Russian Federation
UDK 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
GRNTI 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
OKSO 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
BBK 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
BISAC TEC003000 Agriculture / General
Purpose: empirical study of the possibility of digital technology application in determining the timing and multiplicity of corn irrigation on the basis of thermal imaging sensing of the irrigated area and its economic efficiency. Materials and methods: the research on determining the timing and quality of irrigation by means of thermal imaging was conducted on the fields of LLC "Kyrlai" of Arsky municipal district of the Republic of Tatarstan. The research object was corn for silage cultivated by grain technology (with cobs in milk-wax ripeness) with application of estimated norms of mineral fertilizers for the planned biomass yield of 50 t/ha. The corn cultivation technology was conventional and consisted of discing after harvesting the predecessor (annual grasses), shallow tillage with deepening of the arable layer, moisture closure, pre-sowing cultivation, sowing, at soil temperature +12 ° C, harrowing before and after emergence and inter-row tillage with top dressing of plants with nitroammophoska (N16P16K16). Results: it was found that determining the timing of corn irrigation by the results of thermal remote sensing gives the highest effect and provides additional 3.2 t/ha of green mass with 0.16 fodder units. Expenses for purchase of sprinkling equipment are paid off during one vegetation period. Conclusions: the appointment of irrigations of the research object by the results of thermal imaging survey is the basis of saving, both financial, material resources, and the use of fresh water due to reducing the number of irrigations from five to three in comparison with the determination of the timing of irrigation by a traditional soil moisture meter.
irrigated farming, digitalization, green mass, yield, profitability, economic efficiency, payback period, gross output value
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. Abdullaeva, T.K. Konsul'tativno-informacionnaya sistema kak perspektivnaya forma informacionnogo obespecheniya APK / T.K. Abdullaeva // Regional'nye problemy preobrazovaniya ekonomiki. 2014. № 10(48). S. 63-66.
2. Borozenec, V.N. Informacionnoe obespechenie sistem podderzhki prinyatiya resheniy v sel'skom hozyaystve / V.N. Borozenec, A.V. Cysar' // Mezhdunarodnyy buhgalterskiy uchet. 2013. № 4(250). S. 53-60.
3. Zakirova A.R., Klychova G.S., Yusupova A.R., Ullah R. Ocenka effektivnosti meliorativnyh rabot // Professiya buhgaltera - vazhneyshiy instrument effektivnogo upravleniya sel'skohozyaystvennym proizvodstvom: Sbornik nauchnyh trudov po materialam IX Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii, posvyaschennoy pamyati professora V.P. Petrova, Kazan': Kazanskiy gosudarstvennyy agrarnyy universitet, 2021. S. 70-74.
4. Dubrovskiy, A.V. Primenenie geoinformacionnyh sistem dlya razvitiya sel'skogo hozyaystva i obespecheniya prodovol'stvennoy bezopasnosti strany / A.V. Dubrovskiy, E.S. Trocenko // Interekspo Geo-Sibir'. 2013. T. 3. № 3. S. 110-116.
5. Hismatullin, M. M. Celevaya programma "Razvitie melioracii zemel' sel'skohozyaystvennogo naznacheniya Rossii na 2014-2020 gody" i perspektivy ee vypolneniya v Tatarstane / M. M. Hismatullin // Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2013. T. 8. № 2(28). S. 151-154.
6. Kirin, S.G. Sistema informacionnogo obespecheniya planiruyuschey funkcii upravleniya razvitiem agrarnyh hozyaystv i sel'skih territoriy / S.G. Kirin // Agrarnyy vestnik Urala. 2010. № 4(70). S. 51-53.
7. Savchenko, O.F. Metodologicheskie aspekty sozdaniya informacionnyh sistem v sel'skom hozyaystve / O.F. Savchenko // Dostizheniya nauki i tehniki APK. 2006. № 11. S. 5-10.
