Индикаторы точного земледелия

Ина­че говоря, на основании этой информации выбирают технологии диффе­ренцированного возделывания культур. Индикаторы для точного земле­делия принципиально не отличаются от индикаторов, которые обычно используются для характеристики элементов плодородия почв. Основное отличие (и трудность) — необходимость иметь пространственно распре­деленную информацию, то есть требуется характеризовать поле намного большим количеством данных. Конечно же, это экономически затратно и не всегда выполнимо. Поэтому сегодня параллельно с внедрением точно­го земледелия получили развитие методы дистанционного зондирования и новые экспериментальные образцы приборов, позволяющие в режиме on-line регистрировать ключевые свойства почв, необходимые для пла­нирования точного земледелия. Таких приборов становится все больше, а их возможности постоянно расширяются. Приборы навешиваются па рабочие органы почвообрабатывающих машин, тракторы, комбайны и (без отбора почвенных образцов и растений, без их транспортировки в лабораторию и без камеральных аналитических работ) позволяют в про­цессе выполнения технологических операций (обработки почв либо сбо­ра урожая) определять свойства почв. В этом и состоит суть режима on­line. К этому же классу приборов относятся и средства аэрофото - и кос­мической съемки, возможности которых также расширяются.

Вместе с тем, актуальными остаются и традиционные (наземные) средства контроля. Данные, полученные с помощью обычных почвенно-агрохимических обследований, являются эталонными. Они считаются более точными. Напомним, что, опираясь па эти данные, строится система удобрения, мелиорации и обработки, контролируются свойства почв, рост и развитие растений в стационарных и временных опытах. Эти наблюде­ния ведутся столько лет, сколько существует опытное дело. Исследователи настолько привыкли к проведению сопутствующих наблюдений путем от­бора почвенных и растительных образцов и их последующего анализа в лаборатории, что уже пс замечают очевидных недостатков этой методологии. Ведь ясно, что выводы в такой работе относятся по сути не к почве как телу природы, а только ее отдельной части — образцу («порошку»). Сегод­ня, опираясь на имеющиеся данные о динамике основных свойств и ритмике; почвенных процессов, можно уверенно утверждать, что полевые и лабораторные измерения не совпадают и не могут совпасть вследствие острой  влажности, постоянно происходящих в почве миграций, обменных реакций, изменений инсоляции, микробиологической активности и Т. Д. Неизменными могут быть только гранулометрический состав, общее содержание гумуса, морфологическое строение профили и  которые другие, по которым можно судить лишь о потенциале; плодородии и отнюдь не о его реальном содержании. В то же время объем полевых НО посредственных измерений продолжает оставаться ограниченным, методы прямого измерения параметров в поле развиваются медленно.В этом все методы дистанционного зондирования имеют ряд несомненных преиму­ществ не только вследствие своей существенно большей производительности и одновременного охвата контролем пространства вместо точек, но п главным образом вследствие более корректной методологии, что обеспечивается за счет режимов измерений in-silu и on-line.

Как мы уже отмечали, в начальные этапы развития точного земле­делия достаточной для этого считалась карта урожайности культуры, ко­торая, казалось, давала объективную информацию для дифференциро­ванного внесения удобрений и химических средств защиты растений. В дальнейшем стало ясно, что карты урожайности совершенно недостаточ­но, ибо состояние растений не всегда точно отражает уровень плодоро­дия почвы. Причина расхождений состоит в том, что плодородие почв — является очень сложным явлением, в формировании которого принима­ют участие природные и антропогенные факторы. Плодородие почв — ре­зультат почвообразовательного процесса, вследствие которого формиру­ются свойства почв — физические, химические и прочие, создастся запас питательных веществ и условия для эффективного их использования ра­стениями. Одновременно с этим плодородие — результат деятельности человека. Оно может истощаться вплоть до полной утраты либо поддер­живаться и пополняться за счет рационального хозяйствования. Большое значение для плодородия почв имеют климатические условия, которые могут способствовать реализации запаса питательных веществ почвы, потенциала растения и агротехнологии, либо, напротив, их консервиро­вать. В итоге можно констатировать, что плодородие зависит от многих факторов — почвенных, климатических, организационных, технологичес­ких и других. В этой сложной и нередко противоречивой (в том смысле, что действие факторов на урожай носит разнонаправленный и неодина­ковый но Интенсивности характер) системе трудно ожидать высокой сте­пени соответствия между факторами плодородия и состоянием растений. Напомним, что Л. О.Карпачевский (2001), который длительное время исследовал взаимосвязь между почвой и растением, оценивает ее коэф­фициентом корреляции пс выше 0,5. Именно поэтому карта урожайнос­ти нередко может отражать действие случайных факторов и вовсе не ха­рактеризовать их устойчивое соотношение во времени и в пространстве. Именно поэтому карту урожайности необходимо дополнять информаци­ей о свойствах почв.

