СПОСОБ ПОДКОРМКИ СЕРОСОДЕРЖАЩИМИ УДОБРЕНИЯМИ
METHOD OF FEEDING WITH SULFUR-CONTAINING FERTILISERS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способу оптимальной подкормки удобрениями культивируемых растений и к системе для его осуществления.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Сбалансированное питание растений гарантирует эффективное производство высококачественных продуктов питания и промышленных изделий, в основе которых лежат растительные сырьевые материалы, а также их способность обеспечивать страну продуктами питания. Сбалансированное питание растений совместно с хорошими условиями для их роста на полях создает хорошую основу для высокой урожайности и способствует эффективной утилизации питательных веществ, внесенных в почву в качестве вклада в производство, за счет чего снижается риск вымывания питательных веществ в окружающую среду, особенно в водохозяйственные системы.
Сера - необходимое питательное вещество для растений, в котором растение нуждается, по меньшей мере, в том же количестве, что и в фосфоре. Раньше серу добавляли к композициям химических удобрений лишь в небольших количествах, поскольку в течение нескольких десятилетий для удовлетворения потребности культивируемых растений в сере использовались серные осадки, вызванные кислотными дождями. Однако для снижения неблагоприятного воздействия на окружающую среду были установлены стандарты выбросов для промышленных предприятий. Ограничительные стандарты выбросов привели к заметному снижению количества серы, доступной для растений. Эта проблема в Западной Европе уже является острой. Производство энергии в Великобритании, например, очень сильно зависит от тепловых станций, работающих на угле. Поскольку выбросы в атмосферу в этой отрасли промышленности заметно снизились, оценки, выполненные в середине 90-х годов, показали, что доступность серы для растений в течение последнего десятилетия постепенно снижалась. Одновременно непрерывно снижалось содержание серы в пробах пшеничного зерна, взятых в Великобритании. Исследования также показали, что содержание серы в пробах зерна к настоящему времени снизилось по сравнению с результатами измерений, проведенных в начале 80-х годов, и изменилось его географическое распределение. Даже в высокоиндустриализированных регионах пробы зерна уже не содержат больше серы по сравнению с другими регионами. Первичный относительно ограниченный анализ содержания серы в пробах растений из Финляндии и стран Балтии выявил сходную тенденцию в Финляндии и соседних регионах.
Наиболее тревожным наблюдением, сделанным в результате исследований содержания серы, является то, что на очень большой территории культивируемые в настоящее время растения явно страдают от дефицита серы. Это подтверждается отношением «азот:сера», определенным в образцах - отношение больше 16:1 является точным индикатором дефицита серы. Хотя сера не относится к основным питательным веществам с точки зрения потребляемых количеств, дефицит серы оказывает исключительно сильное влияние на урожайность культивируемых растений. На самом деле исследования, проведенные в Великобритании, показали, что дефицит серы снижал урожайность пшеницы на одну пятую часть, тогда как влияние удобрения серой на повышение урожайности составлял 30-40%, в зависимости от года. Такая сильная реакция урожайности частично может быть объяснена тем, что дефицит серы снижает гидравлическую проводимость фиброваскулярной ткани, за счет чего усиливается или даже возникает водный стресс. Различные виды растений обладают различной чувствительностью к дефициту серы. Так, например, турнепс, культивируемый в Финляндии, обладает исключительной чувствительностью, так как в нем синтезируются соединения серы, которые, в свою очередь, играют роль в защитных реакциях растений против вредителей. Снижение урожайности турнепса, отмечаемое в последнее десятилетие в Финляндии, отчасти может быть обусловлено постепенно снижающейся доступностью серы.
Также подтверждено, что дефицит серы, безусловно, связан с качеством продукции. Однако это не обязательно является прямым следствием снижения урожайности, поскольку сера тесно взаимодействует с основным питательным веществом для растений - азотом. Тесно взаимодействующие метаболические функции азота и серы в растении, страдающем от дефицита серы, взаимно изменяются по сравнению с ситуацией, когда снабжение серой обеспечено. Особенно выраженным является влияние на качество белка. При дефиците серы серосодержащие аминокислоты синтезируются в меньшем количестве, и они заменяются другими аминокислотами, часто менее ценными с точки зрения питания. Таким образом, растение, выросшее в условиях дефицита серы, не только обнаруживает меньшую урожайность, но и качество таких растений заметно хуже не только с точки зрения питания человека, например снижение качества хлебного зерна и выпечки, солодового ячменя и выхода солода, но и с точки зрения корма для скота, например снижение качества кормового зерна, фуража или белковых кормов, производимых из турнепса после выжимки масла. Таким образом, дефицит серы имеет множество последствий для отраслей промышленности, использующих культивируемые растения в качестве сырьевого материала. По мере выявления и устранения недостатков в производстве сырьевых материалов, например в обработке почв, производство сырьевых материалов становится все легче контролировать, а прогнозы в отношении урожайности и качества продукции улучшаются, и это полезно для потребителей сырьевых материалов. Кроме того, высококачественные сырьевые материалы повышают эффективность производственных процессов и продуктивность домашних животных.
