Точное земледелие: существо и технические проблемы

Авторы: Канд-ты техн. наук Адамчук В. В., Моисеенко В. К. (ИМЭСХ, Украина)

Источник: http://www.avtomash.ru/gur/2003/20030804.htm

Суть качественно новой системы земледелия, которое на Западе получило название точного (или прецизионного), состоит в том, что для получения с данного поля (массива) максимального количества качественной и наиболее дешевой продукции для всех растений этого массива создаются одинаковые условия роста и развития без нарушения норм экологической безопасности. Точное земледелие внедряется путем постепенного освоения качественно новых агротехнологий на основе принципиально новых, высокоэффективных и экологически безопасных технических и агрохимических средств.

Ученые и конструкторы понимали, что система точного земледелия должна базироваться на последних достижениях электроники. Однако испытания уже первых экспериментальных образцов показали, что сложные и дорогостоящие электронные приборы не приспособлены для полевых условий, которые характеризуются повышенными запыленностью и влажностью среды, требуют высококвалифицированного обслуживания и ремонта при дефиците запчастей. Но очень скоро были созданы адаптированные к с.-х. условиям микропроцессоры, электронные, фотоэлектрические, емкостные, электромагнитные, пьезоэлектрические, электромеханические и другие датчики, а также электронные приборы.

Первыми весомых результатов в использовании электронных устройств на с.-х. технике добились разработчики машин для защиты растений. Например, опрыскиватель Hydroelectron фирмы Tecnoma, получивший золотую медаль на международной выставке SIMA-1976 в Париже, был оборудован электронным регулятором подачи раствора пропорционально скорости движения агрегата. Аналогичную машину разработала английская фирма Agmet. По сравнению с используемыми в странах СНГ аналогами в них поддерживается постоянный в единицу времени расход раствора, а норма его внесения на 1 га значительно варьируется при каждом переключении передачи, изменении частоты вращения двигателя и буксовании колес, что обеспечивает экономию до 20 % ядохимикатов. А это не только экономический, но и экологический эффект.

Сложнее решались вопросы точного высева семян зерновых колосовых культур. Экспериментальные образцы таких сеялок были показаны на международной выставке в Мюнхене в 1982 г., а серийная машина с электронным регулятором высева фирмы Blanchot появилась лишь через три года и была отмечена на парижской выставке SIMA-1985. Фирма Rider (Германия) пошла еще дальше, создав сеялку Saxonia, которая обеспечивает заданные не только расстояние между семенами в рядке, но и глубину их заделки.

Значительных успехов в электронизации с.-х. техники достигли фирмы Amazone, Diadem, Rotina, Lely и др. В машинах центробежного типа они добились независимости дозы внесения удобрений на 1 га от скорости агрегата. Кроме того, частота вращения рассеивающих дисков и фактическая доза удобрений, вносимых на 1 га, постоянно высвечиваются на мониторе, причем последнюю тракторист может изменять со своего рабочего места. Применение электронных устройств дало возможность значительно (до ±15 %) снизить неравномерность внесения удобрений.

В 1986 г. в результате тесного сотрудничества фирм — производителей тракторов и сельхозмашин было признано рациональным многоканальный микропроцессор устанавливать на тракторе, а на машинах использовать лишь унифицированные датчики. Так, например, на тракторе Case стали монтировать микропроцессор и подключать к нему датчики и исполнительные механизмы:

· регулирования глубины обработки почвообрабатывающих машин фирмы Landsberg;

· оптимизации работы опрыскивателей фирмы Holder;

· машин для внесения минеральных удобрений фирмы Rotina;

· сеялок Saxonia и др.

Причем микропроцессор не только контролирует и регулирует технологические параметры, но и показывает фактическую рабочую скорость агрегата, объем выполненной работы, параметры двигателя и удельный расход топлива.

