Результаты полевого опыта ЦТЗ как пример использования автоматизации и цифровизации в точном земледелии

Ведение. Одно из наиболее перспективных направлений развития современного земледелия является точное земледелие, получившее широкое распространение в мире, в последние два десятилетия активно апробируемое в России. В основе научной концепции точного земледелия лежит представление о наличии неоднородностей в пределах одного поля. Для ее оценки используются системы глобального позиционирования (GPS, ГЛОНАСС), специальные датчики, аэрофотоснимки и снимки со спутников и беспилотников, специальные элеменьы цифровизации и автоматизации, программы для агроменеджмента на базе геоинформационных систем (ГИС). Применение точного земледелия позволяет резко повысить урожайность с.-х. культур, улучшить качество продукции, сократить материальные и денежные затраты [7].

Методика исследований. Полевые исследования проводились в опыте Центра точного земледелия (ЦТЗ) РГАУ – МСХА имени К.А. Тимирязева по изучению составных элементов точного земледелия. В данной статье приводятся данные только по одной культуре – озимой пшеницы, входящей в состав экспериментального севооборота: викоовсяная смесь – озимая пшеница – картофель - ячмень. Схемой опыта предусмотрены два фактора – технология возделывания (традиционная, точная) и прием обработки почвы под озимую пшеницу (отвальная, нулевая) [1, 2].

В течение нескольких вегетационных сезонов сотрудники Центра точного земледелия обследовали поля озимой пшеницы с помощью приборов Green Seeker RT 200 и N-tester и N-sensor ALS (рисунки 1, 2).

Рисунок 2 - Работа системы N Sensor

ALS с машиной для внесения

Рисунок 1 - Система RT-200 Green

Seeker в работе удобрений

Информация, получаемая при использовании указанных приборов, представлялась в виде электронных карт, обрабатываемых при помощи компьютерной программы SMS Advanced и представляемой в виде ГИС.

Цель наших исследований – обоснование дифференцированного внесения азотных подкормок при возделывании озимой пшеницы. Неоднородность почвенных свойств оказывает существенное влияние на развитие посевов. Это может проявляться в недружном появлении всходов, неравномерной перезимовке и формировании неоднородного посева. Именно в этом случае наиболее эффективно применять такой элемент точного земледелия, как дифференцированное внесение подкормок.

Результаты и обсуждение . В полевом опыте Центра точного земледелия проведение корневых подкормок аммиачной селитрой проводилось дважды за вегетационный сезон: после схода снега (при возобновлении вегетации ранней весной) и в фазу колошения. Первая подкормка обеспечивала нормальное развитие посевов, т.е. формирование продуктивной биомассы, вторая подкормка предназначена для налива зерна высокого качества (с содержанием белка на уровне 13-14%). Обе подкормки проводились с учетом развития биомассы посевов. Для решения вопроса был предложен алгоритм дифференцированного внесения азотных удобрений для формирования урожая высокого качества. Алгоритм разработан на основе карт биомассы, построенных с помощью оптических датчиков с применением навигационных систем. На поле опыта ЦТЗ в течение вегетационного сезона проводились исследования биомассы озимой пшеницы во время вегетации. Во второй половине апреля в момент отрастания растений после зимы отмечалась большая неоднородность посевов, связанная с неравномерностью после перезимовки, применением разных технологий и неоднородностью почвенных свойств. По краям поля обнаруживался краевой эффект, красными цветом показаны места, где посевы были изреженными и слабыми. Первая подкормка озимой пшеницы в режиме on-line с одновременным снятием показаний биомассы культуры проводилась в конце апреля [3]. Алгоритм внесения азотных удобрений в фазу выхода в трубку (ЕС 30–36) приведен на рисунок 3.

Рисунок 3 - Алгоритм внесения азотных удобрений на озимой пшенице в фазу выхода в трубку (ЕС 30–36)

Согласно данному алгоритму при достижении биомассы посева ниже средней, доза вносимых удобрений увеличивалась и это должно привести к выравниванию всей биомассы посевов. В то же время, если биомасса посева в какой-либо части поля снижалась до определенного критически низкого значения, то удобрение здесь давалось в минимальной дозировке или не вносилось совсем, что позволяло использовать алгоритм по трем предлагаемым сценариям: 1 — внесение повышенных доз для выравнивания отстающих в развитии посевов, 2 — внесение средних доз для нормально развитых посевов и 3 — внесение минимальных доз для выбракованных частей поля, где состояние посевов неудовлетворительное [4]. Стандартная доза удобрений на варианте традиционного земледелия по всей площади поля независимо от состояния посевов в 2016 г. составляла 70 кг/га д.в. азота на варианте точного земледелия дозы азота в подкормке изменялись в зависимости от состояния биомассы. К примеру, доза 65–70 кг/га была внесена на 12,7 % площади поля, доза 70–80 кг/га - на 66 %, свыше 80 кг/га - на 21 %.

