Научная концепция и алгоритм реализации элементов прецизионного земледелия в условиях оросительной сельскохозяйственной мелиорации

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 1(29), 2018 г., [160-169] УДК 631.58:528.8.04

В. Иг. Ольгаренко, А. Н. Бабичев, В. А. Монастырский

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск, Российская Федерация

НАУЧНАЯ КОНЦЕПЦИЯ И АЛГОРИТМ РЕАЛИЗАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ПРЕЦИЗИОННОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ В УСЛОВИЯХ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ МЕЛИОРАЦИИ

Основной целью реализации прецизионного земледелия в условиях орошения является повышение эффективности использования водных, энергетических и других видов ресурсов, увеличение урожайности сельскохозяйственных культур за счет поддержания равномерной влажности почвы по каждому сегменту орошаемого поля. Концепция прецизионного земледелия при реализации приемов орошения обязывает принимать во внимание локальные почвенно-климатические, гидрологические и организационно-хозяйственные условия не только рассматриваемого в общем агроландшафта, но и каждого его сегмента в частности. Для выявления и оценки неоднородности влажности почвы орошаемого поля используют новейшие технологии отечественного производства, обеспечивая снижение оросительных норм при общем увеличении урожайности сельскохозяйственных культур. Эксперимент по определению влажности почвы при использовании гиперспектральной аппаратуры был поставлен в обществе с ограниченной ответственностью «Агропредприятие «Бессергеневское» Октябрьского района Ростовской области на посадках картофеля. Измерения проводили до полива при влажности почвы 80 % наименьшей влагоемкости в слое 0,4 м и непосредственно после полива. Проведенный эксперимент с применением макетного образца мобильной гиперспектральной камеры позволил разработать алгоритм реализации орошения и показал, что при поливе возможен учет фактической влажности почвы, а вместе с дифференциацией поливной нормы в автоматическом режиме - поддержание равномерной влажности почвы по каждому сегменту орошаемого поля. Это позволит применять концепцию прецизионного земледелия в орошении, обеспечивая рациональное использование водных, энергетических и других видов ресурсов вместе со снижением интенсивности процессов деградации почв и увеличением урожайности сельскохозяйственных культур.

Ключевые слова: прецизионное орошение, научная концепция, алгоритм, эксперимент, влажность почвы, гиперспектральная аппаратура.

V. Ig. Olgarenko, A. N. Babichev, V. A. Monastyrskiy

Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems, Novocherkassk, Russian Federation

SCIENTIFIC CONCEPT AND IMPLEMENTATION ALGORITHM OF PRECISION FARMING ELEMENTS UNDER IRRIGATED AGRICULTURAL RECLAMATION

The main goal of the precision farming implementation in irrigation is to increase the efficiency of water, energy and other types of resources, to increase the yield of agricultural crops by maintaining uniform soil moisture for each segment of the irrigated field. The concept of precision farming under irrigation method implementation obliges us to take into account the local soil and climatic, hydrological and organizational-economic conditions of not only the agrolandscape under consideration, but also of each of its segments in particular. To

identify and assess the heterogeneity of soil moisture in the irrigated field, the latest technologies of domestic production are used ensuring the reduction of irrigation norms with a general increase in agricultural crops yield. An experiment to determine soil moisture using hyper-spectral equipment was carried out with planting potatoes in the limited liability company "Agroprestpriyatie "Bessergenevskoye" of Oktyabrskiy district Rostov region. The measurements were carried out prior to irrigation with soil moisture of 80 % lowest moisture capacity in the 0.4 m layer and immediately after irrigation. The experiment with the application of mobile hyperspectral camera prototype enabled the development of irrigation implementation algorithm and showed that the actual soil moisture content can be taken into account by irrigation and maintaining uniform soil moisture for each segment of the irrigated field with the differentiation of irrigation norm in automatic regime. This will make it possible to apply the concept of precision agriculture in irrigation ensuring the rational use of water, energy and other types of resources together with decrease of intensity of soil degradation processes and increase in crop yields.

