Элементы точного земледелия. Агрохимическое обследование в точном земледелии

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра: геоинформатики и геодезии

РЕФЕРАТ

Тема: «Элементы точного земледелия. Агрохимическое обследование в точном земледелии»

Донецк 2010

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. История развития точного земледелия

2. Общие понятия о точном земледелии

3. Агрохимическое обследование в точном земледелии

Заключение

Источники

ВВЕДЕНИЕ

Точное земледелие, или как его иногда называют прецизионное земледелие, является новой, технически более совершенной технологией по производству растениеводческой продукции. Сегодня, научный и технический прогресс, позволяет широко применять в земледелии современные технологии при планировании и выполнении агротехнологий. Сегодня уже достаточно часто используются бортовые компьютеры, GPS-приемники, методы дистанционного зондирования (ДДЗ), геоинформационные системы (ГИС), а также системы поддержки принятия решений (СППР).

Точное земледелие уже более 20 лет активно используется в Европе, США и Китае, а настоящий «бум», оно сейчас переживает в Южной Америке, в частности в Бразилии. В основном это связано с бурным экономическим ростом и желанием снизить издержки производства. Технология точного земледелия популярна также в Голландии и Дании. В этих странах сильно развито животноводство, а система точного земледелия применяется для снижения себестоимости кормов. Бесспорный лидер по внедрению технологии точного земледелия - это США.

По статистическим данным, в США в 2006 г. 80% фермеров применяли отдельные элементы технологии точного земледелия. Эта страна занимает лидирующие позиции по поставке оборудования для точного земледелия. В России техники и оборудования для точного земледелия практически не производится, в основном существуют лишь опытные образцы, которые требуют доработки. На Украине исследования проблем точного земледелия ведутся уже более шести лет и принесло свои плоды.

Будущее - за широким использованием точного земледелия в с.-х. производстве. Результаты его внедрения в значительной степени зависят от постановки на серийное производство машин для дифференцированного удобрения почвы с установленными на них оптическими (или иными) приборами агрохимического анализа.

1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ТОЧНОГО ЗЕМЕЛЕДЕЛИЯ

Суть качественно новой системы земледелия, которое на Западе получило название точного (или прецизионного), состоит в том, что для получения с данного поля (массива) максимального количества качественной и наиболее дешевой продукции для всех растений этого массива создаются одинаковые условия роста и развития без нарушения норм экологической безопасности. Точное земледелие внедряется путем постепенного освоения качественно новых агротехнологий на основе принципиально новых, высокоэффективных и экологически безопасных технических и агрохимических средств.

Первыми весомых результатов в использовании электронных устройств на с/х технике добились разработчики машин для защиты растений. Например, опрыскиватель Hydroelectron фирмы Tecnoma, получивший золотую медаль на международной выставке SIMA-1976 в Париже, был оборудован электронным регулятором подачи раствора пропорционально скорости движения агрегата. Аналогичную машину разработала английская фирма Agmet. По сравнению с используемыми в странах СНГ аналогами в них поддерживается постоянный в единицу времени расход раствора, а норма его внесения на 1 га значительно варьируется при каждом переключении передачи, изменении частоты вращения двигателя и буксовании колес, что обеспечивает экономию до 20% ядохимикатов. А это не только экономический, но и экологический эффект.

Сложнее решались вопросы точного высева семян зерновых колосовых культур. Экспериментальные образцы таких сеялок были показаны на международной выставке в Мюнхене в 1982 г., а серийная машина с электронным регулятором высева фирмы Blanchot появилась лишь через три года и была отмечена на парижской выставке SIMA-1985. Фирма Rider (Германия) пошла еще дальше, создав сеялку Saxonia, которая обеспечивает заданные не только расстояние между семенами в рядке, но и глубину их заделки.

В 1986 г. в результате тесного сотрудничества фирм - производителей тракторов и сельхозмашин было признано рациональным многоканальный микропроцессор устанавливать на тракторе, а на машинах использовать лишь унифицированные датчики. Так, например, на тракторе Case стали монтировать микропроцессор и подключать к нему датчики и исполнительные механизмы.