Каковы же критерии для выбора индикаторов точного земледелия? С одной стороны, с помощью индикаторов мы должны состоятельно оха­рактеризовать плодородие почв, с другой, состояние растений. Иначе го­воря, необходимо вести речь о двух группах индикаторов — почвенных и биологических (растениеводческих). Далее, полученная информация должна быть использована в разработке конкретных приемов, то есть быть технологической, или такой, па основании которой можно выработать рекомендации по точной обработке, точному внесению удобрений и средств защиты растений. Необходимо сразу же подчеркнуть, что уро­вень развития точного земледелия сегодня таков, что фактически только две технологические операции — внесение удобрений и химических средств защиты растений — поддаются дифференцированию в пределах поля. Здесь есть соответствующие рабочие органы, способные восприни­мать управляющие директивы и дифференцированно вносить твердые либо жидкие компоненты химических веществ. Что же касается диффе­ренциации механической обработки в пределах поля, то здесь сделаны лишь первые шаги, точнее, предложены лишь концептуальные подходы и предстоит разработать главное — механизмы, способные регулировать интенсивность крошения или, например, выборочно включаться в рабо­ту, когда встречаются переуплотненные или чрезмерно рыхлые прослой­ки. В соответствии с таким положением нам представляется целесооб­разным кратко рассмотреть индикаторы агрохимического и более подроб­но физического состояния почв. Наряду с этим будут также рассмотрены другие индикаторы точного земледелия, связанные с топографией поля и морфологией почвенного профиля, в особенности пространственной кон­фигурацией плужной подошвы.

Индикаторы топографии поля.К топографическим индикаторам относятся уклон, форма склона, соотношение основных и боковых на­правлений стока и экспозиция склона. Первый из них находит ограни­ченное применение в современном землепользовании, отделяя полевой 1 севооборот от почвозащитного (при величине уклона 3"), другие - прак­тически не используется вообще. Сложившаяся сегодня практика огра­ниченного учета рельефа при возделывании культур совершенно непри­емлема в точном земледелии. Примечательно, что в странах Западной Европы и Северной Америки детальная топосъемка обязательно предше­ствует почвенному и агрохимическому обследованию. И понятно, поче­му. Ведь, кроме общеизвестного влияния рельефа на перераспределение радиации, осадков и температуры, он существенно влияет практически на все элементы плодородия. И не только в различных частях склона или в зависимости от экспозиции, по и в зависимости от микрорельефа. Пос­ледний способен перераспределять элементы в горизонтальном направлении из выше расположенных к ниже расположенным участкам,  их нисходящую (вертикальную) миграцию (особенно азота) и мни роложбинках и в целом усиливать пестроту плодородия (О. Л. Лучицкий и др., 1994). Конечно же, эти факты требуют дифференциации  удобрений с учетом рельефа.

Современные методы защиты почв от эрозии предусматривают использование противоэрозионной организации сравнительно большой территории (ландшафта) и направлены па уменьшение разрушительной энергии водного или ветрового потока. В зависимости от напряженности эрозионной ситуации проектируются различные соотношения угодий, культур, защитных сооружений (лесополос, буферных посевов, соору­жений постоянного и временного действия). Все это касается, повторя­ем, ландшафта, охватывающего, как правило, несколько нолей. На од­ном же поле обычно ограничиваются агротехническими почвозащитны­ми приемами, эффективность которых существенно ниже противоэрози­онной организации территории. В точном земледелии, где обработка диф­ференцируется применительно к отдельным частям ноля, важно учесть направления формирования стока и характер эрозиообразования. Диф­ференцированная обработка поля не должна приводить к усилению по­верхностного стока. Последнее, в частности, возможно, на плохо защи­щенных вогнутых склонах, где передки дойные потоки. К сожалению, вопросы противоэрозионной обработки сложных склонов не разработа­ны и практически ее способы не дифференцируются в пространстве поля.

Для обоснования точной обработки почв нужны несколько иные дан­ные, чем те, которыми мы в настоящее время располагаем. В частности, нужны параметры микрорельефа обрабатываемого ноля, а он как раз в исследованиях и недооценивается. В лучшем случае изучается лишь шеро­ховатость (относительные превышения или понижения поверхности поч­вы на небольших расстояниях), по практически совершенно отсутствуют данные о динамике микрорельефа, его изменениях после осадков, различ­ных способов обработки, проездов техники и прочих воздействий. В то же время именно и самом верхнем (дневном) слое за счет микрорельефа пе­рераспределяется влага осадков и начинают формироваться водные пото­ки, приводящие к водной эрозии, если их разрушительная сила не будет погашена дополнительным препятствием. Точно также здесь возникает турбулентность ветрового потока и ветровая эрозия, по опять-таки при ус­ловии, что их скорость не Достигнет критической величины. На дан ном этапе развития точного земледелия трудно ожидать дифференциации обработки па уровне микрорельефа, по есть все основания надеяться, что точной об­работкой в определенной мере можно сдержать развитие разрушительных воздействий воды и ветра па начальных этапах процесса.

Для оценки устойчивости различных форм микрорельефа в зависи­мости от воздействия природных и антропогенных явлений (атмосфер­ных осадков, различных орудий и способов механических обработок) необходим простой и информативный метод оценки. Имеющиеся в лите­ратуре сведения позволяют применить с этой целью геостатистический метод (E. V. Vazquez el al., 2006). В этой работе прослежены изменения микрорельефа после нескольких дождей на фоне 6 различных обработок или их сочетаний. Геостатистические наблюдения проведены на 48 де­лянках размером 135x135 см с разрешением 25 мм. В результате были получены вариограммы дисперсии шероховатости поверхности. Наиболь­шую шероховатость показала обработка дизельным плугом. На этом ва­рианте следует ожидать наименьшего развития эрозионных явлений.

