За матеріалами статті на тему «Прогнозування врожайності та якості цукрових буряків за допомогою БПЛА» («UAV-Based Prediction of Sugarbeet Yield and Quality») журналу Crops & Soils, березень 2023 р.

Виробництво цукрових буряків (Beta vulgaris L.) включає врожайність коренеплодів, вихід цукру (цукристість) та ефективність вилучення цукру. В Айдахо азот (N) і управління водними ресурсами є двома основними факторами, що впливають на врожайність і якість буряків.

Низький рівень азоту в ґрунті може зменшити врожайність та цукристість буряків, тоді як внесення азоту, що перевищує потреби культури, може знизити вміст цукру та підвищити рівень домішок (нітратів), що призведе до скорочення ефективності вилучення цукру. Внесення занадто великої кількості азоту призводить до надмірного росту надземної біомаси буряків, але негативно впливає на розвиток коренів і накопичення в них цукру.

На підставі досліджень, проведених компанією Amalgamated Sugar Company та Університетом Айдахо, виробникам, як правило, рекомендується застосовувати весь азот перед посівною, щоб забезпечити його доступність для культури на етапі досягнення фази шести листочків. З іншого боку, літературні дані показали, що потреба цукрових буряків в N досягає піку в період найбільш інтенсивного росту листя в червні-липні. Деякі дослідники виявили, що дефіцит азоту в цукрових буряків можна виправити його внесенням у червні без втрати врожайності.

Надійна практика зрошення (кількість і час внесення) спрямована на оптимізацію врожайності цукрових буряків, зниження тиску хвороб і витрат на воду, а також мінімізацію втрат азоту. Високі рівні зрошення збільшують розмір коренів цукрового буряка (високу врожайність коренеплодів), але більші коренеплоди, як правило, мають нижчу концентрацію цукру (низький вихід цукру). Польові випробування показали, що цукрові буряки можуть переносити водний стрес у середині та в кінці сезону. Планування поливу та дефіцитне зрошення в кінці сезону може призвести до економії води до 20% без суттєвого зниження врожайності або якості цукрових буряків.

Дослідження показали, що поглинання азоту та води рослинами є принципово взаємодіючими. На реакцію культури на азотне добриво сильно впливає доступна для рослини вода, і навпаки. Рівень вологості ґрунту впливає на вивільнення азоту із застосованих добрив і на реакції мінералізації азоту. Визначення оптимальних рівнів азотних добрив та додаткового зрошення має ґрунтуватися на місцевих даних, вирощуваних сортах та методах виробництва.

Дистанційне спостереження та БПЛА

Точне управління поживними речовинами та водними ресурсами є перевагою для оптимізації внесення добрив і води для зрошення, оскільки воно допомагає врахувати як просторову, так і часову мінливість потреби рослин в азоті. Прогнозування врожайності та якості цукрових буряків до збирання є важливим для прийняття агротехнічних та маркетингових рішень. У межах сорту, на конкретному полі з певними характеристиками ґрунту в певному середовищі, реакція цукрових буряків на азот може бути порівнянною незалежно від рівня врожайності (Рис. 1). Урожайність, придатна для збирання, невідома до самого початку збирання врожаю, а рекомендації щодо азоту, засновані на попередніх цільових показниках урожайності, не завжди точні. Потенційну врожайність цукрових буряків можна точно передбачити на початку вегетаційного періоду, коли культуру можна підгодувати відповідно до її потреб у поживних речовинах. Цей підхід має потенціал для підвищення економічної прибутковості виробників і переробників цукрових буряків.

Рис. 1. Структура для сезонного прогнозування потенціалу врожайності

Дистанційне спостереження на основі безпілотних літальних апаратів (БПЛА) є багатообіцяючим інструментом для (1) сезонного азоту, управління водними ресурсами та (2) прогнозування врожайності та якості цукрових буряків (оцінка виходу цукру). Нормалізований диференційований вегетаційний індекс (NDVI) регулярно використовується в дистанційному спостереженні для сільського господарства. NDVI оцінює виробництво біомаси врожаю, вимірюючи різницю між ближнім інфрачервоним світлом (яке відбивають рослини) і червоним світлом (яке поглинають рослини).

Польові випробування

Мета полягала в тому, щоб оцінити доцільність прогнозування врожайності коренеплодів та виходу цукру за допомогою NDVI на основі БПЛА на цукрових буряках, вирощуваних за різних норм азоту та води. Польові випробування, частково фінансовані Snake River Sugarbeet Research and Seed Alliance, були проведені в Пармі, штат Айддахо, США, у 2019 та 2020 роках (Рис. 2).