Для объединения усилий по разработке и освоению в с/х производстве электронных систем в 1992 г. страны ЕС приняли план, предусматривающий ускоренное финансирование из бюджета ЕС перспективных направлений автоматизации и компьютеризации с.-х. техники. В настоящее время к этой работе присоединились Венгрия, Чехия, Словения и Эстония. Причем в создании качественно новых, высокоточных и высокопроизводительных машин западноевропейские страны значительно обошли США и Канаду.

Необходимо отметить, что страны - члены СЭВ объединили свои усилия по электронизации с.-х. техники еще раньше - в 1980 г. Координатором этой работы была Болгария, ну а результаты нам известны.

Благодаря использованию высокоточной техники в странах с развитым земледелием удалось поднять урожайность зерновых культур до 90 ц / га и получить весомую прибыль. Вместе с тем было замечено, что пестрота урожайности на полях, обработанных этой техникой, хотя и значительно уменьшилось, но все-таки сохранилась. Следовательно, такое земледелие еще не соответствует критериям точного. Агрохимический анализ почвы, взятой на участках с различной урожайностью, показал, что по содержанию азота, фосфора и калия они существенно различаются, хотя минеральные удобрения вносились с высокой равномерностью. Причина этого явления в том, что растения питаются не только веществами, вносимыми в почву при выращивании данной культуры, но и теми, что накопились в ней. Поэтому удобрения нужно вносить в почву дифференцирован но в зависимости от количества ранее накопленных в ней основных питательных веществ.

Однако внедрение такой технологии с использованием существующих технических средств связано с большими трудовыми и финансовыми затратами. В связи с этим в разных странах начали разрабатывать способы и средства для упрощения и снижения стоимости агрохимического анализа почвы, в том числе через урожайность выращенной культуры на отдельных участках поля.

Первый экспериментальный образец двухдисковой центробежной машины для дифференцированного внесения одного вида минеральных удобрений продемонстрировала в 1994 г. на выставке Smithfield Farm Tech английская фирма KRM. Содержание питательных веществ в почве определяется методом инфракрасного фотографирования поля со спутника Земли с построением картограммы поля, а координаты агрегата - с помощью систем GPS. Для непосредственного изменения дозы вносимых удобрений используется электронный прибор Calibrator 2002, функционально соединенный с компьютером (на дискете которого записана картограмма удобрения поля) и системой GPS. В 1995 г. фирма Amazone освоила серийный выпуск центробежных машин ZA-Max с аналогичными приборами. Однако из-за дороговизны электронного оборудования (около 50% цены машины) они не получили широкого распространения.

Пионером освоения точного земледелия является Великобритания, где на ферме в графстве Сафольк на протяжении трех лет проводили картографирование урожайности, покоординатный анализ почвы в аномальных зонах, а удобрения вносились другой машиной фирмы Amazone-M-Tronic. Это обеспечило годовую экономию в среднем по 17,2 фунта стерлингов на каждом гектаре (по сравнению с внесением постоянных доз по всему полю).

2. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ТОЧНОМ ЗЕМЕЛЕДЕЛИИ

Точное земледелие - это управление продуктивностью посевов c учётом внутрипольной вариабельности среды обитания растений. Условно говоря, это оптимальное управление для каждого квадратного метра поля. Целью такого управления является получение максимальной прибыли при условии оптимизации сельскохозяйственного производства, экономии хозяйственных и природных ресурсов. При этом открываются реальные возможности производства качественной продукции и сохранения окружающей среды.

Такой подход, как показывает международный опыт, обеспечивает гораздо больший экономический эффект и, самое главное, позволяет повысить воспроизводство почвенного плодородия и уровень экологической чистоты сельскохозяйственной продукции. Например, фермер из Германии при внедрении элементов точного земледелия добился повышения урожая на 30% при одновременном снижении затрат на минеральные удобрения на 30% и на ингибиторы на 50%.

Точное земледелие включает в себя множество элементов, но все их можно разбить на три основных этапа:

- сбор информации о хозяйстве, поле, культуре, регионе

- анализ информации и принятие решений

- выполнение решений - проведение агротехнологических операций

Для реализации технологии точного земледелия необходимы современная сельскохозяйственная техника, управляемая бортовой ЭВМ и способная дифференцированно проводить агротехнические операции, приборы точного позиционирования на местности (GPS-приёмники), технические системы, помогающие выявить неоднородность поля (автоматические пробоотборники, различные сенсоры и измерительные комплексы, уборочные машины с автоматическим учётом урожая, приборы дистанционного зондирования сельскохозяйственных посевов и др.) Ядром технологии точного земледелия (второй этап из рассмотренных выше) является программное наполнение, которое обеспечивает автоматизированное ведение пространственно-атрибутивных данных картотеки сельскохозяйственных полей, а также генерацию, оптимизацию и реализацию агротехнических решений с учётом вариабельности характеристик в пределах возделываемого поля.

