Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние, проблемы и задачи научного обеспечения производства растениеводческой продукции 14
1.1. Специфика современного земледелия и состояние отрасли 14
1.2. О роли адаптивно-ландшафтного подхода в развитии современного земледелия 19
1.2.1. Методологические основы 19
1.2.2. Проектирование адаптивно-ландшафтных систем земледелия (АЛСЗ) 23
1.2.3. Классификация АЛСЗ, проблемы и перспективы их реализации. 37
1.3. Точное земледелие - перспективное направление производства растениеводческой продукции 42
1.3.1. Концепция и основные подсистемы точного земледелия 44
1.3.2. Зарождение и развитие точного земледелия в России. 57
1.3.3. Эффективность применения, проблемы внедрения и развития точного земледелия 66
Глава 2. Научно-техническая платформа построения и реализации информационной системы поддержки прецизионного производства растениеводческой продукции 80
2.1 Методологические и концептуальные основы 80
2.2. Принципы построения, структура и функциональные возможности информационной системы 88
2.2.1. Эволюция развития идеи А.Ф. Иоффе «электронный агроном». 88
2.2.2. Структура и функциональные возможности информационной системы 93
2.3. Модуль ГИС (ГИС АФИ) 102
2.4 База аротехнологических знаний и управление её формированием 123
2.4.1. Специфические проблемы описания агротехнологических знаний. Новые возможности. 127
2.4.1.1. Компоненты описания и обработки агротехнологий (AT) 134
2.4.2. База моделей 142
Глава 3. Информационно-технологическая база прецизионного производства растениеводческой продукции 146
3.1. Вариограммный анализ пространственной неоднородности агроландшафтов для обоснования дифференциации технологических воздействий на сельскохозяйственном поле 149
3.1.1. Вариограммный анализ. Основные понятия 149
3.1.2. Трехкомпонентная модель изменчивости пространственной неоднородности сельскохозяйственного поля и ее количественные оценки . 154
3.1.3. Оценка перспективности применения точного земледелия для конкретной территории. 166
3.2. Выделение однородных технологических зон на сельскохозяйственном поле по результатам почвенного обследования, данным электронной карты урожайности и оптическим характеристикам посева 175
3.2.1. Мобильный автоматизированный комплекс для полевого обследования 175
3.2.2. Методика и представление результатов агрохимического обследования 180
3.2.3. Выделение однородных зон продуктивности по данным электронной карты урожайности сельскохозяйственного поля 191
3.2.3.1. Электронная карта урожайности. 191
3.2.3.2. Автоматизированная система стохастического выделения однородных зон по урожайности. 193
3.2.4. Теоретические и технологические основы прецизионного применения средств химизации по оптическим характеристикам посевов 201
3.2.4.1. Оптические критерии оценки физиологического состояния посевов 201
3.2.4.2. Диагностика азотного питания растений и выделение однородных технологических зон по колориметрическим характеристикам цифровых изображений посевов 210
Глава 4. Опыт разработки и апробации прецизионных агроприемов производства растениеводческой продукции и регионального мониторинга земель сельскохозяйственного назначения 228
4.1. Прецизионные технологии внесения минеральных удобрений и гербицидов 230
4.1.1. Специфические особенности формирования и реализации технологических решений в точном земледелии. 232
4.1.2. Информационно-техническая база построения и реализации прецизионных технологий. 240
4.1.2.1 Базовая (типовая) прецизионная технология внесения минеральных удобрений 240
4.1.2.2 Прецизионная технология внесения минеральных удобрений на основании данных агрохимслужбы 241
4.1.2.3 Прецизионная технология внесения минеральных удобрений на основании карт урожайности 243
4.1.2.4 Прецизионная технология азотных подкормок 252
4.1.2.5 Прецизионная технология внесения гербицидов по результатам аэромониторинга 254
4.1.3. Технологические карты производственной проверки прецизионных технологий 259
4.1.3.1. Технологическая карта опытно-производственной проверки базовой (типовой) прецизионной технологии внесения минеральных удобрений 259
4.1.3.2. Технологическая карта опытно-производственной проверки прецизионной технологии внесения минеральных удобрений на основании данных агрохимслужбы 260
4.1.3.3. Технологическая карта опытно-производственной проверки прецизионной технологии внесения минеральных удобрений на основании карт урожайности 261
4.1.3.4. Технологическая карта опытно-производственной проверки прецизионной технологии азотных подкормок 261
4.1.3.5. Технологическая карта опытно-производственной проверки прецизионной технологии внесения гербицидов по результатам аэромониторинга 262
4.2. Результаты сравнительных испытаний агротехнологий 262
4.2.1. Методика. 262
4.2.2. Результаты 265
4.3. Региональный мониторинг плодородия земель 269
4.3.1. Нормативная база 270
4.3.2. Научно-методическое обеспечение. 273
4.3.3. Мониторинг плодородия земель на основе сети стационарных агрополигонов в Ленинградской области. 276
Глава 5. Перспективы совершенствования информационно-технологической базы точного земледелия 282
5.1. Прецизионные эксперименты в совершенствовании нормативной базы применения удобрений 294
5.2. Вероятностно-статистическое моделирование в точном земледелии 304
5.2.1. Метод количественного анализа рисков неурожаев от изменения доли орошаемых земель 304
5.2.2. Метод оптимального выбора сортов для заданных почвенно-климатических условий. 309
5.2.3. Определение оптимальных доз мелиорантов при известковании почв 314
5.3. Использование сетевых технологий и предоставление сервисов . 322
Заключение 326
Список литературы 335
Приложение 1 362
Приложение 2 365
- Проектирование адаптивно-ландшафтных систем земледелия (АЛСЗ)
- Трехкомпонентная модель изменчивости пространственной неоднородности сельскохозяйственного поля и ее количественные оценки
- Результаты
- Использование сетевых технологий и предоставление сервисов
Введение к работе
Актуальность темы. Применяемые в сельском хозяйстве технологии производства растениеводческой продукции, базирующиеся на «уравнительных» принципах без учёта пространственной и временной изменчивости факторов среды, непосредственно влияющих на продуктивность агроэкосистем, не обеспечивают в полной мере устойчивого роста производства, его ресурсо- и энергоэкономичности, природоохранности.
