Дифференцированное внесение удобрений — ключевая технология так называемого «точного» или «умного» земледелия. Что это такое, и как могут использовать эту технологию хозяйства?
Урожайность даже одного поля, как правило, вариабельна. Причины могут быть разными: участки с низкой или высокой полевой всхожестью, активностью развития, перезимовкой, воздействием вредителей или болезней одной и той же культуры. Причём разница в урожайности между участками на одном поле может достигать 200-300 %.
На пестроту картины имеет прямое и косвенное влияние множество факторов: условия увлажнения, рельеф, свойства почвообразующих пород, агрофизические и агрохимические свойства почв. И, соответственно, отзывчивость культур на внесённые с удобрениями питательные вещества по полю происходит неравномерно. Тогда как принятый в большинстве хозяйств подход с единой нормой внесения удобрений для всей территории полей только усугубляет неравномерность, приводя к перерасходу веществ на одних участках и дефициту питания на других.
Дифференцированное внесение удобрений позволяет учесть неравномерность плодородия почв, а также привходящие условия для точного дозирования удобрения на отдельных участках поля.
Похожая ситуация складывается и со средствами защиты растений: до сих пор многие хозяйства работают с фунгицидами и гербицидами широкого спектра действия на всей площади посевов с одинаковой нормой внесения. И, соответственно, эффективность применения СЗР в данном случае также сильно разнится в зависимости от массы факторов.
Почему так вяло?
Большинство европейских фермеров уже отказались от «сплошного» подхода и широко используют систему дифференцированного внесения удобрений и СЗР, исходя из потребности в данном веществе для конкретного участка поля.
«В первую очередь это продиктовано экономическими соображениями, — отмечает маркетинг-менеджер продуктов по уходу за посевами и продуктов точного земледелия в странах СНГ компании John Deere Наталья Голик. — Анализ средней себестоимости продукции у европейских сельхозпроизводителей показывает, что свыше трети всех затрат при выращивании зерновых приходится на покупку удобрений и СЗР». Таким образом, оптимизация этих расходов и увеличение при этом урожайности вполне позволяет покрыть затраты на покупку специальной техники для дифференцированного внесения и проведения базовых исследований, убеждена специалист.
Как объясняет региональный представитель по Центральной России компании «Амазоне» Илья Царьков, дифференциация минеральных удобрений и СЗР — это не всегда экономия и сокращение расходов на эти ресурсы.
«Суть дифференциации — оптимальное и максимально эффективное перераспределение удобрений и средств защиты растений по имеющимся площадям, в зависимости от плодородия почв, потенциала урожайности и других факторов», — поясняет он.
«Соответственно, результатом применения такой технологии становится увеличение урожайности», — замечает специалист по продукту компании KUHN Алексей Гиривенко.
В России же, по сравнению с западными странами, суммы, уходящие на «минералку» и СЗР, пока ещё значительно ниже, констатирует руководитель направления по технике для защиты растений «Квернеланд Груп СНГ» Алексей Штерн. «При этом для реализации дифференцированных технологий требуются немалые суммы, — обращает внимание специалист. — И ограниченные в финансовых средствах отечественные хозяйства не могут себе этого позволить». Он оценивает размер прибыли от внедрения технологии дифференцированного внесения от 15 до 30 %.
Дифференцированное внесение позволяет оптимально и максимально эффективно перераспределить удобрения и СЗР по имеющимся площадям, в зависимости от плодородия почв, потенциала урожайности и других факторов.
Кто внедряет
Тем не менее большинство российских агрономов уже понимают, что солидный резерв повышения продуктивности культур кроется в совершенствовании внутрипольного управления питанием растений и в точечном подходе к защите.
«Однако на данный момент мы сильно отстаём от европейских коллег во внедрении данных технологий», — сожалеет руководитель направления «Точное земледелие» (Precision Farming) компании «Амазоне», к. с.-х.н. Егор Березовский. По его подсчётам, активный интерес к этой теме проявляют не менее 20 % российских хозяйств, однако до реальных действий доходят едва ли 7-10 % аграриев.
По наблюдениям члена международного общества почвоведов имени В. В. Докучаева, генерального директора компании «Агроноут», к. б.н. Алексея Трубникова, основная масса новаторов, интегрирующих на свои поля технологию дифференцированного внесения в России, — это крупные КФХ, имеющие в среднем 10-20 тыс. га, собственники которых заинтересованы в оптимизации расходов и технологизации производственных процессов с использованием новейших цифровых технологий. Именно такие хозяйства, как правило, имеют достаточные финансовые рычаги для внедрения инновационных средств точного земледелия и кровно заинтересованы в результатах их воплощения.