Key words: precision irrigation, scientific concept, algorithm, experiment, soil moisture, hyperspectral equipment.

Введение. В текущих условиях развития растениеводства последующее увеличение уровня производства сельскохозяйственных культур не может проходить интенсивно без проведения комплекса мероприятий по повышению эффективности использования природных ресурсов и реализации интенсивно-адаптивных технологий возделывания полевых культур. Одним из путей решения определенной задачи является широкое внедрение достижений научно-технического прогресса, совершенствование форм управления процессами производства, разработка и использование в орошаемом земледелии адаптируемой к изменяющимся почвенно-климатическим, гидрологическим и организационно-хозяйственным условиям агроландшафта новой технологии возделывания сельскохозяйственных культур, соблюдающей основные принципы и понятия «сбалансированных» с точки зрения экологии агроландшафтов [1-4].

При всех положительных технических характеристиках орошения необходимо также отметить основной недостаток - невозможность поддерживать равномерную влажность почвы по каждому сегменту орошаемого поля из-за микрорельефа поверхности почвы, условий обработки почвы, состояния и вида возделываемых сельскохозяйственных культур, влияния скорости ветра и других причин, что еще больше усугубляется при последующих поливах [5-10]. Так, разница во влажности почвы будет непрерывно

возрастать, что негативно сказывается на условиях роста и развития растений, а разница в величине урожайности по полю изменяется до 30 % [11-15].

Концепция прецизионного земледелия при реализации приемов орошения обязывает принимать во внимание эти локальные почвенно-климатические, гидрологические и организационно-хозяйственные условия, учитывать их неоднородности и особенности. Следуя этим тезисам, будут применять дифференциацию поливной нормы в условиях орошаемого поля по его сегментам. В результате можно будет ожидать снижение оросительных норм при общем увеличении урожайности сельскохозяйственных культур, что говорит о рациональном использовании водных, энергетических и других видов ресурсов вместе со снижением интенсивности процессов деградации почв.

Для выявления и оценки неоднородности влажности почвы орошаемого поля будут использоваться новейшие технологии отечественного производства, разработанные на базе Ракетно-космического центра «Прогресс» с привлечением научно-технического потенциала ФГБОУ ВО «СамГТУ», ФГАОУ ВО «СамНИУ» им. С. П. Королева, ИСОИ РАН - филиала ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН.

В этих условиях создание системы планирования технологических решений является актуальным. Базой для этой системы предстают алгоритмы планирования реализации приемов орошения, учитывающие не только математические модели, но и управленческие решения, при принятии которых используются разнообразные банки данных и которые являются основой для внедрения элементов прецизионного земледелия в процессы орошения земель. Основанием для проведения работ являлось выполнение опытно-конструкторских работ ФГБНУ «РосНИИПМ» по государственному заданию Минсельхоза России на 2017 г.

Материалы и методы. Эксперимент по определению влажности почвы при использовании гиперспектральной аппаратуры был поставлен

в ООО «Агропредприятие «Бессергеневское» Октябрьского района Ростовской области на посадках картофеля. Измерения проводили до полива при влажности почвы 80 % наименьшей влагоемкости (НВ) в слое 0,4 м и непосредственно после полива. Почвенный покров однороден и представлен лугово-черноземными почвами.

Влажность почвы до полива 25,4 % (80 % НВ в слое 0,4 м), после полива влажность почвы 31,8 %, или 100 % НВ в слое 0,4 м.

В связи с тем, что дождевальная машина (ДМ) осуществляет круговые движения по полю, монтируемую гиперспектральную аппаратуру было предложено выполнить в виде кругового сканирующего механизма. Макет гиперспектральной аппаратуры был выполнен с использованием оптической схемы Оффнера. Макет гиперспектральной аппаратуры для ДМ был закреплен с использованием поворотной головки на вращающем механизме, который в свою очередь располагался на штативе (рисунок 1).

