Совершенствование методов борьбы с сорняками в системе точного земледелия

Размещено на http://www.allbest.ru/

РГАУ - МСХА им. К.А.Тимирязева

«ВНИИ Агроэкоинформ»

Совершенствование методов борьбы с сорняками в системе точного земледелия

Полин В.Д., Матюк Н.С.,

Гогмачадзе Г.Д., Березовский Е.В., Солдатова С.С.

Аннотация

гербицид засоренность посев зерновой

Оптические датчики «GreenSeeker» как один из компонентов технологии точного земледелия, основанной на использовании системы глобального позиционирования, позволяют за счет учета проективного покрытия определять уровень засоренности посевов зерновых культур в начальные фазы их развития по изменению индекса NDVI. Их использование обеспечивает дифференцированное внесение гербицидов с учетом количества сорных растений и степени их развития, что оптимизирует экологическое состояние посевов и почвы.

Ключевые слова: ТОЧНОЕ ЗЕМЛЕДЕЛИЕ, ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ «GREENSEEKER», ИНДЕКС ВЕГЕТАЦИИ NDVI, БОРЬБА С СОРНЯКАМИ, ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОЕ ВНЕСЕНИЕ ГЕРБИЦИДОВ

Основная часть

В последние десятилетия разработка мер борьбы с сорными растениями была направлена, в основном, на совершенствование химического метода. Огромные материально-технические затраты на научно-исследовательские работы в области поиска и синтеза новых высокоэффективных гербицидов не сняли остроты проблемы повышения эффективности регулирующего воздействия на популяции сорных растений в агрофитоценозах. Кроме того, гербициды влияют весьма негативно на заметно обострившуюся экологическую ситуацию в сельском хозяйстве, особенно при нарушении технологии и регламентов их применения. Это приводит к накоплению их остаточных количеств в почве и получению растениеводческой продукции с превышением в отдельных случаях ПДК и МДУ.

Успешная борьба с сорняками должна осуществляться на основе системного подхода, научными и практическими принципами которого в современном земледелии является интегрированная система борьбы, представляющая собой сочетание биологических, химических, экологических и других методов защиты культурных растений, направленных на снижение численности сорного компонента до уровня экономических порогов вредоносности. При этом все методы и способы снижения вредоносности сорняков следует применять не раздельно, а в рациональном сочетании тех или иных средств и приемов борьбы с сорняками, с учетом экологической направленности и экономической целесообразности.

Результаты исследований по оценке способов снижения загрязнения окружающей среды средствами химизации в современных ресурсосберегающих технологиях возделывания сельскохозяйственных культур показали, что наиболее эффективным является дифференцированное, с учетом обилия вредных организмов, применение средств защиты растений в системе точного земледелия, которое получает все большее признание и распространение в нашей стране. Оно основано на новых методологических подходах к разработке современных технологий возделывания полевых культур, при которых сельскохозяйственное поле, неоднородное по рельефу, почвенному покрову, содержанию элементов питания и характеристике ионно-обменных свойств, требует применения на каждом участке адаптированных к данному ландшафту агротехнологий.

Внедрение технологии точного земледелия способствует повышению производительности труда, снижению себестоимости продукции и сохранению окружающей среды. Для реализации концепции точного земледелия создана адаптированная к определенным географическим и почвенно-климатическим условиям система поддержки принятия решений (СППР), использующая приборы спутниковой навигации GPS/ГЛОНАСС, ГИС-средства, данные дистанционного зондирования Земли, бортовые компьютеры, обеспечивающие выполнение технологических операций в системах «off-line» и «on-line», робототехнические устройства сельскохозяйственного назначения, программное обеспечение. С помощью специализированного программного обеспечения специалист заполняет технологическую карту поля с момента посева культуры до ее уборки, а компьютер выдает экономические расчеты и справочную информацию, необходимую для внесения поправок в технологический цикл на перспективу. Это упрощает управление, позволяет специалистам принимать адекватные решения и оперативно корректировать ситуацию на полях с учетом состояния агрофитоценозов. Естественно, это приводит к экономии средств защиты растений, удобрений, посевного материала, энергоносителей за счет уменьшения числа проходов МТА по полю, дифференцированного внесения агрохимикатов с учетом содержания элементов питания, а в конечном итоге -- к росту производительности сельскохозяйственных машин и орудий, снижению себестоимости продукции и повышению эффективности хозяйствования.

