Локально-ленточное дифференцированное внесение удобрений

KERNEL
Точное земледелие — это совокупность технологий, которые позволяют повысить урожайность и экономическую эффективность сельскохозяйственных работ. Наверное, правильнее было бы называть этот подход точечным, ведь идея состоит в том, чтобы обеспечить максимально благоприятные условия для выращивания на каждом участке поля.

Агрономы знают, что среда обитания достаточно вариабельна даже внутри одного поля. Могут различаться состав почв и рельеф, а значит, солидный резерв повышения продуктивности кроется в совершенствовании внутрипольного управления питанием растений. Одной из таких технологий является система дифференцированного внесения удобрений.

Как это работает? С какими сложностями встречаются производители, внедряющие системы дифференцированного внесения удобрений, мы расскажем и покажем в первой серии спецпроекта «ИнноАгро».

Дифференцированное внесение удобрений — что это?

При традиционных методах выращивания сельхозкультур на полях часто случаются «залысины» — ярко выраженные участки со слабыми или прореженными всходами. Это неминуемо сказывается на урожайности. Причем разница в урожайности между участками на одном поле может достигать 500-600%.
Неравномерные всходы: Фото с квадрокоптера
Неравномерные всходы: Фото с квадрокоптера
Часто проблема кроется в том, что распределение питательных веществ по полю происходит неравномерно. А единая норма внесения удобрений для всей территории только усугубляет ситуацию, приводя к перерасходу веществ на одних участках и дефициту питания на других. В этом случае намного эффективнее вносить удобрения в зависимости от потребности, исходя из данных анализа почвы различных участков поля. Этот подход называют дифференцированным внесением удобрений.
Дифференцированное внесение удобрений (ДВУ) — одна из технологий точного земледелия, которая обеспечивает изменение доз удобрений в зависимости от состава почвы, планируемой урожайности и потребностей каждой зоны поля.
Для внесения нужного количества удобрений на каждом участке делают отборы проб, в лаборатории анализируют полученные результаты, составляют карты полей, определяют задачи для машин, работающих в поле. При этом задействуется спутниковая навигация и специализированные программы для удаленного управления техникой.

Этот метод позволяет достичь максимальной урожайности, сократить объем вносимых удобрений, повысить экологичность земледелия.

Мы отправляемся изучать особенности технологии в один из кластеров инновационного агрохолдинга «Кернел»«Дружба-Нова». В 2016 г. площадь внесения удобрений локальным способом с возможностью использования переменной нормы в компании составила 150 тыс. га.

История: Когда внедрение своевременно?

С момента возникновения идеи дифференцированного внесения удобрений до ее первого внедрения в нашей стране прошло более 20 лет.

Первый опыт по дифференцированному внесению гербицида с применением GPS был получен в Германии в
1989 г
. Тогда технологию признали перспективной, однако качество GPS-позиционирования не позволяло реализовать потенциал этого метода в полной мере.

В 1995 г. после вывода всех спутников GPS на орбиту и создания коммерческой системы мониторинга земельных ресурсов LORIS™ открылись научно-исследовательские центры по точному земледелию в США и Австралии.

К началу нынешнего века GPS прибавила в функциональности. Появилась развитая беспроводная связь, компактные доступные видеокамеры и датчики, программно-аппаратные решения для оперативного управления и анализа массивов данных, в том числе и сельскохозяйственных. Только в комплексе эти средства способны обеспечить реализацию идеи дифференцированного внесения удобрений.

На рынке Украины одним из первопроходцев была «Дружба-Нова», где внедрение элементов точного земледелия началось в 2009-2010 гг. с запуска системы параллельного вождения. С 2010 по 2013 г. компания внедрила технологию автоматического отбора почв, создала агрохимическую лабораторию, произвела первичное агрохимическое обследование почв основной части полей «Дружбы-Нова».

Параллельно проводилась наработка и изучение способов определения неоднородностей почв полей и угодий (картирование урожайности, формирование почвенных карт) и расчета норм удобрений, а также оценивалась их эффективность,
— говорит руководитель службы моделирования и мониторинга технологий в растениеводстве «Кернел»
Константин Шитюк.
В 2012 г. технология переменного внесения фосфорно-калийных удобрений частично использовалась для локального внесения удобрений в рамках технологий Strip-Till, Mini-Till. Техника была оборудована системами управления и навигации Raven. Культиваторы-бункера Horsch и Ortman были модернизированы под функцию работы с заданиями согласно сменной нормы.