Крупные агрохолдинги, имеющие достаточно большие финансовые мощности, также подтягиваются в ряды новаторов. Однако в таких компаниях «на земле» работает с технологиями наёмный персонал, вовлечённость которого в результаты оставляет желать лучшего, замечает Егор Березовский. Поэтому и эффективность внедрения цифровых технологий в агрохолдингах зачастую ниже, чем в хозяйствах, где собственник непосредственно принимает участие в полевом труде.
Кроме того, по наблюдениям Даррена Гоэбела, директора отдела глобального развития агрономии и земледелия корпорации AGCO, в России из-за неповоротливости финансовых структур крупных агрохолдингов иногда бывает трудно убедить руководство потратить деньги на исследования, на персонал с необходимыми знаниями и подходящее оборудование.
Активный интерес к точному земледелию проявляют не менее 20% российских хозяйств, однако до реальных действий доходят едва ли 7-10% аграриев
Оффлайн и онлайн
В целом технологию дифференцированного внесения можно разделить на два конкурирующих процессных подхода: «оффлайн» и «онлайн».
В первом случае нормы внесения по каждому участку поля определяются заранее, и техника работает по уже введённой программе со всеми расчётами. Именно она предполагает всестороннюю аналитику и составление карт-заданий.
А онлайн-подход основан на расчёте и коррекции необходимого объёма удобрений прямо во время работы машины, то есть при проведении этой операции в поле. Этот способ предполагает использование датчиков-спектрометров (N-сенсор, GreenSeeker, CropSpec), которые устанавливают на движущемся тракторе.
Сенсор излучает свет на двух длинах волн и измеряет отражение от поверхности растений. На основе полученных данных вычисляются стандартизированные индексы различий растительного покрова, среди которых и наиболее известный вегетационный индекс NDVI.
Таким образом, опрыскиватель или разбрасыватель ориентируется в дозировке на данные, поступающие в режиме реального времени. То есть на ходу определяет отклонения интенсивности окраски листьев (N-сенсор) или оценивает пространственное варьирование состояния посевов по индексу NDVI (GreenSeeker) и в соответствии с полученными данными регулирует дозу вносимых удобрений и СЗР.
В реальном времени
Основным плюсом регулировки внесения удобрений в режиме онлайн (с учётом датчиков азота) является отсутствие необходимости составления карт. А потому такая технология может показаться более привлекательной для внедрения.
Однако Алексей Трубников советует осторожно относиться к работе по подкормке растений на основании только онлайн-данных по биомассе. «Такой анализ не обладает множеством уточняющих факторов, которые следует учитывать», — предупреждает он.
Так, например, ранней весной во время проведения первой азотной подкормки зерновых (фаза кущения) почва ещё влажная и условия для развития растений оптимальны. А значит, показатель биомассы сам по себе ни о чём не скажет. Не имея данных о рельефе и особенностях этого участка и «накормив» повышенной нормой азота «бледные» участки поля с низким потенциалом, пользователи этих устройств вместо помощи могут навредить культуре.
Как объясняет Алексей Трубников, повышенная доза азота стимулирует кущение и наращивание вегетативной массы, а в более поздние сроки, когда начинают вступать в силу лимитирующие факторы, картина изменится. И для растений, расположенных на склоне, в ложбинах, на песчаных и других проблемных участках, искусственно нагнанная вегетативная масса усилит дефицит влаги и приведёт к снижению урожайности. Он не советует проводить первую и вторую азотные подкормки, опираясь на онлайн-данные показатели NDVI. При этом не важно, каким образом они были получены: со спутниковых снимков или с датчиков.
«Необходимо учитывать совокупность агроландшафтных данных в комплексе, что позволит выяснить причину снижения биомассы и уже на основе точных знаний о потенциале участков производить дифференциацию удобрений, — убеждён Алексей Трубников. — Эксперимент, проведённый в Новокубанском филиале ФГБНУ "Росинформагротех" КубНИИТиМ, показал, что потери при онлайн-обработке, основывавшейся на данных азотных сенсоров и снимков NDVI (без учёта особенностей рельефа и агрофизических характеристик почв), составили бы более 1 тыс. руб./га. Работа по картам потенциалов плодородия в тех же условиях позволила получить прибыль от 1,6 до 5,9 тыс. руб./га».