Одними из наиболее эффективных методов решения вопроса дальнейшего развития отрасли, ее координации с другими сферами природопользовательского комплекса является использование прецизионных сельскохозяйственных технологий (так называемого точного земледелия) как комплексного средства управления природно-техногенными системами. Применение прецизионных технологий производства растениеводческой продукции путём научно обоснованного дифференцированного управления продукционным процессом сельскохозяйственных культур с использованием всех доступных средств получения и обработки измерительной информации в сочетании с современной роботизированной техникой позволит избежать негативных воздействий на растения и среду их обитания. Данные агроприёмы помогут повысить конкурентоспособность отечественного сельского хозяйства в рамках ВТО.
Сравнение прецизионных технологий растениеводческой продукции с другими высокомеханизированными технологиями показывает, что они позволяют получать не только более высокую урожайность и лучшее качество продукции, но и существенно снизить расход минеральных удобрений и средств защиты растений. Тем самым они позволяют уменьшить или полностью исключить вредное влияние сельхозпроизводства на окружающую среду и получить при этом более экологически чистую продукцию.
Цель работы. Цель диссертационной работы заключалась в разработке методологических и инструментальных основ компьютерной поддержки процесса формирования прецизионных агроприемов производства растениеводческой продукции и создании информационно-технологической базы их реализации в полевых условиях Ленинградской области. Механизм достижения цели базируется на исследованиях по усовершенствованию теоретических структур и схем формирования проблемно-ориентированных баз данных и знаний, синтезе на их основе прецизионных технологических приемов производства растениеводческой продукции, создании информационно-технологической базы с помощью современных методов и мобильных комплексов с навигационным и геоинформационным обеспечением, разработке алгоритмических и программных
средств по выделению границ внутриполевых однородных зон для выполнения агроприемов в системе точного земледелия.
Задачи исследования. Для достижения указанной цели в процессе работы над диссертацией было необходимо поэтапно выполнить следующие задачи:
разработать концепцию и структуру научно-технической платформы по синтезированию и реализации агроприемов производства растениеводческой продукции в системе точного земледелия;
изучить перспективность применения геостатистики и вариограммного анализа в количественной оценке пространственной неоднородности агроландшафтов и на данной основе разработать методику обоснования целесообразности дифференцированных технологических воздействий на заданном сельскохозяйственном поле;
разработать и создать алгоритмы и инструментальное обеспечение по функционированию гибридной модели описания, формализации и обработки разнородных данных, декларативных и процедурных агротехнических знаний;
усовершенствовать и апробировать в полевых условиях методику выделения однородных технологических зон на сельскохозяйственном поле по результатам его агрохимического обследования;
разработать и апробировать в полевых условиях методику и программное обеспечение по выделению однородных зон продуктивности на основании обработки электронных карт урожайности;
- разработать теоретические и технологические основы и апробировать в
полевых условиях методику выделения однородных зон по колориметрическим
характеристикам цифровых изображений посевов;
разработать пять прецизионных технологий внесения минеральных удобрений и гербицидов, создать информационно-техническую базу их реализации в системе точного земледелия и провести производственную проверку в условиях Ленинградской области;
разработать научно-методические основы проведения и обеспечить техническое сопровождение многолетних (2006-2012 гг.) полевых исследований по сравнительной оценке эффективности агротехнологий различной интенсивности, включая технологию точного земледелия по дифференцированному внесению удобрений;
обеспечить применение физико-технических и программно-аппаратных средств точного земледелия в мониторинговых исследованиях плодородных земель в сети стационарных агрополигонов, созданных в Ленинградской области;
усовершенствовать концепцию формирования информационно-технологической базы прецизионного производства растениеводческой продукции и предложить пути её реализации.