С 2013 по 2016 г. технологию агрохимического обследования реализовали на всей площади предприятий «Кернел». Обследовано 400 тыс. га, при средней продуктивности 150 тыс. га в год.

Для внедрения технологии создана сеть покрытия всех посевных площадей компании собственной сетью базовых РТК станций для получения точности в 2,5 см, установлены и запущены в работу около 300 систем управления и навигации техникой Trimble, John Deere, Raven, CNH. Дополнительно 38 прицепных бункеров переоборудованы для управления сменной нормой внесения удобрений. Бункера управляются и работают как с дополнительными системами управления нормой, так и через ISO BUS соединение (специально разработанным протоколом совмещения навесного и прицепного оборудования с бортовыми компьютерами).

Технология дифференцированного внесения удобрений: от пробы до внесения

Главное, что необходимо для точной работы, — это электронные карты полей. Для их создания используются:
  • данные спутников, обработанные с помощью специальных программ;
  • картирование, проведенное с помощью съемок с беспилотных летательных аппаратов;
  • карты урожайности, которые записываются бортовыми компьютерами комбайнов с функцией картографирования;
  • объезд полей с GPS-оборудованием.

На эти карты затем наносятся аналитические данные , которые получены в результате анализа почвенных проб и исследования биомассы с помощью оптических и сенсорных датчиков. На основе этих карт формируются технические задания и выполняются необходимые операции.

Этап первый:
Отбор проб
Места взятия проб определяютсяспециальным заданием на отбор, созданным по электронной карте. Локализация этих точек на местности устанавливается с помощью GPS-мониторов, установленных на квадроциклы или автомобили. В «Дружба Нова» используют 3 автомобиля и 2 квадроцикла с немецкими автоматическими пробоотборниками. Глубина прокола зависит от толщины пахотного поля, обычно около 30 сантиметров. На площади в 5-10 га делается в среднем 15-20 проколов.
Этап второй:
Анализ проб
Почву направляют в сушильный шкаф комнаты пробоподготовки с температурой на уровне не выше 39⁰С. Когда почва достигает воздушно-сухого состояния (влага не ощущается), ее очищают от мусора и перетирают на специальной мельнице. Далее пробу ссыпают в пакетик с номером поля и номером образца, упаковывают в ящик с другими образцами с поля и доставляют на лифте в лабораторию.
Почву направляют в сушильный шкаф для достижения воздушно-сухого состояния
Высушенная, перемолотая и очищенная почва отправляется для анализа в лабораторию
Каждый образец взвешивают и пересыпают в колбу, получая «навески», для последующего определения содержания в почве подвижных химических элементов, которыми питаются растения. «Навески» заливают экстрагентом, чтобы получить экстракт каждого элемента отдельно. Экстракт, оставшийся после фильтрации почвы, также исследуют с помощью специальных методов.

Например, обеспеченность калием определяют с помощью метода пламенной фотометрии. Он основан на изучении насыщенности спектра излучения, энергии, выделяемой веществами.

