Технико-экономические аспекты дифференцированного внесения удобрений в системе точного земледелия

Дифференцированное внесение минеральных и органических удобрений, химических мелиорантов и пестицидов в настоящее время является ключевым элементом в системе точного земледелия. Точное земледелие — это управление продуктивностью сельскохозяйственных культур с учетом внутрипольной вариабельности среды обитания растений и обеспечение оптимальных условий для каждого квадратного метра поля [2, 7].

Цель дифференцированного внесения — выровнять плодородие почв, создать максимально одинаковые условия для произрастания тех или иных сельскохозяйственных культур, что даст большой и разнообразный эффект, прежде всего — получение максимальной прибыли, и осуществить воспроизводство почвенного плодородия. «Нулевая» пестрота почв создала бы условия, при которых свела к минимальному возможные риски выращивания сельскохозяйственных культур, обеспечила бы получение выровненного стеблестоя, а следовательно, повышение урожайности, снижение потерь при уборке и послеуборочной доработке продукции. Кроме того, это способствовало бы существенному увеличению производительности комбайнов, так как появилась бы возможность осуществить более высокий срез стеблей зерновых культур, что уменьшило бы объем массы, поступающей в молотилку, снизило расход топлива. При этом сократились бы сроки уборки зерновых культур, что очень важно для Беларуси.

Анализ источников

точный земледелие удобрение дифференцированный Цель наших исследований — установить, реально ли на данном этапе развития техники и существующих технологий создать в нашей республике такие почвенные условия и тот ли это путь, который позволит решить проблемы повышения эффективности применения основных ресурсов сельского хозяйства, возможно ли решить эту проблему с помощью дифференцированного способа внесения всех средств химизации растениеводства в системе точного земледелия при существующих проблемах в сельскохозяйственном производстве. Так, в 2011 г. было запланировано применить 14 тыс. тонн химических средств защиты растений, внести около 9 млн. тонн твердых минеральных удобрений и более 40 млн. тонн твердых органических удобрений, произвестковать 425 тыс. гектаров пашни, на которые необходимо было внести почти 2 млн. тонн доломитовой муки [1]. Это огромный, быстро окупаемый и эффективный ресурс, но он использован недостаточно эффективно [3, 4, 10].

При использовании химических средств защиты растений на 1 доллар, вложенный в эту сферу, должны получить не менее 10 долл. чистого дохода. Фактически эта цифра в среднем по республике находится на уровне 5 долл.

Окупаемость 1 кг минеральных удобрений (NPK) зерном в последние годы колеблется в среднем от 4,5 до 5,5 кг, а потенциальные их возможности — 8−10 кг.

В ежегодно получаемых органических удобрениях от КРС, свиней и птицы только основных питательных веществ содержится на сумму 150 млн. долларов (в ценах на 01.06.2010 г.). Однако ситуацию в сфере применения этого ресурса в целом по стране признать удовлетворительной нельзя, так как ежегодно накапливаемый полужидкий навоз в объеме около 10 млн. тонн практически в почву не вносится. Существует также множество проблем и в сфере применения известковых материалов [2, 4, 8].

Методы исследования

В настоящее время в 70 районах республики отмечен процесс подкисления почв, 47 — произошло снижение запасов в почвах фосфора, 45 районах — калия, 69 районах — гумуса. Для проведения дифференцированного внесения удобрений необходимо прежде всего составить подробную агрохимическую карту поля. Сегодня при агрохимическом обследовании почв, согласно «Методическим указаниям» [5, 6], делают всего 30−35 уколов, т. е. отбирают 30−35 проб общим весом 0,6 кг на каждом элементарном участке (средний размер участка по республике — 10 га, а при однородности почвенного покрова угодий и больших полях севооборотов — до 20 га). Однако такие мизерные анализы дают только среднее значение «элементарного» участка, что не может считаться полноценной агрохимической картой поля, так как не отражает всей фактической пестроты плодородия «элементарного» участка. Следовательно, такой объем данных не имеет никакого отношения к дифференцированному внесению удобрений.