Помимо картограммы распределения почвенных свойств в точном земледелии необходимо использовать картограммы биомассы посевов в различные фазы вегетации в режиме реального времени. Такие исследования проводились с различными целями. Во-первых, по состоянию посевов в начале вегетации можно дать прогноз урожайности. Во-вторых, оперативное обследование посевов в определенные фазы развития служило обоснованием для внесения определенных доз удобрений в виде подкормок. В-третьих, обследование посевов в конце вегетации и дробный учет урожайности позволяет сделать вывод о неоднородности почвенных свойств. Можно отметить, что после внесения азотных удобрений биомасса озимой пшеницы стала более равномерной по полю. Однако «провал» биомассы четко прослеживается как в северо-восточном углу поля, где внесено 70 кг/га азота по традиционной технологии, так и на участке с исторически низкой урожайностью в юговосточном углу поля, где заведомо была снижена доза азота (по технологии точного земледелия) (рисунок 4) [5].

После уборки была построена карта урожайности озимой пшеницы (рисунок 5).

Рисунок 4 - Карта распределения NDVI Рисунок 5 - Карта урожайности посевов озимой пшеницы, 2016 г.                            озимой пшеницы, 2016 г.

Наиболее контрастна разница в урожайности озимой пшеницы в 2016 г. при сравнении неудобренных и удобренных делянок по нулевой обработке на точной и по вспашке на традиционной технологии. Она составила соответственно 1,64 и 1,38 т/га. По отвальной обработке на точной технологии различия составляли 1,32 т/га, по нулевой при традиционной – 1,57 т/га. Существенной разницы между урожайностью озимой пшеницы при возделывании по точной и традиционной системе в 2016 г. не выявлено. При сравнении двух вариантов обработки почвы (отвальная и нулевая) отмечено, что урожайность озимой пшеницы выше на прямом посеве на 0,5 т/га. Наибольшая разница в урожайности по вариантам опыта связана с применением азотных подкормок. На фоне применения двух азотных подкормок в дозах 2×70 кг/га в традиционном земледелии или 2×60-80 (дифференцированно) кг/га в точном земледелии урожайность повышается по сравнению с контролем на 1,3-1,6 т/га [6]. Критерием оценки технологии является не только урожайность, но экономическая эффективность (таблица 1).

Таблица 1 - Рентабельность применения азотных подкормок и их окупаемость при возделывании озимой пшеницы в опыте ЦТЗ в среднем за 2016 г.

Технология (фактор А)	Обработка почвы (фактор В)	Подкормка азотом, кг (фактор С)	Урожай ность, т/га	Прибавка урожайности, т/га	Окупаемость азота подкормок зерном, кг/кг	Рентабельность применения подкормок, %
Точная	отвальная	2х70-диффе-ренцировано	6,31	1,32	18,86	138
		контроль	4,99	-	-	-
	нулевая	2х70-диффе-ренцировано	6,89	1,64	23,43	184
		контроль	5,25	-	-	-
Традиционн ая	отвальная	2х70-диффе-ренцировано	6,25	1,38	19,71	147
		контроль	4.87	-	-	-
	нулевая	2х70-диффе-ренцировано	6,71	1,57	22,43	174
		контроль	5,14	-	-	-

При вспашке урожайность пшеницы была ниже, чем при нулевой обработке, окупаемость применения азота зерном и рентабельность применения подкормок была также выше при нулевой обработке.

В таблице 2 представлены урожайные данные за период 2009-16 гг., когда в опыте ЦТЗ строго учитывались все принципы вариантов технологий и обработок почвы.

Таблица 2 - Урожайность озимой пшеницы за две ротации севооборота в зависимости от технологии и приема обработки почвы, т/га (2009-2016 гг.)

Технология возделывания (фактор А)	Обработка почвы (фактор В)	2009	2010	2011	2012	2013	2014	2015	2016	среднее
Традиционная	отвальная	4,23	4,50	3.65	6,31	5,80	2.75	6,74	5,00	4,87
	нулевая	5,09	3.85	3.53	6,15	5,62	4.59	6,73	5,52	5,14
Точная	отвальная	4,28	4,63	3,70	6,52	6,12	2,78	6,75	5,11	4,99
	нулевая	5,18	4.11	3.55	6,35	5,87	4,56	6,75	5,60	5,25
НСР, т/га	Фактор А	0,11	0,19	0,06	0,20	0,23	0,05	0,03	0,10	-
	Фактор В	0,42	0,34	0,07	0,14	0,17	0,46	0,07	0,33	-

Заключение. Сравнение технологий возделывания озимой пшеницы обусловило тенденцию преимущества точной технологии в сравнении с традиционной. Точное земледелие преобладало над традиционным в среднем за период исследований по отвальной обработке на 0,12 т/га, по нулевой обработке на 0,11 т/га. Прямой посев давал более высокую урожайность, составляя в среднем прибавку относительно вспашки на традиционном земледелии – 0,27 т/га, на точном – 0,26 т/га. В целом полевой опыт решил ряд важных задач по внедрению и освоению точного земледелия в условиях полевого опыта Центра точного земледелия РГАУ – МСХА имени К.А. Тимирязева. В 2022 г. работа Центра была прекращена по ряду объективных и субъективных обстоятельств.