Принципиально промышленность, производящая удобрения, превосходно подготовлена к производству искусственных удобрений, обогащенных серой. Возможным вариантом может быть переход от удобрений на основе хлора к удобрениям на основе серы, хотя такие удобрения создают проблему с расходами землепользователей, культивирующих растения, поскольку удобрения на основе серы, безусловно, являются более дорогими. Чтобы стимулировать земледельцев в Финляндии и странах Балтии в будущем использовать удобрения, обогащенные серой, вначале необходимо доказать полезность этих удобрений. Только в тех ситуациях, когда земледелец уверен, что дополнительные инвестиции повысят ценность его продукции, например в отношении количества и качества, его можно убедить в выгодности таких инвестиций. Сера, не использованная растениями, имеет тенденцию вымываться из почвы, особенно из грубых минеральных почв с низким уровнем разложения, при этом она относительно хорошо удерживается в глине.
Таким образом, в этой связи важными вопросами являются своевременное удобрение серой и проведение подкормки серосодержащим удобрением только в тех местах, которые явно испытывают дефицит серы в сезон роста растений. Фактически проблема состоит в том, как получить достоверную информацию относительно времени, места и объема необходимого удобрения серой. В Патенте Финляндии №107368 В, принадлежащем заявителю по настоящей заявке, описан способ оптимального удобрения азотом культивируемых растений с целью оптимизации количества и качества урожая с использованием биоиндикатора, например белка или аминокислоты. Этот способ обеспечивает определение потребности в удобрении азотом и распределение азотсодержащего удобрения в необходимом оптимальном количестве во время или после сева. Эта процедура невозможна в случае серы, поскольку не существует эквивалентного непосредственного индикатора для измерения ее содержания, а абсолютное значение как таковое не является столь же значимым.
В предыдущей заявке на патент FI 20021199 автор настоящего изобретения описал способ определения факторов, локально или географически ограничивающих сельскохозяйственное производство, и оценки их взаимного влияния с помощью экспертной системы. В заявке также описана эта компьютерная или компьютерно-сетевая система, в которой решение передавалось по сети передачи данных в качестве сигнала обратной связи для выполнения дальнейших действий. Эта система была разработана с целью идентификации центральных лимитирующих факторов с использованием различных источников информации с фокусом на определении значимости и применении экспертной системы в качестве инструмента.
В Патенте США №5566069 описана сеть передачи данных, предназначенная для сбора и анализа агрономических данных. Этот патент сфокусирован на сохранении данных в полевых условиях и на дальнейшей их обработке in situ. Также указана возможность предоставления анализов земледельцам для использования, без ознакомления их с дополнительными подробностями. На практике обследование затруднено из-за требующего большого времени и трудоемкого забора проб, что создает тенденцию к ограниченному сбору местных данных.