В системе точного земледелия для внесения фосфорно-калийных удобрений и пестицидов используют карты задания или различные оптические датчики, которые позволяют выполнять эти технологические приемы в режиме «off-line» или «on-line». Режим «off-line» предусматривает предварительную подготовку на стационарном компьютере карты-задания, в которой содержатся пространственно привязанные с помощью GPS, расчетные дозы удобрений или пестицидов для каждого элементарного участка поля. Для разработки карты-задания проводится предварительный сбор необходимых для расчёта пространственно привязанных исходных данных о состоянии поля и культуры (структура почвенного покрова, содержание элементов питания, степень развития вредных организмов и др.). По этим данным проводится расчёт дозы для каждого элементарного участка поля, тем самым формируется (в специальной программе) карта-задание, которая переносится на чип-карте (носителе информации) на бортовой компьютер сельскохозяйственной техники, оснащённой GPS-приёмником. Трактор, оснащенный бортовым компьютером, двигаясь по полю, с помощью GPS определяет свое местонахождение. Считывает с чип-карты дозу, соответствующую месту нахождения, и посылает соответствующий сигнал на контроллер распределителя, контроллер же, получив сигнал, выставляет на распределителе удобрений или пестицидов нужную дозу.

Режим реального времени «on-line» предполагает предварительное определение агротребований на выполнение операции, а доза определяется непосредственно во время выполнения операции. Агротребования, в данном случае, - это количественная зависимость дозы удобрения от показаний датчика, установленного на сельскохозяйственной технике, выполняющей операцию. В режиме «on-line» бортовой компьютер получает данные от датчика, сравнивает их с определенными и записанными в память агротребованиями и посылает сигнал на контроллер по той же схеме, что и в режиме «off-line».

В настоящее время активно ведутся разработки различных датчиков, позволяющих использовать режим «on-line». Это оптические датчики, определяющие содержание азота в листьях и засоренность посевов; механические, оценивающие биомассу; электромагнитные, имеющие широкий спектр применения /1/. В своих исследованиях мы использовали систему «Greenseeker» (рис. 1).

Рис. 1 Сенсорный датчик «GreenSeeker RT 200»

Система «GreenSeeker» представляет собой несколько оптических датчиков, которые равномерно располагаются вдоль штанги опрыскивателя /2/. Датчики можно устанавливать впереди или позади штанги. «Направление» датчика не имеет значения, но прямоугольное светодиодное окошко должно быть параллельно штанге /3/ (рис. 2). Каждый из этих датчиков имеет свой источник света и может использоваться в любое время суток. Таким образом, система «GreenSeeker» измеряет индекс вегетации биомассы NDVI (Normalized Difference Vegetative Index), затем сравнивает полученное значение индекса с заданным алгоритмом и в режиме реального времени определяет, сколько азотных удобрений или пестицидов надо внести на данном участке поля. Кроме того, если подключить приемник GPS, то в память компьютера можно занести значение индекса NDVI с привязкой к местности, а затем составить карту его распределения /2/.

Наши исследования проводились в центре точного земледелия, который был организован благодаря национальному проекту в 2008 году на опытном поле РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева. В опыте изучались две технологии: традиционная, основанная на вспашке с оборотом пласта, и минимальная с прямым посевом зерновых культур.