По мнению специалиста, результаты дифференцированного внесения на основе данных об интенсивности окраски листьев или о биомассе (NDVI), полученные в режиме реального времени, будут более точными на более поздних сроках подкормки. Тогда как в весенний период такая работа внесёт больше путаницы, чем пользы.
На предприятиях, где решили заниматься внедрением точного земледелия, необходимо создание специальных отделов, специалисты которых занимались бы мониторингом посевов, химанализом почвы, составлением и контролем карт-заданий, а также загрузкой этих карт в бортовые компьютеры спецтехники.
Карты полей
Составление электронных карт границ полей — первый и важнейший этап реализации оффлайн технологии. Для их создания используются обработанные с помощью специальных программ спутниковые данные, а также снимки, сделанные с помощью беспилотных летательных аппаратов. Возможно также использование специального оборудования для обмера полей путём объезда их по контуру.
По словам Алексея Трубникова, в картах важна прежде всего точность и правильная нумерация полей.
Более серьёзный и подробный подход к технологии дифференцированного внесения предполагает использование карт урожайности, которые записываются бортовыми компьютерами комбайнов с функцией картографирования. Помимо этого, производится агрохимическое обследование полей на основе отбора проб с каждого обозначенного квадрата (сетки элементарных участков). Строятся карты рельефа, уплотнения, а также видоизменения биомассы по показателю NDVI (спектральное зонирование обследуемых полей по индексу NDVI).
На основе всех этих данных происходит наложение и выведение основной электронной карты дифференцированного внесения удобрений и СЗР, которая затем загружается в компьютер технического средства, поясняет Егор Березовский. «Технически внесение не представляет проблем, и здесь орудия и агрегаты уже просто выполняют заложенный компьютером алгоритм работы, — отмечает он. — Проблемы кроются в самом начале — на этапе исследований и составления карт-заданий».
В комплексе
Одной из системных ошибок на аналитическом этапе работы по данной технологии Алексей Трубников называет подготовку карт заданий на основе исключительно результатов химанализа почв.
«Хоть это и кажется логичным — вносить, предположим, фосфорно-калийные удобрения, на основании знания о том, сколько фосфора и калия содержится на данном участке, и дополнять внесение по нехватке вещества, — делится эксперт своим опытом. — Но на практике важнее понимать отзывчивость культуры на удобрения, которая зависит от потенциала участка, совокупности всех агрофизических и агрохимических свойств: рельефа, подстилающей породы, уплотнений, кислотности и т. д. Ведь в зависимости от сочетания этих факторов проявляется та или иная отзывчивость растений на внесение удобрений».
Алексей Трубников подчёркивает, что для определения «КПД удобрений» — с какой эффективностью они будут использоваться культурами — важен комплекс факторов, включающий знания о продуктивности культур на том или ином участке, выявление зон с повышенной или пониженной продуктивностью и анализ ландшафтных условий, причин с которыми эти зоны связаны.
«Зачастую первыми причинами из года в год повторяющейся картины урожайности становится рельеф и свойства почвообразующей породы, — объясняет Алексей Трубников. — И в этом случае собирать данные химанализов в таких местах и вносить удобрения по балансу химических элементов бесполезно. Не стоит тратить на это силы и средства».
Как объясняет Илья Царьков, один из распространённых методов сбора информации для дифференцированного внесения — разбиение поля на равные участки, с каждого из которых берётся одна или несколько почвенных проб. «При данном исследовании пробы берутся в произвольном месте из каждого участка такой сетки, а показатели химических элементов в почве усредняются», — обращает внимание он. — И это уже не совсем точное земледелие».
«Через погектарную сетку отбора проб действовать проще, но дороже, — соглашается с ним Даррен Гоэбел. — При этом для эффективного достижения плодородия с дифференцированным внесением необходимо провести всестороннее обследование через зоны продуктивности, использовать многолетние данные об урожайности».
Выявить зоны с высокой и низкой урожайностью, то есть определить участки с различным потенциалом продуктивности, помогают спутниковые снимки биомассы, а также данные картирования урожайности с уборочных комбайнов, продолжает Илья Царьков. Использование этой методики позволяет отбирать почвенные пробы не с произвольных мест, а с проблемных и высокоплодородных участков. И анализировать их.
Техника. Распределители
Для дифференцированного внесения удобрений необходимы специальные разбрасыватели. Но первым шагом на пути к точному земледелию становится оборудование трактора или самоходного опрыскивателя системой параллельного вождения и активация систем автоподруливания. Для этого также необходимо работать с сигналом повышенной точности.