Рис. 2. Цукрові буряки, оброблені 50% води + 100 фунтів N/акр (112 кг/га) (ліворуч) і 100% води + 300 фунтів N/aкр (336 кг/га) (праворуч), Парма, штат Айдахо, США, 10 червня 2019 р.

У квітні цукрові буряки (BTS 2570) були висаджені з міжряддями 22 дюйми (56 см) та відстанню між насінням 8 дюймів (20 см) на ділянках довжиною 40 футів (12 м), кожна з яких складалася з чотирьох рядків. Зрошення проводилося на основній ділянці, а азот вносився на додаткових ділянках.

Сечовина (46-0-0) була застосована під час посівної для досягнення трьох рівнів азоту: 100 (112 кг/га), 200 (224 кг/га) і 300 фунтів N/акр (336 кг/га) (залишковий N у ґрунті плюс внесене добриво). Ділянки зрошувалися за допомогою підповерхневого крапельного зрошення на основі даних щоденної евапотранспірації (ET) з метеостанції Парма AgriMet.

На цукрових буряках використовувалися специфічні коефіцієнти для досягнення зрошувальних заходів на двох рівнях: 100% ET (ґрунтова волога, втрачена з моменту останнього зрошення, повністю поповнена) і 50% ET (втрачена волога поповнюється на 50%). Через 40 і 60 днів після посіву (червень і липень відповідно) для отримання аерофотознімків використовувався БПЛА Matrice 100 (DJI, Лос-Анджелес, Каліфорнія), оснащений камерою RedEdge-M (MicaSense, Сіетл, Вашингтон) (Рис. 3). Для обробки зображень БПЛА використовувалося програмне забезпечення аналізу зображень MicaSense Atlas та Pix4Dmapper (Pix4D, Prilly, Швейцарія). У жовтні проводилося збирання цукрових буряків, вимірювалася врожайність коренів і вихід цукру.

Рис. 3. БПЛА Matrice 100 оснащений камерою RedEdge-M

Дані аналізували за допомогою статистичного програмного забезпечення SAS 9.4. Визначався вплив азоту та норм зрошення на врожайність цукрових буряків та вихід цукру. Оцінено взаємозв’язок між NDVI БПЛА та врожайністю цукрового буряка та виходом цукру. Вплив норми N на врожайність буряків та вихід цукру наведено в Таблиці 1.

Таблиця 1. Вплив азоту та норм зрошення на врожайність цукрових буряків та вихід цукру, Парма, штат Айдахо, США, 2019 та 2020 рр.

Значення в кожному стовпці, за якими йде одна і та ж літера, статистично не відрізняються (рівень достовірності 95%). ^aET — евапотранспірація.

Результати

У 2019 році комбінація 200 фунтів N/акр (224 кг/га) плюс 100% зрошення на основі ET максимізувала як урожайність цукрових буряків, так і вихід цукру. У 2020 році не було зафіксовано значного впливу зрошення та азоту на врожайність буряків та вихід цукру. Збільшення норми азоту до 300 фунтів N/акр (336 кг/га) не підвищило урожайність коренів або вихід цукру протягом жодного з двох досліджуваних років (Табл. 1).

Дані, отримані з БПЛА, можуть бути успішно використані для точної оцінки врожайності цукрових буряків (65-91%) та виходу цукру (75-95%) у сезон. Іншими словами, зображення, отримані за допомогою БПЛА, транскрибовані як вимірювання відбиття культури, допомогли передбачити врожайність і якість цукрових буряків. Точність урожайності буряків та прогнозування виходу цукру за спектральними індексами БПЛА покращилися з червня по липень (Рис. 4 і 5).

Рис. 4. Зв’язок між середнім нормалізованим диференційованим вегетаційним індексом БПЛА (NDVI) у червні та липні та врожайністю цукрових буряків (т/га), 2019 та 2020, Парма, штат Айдахо

Рис. 5. Зв’язок між середнім нормалізованим диференційованим вегетаційним індексом БПЛА (NDVI) у червні та липні та виходом цукру (ERS у т/га), 2019 та 2020, Парма, штат Айдахо

Ця робота є доказом концепції того, що спектральні вимірювання на основі БПЛА (такі як NDVI) можна використовувати для прогнозування врожайності буряків та виходу цукру у сезон. Подальша дослідницька робота має бути зосереджена на проведенні багаторічних випробувань у штаті Айдахо з використанням сучасних, добре адаптованих сортів для розробки надійних рівнянь для прогнозування врожайності та виходу цукру. Наступним кроком буде побудова сенсорного алгоритму для призначення норм азотних добрив для оптимізації агрономічної, економічної та екологічної стійкості виробництва цукрових буряків.