8. Savchenko, O.F. Primenenie informacionnyh tehnologiy v inzhenerno-tehnicheskoy sisteme APK / O.F. Savchenko, A.V. Shindelov // Vestnik NGAU (Novosibirskiy gosudarstvennyy agrarnyy universitet). 2013. № 4(29). S. 99-104.
9. Sistema meliorativnogo zemledeliya v Respublike Tatarstan / F.N. Safiollin, M.M. Hismatullin. Kazan', 2015. 317 s.
10. Hismatullin, M. M. Lizing tehniki i tehnologiy kak instrument razvitiya agropromyshlennogo proizvodstva / M. M. Hismatullin, F. N. Muhametgaliev, R. G. Hisamov // Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2015. T. 10. № 2(36). S. 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. Uluchshenie i ispol'zovanie poymennyh lugov: pod obschey redakciey doktora sel'skohozyaystvennyh nauk A.A. Zotova, chlena-korrespondenta RASHN / A.A. Zotov, V.M. Kosolapov, N.V. Panferov [i dr.]. Moskva: Rossiyskaya akademiya sel'skohozyaystvennyh nauk, 2013. 690 s.
14. Zotov, A.A. Uluchshenie i ispol'zovanie prirodnyh senokosov i pastbisch Srednego Povolzh'ya / A.A. Zotov, M. M. Hismatullin. Kazan': Zur Kazan, 2014. 267 s.
15. Hismatullin, M. M. Izuchenie nakopleniya nitratov v zelenoy masse mnogoletnih trav / M. M. Hismatullin // Agrohimicheskiy vestnik. 2010. № 3. S. 28-29.
16. Ekonomicheskie pokazateli primeneniya antistressovyh i fitogormonnyh preparatov na posevah yarovogo rapsa Ruyan v pochvenno-klimaticheskih usloviyah Respubliki Tatarstan / F.N. Safiollin, F.N. Muhametgaliev, S.R. Suleymanov [i dr.] // Finansovyy biznes. 2021. № 6(216). S. 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 aprelya 2019 goda. Kurgan: IOP Publishing Ltd, 2019. P. 012109.
18. Urozhaynost' i kormovaya cennost' raygrasa pastbischnogo v zavisimosti ot fona mineral'nogo pitaniya na seryh lesnyh pochvah Respubliki Tatarstan / N.V. Trofimov, F.N. Safiollin, G.S. Minnullin [i dr.] // Kormoproizvodstvo. 2017. № 7. S. 17-20.
19. Kayumov, I.A. Innovacionnoe razvitie melioracii v Respublike Tatarstan / I.A. Kayumov, M.M. Hismatullin, M. M. Hismatullin // Evraziyskoe Nauchnoe Ob'edinenie. 2017. T. 1. № 7(29). S. 70-72.
20. Rol' i mesto oroshaemogo zemledeliya v proizvodstve sel'skohozyaystvennoy produkcii i ego ekonomicheskaya effektivnost' (opyt Respubliki Tatarstan) / V.A. Komisarov, A.R. Valiev, Rahim Ullah [i dr.] // Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2021. T. 16. № 3(63). S. 160-166.
21. Sostoyanie meliorativnoy otrasli v Respublike Tatarstan i osnovnye puti ee razvitiya / A. M. Sabirov, D. I. Fayzrahmanov, A.M.Zalakov [i dr.] // Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2015. T. 10. № 4(38). S. 10-15.
22. Hismatullin, M. M. Agroenergeticheskaya i ekonomicheskaya effektivnost' poverhnostnogo uluchsheniya poymennyh lugov / M. M. Hismatullin // Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2010. - T. 5. - № 1(15). - S. 120-122.
23. Hismatullin, M.M. Melioraciya v Respublike Tatarstan: sovremennoe sostoyanie, problemy i perspektivy / M.M. Hismatullin, M.M. Hismatullin, R. Ullah // Regional'naya ekonomika: teoriya i praktika. 2022. T. 20. № 1(496). S. 168-185.