Рис. 2 Расположение сенсорных датчиков на штанге опрыскивателя

На одной половине площади опыта применялись традиционные технологии возделывания полевых культур, на второй - технологии с элементами точного земледелия (автопилот, дифференцированное внесение удобрений и др.). Для оценки данных технологий мы проводили наши исследования на посевах ячменя. Так как в год закладки опыта обработка почвы была одинаковой для всех делянок, мы использовали варианты традиционной технологии посева по маркеру и по системе автопилот. Опыт имел две повторности. В задачу наших исследований входило определение возможности использования оптических датчиков системы «GreenSeeker» при применении гербицидов в посевах зерновых культур.

Индекс вегетации NDVI определяется частью отраженного от зеленого растения света, который попадает на фотодиоды, где измеряется его количество. После вычисления на компьютере выдается индекс вегетации, который служит показателем плотности травостоя и его жизнеспособности. В начальный период развития зерновых культур сорный компонент агрофитоценоза за счет своего проективного покрытия оказывает определенное влияние на изменение индекса вегетации NDVI.

Проезжая по полю, датчики, прикрепленные к трактору, сканировали листовую поверхность и выдавали индекс NDVI, который фиксировался, и одновременно определялись координаты места учета индекса вегетации. По ходу движения агрегата были установлены стационарные рамки размером 50 х 50 см (40 штук на один проход), в них подсчитывались сорняки и определялся индекс NDVI. При определении показаний датчиками необходимо, чтобы они всегда были на одной высоте от поверхности поля.

Проективное покрытие поверхности поля зеленой массой в посеве ячменя различалось в зависимости от числа и массы сорняков: чем их больше и чем они массивнее, тем выше индекс NDVI (рис. 3). Это говорит о том, что данный показатель дает качественную оценку засоренности посевов культуры.

В наших исследованиях установлена слабая корреляционная зависимость между индексом NDVI и количеством сорняков в учетных рамках (табл. 1). Это связано с различиями в видовом составе сорняков в посевах ячменя, фазами их роста и развития. Так, на некоторых участках делянок осот полевой (Sonchus arvense L.) и желтушник левквойный (Erysimum cheiranthoides L.) к моменту учета имели большую высоту и массу по сравнению с другими сорняками. Следовательно, в этих местах при меньшем количестве сорняков показатель NDVI был большим (0,54-0,33).

Рис. 3 Посевы ячменя с различной плотностью зеленой массы

Таблица 1

Индекс NDVI и засоренность посевов ячменя, шт/м²

На других участках делянок взошедших сорняков много, но их проективное покрытие было незначительным, и индекс имел меньшие значения (0,15-0,32). Это еще раз доказывает, что индекс NDVI дает качественную оценку засоренности культуры.

Нами был проведен сравнительный анализ измеренных значений индекса NDVI в посевах озимой пшеницы в рамке с сорняками. После получения показателя индекса NDVI сорняки из рамки вручную удалялись и проводили повторные измерения. Данные показывают, что прибор четко реагирует на удаление сорняков, что проявляется в снижении показателя NDVI (табл. 2).

Таблица 2

Изменение индекса NDVI в зависимости от количества сорняков

Коэффициент корреляции между показателями NDVI c сорняками и без сорняков с их фактической численностью в посевах ячменя составил 0,84. Данная зависимость использовалась нами для оценки эффективности применения гербицидов при разных нормах расхода рабочей жидкости.

В таблице 3 показан расход рабочей жидкости гербицида на делянках, рассчитанный по индексу NDVI. При расчете мы брали минимальную и максимальную норму расхода жидкости, а также минимальный и максимальный показатель индекса NDVI, после чего определяли расход жидкости на единицу показателя NDVI, который составил 4,5 л/га.

