УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
BISAC TEC003000 Agriculture / General
Цель: эмпирическое изучение возможности применения цифровых технологий в определении сроков и кратности полива кукурузы на основе тепловизионного зондирования орошаемого участка и ее экономической эффективности. Материалы и методы: исследования по определению сроков и качества полива при помощи тепловизионной съемки проводились на полях ООО «Кырлай» Арского муниципального района Республики Татарстан. Объект исследований - кукуруза на силос, возделываемая по зерновой технологии (с початками в молочно-восковой спелости) с внесением расчетных норм минеральных удобрений на планируемую урожайность биомассы 50 т/га. Технология возделывания кукурузы была общепринятая и состояла из дискования после уборки предшественника (однолетние травы), плоскорезной обработки с углублением пахотного слоя, закрытия влаги, предпосевной культивации, посева, при температуре почвы +12 °С, боронования до- и после появления всходов и междурядной обработки с подкормкой растений нитроаммофоской (N16P16K16). Результаты: установлено, что определение сроков полива кукурузы по результатам тепловизионного дистанционного зондирования дает наиболее высокий эффект и обеспечивает дополнительное получение 3,2 т/га зеленой массы с содержанием 0,16 кормовых единиц. Затраты на приобретение оборудования окупается в течение одного вегетационного периода. Выводы: назначение поливов объекта исследований по результатам тепловизионной съемки является основой экономии, как финансовых, материальных ресурсов, так и использования пресной воды в связи со снижением количество поливов с пяти до трех по сравнению с определением сроков полива традиционным почвенным влагомером Днестр-1.
орошаемое земледелие, цифровизация, зеленая масса, урожайность, рентабельность, экономическая эффективность, срок окупаемости, стоимость валовой продукции
Введение. Повсеместное внедрение цифровых технологий в различные отрасли народного хозяйства, в том числе и агропромышленного комплекса Российской Федерации является объективной необходимостью продиктованной временем. Опыт стран с развитым сельским хозяйством показывает высокую значимость и экономическую эффективность применения цифровых технологий в возделывании сельскохозяйственных культур, так как она позволяет сформировать оптимальные почвенно-агротехнические и организационно-территориальные условия, способствующие повышению продуктивности земельных ресурсов при экономии материально-денежных средств и охране окружающей среды [1, 2, 3, 4, 5].
Как показывают результаты эмпирических исследований одним из лимитирующих факторов эффективности сельскохозяйственного производства Республики Татарстан является влагообеспеченность вегетационных периодов и частая повторяемость засухи. В связи с этим за последние 6 лет (2015-2020) в Республике Татарстан в рамках федеральных и региональных программ на мелиорацию земель было привлечено свыше 4,2 млрд. рублей (частных инвестиций на сумму 525 млн. рублей), что позволило реконструировать более 32 тыс. гектаров орошаемых земель, проложить 266 км водопровода, пробурить 131 скважину, установить 44 водонапорных башен, привести в нормативное техническое состояние 450 прудов из имеющихся 878 сооружений (в них аккумулируется 127,2 млн.м3 пресной воды ), что позволило сохранить сельскохозяйственные земли от воздействий водной эрозии на площади более 44,7 тыс. га. [6, 7, 8]. Посредством проведения ремонтно-восстановительных работ достигнуто повышение технической надежности и устойчивости гидротехнических сооружений, снижение угрозы возникновения аварийных ситуаций на плотинах во время весеннего пропуска паводковых вод через гидротехнические сооружения, обеспечена защита населения и объектов, попадающих в зону возможного затопления. Мелиорация земель, как один из основных факторов интенсификации сельскохозяйственного товаропроизводства, была и остается капиталоемкой отраслью [23, 24]. Поэтому в целях ускорения окупаемости произведенных затрат на мелиорированных землях необходимо внедрять новейшие достижения науки и техники, включая тепловизионное зондирование орошаемого участка с целью определения оптимальных сроков полива сельскохозяйственных культур [9, 11].
Материалы и методы. Исследования по определению сроков и качества полива при помощи тепловизионной съемки проводились на полях ООО «Кырлай» Арского муниципального района Республики Татарстан. Объект исследований - кукуруза на силос, возделываемая по зерновой технологии (с початками в молочной спелости) с внесением расчетных норм минеральных удобрений на планируемую урожайность биомассы 50 т/га. Технология возделывания кукурузы была общепринятая и состояла из внесения минеральных удобрений, дискования после уборки предшественника (однолетние травы), плоскорезной обработки с углублением пахотного слоя, закрытия влаги, предпосевной культивации, посева с внесением NPK, при температуре почвы +12 °С, боронования до- и после появления всходов и междурядной обработки с подкормкой растений нитроаммофоской (N16P16K16).
