­син­те­ти­че­ски актив­ную ради­а­цию (ФАР), облач­ность, уклон поля и его направ­ле­ние и мно­гие дру­гие фак­то­ры. Неод­но­род­ность поч­вы – толь­ко один из несколь­ких сло­ев инфор­ма­ции, необ­хо­ди­мых для пра­виль­но­го управ­ле­ния уро­жай­но­стью в хозяйстве.

Что же каса­ет­ся исполь­зо­ва­ния поч­вен­но­го спек­тро­фо­то­мет­ра для изме­ре­ния содер­жа­ния фос­фо­ра, то все попыт­ки Veris Technologies исполь­зо­вать при­бор для кар­ти­ро­ва­ния мине­раль­ных эле­мен­тов были без­успеш­ны­ми. Метод осно­ван на погло­ще­нии элек­тро­маг­нит­ных волн в диа­па­зоне 1500…2000 нм орга­ни­че­ски­ми моле­ку­ла­ми поч­вы, поэто­му кор­ре­ля­ция изме­ре­ний по калию была низ­кой, а по фос­фо­ру – близ­кой к нулю. Азот в дан­ном слу­чае тоже изме­ря­ет­ся толь­ко по его кор­ре­ля­ции с орга­ни­че­ским веще­ством в почве.

По нашим мно­го­лет­ним дан­ным, полу­чен­ным в Кана­де и США и под­твер­жден­ным целым рядом иссле­до­ва­те­лей, неод­но­род­ность поч­вы, изме­рен­ная по элек­тро­про­вод­но­сти, опи­сы­ва­ет от 0 до 40 % неод­но­род­но­сти уро­жай­но­сти в пре­де­лах поля. Во мно­гих слу­ча­ях элек­тро­про­вод­ность поч­вы не кор­ре­ли­ру­ет с уро­жай­но­стью и поэто­му не дает воз­мож­но­сти точ­но спла­ни­ро­вать соот­вет­ству­ю­щие дозы удоб­ре­ний. Кро­ме того, маши­ны для изме­ре­ния элек­тро­про­вод­но­сти име­ют очень низ­кую про­из­во­ди­тель­ность (200 га в день) и ряд огра­ни­че­ний (напри­мер: замерз­шее или сухое поле, осад­ки во вре­мя изме­ре­ния, нали­чие на поверх­но­сти поля боль­шо­го коли­че­ства рас­ти­тель­ных остат­ков, про­ве­ден­ный сев), свя­зан­ных с воз­мож­но­стью их исполь­зо­ва­ния. С дру­гой сто­ро­ны, метод дает инфор­ма­цию о неод­но­род­но­сти поч­вы и явля­ет­ся хоро­шим инстру­мен­том, облег­ча­ю­щим при­ня­тие агро­но­ми­че­ских реше­ний. Мы счи­та­ем, что такие сен­со­ры нель­зя при­ме­нять повсе­мест­но. Они могут быть полез­ны в тех слу­ча­ях, где основ­ны­ми фак­то­ра­ми, огра­ни­чи­ва­ю­щи­му уро­жай­ность, явля­ют­ся засо­ле­ние или влаж­ность поч­вы, но при соче­та­нии несколь­ких лими­ти­ру­ю­щих фак­то­ров дан­ные элек­тро­про­вод­но­сти доста­точ­но слож­но интерпретировать.

Алек­сей Мель­ни­чук, IntelMax Corp., Кана­да, Алек­сандр Соро­кин, АГРО­штур­ман, Россия

Читайте также