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