Научная новизна выполненных исследований заключается в следующем:
- на основе теоретических обобщений и при использовании опыта применения
информационных систем в агрономии разработана методология построения и
впервые создана и апробирована в опытно-производственных условиях
компьютерная система поддержки прецизионного производства растениеводческой
продукции;
мобильные комплексы с навигационным и геоинформационным обеспечением, программно-реализованные методики выделения чётких границ условно однородных участков внутри заданного сельскохозяйственного поля позволили впервые создать информационно-технологическую базу по реализации агроприемов в системе точного земледелия и продемонстрировать их эффективность в сравнении с обычными технологиями различной степени интенсивности;
- впервые региональные мониторинговые наблюдения организованы с
помощью современных технических средств точного земледелия, что позволило
существенно улучшить информационное обеспечение сельскохозяйственного
производства путём оперативного получения полезной и более полной и точной
информации о состоянии посевов и среды их произрастания;
- впервые разработана и предложена к использованию методика проведения
прецизионных экспериментов с применением информационных технологий точного
земледелия и современных методов обработки результатов для совершенствования
нормативной базы применения удобрений непосредственно в почвенно-
климатических условиях конкретного хозяйства.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что полученные в ходе исследований экспериментальные результаты убедительно свидетельствуют о целесообразности перехода на более точные технологии в земледелии. Точное земледелие открывает перед производителями новые возможности, особенно в плане обеспечения условий для получения большего количества качественной растительной продукции при существенной экономии ресурсов. Предложенные физико-технические и программно-аппаратные средства формирования информационно-технологической базы прецизионного производства растениеводческой продукции и компьютерная система в значительной степени окажут положительное влияние на темпы ускорения внедрения точного земледелия в России, а также на практическое освоение данных технологий на уровне конкретного хозяйства как для сбора и обработки разнородной информации о посевах, почве,
погоде, так и для реализации дифференцированных агротехнических воздействий на полях.
Разработанные в диссертации алгоритмы и методики оценки внутриполевой неоднородности и степени ее количественной изменчивости могут быть использованы в научно-исследовательских учреждениях страны, где проводятся исследования по точному земледелию. Так, например, разработанное и опубликованное в 2010 г. практическое руководство «Теоретические и методические основы выделения однородных технологических зон для дифференцированного применения средств химизации по оптическим характеристикам посева» содержит подробное описание дистанционных методов диагностики посевов и практические советы по использованию полученной информации в управлении азотным питанием по технологии точного земледелия. Поскольку подобные исследования в нашей стране находятся только в начальной фазе из-за, прежде всего, высокой стоимости оборудования для проведения такого рода исследований, его невысокой разрешающей способности, а также довольно сложной схемы его настройки, ценность подобного опыта вполне очевидна.
Проведенные исследования чрезвычайно востребованы и актуальны для аграрных учебных заведений РФ, так как демонстрируют современный подход в применении новейших информационно-инструментальных средств и технологий в производстве растениеводческой продукции. Для подготовки соответствующих специалистов и исследователей в области точного земледелия будет полезна опубликованная в 2008 г. монография «Информационное обеспечение точного земледелия».
Защищаемые положения.
Разработанные концепция, методологические подходы, алгоритмы и инструментальные средства являются обоснованной научно-технической платформой для создания компьютерной системы поддержки прецизионного производства растениеводческой продукции и информационно-технологической базы ее функционирования.
Созданный и апробированный физико-технический и программно-аппаратный базис, включая мобильные комплексы и роботизированные сельскохозяйственные машины, является достаточным для формирования информационно-технологической основы внутриполевого дифференцированного внесения минеральных удобрений и гербецидов, а также выполнения в полевых условиях соответствующих агроприемов в режимах точного земледелия off-line и/или on-line.
Перспективной методологией совершенствования информационно-технологической базы производства растениеводческой продукции является методология проведения полевых экспериментов с помощью технических средств и информационных технологий точного земледелия. Продемонстрировано, что процесс реализации предложенной прецизионной методологии способен обеспечить формирование нормативной базы применения удобрений в почвенно-климатических условиях конкретного хозяйства с возможностью осуществления полной факториальной схемы опыта на заданной территории.
Личный вклад автора. Автором сформулирована цель работы, разработаны методологические и инструментальные основы компьютерной поддержки процесса формирования агроприемов производства растениеводческой продукции и создания информационно-технологической базы их реализации в полевых условиях Ленинградской области, проанализированы результаты исследований и сделаны выводы. Разработка алгоритмов решения задач, составляющих вынесенные на защиту положения, проведена лично автором. Апробированное программное обеспечение по компьютерной поддержке процесса формирования прецизионных агроприемов на 60% написано лично автором.
