СПОСОБ ФОТОМЕТРИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ АЗОТНОГО ПИТАНИЯ РАСТЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ (БПЛА)
METHOD OF PHOTOMETRIC DIAGNOSTICS OF NITROGEN NUTRITION OF PLANTS USING UNMANNED AERIAL VEHICLES (DRONES)

Изобретение относится к области сельского хозяйства. Оперативная диагностика азотного питания сельскохозяйственных культур применяется для определения потребности растений в подкормках азотными удобрениями в течение вегетационного периода.
Существует несколько способов диагностики нуждаемости культивируемых растений в азоте. Наиболее простой - это визуальная диагностика, при которой оценка состояния посева той или иной культуры оценивается глазомерно, главным образом по состоянию биомассы и интенсивности зеленой окраски листьев растений [1].
Недостатком данного способа является субъективизм специалиста-оценщика, а также отсутствие объективных количественных критериев результатов диагностики. К более надежным, объективным показателям обеспеченности сельскохозяйственных культур азотом относятся химические методы диагностики, включая определение валового (общего) азота в биомассе или индикаторных органах растений, а также концентрации нитратов в соке, выжатом из стеблей или листовых черешков. Недостатком химических методов диагностики, несмотря на адекватность отражения уровня обеспеченности растений азотным питанием, служит продолжительность и трудоемкость выполнения, потребность в квалифицированных лаборантах, а также в специальной лабораторной аппаратуре и химических реактивах, включая опасные для здоровья концентрированные кислоты и щелочи.
К следующей группе методов диагностики азотного питания относятся фотометрические, основанные на косвенном определении концентрации зеленого пигмента растений - хлорофилла, непосредственно зависящей от обеспеченности их азотным питанием. Фотометрическими детекторами, встроенными в фотометрические приборы, фиксируется электромагнитное излучение от листьев или биомассы растений, облучаемых солнцем или светодиодами приборов.
Наибольшее практическое значение в настоящее время получило определение вегетационного индекса - (нормализованного дифференцированного вегетационного индекса - NDVI), представляющего собой отношение разницы между величинами отраженного от растений инфракрасного и красного света к их сумме [2]. Детекторами фотометрических приборов (N-тестеров) улавливается излучение в красной и инфракрасной области электромагнитного спектра, а электронными устройствами производится расчет вегетационных индексов с выводом результатов расчета на дисплеи и в память фотометров. При этом разными фотометрами вегетационные индексы выражаются, как правило, различными относительными единицами, т.е. дробными или целыми числами, выводимыми на дисплеи приборов.
Недостатком данных методов диагностики является необходимость физического взаимодействия фотометров различной конструкции с индикаторными органами - листовыми пластинками или всей биомассой вегетирующих растений. Для репрезентативной оценки обеспеченности высеянной культуры азотным питанием требуется, в зависимости от площади поля, от нескольких десятков до нескольких сотен индивидуальных определений вегетационного индекса, что связано со значительными затратами времени, труда и энергии.
Существуют также дистанционные методы определения NDVI фотометрическими приборами, устанавливаемыми на беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), пилотируемых вертолетах или самолетах, а также на космических платформах [3].
Недостатком таких способов определения нуждаемости посевов сельскохозяйственных культур в азотных подкормках является необходимость в специальной дорогостоящей аппаратуре, включающей приемные устройства для фиксации электромагнитных волн в разных диапазонах электромагнитного спектра их отражения от растительности и передачи их пользователям, обладающим высокой квалификацией по обработке полученной авиакосмической информации.
Цель изобретения - диагностика азотного питания растений с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), снабженных обычными цифровыми видеокамерами, для снижения сложности, трудоемкости и стоимости обследования вегетирующих посевов, повышения производительности работ.
Достигается тем, что вместо трудоемкой наземной или дорогостоящей дистанционной диагностики специальными приборами осуществляется фотографирование вегетирующего посева с беспилотных летательных аппаратов, оборудованных обычными цифровыми фото- или видеокамерами с последующим переносом цветных фотоизображений через цветные принтеры персональных компьютеров (РК) на бумажные носители и использованием полученных фотоснимков для определения интенсивности их зеленого цвета на отдельных фрагментах портативными фотометрами с определением азотного статуса растений. Исследования показали, что замена непосредственного определения азотного статуса растений в поле по вегетирующим растениям определением его по фотоснимкам данного поля позволяет с не меньшей точностью определить уровень обеспеченности растений азотным питанием.