Основная часть

Мы провели многочисленные исследования различных по размерам, контурности и уклонам полей в самых разных хозяйствах Горецкого района Могилевской области. Результаты показывают, что содержание основных элементов питания, кислотность почв, наличие гумуса практически по всем створам взятия проб резко отличаются друг от друга через каждые 3−5 метров. В качестве примера на рис. 1, 2 и 3 показана вариабельность содержания калия, фосфора и гумуса в почве по створу большого поля в ЗАО «Горы» Горецкого района Могилевской области.

Рис. 1 Распределение фосфора по створу большого поля

Рис. 2 Распределение калия в почве по створу большого поля

Рис. 3 Распределение гумуса по створу большого поля

Анализ фактических данных подтверждает исключительно высокую вариабельность показателей, достигающих на одном и том же поле от 60−90 до 250−300% и более, по отдельным результатам исследований — до 7 раз. При этом нами установлено, что распределение элементов питания в пахотном слое почвы следует рассматривать как многомерную случайную величину; между отдельными составляющими элементами существует тесная корреляционная связь — это фосфор — калий; существенное влияние на распределение элементов питания в почве оказывает такой фактор, как уклон; для каждого элемента в отдельности имеется индивидуальный характер его распределения по площади поля.

Результаты исследований свидетельствуют, что при составлении достоверной агрохимической карты, а точнее — картограммы плодородия почв полей, для дифференцированного внесения удобрений с целью выравнивания плодородия почвы на конкретном поле требуется обоснование количества взятых на нем проб. Очевидно, что, чем меньше размер элементарного участка, тем точнее картограмма отражает действительную вариабельность плодородия почвы данного поля.

В пределе площади элементарного участка должны приближаться к площади питания одного растения. Однако выполнить такую картограмму не представляется возможным ни по практическим, ни по экономическим соображениям. Так, стоимость одного анализа на 1 июня 2011 г. следующая: фосфора — 17 тыс. рублей, калия — 17 тыс. рублей, гумуса — 20 тыс. рублей, кислотности — 11 тыс. рублей. Как видим, это очень трудоемкое и затратное дело. Разумеется, что в связи с ростом цен на энергоносители стоимость выполнения этих анализов в настоящее время выше. Таким образом, вопрос о выборе оптимального размера элементарного участка не решен. Известно только, что для каждого конкретного участка этот размер будет индивидуален и может колебаться от 1 м² до 10 тыс. м² в зависимости от типа почвы, особенностей агроландшафта, истории поля, уровня вариабельности плодородия почвы, от общей площади поля и других факторов.

В разных странах начали разрабатывать способы и средства для упрощения и снижения стоимости агрохимического анализа почвы, в том числе фиксируя урожайность выращенной культуры на отдельных участках поля в процессе уборки. Для этого, например, зерноуборочный комбайн оборудуют электронным прибором, который определяет урожайность, покоординатно записывает ее в бортовой компьютер и распечатывает картограмму. Но картограмма урожайности может служить лишь средством обоснования необходимости дифференцированного применения удобрения или определения аномальных зон и взятия проб почвы для агрохимического анализа непосредственно в этих зонах. Одно из кардинальных решений этой проблемы предложила английская фирма КRМ — оценивать содержание азота, фосфора и калия в почве путем фотографирования полей в инфракрасных лучах на специальную пленку с помощью самолета или спутника Земли.

Еще более упрощает агрохимический анализ почвы, по утверждению разработчиков, созданный английской фирмой Challeng Аgricultura оптический прибор. Содержание в почве азота, фосфора, калия и других элементов определяют путем сравнительного измерения в двух точках отраженного цвета выбранной полосы спектра.

Фирма Class разработала радиосистему, в которую входят компьютеризированная базовая радиостанция с приемником, размещенные в офисе (помещении хозяйства), и приемопередающие устройства — на полевых агрегатах. С помощью этой системы можно находить координаты 200 агрегатов, работающих в радиусе 9 миль, с точностью ± 10 м.

В радиосистеме аналогичного назначения компании Massey Fergusоn используют установленные на агрегатах специальные радиоприемники и глобальную спутниковую сеть GPS. Система с приемлемой точностью определяет географические координаты агрегата, но она сложная и очень дорогостоящая [2].