Апробация работы. Полученные в ходе выполнения работы результаты исследований постоянно рассматривались и были одобрены на заседаниях Учёного Совета Агрофизического института, а также докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, форумах и собраниях: на IX Международной научно-практической конференции «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве» (Углич, 2006 г.); на III Международной научно-практической конференции «Информационные технологии, системы и приборы в АПК» (Новосибирск, 2006 г.); на Международной конференции «Современная агрофизика - высоким агротехнологиям» (Санкт-Петербург, 2007 г.); на Международной школе молодых учёных и специалистов (Санкт-Петербург, 2007 г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Инновации, землеустройство и ресурсосберегающие технологии в земледелии» (Курск, 2007 г.); на Международной научной конференции «Пространственно-временная организация почвенного покрова: теоретические и прикладные аспекты» (Санкт-Петербург, 2007 г.); на Международной научно-практической конференции, посвященной 125-летию книги В.В. Докучаева «Русский чернозём» (Санкт-Петербург, 2008 г.); на Международной научно-практической конференции «Интенсификация, ресурсосбережение и охрана почв в адаптивно-ландшафтных системах земледелия» (Курск, 2008 г.); на X Международной научно-практической конференции (Углич, 2008 г.); на Зерновом форуме (Санкт-Петербург, 200 8г.); на юбилейной 25-й Всероссийской научно-производственной
конференции «Сельскохозяйственные кадры и продовольственная безопасность России» (Санкт-Петербург, 2009 г.); на Всероссийской конференции с международным участием «Продукционный процесс растений: теория и практика эффективного и ресурсосберегающего управления» (памяти академика РАСХН Е.И. Ермакова) (Санкт-Петербург, 2009 г.); на Международной научно-практической конференции «Методы изучения продукционного процесса растений и фитоценозов» (Нальчик, 2009 г.); на XI Медународной научно-практической конференции «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве» (Углич, 2010 г.); на Всероссийской конференции с международным участием «Математические модели и информационные технологии в сельскохозяйственной биологии: итоги и перспективы» (Санкт-Петербург, 2010 г.); на IV Международной конференции-выставке «Экологические системы, приборы и чистые технологии» (Москва, 2010 г.); на Всероссийской конференции «Инновационные технологии - залог успешного развития растениеводства» (Москва, 2010 г.); на Международной научно-технической конференции «Внедрение информационных систем, использующих спутниковую навигацию, в технологиях аграрного комплекса. Опыт и перспективы» (Гомель, 2010 г.); на производственном семинаре «Внедрение научных достижений и передовых технологий в производство сельскохозяйственных предприятий «Ленплодовощ» (Санкт-Петербург, 2010 г.); на общем годичном отчётном собрании СЗРНЦ Россельхозакаде-мии (Санкт-Петербург, 2011 г.); на семинаре «Перспективы внедрения технологий точного земледелия в АПК РФ» в рамках XXI Международной агропромышленной выставки-ярмарки АГРОРУСЬ-2012 (Санкт-Петербург, 2012 г.); на научно-производственном семинаре «Технологии и технические средства точного земледелия (практические аспекты внедрения)» (Санкт-Петербург, 2013 г.).
Полученные в процессе исследований результаты по созданию отечественного программно-аппаратного базиса и информационно-технологических основ точного земледелия включались в инновационный фонд достижений Агрофизического института и демонстрировались на международных специализированных выставках «Золотая осень» и «Агрорусь», где были отмечены золотыми и серебряными медалями.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 научных работ, в том числе 18 статей в ведущих реферируемых научных журналах, рекомендованных в Перечне ВАК, и 7 коллективных монографий и методических пособий, имеется 4 свидетельства о государственной регистрации программ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, включающего 257 источника (из них 62 иностранных), и
двух приложений. Работа изложена на 367 страницах, содержит 20 таблиц и 68 рисунков.
Благодарности. Автор приносит благодарность коллективу отдела моделирования адаптивных агротехнологий и Меньковского филиала Агрофизического НИИ за постоянную помощь и оказанную поддержку в ходе выполнения данной работы. Особую признательность автор выражает научному консультанту д.т.н. В.М. Буре, зам. дир. АФИ по научной работе д.т.н. И.М. Михайленко, д.с-х.н. А.И. Иванову, Б.А. Телалу, С.Г. Часовских, к.с-х.н. В.В. Воропаеву, к.б.н. П.В. Лекомцеву, к.т.н. А.Ф. Петрушину, к.с-х.н. Д.А. Матвиенко, СВ. Коневу, а также ушедшим из жизни Р.А. Полуэктову и С.Г. Слинчуку.
Проектирование адаптивно-ландшафтных систем земледелия (АЛСЗ)
Проектирование АЛСЗ сопряжено с решением множества задач, связанных с рациональным экологически безопасным использованием земельных ресурсов, развитием животноводства, переработкой сельскохозяйственной продукции и ее хранением. В нашей стране имеется многолетний опыт, теоретическая и методическая база обоснования специализации сельскохозяйственного производства, оптимального соотношения отраслей и структуры использования земельных угодий [2]. Одним из главных результатов проектирования АЛСЗ является типизация земель по уровню почвенного плодородия, определение структуры посевных площадей, выбор технических и технологических приемов, а также организационно-правовых и финансово-экономических механизмов, которые должны обеспечивать в рыночных условиях устойчивое производство растениеводческой продукции и сельскохозяйственного сырья. При этом система ведения сельского хозяйства должна иметь соответствующую стратегию управления, приемлемую и общественно-полезную. Все отрасли этой системы - земледелие, животноводство, переработка, хранение и сбыт -должны быть в целях эффективности производства максимальным образом интегрированы.