3. АГРОХИМИЧЕСКОЕ ОБСЛЕДОВАНИЕ В ТОЧНОМ ЗЕМЛЕДЕЛИИ

Применение агротехнологий без учёта пространственной и временной вариабельности параметров плодородия почв повсеместно приводит к нарушению равновесия агроэкосистем. Технология XXI века - точное земледелие во многом построена именно на оценке пространственно-временной неоднородности сельскохозяйственных полей. Более того, от степени неоднородности зависит эффективность внедрения новой технологии в конкретных хозяйствах. Если агрохимические и агрофизические показатели качества и плодородия почв значительно отличаются в пределах одного поля, то затраты на новую технологию с большей вероятностью окупятся. Следовательно, первым необходимым шагом при переходе на новую технологию является объективная оценка пространственно-временной вариабельности сельскохозяйственных полей. Известно, что при внесении минеральных удобрений определяющие значение для расчёта доз удобрений под конкретную культуру имеют почвенно-климатические характеристики полей, включающие основные агрофизические и агрохимические параметры, такие как гранулометрический состав, кислотность, подвижные формы фосфора и калия, органическое вещество, плотность, влагообеспеченность, гидролитическая кислотность, сумма поглощённых оснований (N, P, K, Гумус, ph и др.). Для определения значений этих так называемых химических индексов плодородия проводится регулярное обследование почв.

Традиционно обследование проводится вручную, и самое главное, без точной привязки к местности, поэтому при повторном обследовании трудно с уверенностью утверждать, что пробы были взяты в том же самом месте. Из этого следует, что информация, полученная таким способом, скорее всего не отражают реальную картину и динамику изменения почвенных показателей на поле, что в свою очередь приводит к неверным результатам расчёта доз удобрений, и как следствие это отражается как на экономической политике хозяйства, так и на экологической обстановке.

Рисунок 1 - Результат «Традиционного» способа

точный земледелие обследование почва

Последние достижения науки и техники, особенно в области информационных технологий, позволяют выйти на качественно новый уровень обследования почв. Для применения технологии точного земледелия необходимо проводить обследование почв, используя датчики, приборы и мобильные информационные системы, позволяющие исследовать вариабельность пространственно-ориентированных характеристик почвенного и растительного покровов, в том числе конечного урожая в пределах конкретного поля.

Для агрохимического обследования «точным» способом используется мобильный автоматизированный комплекс, оснащенный GPS-приемником, бортовым компьютером, автоматическим пробоотборником и специальным программным обеспечением.

Применение современных технологий позволяет получать более точные карты пространственного распределения агрохимических показателей внутри каждого поля.

Рисунок 2 - Результат «Точного» способа

На рис. 1 и рис. 2 хороша видна разница между «традиционным» и «точным» методами агрохимического обследования. И если речь идет о тысячах гектаров, то ошибка при расчете доз удобрений может быть очень большой, что безусловно повлияет на себестоимость, количество и качество урожая, а также на экологическую обстановку вокруг. Перед отбором почвенных проб на поле необходимо определить размер элементарного участка, с которого будет браться одна объединенная проба. То есть проба, состоящая из смешанных 10-15 образцов почвы, отобранных в разных местах (обычно по диагонали) на каждом элементарном участке. Полевые работы проводятся при температуре не ниже +5 С. На полях, где доза внесения составляла не более 90 кг / га д.в., отбор проб можно проводить в течение всего вегетационного сезона, если больше-спустя 2-2,5 месяца после внесения. На полях, где интенсивно применяются пестициды, отбор проб проводится через 1,5-2 месяца после обработки. Зараженные радионуклидами территории обследуются до посева сельскохозяйственных культур или во время уборки. Внесение органических удобрений на сроки отбора образцов не влияет. Также размер элементарного участка можно определять руководствуясь методическими указаниями (размер от 1 до 5 гектар в зависимости от размера хозяйства и размера бюджета хозяйства на эти цели).

