Развитие теоретических представлений об азотном питании растений и появление научно-технических возможностей диагностировать его уровень позволяют создавать технологические методы и приемы, позволяющие максимально автоматизировать, т.е., по существу, роботизировать, как определение нуждаемости сельскохозяйственных культур в оптимизации их минерального питания, так способы его регулирования.
В основе диагностики азотного питания растений фотометрическими методами лежит выявленная многими исследователями зависимость обеспеченности их азотом от содержания хлорофилла в листьях, его фотоактивности (флуоресценции). Отсюда исходным принципом диагностической фотометрии служит определение в листьях или посеве в целом концентрации хлорофилла или интенсивности флуоресценции.
Созданные фотометры, работающие на этих принципах, указывают на величину так называемого вегетационного индекса или аналогичные показатели. Для реализации выявленных диагностических показателей в целях оптимизации азотного питания растений применяются роботизированные машины (агрегаты), способные по заданной программе вносить на посевы необходимые дозы азотных минеральных удобрений в виде вегетационных подкормок.
Связь интенсивности зеленой окраски листьев растений с уровнем обеспеченности их минеральным питанием, особенно азотным, известна давно и использовалась европейской агрономией в диагностических целях еще в 19 веке. Но если еще в недавние времена диагностика азотного питания растений основывалась преимущественно на визуальных и химических методах, то в настоящее время на смену или в дополнение к ним приходят инструментальные, в том числе роботизированные, методы его оценки, включая дистанционное зондирование.
Прежде всего, это относится к фотометрии растений и посевов в целом. Измеряя фотометрами уровень отраженного от растений солнечного или искусственно наведенного света, определяют зависимость содержания зеленого пигмента хлорофилла или его флуоресценции от уровня обеспеченности растений азотным питанием, так как именно азотное питание оказывает прямое воздействие на концентрацию хлорофилла в растениях, в их фотосинтезирующих органах.
Хотя фотометрия относится к опосредованным, косвенным методам диагностики азотного питания растений, соответствующим образом сконструированные и откалиброванные фотометры дают возможность с достаточной точностью определить нуждаемость растений в азотном питании. Их «работоспособность» во многом определяется способностью фиксировать отраженные от растений электромагнитные волны солнечного или искусственного облучения.
Исследованиями установлено, что общая мощность лучистого потока, падающего от солнца на земную поверхность, измеренную за пределами атмосферы, составляет 1000 ватт на 1 м2. При этом наибольшая часть световой энергии приходится на инфракрасную область – 530 вт/м2, 158 – на красно-оранжевую, 150 – на желто-зеленую, 132 – на сине-фиолетовую и 30 вт/м2 — на ультрафиолетовую.
К видимой части солнечного спектра относятся красно-оранжевые, желто-зеленые и сине-фиолетовые области электромагнитных волн, суммарная мощность которых равна 440 вт/м2. Это так называемая физиологически активная радиация (ФАР), которая оказывает наибольшее влияние на фотосинтетическую активность хлорофиллоносных растений. Полевыми сельскохозяйственными культурами может потребляться до 4–5% и более физиологически активной радиации солнца, хотя на практике уровень усвоения солнечной энергии для формирования урожая, его сухой массы обычно колеблется в пределах 1–3%.
Другая часть падающей солнечной энергии используется растениями на испарение влаги (около 40%) и рассеивается в пространстве в видимом (около 20%) и тепловом, или инфракрасном (около 35%) диапазоне электромагнитных волн. Часть рассеиваемой, т.е. непосредственно отражаемой или пропускаемой через вегетативную массу, световой энергии улавливают фотометрическими приборами.
Наибольшая часть солнечной энергии отражается растениями в инфракрасном (ИК) диапазоне электромагнитных волн, а в видимом свете – в диапазоне, относящемся к зеленой его части. Именно поэтому мы видим окружающую нас растительность зеленой. Минимальное отражение солнечного света относится к красной и синей части волнового спектра, что свидетельствует о том, что в данных областях происходит наибольшее усвоение растениями световой энергии.
На основании спектральных характеристик отражения падающей на растения энергии разработан так называемый нормализованный дифференцированный вегетационный индекс (NDVI), который используется во многих фотометрических приборах для диагностики азотного питания растений. Для этого в приборах предусмотрена фиксация интенсивности отражения растениями солнечного или индуцированного света в красной (P NIR) и инфракрасной (P RED) областях спектра.
Также предусмотрено автоматическое вычисление вегетационного индекса путем деления разницы в показаниях между величинами отраженного света в ближней инфракрасной и красной областях на сумму этих величин по формуле.
Показатели вегетационного индекса, отражаемые на дисплеях фотометров, могут выражаться в различных относительных единицах, что в известной степени затрудняет их сравнение у разных приборов. Следует отметить, что в настоящее время в России продаются фотометры преимущественно зарубежного производства, в частности из США и Европы. Нами испытывались в полевых опытах портативные фотометры типа «Yara», ССМ-200, «Crop Circle», «Greenseeker», также отечественные модели — однолучевой и двулучевой, выполненные фирмой «Спектролюкс» по техническому заданию ВНИИА.
Результаты исследования показали, что и зарубежные, и отечественные фотометры могут с успехом применяться для определения азотного статуса растений. Согласно лабораторным исследованиям, проведенным совестно с ФИАН, лазерное облучение растений озимой пшеницы показало, что независимо от доз азота, внесенных под культуру, пик отражения света от листьев растений приходится на 740-750 нм, от стеблей — на 680 – 700 нм, т.е. в целом от растений на область волнового спектра флуоресценции хлорофилла (675 – 890 нм).