Теплота — энергия движения микрочастиц вещества. При нагреве происходит приток энергии и активизация (возбуждение) атома вещества. Электроны двигаются активнее и отдаляются от ядра атома на внешние орбиты. При охлаждении электроны возвращаются на прежние орбиты. Возвращаясь, они отдают полученную в результате нагрева энергию, и ее можно зафиксировать приборами. Каждый элемент (калий, азот или другие вещества) излучает энергию на определенной, присущей только этому элементу длине волн. При этом интенсивность спектра излучения зависит от концентрации вещества в пробе.
Имея градуировочную кривую/спектрограмму(строится по результатам измерения эталонных растворов) содержания, к примеру, калия для пробы с данного участка, можно сравнить её с полученной спектрограммой образца, определить отклонения и, соответственно, вычислить количество вещества в пробе. Зная количество элемента питания в почве поля, можно определить уровень обеспеченности почвы для выращивания сельскохозяйственных культур, то есть определить достаточно ли этого количества или нужно увеличить содержание.А затем определить точный объем внесения с учетом потребления минеральных веществ той культурой, которая будет выращиваться на этом участке.
В лаборатории выявляют обеспеченность грунта серой, фосфором, азотом, измеряют кислотность почвы, ее гранулометрический состав, содержание органического вещества. Полученная информация по каждому химическому элементу каждой отобранной пробы с каждого участка поля заносится в компьютерную базу данных. Затем эта информация передается в отдел геоинформационных систем.
Этап третий:
Построение карт
Полученные данные загружаются в программы построения карт поля. Создаются отдельные карты для калия, фосфора, азота, кислотности. Более того, геоинформационные системы позволяют еще и наложить их друг на друга для понимания картины в целом и использования этой информации в работе техники.
Зонирование полей в зависимости от содержания различных питательных элементов
Зонирование полей в зависимости от содержания различных питательных элементов
В «Кернеле» используют целый спектр программных продуктов обработки картографических данных и работы с ГИС-данными. У них разные задачи и функционал. Например «брендированные» продукты типа Farm Works, APEX используются только для подготовки карт-предписаний для техники, оборудованной системами соответствующих брендов, — Trimble,AFS (CNH) и Jonh Deere; а Manifold — как универсальный продукт построения карт-предписаний, обработки полученных данных с разных систем. ArcGIS используется как основной продукт работы с картографическим материалом, визуализации заданий и схем работы, визуализации данных агрохимического обследования, изучения характеристик полей (рельеф, склоны и т.д.).
Все это продукты, работающие на локальных местах. С облачными продуктами работаем для оперативной обработки информации, полученной с техники, он-лайн оценки ее работы и передачи заданий на технику. В основном это «брендированные» продукты и решения производителей систем управления и навигации — My JonhDeere (JD), ConnectedFarm (Trimble), SlingShot (Raven), AFS Connect (CNH), Telematics (Claas),
— делится опытом Константин Шитюк
На практике для поля в 100 га, разбитого на участки по 10 га, на каждом из которых отобрано 20 единичных образцов смешанных в 1 средний образец.
Отбор проб почвы на поле
Отбор проб почвы на поле
При наложении на карту появляются размытые зоны, обозначающие неоднородные участки по насыщенности почвы. Для каждой из таких зон предназначена своя норма внесения удобрений. Затем происходит формирование заданий для техники отдельно по каждому элементу.
Этап четвертый:
Внесение удобрений
Карта-задание загружается в бортовой компьютер. Когда агрегат перемещается по полю, бортовой компьютер, соединенный с высокоточным GPS-навигатором, определяет свое местонахождение и соотносит его с данными карты-задания. Он подключен к системам распределения удобрения, посредством которых меняется положение дозирующих заслонок при прохождении участков поля с переменными нормами внесения удобрений.
Константин Шитюк рассказывает, как диспетчерский пункт контролирует внесение удобрений
Техника «Кернел» оборудована системами навигации, дисплеями и модемами ведущих мировых производителей: Trimble, Raven и John Deere. На интернет-порталы этих компаний из отдела ГИС загружаются карты-задания, а оттуда они поступают на бортовые компьютеры техники. Также передается информация, полученная с беспилотных летающих аппаратов, о рельефе местности и уклонах, что позволяет оптимизировать движение по полям и учесть препятствия.

Диспетчерский пункт контролирует процесс внесения удобрений и оперативно реагирует на отклонение полученных показателей от плановых. Отслеживаются расход топлива, простой, отклонения от маршрутов, нормы расхода удобрений. Информация по каждой единице техники собирается с помощью датчиков и трекеров и загружается на портал Сonnectedfarm в виде файлов о фактически проделанной работе. Если есть необходимость вмешаться, дежурный диспетчер сразу же связывается с машинистом и корректирует его действия.
Информация по каждой единице техники собирается с помощью датчиков и трекеров и загружается на портал Сonnectedfarm