Дефицит серы в растениях можно выявить различными способами - либо посредством общей оценки с помощью определения отклонений в развитии растений, например с использованием аэросъемки, либо более конкретно - посредством определения содержания серы в почве или непосредственно в растениях. Измерения в анализируемых образцах растений могут включать в себя, например, определение общего содержания серы, содержания сульфата или колебаний содержания глутатиона в ходе вегетационного периода. Было показано, что особенно полезным является определение отношения «малат:сульфат», как описано в публикации Blake-Kalff, M. et al. 2002, Sulphur Deficiency Diagnosis using Plant Tissue Analysis. The Proceedings №503, International Fertiliser Society, York, UK, 1-24. В этом способе образец листьев, репрезентативный для поля, берут в первый раз перед началом роста соломы (уровень роста 22-27) или перед стадией образования розетки листьев масличного рапса или турнепса из молодых листьев, в которых прежде всего проявляется дефицит серы. Перед фактическим анализом образец высушивают в печи или, например, между листами кухонной бумаги. Анализ следует проводить в лаборатории, где имеется аппарат для хроматографического анализа ионов. Если в первом образце не обнаруживается дефицита серы, рекомендуется повторить отбор образцов на стадии роста соломы зерновых растений или на стадии образования розетки листьев масличных растений. Способ связан с проблемой необходимости раздельного проведения анализов на каждом поле в ключевых местах и, что еще более важно, многократного отбора образцов. Особенно значительно замедляют доступ земледельца к информации необходимость высушивания образцов и доставки их в лабораторию, обладающую навыками профессионального анализа, собственно анализ и возврат информации совместно с рекомендациями по использованию серосодержащих удобрений, тогда как дефицит серы в течение всего этого времени может вызывать потери в урожайности и качестве. С другой стороны, в тех случаях, когда дефицита серы нет, образец анализируют, главным образом, из соображений безопасности, так что расходы на анализы снижают прибыль, полученную от урожая с данного поля.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является внесение в почву серы (в форме серосодержащих удобрений), необходимой для растений, в количестве, полезном для растений, перед началом вегетационного периода и поддержание уровня серы, полезного для растений, в течение всего вегетационного периода. Дополнительной задачей является снижение потребности в излишних анализах на серу и исключение чрезмерного удобрения серой.
В настоящее время обнаружено, что круглогодичный мониторинг, то есть мониторинг в течение сезона роста и в период между сезонами роста, разработка баланса серы для конкретного времени и места, подходящего для выращиваемых растений, и использование этих данных для определения количества серы, которое может использовать растение, позволяют дать, в случае необходимости, высоко специфичную рекомендацию по дополнительной подкормке серой растений, страдающих от дефицита серы.
Способ согласно настоящему изобретению характеризуется признаками, определенными в независимых пунктах формулы изобретения.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В способе согласно настоящему изобретению для конкретного времени и места собирают данные, в типичном случае - открытые, позволяющие определить количество серы, которое могут использовать растения в каждом месте в определенный момент времени, для любого типа культивируемых растений.
В этом контексте под вегетационным периодом подразумевают период, в течение которого культивируемое растение находится на стадии роста и нуждается в наличии питательных веществ, таких как сера, в субстрате, на котором оно растет. Под промежуточным периодом подразумевают период между двумя вегетационными периодами, в течение которого растение не нуждается в сере из почвы. В зависимости от окружающих условий сельскохозяйственный год может включать в себя несколько вегетационных периодов и/или промежуточных периодов; например, в средиземноморских странах, таких как Испания, может быть по два урожая в год.
В этом контексте, целевая урожайность может подразумевать количество сельскохозяйственной культуры, равное целевому урожаю сельскохозяйственной культуры отдельного земледельца при оптимальных условиях или оценке, основанной на доходе от урожая, полученного в предыдущий вегетационный период.
Согласно настоящему изобретению целевая урожайность обеспечивает возможность оценки количества серы, необходимого для соответствующего культивируемого растения. Количество серы, которое может использовать растение, можно рассчитать, например, на основании анализа изменений, вызванных условиями окружающей среды в ходе вегетационного периода.
Перед началом вегетационного периода, т.е. в конце промежуточного периода, потребность в дополнительной сере можно оценить либо на основании данных по предыдущему промежуточному периоду, либо посредством расчета изменений, произошедших в балансе серы во время промежуточного периода. Баланс дает вероятное необходимое количество серы, которое можно сообщить земледельцу в форме рекомендации, прежде чем он начнет, например, удобрять почву перед посевом.
Во время вегетационного периода необходимо сравнить предыдущую оценку количества серы с текущей ситуацией, что обеспечит как можно более эффективные реакции на отклонения от установленного количества серы, доступного для растений. Если отклонение отрицательное, то есть существует дефицит серы, можно провести подтверждающее измерение непосредственно на культивируемом растении, если это необходимо. Если дефицит серы будет подтвержден, земледельцу дают рекомендацию о необходимости дополнительной подкормки серой на основании величины отклонения.
Определение количества серы, которое может быть использовано растениями, согласно настоящему изобретению требует информации о специфичных для времени и места факторах, влияющих на баланс серы. Такие факторы могут включать, например, данные о сере, например данные о серных осадках, метеорологические данные, например информацию о погодных условиях, и информацию о почве, например информацию о свойствах почвы. Данные о местоположении также необходимы для адаптации участка. Кроме того, все данные собирают как функции времени.
