Датчики на опоре для кругового орошения как новый метод мониторинга сельхозкультур

Автор: | 08.07.2022

Американские исследователи предложили оптимизировать популярные системы кругового орошения, чтобы сэкономить воду и быстрее получать данные о состоянии полей

О новом подходе к использованию оросительных система рассказала группа экспертов из Университета Небраски-Линкольн (Сандип Бхатти, Дерек Херен, Стив Мелвин, Трентон Э. Франц, Эрик Уилкенинг, Кристофер Нил) в статье на портале cropwatch.unl.edu.

«Орошение в США в основном механизировано, при этом более 57% орошаемых земель оборудованы круговыми оросительными системами. Поля в Небраске составляют 14,9% от общей площади орошаемых земель в США и штат использует примерно 90% своей воды для орошения, имея свыше 80 000 систем кругового орошения.

Хотя эти механизированные системы очень эффективны, их следует оптимизировать для планирования полива и точного расчета потребностей сельскохозяйственных культур в воде для различных частей поля. Если бы каждое поле сократило сезонное орошение на несколько сантиметров, это оказало бы значительное положительное влияние на водные ресурсы.

К сожалению, скорость внедрения методов планирования орошения довольно низкая. Например, датчики влажности почвы используются только на 7-12% полей в Небраске, так как фермеры в своих решениях полагаются на внешний вид растений и ручную проверку сухости почвы. Однако, такая диагностика часто приводит к сомнениям, достаточно ли воды для урожая, и аграрии поливают дополнительно в целях страховки.

К основным препятствиями для внедрения новых технологий в ирригации относятся стоимость и простота использования. Хотя мониторинг почвенной влаги хорошо известен в контексте планирования полива, затраты на оборудование и рабочую силу ограничивают этот метод.

Таким образом, исследования по-прежнему сосредоточены на разработке дешевых методов планирования орошения. Поскольку у производителей нет времени для детальной работы с большими объемами данных, упрощение автоматизации мониторинга может стать реальным стимулом.

Один из подходов к сбору данных заключается в том, что сам центральный шарнир можно использовать в качестве платформы для установки датчиков состояния растительного покрова.

По мере того, как круг перемещается по полю, датчики будут отслеживать урожай и собирать важные данные по полю.

Кроме того, в настоящее время на рынке доступны высокоскоростные центральные круговые системы, способные перемещаться по полю примерно за четыре часа (по сравнению с более чем восемью часами для традиционных систем).

Высокая скорость позволяет собирать все данные по всему полю в пиковые часы дневного света (с 11:00 до 16:00), когда культура, скорее всего, испытывает стресс от засухи. Сводная система может быть автоматизирована для работы без подачи воды для сбора данных. Таким образом, устраняется потребность в дополнительной рабочей силе, а также экономится время.

Затем на основе собранных данных можно запрограммировать расчеты для выдачи рекомендаций по ирригации.

Чтобы помочь продвинуть эту конкретную технологию планирования орошения, мы провели исследование, посвященное управлению орошением кукурузы и сои на экспериментальное полев Исследовательском, информационном и образовательном центре Восточной Небраски. В исследование были включены инфракрасные тепловизионные (IRT) и мультиспектральные датчики, установленные на центральном шарнире. В проекте использовался инструмент управления орошением, система надзора за планированием орошения и сбора данных (ISSCADA), разработанная Службой сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США. Этот инструмент автоматизирует сбор данных, интерпретирует данные, собранные круговыми датчиками IRT, и выдает рекомендации по поливу.

В рамках проекта, финансируемого Консорциумом инноваций в области ирригации, Глобальным институтом воды для пищевых продуктов Догерти при Университете Небраски и компанией Valmont Industries, различные методы планирования орошения на основе датчиков сравнивались с «общепринятой практикой» проверка влажности почву вручную. Сравнивались результаты по разным уровням подачи влаги: 0% (богарное), 50 % (дефицитное), 100 % (полное) и 150 % (избыточное орошение).

Мы обнаружили, что датчики, установленные на шарнирах, имеют высокую корреляцию и низкие средние ошибки по сравнению со стационарными датчиками, установленными на столбах в поле.

Установленные на шарнирах мультиспектральные датчики смогли обнаружить различия в развитии культур между богарными и орошаемыми культурами, когда растения приближались к зрелости.

На богарных участках с нулевым поливом наблюдался самый высокий водный стресс. Поэтому неудивительно, что в 2020 году богарные культуры имели значительно сниженную урожайность по сравнению с орошаемыми. Так, дефицит орошения привел к потере урожая кукурузы на 5% по сравнению с полным орошением в 2020 году.

Заболачивание так же нежелательно – через три-четыре дня после избыточного орошения культуры демонстрировали стресс. При этом, инфракрасные датчики на уровне полного и чрезмерного орошения обнаруживали водный стресс культур в течение нескольких дней после заболачивания и предписывали уменьшенное количество поливов. В той же ситуации, согласно проверке старым ручным методом верхнего слоя почвы на сухость, надо было снова глубоко поливать в трех из четырех случаев.

Необходимы дополнительные исследования, чтобы сделать вывод, достаточно ли одного теплового зондирования для управления ирригацией. Кроме того, необходимо провести дополнительные исследования в разных регионах и климатических условиях, чтобы убедиться, что эти системы оптимизированы для различных полевых и погодных условий. Разработка пороговых значений для конкретных погодных условий, местоположения и сельскохозяйственных культур (для тепловых индексов) сделает систему более адаптируемой к новым местоположениям.

Забегая вперед, можно сказать, что установка датчиков на центральную ось может стать важным компонентом автоматизации орошения.

Датчики на круговой системе, использованные в этом исследовании, точно определили водный стресс сельскохозяйственных культур при различных уровнях орошения с помощью системы ISSCADA. Установка датчиков на оси хорошо работала для управления поливом, кроме того, дополнительные типы датчиков/сканеров могут быть установлены для получения конкретных данных, связанных с культурой.

Использование датчиков, устанавливаемых на шарнирах, для других аспектов растениеводства (например, управления питательными веществами, выявления сорняков/болезней/вредителей) также повысит ценность системы.

В целом, для полевого мониторинга хватит двух датчиков IRT на двух внешних пролетах круговой системы. Поскольку в большинстве систем круговых поливов варьируется режим орошения, используя либо управление скоростью, либо управление зонами, новый метод планирования полива подходит для эффективного орошения с переменной нормой в широком масштабе. В данном исследовании метод планирования орошения с датчиками сократил количество воды с потенциальными преимуществами для качества воды за счет уменьшения выщелачивания нитратов».

(Источник: cropwatch.unl.edu. Скриншот видео Инженерного колледжа Института сельского хозяйства и природных ресурсов Университета Небраски-Линкольна). 

Добавить комментарий