Подобного рода исследования позволят найти па поле участки рель­ефа, наибольшим образом подверженные эрозии и тогда здесь в первую очередь нужны почвозащитные варианты обработок. Вместе с тем дан­ных топографии поля совершенно недостаточно для выработки улучшен­ных приемов обработки. Кроме того, нужна более детальная характерис­тика физических, механических и технологических свойств верхнего слоя почв — плотности, твердости, различных видов сопротивлений. Только наличие комплексной топографической и физической неоднородности верхнего слоя почв даст возможность разработать предложения для их дифференцированной обработки.

Теостатистическое изучение микрорельефа не менее важно для ре­шения основной задачи в точном земледелии — выделения management units. Общеизвестно влияние макрорельефа на формирование почвы как одного из факторов почвообразования и, следовательно, для плодородия. Влияние рельефа сказывается не только на макро- (зональном и ланд­шафтном),  микро - (полинедонном и недонном) уровнях. Пере­распределяя солнечную радиацию и влажность, микрорельеф корректируют процессы синтеза и разложения гумуса, микробиологическую дея­тельность, обменные реакции, развитие корневых систем, поступление элементов питания в растения, а значит, и уровень плодородия почвы. Точно также как в общепринятых системах земледелия рельеф выступа­ет в качестве одного из ведущих факторов, определяющих содержание мероприятий но обработке и внесению удобрений, он должен стать столь же определяющим и в точном земледелии.

Индикаторы морфологии почвенного профиля. К ним можно от­нести мощность гумусированного горизонта, глубину пахотного слоя, пространственную конфигурацию (толщину и сплошность) плужной по­дошвы. Степень проявления перечисленных показателей определяет глу­бину и способ механической обработки. Ее глубина должна уменьшаться, а интенсивность воздействия (имеется в виду интенсивность  либо уровень применения окультуривающих средств) возрастать по мере нарастания отрицательных характеристик. При улучшении морфологии профиля глубина и интенсивность рыхления может снижаться вплоть до полной отмены обработки вообще (нулевой вариант). Миро чем, в реальных агропроизводственных условиях сочетания морфологических особенностей профиля могут быть настолько неопределенными, что выбрать оптимальную глубину и способ обработки бывает весьма зат­руднительно. Чаще всего глубину обработки ограничивает высокое зале подзолистого, иллювиального, каменистого либо переувлажненно­го горизонтов, а ее способ — избыточная влажность либо сухость. Многие из перечисленных особенностей имеют ясно выраженную зональную (ре­гиональную) специфику или могут проявляться в зависимости от место­положения в ландшафте. Тем не менее, и в пределах одного достаточно выравненного поля, как правило, отмечается морфологическая не­однородность. Собранные нами соответствующие данные  подтверждают такого рода закономерности и доказывают наличие ост­рой вариабельности морфологических признаков в пределах поля. Из это­го следует, но крайней мере, два важных вывода. Во-первых, морфоло­гическая неоднородность должна обязательно устанавливаться с помощью геостатистического исследования. Во-вторых, ее необходимо учитывать при обработке точно также, как это делается при дифференциации доз азотных удобрений. К сожалению, сегодня возможности дифференциа­ции обработки либо адаптации технологий к пространственной неодно­родности характеристик профиля почв очень ограничены. Практически это осуществляется лишь в случае, если на поле обнаруживаются мочары, другие явления подтопления, пятна солонцов, либо препятствия, ме­шающие прямолинейному движению машинно-тракторных агрегатов. Как правило, при этом части поля исключаются из обработки. Но это ка­сается грубых проявлений неоднородности. Что же касается микропородное, таких как переуплотненные колеи, возникшие при возде­лывании пропашных культур в предшествующие годы, почти всегда пе­реуплотненные поворотные края нолей, высокое залегание плужной по­дошвы, то их присутствие в современных технологиях игнорируется, да и не может быть принято во внимание из-за особенностей используемых техники и технологий.

Индикаторы физических свойств почв. К сожалению, физичес­кое состояние почв никогда не было объектом массовых исследований. Показатели физических свойств почв не изучались в процессе крупно масштабного почвенного обследования, не измеряются они при агрохимической паспортизации полей. Такие данные фактически вообще редко используются при обосновании мероприятий по повышению плодородия почв. Это при том условии, что в течение многих лет их исключительное значение для формирования благоприятного урожая и экологической об­становки никогда и никем не оспаривалось. Лишь в последние несколько десятилетий в связи с глобальными явлениями потери почвами структур­ности и усиления эрозии (из-за дегумификации и других причин), пере­уплотнения, повсеместного проявления корки внимание к ним постепен­но возрастает. Больше стали измерять плотность сложения и устойчивость структуры в опытах по обработке, с мелиоративными целями. Обоснова­но представление об оптимальной и равновесной плотности. Уточнены требования к плотности сложения у разных культур. Все это послужило основой для дифференциации способов обработки в зависимости от почвенно-климатических условий и требований культур. Установление па­раметров плотности сложения корнеобитаемого слоя стало настолько рас­пространенным, что даже появились соответствующие нормативы, па основании которых оказалось возможным выбрать ту или иную обработ­ку или даже полностью отказаться от нес (нулевая технология). Все же, несмотря па возросшую популярность и информативность плотности сло­жения этот показатель в массовом порядке пока не измеряется. Причина — совершенно неприемлемый, не поддающийся автоматизации весовой метод измерения. Его суть, как известно, заключается в отборе образца почвы ненарушенного сложения в металлическое кольцо определенного объема, взвешивании и последующем определении влажности. Процеду­ра измерения такова, что не может быть и речи о ее воспроизводстве в сельскохозяйственном предприятии. Нужны кольца, приспособления для их вертикального погружения в почву, бюксы, сушильные шкафы и оп­ределенные навыки. Поэтому такой важный с агрономической точки зре­ния показатель не находит применения в производстве, а выбор способов обработки осуществляется, не в соответствии с параметрами конкретно­го поля, а по неким усредненным региональным рекомендациям.

