Точність внесення азоту: досвід аграрія

Ерік Одберг – фермер четвертого покоління, котрий практикує гербіцидну обробку ґрунту, і перший, хто застосував внесення змінної норми азоту (VRN) в посушливих районах в Тихоокеанському північно-західному регіоні.

Протягом усіх своїх років фермерства, Одберг і його дружина Малія були мотивовані прагненням передати екологічно і економічно стабільну діяльність своїм трьом синам. На даний час вони обробляють близько 2200 ар (890,12 гектар) озимої пшениці, бобових і ярого зерна протягом 3-х річної сівозміни. “Я – представник четвертого покоління фермерів і сподіваюся, що ми зможемо передати діяльність п’ятому. Наявність стабільного гоподарства є важливим складником цього процесу. Я хочу не лише володіти землею, але ще й отримувати від цього прибуток “.

Одберг вбачає у використанні змінної норми азоту (VRN) єдину стратегію за даних умов, здатну зробити його діяльність прибутковою і забезпечити правильне стратегічне управління землею. “Ви вносите менше азоту, що матиме кращий вплив на навколишнє середовище. Тобто ви не викидатимете надлишку, який би просто потрапляв у ґрунтові води, наші річки та струмки. Прямий посів також допомагає зменшити втрати верхнього шару ґрунту і поживних речовин, які потраплять у водні шляхи. Дійсно, я бачу роботу цих методів пліч-о-пліч, з основою на прямому посіві“.

Початок роботи зі змінною нормою азоту (VRN)

Знайомство Одберга зі змінною нормою азоту (VRN) сталося задовго до того, як він насправді випробував її, і почалося з його переходу до прямого посіву у 2000 році, через кілька років після того, як він взяв на себе управління сімейним господарством.

“У мене було декілька випадків великих ерозій ґрунту, коли я вперше почав займатися фермерством і не бачив майбутньої стабільності, а тому прекрасно усвідомлював, що нам потрібно змінити. І прямий посів був хорошим рішенням цієї проблеми “.

Прямий посів спонукав Одберга впровадити ряд додаткових нових методів, в тому числі урізноманітнення асортименту своїх сівозмін, збільшення кількох сортів пшениці та внесення азоту (N) за змінною нормою.

Одберг вперше почав експериментувати з точним землеробством в 2005 році, коли він придбав систему доставки безводних добрив Exactrix для сівалки, що працює за системою нульової обробки ґрунту, прагнучи поліпшити рівномірність внесення азоту і зменшити загальну кількість його використання (див. бокову панель “Обладнання Одберга”). Підтримуючи тиск вище, ніж більшість інших систем внесення, система Exactrix утримує безводний аміак у вигляді рідини, яка вводиться в ґрунт, знижуючи газоподібні втрати аміаку в порівнянні з багатьма іншими системами. Оскільки Одберг шукав стратегії, які б в подальшому дозволили скоротити використання азотних добрив, Гай Своунсон, керівник і власник Exactrix Global Systems, запропонував йому спробувати вносити азот за змінною нормою (VRN). Замість застосування азоту з однаковою нормою по полю на основі середньої врожайності, він може зменшити внесення азоту на пагорбах та вершинах пагорбів, де шар ґрунту – менший, а продуктивність – нижча (мал. 2).

Отже, в тому був сенс і Одберг хотів мати це у себе. Участь в програмі USDA-NRCS по збереженню безпеки (CSP) дала йому таку можливість. Він використав кошти з програми збереження навколишнього середовища, щоб придбати систему картографування врожайності. Під час врожаю 2006 року, він побачив і був здивований тим, наскільки рівень врожайності варіювалася вздовж його полів: від менш ніж 3.5 т/га на височинах, до більш ніж 9.4 т /га на протяжних низинах. Одберг переконався, що внесення азоту за змінною нормою (VRN) є достатньо вигідним.

Система точного землеробства Одберга

Карти-рекомендації, які Одберг використовує для внесення азоту, були розроблені на основі його карти врожайності за допомогою Дейва Бартона, фахівця з точного землеробства(мал.3). Одберг з’ясував, що схеми врожайності з року в рік є досить стабільними. А з цього випливає, що його зони також є послідовними. Співпраця з консультантом стала ключовим моментом його стратегії. Без встановлених керівних принципів, які диктують, як інтерпретувати карти врожайності на зони, для яких рекомендовано внесення добрив, мати підтримку фахівця з практичним досвідом в подібних ситуаціях надзвичайно важливо, особливо коли ви виконуєте це вперше.