При оффлайн-процессе карта-задание загружается в бортовой компьютер трактора или опрыскивателя, и, когда машина перемещается по полю, компьютер с привязкой к GPS-навигатору (с сигналом повышенной точности) определяет своё местонахождение и соотносит его с данными предписания. И в соответствии с данными карты подаёт сигнал для изменения положения дозирующих шиберных заслонок разбрасывателя.
«Подобные разбрасыватели могут вносить удобрения левой и правой стороной независимо друг от друга и с разной дозировкой нормы и при этом на разную ширину, — добавляет Алексей Гиривенко. — В случае онлайн-подхода контроллер трактора отслеживает и регулирует их ширину раскрытия (а значит, и норму внесения) в соответствии с цветом азотного датчика».
Такие разбрасыватели присутствуют на российском рынке в полной комплектации и с электронной системой управления. Это, например, распределители Amazone ZA-TS ZG-TS, Z-AM или KUHN AXIS , Kverneland Exacta TL GEOSPREAD и др.
Более того, возможно и переоборудование для дифференцированного внесения механических моделей, с подготовкой и превращением их в электронно-управляемые. Однако, по мнению руководителя отдела технического маркетинга CNH Industrial Александра Загинайлова, лучше, если разбрасыватель уже будет иметь вариопривод, так как иначе вложения в подготовку машины вырастают, а целесообразность падает.
Опрыскиватели
Для дифференцированного внесения используются как самоходные, так и прицепные (при наличии ISOBUS-терминалов) опрыскиватели.
«Равномерных с точки зрения распределения биомассы полей очень мало, и на одной единице площади обработки встречаются участки, где норма внесения СЗР может сильно разниться, — рассуждает Илья Царьков. — Значит, опрыскивателю в соответствии с картой или показаниями онлайн-датчиков придётся увеличивать или снижать норму внесения на ходу». И если в распределителях удобрений увеличение или уменьшение нормы внесения прямо пропорционально ширине раскрытия заслонки, то в опрыскивателях всё гораздо сложнее, предупреждает специалист.
«Изменение нормы внесения препарата на опрыскивателе осуществляется прежде всего через основную систему продукта (насос и давление в системе), — поясняет Александр Загинайлов. — Иными словами, путём повышения или понижения давления в системе».
Но проблема в том, что форсунка с определённым диаметром сопла эффективно работает лишь в ограниченном диапазоне давления, уверяет Илья Царьков. А увеличение давления (иногда существенно, если норма увеличилась) ведёт к изменению размера капли в факеле распыла, так как диаметр сопла постоянен, что прямо влияет на качество обработки. Увеличивается снос препарата, испарение и т. д., перечисляет специалист.
Выходом может служить система автоматического переключения форсунок, при изменении давления в системе. Для работы с дифференцированным внесением на опрыскиватель устанавливают систему автоматического переключения потока между форсунками (установленными по несколько штук в одном корпусе) в зависимости от значения давления.
Например, система AmaSelect позволяет вне диапазона оптимального давления автоматически переключать работу внутри блока на более мелкую или крупную форсунку, а также подключать несколько форсунок одновременно. Это позволяет изменить норму внесения СЗР до 300 % в течение нескольких секунд и без потери качества, добавляет Илья Царьков.
Есть и другие интересные решения для дифференцированного внесения СЗР, например, флуоресцентные датчики (AmaSpot, WeedSeeker, WeedIT), которые распознают пигмент хлорофилла. Иными словами, реагируют на зелёное. Такие системы позволяют распределять средства защиты растений с максимальной эффективностью при одновременном снижении нормы расхода препаратов. А именно помогают избежать обработки всей поверхности поля гербицидом сплошного действия, а внести его лишь там, где есть сорняки или падалица зерновых.
Принцип работы таких систем сходен: специальные светодиоды сканируют поверхность в красном и инфракрасном диапазоне, отражённый свет фиксируется детектором на сенсоре. Как только сорняк определён, срабатывает распыление гербицида. Причём только тогда, когда растение окажется под распылителем. Залповый впрыск делает возможным эффективную работу системы при сильном ветре.
На участках, где сорняки встречаются периодически, чаще всего при обработке паров, возможно, по словам управляющего товарной группой линейки опрыскивателей компании «Ростсельмаш» Андрея Дубинина экономить до 80 % активного вещества.
Причём делать это можно с точностью до сантиметра и на высоких рабочих скоростях, вплоть до 20 км/ч, добавляет Илья Царьков.
«Такие обработки направлены не только на получение экономического эффекта, но и на улучшение экологической ситуации, поскольку ощутимо снижается нагрузка химических соединений на окружающую среду», — поясняет Андрей Дубинин.