Конечно, уже давно назрела необходимость использовать для оцен­ки физического состояния ночи другой показатель, который можно было бы просто измерить и который был бы связан с плотностью сложения до­статочно воспроизводимой моделью. Тогда оказалось бы возможным ис­пользовать накопленный ранее нормативно-справочный материал. В ка­честве такого показателя нами предлагается твердость и доказана воз­можность и целесообразность указанной замены.

Справедливо поставить вопрос, корректен ли вообще поиск зависи­мости между массовой (весовой) и прочностной характеристиками поч­вы. Ведь факторы, которые влияют на те и другие свойства почвы, доста­точно независимы друг от друга. В нервом случае это главным образом соотношение органической и минеральной частей. Во втором прочность внутри - и межагрегатных связей. В то же время качественный состав органической и минеральной частей (степень преобразованности органического вещества, наличие в нем агрегатообразующих гуминовых ком­понентов, с одной стороны, и размер, вещественный состав и коллоид­ные свойства трикодисперсной минеральной части, с другой стороны) влияют на обе характеристики почвы. Именно это обстоятельство явля­ется нужным аргументом, теоретически оправдывающем правомерность подобных поисков. В литературе можно найти подтверждение этой гипо­тезы, хотя объективности ради отметим, что таких работ нам встреча­лось немного.

В одной из них (D. J. Rcinerl el al., 2006) была предпринята попыт­ка найти связь между плотностью сложения (в исходном состоянии и после приложения различной статической нагрузки) и серией физико-механи­ческих прочностных характеристик (деформацией, комрессионными ин­дексами и величинами сдвиговых усилий). Получены достаточно инте­ресные зависимости. Частично они представлены па рис. 10.9.1.

Полученные зависимости оцениваются удовлетворительным уровнем коэффициентов детерминации для всех связей, кроме усилия сдвига. Характерно было также влияние содержания глины на параметры исход­ной и конечной плотности сложения, а также сдвига (рис;. 10.9.2).

Наиболее важный вывод, который следует из этой работы: массо­вые и прочностные показатели связаны между собой. Связи могут быть описаны удовлетворительными линейными недотрансферными моделя­ми, однако уровень связей и вид модели, видимо, требуют уточнения.

В отличие от плотности сложения, являющейся, по сути, массовой характеристикой почвы (масса сухой почвы в единице объема), твердость относится к прочностным показателям и является важной физико-механической и технологической характеристикой. С ее помощью оценивают сопротивление почвы вертикально приложенной нагрузке при разреза­нии, расклинивании или сдавливании. Соответственно различным видам деформации почвы подбирается наконечник твердомера. Наиболее рас­пространенным является клип, который адекватно описывает усилие (ра­боту) корня в процессе его роста в почве. Однако, если использовать дру­гие типы наконечников (плоские цилиндрические, конусообразные, шаровидные и другие), либо разные углы атаки наконечников, возможнос­ти энергетической интерпретации полученных результатов существенно расширяются.

Преимущества твердости в сравнении с плотностью сложения

Сум­мируются следующим образом:

- более высокая чувствительность к влажности почв. Например, если плотность с изменением влажности в диапазоне  изменяется в пределах 1,25-1,18 г/см3, то твердость — от 30 до 12 кгс/см2 (для черно­зема типичного тяжелосуглинистого). Еще разительнее разница — до 5-7 раз, если влажность изменяется в более широком диапазоне;

- более высока;! чувствительность в зависимости от агрофоиа. На­пример, равновесная плотность сложения на целине и пашне (опять-таки для чернозема, верхний слон) различается примерно так: 1,10 и 1,20 г/ см3. Твердость соответственно 40 и10 кгс/см2. С помощью показателей твердости хорошо различаются посевы пропашных культур и культур сплошного сева;

- такая же более высокая чувствительность на изменение в почве содержания гумуса, состава поглощенных оснований, соотношения струк­турных агрегатов, и даже гранулометрического состава. Иначе говоря, использование показателей твердости перспективно не только в агрономи­ческих целях, по и при проведении почвенно-генетических исследований:

- возможность диагностирования изменений твердости по профилю в посевном, пахотном и в целом в корнеобитаемом слое. В отличие плотности, которая позволяет оценивать минимальную толщина слоя лишь в 5 см, твердость легко диагностируется даже для каждого сантиметра. Конечно же, это позволяет значительно точнее установить пари метры плужной подошвы и других отклонений в физическом СОСТОЯНИИ почвы. Есть удачные примеры Диагностирования с помощью показателей твердости прочности почвенной корки, и решить вопрос об орудии, которое следует использовать для ее разрушения;

• твердость почв состоятельно, значительно точнее, чем плотность, Характеризует условия роста и развития корневых систем. Даже малей­шие изменения в твердости отражаются на росте и развитии корней. Осо­бенно ценна такая информация на стадии прорастания семян и появле­нии всходов, а, значит, это можно использовать при выборе способа и глубины предпосевной обработки почв;

- возможность диагностирования не только агрономических, но и ге­нетических характеристик.

