История появления и внедрения системы точного земледелия в мировую практику землепользования

Суть качественно новой системы земледелия, которое на Западе получило название точного (или прецизионного), состоит в том, что для получения с данного поля (массива) максимального количества качественной и наиболее дешевой продукции для всех растений этого массива создаются одинаковые условия роста и развития без нарушения норм экологической безопасности. Точное земледелие внедряется путем постепенного освоения качественно новых агротехнологий на основе принципиально новых, высокоэффективных и экологически безопасных технических и агрохимических средств. Ученые и конструкторы понимали, что система точного земледелия должна базироваться на последних достижениях электроники.

Однако испытания уже первых экспериментальных образцов показали, что сложные и дорогостоящие электронные приборы не приспособлены для полевых условий, которые характеризуются повышенными запыленностью и влажностью среды, требуют высококвалифицированного обслуживания и ремонта при дефиците запчастей. Но очень скоро были созданы адаптированные к с.-х. условиям микропроцессоры, электронные, фотоэлектрические, емкостные, электромагнитные, пьезоэлектрические, электромеханические и другие датчики, а также электронные приборы. Первыми весомых результатов в использовании электронных устройств на с.-х. технике добились разработчики машин для защиты растений. Например, опрыскиватель Hydroelectron фирмы Tecnoma, получивший золотую медаль на международной выставке SIMA-1976 в Париже, был оборудован электронным регулятором подачи раствора пропорционально скорости движения агрегата. [1].

Аналогичную машину разработала английская фирма Agmet. По сравнению с используемыми в странах СНГ аналогами в них поддерживается постоянный в единицу времени расход раствора, а норма его внесения на 1 га значительно варьируется при каждом переключении передачи, изменении частоты вращения двигателя и буксовании колес, что обеспечивает экономию до 20% ядохимикатов. А это не только экономический, но и экологический эффект.

Сложнее решались вопросы точного высева семян зерновых колосовых культур. Экспериментальные образцы таких сеялок были показаны на международной выставке в Мюнхене в 1982 г., а серийная машина с электронным регулятором высева фирмы Blanchot появилась лишь через три года и была отмечена на парижской выставке SIMA-1985. Фирма Rider (Германия) пошла еще дальше, создав сеялку Saxonia, которая обеспечивает заданные не только расстояние между семенами в рядке, но и глубину их заделки.

Значительных успехов в электронизации с.-х. техники достигли фирмы Amazone, Diadem, Rotina, Lely и др. В машинах центробежного типа онидобились независимости дозы внесения удобрений на 1 га от скорости агрегата. Кроме того, частота вращения рассеивающих дисков и фактическая доза удобрений, вносимых на 1 га, постоянно высвечиваются на мониторе, причем последнюю тракторист может изменять со своего рабочего места.

Применение электронных устройств дало возможность значительно (до ±15%) снизить неравномерность внесения удобрений. В 1986 г. в результате тесного сотрудничества фирм — производителей тракторов и сельхозмашин было признано рациональным многоканальный микропроцессор устанавливать на тракторе, а на машинах использовать лишь унифицированные датчики.

Так, например, на тракторе Case стали монтировать микропроцессор и подключать к нему датчики и исполнительные механизмы:

• 1. регулирования глубины обработки почвообрабатывающих машин фирмы Landsberg;
• 2. оптимизации работы опрыскивателей фирмы Holder;
• 3. машин для внесения минеральных удобрений фирмы Rotina;
• 4. сеялок Saxonia и др.

Причем микропроцессор не только контролирует и регулирует технологические параметры, но и показывает фактическую рабочую скорость агрегата, объем выполненной работы, параметры двигателя и удельный расход топлива. [22].

Для объединения усилий по разработке и освоению в с.-х. производстве электронных систем в 1992 г. страны ЕС приняли план, предусматривающий ускоренное финансирование из бюджета ЕС перспективных направлений автоматизации и компьютеризации с.-х. техники.

В настоящее время к этой работе присоединились Венгрия, Чехия, Словения и Эстония. Причем в создании качественно новых, высокоточных и высокопроизводительных машин западноевропейские страны значительно обошли США и Канаду.

Благодаря использованию высокоточной техники в странах с развитым земледелием удалось поднять урожайность зерновых культур до 90 ц/га и получить весомую прибыль. Вместе с тем было замечено, что пестрота урожайности на полях, обработанных этой техникой, хотя и значительно уменьшилось, но все-таки сохранилась. Следовательно, такое земледелие еще не соответствует критериям точного.

Агрохимический анализ почвы, взятой на участках с различной урожайностью, показал, что по содержанию азота, фосфора и калия они существенно различаются, хотя минеральные удобрения вносились с высокой равномерностью. Причина этого явления в том, что растения питаются не только веществами, вносимыми в почву при выращивании данной культуры, но и теми, что накопились в ней. Поэтому удобрения нужно вносить в почву дифференцированно в зависимости от количества ранее накопленных в ней основных питательных веществ. [30].

Однако внедрение такой технологии с использованием существующих технических средств связано с большими трудовыми и финансовыми затратами. В связи с этим в разных странах начали разрабатывать способы и средства для упрощения и снижения стоимости агрохимического анализа почвы, в том числе через урожайность выращенной культуры на отдельных участках поля.