Для объединения усилий по разработке и освоению в с.-х. производстве электронных систем в 1992 г. страны ЕС приняли план, предусматривающий ускоренное финансирование из бюджета ЕС перспективных направлений автоматизации и компьютеризации с.-х. техники. В настоящее время к этой работе присоединились Венгрия, Чехия, Словения и Эстония. Причем в создании качественно новых, высокоточных и высокопроизводительных машин западноевропейские страны значительно обошли США и Канаду.

Необходимо отметить, что страны — члены СЭВ объединили свои усилия по электронизации с.-х. техники еще раньше — в 1980 г. Координатором этой работы была Болгария, ну а результаты нам известны.

Благодаря использованию высокоточной техники в странах с развитым земледелием удалось поднять урожайность зерновых культур до 90 ц/га и получить весомую прибыль. Вместе с тем было замечено, что пестрота урожайности на полях, обработанных этой техникой, хотя и значительно уменьшилось, но все-таки сохранилась. Следовательно, такое земледелие еще не соответствует критериям точного. Агрохимический анализ почвы, взятой на участках с различной урожайностью, показал, что по содержанию азота, фосфора и калия они существенно различаются, хотя минеральные удобрения вносились с высокой равномерностью. Причина этого явления в том, что растения питаются не только веществами, вносимыми в почву при выращивании данной культуры, но и теми, что накопились в ней. Поэтому удобрения нужно вносить в почву дифференцирован но в зависимости от количества ранее накопленных в ней основных питательных веществ.

Однако внедрение такой технологии с использованием существующих технических средств связано с большими трудовыми и финансовыми затратами. В связи с этим в разных странах начали разрабатывать способы и средства для упрощения и снижения стоимости агрохимического анализа почвы, в том числе через урожайность выращенной культуры на отдельных участках поля. 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 лишь в этих зонах. Одно из кардинальных решений этой проблемы предложила английская фирма KRM — 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 созданный английской фирмой Challeng Agriculture оптический прибор (золотая медаль на парижской выставке в 1994 г.). Содержание в почве азота, фосфора, калия и других элементов определяют путем сравнительного измерения в двух точках отраженного света выбранной полосы спектра. Он может обрабатывать более 30 параметров и запоминать 50 значений. Через четыре года прибор аналогичного назначения разработали китайские специалисты на основе транзисторов, преобразователей, фотодатчиков и других электронных элементов.

Другая сложная проблема — привязка результатов агрохимического анализа к координатам взятия проб и передача этих данных на агрегат для внесения удобрений. Достаточно известное средство определения координат агрегата — ротационное устройство, измерительным элементом которого служит колесо трактора или машины, а регистрирующим — счетчик числа оборотов, шкала которого проградуирована в метрах. Отклонение показаний на длине гона 1000 м не превышает ±2 м.

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

В радиосистеме аналогичного назначения компании Massey Ferguson используют установленные на агрегатах специальные радиоприемники и глобальную спутниковую сеть (GPS). Система с приемлемой точностью определяет географические координаты агрегата, но она достаточно сложна и дорогостояща.

Первый экспериментальный образец двухдисковой центробежной машины для дифференцированного внесения одного вида минеральных удобрений продемонстрировала в 1994 г. на выставке Smithfield Farm Tech английская фирма KRM. Содержание питательных веществ в почве определяется методом инфракрасного фотографирования поля со спутника Земли с построением картограммы поля, а координаты агрегата — с помощью систем GPS. Для непосредственного изменения дозы вносимых удобрений используется электронный прибор Calibrator 2002, функционально соединенный с компьютером (на дискете которого записана картограмма удобрения поля) и системой GPS. В 1995 г. фирма Amazone освоила серийный выпуск центробежных машин ZA-Max с аналогичными приборами. Однако из-за дороговизны электронного оборудования (около 50 % цены машины) они не получили широкого распространения.