Резюмируя исследования по изучению твердости как диагностичес­кого показателя физического состояния почв, следует подчеркнуть, что с его помощью можно достаточно надежно определить, на какую глубину и с какой интенсивностью следует рыхлить почву перед посевом культуры, определить качество рыхления почвы после обработки, фиксировать зоны с различной степенью деформированное, выбрать, наконец,, оптималь­ный вариант обработки в соответствии с принципами точного земледе­лия. В странах бывшего СССР и Восточной Европы распространена клас­сификация почв по твердости при исследовании почв в воздушно-сухом состоянии (П. У. Бахтин, 1969, табл. 10.9.1). К сожалению, в то время, когда разрабатывалась классификация, было очень мало исследований по твердости почв. Поэтому классификация не дифференцирует параметры твердости в зависимости от типов почв, гравеостава, требований куль­тур, влажности почв. Все это важные показатели, оказывающие значи­тельное воздействие па величину и динамику твердости. Однако и сегод­ня, как и 40-50 лет назад, данных твердости для такой дифференциации недостаточно.

Таблица 10.9.1. Классификация Почв По Твердости

Представляет интерес обобщение данных твердости по отношению к различным сельскохозяйственным растениям, хотя объективности ради отметим, что таких данных очень мало. Оказалось, что зерновые культу­ры вполне переносят повышенную твердость (20-25 кгс/см2), в то время как для пропашных, корнеплодов, садовых и овощных.

Оптимальные параметры в этих случаях не превышают 5-10 КГс/сМа (Л. 11. Ворона, 1979; В. П. Гордиенко, 1998 и другие). Твердость выше и ОСОбенно выше 50 кгс/см2 угнетает или останавливает рост корневых систем большинства культур.

Наименьшую твердость имеют почвы легкого гранулометрического состава, а также хорошо гумусированные, оструктуренные, свежевспаханные почвы, с увеличением в составе гранулометрических фракций глинистых частиц и особенно при подсыхании почвы твердость заметно растет.

Еще раз подчеркнем: количество данных о динамике твердости в различных почвенно-агрохимических условиях никак нельзя сравнить с числом подобных работ но плотности сложения почв. Сложилась пара­доксальная ситуация: плотность — популярный в исследованиях показа­тель, хорошо изучена его динамика в зависимости от почв, способов ме­ханической обработки, известны требования большинства культур к нему,но в производстве он не находит применения из-за отсутствия современ­ного метода. Твердость, напротив, кажется, легко может быть измерена, но вместе с тем плохо исследована. Результат такого положения ясен — физическое состояние почв в производстве не определяется, соответству­ющих данных для выработки обоснованных управляющих решений не­достаточно. Как кажется, положение может быть хотя бы частично улуч­шено за счет:

• разработки совершенного технического средства для оперативно­го измерения твердости в полевых условиях;

• разработки педотрансферной модели, способной связать твердость и плотность.

Заметим, что изложенные соображения в пользу оценки физичес­ких свойств по твердости, кажется, являются актуальными, ибо в мире в настоящее время возрастает интерес к поиску технических средств для измерений этого показателя. Нам известно, по крайней мере, 6 различ­ных твердомеров — голландского и американско­го производства, которые серийно выпускаются, а также твердомеры из Словакии (J. Bajla el al., 2003) и Швеции (Е. Bolenins ll al., 2006). Ведутся подобные разработки и в Украине (М. М. Сурду и др., 2002; В. В. Медведев И др., 2004). С пашей точки зрения, если исходить из задач точного земледелия, то предпочтение следует от­дать тведомерам, которые позволяют проводить измерения в динамич­ном (on-line) режиме и, самое важное, одновременно измерять влажность почвы. Последнее представляется обязательным, учитывая сильную за­висимость показаний твердости от влажности почв. В этом плане наиболее перспективными следует признать разработки М. М. Сурду и др. и J. Mnela  из Словакии, которые отвечают этим требованиям.

Так, в твердомере М. М. Сурду и др. искомый показатель получают из соотношения давления пуансона при его заглублении в почву и вели­чины остаточной деформации. Тензометрический датчик кренится клане культиватора и измерения твердости осуществляются во время выполне­ния обработки почвы. Изменяя форму пуансона, можно оценить сопро­тивление почвы различным видам деформации и использовать получен­ные данные не только в точном земледелии, по и в конструированиии поч­вообрабатывающих рабочих органов. Влажность в момент измерения твердости получают, используя кондуктометрический метод, а темпера­туру — с помощью измерения сопротивления медного датчика.

Подобный твердомер был разработан и испытай в Швеции. Конусо­образные пенетраторы  с углом атаки 30° и диаметром 6,3 см были укреп­лены настойках глубокорыхлителя (рис. 10.9.3) и позволяли произво­дить измерения твердости па глубинах 10, 30 и 50 см. Пенетратор был

Соединен с сенсором фирмы Bosch, спо­собным измерять усилия в широком ин­тервале значений, При скорости обра­ботки почвы 1,5 м/с твердомер фикси­ровал измерения каждую секунду с од­новременным позиционированием (с помощью Trimble SweeEighl). Полу­ченные результаты, пожалуй, впервые продемонстрировали, что пестрота уро­жая, которую в прежние годы чаще все­го рассматривали как следствие про­странственной неоднородности пищево­го режима, в значительной мере объяс­няется за счет вариабельности твердо­сти почвы. Была установлена достаточ­но ясная закономерность: урожай был выше там, где меньше твердость (рис. 10.9.4.). Полученные закономерности были объяснены за счет различий в динамике развития корневых систем в течение вегетации ячменя. Это еще раз подчеркивает значение наблю­дений за физическими свойствами в точном земледелии с целью последу­ющего дифференцирования обработки почвы. Очевидным недостатком твердомера была невозможность одновременного измерения влажности почвы.