2
Исследования проводили на базе эталонного полевого опыта с озимой пшеницей на Центральной опытной станции ВНИИ агрохимии им. Д.Н. Прянишникова в соответствии с общепринятой методикой полевых опытов [4]. Весной 2017 г. в опыте под озимую пшеницу внесены в виде аммиачной селитры возрастающие дозы азота: N0, N30, N60, N90 и N120, т.е. от нуля (контроль) до допустимо высокого уровня, рассчитанного на урожайность зерна 5 т/га по специальной автоматизированной программе [5]. Площадь каждой делянки полевого опыта составляла 60 м (15 м×4 м), повторность вариантов 3-кратная. Размещение вариантов опыта по повторениям - рендомизированное. В мае 2017 г., в фазу выхода растений в трубку, в опыте были проведены следующие операции по определению уровня азотного питания растений: а) фотометрия N-тестером «YARA» по фотоизображению полевого опыта, полученного с БПЛА, б) наземная фотометрия листьев растений с использованием портативного N-тестера «YARA», в) дистанционное определение NDVI с квадрокоптера ООО «АгроДронГрупп» г) стеблевая диагностика азотного питания по методике В.В. Церлинг [1] с окраской сока из отрезков стеблей раствором дифениламина в крепкой серной кислоте, д) измерение биологической активности почвы по эмиссии углекислого газа закрытой камерой [6]. В фазу полной спелости (15 августа 2017 г.) в полевом опыте проведен поделяночный учет урожайности зерна озимой пшеницы.
Внесенные весной азотные удобрения оказали заметное влияние на интенсивность зеленой окраски вегетирующих в опыте растений озимой пшеницы: с повышением доз азота усиливался зеленый цвет биомассы на делянках полевого опыта (рис. 1). Диагностика азотного питания непосредственно в полевом опыте в фазу трубкования растений озимой пшеницы портативным фотометрическим N-тестером «YARA» (рис. 2) показала закономерную зависимость интенсивности зеленой окраски листьев растений от доз внесенного азота удобрений, о чем свидетельствует высокий уровень коэффициента корреляции данных фотометрии с рассчитанной по этим данным кривой квадратичной регрессии (r=0,98). Столь же закономерной и высокой (r=0,97) оказалась зависимость показаний N-тестера «YARA» от доз азотных удобрений при фотометрии фотоснимка полевого опыта, сделанного с БПЛА обычной цифровой фотокамерой (рис. 3). Высокими значениями характеризовались коэффициенты парной линейной корреляции показаний фотометра «YARA», полученные при диагностике озимой пшеницы по фотоснимку с дозами азота (r=0,98) и с другими диагностическими показателями, а также с урожайностью зерна озимой пшеницы (табл. 1).
Приведенные диагностические показатели свидетельствуют о возможности камеральной обработки данных дистанционного фотографирования посевов сельскохозяйственных культур, в частности озимой пшеницы, для определения обеспеченности вегетирующих растений азотным питанием по интенсивности зеленой окраски фотоснимков, определяемой N-тестерами типа «Yara».
Реализация способа достигается следующим образом.
2
1. В ранневесенний период для калибровки используемого фотометра проводится закладка эталонного полевого опыта путем внесения под сельскохозяйственную культуру возрастающих доз азота до допустимо высокого, по агрономическому критерию, уровня с «шагом» 30 кг действующего вещества азотных удобрений (N) в расчете на 1 га с трехкратной повторностью вариантов и площадью каждой делянки 60 м. Уход за посевом осуществляется по общепринятой агротехнологии.
2. В начале активной вегетации растений, при высоком, не менее 50%, проективном покрытии почвы вегетирующими растениями, но не ранее чем через две недели от времени внесения азотных удобрений, осуществляется съемка эталонного опыта беспилотным летательным аппаратом (БПЛА) со встроенной видео- или фотокамерой с высоты около 30 м над поверхностью почвы, с последующим переносом фотоизображения эталонного полевого опыта через принтер РК с цветным картриджем на белый бумажный лист формата 4А.
3. Непосредственная калибровка фотометрического прибора выполняется в камеральных условиях путем сканирования фотоизображения делянок эталонного полевого опыта на бумажных полосках, разрезанных на снимке по границам делянок (рис. 4) и фиксацией полученных результатов сканирования.