Однако на интенсивность отражения (рассеяния) световой энергии растениями в ближнем ИК-диапазоне азотные удобрения оказывают существенное влияние. Об этом свидетельствуют многочисленные данные, полученные в наших полевых опытах. Так, при обследовании посевов озимой пшеницы зависимость показателей N-тестеров «Спектролюкс и «Yara» от возрастающих доз азота характеризовалась коэффициентами парной линейной корреляции в 0,95, причем согласованность между показателями этих приборов была на уровне r = 0,99.
Вместе с тем, отмечена затухающая реакция отзывчивости растений на возрастающие дозы азота в области высоких значений доз азота, о чем свидетельствует параболическая форма кривых квадратичных уравнений регрессий, которые аппроксимировали показания обоих N-тестеров точнее линейных (У – показания тестеров, х –дозы азотных удобрений):
У1 = 115,25 + 60,96х — 7,25х2 (R = 0,99) по N-тестеру «Спектролюкс»
У2 = 359,13 + 155,9х — 20х2 (R = 0,99) по N-тестеру «Yara»
Аналогичные кривые получены в полевом опыте и для отзывчивости на азот горчицы белой. Зависимость показаний прибора «Спектролюкс» от возрастающих доз азота, внесенного под эту культуру, аппроксимировалась уравнением регрессии:
У3 = 278,37 + 51, 53х — 2,33х2 (R = 0,99)
Характерно, что кривая вышеприведенной регрессии по форме аналогична кривой, характеризующей содержание хлорофилла в листьях горчицы белой:
У4 = 0,3805 + 0,0648х — 0,0041х2 (R = 0,87)
Таким же образом, возрастающие дозы азота действовали на урожайность зеленой массы этой культуры:
У5 = 111,81 + 30,663х — 0,1228х2 (R = 0,95)
Из этого следует, что показания N-тестеров отражают реальную обеспеченность растений азотным питанием, в свою очередь влияющим на урожайность сельскохозяйственных культур. Иначе говоря, высокая статистическая и биологически апробированная достоверность показаний N-тестеров от доз азотных удобрений служит научной основой диагностики азотного питания растений, что позволяет отказаться от сложных и трудоемких, к тому же небезопасных для здоровья ручных операций растительной диагностики, и в известной степени роботизировать диагностические процессы.
Еще более роботизированной считается дистанционная фотометрическая и радиолокационная диагностика посевов. Она подразделятся на авиакосмическую и наземную. В основе космической диагностики лежит способность атмосферы пропускать к земле и обратно определенный спектр электромагнитных волн. По рис. 4 видно, какие способы дистанционного зондирования целесообразно применять в том или ином диапазоне электромагнитного излучения земной поверхности. Так, фотометрия пригодна для диагностики в диапазоне от 0.3 до 20 мкм, радиолокация — при длинах волн от 0,5 мм до 1 м и более.
Исследования, проведенные ВНИИА в ОПХ Смоленского НИИСХ в полевом подспутниковом опыте с возрастающими дозами азотных удобрений под озимую пшеницу, показали, что коэффициенты корреляции содержания в растениях общего и нитратного азота, с результатами сканирования посева космическим аппаратом «Ресурс-01» с фиксацией электромагнитного излучения в красном и ближнем инфракрасном диапазоне (0,6-0,7 и 0,8-0,9 мкм) составляли не ниже + 0,9.
При радиолокации посева озимой пшеницы космическим аппаратом «Алмаз-1» на подспутниковом опыте в ОПХ «Газырское» Краснодарского края, в котором были внесены азотные удобрения в дозах N от 30 до 90 кг/га, установлена возможность дистанционного определения нуждаемости растений в азоте с относительной ошибкой от 4 до 9% по сравнению с определением элемента химическим методом.
При этом дистанционная радиолокация позволяет проводить обследование посевов независимо от погоды и времени суток. При фотометрии посевов озимой пшеницы в ОПХ «Газырское» в обычных полевых опытах с применением вертолета коэффициенты парной линейной корреляции между величиной отраженных от растений сигналов и содержанием в их биомассе общего и нитратного азота колебались в пределах 0,8-0,9.
С учетом сравнительной стоимости дистанционного зондирования посевов с самолетов и вертолетов перспективным представляется проведение дистанционной диагностики с помощью беспилотников–квадрокоптеров и других низколетящих аппаратов с фиксацией состояния обследуемых объектов на прикрепленные фотометры. Это не только повышает точность и оперативность диагностического обследования посевов, но и снижает себестоимость диагностических работ.
К дистанционны наземным способам диагностики азотного питания растений следует отнести так называемые N-сенсоры, обычно устанавливаемые на агрегатах, предназначенных для внесения азотных удобрений на посевы в вегетационный период. Лучше всего зарекомендовали себя такие фотометры, как вышеописанный «Greenseeker», регулирующие подачу жидких азотных удобрений через форсунки рабочего органа машины, а также N-сенсоры, устанавливаемые над кабиной трактора, с фиксацией в борт-компьютере подкормочного агрегата пассивного или искусственно наведенного света, исходящего от вегетирующей культуры.
В результате проведенных операций с использованием роботизированных агрегатов, которые, помимо фотометрических приборов, оснащены навигационными приборами GPS/ГЛОНАСС и системами автовождения, удается достигать значительного агроэкономического и экологического эффекта. Так, при дифференцированном внесении азотных удобрений под яровой ячмень по показаниям N-тестера «Greenseeker» прибавка урожайности по сравнению с внесением средней дозы, равновеликой по действующему веществу средней дифференцированной дозе, составила 0,63 т/га или 13,8%.