Первым этапом агрохимического обследования является создание электронных контуров (карт) полей с точностью, которую обеспечивает GPS-приемник. Оконтуривание полей также определяет реальные границы и площади сельхозугодий с сантиметровой точностью, что в свою очередь влияет на расчёт необходимых удобрений и учёт урожая. Разница между реальным размером сельхозугодий и размером известным агроному или руководителю может составлять до 20%. После оконтуривания полей необходимо разбить каждое поле на элементарные участки. Для этого в программе FieldRover «накладываем» сетку на полученный контур поля, перемещаем ее до оптимального, на наш взгляд, положения и фиксируем. В результате получили карту поля, разбитого на пронумерованные элементарные участки заданной формы и размера. Поле готово к отбору проб. При отборе проб оператор, двигаясь внутри элементарного участка, делает 10-15 уколов (рис. 3) автоматическим пробоотборником, останавливаясь при каждом уколе.

Рисунок 3 - Результат

На панели бортового компьютера записывается пройденный путь и сохраняется в памяти компьютера. Программное обеспечение позволяет также осуществлять навигацию к отмеченной в бортовом компьютере оператором точке на поле. При этом на дисплее будет указываться направление и расстояние до точки. Это удобно при движении к месту последней взятой пробы для продолжения работ или к проблемному участку, где необходимо провести дополнительные исследования. Отобранные и маркированные образцы (пробы) передаются в аккредитованную агрохимическую лабораторию для анализа. После выполнения анализов из лаборатории получаем ведомость, где указаны агрохимические показатели соответствующие номерам проб.

Результаты анализа вводятся в компьютер, в специальную программу (геоинформационную систему - ГИС) и обрабатываются. Такими программами могут быть MapInfo, SSToolBox, ArcGIS и другие. Полученные пространственно-ориентированные карты распределения каждого агрохимического показателя позволяют видеть и учитывать при расчетах реальное состояние полей. Но если обычное хозяйство может обходится и без таких точных карт, то хозяйства использующее технологии точного земледелия для дифференцированного внесения минеральных удобрений просто не могут обходится без них. Для дифференцированного внесения минеральных удобрений используем программное обеспечение SSToolBox, GPS-приемники, бортовые компьютеры и специальное бортовое програмное обеспечение. На основании полученных карт по агрохимическим показателям в программе SSToolBox, автоматически проводится расчёт дозы для каждого элементарного участка по заранее нами составленной формуле. Программа SSToolBox, в которой делают подобные карты и проводится расчет дозы удобрений, обладает встроенным редактором формул, который позволяет программировать достаточно сложные формулы. Также при расчете учитываются параметры удобрения и цена, а также ограничения, которые мы накладываем на внесение удобрений (например, максимально возможная доза).

После расчета доз удобрений мы получаем карту задание, в параметрах которой уже просчитано какое количество удобрений потребуется для внесения на данное поле и сколько это будет стоить. На рис. 4 видно, что карта-задание состоит из маленьких квадратиков. Эти квадаратики, в данном случае, имеют размер 18 х 18 м - такова была выбрана ширина захвата распределителя минеральных удобрений (Amazone). При расчёте дозы для каждого элементарного участка, программа просит ввести ширину захвата для более точного пространственного распределения дозы удобрений.

Рисунок 4 - Результат. Карта-задание

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Точное земледелие внедряется путем постепенного освоения качественно новых агротехнологий на основе принципиально новых, высокоэффективных и экологически безопасных технических и агрохимических средств.

В агрохимическом обследовании дифференцированное внесение позволило сэкономить в 2007 году 20% минеральных удобрений при одновременной прибавке урожая и повышении его качества.

Будущее - за широким использованием точного земледелия в сельскохозяйственном производстве. Результаты его внедрения в значительной степени зависят от постановки на серийное производство машин для дифференцированного удобрения почвы с установленными на них оптическими (или иными) приборами агрохимического анализа.

ИСТОЧНИКИ

1. http://www.agrophys.com/Agrophys_files/Preagro/agrohim.html.

2. Журнал «Тракторы и сельскохозяйственные машины», 2003 год, №8.

3. Журнал «Аграрное обозрение», сентябрь - октябрь 2009.

Размещено на Allbest.ru