Например, на Северо-Западе РФ на большинстве сельхозпредприятий основная часть растительной продукции поступает во внутрихозяйственный оборот, поэтому система земледелия проектируется в первую очередь, а если доля животноводства в валовом производстве не достигает 50% , то система земледелия автоматически становится основой ведения сельского хозяйства.
Концептуальная схема проектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия для сельскохозяйственного предприятия в рамках сложившейся системы ведения хозяйства представлена на рис. 1.1. [19].
Выбор цели проекта определяется принятой стратегией хозяйствования в регионе. На Северо-Западе РФ, например, суть такой стратегии заключается в финансовом оздоровлении отрасли АПК и в улучшении социальной обстановки в сельской местности за счёт преимущественного развития молочного животноводства и птицеводства. При этом главным вопросом, учитывая неблагоприятную конъюнктуру на зерновом рынке России, остаётся развитие собственной кормовой базы, включающей в себя лугопастбищное хозяйство и производство фуражного зерна. Следующим приоритетом стратегии является полное восстановление отраслей промышленного свиноводства и мясного скотоводства, ориентированных также на собственную кормовую базу. Среди базовых растениеводческих отраслей, влияющих на экономику АПК и характер устройства системы земледелия, главным является картофелеводство.
Таким образом, целью формирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия для данного региона является преимущественное развитие зернофуражной базы животноводства, лугопастбищного хозяйства и картофелеводства в объёмах, обеспечивающих устойчивое развитие региона в соответствии со складывающейся конъюнктурой регионального потребительского рынка при условии одновременного обеспечения высокой продуктивности и устойчивости агроландшафтов.
Этапы формирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия, как показывает практика, сводятся к следующим мероприятиям:
- исходному предпроектному мониторингу и функциональной оценке основных компонентов агроландшафта;
- построению специализированных математических моделей;
- разработке программы производства основных видов растениеводческой продукции в необходимых объёмах;
- собственно проектированию.
Агроэкологический мониторинг представляет собой систему специальных исследований режимов агроландшафтов с использованием наземных, авиационных и космических средств наблюдения, выполняемых с целью получения достаточной для анализа агроландшафтного потенциала и принятия решений по рациональному его использованию информации. Немаловажной задачей мониторинга является сбор информации о взаимодействии основных элементов агроландшафтов и агроэкосистем для последующего построения математических моделей, используемых при проектировании землеустройства территории [32-34].
Результаты мониторинга отображаются средствами агроландшафтного картографирования в крупном и среднем масштабах с использованием программных средств геоинформационных систем (ГИС), сопрягаемых с проектными математическими моделями.
Одним из важнейших свойств региональной системы земледелия должна быть разработка стратегии и тактики приведения её в действие, подготовка экономических и организационных решений, обуславливающих и стимулирующих её реальное освоение. Первый вопрос, на который должен быть найден ответ, какой и сколько сельскохозяйственной продукции должно быть произведено? Второй вопрос заключается в расстановке производственных приоритетов с позиции самообеспечения населения региона этой продукцией. В этом пункте как раз и проявляется связь между системами разных масштабов. Определение приоритетов обязывает администрацию предпринять определенные действия для стимулирования производства определенной продукции, что автоматически ведёт к созданию конъюнктуры.
Построение программы производства основных видов растениеводческой продукции в соответствии с принятой стратегией ведения хозяйства и прогнозируемой конъюнктурой регионального рынка осуществляется с помощью бизнес-планирования. Это способствует достижению компромисса между рыночным спросом на основные виды сельскохозяйственной продукции и производственными возможностями базовых отраслей АПК финансово-экономическими методами. Критерием оптимальности программы является приведенный доход отрасли, наиболее полно учитывающий движение материальных и денежных потоков.
Следует заметить, что ответ на вопросы, что целесообразнее производить и сколько, нужно искать последовательно, итерационным путём, начиная от определения некоторых максимумов, ограниченных природой (климат, почва, сорта растений, породы животных и т.п.), постепенно переходя к объективной реальности сегодняшнего состояния производства и прогноза его материально-технического, финансового и кадрового обеспечения в будущем. При этом на каждом шаге итерации должны выполняться расчёты необходимых ресурсов и экономической выгоды и определяться экологические риски. В конечном счете должно быть найдено несколько приемлемых вариантов, из которых хозяйствующий субъект выбирает оптимальный. Выбранный вариант структуры и объёмов производства является уже обоснованием разработки собственно адаптивно-ландшафтной системы земледелия для конкретного хозяйства.
Проектирование включает в себя комплекс мероприятий по разработке проектов землеустройства территории на основании природно-климатических характеристик, в том числе свойств жесткого и мягкого ландшафтного каркаса, оптимального подбора культур, севооборотов, технологий, обеспечивающих заданный уровень продуктивности и качества при условии сохранения устойчивости агроландшафтов и агроэкосистем. Рассмотрим это более подробно. Детальное же изложение теории и методики проектирования АЛСЗ представлено в работе [2].