Для решения поставленной задачи, орошаемый участок с общей площадью 250 га разделили на 2 части (по 125 га). В первой половине сроки полива определяли по фактической влажности почвы при помощи влагомера «Днестр-1», а для зондирования второго участка использовали квадрокоптер «Diphantom 4 Pro», оборудованный тепловизионной камерой «Flir – Boson» (рис. 1).
Рисунок 1 – Квадрокоптер «Diphantom 4 Pro»
с тепловизором «Flir – Boson»
Агрометеорологические условия в годы проведения исследований (2018-2019 гг.) были типичными для Республики Татарстан и характеризовались недостатком осадков в период вегетации и излишней влагой во время уборки урожая (сентябрь).
Результаты и их обсуждение. Тепловизионное обследование – это разновидность теплового контроля орошаемого участка при помощи специальной камеры, которая снимает посевы и затем с помощью программы отображает термограмму объекта исследований с точностью ± 1 °С [9, 10, 11].
Между температурой и влажностью почвы существует прямая зависимость: чем меньше содержание влаги, тем выше температура почвы. На основе данной закономерности рассчитана и перенесена в мобильное приложение Irrigation technology диаграмма шкалы определения сроков полива в интервале от + 25 до + 45 °С [12, 13, 14] (рис. 2).
Рисунок 2 – Шкала температурного режима тепловизора
Проводимые исследования показали, что четвертого июля 2018 г. средняя температура почвы была на уровне +25 °С и согласно шкале определения сроков полива, кукуруза не нуждалась в дополнительной влаге. Последующее тепловое дистанционное зондирование орошаемого участка проводилась через 8 дней и установлено, что 30 % площадей недостаточно обеспечены влагой, а через 15 дней после первого обследования 8 % посевов достигли критической отметки дефицита влаги (рис. 3).
Рисунок 3 – Снимок тепловой камеры 19. 07. 2018 г.
Важным показателем мобильного приложения, разработанного Farm At Hand Inc., является единообразие стиля интерфейса, фокусирование внимания на решение отдельных задач, различия в архитектуре компьютеров, ускоренное время запуска и отклика устройства.
Кроме того, данное мобильное приложение легко совмещается с Iphone и Android. Его графический процессор ATiImageon позволяет работать с 2D и 3D графикой. Все это, позволяет составить диаграмму и контролировать качество полива кукурузы (рис. 4).
Рисунок 4 – График общей оценки орошения кукурузы в мобильном приложении
Анализ диаграммы, составленной на основе тепловизионного измерения показывает, что 12 июля 2018 г. влажность 35 % площади орошаемого участка снизилась до предельно минимальной влажности (влажность завядания растений).
После проведения полива 19 июля 2018 г., наоборот 15 % пашни была излишне увлажнена, а 5 % нуждалась в дополнительной влаге и только 80 % посевов имели оптимальную влажность (75 % от наименьшей влагоемкости).
Неравномерное увлажнение почвы после полива объясняется наличием мелких углублений и возвышенностей на посевах кукурузы, разной инфильтрующей способностью почвенного покрова.
В тех же природно-климатических условиях измерение влажности почвы при помощи влагомера «Днестр-1» показало необходимость орошения объекта исследований на 20 дней раньше по сравнению с результатами тепловизионной съемки.
Такое противоречие видимо объясняется тем, что среднесуточная температура воздуха максимальных величин в нашей республике достигает именно во второй половине июля и совпадает с критическим периодом потребления влаги этой культуры (период наибольшего потребления влаги из-за интенсивного накопления биомассы) [15, 16, 17, 18]. Кроме того, при традиционном определении сроков полива потребовалось провести 5 поливов против 3-х по температуре почвы и оросительная норма (расход воды на орошение за вегетационный период) снизилась на 850 м3/га.
В результате, как ранние сроки, так и многократные поливы стали причиной уменьшения активного слоя почвы (слой почвы в котором находится основная масса корневой системы), поскольку растения перестают искать дополнительную влагу и питательные вещества из глубоких слоев почвы [19, 20, 21, 22].
По этой причине, урожайность зеленой массы кукурузы оказалась на 3,2 т/га выше при назначении сроков изучаемой культуры по тепловым снимкам (табл. 1).
Таблица 1 – Продуктивность кукурузы в зависимости от способов определения сроков полива*
|
Показатели |
Единица измерения |
Сроки полива |
|
|
по фактической влажности почвы |
по температуре почвы |
||
|
Планируемая урожайность зеленой массы |
т/га |
50 |
50 |
|
Фактическая урожайность |
т/га |
44,6 |
47,8 |
|
В процентах от планируемой урожайности |
% |
89,2 |
95,6 |
|
Содержание кормовых единиц |
т/га |
0,14 |
0,16 |
|
Валовый сбор кормовых единиц |
т/га |
6,24 |
7,65 |
*Источник: таблица составлена автором на основе анализа результатов собственных эмпирических исследований.
