Сравнительная оценка агротехнологий различного уровня интенсификации (83)

В случае высокой агротехнологии ставится задача последовательной оптимизации всех регулируемых лимитирующих факторов, максимально возможного использования ФАР, тепла, влаги и генетического потенциала сортов растений. Важно при этом понимать, что любое нарушение продукционного процесса вследствие природных катаклизмов или технологических ошибок может резко снизить эффективность агротехнологий. Очевидно, ориентироваться на максимальную интенсификацию технологий целесообразно в относительно благополучных природных условиях с минимальной вероятностью стрессовых ситуаций (засуха и пр.) при высоком профессионализме исполнителей, вооруженных последними достижениями научно-технического прогресса.

Применение высоких технологий сводит к минимуму экологические риски химического загрязнения по сравнению с интенсивными агротехнологиями и предотвращает деградацию почв и ландшафтов по сравнению с нормальными и тем более экстенсивными агротехнологиями. В первом случае это происходит благодаря применению сортов растений устойчивых к вредным организмам (в том числе трансгенных) и соответственно сокращению химических обработок, использованию высокоэффективных биопрепаратов, точному внесению под растения и на растения агрохимических средств, повышению роли биологического азота в азотном балансе агроценозов. Во втором случае важное значение имеет сокращение уплотняющего воздействия на почву движителей машин благодаря постоянной технологической колее, обогащение почвы растительными остатками вследствие повышения продуктивности агроценозов, регулирование почвенных режимов.

Фактический уровень интенсификации агротехнологий в хозяйстве выбирается в зависимости от производственно-ресурсного потенциала товаропроизводителя. При наличии сортов интенсивного типа и агрохимических ресурсов, необходимых для оптимального питания растений и интегрированной защиты от вредных организмов, практикуются интенсивные технологии с постоянной технологической колеей для ухода за посевами. Уровень и качество урожая планируются в них исходя из нормативов влагопотребления и других достаточно высоких показателей реально достигнутых в передовых хозяйствах региона с использованием отечественной техники. Для выполнения этих технологий требуется достаточно высокая профессиональная подготовленность агрономов-технологов, ибо ошибки и необоснованные сокращения технологических операций сводят на нет все усилия и затраты.

Если не позволяет уровень квалификации специалистов, обеспеченность ресурсами или агроэкологические условия сельскохозяйственного предприятия (засушливость климата, сложный почвенный покров, рельеф и др.), следует ориентироваться на нормальные агротехнологии, выполняемые с учетом защиты почв от эрозии и дефляции, в которых используются пластичные сорта растений, агрохимические средства применяются в режиме компенсации острых дефицитов элементов питания, устранения повышенной кислотности, солонцеватости почв и защиты растений от вспышек вредных организмов. Данные технологии отвечают среднему уровню агрономической культуры.

Особняком стоят экстенсивные агротехнологии, рассчитанные на использование естественного плодородия почв. Они сопровождаются деградацией почв и ландшафтов, поскольку почвозащитные мероприятия (мульчирующая обработка почвы и др), как правило, невозможны или затруднены без применения агрохимических средств. Преобладание экстенсивного земледелия в стране, высокая распаханность огромных территорий при низкой урожайности и невысоком качестве продукции – свидетельство несостоятельной экономики. Скорейший выход из экономического кризиса – первостепенная задача. Она декларирована Президентом страны как удвоение ВВП в ближайшие годы. Если ориентироваться на удвоение урожайности зерновых, то это означает достижение 3 т/га, т.е. среднемирового уровня. Учитывая, что в степных районах среднеклиматически обеспеченная урожайность зерновых колеблется в пределах 1,5-2,5 т/га, для выхода на указанный рубеж в лесостепной и таежно-лесной зонах необходимо ориентироваться на 4-5 т/га и более, то есть на использование интенсивных и высоких агротехнологий.