Проектирование адаптивно-ландшафтного землеустройства территории хозяйства предусматривает типизацию земель по уровню почвенного плодородия, тепло- и влагообеспеченности, дифференциацию земель по функционально-целевому назначению, выбору оптимальных соотношений между угодьями в агроландшафтах, разработку природоохранных мер, специализацию предприятия.
Трехкомпонентная модель изменчивости пространственной неоднородности сельскохозяйственного поля и ее количественные оценки
Пространственная неоднородность сельскохозяйственного поля представляет собой достаточно сложное природное явление, которое состоит в естественном и/или антропогенно- обусловленном варьировании всевозможных почвенных, микроклиматических и иных факторов урожая от точки к точке. Интегральным отражением этой неоднородности является пространственное (внутриполевое) варьирование характеристик состояния посева и в конечном итоге - пространственная изменчивость урожайности.
Из опыта агрономических оценок пространственной неоднородности агроландшафтов, в особенности в случаях, когда речь идёт о пространственном варьировании различных почвенных факторов, представляется целесообразным выделять три главных компоненты изменчивости, существенно различающиеся своими частотными характеристиками [ 142].
Первая, назовём её условно «макрокомпонентой», ответственна за пространственную неоднородность в масштабе, существенно превышающем размеры отдельного поля или ограниченной сельскохозяиственннои территории. При этом в пределах отдельного поля макрокомпонента может интерпретироваться как некая детерминированная составляющая, которая проявляется в виде линейного (или нелинейного) тренда среднего уровня варьирующего фактора.
Вторая составляющая, назовём её «мезокомпонентой», характеризует вариабельность рассматриваемого фактора в пространственном масштабе, сопоставимом или меньшем характерных размеров поля. Следует отметить особую роль мезокомпоненты с точки зрения эффективности применения технологий точного земледелия. Именно за счёт этой составляющей формируется более или менее чёткая картина структурированной (т.е. обладающей выраженной внутренней связностью) пространственной неоднородности территории. Иначе говоря, именно мезокомпонента обуславливает целесообразность дифференциации технологических воздействий по условно однородным участкам внутри отдельных полей.
Третья составляющая, которую по аналогии с двумя предыдущими логично назвать «микрокомпонентой», характеризует высокочастотные флуктуации значений изучаемого фактора от точки к точке. Хорошо известно, в частности, что даже на небольших расстояниях характеристики почвы могут отличаться друг от друга очень значительно [146, 147]. В соответствии с этим будем считать, что микромасштабные флуктуации носят характер пространственно некоррелированного случайного шума, статистически не связанного с мезо- и макрокомпонентами неоднородности поля.
Исходя из самых общих представлений о микровариабельности характеристик участка, с уверенностью можно утверждать о существовании, по меньшей мере, двух главных порождающих её факторов. Первый - это естественная микронеоднородность почвы, ярко выраженная пестрота её сложения и механического состава, наличие микровозвышенностей и микровпадин, т.е. вариабельность микрорельефа, и т.д. Другой причиной реально наблюдаемых микромасштабных флуктуации являются случайные ошибки, которыми сопровождаются любые измерения, тем более, выполненные в полевых условиях. При определении тех или иных показателей по отобранным почвенным пробам случайные ошибки измерений могут быть весьма значительными.
Согласно такой трёхкомпонентной модели и при допущении аддитивного характера отдельных составляющих, что является обычным приёмом при описании различных природных процессов [144], неоднородность поля по пространственно варьирующему фактору / может рассматриваться как результат суперпозиции трёх описанных компонент. Иначе говоря, мы будем предполагать, что применительно к рассматриваемым характеристикам сельскохозяйственного поля допустимо разложение f{r) = m{r) + s{r) + e{r), (3.2) где f(r) - значение интересующего нас фактора / в произвольной точке поля г, т[г) - макрокомпонента (детерминированный тренд ) среднего уровня, s(r) - мезомасштабная составляющая варьирования, є(г) -микромасштабная компонента (случайные флуктуации), г- радиус-вектор, определяющий положение произвольной точки в выбранной системе координат{х,у), т.е. г = г(х,у).
Природа т(г), как правило, достаточно очевидна. «Медленные» изменения / чаще всего оказываются связаны с особенностями ландшафта -холмистостью, наличием склонов и впадин, специфическим расположением ложбин, оврагов, участков леса, естественных водоёмов и т.д. В ряде случаев макронеоднородность поля может обуславливаться определёнными антропогенными причинами, например, может быть следствием закономерного изменения интенсивности какого-то технологического воздействия в направлении движения сельскохозяйственного агрегата.