Данные о местоположении согласно настоящему изобретению включают, например, данные, идентифицирующие положение хозяйства и участка, на котором возделывается определенная культура, например границы и координаты участка, причем информация о местоположении должна быть определена однозначно.
В качестве источника информации можно использовать, например, Интегрированную систему управления и контроля Европейского Сообщества или открытые источники информации сельскохозяйственных административных органов различных государств, таких как министерства сельского и лесного хозяйства, например можно использовать информацию из Центра статистики Министерства сельского и лесного хозяйства Финляндии или можно получить данные непосредственно от земледельца.
Информация о почве согласно настоящему изобретению необходима для расчета вероятного вымывания серы. Тип почвы на каждом участке, например минеральный, глинистый или органический, можно идентифицировать, например, по данным, представляемым земледельцами, по данным реестров лабораторий, занимающихся анализами почв, например Viljavuuspalvelu Oy в Финляндии (Служба удобрений), или государственных реестров почв, которые можно получить, например, из Геологического исследовательского центра в Финляндии. Типичными для Финляндии типами почв являются, например, супесь (Не), суглинок (HeS), крупнообломочный осадочный грунт (HHt), тяжелая глина (HsS), моренный грунт (HtMr), наносная глина (HtS) или средне-мелкий песок (KHt), свойства которых, связанные с вымыванием или проницаемостью для воды и соединений серы, хорошо известны или были смоделированы.
Кроме того, определение количества серы, доступного для растений, согласно настоящему изобретению требует конкретных для определенного времени и места данных по сере, которые могут представлять собой информацию о серных осадках, о влиянии осадков на содержание серы в субстрате или о влиянии на содержание серы способности субстрата к удержанию серы или проницаемости субстрата. Серные осадки можно определить, например, для всей территории Европы или только для нескольких отдельных стран. В Финляндии информацию об осадках можно получить в Метеорологическом бюро. Можно производить мониторинг серных осадков как функции количества и времени согласно различным моделям, например согласно модели HIRLAM (Machenhauer, В. HIRLAM final Report, Копенгаген, декабрь 1988 г.). Часть этой модели описана в сети Интернет. Приведенная ниже карта основана на данных этой модели или модели HILATAR (Региональная масштабная модель транспорта соединений серы и азота. Part of the report Finnish Meteorological Institute Contributions (Часть отчета «Труды Финского метеорологического института»), №21).
Как вариант, можно определить серные осадки, например, посредством простого измерения количества дождевых осадков при помощи стандартного дождемера и анализа содержания серы или сульфатов в воде, собранной в водомере. Если это необходимо, эти данные можно также интерполировать к участкам, расположенным между измерительными станциями.
Можно дополнительно и по выбору производить определение взаимодействия между дождевыми осадками, серными осадками и вымыванием серы, например, посредством измерения этих переменных более одного раза в месяц или, например, посредством имитации конкретной системы с помощью математических моделей, предназначенных для имитации системы «грунт-растение-атмосфера».
Для определения количества серы также необходимо собрать для определенного времени и места региональные метеорологические данные за соответствующие периоды времени, например данные о количестве атмосферных осадков и вариациях атмосферных осадков и температуры. Эти данные обеспечивают возможность расчета изменений в балансе серы, вызванных метеорологическими данными.
Для определения количества серы различные данные объединяют с данными о подстилающих породах для данного места.
В предпочтительном примере осуществления настоящего изобретения данные для конкретного места и времени можно обработать с помощью экспертной системы, которая объединяет, например, коммерческую систему планирования, используемую на производственном участке каждой конкретной фермы, например Finnish FarmitWisu, Agrineuvos, LORIS или International Farm Works.
В предпочтительном примере осуществления из данных о субстрате, например данных о координатах, формируют запись данных в банке данных экспертной системы для специфических для данного места отчетов о мониторинге, расчетах, прогнозировании и реализации. Таким образом, данные, полученные из различных источников, привязывают к определенному участку посредством координатных данных.
Экспертная система - это компьютерная программа для обработки данных, которая может состоять из информационной системы с данными об участках, такой как ARCMAP, которая содержит базы данных, например, такие как MS SQL. Они обеспечивают возможность различных операций с данными об участках, и пользователь может самостоятельно добавить в систему любые необходимые дополнительные стандартные расчеты. Использование экспертной системы обладает преимуществом быстрой обработки и передачи больших объемов данных для конкретных участков и моментов времени.
Данные, полученные из различных источников, дают возможность определения дополнительного количества серы, необходимого для культивируемых растений, посредством вычитания количества серы (кг/га), доступного для растений, из потребности в сере, рассчитанной по целевой урожайности культуры.