Зарубежные компании предлагают в системе точного земледелия не только дифференцированно вносить удобрения, но и дифференцированно осуществлять уход за растениями в период их вегетации. В частности, предлагается проводить подкормку азотными удобрениями и химобработку посевов с учетом состояния стеблестоя на каждом участке поля. При этом используется комплекс измерительных устройств для определения оптических характеристик растений и уровня азотного питания. Данный комплекс включает в себя N-cencop, монтируемый на кабине трактора в агрегате с навесным разбрасывателем, датчики которого на ходу измеряют плотность цвета биомассы, а через нее — концентрацию хлорофилла в листьях. В кабине трактора устанавливаются два компьютера, адаптированные друг к другу. Один из них контролирует работу сенсора, а другой — разбрасывателя. При прохождении трактора по полю отражение света от листовой поверхности улавливается датчиками N-сенсора и анализируется непрерывно компьютером. Информация от датчиков передается на компьютер, который управляет дозирующей системой разбрасывателя азотных удобрений во время его работы.

N-сенсор должен перед работой многократно тарироваться на каждом конкретном поле. При этом вносятся поправки с учетом погодных условий (солнечная, пасмурная и т. п.). Густой зеленый цвет растений свидетельствует о хорошем их развитии. Более светлый, светло-зеленый или желтоватый («нездоровый») цвет является, как казалось бы, свидетельством дефицита азота, и машина вносит на этом участке соответствующую дозу. Здесь следует сделать небольшое отступление.

При применении удобрений, по какой бы технологии они ни вносились, их эффективность предопределяется:

• — законом минимума (лимитирующего фактора), в соответствии с которым величину получаемого урожая определяет тот элемент питания растений, который содержится в почве в наименьшем количестве по отношению к потребностям возделываемой культуры;
• — законом убывающего плодородия, в соответствии с которым при внесении возрастающих доз удобрений получаемые прибавки урожая все меньше по мере увеличения доз.

Все элементы питания растений: азот, фосфор, калий, гумус, микроэлементы и кислотность почвы — обуславливают эффективность друг друга, а оптимизировать это взаимное влияние, используя даже самое высокоточное оборудование, не представляется возможным.

В действительности в соответствии с законом минимума причинами «нездорового» цвета растений в том или ином месте поля, помимо недостатка азотного питания, могут быть: недостаток калия или фосфора, низкое содержание гумуса или повышенная кислотность почвы (что снижает эффективность минеральных удобрений), отсутствие влаги или переуплотненная почва, очаговое повреждение растений вредителями или болезнью и т. д. Но машина все равно будет вносить на такие участки азотные удобрения.

Поэтому однозначного мнения относительно перспективности данного способа ухода за растениями быть не может.

Представляется правомерным, рациональным применять проверенный многолетней практикой существующий способ подкормки вегетирующих сельхозкультур на основе листовой диагностики. Тем более что диапазон подкормочных доз невелик (20−40 кг д.в./га). Этот способ эффективен, известен и доступен в реализации практически всем агрономическим службам хозяйств.

Первым шагом на пути к разработке и освоению новых технологий, предусматривающих дифференцированное внесение минеральных и органических удобрений, известковых материалов и пестицидов с учетом ранее накопленных в почве питательных веществ, является разработка и освоение производства почвенных пробоотборников, затем — создание базовых машин с регулируемыми приводами, приспособленными к их автоматическому управлению. Оснащение этих машин автоматизированными системами управления на базе микропроцессорных электронных систем будет третьим шагом.

Экспериментальное изучение вариабельности характеристик поля всегда необходимо, но оно само по себе не является достаточным условием решения задач. Трудности здесь возникают в связи с тем, что технологические решения должны приниматься на предстоящий сезон вегетации и должны быть основаны на оценке конечного результата — урожая. А он, в свою очередь, зависит не только (и не столько) от принятой технологии, сколько от неизвестных будущих погодных условий.

Учеными подсчитано, что на рост основных сельскохозяйственных культур за весь период их вегетации природа затрачивает в среднем 90% энергии и только 10% - человек. И не только потому, что все осуществить чрезвычайно сложно. Требуется необычайно высококвалифицированный обслуживающий персонал, подготовленный не менее чем специалисты, работающие в сфере освоения космоса, где многие параметры стационарны, неизменны в отличие от возделывания вегетирующих сельскохозяйственных культур. В растениеводстве, начиная от посева (посадки) той или иной культуры и заканчивая уборкой и хранением полученной продукции, мы имеем дело с ежеминутно изменяющейся во времени и пространстве сложнейшей многофакторной нестационарной динамической системой, отдельные слагаемые которой чаще всего непредсказуемы и неподвластны человеку.