Важно обратить внимание на пестроту урожайных данных, полу­ченных па достаточно окультуренном поле. Они изменялись в чрезвычайно широких пределах - от 4,0 до 11,5 т/га. Также очень вариабельны были показатели твердости, особенно на глубине 10 и 30 см. Лишь на глубине 50 см доминировал относительно однородный фон с показателем твердо­сти около 2000 кРа.

Итак, если измерять твердость почвы в режиме on-line с помощью наиболее совершенного твердомера (позволяющего одновременно изме­рять влажность почвы), можно получить состоятельное представление о физическом состоянии почвы, получить соответствующую карту и тем самым выработать рекомендации о дифференциации обработки почвы. Вместе с тем нужно, как мы упоминали, иметь модель, связывающую показатели плотности и твердости.

Далее рассмотрим несколько вариантов недотрансферной модели, связывающей твердость и плотность. Тем самым была бы в целом успеш­но задача объединить большие информационные возможности плотности сложения с относительной легкостью измерения твердости непосредствен­но в полевых условиях. Для выяснения вида зависимости твердости поч­вы от плотности (с учетом влажности и грансостава) была собрана доступная нам литература (свыше 30 источников) и сделана попытка найти адекватные модели.

Заканчивая рассмотрение раздела об агротребованиях к твердоме­ру, основываясь на собственных наблюдениях, а также собранных данных приведем разработанные нормативные параметры твердости для оценки физического состояния почв (применительно к черноземным суг­линистым и дерново-подзолистым супесчаным почвам) и выбора орудий для обработки (табл. 10.9.2).

Конечно, недостаток оригинальных данных не позволяет рассмот­реть нормативные и прикладные аспекты твердости в полном объеме. Уверены: накопление соответствующих данных позволит развить обозна­ченное направление. Тогда твердость но праву займет достойное место в агрономических, почвенных, мелиоративных, экологических и инженер­но-технических исследованиях.

Еще раз подчеркнем преимущества оценки физического состояния почв по данным твердости почв. Они заключаются в том, что твердость лучше (в сравнении с общепринятой плотностью сложения) характеризует почву как среду для роста и развития корней растений, позволяет обнаружить даже малейшие отклонения от нормы в отдельных частях посевного, пахотного и подпахотного слоев, точнее описывает конфигу­рацию плужной подошвы, явственнее зависит от влажности почв, агрофона и свойств почв (содержания гумуса, гранулометрического состава, состава поглощенных катионов, структурности). Получаемые в резуль­тате обследования твердости твердограммы — новый и важный методи­ческий прием прочностной характеристики в двухмерном и трехмерном форматах для профиля почвы и его отдельных частей, а также распреде­ления твердости в обрабатываемом ноле с указанием зон, требующих раз­личного но способу и интенсивности рыхления.

Таблица 10.9.2. Параметры Твердости, Качественная Оценка Пашни И Рекомендации По Предпосевной Обработке Почв

Кроме того, твердограммы могут найти применение is других направ­лениях (для оценки эрозионной устойчивости почв, в качестве альтерна­тивы удельному сопротивлению, при определении несущей способности почв, их проходимости в зависимости от типа ходовой системы машинно-тракторых агрегатов, при конструировании рабочих органов почвообра­батывающих машин и т. д.).

Как мы уже неоднократно упоминали, технические возможности учета неоднородностей поля и произрастающих на нем растений в точном земледелии пока недостаточны. Они ограничиваются лишь внесени­ем удобрений и гербицидов (инсектицидов). Поэтому чрезвычайно важ­ны предложения, расширяющие сферу применения элементов точного земледелия. К ним относится механическая обработка, позволяющая управлять физическими и физико-механическими свойствами почв ноля. Ключ к управлению этими свойствами пахотного (посевного) слоя — в регулировании структурного состава и плотности сложения почв, причем важно хотя бы уменьшить различия между реальными и оптимальными параметрами перед посевом культуры. Для этого бывает достаточно лишь несколько снизить плотность сложения в подсеменном слое, что достига­ется при рыхлении почвы плоскоклиновидным рабочим органом с неболь­шим углом атаки (В. В. Медведев, 1988).

Существенно улучшить структурный состав почвы в семейном слое можно путем сепарации почвы и аккумуляции ее наиболее ценной части iв этом слое, что реализовано в специальной комбинированной почвооб­рабатывающей машине (В. Ф. Пащенко и др., 1996), эффективность которой была доказана в многолетних полевых испытаниях.

Не менее эффективно может быть, как мы показали (В. В. Медве­дев, 1982), формирование различного структурного состава посевного слоя почвы за счет рационального сочетания интенсивности крошения (скорости вращения ротора) с учетом увлажнения почвы.