Система Одберга включає в себе два окремі контролери. Один з них варіює застосування добрив, як описано в карті внесення добрив, коли він їздить по всьому полю, а інший – автоматичне керування. У 2013 році він оновив свій контролер, що дало можливість вносити кілька продуктів за змінними нормами. Це головна особливість, яку фермер використовує для зміни норми насіння і поживних речовин, відмінних від азоту. Одберг в основному використовує чотири зони для внесення азоту. Найменш прибуткові ділянки отримують 58-62 кг азоту на 1 га, дві середні зони отримують 92-100 кг і 118-125 кг азоту на 1 га, а найвищі виробничі площі отримують 135-145 кг/га.

Для точного прийняття рішень про те, скільки додавати азоту, Одберг відбирає комбіновані зразки ґрунту перед посадкою поля (восени – озимі культури, навесні – ярові). Раніше він практикував управління вибірки зон окремо, проте йому було важко розібратися в отриманих результатах. Тому він повернувся до відбору проб по полю і використовує цю інформацію для коригування норм внесення в його межах.

З моменту впровадження технології зі змінною нормою, Одберг скоротив використання загальної кількості азоту на 15%, при цьому не впливаючи на врожайність. З його заощаджень близько 7% припадає на використання автоматичного управління, що зменшує надлишок в додаванні азоту (див. бокову панель “Економія вартості добрив за допомогою використання точних аграрних інструментів”). Додаткова економія близько 8% припадає на використання змінних зон. Зі слів Одберга, ці заощадження є достатніми, щоб, як мінімум, принести користь і він з оптимізмом налаштований до подальшого вдосконалення.

Вивчення, експериментування і адаптація

Коли Одберг вперше переходив до обмеженого обробітку ґрунту, вибір методу – особливо важливе питання. Наприклад, коли він вперше застосував прямий посів, Одберг цікавився досвідом свого сусіда Русса Зеннера. Він також взаємодіяв з іншими фермерами, котрі мали досвід у технології прямого посіву і брали участь в Тихоокеанській північно-західній асоціації прямого посіву, що спонсорує проведення конференцій для виробників протягом зимових місяців. Фінансування в рамках таких програм, як USDA NRCS Програма стимулювання якості навколишнього середовища і Програма по збереженню безпеки стало ресурсом, який значно полегшив вивчення нових методів.

Одберг також вчився методом проб, діючи на свій власний розсуд. Щодо технології змінної норми, він коментує:

“Це тільки здавалося абсолютно очевидним для мене, і саме тому я просто поринув у неї з головою, не озираючись назад. Але це значний ризик. І у мене немає відповідей на всі питання“.

Згодом він створив базу інформації, яку він може залучити для вирішення проблем у разі їх виникнення, навчаючись в інших і, власне, експериментуючи.

Одберг вважає змінну норму єдиною стратегією, здатною поліпшити його практику вирощування в даних умовах. Він постійно оцінює свою діяльність, визначає площі для вдосконалення, а також обговорює стратегії з іншими виробниками. Він також цікавиться останніми публікаціями, щоб отримати ідеї з інших регіонів, які він може адаптувати для використання. І, нарешті, участь в наукових дослідженнях допомогла Одбергу закріпитися на вершині передових технологій. В даний час він – фермер-кооператор в проекті Університету Вашингтон (див. бокову панель “Дослідження щодо вдосконалення управління точним землеробством”). Роблячи внесок у розвиток нових знань, Одберг сподівається, що зможе оцінити і поліпшити зони внесення азоту, які він використовує, і дізнатися більше про ущільнення ґрунту, його якості й вміст поживних речовин.