Масштабы макроизменений часто могут существенно превосходить размеры отдельного сельскохозяйственного поля. В этих случаях в пределах поля макрокомпонента проявляется в виде некоторой тенденции - линейного или нелинейного тренда среднего уровня пространственно варьирующего фактора, аппроксимируемого при необходимости детерминированной зависимостью Р(г). В простейшем случае это может быть полином первой степени P(r)=ax + by + c, (3.3) эмпирические коэффициенты которого a, b и с определяются тем или иным способом, например, по методу наименьших квадратов, исходя из известных значений фактора / в отдельных точках поля [х, у).
Вторая составляющая в формуле 3.2, обозначенная как s = s(r), описывает изменчивость фактора / в масштабах, меньших или сопоставимых с размерами сельскохозяйственного поля. Согласно принятой модели, считается, что мезокомпонента s(r) имеет достаточно сложную пространственную структуру и в отличие от макрокомпоненты т(г) не может быть описана никакой детерминированной зависимостью приемлемого уровня сложности.
С другой стороны, речь не идёт о чисто случайных вариациях. Значения мезокомпоненты в отдельных точках поля характеризуются определённой пространственной связностью, благодаря чему формируется более или менее чёткая картина пространственной неоднородности территории.
В рамках геостатистического подхода компонента s(r), определяющая мезомасштабную неоднородность сельскохозяйственного поля, интерпретируется как центрированная (обладающая нулевым средним) случайная компонента, для которой выполняется условие стационарности по второму моменту [131]. Это означает, что мезокомпонента в известном смысле повторяет себя на различных участках поля. А именно, меняясь от точки к точке, поле s(r) сохраняет некоторые важные свойства своей статистической структуры.
Следует также подчеркнуть, что поскольку среднее значение мезокомпоненты s(r) во всех точках поля по определению полагается равным нулю, для s(r) выполняется условие стационарности не только по второму, но и по первому статистическому моменту. При этом обычно говорят о стационарности второго порядка.
Последняя их трёх составляющих в формуле 3.2 - так называемая микрокомпонента є = є(г) - характеризует случайную вариабельность исследуемого фактора /, которая порождается соответствующей микромасштабной изменчивостью структурных, физико-механических и химических свойств почвы, а также случайными ошибками измерений. Микрокомпоненту є(г) предлагается интерпретировать как пространственно некоррелированный случайный шум с нулевым средним и неизменной в пределах поля конечной дисперсией, известной в геостатистике как наггет-дисперсия, или наггет [130, 131]. Предполагается также, что статистическая связь между случайными компонентами є(г) и s(r) отсутствует.
Результаты
В табл. 4.1 приведены обобщенные данные по контролируемым показателям (урожайность и количество азотных удобрений) в рассматриваемом сравнительном эксперименте за 2006-2008 гг. (с 2009 г. вариант «X» не проводился). Из рассматриваемой таблицы видно, что максимальная продуктивность наблюдалась по всем годам на варианте «ВИ+ТЗ». В среднем за три года он на 46 % выше, чем в контрольном варианте (К); на 37% выше, чем в «хозяйственном» варианте (X); и на 24 % выше, чем в «высокоинтенсивном» (ВИ). Любопытно отметить, что продуктивность варианта «ВИ+ТЗ» за 2008 год несколько ниже соответствующих средних показателей за 2006-2008 года, но существенно выше других вариантов. 2008 год оказался наиболее неблагоприятным по метеоусловиям в сравнении с 2006-2007 и 2009-2010 г.г. (Гидротермический коэффициент (ГТК) - интегральный показатель по тепло-влагообеспеченности был наилучшим в 2007 году). Из представленных в таблице данных видно также, что чем хуже погодные условия по ГТК, тем устойчивее продуктивность в варианте «ВИ+ТЗ».
В правой части рис. 4.11 приведена диаграмма средней урожайности яровой пшеницы за 2006-2012 гг., где также видно, что независимо от погодно-климатических условий весенне-летних периодов вегетации (ГТК 0,8...3,8), использование только элементов точной технологии (дифференцированное внесение удобрений и азотных подкормок) обеспечивает увеличение средней урожайности зерна яровой пшеницы по сравнению с другими вариантами.
В левой части рис. 4.11 показаны фрагменты карт урожайности за 2009 и 2011 года на полигоне Агрофизического института, полученных с помощью зерноуборочного комбайна, оборудованного системами автоматического картирования урожайности и глобального позиционирования. Урожайность меняется от самой низкой темно-зеленого цвета (15 ц/га) до высокой красной (60 ц/га).
Начиная с 2007 года, в рамках рассматриваемого сравнительного эксперимента удалось развернуть работы по изучению влияния режима минерального питания на оптические характеристики посевов и определить влияние его дефицита и различных агротехнологий, включая технологию точного земледелия, на оптические характеристики листьев растительного покрова. Теоретические и технологические основы прецизионного применения средств химизации по оптическим характеристикам посевов и результаты сравнительного эксперимента рассмотрены нами в разделе 3.5.
Наибольший интерес представляет сравнение вариантов «ВИ» и «ВИ+ТЗ». Эти варианты абсолютно одинаковы по проведенным на них агротехническим операциям и различаются только лишь дозами внесения минеральных удобрений при основном внесении и подкормках.