Пионером освоения точного земледелия является Великобритания, где на ферме в графстве Сафольк на протяжении трех лет проводили картографирование урожайности, покоординатный анализ почвы в аномальных зонах, а удобрения вносились другой машиной фирмы Amazone-M-Tronic. Это обеспечило годовую экономию в среднем по 17,2 фунта стерлингов на каждом гектаре (по сравнению с внесением постоянных доз по всему полю).

На Украине исследования проблем точного земледелия ведутся уже более шести лет. В результате скоординированной работы ученых:

· создана мобильная машина для механизированного взятия проб почвы;

· оборудован устройствами для картографирования урожайности комбайн "Лан";

· переоборудована центробежная машина МВД-900 для дифференцированного внесения минеральных удобрений;

· адаптировано к условиям Украины программное обеспечение Field Star компании AGCO для картографирования урожайности комбайном Massey Ferguson MF-38;

· созданы мобильный и стационарный аналитико-вычислительные комплексы для обработки и анализа покоординатных данных агрохимического анализа, построения картограмм питательных элементов в почве и определения норм внесения технологических материалов (семян, удобрений, пестицидов), а также урожайности с.-х. культур;

· разработаны три модуля программного обеспечения (Agro-Log, Agro-Dat, Agro-Con) для обслуживания этих комплексов;

· создана передвижная агрохимическая лаборатория для покоординатного забора и анализа образцов почвы;

· создана радиосистема для определения координат работающих с.-х. агрегатов с использованием системы GPS или ГЛОНАСС и базовой радиостанции;

· разработана электромеханическая система для картографирования урожайности к комбайну "Нива";

· составлена картограмма урожайности зерновых культур;

· созданы электромеханические исполнительные устройства для измерения дозы внесения удобрений.

Авторы статьи разработали схему двухсистемной машины для дифференцированного удобрения почвы. Машина состоит из бункера, установленного на колесах, с одним из которых соединен датчик для регистрации числа его оборотов. На днище бункера смонтирован пластинчато-прутковый транспортер, над задним концом которого шарнирно закреплена дозирующая заслонка с исполнительным механизмом, а под ним — центробежный рассеивающий диск. К передней стенке бункера прикреплен оптический прибор для агрохимического анализа почвы, а в кабине трактора установлен бортовой компьютер. Датчик, исполнительный механизм и оптический прибор проводами функционально соединены с компьютером.

Для обеспечения работы этой машины по первой системе необходимо провести покоординатный анализ почвы одним из описанных способов, разработать ее картограмму, записать на дискету (или чип) и установить ее в компьютер, а затем задать необходимый уровень содержания элемента (азота, фосфора или калия) в почве после ее удобрения.

Информация о координатах расположения агрегата на поле от датчика (через суммирование сделанных колесом оборотов) и с дискеты о содержании в почве (на месте нахождения машины) соответствующего вносимым удобрениям элемента непрерывно поступает в компьютер. Последний на основании этих данных непрерывно формирует команды, которые поступают на исполнительный механизм. Тот соответствующим образом увеличивает или уменьшает открытие дозирующей заслонки (т. е. изменяет дозу вносимых удобрений). В результате этого содержание в почве накопленного ранее и внесенного машиной, например, калия будет одинаковым по всему полю.

При работе машины по второй системе оптический прибор перманентно ведет агрохимический анализ почвы, результаты которого поступают в компьютер, а последний формирует команды об увеличении или уменьшении дозы внесения удобрений в зависимости от содержания соответствующего элемента в почве.

По первому варианту машину можно использовать уже сейчас, а по второму — после поступления на рынок оптических приборов для агрохимического анализа почвы.

Будущее — за широким использованием точного земледелия в с.-х. производстве. Результаты его внедрения в значительной степени зависят от постановки на серийное производство машин для дифференцированного удобрения почвы с установленными на них оптическими (или иными) приборами агрохимического анализа.

Статья взята из журнала "Тракторы и сельскохозяйственные машины", 2003 год, № 8