Рисунок 1 - Макет гиперспектральной аппаратуры наземного типа

Результаты и обсуждение. В ходе эксперимента осуществлялась съемка спектральных изображений на местности с использованием вращающейся платформы на штативе с постоянной скоростью. Данные измерения в определенной степени моделируют условия съемки специализированной аппаратурой, которую предлагается устанавливать на ДМ. На рисунке 2 приведен пример снятого макетом гиперспектральной аппаратуры изображения.

Рисунок 2 - Гиперспектральный куб посадок картофеля

Для того чтобы поставить в соответствие каждому спектральному каналу определенную длину волны, проводилась калибровка программы с использованием перестраиваемого лазера EKSPLA ЭТ200 (Латвия) и формировался калибровочный файл. Полученный калибровочный файл использовался при спектральном анализе отснятых изображений. По результатам калибровки длин волн гиперспектрометра установлена возможность получения значения индекса влажности почвы дистанционно.

На основании результатов эксперимента разработан алгоритм реализации орошения (рисунок 3).

При установлении поливных норм исходят из положения, что при поливе должен увлажняться только активный слой почвы и содержание влаги в нем не должно превышать НВ. Так, в расчетах предлагается учитывать водно-физические свойства почвы, фактические влагозапасы и рассчитывать поливную норму строго в установленных пределах. После про-

ведения полива предусматривается межполивной период, когда влагозапа-сы, используясь на процессы транспирации растений и испарение, опускаются до установленных критических пределов.

а - плотность сложения почвы, г/см3; Н - расчетный слой почвы, м; Рыв - влажность почвы при НВ, в % от массы сухой почвы; Рпп - влажность предполивного порога, в % от массы сухой почвы; Рф - фактическая влажность почвы, % от массы сухой почвы; Жф - фактические влагозапасы, мм; Жкр - влагозапасы при критическом уровне, мм; т - поливная норма, мм; То - срок окончания полива; Тку - срок окончания поливного периода

Рисунок 3 - Алгоритм управления орошением

Выводы. Проведенный эксперимент с применением макетного образца мобильной гиперспектральной камеры показал, что при поливе возможен

учет фактической влажности почвы, а вместе с дифференциацией поливной нормы в автоматическом режиме - поддержание равномерной влажности почвы по каждому сегменту орошаемого поля. Это позволит применять концепцию прецизионного земледелия в орошении, обеспечивая рациональное использование водных, энергетических и других видов ресурсов вместе со снижением интенсивности процессов деградации почв и увеличением урожайности сельскохозяйственных культур. Несомненно, подобные результаты требуют дальнейшего исследования с постановкой классического полевого опыта, созданием информационной базы данных и разработкой не только оборудования, но и программного обеспечения для управления рассматриваемыми приемами орошения и их реализации (а данные приемы следует классифицировать как «прецизионное орошение»).

Список использованных источников

1 Щедрин, В. Н. Состояние и перспективы развития мелиорации земель на юге России / В. Н. Щедрин, Г. Т. Балакай // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации [Электронный ресурс]. - 2014. - № 3(15). - С. 1-15. - Режим доступа: http:rosniipm-sm.ru/dl_fi-les/udb_files/udb13-rec274-field6.pdf.

2 Щедрин, В. Н. Современное состояние и пути дальнейшего развития мелиорации в России / В. Н. Щедрин // Проблемы рационального использования природохозяй-ственных комплексов засушливых территорий: сб. науч. тр. междунар. науч.-практ. конф.; под науч. ред. В. П. Зволинского / ФГБНУ «ПНИИАЗ». - Волгоград: Волгоградский ГАУ, 2015. - С. 340-351.

3 Корсак, В. В. Применение ГИС-анализа для оценки природных условий поливного земледелия / В. В. Корсак, Н. А. Пронько, Н. Н. Насыров // Научная жизнь. -2014. - № 2. - С. 18-24.

4 Ольгаренко, Г. В. Научно-техническое обеспечение программы развития мелиорации земель / Г. В. Ольгаренко // Мелиорация и водное хозяйство. - 2013. - № 6. -С. 2-4.