Ошибки перед стартом
Алексей Штерн обращает внимание на довольно распространённую трудность, с которой сталкиваются при работе в оффлайн-подходе, — системный конфликт между телекоммуникационными устройствами различных производителей, которые используются при подготовке карт-предписаний для техники.
«У разных производителей для своих мониторов используются различные расширения файлов и программное обеспечение, — поясняет специалист. — Например, у Kverneland это карты с расширением XML, у других производителей — другие».
По сути, в этом нет ничего страшного: для решения проблемы нужно иметь конвертер или работать с файлами открытых форматов, которые можно скачивать в открытом доступе для техники любого производителя. Однако перед тем как приобретать технику, необходимо выяснить, в каких форматах работает это оборудование и какие расширения читает, во избежание лишних простоев.
И если в хозяйстве намерены работать с новейшими программами и обновлениями, то желательно приобретать мониторы и контроллеры последнего поколения, так как программы становятся всё более энергоёмкими, и объёмными, что приводит к «зависанию» мониторов во время работы, предупреждает Алексей Штерн.
Но, прежде чем работать с разбрасывателями, необходимо уделить внимание отладке механизмов калибровки раздаточного дозирующего механизма бункера, точности дозирования и равномерности распределения удобрения, предупреждает Александр Загинайлов. «К сожалению, опыт продаж большинства компаний показывает, что на сотни проданных единиц техники приходится одна-две продажи мобильных стендов, призванных проверять норму распределения на всю ширину захвата», — поясняет он.
В соответствии с настройками, калибровку необходимо проводить каждую весну перед началом работ, так как одно и то же удобрение обладает разными баллистическими, физическими свойствами при распределении, напоминает Илья Царьков. Однако этими настройками в большинстве случаев пренебрегают, и как результат — неравномерное поперечное распределение удобрений, полеглость и недокорм растений азотом.
Калибровку необходимо проводить каждую весну перед началом работ, так как одно и то же удобрение обладает разными баллистическими, физическими свойствами при распределении.
Не хватает знаний
С точки зрения инструментов для сбора информации, трудностей стало меньше, считает Егор Березовский. «Например, возможности для оценки состояния поля на основе показателей NDVI по спутниковым снимкам стали более доступными и сильно упали в цене, — отмечает он. — В зависимости от сложности, их стоимость составляет от 50 руб./га. Работа с беспилотниками также стала проще и дешевле. Но встаёт другая проблема — нехватка знаний».
По словам специалиста, большинство факторов, влияющих на состояния растений и почвенные характеристики, сугубо зональны, и разбираться в этом должны местные агрономические службы. При этом знаний рядового агронома для этого не хватает. Отсюда — трудности с правильными выводами и постановкой «диагноза» при всём богатстве поступающих данных.
«Решением данного вопроса в настоящий момент становится приглашение сторонних консультантов, однако таких специалистов пока ещё недостаточно, — отмечает Березовский. — Кроме того, персоналу компании, где решено внедрять дифференцированное внесение, необходимо пройти специальное обучение». Такие обучающие программы уже стали проводить при учебных и научных заведениях (например, КубГАУ) или силами производителей техники (Amazone, и др.), перечисляет специалист.
Андрей Дубинин убеждён, что на предприятиях, где решили заниматься внедрением точного земледелия, необходимо создание специальных отделов, специалисты которых занимались бы мониторингом посевов, химанализом почвы, составлением и контролем карт-заданий, а также загрузкой этих карт в бортовые компьютеры спецтехники. Только комплексный подход даст реальные результаты в применении систем точного земледелия на агропредприятиях.
По наблюдениям аграриев, даже компании, которые продают сервис, не знают, как установить оборудование, как его настроить и запустить в работу. А как только изменяются версии программных продуктов, контроллера, системы управления на технике, с которой работает агрегат внесения, — возникают проблемы.
«Заниматься внедрением точного земледелия должны люди, способные не только разбираться в агрономии, но и в компьютерных программах, калибровках машин. То есть это должен быть некий сплав агронома и инженера», — объясняет Егор Березовский.
«В настоящий момент специалистов в технологии точного внесения удобрений в России ещё не так много, как в Европе, но в последние три года мы видим существенный рост интереса к ней», — замечает Алексей Трубников.
Однако, по его наблюдениям, дело сдвинулось с мёртвой точки: в агрохолдингах создаются отделы точного земледелия, появляются выделенные специалисты по точному земледелию, а также растёт вовлеченность производителей оборудования и их дилеров.