Прежде чем приступить к анализу результата исследований следует отметить несоответствие фактической урожайности кукурузы с планируемой. Например, проведение поливов по фактической влажности почвы обеспечивает получение 89,2 % от планируемой урожайности, что на 6,4 % ниже по сравнению со сроками полива по тепловизионным съемкам орошаемого участка.
Более того, нормативной индикатор продуктивности 6,5 т/га кормовых единиц на первом варианте не был достигнут (6,2 т/га), тогда как при поливе по температуре почвы данный показатель составил 7,65 т/га. Это связано с увеличением вегетационного периода при частых поливах, из-за чего початки кукурузы к уборке не достигают молочной спелости. Такие же результаты были получены и в исследованиях 2019 года.
Рекомендуемый способ определения оптимальных сроков полива объекта исследований не только позволяет оперативно принимать решения, но и обладает высоким экономическим потенциалом (табл. 2).
Таблица 2 – Экономические показатели определения сроков полива кукурузы тепловизионным зонированием орошаемого участка*
|
Экономические показатели |
Единица измерения |
Итоговые результаты |
|
Площадь обследования |
га |
125 |
|
Стоимость дополнительной валовой продукции |
тыс. руб. |
384 |
|
Стоимость тепловизионной камеры Flir – Boson |
тыс. руб. |
450 |
|
Стоимость квадрокоптера Diphantom 4 Pro |
тыс. руб. |
100 |
|
Стоимость мобильного приложения Irrigation technology |
тыс. руб. |
50 |
|
Итого затрат |
тыс. руб. |
600 |
|
Срок окупаемости |
лет |
0,6 |
|
Рентабельность |
% |
64 |
*Источник: таблица составлена автором на основе результатов собственных эмпирических исследований, в сопоставимых ценах 2019 года.
Стоимость дополнительной валовой продукции (384 тыс. руб.) рассчитали по следующей формуле:
СВП = S x Пу х Кед..х 6 тыс. руб., где
S – площадь орошаемого участка (125 га).
Пу – прибавка урожая (3,2 т/га).
Кед. – содержание кормовых единиц в зеленой массе кукурузы, выращенной по зерновой технологии (0,16).
6 тыс. руб. – цена реализации зерна овса.
Общая сумма затрат на приобретение квадрокоптера с тепловизионным устройством и мобильного приложения в ценах 2019 года составили 600 тыс. рублей.
Рентабельность (64 %) тепловизионной съемки орошаемого участка определяли по формуле:
Р = ОЗ/СВП (доп),
где ОЗ – общие затраты на приобретение приборов (600 тыс. руб.).
Для расчета срока окупаемости (0,6 лет) стоимость дополнительной продукции разделили на общую стоимость затрат.
Выводы. Применение тепловизионного дистанционного зондирования орошаемого участка позволяет принимать оперативное решение по срокам полива кукурузы, которое в отличие от традиционного способа по влажности почвы, совпадает с критическим периодом потребления воды этой культуры и обеспечивает получение дополнительной продукции на сумму 384 тыс. руб. с рентабельностью производства биомассы 64 процента.
Затраты на приобретение дополнительного оборудования и мобильного приложения (600 тыс. руб.) окупаются в течение одного вегетационного периода (0,6 лет).
1. Абдуллаева, Т.К. Консультативно-информационная система как перспективная форма информационного обеспечения АПК / Т.К. Абдуллаева // Региональные проблемы преобразования экономики. 2014. № 10(48). С. 63-66.
2. Борозенец, В.Н. Информационное обеспечение систем поддержки принятия решений в сельском хозяйстве / В.Н. Борозенец, А.В. Цысарь // Международный бухгалтерский учет. 2013. № 4(250). С. 53-60.
3. Закирова А.Р., Клычова Г.С., Юсупова А.Р., Уллах Р. Оценка эффективности мелиоративных работ // Профессия бухгалтера - важнейший инструмент эффективного управления сельскохозяйственным производством: Сборник научных трудов по материалам IX Международной научно-практической конференции, посвященной памяти профессора В.П. Петрова, Казань: Казанский государственный аграрный университет, 2021. С. 70-74.
4. Дубровский, А.В. Применение геоинформационных систем для развития сельского хозяйства и обеспечения продовольственной безопасности страны / А.В. Дубровский, Е.С. Троценко // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2013. Т. 3. № 3. С. 110-116.
5. Хисматуллин, М. М. Целевая программа "Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014-2020 годы" и перспективы её выполнения в Татарстане / М. М. Хисматуллин // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2013. Т. 8. № 2(28). С. 151-154.