5 Vina, A. New developments in the remote estimation of the fraction of absorbed photosynthetically active radiation in crops / A. Vina, A. A. Gitelson // Geophysical Research Letters. - 2005. - Vol. 32, № 17. - С. 1-4.

6 Щедрин, В. Н. Математические методы прогнозирования в мелиорации /

B. Н. Щедрин, С. М. Васильев, В. М. Игнатьев // Современное состояние и приоритетные направления развития аграрной экономики в условиях импортозамещения: материалы междунар. науч.-практ. конф., пос. Персиановский, 17 февр. 2016 г. - Персианов-ский: Донской ГАУ, 2016. - С. 151-158.

7 Васильев, С. М. Мониторинг орошаемого агроландшафта с учетом калибровки данных дистанционного зондирования в рамках геоинформационных технологий /

C. М. Васильев, Л. А. Митяева // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета [Электронный ресурс]. -2017. - № 131. - С. 216-231. - Режим доступа: http:ej.kubagro.ru/2017/07/pdf/23.pdf.

8 Ольгаренко, Г. В. Народно-хозяйственная эффективность федеральной целевой программы развития мелиорации в России / Г. В. Ольгаренко, Д. Г. Ольгаренко / Мелиорация и водное хозяйство. - 2012. - № 5. - С. 2-5.

9 Кравчук, А. В. Роль верхнего порога влажности при назначении режимов орошения сельскохозяйственных культур / А. В. Кравчук // Научное обозрение. - 2015. -№ 3. - С. 29-32.

10 Щедрин, В. Н. Стратегические направления развития мелиоративного сектора в АПК / В. Н. Щедрин, С. М. Васильев // Стратегическое направление развития АПК стран СНГ: материалы XVI Междунар. науч.-практ. конф. - Краснообск: СФНЦА РАН, 2017. - С. 167-169.

11 Ольгаренко, Г. В. Проблемы и перспективы технического обеспечения орошения / Г. В. Ольгаренко // Мелиорация и водное хозяйство. - 2010. - № 2. - С. 8-10.

12 Ольгаренко, И. В. Экологически устойчивые мелиоративные системы / И. В. Ольгаренко, В. И. Ольгаренко // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - 2009. - № 6(21). - С. 205-209.

13 Бородычёв, В. В. Алгоритм решения задач управления водным режимом почвы при орошении сельскохозяйственных культур / В. В. Бородычёв, М. Н. Лытов // Мелиорация и водное хозяйство. - 2015. - № 1. - С. 8-11.

14 Ольгаренко, В. И. Экосистемные подходы к функционированию оросительных систем / В. И. Ольгаренко, И. В. Ольгаренко, В. Иг. Ольгаренко // В мире научных открытий. - 2017. - Т. 9, № 1. - С. 115-130.

15 Григоров, М. С. Управление водным режимом почвы при капельном орошении лука / М. С. Григоров, С. М. Григоров, Д. С. Винников // Современное научное знание в условиях системных изменений: материалы Первой нац. науч.-практ. конф. / ФГБОУ ВО «Омский ГАУ». - Омск: Омский ГАУ, 2016. - С. 16-19.

References

1 Shchedrin V.N., Balakay G.T., 2014. Sostoyanie i perspektivy razvitiya melioratsii zemel' na yuge Rossii [The state and prospects for the development of land reclamation in the south of Russia]. Nauchnyy Zhurnal Rossiyskogo NIIProblem Melioratsii [Scientific Journal of Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems], no. 3(15), pp. 1-15, available: http:rosniipm-sm.ru/dl_fi-les/udb_files/udb13-rec274-field6.pdf. (In Russian).

2 Shchedrin V.N., 2015. Sovremennoe sostoyanie iputi dal'neyshego razvitiya melioratsii v Rossii [The current state and ways of further development of reclamation in Russia]. Problemy ratsional'nogo ispol'zovaniya prirodokhozyaystvennykh kompleksov zasushlivykh territoriy: sb. nauchykh trudov mezhdunar. nauchno-prakticheskoy konferencii [Problems of rational use of environmental complexes of drylands. Proceed. intern. scientific-practical conference]. FGBIU "PNIAAZ". Volgograd, Volgograd State Agrarian University Publ., pp. 340-351. (In Russian).