В данной плоскости со всей полнотой встает задача адаптивной интенсификации земледелия, то есть освоения адаптивно-ландшафтных систем земледелия с пакетами агротехнологий различных уровней интенсификации с возрастающим приоритетом высокоинтенсивных. Соответственно будет возрастать роль точного земледелия как высшей формы интенсификации адаптивно-ландшафтного земледелия, включающей наукоемкие агротехнологии высокой интенсивности и экологической безопасности

Информационное обеспечение высоких технологий. Основы методологии точного земледелия сформировалась в 90-х гг. прошлого века.

Современные возможности которые обусловили развитие новой методологии, связаны с появлением географических информационных систем (ГИС), глобальных спутниковых систем позиционирования (ГСП) с непосредственным вводом информации в бортовой компьютер и сельскохозяйственных машин с возможностью регулирования интенсивности технологических операций (норм высева, норм внесения удобрений и средств защиты растений) по ходу движения трактора по полю. При этом решающую роль в этом процессе играет совершенствование информационного обеспечения методов принятия решений – моделей, методов поддержки решений, баз данных и знаний, экспертных систем.

Национальный исследовательский комитет США (US National Research Council) определил понятие точного земледелия следующим образом:

«Точное земледелие – стратегия менеджмента, которая использует информационные технологии, извлекая данные из множественных источников, с тем, чтобы принимать решения по управлению посевами».

В основе точного земледелия лежит управление продуктивностью посевов, учитывающее вариабельность среды обитания растений.

В 1970-80-е годы во многих научно-исследовательских институтах СССР и ряда других стран развивалась методология управления продукционным процессом с.-х. культур, объединенная общим названием «программирование урожаев». Основоположником этого направления в нашей стране общепризнанно считается академик И.С.Шатилов.

В работах (16,45,46,198,213,227) получило развитие программирование урожаев на основе учета обобщенных почвенно-климатических показателей и на основе использования динамических имитационных моделей.

Теория поддержки решений по управлению продукционным процессом, которая развивалась в рамках тематики программирования урожаев, была направлена на совершенствование технологических программ. При разработке дифференцированных агротехнологий и динамических моделей естественным образом учитывалась временная вариабельность, связанная с изменчивостью погодных условий и вариабельность характеристик почвы по глубине корнеобитаемого слоя. Развитие информационных технологий шло по пути создания экспертных систем, баз данных, а также баз декларативных и процедурных знаний.

Необходим новый импульс в развитии этих работ на основе современных средств информационного обеспечения с доведением до практических решений.

Современное программное управление в точном земледелии осуществляется путем предварительного исследования вариабельности почвенного покрова поля и составления электронной карты поля на стационарном компьютере. Программа дифференцированной по полю технологии также разрабатывается на базе этого компьютера, который используется в режиме “off line”. Разработанная программа записывается на дискету и вводится в бортовой компьютер, который и реализует ее выполнение. При применении другого способа управления, “on line”, управляемая величина, например, содержание азота в растениях, измеряется непосредственно в процессе агрегата по полю. Текущее значение дефицита азота используется непосредственно для выработки управляющего сигнала, командующего внесением той или иной дозы азотного удобрения.

Применение технологий точного земледелия требует оснащения предприятия специальным оборудованием и программным обеспечением.

1. Навигационная система – глобальная система позиционирования (ГСП) с вводом данных в бортовой компьютер. Именно с появлением ГСП открылись принципиальные возможности для перехода от традиционной технологии к той, в которой можно именять воздействия на агроэкосистему с учетом локальной изменчивости свойств почвенного покрова в пределах поля.

2. Комбайн для уборки зерновых и корне-клубнеплодов с дифференциальным измерением величины урожая. Составление карт изменчивости урожайности с использованием таких комбайнов является первым шагом в переходе к точному земледелию.

3. Аппаратура для исследования изменчивости характеристик почвы в пределах поля с использованием автоматизированных средств, в которых соответствующая аппаратура размещается либо на самом движителе, либо на прицепном устройстве к нему, что позволяет составлять электронные карты поля в автоматизированном режиме.