Наконец, заслуживают внимания разрабатывающиеся сейчас новые рабочие органы, деформаторы которых обоснованы с учетом геометрии рыб, птиц и роющих животных, способных без значительных усилий пре­одолевать плотные среды (воду, воздух, почву). В строении таких рабо­чих органов предусмотрены дополнительные криволинейные поверхнос­ти, уменьшающие сопротивление и содействующие более активному рых­лению почвы.Органические рабочие могут быть перспективными в точном земледелии, например,Для рыхления плужной подошвы или других уплотненных прослоек.

Индикаторы агрохимических свойств

До сих пор наиболее широко используемые показатели в точном земледелии. С их помощью устанавливается пестрота пищевого режима ноля и в соответствии с пей дифференцируются нормы внесения удобрений. В качестве индикаторов применяются общеизвестные показатели — содержание общего углерода, подвижных форм азота, фосфора, калия, микроэлементов, рН и другие. Кроме перечисленных показателей, которые можно отнести к обязательным, потому что они используются практически во всех почвах и при выращивании любых сельскохозяйственных культур, применяются региональные показатели, которые характеризуют природные либо антропогенные образованные почвы, имеющие определенную специфику (засоленные, переувлажненные, эродированные, деградированные и др). Система применения удобрений устанавливается на основании изМерения содержания элементов питания в почве и потребностей культуры. Необходимые параметры для планирования получают и опытах опытных станций, а также в результате агрохимической паспор тизации нолей. В отличие от механической обработки для обоснования системы удобрений используется значительно больший и систематически обновляемый объем информации. Вместе с тем, и в этой части имеются проблемы, вызванные несовершенством методологических подходов. Опять-таки отсутствие оперативных данных о состоянии пищевого ре­жима почв пе позволяет вносить своевременные коррективы в систему применения удобрений. Например, если бы весной мы имели возможность в режиме on-line определять содеря^апие в почве доступных форм азота, то вопросы дозирования азотного удобрения при посеве и в подкормку решались значительно обоснованнее, чем сейчас, а главное, экономнее. Между прочим, рациональное решение вопроса по отношению к азоту, динамичность поведения которого хорошо известна и устанавливается достаточно проблематично, особенно актуально.

Измерение агрохимических параметров как пространственно распре­деленной информации, как мы продемонстрировали в обзоре литературы, имеет значительный опыт. Методика их изучения с помощью традицион­ного подхода показана в приложении. Гораздо больший интерес представ­ляют новые возможности, которые появились буквально в самое последнее время. Среди научных работ в этом направлении заслуживает пристально­го внимания подход, разработанный бельгийскими учеными (A. M. Mouazen, 2006). Они разработали мобильный комплекс, позволяющий опре­делить в режиме on-line и in-silu следующие показатели: содержание об­щего углерода, влажность почвы, рН, содержание доступного фосфора. Принципиально возможно также определять содержание в почве нитрат­ного азота. Измерения осуществлены с помощью спектрофотометра про­изводства Zeiss Corona 45, который был способен анализировать почвен­ный спектр в интервале 306,5-1710,9. Анализ спектров осуществляли с помощью специального сенсора, работающего в видимом (VIS) и инфракрас­ном (NIR) оптических диапазонах отраженного почвой спектра. Исследо­ванию предшествовали почти 20-летние поиски различных ученых, которые привели к разработке портативного спектрофотометра волоконного типа с достаточно широкими аналитическими возможностями. В частности, были решены очень сложные задачи калибрования спектрофотометра, адаптации его к режиму работы on-line (при выполнении типологической операции) и получения надежных результатов в таких условиях. Так, в последнем ва­рианте прибора авторы гарантируют надежную работу прибора для относительно большой территории Бельгии и северной Франции, то есть почв, различающихся по грансоставу, влажности и цвету.

Спектрофотометр (оптический сенсор)

Навешивался на почвообра­батывающее орудие, способное проделать в почве щель глубиной 15 см и образовать выравненное дно (с этим вполне справился обычный дизель). Измерения проводили при скорости движения агрегата 1500 м/час с одно­временным контролем координат с помощью DGPS. Каждый спектраль­ный сигнал улавливали, усредняли (из 5 индивидуальных) и сохраняли. Далее, используя стандартную программу ARCVIEW GIS 3.1, получали карты исследованных почвенных параметров. Сопоставление карт, полу­ченных с помощью оптического сенсора и стандартным путем, показало хорошую сходимость для влажности ночи и удовлетворительную — для орга­нического углерода, рН и доступного фосфора (рис. 10.9.5-10.9.7).

Мы уделили столь много внимания описанию новых методов изме­рения характеристик плодородия почв потому, что считаем их очень перс­пективными не только для точного земледелия, но и для совершенствова­ния почвенного обследования и агрохимической паспортизации полей. Выше мы отметили преимущества on-line и fen-sifu — режимов контроля почвенных параметров для корректного понимания сущности процесса почвообразования. В такой же мере это справедливо и для понимания сущности плодородия и его динамики. Нам представляется, что за таки­ми методами будущее и они безусловно ускорят внедрение точного земле­делия. Но не только это. С их помощью станет более точным и процесс управления плодородием почв. Мы уже отмечали, насколько несовершен­на информационная база управления плодородием почв и питанием растений, насколько отстает во времени процесс ее обновления, особенно на примере такого динамичного и одновременно высокоэффективного эле мента каким является азот. Это явно суживает круг потребителей агрохимической информации. Изменить положение дел, кажется, смогут но­вые подходы. Это, прежде всего, дистанционные и наземные способы получения информации в режиме in-situ (то есть, непосредственно ни месте) и в режиме on-line (то есть, в режиме непрерывной регистрации без отбора, транспортировки образцов и затратных во времени и сред­ствах лабораторных аналитических работ).