3 Korsak V.V., Pronko N.A., Nasyrov N.N., 2014. Primenenie GIS-analiza dlya otsenkiprirodnykh usloviy polivnogo zemledeliya [Application of GIS-analysis for assessment of natural conditions of irrigated agriculture]. Nauchnaya zhizn' [Scientific Life], no. 2, pp. 18-24. (In Russian).

4 Ol'garenko G.V., 2013. Nauchno-tekhnicheskoe obespechenie programmy razvitiya melioratsii zemel' [Scientific and technical support for the land reclamation program development]. Melioratsiya i vodnoe khozyaystvo [Irrigation and Water Management], no. 6, pp. 2-4. (In Russian).

5 Vina A., Gitelson A.A., 2005. New developments in the remote estimation of the fraction of absorbed photosynthetically active radiation in crops. Geophysical Research Letters. vol. 32, no. 17, pp. 1-4. (In English).

6 Shchedrin V.N., Vasiliev S.M., Ignatyev V.M., 2016. Matematicheskie metody prognozirovaniya v melioratsii [Mathematical methods of forecasting in land reclamation]. Sovremennoe sostoyanie i prioritetnye napravleniya razvitiya agrarnoy ekonomiki v uslovi-yakh importozameshcheniya: materialy mezhdunar. nauchno praktichesloy konferentsii, Per-sianovskiy [Current state and priority directions of development of agrarian economics under conditions of import substitution. Proceed. of scientific-practical conference, Persianovsky]. Donskoy State Agrarian University Publ., pp. 151-158. (In Russian).

7 Vasil'ev S.M., Mityaeva L.A., 2017. Monitoring oroshayemogo agrolandshafta s uchetom kalibrovki dannykh distantsionnogo zondirovaniya v ramkakh geoinformatsionnykh tekhnologiy [Irrigated agrolandscape monitoring taking into account remote sensing data calibration under geoinformation technologies]. Politematicheskiy setevoy elektronnyy nauchnyy zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Polythematic online scientific journal of Kuban State Agrarian University], no. 131, pp. 216-231, available: http:ej.kubag-ro.ru/2017/07/pdf/23.pdf. (In Russian).

8 Ol'garenko G.V., Ol'garenko D.G., 2012. Narodno-khozyaystvennaya effektivnost' federal'noy tselevoy programmy razvitiya melioratsii v Rossii [National economic efficiency of the federal target program for the development of land reclamation in Russia]. Melioratsiya i vodnoe khozyaystvo [Irrigation and Water Management], no. 5, pp. 2-5. (In Russian).

9 Kravchuk A.V., 2015. Strategicheskie napravleniya razvitiya meliorativnogo sektora v APK [The role of upper moisture threshold in assigning the regimes of agricultural crop irrigation]. Nauchnoe obozrenie [Scientific Review], no. 3, pp. 29-32. (In Russian).

10 Shchedrin V.N., Vasiliev S.M., 2017. Strategicheskie napravleniya razvitiya meliorativnogo sektora v APK [Strategic directions for the development of land reclamation sector in agroindustrial complex]. Strategicheskoe napravlenie razvitiya APK stran SNG: materialy XVI mezhdunarodnoy. nauchno-prakticheskoy konferentsii [Strategic direction for the development of agroindustrial complex of CIS countries: Proceed. of the XVIth international scientific-practical conference]. Krasnoobsk, SFNTS RAS, pp. 167-169. (In Russian).

11 Ol'garenko G.V., 2010. Problemy iperspektivy tekhnicheskogo obespecheniya oro-sheniya [Problems and prospects of technical support for irrigation]. Melioratsiya i vodnoe khozyaystvo [Irrigation and Water Management], no. 2, pp. 8-10. (In Russian).