4. Рабочие органы с компьютерным управлением технологическими операциями (норма высева, дозы внесения агрохимикатов).

5. Стационарный компьютер с программным обеспечением, выполняющим следующие функции:

- ведение картотеки полей с использованием геоинформационных систем (ГИС);

- анализ вариабельности характеристик почвенного и растительного покрова;

- формирование программы и ее запись на дискету.

6. Бортовой компьютер с программным обеспечением, реализующим программу управления, осуществляющий следующие функции:

- прием сигналов от ГСП и других датчиков в процессе движения агрегата по полю;

- накопление измеренных данных с использованием ГИС-технологии;

- формирование управляющих сигналов для дифференцированного выполнения тех или иных технологических операций.

Развитые информационно-управляющие системы (ИУС, IMS – Information Management Systems) являются непременным атрибутом технологий точного земледелия. Они включают в себя совокупность методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих сбор, накопление и хранение данных, обработку данных и формирование программ реализации агротехнологии. В структуру ИУС входят:

- база атрибутивно-графических данных, реализованная в системе ГИС, например с использованием программного продукта MapInfo.

- база знаний, осуществляющая прогнозные расчеты и формирующая на их основе управляющие программы;

- оболочка системы, являющаяся связующим звеном между отдельными подсистемами;

- интерфейс пользователя, позволяющий осуществлять общение человека с компьютером в режиме диалога.

В базе данных накапливается и хранится вся информация, относящаяся к данному хозяйству, сельскохозяйственным полям, возделываемым культурам и их сортам, а также архивная и текущая метеорологическая информация, необходимая для выработки технологических решений. Данные, относящиеся к каждому полю формируются в системе географических координат, позволяющих осуществлять “привязку” ГСП-сигнала в процессе реализации технологии.

Центральным звеном ИУС, ее интеллектуальными ядром является база знаний. Она включает в себя базу декларативных знаний и базу процедурных знаний. Как известно, существуют два типа моделей – модели, управляемые знаниями (knowledge driven models) и модели, управляемые данными (data driven models). Модели, управляемые знаниями (экспертные системы) формируют все элементы агротехнологии и технологию в целом. Модели, управляемые данными (динамические модели) осуществляют прогнозные функции на всех этапах формирования и реализации агротехнологий.

Оболочка системы осуществляет передачу управлений той или иной подсистеме для реализации ее функций в реальном времени.

Назначением интерфейса является организация диалога с программным продуктом на языке пользователя.

Эффективность агротехнологий и задачи по их освоению. Точное земледелие все активнее заявляет о себе и по сути дела означает очередной этап мировой агротехнологической революции.

В последние 10 лет темпы интенсификации агротехнологий на Западе продолжали возрастать и ряд стран перешли рубеж средней урожайности зерновых 5 т/га. Средняя урожайность пшеницы за 1992 – 2000 г составила в Германии 7 т/га, во Франции 6,9 т/га, а в Великобритании в последние годы она достигла 8 т/га. Примечательно, что рост урожайности осуществлялся при относительно стабильном среднем уровне применения минеральных удобрений в Западной Европе (порядка 170 кг д.в. на гектар посева). При этом окупаемость минеральных удобрений продукцией в этих странах сильно возросла (в частности, зерновых до 15 кг зерна за 1 кг д.в. и более) за счет повышения наукоемкости агротехнологий, их точности.

В России бурный старт освоения интенсивных агротехнологий в 1986 – 1991 гг. прервался затянувшимся экономическим кризисом. Однако во многих хозяйствах эта работа в той или иной мере продолжалась, а в ряде сельскохозяйственных научных центров она получила дальнейшее развитие. Высокая эффективность интенсивных агротехнологий показана во многих районах лесостепной и южно-таежно-лесной зон. В качестве иллюстрации к сказанному могут служить результаты демонстрационных производственных опытов, проведенных на выщелоченных черноземах в Новосибирской области и типичных черноземах Тамбовской области (таблица 8.44., 8.45.)