Оборудование

Мы используем 547-сильный трактор John Deere на гусеницах для лучшего сцепления и меньшего давления на почву. Гусеницы позволяют раньше зайти в поле и позже выйти, так как колеса могут загрузнуть из-за влажности. Трактор заправляется топливом раз в день, отдыхает только один час во время утренней пересменки и час — во время вечерней, а так, можно сказать, работает круглосуточно, когда есть такая потребность,
—— уточняет ведущий инженер по точному земледелию кластера «Дружба-Нова» Валерий Даценко.
Сельхозтехника в сезон работает в поле по 22 часа в сутки
Агрегат осуществляет рыхление почвы на глубину 30 см, а вносит удобрения — на 13-15 см. Работать может как с одним, так и одновременно с двумя видами удобрений — сейчас это, например, аммофос и калий хлористый.
Агрегат осуществляет рыхление почвы на глубину 30 см, а вносит удобрения — на 13-15 см
2 бункера объемом 3 т при интенсивности внесения 60-90 кг/га позволяют обработать 50 га без дозаправки удобрениями. Из бункера с помощью пневмоподачи по рукавам длиной около 15 метров, через распределитель, равномерно на сошники подается удобрение. Расстояние между лапами — 70 см. В компании выполнено переоборудование дополнительных 38 прицепных бункеров для управления переменной нормой внесения по карте-предписанию агрегатируемых с основной почвообрабатывающей техникой. Бункера управляются и работают как c дополнительными системами управления нормой, так и через ISO BUS соединение.
Валерий Даценко демонстрирует агрегат, позволяющий обработать 50 га без дозаправки удобрениями
В компании рассказывают, что далеко не все работающие в Украине сервисные компании способны выполнять внедрение систем дифференцированного внесения удобрений «под ключ».
Даже компании, которые продают сервис, не знают, как сделать установку оборудования, как его настроить и запустить в работу. Поставщики оборудования могут продать оборудование либо, в лучшем случае, смонтировать его, обучаясь на твоей технике, и то не всегда удачно. Изменяются версии программных продуктов, контроллера, системы управления на технике, с которой работает агрегат внесения, и возникают проблемы. Но когда у тебя есть соответствующая команда специалистов и желание сотрудников внедрять новые технологии, многое делается самостоятельно,
— делится опытом Константин Шитюк.

Локально-ленточная математика

За годы использования технологии дифференцированного внесения удобрений «Кернел» наработал внушительный опыт и собрал огромную базу данных. Если в 2015 г. технология внесения удобрений по переменной норме была реализована в рамках 3 кластеров на площади 55 тыс. га, то в 2016 г. компания использовала единую технологию внесения удобрений на всех кластерах (70% площадей) — локально-ленточную с работой по карте-предписанию в единую или переменную норму.

Как показала практика, локально-ленточное внесение удобрений в сравнении с внесением их в разброс повышает эффективность потребления элементов питания из удобрений на 10-30%. Это дает такое же уменьшение в физическом весе. Сегодня «Кернел» использует самый консервативный вариант уменьшения нормы — на 10%. Затраты на минеральное питание в денежном выражении сокращаются на сумму от 150 до 260 грн в расчете
на 1 га
.

В 2015 г. компания «Кернел» использовала технологию дифференцированного внесения удобрений на предприятиях в Черниговской и Черкасской областях. В среднем получено уменьшение физической нормы фосфорно-калийных удобрений на 13% (в сравнении с внесением по единой норме). В денежном эквиваленте такое уменьшение составляет от 190 до 340 грн/га.
Работая в одну норму, мы вносим фосфорно-калийные удобрения с запасом, но это неэффективно. Внесение высоких норм удобрений на высоких фонах — не депозит на следующий год, а просто потеря денег,
— отмечает Константин Шитюк.
Для локального внесения переменных норм необходимы инвестиции в переоборудование техники. Переоснащение одного агрегата может стоить 280-400 тыс. грн. При этом предполагается, что в наличии уже имеется техника с навигационной системой и бункер. Таким образом, перевод одного агрегата на переменные нормы окупается при обработке 2 тыс. га за один сезон.