4. Одновременно со съемкой эталонного полевого опыта осуществляется съемка всего обследуемого поля тем же БПЛА с высоты около 100 м над поверхностью почвы и также с выводом фотоизображения на бумажный носитель (рис. 5). При разделении фотоснимка на полоски шириной около 3 см по ним путем равномерного сканирования откалиброванным N-тестером всей площади фотоснимка из расчета не менее одного определения на 1 га фактической площади поля определяется усредненный уровень обеспеченности растений азотным питанием.
5. По показаниям откалиброванного фотометра даются рекомендации для внесения требуемой дозы азота для достижения целесообразного уровня обеспеченности растений азотным питанием в среднем по полю или по отдельным участкам, а также по другим полям с посевами данной культуры, возделываемой в сходных почвенно-климатических условиях. Для этого в программе Excel строится график зависимости показаний откалиброванного фотометра, полученных при сканировании фотоснимка эталонного полевого опыта, от доз азота (рис. 6) и по нему определяется, какой дозе азота соответствует показатель усредненного уровня обеспеченности растений азотом на всем поле. Вычитая величину этой дозы из наибольшей, внесенной в эталонном опыте, или рассчитанной на планируемую урожайность сельскохозяйственной культуры, определяют дозу для внесения азотных удобрений в среднем по полю для получения близкой к максимальной или планируемой урожайности данной культуры. Пример.
Весной 2017 г. проведена калибровка N-тестера «Yara» на базе полевого опыта с озимой пшеницей, высеянной осенью 2016 г. на производственном участке площадью около 20 га (Московская область). В опыте испытывались дозы азотных удобрений от 0 до 120 кг/га (табл. 1). Съемка полевого опыта проведена квадрокоптером со встроенной видеокамерой типа DJI Phantom с высоты 30 м, а всего поля - с высоты 100 м над поверхностью почвы. При калибровке N-тестера по фотоизображению делянок полевого опыта оказалось, что в контрольном варианте опыта, т.е. без внесения удобрений, показатель N-тестера равнялся 2 условным единицам (у.е.), при внесении 30 кг/га азота - 22 у.е., 60 кг/га - 26 у.е., 90 кг/га - 30 у.е., 120 кг/га - 37 у.е. При камеральной диагностике азотного питания озимой пшеницы путем сопоставления данных калибровки с данными по всему полю было установлено, что диагностические показатели в среднем по полю находилась на уровне 28 условных единиц, что соответствует средней обеспеченности растений азотным питанием, т.е. на уровне внесения азотных удобрений от 60 до 90 кг/га. При уточнении по графику, выполненному в Excel, соответствия показателя фотометра, равного 28 условным единицам, дозам азота, внесенным в эталонном полевом опыте, установили, что он указывает на дозу 65 кг/га (рис. 6). Исходя из этого близкая к максимальной урожайность озимой пшеницы да данном поле может быть получена при внесении 55 кг/га азота удобрений (120-65=55). Анализ результатов проведенных исследований показывает, что замена существующих сложных по исполнению и трудоемких полевых методов диагностики азотного питания сельскохозяйственных культур камеральной обработкой фотоснимков сельскохозяйственных полей предлагаемым способом позволяет значительно упростить и облегчить диагностические работы без снижения их агрономической точности.
Литература
1. Церлинг В.В. Диагностика питания сельскохозяйственных культур: Справочник - М.: Агропромиздат, 1990 - 235 с.
2. Pelcat Y., McConcey В., Basnyat P., Lafond Guy P., Moulin A. In-field management zones delineation from remote sensing imagery / Australian Centre for Precision Agriculture, The Unerversity of Sydney, NSW, 2006, pp. 42-53.
3. Афанасьев P.А., Ермолов И.Л. О перспективах роботизации точного земледелия // Труды международной научно-технической конференции «Экстремальная робототехника». - Санкт-Петербург: ООО «АП4Принт», 2016. - С. 30-35.
4. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. - М.: Колос, 1979. - 416 с.
5. Афанасьев Р.А., Поляков А.К., Эминов М.С. Программа расчета доз минеральных удобрений на запланированную урожайность сельскохозяйственных культур // Плодородие, 2010. №3. С. 44.
6. Определение дыхания почвы методом закрытых камер http://racechrono.ru/fizika-pochv/4012.