Количество серы, доступное для растений, является алгебраической суммой серы, поступающей на рассматриваемую территорию, и серы, покидающей эту территорию, к которой добавляют количество серы (кг/га), которое имеется на данной территории в начальный момент исследования и которое естественно для данного типа почвы и доступно для растений.
Сера, поступающая на данную территорию, состоит из части, вносимой человеком (удобрения), части, образующейся из осадков, выпадающих из воздуха, и из серы, которая уже присутствует в почве и преобразуется в течение рассматриваемого периода из формы, недоступной для растений, в форму, доступную для растений (минерализация).
Сера удаляется с данной площади посредством вымывания водой.
Можно привести следующий пример расчета потребности в дополнительной сере, то есть в удобрении серой.
Начальный момент контрольного периода может быть выбран произвольно. Начальный момент определяют как момент, в который количество серы в почве, доступное для растений, определяют или посредством измерения использования среднего значения для данного типа почвы (основанного на ранее проведенных измерениях), или посредством расчета (расчет описан выше). Контрольный период заканчивается в тот момент, когда культуру, потребность которой в серном удобрении рассчитывают, убирают с поля. Контрольные периоды можно разделить на две части: если имеются реальные результаты измерений о компонентах, варьирующих в контрольный период (осадки, серные удобрения, минерализация серы, вымывание серы) или если имеются прогностические данные по этим компонентам, основанные на средних исторических данных. Контрольный период может начаться с конца уборки урожая в августе 2003 г. и закончиться в конце следующей уборки урожая в августе 2004 г. Расчет выполняют в начале мая 2004 г., так что имеются результаты реальных измерений за период с конца августа 2003 г. до конца апреля 2004 г. и используются оценки, основанные на исторических данных о переменных компонентах, для периода с начала мая 2004 г. по конец августа 2004 г.
Если это необходимо, земледельцу можно передать информацию о дополнительном удобрении серой на основании определенного количества серы, если отклонение (отклонение = оценка - реальное значение) является отрицательным по сравнению с оценкой количества серы.
4
Рекомендация относительно внесения удобрения может быть количественной и/или качественной. Количества обычно выражают в кг/га, а рекомендации относительно качества могут относиться, например, к сульфату аммония, к смешанному серосодержащему NPK-удобрению или к MgSO.
Способ согласно настоящему изобретению можно использовать для определения и устранения дефицита серы в культивируемых растениях, например в масличных растениях, предпочтительно в масличном рапсе, турнепсе или подсолнечнике, в горчице или редисе, или в бобовых растениях, предпочтительно в бобах, горохе или сое, или в зерновых культурах, предпочтительно в ячмене, овсе, пшенице или кукурузе.
В течение вегетационного периода количество доступной серы можно регулировать через заданные промежутки времени, например если наблюдается отклонение от оцененного количества серы, например на основе метеорологических данных, анализа отклонений, вызванных окружающей средой, таких как влияние преципитации и типа почвы на вымывание серы, а также влияние температуры на выделение серы из определенного типа почвы. Если атмосферные осадки превышают заданное значение, доля вымывания возрастает, а если температура выше заданного значения, сера будет выделяться в количестве, превышающем заданное значение. Также можно оценить количество серы, захваченное растениями в течение вегетационного периода, посредством использования моделей роста, основанных на метеорологических данных. Однако при расчете баланса содержание серы в растениях обычно принимают постоянным.
Если доказано, что отклонение в ходе вегетационного периода является отрицательным, можно взять образцы растений с исследуемой территории в определенные моменты времени для определения отношения «малат-сульфат», чтобы подтвердить вероятное отклонение содержания серы.
В соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения земледельцу можно передать специфические для данного места и момента времени оценки количества серы, доступной для растений, совместно с рекомендациями относительно возможного времени и места отбора образцов для подтверждения расчетного отклонения. Это позволяет исключить ненужные анализы образцов растений на тех территориях, где во время вегетационного периода количество серы соответствует оценкам, выполненным до начала вегетационного периода, а дистрофия вызвана другими факторами, а не дефицитом серы, например недостатком воды или азота.
Рекомендации по внесению дополнительных удобрений дают с целью устранения дефицита серы, подтвержденного в растениях.