Таблица 3

Индекс NDVI и норма расхода гербицида Фенизан в посевах ячменя с помощью автопилота и маркера

Жирный шрифт - опрыскивание по показателям датчика «GreenSeeker»

Обычный шрифт - опрыскивание по заданной норме

Координаты учетных рамок и нормы расхода рабочего раствора были введены в бортовой компьютер по делянкам, посеянным на автопилоте. Делянки, посеянные по маркеру, опрыскивались нормой 500 л/га. Высокий расход рабочего раствора объясняется тем, что норма расхода гербицида определяется количеством расхода рабочего раствора: чтобы иметь более широкий интервал расхода гербицида, применяли высокий расход жидкости. Данная проблема легко решается при помощи сменных распылителей.

Во время опрыскивания в фазу кущения зерновых компьютер определял местоположение агрегата на поле и изменял норму расхода жидкости, установленную нами по индексу NDVI.

Через 4 недели после обработки посевов ячменя гербицидом мы провели учет засоренности по рамкам и определили его техническую эффективность (табл. 4). Анализ данных показал, что различия в количестве сорняков на изучаемых в вариантах опыта делянках незначительны и при полной норме расхода жидкости (500 л/га) и дифференцированном внесении гербицида количество не погибших сорняков было примерно равным. Невысокая техническая эффективность гербицида (75 и 61 %, соответственно) связана с неблагоприятными погодными условиями в период после обработки посевов, избыточным количеством осадков и пониженной (+8-10⁰) температурой воздуха.

Таблица 4

Количество сорных растений (шт/м²) в посевах ячменя

При дифференцированном внесении гербицида расход рабочего раствора учитывался бортовым компьютером, что давало возможность четко определить его расход по делянкам опыта. При этом экономия рабочего раствора составила 94 л/га.

Представленная выше схема по внесению гербицида в режиме «off-line» базируется на учете сорных растений и разработке карты-задания и не является высокотехнологичной из-за большого объема работ. Поэтому для ее совершенствования во второй год исследования гербицид вносили в режиме «on-line», с предварительным определением индекса NDVI в посевах ячменя, и в зависимости от его значений были определены нормы расхода рабочей жидкости для опрыскивателя UF 901 (табл. 5).

Таблица 5

Нормы внесения гербицида «Кавбой» на посевах ячменя при разных значениях индекса NDVI

Во время проведения исследований мы изменяли нормы гербицида, в зависимости от показателей NDVI, в сторону увеличения либо уменьшения расхода жидкости с целью выяснения эффективности гербицида при максимальной и минимальной норме расхода жидкости на разных фонах густоты посевов ячменя. Учет после обработки делянок гербицидом показал, что количество не погибших сорняков как при стандартной норме расхода жидкости, так и при дифференцированном внесении гербицида было примерно одинаковым. В основном, эти несущественные различия определялись видами сорных растений, устойчивых к применяемому гербициду: дымянка аптечная (Fumaria officinalis L.), фиалка полевая (Viola arvensis M.) (табл. 6).

Таблица 6

Влияние норм расхода рабочей жидкости гербицида «Кавбой» на численность (шт/м²) и массу (г/м²) сорняков в посевах ячменя

Числитель - малолетние, знаменатель - многолетние.

Технология обработки посевов гербицидами с использованием GPS позволяет проследить движение агрегата по полю, уточнить индекс NDVI и норму расхода жидкости на конкретном участке поля. На делянках ячменя в период обработки посевов гербицидом программой на изучаемом варианте было учтено 2343 отдельные точки. Такой объем выборки позволяет проводить дальнейшею обработку данных с высокой точностью и достоверностью, используя программное обеспечение SMS Advanced. (Система Пространственного Управления).

Дальнейшее изучение возможностей программного обеспечения SMS Advanced позволит более эффективно использовать оптические датчики «GreenSeeker» в борьбе с сорной растительностью в различных агрофитоценозах.

Список использованных источников

1. Сайт ООО «Агрофизпродукт» [электронный ресурс] www.agrophys.com.

2. Сайт журнала «Агропрофи» [электронный ресурс] http://agro-profi.ru/archive/55.

3. Сайт ООО «Евротехника GPS» [электронный ресурс] www.egps.ru/production/10/18.

Размещено на Allbest.ru