Какую дозу нужно внести, чтобы выровнять содержание в почве фосфора, калия или известкового материала? В идеале мы должны внести такую дозу, чтобы исключить наличие «пиков». Очевидно, что на это потребуется большой ресурс того или иного питательного вещества (удобрений). Но это будет экономически неоправданно. Необходимо практическое и научное обоснование цели, которой мы хотим достичь. Здесь теоретически может быть несколько вариантов дифференцированного внесения удобрений:

1. Удобрения вносят на каждый участок с таким расчетом, чтобы количество и соотношение питательных элементов с учетом почвенных запасов было достаточным для получения запрограммированной урожайности (Узапргр).

Целевая функция данного варианта и основное ограничение соответственно выглядят следующим образом:

(N_i, P_i, K_i) = (N, P, К) для всех i (участков);

УУ_i(N, P, К_i) У_{запргр.}

2. На конкретном поле необходимо получить запрограммированный урожай конкретной сельскохозяйственной культуры при минимальном применении удобрений:

УУ_i(N_i, P_i, К_i) У_запргр

У (N_i, P_i, К_i)>min.

3. На конкретном поле нужно получить максимальный урожай сельскохозяйственной культуры при ограниченном количестве удобрений:

У (N_i, P_i, К_i) (N, P, K).

У У_i((N_i, P_i, К_i)>max.

Для эффективной реализации любого из перечисленных вариантов необходимо прежде создать оптимальные условия для «работы» удобрений — дифференцированно внести требуемую дозу органических удобрений и известковых материалов. Однако в настоящее время в мире не существует ни одной машины для внесения удобрений, и, какими бы приборами и оборудованием она ни была оснащена, выполнить эту работу невозможно. В настоящее время самыми распространенными в мире распределяющими рабочими органами машин для внесения минеральных удобрений являются центробежные и штанговые [9].

Ни один из центробежных разбрасывателей семи ведущих зарубежных фирм: Amazone, Bogballe, Agromech, Kverneland, Ranch. Sipma, Sulky, — тестированых независимой комиссией в идеальных условиях, не выдерживает пороговую величину отклонений в 10% (допускаемая неравномерность внесения азотных удобрений) [3]. На практике обеспечить неравномерность внесения твердых минеральных удобрений, определяемую коэффициентом вариации до 10%, возможно только штанговыми распределителями. В практических условиях неравномерность внесения удобрений центробежными разбрасывателями систематически превышает 30%. Вносить подкормочные дозы азотных удобрений центробежными разбрасывателями под уже вегетирующие сельскохозяйственные культуры нельзя.

Если допустить, что мы с помощью существующих центробежных разбрасывателей (рис. 4) или штанговых распределителей (рис. 5) внесли определенную дозу удобрений на конкретное поле абсолютно равномерно, то фактическая пестрота плодородия почвы на нем не изменится. Просто ко всем значениям элементов питания, находящихся в почве, дополнительно прибавится внесенное количество, но характер распределения их останется неизменным.

а) б) Рис. 4 Суммарное распределение калия в почве после внесения однородной дозы центробежным разбрасывателем (у — рабочая ширина захвата, х — перекрытие)

а) б) Рис. 5 Суммарное распределение калия в почве после внесения определенной дозы высокоточной штанговой машиной (у — рабочая ширина захвата)

Рис. 6 иллюстрирует схему работы машины, выполняющей по-настоящему дифференцированное внесение удобрений. Априори ее распределяющий рабочий орган должен быть штанговым и оборудован по всей ее длине высевающими дозирующими устройствами с индивидуальными регулирующими приводами и напоминать клавиатуру фортепьяно, каждая клавиша которой при нажатии на нее издает свой звук, а работа его (распределяющего рабочего органа) будет напоминать исполнение сложного музыкального произведения. С той лишь разницей, что из упомянутого музыкального инструмента в каждый момент льются различные звуки, а с распределяющего рабочего органа машины по рабочей ширине захвата будут высеваться различные дозы удобрений. Следует подчеркнуть, что к неравномерности распределения удобрений при дифференцированном их внесении всегда добавится погрешность составления агрохимической карты поля, погрешность регистрирующей аппаратуры, погрешность исполнительных механизмов и т. п. В сумме это может составить величину, сопоставимую с исходной неравномерностью распределения того или иного элемента питания или иным показателем неоднородности плодородия почв. В таком случае выполненная работа окажется бесполезной.