Земледельцу может быть дана рекомендация относительно необходимости подтверждения отклонения и, если это необходимо, относительно необходимости дополнительного внесения удобрений один или больше раз за вегетационный период, в зависимости от изменений условий окружающей среды и их эффектов на количество серы. В предпочтительном примере осуществления изобретения отклонение, показанное экспертной системой и относящееся к реальному количеству серы, доступной для растений, по сравнению с оценкой количества серы, подтверждают посредством прямого анализа культивируемого растения с использованием определения соотношения «малата-сульфата», указанного выше, или определения соотношения азота-серы в листьях. Определение баланса серы можно выполнить в системе данных для участков, в которой требования к удобрению серой одновременно получают для очень большого количества полевых участков, если исходные данные, описанные выше, собраны для всех полевых участков. По выбору, расчет может быть проведен для нескольких точек в пределах одного участка поля, если необходимые исходные данные были измерены в нескольких точках в пределах участка поля.
Эффективность настоящего способа становится особенно очевидной в связи с тем, что согласно настоящему изобретению подтверждающие измерения содержания серы в ходе вегетационного периода направлены на зоны вероятного дефицита вместо многократного взятия земледельцами случайных образцов с различных полей для контроля за уровнем серы, как предлагалось, например, в публикации Blake-Kalff, M. et al. 2002, Sulphur Deficiency Diagnosis using Plant Tissue Analysis. The Proceedings №503, International Fertiliser Society, York, UK, 1-24.
Может потребоваться начальное измерение серы в почве, однако, по мере протекания мониторинга, можно начать использовать данные мониторинга и расчетные данные. Это обеспечивает возможность расчета оценок содержания серы для последующего промежуточного и/или вегетационного периода на основании данных о содержании серы в предыдущий вегетационный период.
Далее приведены примеры внесений серных удобрений, выполненных согласно настоящему изобретению, но не ограничивающих объем настоящего изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пример 1
Удобрение серой было оптимизировано по участкам земли во время промежуточного сезона, предшествовавшего сезону возделывания солодового ячменя в Финляндии, с использованием данных, введенных в экспертную систему перед началом вегетационного периода в 1997 г.
Базовые данные, введенные в систему, включали в себя идентификационные данные хозяйств и данные 400 участков земли, на которых возделывался солодовый ячмень, представленные земледельцами. Кроме того, сельскохозяйственные административные органы, статистический центр Министерства сельского и лесного хозяйства (TIKE) представили границы участков и координаты участков полей (идентификаторы участков) в форме файлов цифровых карт, пример которых приведен на фиг.1.
Тип почвы на каждом участке поля, например минеральный, глинистый или органический, был определен на основании данных, представленных земледельцами. В свою очередь, земледельцы получили данные о типе почвы, представив образцы почв для анализа их плодородия в Службу удобрений. На фиг.2 приведен пример данных о типе почвы.
Всем базовым данным был присвоен идентификационный код участка, то есть идентификатору участка, видам растений, типу почвы, и эти данные были объединены в запись данных, специфичную для данного конкретного участка. Базовые данные, маркированные идентификационным кодом участка, были переданы в банк данных об участках экспертной системы. В Таблице 1 приведен пример записи базовых данных.
Таблица 1
Идентификатор базового участка
Виды растений
Тип почвы
Площадь данного типа почвы в пределах участка, га
9270104989
Ячмень
HsS
3,5
9270104989
Ячмень
Не
1,1
9270104989
Ячмень
HeS
1,1
9270104989
Ячмень
HHt
0,2
В течение промежуточного периода между сбором предыдущего урожая и началом нового вегетационного периода ежемесячно собирали метеорологические данные. Собранные данные включали в себя специфические для конкретных участков региональные метеорологические данные о количестве осадков и данные о средней температуре воздуха.
В течение промежуточного периода ежемесячно собирали данные о серных осадках. Расчет серных осадков был выполнен в отношении количества и времени посредством измерения количества дождевых осадков и содержания серы в дождевой воде. Измерения для иллюстративного участка 9270104989 приведены в Таблице 2.
Данные по серным осадкам и метеорологические данные были объединены с идентификационными данными участка в запись данных, специфичную для данного места и времени.
Таблица 2
Идентификатор базового участка
Месяц
Средняя температура, °С
Атмосферные осадки, мм
Серные осадки, кг/га
9270104989
Сентябрь
8,8
44
0,28
9270104989
Октябрь
6,8
77
0,70
9270104989
Ноябрь
3,4
216
1,62
9270104989
Декабрь
-5,1
39
0,56
9270104989
Январь
-4,1
43
0,30
9270104989
Февраль
-3,3
66
0,52
9270104989
Март
0,0
26
0,54
9270104989
Апрель
2,0
32
0,15
Данные о серных осадках и метеорологические данные, маркированные идентификационным кодом участка, были перенесены из записи данных по конкретному участку в банк данных по участкам системы.