Обладнання Одберга

Сівалка і обладнання для внесення добрив: прямий посів Одберга із сівалкою Джон Дір 1895, що працює за технологією нульової обробки ґрунту, адаптована для використання системи рідкої безводної доставки добрив Exactrix (малюнок 4). Oдберг зробив кілька модифікацій до своєї сівалки для підвищення її продуктивності. Після розриву занадто багатьох дисків та втулок в жорстких, сухих умовах, він змінив їх на більші, важчі втулки для певних дисків на його сівалці. Для забезпечення постійної глибини посіву і доброго контакту з ґрунтом, він використовує сівалку Кітон, що сприяє отриманню кращих результатів. Він також використовує пристрій Exapta (або Томпсон). Йому вдалося виявити, що колеса із шипами краще слугують для закриття посівної борозни, особливо в більш вологих умовах.

Більшість систем внесення безводного аміаку знижують тиск, в той час як системи Exactrix збільшує і регулює тиск за допомогою насоса, колектора і акумулятора (малюнок 6). Це зберігає аміак в рідкій формі (на відміну від газу) до тих пір, поки він не буде внесений у ґрунт.

Перед тим, як придбати цю систему вісім років тому, Oдберг боровся з високими газоподібними втратами аміаку, особливо у важких, сухих умовах і під час холодної, вологої весняної погоди. Він також виявив, що холодний аміачний газ в його старій системі спричиняв замерзання дисків, в результаті чого відбувалось засмічення сівалки.

Oдберг з’ясував, що система Exactrix добре працює для внесення азоту за змінною нормою. Колектор і акумулятор аміаку дозволяють системі легко варіювати норму внесення. Oдберг дізнався, що він може варіювати норму від 56-135 кг азоту на 1 га, не змінюючи насадки.

Oдберг також зробив кілька змін в його системі доставки безводних рідких добрив. Наприклад, наявність пристрою закриття прямо за випускним отвором для рідкого безводного аміаку є ключовим фактором. У міру того, як безводний аміак залишає герметизовану систему, він має тенденцію до перетворення в газ, а швидке засипання ґрунту знижує атмосферостійкі втрати.

Контролер внесення за змінною нормою: для зміни норми азоту Oдберг використовує контролер Trimble FMX зі змінною нормою.

У той час, як його старий контролер міг тільки змінювати норму одного продукту, новіша система Trimble, яку він придбав в 2013 році, дозволяє йому варіювати до 4-х або 5 продуктів одночасно. Для автоматичного управління і керування він використовує польовий комп’ютер Raven Envizo Pro.

Переваги системи Одберга: Одберг розуміє, що система Exactrix дозволяє зменшити норми азоту з кращим розподілом і переміщенням добрив. Ця система дійсно добре працює зі змінною нормою внесення добрив.

Використання двох контролерів дозволяє працювати краще з установкою, даючи хороші результати.

Недоліки системи Одберга: оскільки система складна і вимагає кваліфікованого оператора, Одберг вимушений самостійно управляти машиною.

Переваги

Одберг знаходить багато переваг у його виробничій практиці. Прямий посів і різноманітні сівозміни лежать в основі його системи. Працюючи разом, вони дозволяють збільшити кількість органічних речовин, знизити ущільнення, а також поліпшити якість ґрунту. Його проблеми з бур’янами також піддаються керованою, за винятком зростаючої проблеми з вівсяницею (див. нові напрямки). Хоча, можна було б використовувати технологію зі змінною нормою на полі, яке обробляється за традиційною системою. Одберг вважає, що ці технології, працюючи разом, зменшують втрати верхнього шару ґрунту і азоту.

На мою думку, є велика екологічна користь від використання змінної норми, тому що ви менше вносите поживних речовин. Це не набагато менше, проте це якраз настільки, скільки потрапляє в навколишнє середовище. При тому використовується менше ресурсів на нафтовій основі, які, на жаль, є вичерпними. Так що це перемога щодо економії для мене як виробника, і це перемога для нашої планети і населення, з меншим викидом азоту в навколишнє середовище, незалежно чи то в атмосферу, чи водні шляхи.

Oдберг також бачить практичну користь від точного внесення азоту. Він також помічає набагато менше вилягання пшениці, ніж він бачив до цього. Фермер пояснює це зменшенням областей, які отримують занадто багато азоту. Це впливає на більш рівномірний ріст його урожаю і робить прямий посів набагато легшим, оскільки залишок стоїть, а не лежить.