Рис. 6 Схема выровненного содержания калия в почве

Заключение

Базовые машины для дифференцированного внесения удобрений должны отвечать следующим основным показателям технологического процесса: диапазон внесения доз — 80−700 кг/га; неравномерность внесения удобрений по рабочей ширине захвата при поверхностном внесении: азотных — до 10%, калийных и фосфорных — до 15%, а по ходу движения — 5%; глубина заделки туков при внутрипочвенном внесении — в пределах 8−15 см: ширина между лентами — до 30 см; регулирование доз внесения должно осуществляться в автоматическом и ручном режимах.

Работа таких машин должна базироваться на обладании необходимой суммой точной информации о поле, окружающей среде, на применении самых совершенных технических средств, насыщенных надежной микроэлектроникой, способной улавливать спутниковые сигналы и точно исполнять заключенные в электронную карту поля команды.

Разработка технологии и средств механизации дифференцированного внесения удобрений пока остается прерогативой инженерной, агрохимической и других наук. В их задачу должны входить: разработка научных основ применения такого способа внесения удобрений (разработка научно-методических аспектов оценки границ эффективного дифференцированного применения удобрений, обоснование показателей качества технологического процесса, разработка методик оценки вариантов рационального дифференцированного внесения и т. д. и т. п.) и определение фактического экономического эффекта от внедрения упомянутых технологий и средств механизации в условиях республики. Создание всего этого потребует участия большого числа специализированных НИУ, координации НИОКР и очень существенных финансовых затрат.

В настоящее время первоочередной и неотложной задачей, по нашему мнению, является реализация концепции равномерного и своевременного внесения удобрений, так как существует прямая зависимость прибавки урожая сельскохозяйственных культур от удобрений с неравномерностью внесения. (чем меньше неравномерность, тем выше прибавка урожая от внесения в первую очередь азотных удобрений, и наоборот).

Но для этого необходимо в кратчайшие сроки обеспечить полную потребность отечественными машинами, потому как дефицит полевых опрыскивателей в настоящее время составляет 3500 единиц, машин для внесения минеральных удобрений — более 2600 и органических — более 5000 единиц.

• 1. Государственная программа устойчивого развития села на 2011_2015 гг. Горки, 2012. 99 с.
• 2. Адамчук, В. В. Точное земледелие: существо и технические проблемы / В. В. Адамчук // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2003. № 8. С. 4−6.
• 3. Гусаков, В. Г. Ресурсы земли / В. Г. Гусаков, В. К. Павловский // Белорусская нива. 22 июня 2010. С. 2−3.
• 4. Кадыров, М. А. Растениеводство Беларуси: сколько мы теряем? / М. А. Кадыров // Наше сельское хозяйство. 2011. № 2. С. 4−10.
• 5. Крупномасштабное агрохимическое и радиологическое обследование почв сельскохозяйственных угодий Беларуси: методические указания / Под ред. И. М. Богдевича. Минск, 2011. С. 22−30.
• 6. Полевое исследование и картографирование почв БССР / Под ред. Н. И. Семаяна [и др.]. Минск: Ураджай 1990. 219 с.
• 7. Павловский, В. Точное земледелие — умная технология ХХ века / В. Павловский, А. Мучинский, Г. Добыш // Белорусское сельское хозяйство. 2011. № 4. С. 27−31.
• 8. Степук, Л. Я. Энергосбережение в сфере применения удобрений и пестицидов / Л. Я. Степук, В. Р. Петровец // Вестник БГСХА. 2008. № 4. С. 133−137
• 9. Степук, Л. Я. О перспективе использования дисковых центробежных разбрасывателей в условиях Республики Беларусь / Л. Я. Степук, В. Р. Петровец // Вестник БГСХА. 2009. № 2. С. 124−128.
• 11. Самосюк, В. Г. О реальном энергосбережении в сельском хозяйстве. / В. Г. Самосюк, Л. Я. Степук // Вести НАН Беларуси. 2008. № 4. С. 91.