6. Кирин, С.Г. Система информационного обеспечения планирующей функции управления развитием аграрных хозяйств и сельских территорий / С.Г. Кирин // Аграрный вестник Урала. 2010. № 4(70). С. 51-53.
7. Савченко, О.Ф. Методологические аспекты создания информационных систем в сельском хозяйстве / О.Ф. Савченко // Достижения науки и техники АПК. 2006. № 11. С. 5-10.
8. Савченко, О.Ф. Применение информационных технологий в инженерно-технической системе АПК / О.Ф. Савченко, А.В. Шинделов // Вестник НГАУ (Новосибирский государственный аграрный университет). 2013. № 4(29). С. 99-104.
9. Система мелиоративного земледелия в Республике Татарстан / Ф.Н. Сафиоллин, М.М. Хисматуллин. Казань, 2015. 317 с.
10. Хисматуллин, М. М. Лизинг техники и технологий как инструмент развития агропромышленного производства / М. М. Хисматуллин, Ф. Н. Мухаметгалиев, Р. Г. Хисамов // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2015. Т. 10. № 2(36). С. 31-35.
11. Panasyuk M.V., Safiollin F.N., Shagiakhmetov A.A., Hismatullin M.M. Determining the irrigation timing of agricultural crops by remote sensing of irrigated areas // AD ALTA: Journal of Interdisciplinary Research. 2020. 10 (2, special issue XII.). pp.129 - 132.
12. Modern Biological Products and Growth Stimulators in the Technology of Cultivation of Sunflower for Oilseeds / R. M. Nizamov, F. N. Safiollin, M. M. Khismatullin [et al.] // International Journal of Advanced Biotechnology and Research. 2019. Vol. 10. No 1. P. 341-347.
13. Улучшение и использование пойменных лугов: под общей редакцией доктора сельскохозяйственных наук А.А. Зотова, члена-корреспондента РАСХН / А.А. Зотов, В.М. Косолапов, Н.В. Панферов [и др.]. Москва: Российская академия сельскохозяйственных наук, 2013. 690 с.
14. Зотов, А.А. Улучшение и использование природных сенокосов и пастбищ Среднего Поволжья / А.А. Зотов, М. М. Хисматуллин. Казань: Зур Казан, 2014. 267 с.
15. Хисматуллин, М. М. Изучение накопления нитратов в зеленой массе многолетних трав / М. М. Хисматуллин // Агрохимический вестник. 2010. № 3. С. 28-29.
16. Экономические показатели применения антистрессовых и фитогормонных препаратов на посевах ярового рапса Руян в почвенно-климатических условиях Республики Татарстан / Ф.Н. Сафиоллин, Ф.Н. Мухаметгалиев, С.Р. Сулейманов [и др.] // Финансовый бизнес. 2021. № 6(216). С. 192-196.
17. Comparative evaluation of productivity of ryegrass and ryegrass-goatling grass stands affected by different mineral and organomineral nutrition / M.M. Khismatullin, M.M. Khismatullin, L.T. Vafina, F.N. Safiollin // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science: The proceedings of the conference AgroCON-2019, Kurgan, 18–19 апреля 2019 года. Kurgan: IOP Publishing Ltd, 2019. P. 012109.
18. Урожайность и кормовая ценность райграса пастбищного в зависимости от фона минерального питания на серых лесных почвах Республики Татарстан / Н.В. Трофимов, Ф.Н. Сафиоллин, Г.С. Миннуллин [и др.] // Кормопроизводство. 2017. № 7. С. 17-20.
19. Каюмов, И.А. Инновационное развитие мелиорации в Республике Татарстан / И.А. Каюмов, М.М. Хисматуллин, М. М. Хисматуллин // Евразийское Научное Объединение. 2017. Т. 1. № 7(29). С. 70-72.
20. Роль и место орошаемого земледелия в производстве сельскохозяйственной продукции и его экономическая эффективность (опыт Республики Татарстан) / В.А. Комисаров, А.Р. Валиев, Рахим Уллах [и др.] // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2021. Т. 16. № 3(63). С. 160-166.
21. Состояние мелиоративной отрасли в Республике Татарстан и основные пути её развития / А. М. Сабиров, Д. И. Файзрахманов, А.М.Залаков [и др.] // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2015. Т. 10. № 4(38). С. 10-15.
22. Хисматуллин, М. М. Агроэнергетическая и экономическая эффективность поверхностного улучшения пойменных лугов / М. М. Хисматуллин // Вестник Казанского государственного аграрного университета. – 2010. – Т. 5. – № 1(15). – С. 120-122.
23. Хисматуллин, М.М. Мелиорация в Республике Татарстан: современное состояние, проблемы и перспективы / М.М. Хисматуллин, М.М. Хисматуллин, Р. Уллах // Региональная экономика: теория и практика. 2022. Т. 20. № 1(496). С. 168-185.