Для этого, например, зерноуборочный комбайн оборудуют электронным прибором, который определяет урожайность, покоординатно записывает ее в бортовой компьютер и распечатывает картограмму. Но картограмма урожайности может служить лишь средством обоснования необходимости дифференцированного применения удобрения или определения аномальных зон и взятия проб почвы для агрохимического анализа лишь в этих зонах.

Одно из кардинальных решений этой проблемы предложила английская фирма KRM — оценивать содержание азота, фосфора и калия в почве путем фотографирования полей в инфракрасных лучах на специальную пленку с помощью самолета или спутника Земли.

Еще более упрощает агрохимический анализ почвы созданный английской фирмой Challeng Agriculture оптический прибор (золотая медальна парижской выставке в 1994 г.).

Содержание в почве азота, фосфора, калия и других элементов определяют путем сравнительного измерения в двух точках отраженного света выбранной полосы спектра. Он может обрабатывать более 30 параметров и запоминать 50 значений. Через четыре года прибор аналогичного назначения разработали китайские специалисты на основе транзисторов, преобразователей, фотодатчиков и других электронных элементов.

Другая сложная проблема — привязка результатов агрохимического анализа к координатам взятия проб и передача этих данных на агрегат для внесения удобрений. Достаточно известное средство определения координат агрегата — ротационное устройство, измерительным элементом которого служит колесо трактора или машины, а регистрирующим — счетчик числа оборотов, шкала которого проградуирована в метрах. Отклонение показаний на длине гона 1000 м не превышает ±2 м.

Фирма Claas разработала радиосистему, в которую входят компьютеризированная базовая радиостанция с приемником, размещенные в офисе (помещении) фирмы, и приемопередающие устройства — на полевых агрегатах. С помощью этой системы можно находить координаты 200 агрегатов, работающих в радиусе до 9 миль, с точностью ±10 м. В радиосистеме аналогичного назначения компании Massey Ferguson используют установленные на агрегатах специальные радиоприемники и глобальную спутниковую сеть (GPS). Система с приемлемой точностью определяет географические координаты агрегата, но она достаточно сложна и дорогостояща.

Первый экспериментальный образец двухдисковой центробежной машины для дифференцированного внесения одного вида минеральных удобрений продемонстрировала в 1994 г. на выставке Smithfield Farm Tech английская фирма KRM. Содержание питательных веществ в почве определяется методом инфракрасного фотографирования поля со спутника Земли с построением картограммы поля, а координаты агрегата — спомощью систем GPS. Для непосредственного изменения дозы вносимых удобрений используется электронный прибор Calibrator 2002, функционально соединенный с компьютером (на дискете которого записана картограмма удобрения поля) и системой GPS. В 1995 г. фирма Amazone освоила серийный выпуск центробежных машин ZA-Max с аналогичными приборами.

Однако из-за дороговизны электронного оборудования (около 50% цены машины) они не получили широкого распространения. Пионером освоения точного земледелия является Великобритания, где на ферме в графстве Сафольк на протяжении трех лет проводили картографирование урожайности, покоординатный анализ почвы в аномальных зонах, а удобрения вносились другой машиной фирмы AmazoneM-Tronic. Это обеспечило годовую экономию в среднем по 17,2 фунта стерлингов на каждом гектаре (по сравнению с внесением постоянных доз по всему полю). Технология отлично зарекомендовала себя и успешно применяется в США, Канаде, Бразилии и в странах Европы. В США и Канаде навигационное оборудование особенно распространено, т.к. в производстве используется широкозахватная техника.

На сегодняшний момент все мировые лидеры по производству сельскохозяйственных машин (CLAAS, John Deer, Case и др.), комплектуют свою технику навигационной системой GPS. В России «пионером» в этом направлении стала компания «Евротехника», с 2004 года все производимые сельскохозяйственные машины на заводе можно дооснастить навигационной системой GPS. GPS-оборудование востребовано в связи с тем, что обеспечивает экономию средств. В Европе, например, подсчитано, что экономический эффект от применения GPS — оборудования достигает 50−60 Евро на гектар.

Кроме того, пользователи данного оборудования получаю возможность проводить полевые работы ночью, в тумане, при повышенной запыленности и т. д. В настоящее время, сравнивая производимые российские и зарубежные приборы спутниковой навигации для работы в сельском хозяйстве, можно сказать, что иностранные приборы имеют преимущества по своим функциям. Навигационных приборов российского производства пока еще очень мало. В качестве примера можно привести навигационный прибор «Агронавигатор» .

Он достаточно многофункционален: позволяет вести параллельно трактор при опрыскивании, внесении минеральных удобрений, записывать и хранить информацию с площади до 10 000 га. Однако точность данного прибора составляет от 1,5−2 м, что не допустимо в сельскохозяйственных работах. Зарубежный опыт насчитывает гораздо больше подобных приборов: это известная компания John Deere с прибором Green Star Parallel Tracking System, и менее известные: Mid-Tech Center-Line, Raven RGL 500, Cultiva ATC, Outback S, и другие. Однако неоспоримым лидером в данном направлении на сегодняшний день является компания Trimble с семейством навигационных приборов серии AgGPS, которые широко применяются в точном земледелии в Европе, США, Канаде, а теперь и в России. Таким образом в последние годы система точного земледелия массово интегрирована в земледелие многих стран. Что касается России, то лишь небольшое количество предприятий принимает решение использовать данную систему. Это связано в первую очередь с финансовыми затруднениями при внедрении данной системы. [19].