Випробування

Для Одберга найбільшою проблемою з точним внесенням азоту є витрати, пов’язані з цією технологією. Високі витрати на обладнання роблять рішення про покупку критичними. Спочатку він придбав контролер, який би вносив один продукт зі змінною нормою, а не кілька продуктів, як було прорекламовано. Це обмежило його тільки у варіюванні норми азоту.

Управління технологією також стало викликом. Одберг думає, що він володіє технологією на належному рівні, але він не вважає себе експертом. Скориставшись послугами спеціаліста з точного землеробства, він став залежним від нього. Фахівець, з котрим він працював протягом тривалого часу, несподівано змінив місце роботи і з тих пір Oдберг вивчає інші варіанти, більше працюючи самостійно і користуючись послугами консультанта – представника компанії-постачальника добрив. Він до цього часу не прийняв послідовної стратегії, але фермер упевнений, що галузь точного землеробства швидко набуває популярності, так що він зможе знайти когось, хто найближчим часом заповнить цю прогалину.

На думку Oдберга, використання технології зі змінною нормою, не зважаючи на проблеми, виправдовує себе.

“З усіх виробничих площ в Сполучених Штатах, ми, ймовірно, маємо найбільшу неоднорідність через горбистість,” – говорить він. “Палуза просто «плаче» за цією технологію, і я гадаю, що, в кінці кінців, кожен буде використовувати її.”

Економія вартості добрив з використанням точних аграрних інструментів

З досвіду Oдберга точне землеробство дозволяє йому заощадити близько 15% на акр на витратах безводного азоту. З них близько 7% – як результат використання автоматичного управління, що зменшує перекриття на кожному проході, а також на кордонах поля. Внесення за технологією змінної норми зберігає йому близько 8%. Наприклад, припустимо, що при нормі внесення безводного азоту 100 кг азоту на 1 га, він зможе заощадити близько 7 кг азоту, використовуючи автоматичне рулювання, і близько 8 кг на 1 га від застосування VRN. Якщо ціна безводного азоту – 1.4 $ за 1 кг, то автоматичне управління заощаджує $ 10 за 1 га і VRN економить $ 11.2 за 1 га. Загальна сума економії – $ 21.2 за 1 га. На декілька тисяч гектарів, економія буде суттєвою і допоможе фінансувати модернізацію техніки та впроваджувати елементи точного землеробства. Зменшення витрат і вилуговування азоту із застосуванням змінної норми дає додаткові переваги.

Управління ризиками

У той час, коли сільське господарство завжди було ризикованим, Oдберг відчуває, що його стратегії виробництва, об’єднуючись, зменшують загальний ризик. Його виробничий ризик знижується, а система стає більш стійкою, завдяки використанню прямого висіву та різноманітних сівозмін. Разом з тим, використання технології точного азоту зменшує залежність від добрив, що сприяє зниженню ризику від коливань цін на сировину.

“Змінна норма – це просто ще один компонент … це не великий, проте важливий елемент інструменту,” – говорить він. І хоча Oдберг визнає, що цілком можливо технологія змінної норми може привести до скорочення загального врожаю, проте фермер ще не стикався з цим.

Одберг прийняв ряд рішень, які допомогли компенсувати ризик адаптування нової, складної і дорогої технології. Він зміг знизити витрати на обладнання, беручи участь в різних програмах у період, коли він саме починав вводити технологію. Послуги фахівця з точного землеробства допомогли йому освоїти цю інновацію.

Завдяки розширенню асортименту, Oдберг також намагається знизити маркетинговий ризик. Вирощуючи більше культур і різноманітних сортів пшениці, він менш залежить від цін на будь-які конкретні культури. У той же час, він також продає близько чверті своєї пшениці через компанію Shepherd’s Grain, отримуючи фіксовану ціну. Ціна може бути вищою або нижчою, ніж ціна, яку диктує товарний ринок, але в цілому це робить його дохід менш уразливим щодо злетів і падінь ринкової ціни. Як додаткова перевага – коли сім’я Одберга вирушає до Сіетлу або Портленду, вони люблять відвідувати пекарню або ресторан, який використовує пшеницю від компанії Shepherd’s Grain. Вони користуються можливістю, для того щоб насолодитися кінцевим результатом їхньої роботи, спілкуючись із пекарем і смакуючи продукти, виготовлені з вирощеної ними пшениці.