12 Ol'garenko I.V., Ol'garenko V.I., 2009. Ekologicheski ustoychivyye meliorativnye sistemy [Ecologically sustainable reclamation systems]. Trudy Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Proceed. of Kuban State Agrarian University], no. 6(21), pp. 205-209. (In Russian).

13 Бородычёв, В. В. Алгоритм решения задач управления водным режимом почвы при орошении сельскохозяйственных культур / В. В. Бородычёв, М. Н. Лытов // Мелиорация и водное хозяйство. - 2015. - № 1. - С. 8-11.

13 Borodychev V.V., Lytov M.N., 2015. Algoritm resheniya zadach upravleniya vod-nym rezhimom pochvy pri oroshenii sel'sko-hozyajstvennyh kul'tur [Algorithm for solving problems of controlling soil water regime for irrigation of crops]. Melioraciya i vodnoe ho-zyajstvo [Irrigation and Water Management], no. 1. pp. 8-11. (In Russian).

14 Ol'garenko V.I., Ol'garenko I.V., Ol'garenko V.Ig., 2017. Ekosistemnye podkhody kfunktsionirovaniyu orositel'nykh sistem [Ecosystem approaches to the operation of irrigation systems]. V mire nauchnykh otkrytiy [In the World of Scientific Discoveries], vol. 9, no. 1, pp. 115-130. (In Russian).

15 Grigorov M.S., Grigorov S.M., Vinnikov D.S., 2016. Upravlenie vodnym rezhimom pochvy pri kapel'nom oroshenii luka [Control of soil water regime under drip irrigation of onions]. Sovremennoe nauchnoe znaniye v usloviyakh sistemnykh izmeneniy: materialy pervoy nats. nauchno-prakticheskoy konferentsii FGBOU VO «Omskiy GAU [Modern scientific knowledge under systemic changes. Proceed. of the First national scientific-practical confer-

ence. FGBOU VO "Omsk State Agrarian University"]. Omsk, Omsk State Agrarian University Publ., pp. 16-19.

Ольгаренко Владимир Игоревич

Ученая степень: кандидат технических наук Должность: старший научный сотрудник

Место работы: федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации»

Адрес организации: Баклановский пр-т, 190, г. Новочеркасск, Ростовская область, Российская Федерация, 346421 E-mail: olgarenko_vi@mail.ru

Olgarenko Vladimir Igorevich

Degree: Candidate of Technical Sciences Position: Senior Researcher

Affiliation: Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems Affiliation address: Baklanovsky ave., 190, Novocherkassk, Rostov region, Russian Federation, 346421

E-mail: olgarenko_vi@mail.ru

Бабичев Александр Николаевич

Ученая степень: доктор сельскохозяйственных наук

Должность: начальник отдела управления продуктивностью орошаемых агробиоценозов Место работы: федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации»

Адрес организации: Баклановский пр-т, 190, г. Новочеркасск, Ростовская область, Российская Федерация, 346421 E-mail: BabichevAN2006@yandex.ru

Babichev Alexandr Nikolaevich

Degree: Doctor of Agricultural Sciences

Position: Head of Department of Productivity Management of Irrigated Agrocoenosis Affiliation: Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems Affiliation address: Baklanovsky ave., 190, Novocherkassk, Rostov region, Russian Federation, 346421

E-mail: BabichevAN2006@yandex.ru

Монастырский Валерий Алексеевич

Ученая степень: кандидат сельскохозяйственных наук

Должность: старший научный сотрудник отдела управления продуктивностью орошаемых агробиоценозов

Место работы: федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации»

Адрес организации: Баклановский пр-т, 190, г. Новочеркасск, Ростовская область, Российская Федерация, 346421 E-mail: rosniipm@yandex.ru

Monastyrskiy Valeriy Alekseyevich

Degree: Candidate of Agricultural Sciences

Position: Senior Researcher of Department of Productivity Management of Irrigated Agro-coenosis

Affiliation: Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems Affiliation address: Baklanovsky ave., 190, Novocherkassk, Rostov region, Russian Federation, 346421

E-mail: rosniipm@yandex.ru