Затем было определено региональное количество серы в почве, доступное для растений во время промежуточного периода, до проведения предпосевного удобрения в начале вегетационного периода. Количество серных осадков было откорректировано на основании метеорологических данных посредством вычитания части (вымывания), которая может быть вызвана вымыванием серы с учетом эффекта осаждения и типа почвы (осадок), и прибавления, с другой стороны, количества серы, выделяющегося в данном типе почвы (минерализация) под влиянием температуры и в результате активности микробов:
Количество серы, доступной для растений = осадки - вымывание + минерализация
Согласно данным о типе почвы на данном поле (Таблица 1), наиболее распространенный на этом поле тип почвы HsS может удерживать воду, доступную для растений, в количестве, составляющем примерно 15% от ее объема (Webb, R.S., С.Е. Rosenweig and E.R. Levine. 1993. Specifying Land Surface Characteristics in General Circulation Models: Soil Profile Data Set and Derived Water Holding Capacities. Global Biogeochemical Cycles 7(1):97-108).
Расчет средних значений для данного участка был выполнен раздельно для различных типов почвы на участке. Когда в 1996 г. был убран предыдущий урожай, была занята половина доступной территории. До замерзания земли (в сентябре, октябре и ноябре) количество атмосферных осадков составило 337 мм, так что верхний слой почвы толщиной 1 метр (толщина культурной почвы принимается равной слою земли над дренажными системами, находящимися на глубине 1 метра) связал часть этого количества, а остаток, а именно 337-150*0,5=262 мм (78% атмосферных осадков), был отведен с полей дренажными системами. Эта вода принесла примерно такое же количество серных осадков, которое уже присутствовало в почве (2 кг/га) и которое достигло почвы за тот же период (2,6 кг/га), то есть 3,2 кг/га.
Основная часть серных осадков, образовавшихся в тот период, когда земля была замерзшей (с декабря по апрель), была вымыта с поля после того, как земля была насыщена водой весной после оттаивания земли, и сульфатная сера, которая легко растворяется в воде, не удержалась в почве. Общеизвестно, что всего 10%, то есть 0,2 кг/га, зимних осадков остается в поле, и сера не выделяется из природных резервов земли в то время, когда земля является холодной или промерзшей (осенью, зимой и весной), до мая, когда поле засевают и удобряют.
В мае вода уже начинает испаряться из земли, и серные осадки, поступающие с новыми атмосферными осадками, могут более эффективно удерживаться в земле. Во время сбора предыдущего урожая сера, доступная для растений, сохранялась в почве в количестве всего 2 кг/га, и она плохо выделяется из природных резервов почвы, когда земля является холодной или промерзлой осенью или весной.
Соответственно, эти данные позволяют получить баланс серы для участка поля, этот баланс серы затем можно использовать для планирования удобрения серой в промежуточный период участка под солодовый ячмень, выращиваемый на этом участке в вегетационный период 1997 г. (Таблица 3).
Таблица 3
Ключ
Баланс серы, кг/га
В почве после предыдущего вегетационного периода
2
Осадки, выпавшие на поле осенью до того, как земля промерзла
2,6
Сера, вымытая осенью
-3,2
Зимние осадки, оставшиеся на поле
0,2
Сера, выделившаяся из почвы в течение лета (оценка)
5
Баланс серы для целевой урожайности солодового ячменя, равной 4.000 кг/га
-16
Необходимое количество удобрения (если баланс отрицателен)
-9,4
Таким образом, общее необходимое количество серы определяют на основе количества серы, полученного до нового посева сельскохозяйственной культуры.
На основании определения баланса серы хозяйству, к которому относился рассматриваемый участок поля, была дана рекомендация по удобрению полей серой в соответствии с потребностью в сере, рассчитанной с помощью экспертной системы в банке данных по участкам. Рекомендация для наиболее распространенного на данном участке типа почвы составила 9,4 кг серы/га, то есть 470 кг удобрения, содержащего 2% серы.
Серный баланс был определен для всей анализируемой площади в системе данных об участках, в которой потребность в удобрении серой была определена одновременно для очень большого числа участков полей, при условии, что исходные данные, описывающие один участок поля в данном примере, были введены для всех участков полей.