Дозы для основного внесения минеральных удобрений для обоих вариантов рассчитывались под урожайность 50 ц/га с использованием данных агрохимического анализа. Отличие заключается в том, что в варианте «ВИ» доза рассчитывалась по усредненным показателям по полю, а в варианте «ВИ+ТЗ» доза рассчитывалась по технологии точного земледелия, то есть для каждого элементарного участка. Соответственно отличалось и проведение внесения- на «ВИ» вносилась постоянная доза, на «ВИ+ТЗ» удобрения вносились дифференцированно, в режиме «off-line». Другое различие между вариантами «ВИ» и «ВИ+ТЗ» было связано с режимом проведения азотных подкормок. На варианте «ВИ» подкормки проводились также одинаковой дозой, а на «ВИ+ТЗ» - дифференцированно, в режиме «online».
Результаты вариантов «ВИ» и «ВИ+ТЗ» на фоне контроля (экстенсивная технология) за весь период экспериментальных исследований на полигоне АФИ (2006 - 2012 гг.) представлены в таблице 4.2. Сравнивая эти варианты, видно, что прецизионное внесение минеральных удобрений и азотных подкормок повысило среднюю урожайность на 29 %, а экономия азотных удобрений при этом составила в среднем за 7 лет 25,9 %.
Важно подчеркнуть, что прецизионное применение средств химизации оказало положительный эффект не только на повышение урожайности и гарантированно уменьшило объемы их применения, но и существенно улучшило качество растениеводческой продукции. В частности, отмечено увеличение стекловидности зерна, содержания сырого белка и сырой клейковины и ее качества, а также увеличивается число падения в зерне [177-180].
Оценивая в целом роль сравнительного эксперимента, важно отметить два следующих момента. Во-первых, приведенные данные наглядно свидетельствуют о том, что применение технологий точного земледелия обеспечивает рост урожайности при одновременном снижении затрат на производство растениеводческой продукции и повышение ее качества.
Во-вторых, с распространением технологии точного земледелия для хозяйств открываются новые возможности получения дополнительной и достоверной информации в пассивных и активных «собственных опытах» с наименьшими затратами [см. раздел 5.1].
Использование сетевых технологий и предоставление сервисов
В последнее время наблюдается бурное развитие сети Интернет. Основными направлениями в области развития технических средств и технологий организации связи считаются следующие:
увеличение скорости обмена информацией;
широкое внедрение средств беспроводного доступа;
создание более быстродействующих средств коммутации и маршрутизации;
внедрение магистральных линий связи с более широкой полосой пропускания;
создание новых типов программ клиентов и серверов.
Внедрение данных технологий позволит улучшить качество обслуживания пользователей сети и даст им возможность работать с новыми прикладными программами. В частности, развитие сети Интернет предоставляет большие возможности по использованию, обновлению и развитию СППР для производства растениеводческой продукции. Помимо стандартного обновления программы сеть Интернет позволит пользователям системы получать новые базовые агротехнологии, подключаемые модули, прогнозы погоды, экономические показателя рынков и многое другое. При генерации адаптивной агротехнологии пользователь сможет, получая в автоматическом режиме, контролировать и прогнозировать экономическую эффективность технологии.
Разработчики новых агроприемов (учёные, эксперты и др. специалисты) смогут, воспользовавшись системой и формализовав свои знания (базовые агротехнологии, модули), дистанционно передавать их конечным потребителям - таким же пользователям СППР, что позволит улучшить взаимопонимание между учёными и сельхозпроизводителями. Новые агротехнологии будут без промедления поступать всем желающим, а опыт их использования в конкретном хозяйстве (адаптивная агротехнология) может пригодиться коллегам (рис.5.3.).
Организация такой системы потребует введения стандартов данных (о чём мы говорили выше), но это объективный процесс, идущий во всем мире. Зато появляется мощнейший инструмент информационного обеспечения сельскохозяйственных производителей. Возможно, это не так актуально при традиционном земледелии, но с неизбежным развитием информационных технологий, и в том числе внедрения технологий точного земледелия вопрос о доступности информации, агротехнологии, моделей и др. встанет неизбежно очень остро.
С точки зрения государственного управления отраслью такая система может стать инструментом анализа состояния отрасли, его инновационности и эффективности. В жестких условиях ВТО с помощью такой системы можно гораздо эффективнее управлять государственной поддержкой сельхозпроизводителя, понимая на каком уровне развития находятся те или иные хозяйства.
Сетевые технологии также позволяют использовать СППР не в полном объеме, а лишь с точки зрения получения той или иной конкретной услуги -сервиса. Это может быть, например, расчет доз удобрений для конкретного поля (создание карты-задания) или получение рекомендаций по тому или иному вопросу. В общем случае сама по себе агротехнология представляет собой некоторую ценность и может быть сгенерирована на заказ для пользователя Интернет и зарегистрированного на сервере СППР. Также, через сервер, руководитель хозяйства сможет контролировать ход выполнения той или иной технологии или работы хозяйства в целом находясь далеко от собственного хозяйства (рис.5.4.)