Малюнок 9. рН карта для одного з полів Oдберга, сформована в рамках дослідження вапнування зі змінною нормою, що проводиться програмою збереження ґрунту і водних ресурсів району Лата (і фінансується за рахунок служби збереження природних ресурсів Айдахо, Інноваційного гранту збереження). Кольори показують рН, що визначається детектором рН Vеris; ці карти рН і тести для вапнування використовувалися з метою координування рішень щодо норм внесення вапна. (Карта представлена Табітою Браун).

Нові напрямки

Одберг працює над поліпшенням своїх карт зон, що потребують внесення азоту через певний час, і картографуванням нових ділянок поля, на яких він господарює. Щоб зробити це, він експериментував з доповнюваннями та навіть із замінами інформації, яку він одержував від моніторингу врожайності за допомогою інфрачервоних зображень культур, знятих в період вегетації. Також Oберг з’ясував, що ці зображення співвідносні з його даними моніторингу врожайності. Це збільшило його впевненість у тому, що він може використовувати інфрачервоні знімки, коли його карти врожайності є недосконалими (дві з них поєднуються, тільки одна має монітор врожайності).

Згодом він також сподівається точно відрегулювати норми внесення азоту. Наприклад, йому цікаво чи підвищення норми азоту на його вже високоврожайних площах зможе збільшити загальний врожай.

Oдберг починає досліджувати результати внесення інших продуктів за змінною нормою. У 2013 році він почав брати участь у дослідженні внесення вапна за змінною нормою, що проводилося програмою збереження ґрунту і водних ресурсів району Лата. Враховуючи те, що вапно є дорогим продуктом, Одберг вважає це досить перспективним і економічно вигідним. На свій власний розсуд, він також почав вносити калій і фосфор за змінною нормою з більшою кількістю на еродованих височинах, де він виявив недостатність цих поживних речовин. Незважаючи на те, що він тільки починає апробувати ці методи, він з нетерпінням очікує результатів.

Oдберг також планує розпочати експеримент із внесенням посівного матеріалу за змінною нормою.

“Все це пов’язано з глибиною води та ґрунту. Я думаю, що ми надмірно засівали наші південні схили і вершини пагорбів” – говорить він. “В тих місцевостях, ми просто не мали можливості утримувати воду, так що нам, дійсно, не потрібно було там так багато рослин. Можливо, ми недосівали наші північні схили і низовини, де ми маємо більшу кількість доступної води протягом всього періоду вегетації“. Через те, що насіння дорожчає, Одберг надає велике значення економії.

Крім точного землеробства, Oдберг продовжує випробувати нові методи виробництва. В даний час він розпочинає включати ріпак Roundup Ready у свою сівозміну озимої пшениці, бобових і ярих культур, що додає різноманітності, а також нові варіанти боротьби з бур’янами. Крім цього, він сподівається, що це допоможе зменшити наростаючу проблему з вівсяницею на деяких полях. Йому також хотілося б експериментувати із захистом врожаю, хоча він впевнений в тому, що необхідна буде значна адаптація, перш ніж він зможе працювати в Тихоокеанських посушливих районах північно-західної частини.

Дослідження щодо вдосконалення системи управління точним землеробством Девіда Брауна і Еріна Брукса

Вчені Університету штату Вашингтон, Університету штату Айдахо, і Міністерства сільського господарства США – Служби сільськогосподарських досліджень вивчають, як умови вирощування змінюються в межах поля в різних місцевостях Палузи. Сільськогосподарський проект Site-Specific Climate-Friendly (SCF) пояснює зміни в фізичних, хімічних і біологічних процесах, а також надає інформацію, яку фермери можуть використовувати для реалізації і підвищення ефективності точного управління.

Щоб краще зрозуміти ці процеси в реальних умовах управління, проект SCF створив чотири зони досліджень в невеликих дренажах на полях ферм, які співпрацюють між собою. Ділянки включають в себе ферму Еріка Oдберга біля Джінесі, Айдахо, а також ферм поблизу Колфекс, Вашингтон; Леланд, штат Айдахо; і Трой, Айдахо. Ділянки охоплюють діапазон кліматичних, ґрунтових і топографічних умов через всю територію Палузи.