В 70-80-ые годы минувшего столетия, во время пика развития агро­химического обслуживания в Украине, была поставлена задача макси­мально приблизить агрохимлабораторию к полю, осуществлять аналити­ческое обслуживание не раз в пять лет, а сопровождать ими ежегодное применение удобрений и развитие сельскохозяйственных культур. Лабо­ратории были не только в районных центрах, но и во многих успешно работающих сельхозпредприятиях. Именно тогда мы как никогда были близки к решению задач любой сложности, в том числе мониторинга и точного земледелия. Именно тогда Украина имела шанс стать образцовой страной в плане контроля и рационального использования почвенного пло­дородия. Но не сложилось. Теперь решение задачи потребует значи­тельно большего времени и средств. Но, судя из явных тенденций к усо­вершенствованию земледелия в благополучных странах Западной Евро­пы и Америки, где отмечается к тому же перепроизводство сельскохозяй­ственной продукции, такой же путь предстоит пройти и Украине. Иначе амбиции стать авторитетной в мире конкурентоспособной аграрной стра­ной и создать условия для устойчивого землепользования останутся не­сбыточной мечтой.

Биологические индикаторы.

Биологические индикаторы — это показатели, с помощью которых отслеживается реакция растений па различные физические воздействия либо улавливаются их цветовые особенности, обусловленные тем или иным состоянием растений.

В целях распознавания культурных и сорных растений были испы­таны электроконтактпые датчики. На их основе были созданы прорежи­вающие машины ПСА-2,7. ПСА-5,4 и 6-JC3. Несмотря па исключитель­ную перспективность таких машин, способных устранить непроизводи­тельный ручной труд и удешевить себестоимость продукции за счет отка­за от гербицидов при возделывании пропашных культур, и производстве их практически нет. Индикационные возможности таких машин были достаточно скромны, а надежность низка.

Более перспективными признаны датчики, основанные па учете от­раженного света в различных световых диапазонах. Найдены диапазоны спектров, в пределах которых надежно различаются почва, всходы сахарной свеклы и сорные растения. Одновременно успешно решается про­блема формирования заданной густоты растений. На этой основе, насколь­ко нам известно, было создано несколько экспериментальных образцов машин, по до серийного производства также пока дело не дошло. А жаль! Поскольку, автоматический агрегат для прополки и прореживания всхо­дов, созданный в Украинском центре испытаний техники в содружестве с другими организациями, обладает высокой разрешающей способностью (до в 1 см2) и производительностью (до 15 га в день). Агрегат способен высвободить до 100 человек, занятых самым тяжелым сельскохозяйственным трудом, и обеспечить высококачественный уход за посевами.

В качестве биологических индикаторов используются цветовые ха­рактеристики растений. Эти индикаторы апробированы наилучшим об­разом. Для распознавания растений по цвету используется космическая техника, аэрофотосъемка, бортовые и навесные спектрофотометры. На этом принципе построены и хорошо себя зарекомендовали в производ­стве удобрительные агрегаты и опрыскиватели. Например, в Германии уже более 10 лет используется такого рода опрыскиватель, пользующий­ся большой популярностью у фермеров. По сообщению О. Соломахи (2001), автоматический опрыскиватель с усовершенствованной системой управления немецкого производства способен сэкономить до 70% герби­цидов.

Биологические индикаторы охватывают широкий круг свойств почв и растений. В точном земледелии известен NDVI (или индекс зелености, или GAI — green area index, или хлорофильный индекс). Такого рода индикатором можно также считать содержание органического углерода, которое может устанавливаться непосредственно путем отбора почвен­ного образца и последующего его анализа в лаборатории, либо дистанци­онно с помощью анализа спектрофотограмм. Этот показатель находит применение в точном земледелии как один из важнейших при выделении «management units» - частей поля с однотипными свойствами для приме­нения определенной агротехнологии и, прежде всего, внесения органи­ческих удобрений.

Большое значение биологические индикаторы имеют в мониторинге фитосанитарного состояния поля. Поданным Д. Г. Войтюка. (2002), пораженные фитофагами колоски пшеницы имеют существенно худшие показатели продуктивности (табл. 10.9.3.).

Таблица 10.9.3. Влияние Поражения Пшеницы Внутристебельными Фитофагами На Показатели Продуктивности

Для получения представленных в таблице данных использовалась экспериментальная спутниковая ранцевая установка, которая включала мобильный компьютер и систему позиционирования. Специалист-фитопатолог по заранее составленному плану-маршруту определял па поле

ВИДЫ и степень повреждения растений, а также отбирал образцы для лабораторных исследований. В результате была получена карта фитосанитарного состояния поля (рис. 10.9.8), которую можно использовать для дифференцированного внесения химических средств защиты.

Важно подчеркнуть, что карта и найденные уровни вредоносности позволили выделить на поле участки, где требуется обработка посевов и где такую обработку проводить не следует. В результате установлено, что Обработку нужно проводить лишь па 35-40% площади поля, при этом можно сэкономить 50% инсектицидов.