Кроме экономии на удобрениях, достигается сокращение расходов и по другим статьям, например, ГСМ. Для прицельной работы с рассчитанными объемами удобрений и посевного материала техника оборудуется системами параллельного и автоматического вождения, что снижает площади перекрытий при проведении полевых работ, в том числе и внесении удобрений.
Использование систем автоматического вождения — основной базовый элемент работы с любыми технологиями использования переменных норм. Логика проста: нет точного спутникового сигнала и автоматического вождения — нет всех других технологий точного земледелия. Поэтому они являются определяющими для достижения эффекта от технологии точного земледелия:

  • экономия ресурсов за счет отключения секций;

  • использование переменных норм внесения продуктов (удобрения, семена, баковые смеси);

  • отсутствие перекрытий во время проходов и необработанных площадей.
— отмечает руководитель службы моделирования и мониторинга технологий в «Кернел» Константин Шитюк.
Также наблюдается рост по объему получаемой с поля продукции. По данным «Кернел», речь идет о приросте урожайности порядка 0,3-0,6 т по подсолнечнику и 0,5-0,7 т по кукурузе. Но в финансовом выражении мы будем иметь дело с переменной величиной, связанной с ежегодными колебаниями цен. Сегодня это эквивалентно получению дополнительных 2-4 тыс. грн/га.

Трудности внедрения

Внедрение новых технологических решений всегда сопровождается техническими или организационными сложностями. В случае с дифференцированным внесением удобрений проблемы чаще всего возникают в связи с достижением необходимой пространственной точности и правильностью дозирования.

Например, бывают ситуации с попаданием рядов посева в ленту внесения удобрений, а также прохождением агрегатом в одну и ту же линию из года в год.

Особое внимание следует уделить отладке механизмов калибровки раздаточного дозирующего механизма бункера, точности дозирования и равномерности распределения удобрения от бункера до сошника внесения.

Инноваторы могут столкнуться с «системными конфликтами» между телекоммуникационными устройствами различных производителей, которые используются при подготовке карт-предписаний для техники.

Не всегда высоким является качество беспроводной связи, которая необходима для загрузки заданий на технику удаленно и получения отчетов.

Почувствовать себя инноватором можно,
взглянув на технологию глазами сотрудника «Кернел»

Будущее технологии: процесс имеет значение

Дифференцированное внесение удобрений осуществляется по единому принципу. Однако формирование исходных данных и их использование в организации процесса дифференцированного внесения удобрений может осуществляться различными способами.

Сейчас конкурируют два основных процессных подхода. Условно их называют оффлайн и онлайн-подход. В первом случае нормы внесения по каждому участку поля определяются заранее, и техника работает по уже введенной программе со всеми расчетами по каждому участку поля. Так работают в «Кернеле».

Онлайн-способ позволяет производить расчет и коррекцию необходимого объема удобрений прямо во время проведения этой операции, в поле. Этот способ напоминает пошаговую стратегию, предполагает использование датчиков-спектрометров, которые могут находиться на движущемся тракторе или на беспилотнике. Сенсор излучает свет на двух длинах волн и измеряет отражение от поверхности растений. Возникающая разница в красном и инфракрасном спектрах тесно коррелирует с плотностью растительности и ее насыщенностью питательными веществами. На основе полученных данных вычисляются стандартизированные индексы различий растительного покрова — таких насчитывается более двух десятков. Среди них и наиболее известный вегетационный индекс NDVI. Они принимаются в расчет специальной программой, определяющей по заданном алгоритму оптимальную норму для каждого участка поля.

И так, шаг за шагом, в режиме онлайн с одновременным внесением удобрений. Будущее за развитием именно этой схемы, считает Константин Шитюк.

Основные направления развития этой технологии связаны с переходом от оффлайн к онлайн-управлению внесением удобрений. Это предполагает появление новых сенсоров определения уровня обеспеченности почв тем или иным элементом питания на основе метода неразрушающего контроля, использование внесения большего количества продуктов одновременно,
— считает специалист.
Онлайн-управление дифференцированным внесением удобрений — следующий этап развития этой технологии. И тем агропроизводителям, которые только планируют внедрять новейшие методики, стоит не только изучать опыт зарубежных и украинских первопроходцев в ДВУ, но и присмотреться к решениям, которые станут мейнстримом в ближайшем будущем. Ведь сегодня успешное развитие бизнеса напрямую зависит от скорости внедрения инноваций.
Виталий Сальник, Latifundist.com
Выполнено с помощью Disqus