На кожній ділянці були встановлені наукові прилади для охоплення напрямку вимірювань. На дванадцятьох, ретельно відібраних місцевостях в межах кожної ділянки, вологість і температура ґрунту вимірюються щогодини на п’яти глибинах до 60 дюймів (150 см). Також вимірюються урожайність зерна і білок, біомаса культур, вуглець, азот, і норми мінералізації азоту. Гідрологічні канали здійснюють контроль за виходами води та азоту. Метеостанції збирають інформацію про погоду.

Проект в значній мірі залежить як від прямого виміру просторової мінливості ґрунту і гідрологічних особливостей, так і від розробки та вдосконалення технологій дистанційного збору даних з поля, які можуть бути використані для швидкого і недорогого визначення характеристик мінливості в межах поля. Ґрунти наносяться на карту через дренаж з використанням передових інструментів збору даних ґрунту і важливих параметрів сільськогосподарських культур (наприклад: біомаси, вмісту азоту, тиску води), Протягом вегетаційного періоду вони наносяться повторно з використанням супутникового інфрачервоного зображення RapidEye.

Поки дослідження ще триває, але попередні результати вже свідчать, що менш продуктивні зони полів Еріка Oдберга мають високий вміст або неглибокий шар глини під верхнім шаром ґрунту. Дані вологості ґрунту вказують, що ці поверхові ґрунти дуже не стійкі, швидко набирають вологу і висихають.

В цілому, карти, розроблені Oбергом і Дейвом Бартоном, фахівцем з точного землеробства, вказують на чітке розуміння мінливості полів Oдберга.

Строкатість по полю за строком достигання і врожайність ідеально співпадають з нормами внесення добрив. Можна припустити, що втрати нітратів будуть зведені до мінімуму, шляхом внесення добрив за змінною нормою.

Вимірювання електропровідності ґрунту (яке легко отримується) підтверджує зміни вмісту глини і вологи в ґрунті на полі. Інфрачервоні зображення RapidEye визначають способи сушіння. Червоні ділянки – сухі, сині області – активно ростуть. Слід звернути увагу на те, що ці методи добре узгоджуються з результатами вимірювань електропровідності ґрунту.

Карти-рекомендації щодо внесення добрив накидаються за допомогою зображень RapidEye. Важливо згадати про тісний взаємозв’язок між зональними межами і способами сушіння.

Очікувані перспективи

Коли Oдберг дивиться на перспективи, він вважає, що сільське господарство йде “назад у майбутнє”. У той час, коли старі методи, наприклад, захист урожаю, оновлюються, нові технології, такі як точне землеробство і вдосконалені сорти сільськогосподарських культур, також пропонують нові можливості.

Oдберг сподівається, що точне землеробство відкриє ширші можливості наступним поколінням, залучаючи їх до сільського господарства. Він також плекає надію, що нові технології зроблять сільське господарство більш привабливим для майбутніх працівників, адже робота на тракторі включає в себе складні інструменти, що робить її більш цікавою і складною. Фермер вважає, що ці інструменти стануть невід’ємною частиною в майбутньому. Хоча він попереджає, що вони не замінять потреби в прив’язаності до землі.

Фермерам Тихоокеанської території на північному заході пощастило, говорить Oдберг:

«Нам на Тихоокеанському Північному Заході дійсно пощастило, бо маємо достатньо стабільний клімат».

Проте, за ці роки він також помітив, що погода стає більш екстремальною: періоди засухи та дощової погоди тривають довше. Сенс у тому, що ці періоди тут надовго, але з огляду на загальну потужність його системи нульової обробки землі, він буде в змозі управляти ними. У деяких випадках, зміни в його обладнанні були ключем до управління новими умовами. Наприклад, він пристосував свою сівалку, що працює за системою нульової обробки землі, до насіннєвого матеріалу для твердих, сухих ґрунтів протягом тривалих посушливих періодів восени. Він також вважає, що вирощування нових сортів, наприклад, ранньостиглих, матиме важливе значення в майбутньому.