Пример 2
Потребность в удобрении серой (т.е. в подкормке серными удобрениями) контролировали в течение вегетационного периода в соответствии с оценками, полученными с помощью экспертной системы для участка из Примера 1 (Таблица 1).
Адекватность потребности в сере для потенциальной урожайности была рассчитана в конце июня 1997 г. Факторами, вызывавшими отклонения баланса, были целевая урожайность, количество атмосферных осадков, количество серы, выделившейся из почвы, и серные осадки.
На этой стадии вегетационного периода земледелец оценил потенциальную урожайность как 5000 кг/га, то есть немного выше той оценки, для которой весной было запланировано внесение удобрений (4000 кг/га). Другими словами, более высокий уровень урожайности потребовал внесения серы в расчетном количестве, которое было на 4 кг/га больше количества, внесенного весной в ходе удобрения в процессе посева.
Средняя температура в период мая-июня (12,4°С) была близка к оценочной нормальной температуре (12,2°С), другими словами, отклонение было очень небольшим, так что обновление оценки количества выделившейся серы не производили.
Однако в период с мая по июнь серные осадки составили всего половину от нормальных осадков. С учетом серных осадков, составивших 2 кг/га по оценке ситуации в период вегетации ячменя, количество серного удобрения нужно было увеличить на 1 кг/га из-за различия между реальными осадками и оценочными осадками.
Измеренное количество атмосферных осадков было на 81 мм меньше, чем оценочное значение испарения в период мая-июня, так что дождевая вода оставалась в поле, а не отводилась дренажными системами. Соответственно, в этот период не было вымывания серы.
Согласно расчетам, произведенным с использованием экспертной системы, потребовалось увеличить количество серных удобрений в общей сложности на 5 кг/га.
Это заметное отклонение, и было принято решение произвести анализ на содержание серы в растениях с данного участка посредством определения содержания азота в растении и сравнения его с содержанием серы. Эти анализы подтвердили, что культура страдала от дефицита серы, поскольку соотношение «азот-сера» превышало 20 во всех образцах. В случае ячменя значения больше 15 считаются относящимися к группе, указывающей на дефицит.
В начале июля земледельцу дали рекомендацию произвести распыление сульфата магния для компенсации дефицита серы и для предотвращения нарушения качества ячменя и снижения урожайности из-за дефицита серы. Рекомендация состояла в распылении сульфата магния в количестве 38 кг/га с целевым выходом серы, равным 5 кг/га. В этом случае внесение удобрений было произведено как равномерное внесение удобрений, то есть одинаковое количество удобрения было внесено во все точки участка поля.
Пример 3
В течение вегетационного периода 2000 г. адекватность удобрения серой, проведенного в промежуточный сезон, предшествовавший вегетационному сезону, контролировали на 659 участках, засеянных ячменем.
В конце июня в систему данных об участках были внесены следующие данные за период мая-июня согласно Примеру 2: температура воздуха, количество атмосферных осадков, количество серных осадков и оценка урожайности, произведенная земледельцем для каждого участка на основании условий роста в начале лета.
На основании этой информации был пересмотрен расчет баланса серы из Примера 2 с учетом следующих данных:
оценка урожайности → количество серы, необходимой для такого урожая,
температура воздуха → количество серы, выделившейся из почвы,
количество атмосферных осадков → вымывание серы,
серные осадки → количество серы, выпавшей из воздуха и доступной для растений.
Мониторинг выявил на участке поля растения, для которых потребность в сере, определенная перед посевом, оказалась слишком низкой с учетом новой ситуации, и рост которых был заметно задержан из-за дефицита серы.
Мониторинг показал, что риск возникновения дефицита серы был высоким в некоторых областях (фиг.3: темные области). Эти области включали в общей сложности 28 анализируемых участков, засеянных ячменем. Ситуация была проверена на этих 28 участках, которые предположительно нуждались в дополнительном количестве серы (отрицательный баланс серы) посредством отбора образцов растений и анализа адекватности содержания серы для оптимального роста этих образцов.
Ситуация с содержанием серы в растении была проанализирована посредством определения отношения «азот-сера» в листьях растений. Отношение содержания азота к содержанию серы в листьях было равно 20 во всех образцах. Соответственно, образцы подтвердили дефицит серы на этих конкретных участках, и земледельцы получили рекомендацию о необходимости удобрения серой. Рекомендация была рассчитана для каждого участка, входящего в систему данных об участках, при этом данные, полученные в начале лета, были обновлены способом, описанным в Примере 2.