Автоматизированные системы оценки плодородия почв в координатном земледелии.
Р.Ф. Байбеков,
заместитель директора ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова, доктор с.х. наук член-корреспондент РАСХН
Ю.М. Логинов,
генеральный директор ООО «КИНЖ-АГРО», кандидат биологических наук.
ООО “Кинж – Агро“. 127550, г. Москва, улица Прянишникова, 31/А. Тел./Факс: 8 (499) 976-31-93 Сайт: www.kinzh-agro.ru , Электропочта: king-agro@mail.ru|
Представленная работа выполнена совместными усилиями рада профильных институтов, конструкторских организаций, частных фирм и производств.
Использование передовых технологий в земледелии позволяет значительно увеличить урожайность сельскохозяйственных культур при экономном применении средств химизации.
Одно из новых направлений в земледелии – точное или координатное земледелие. Оно базируется на успехах спутниковой связи, точного нахождения объекта на земной поверхности и сканировании земной поверхности в различных областях спектра соответствующим оборудованием, находящимся на спутнике.
Координатное земледелие позволяет дифференцированно вносить минеральные удобрения в почву, обеспечивая выравненность содержания элементов питания по площади всего поля, засеваемой сельскохозяйственной культурой.
Можно сослаться на исследования и практическое применение новой технологии по внесению минеральных удобрений в почву, выполненные в Агрофизическом научно-исследовательском институте (АФИ) (определение
контура поля, компьютерная разбивка поля на квадраты 50×50 м или 100×100 м, механизированный отбор почвенных проб из каждого квадрата, дифференцированное внесение удобрений в почву по каждому квадрату и др.).
В системе координатного земледелия для точной и подробной оценки пестроты поля необходимо определять питательные вещества и агрохимические показатели в каждой усреднённой пробе, отобранной из квадрата, площадью 0,25 га или 1 га. Например, на небольшом поле площадью 25 гектар надо отобрать 100 почвенных проб и определить в каждой минимум 4-5 показателей (различные формы азота, подвижные фосфор и калий, кислотность, влажность и др.), т.е. выполнить до 500 определений. Результаты аналитических работ передаются в бортовой компьютер используемых сельскохозяйственных машин, которые обеспечивают внесение в почву необходимых элементов питания растений на каждом квадрате в автоматическом режиме с помощью спутниковой навигации. Этот объём аналитических работ, как минимум в 5-10 раз (в зависимости от площади элементарного участка) больше того, который осуществляет в настоящее время агрохимслужба на той же площади обследования.
Для выполнения указанного объёма аналитических работ нужна новая приборная техника, лабораторное оборудование и технология проведения анализов почв на химический состав.
В последние годы работы по созданию такой техники, оборудования и технологии были выполнены сорудниками ВНИИА с соразработчиками из нескольких организаций. Результаты этих работ были неоднократно опубликованы в периодической печати, представлены на многих конференциях и обобщены в монографии ”Автоматизация аналитических работ и приборное обеспечение мониторинга плодородия почв и качества продукции растениеводства”. Москва. Агробизнесцентр. 2010, которая получила диплом РАСХН, как лучшая работа, указанного года.
Предлагаемая поточно-декадная технология определения химического состава почв в настоящее время внедрена в лабораториях агрохимслужбы России, Украины и Белоруссии.
В основе предлагаемой технологии лежат 4 основных принципа.
1. Весь технологический процесс химического анализа делится на части, каждая из которых выполняется только одним оператором.
2. Mетодики химического анализа должны быть технологичны для использования на конвейере (в «потоке»).
3. Вместо химической посуды (химических стаканов, колб и т.д.), используемой обычно в отдельности, применяются декадные технологические кассеты — аналитические емкости, жестко связанные в одном каркасе. В стандартной технологической кассете содержится 10 емкостей и она является транспортным челноком аналитического конвейера. Под эту кассету конструируется всё остальное оборудование
4. Вместо классических мерных пипеток и бюреток применяются высокопроизводительные одно- или десятипозиционные дозаторы различных типов.
На этих принципах были разработаны лабораторное оборудование и приборы, обеспечивающие поточную технологию определения химического состава почв, а так же растительного материала и природных вод.
Как пример, можно рассмотреть поточно-декадную технологию одновременного определения фосфора и калия в почве для различных зон России.
На первой позиции аналитического потока к автоматическому весовому комплексу подвозят со склада кассеты с почвенными образцами и пустые технологические кассеты того типа, которого требует технология анализа. Оператор выверенной меркой загружает в бункер весов дозу почвы, которая автоматически взвешивается на весах и переносится в пустую ёмкость технологической кассеты. Одновременно пропорционально массе навески насос-дозатор перистальтического типа добавляет в загруженную ёмкость
необходимое количество экстрагента для извлечения из почвы анализируемого элемента. Таким образом, по предлагаемой технологии нет необходимости отвешивать точную массу пробы почвы и добавлять к ней точный объём экстрагента. В предлагаемой конструкции соотношение между массой почвенной пробы и объёмом экстрагента остаётся постоянным независимо от массы навески. Благодаря предлагаемой технологии производительность самой трудоёмкой операции при массовых анализах почв взвешивании резко возрастает и обеспечивает 15-ти секундный цикл взвешивания и добавления экстрвгента.
Тележки с заполненными кассетами поступают на вторую позицию для экстрагирования анализируемых элементов из почвы. Эта операция обеспечивается в зависимости от технологии анализа с помощью высокопроизводительных 10-ти позиционных мешалок или многопозиционных возвратно-поступательных взбалтывателей.
Полученная почвенная суспензия в ёмкостях кассеты поступает на третью позицию, где с помощью специально разработанной центрифуги производят разделение фракций суспензии (жидкий экстракт – твёрдая почва). Центрифуга обеспечивает вращение ротора до 1200 оборотов в минуту, вмещает до 4 технологических кассет (40 проб) и за цикл 7 минут обеспечивает полное разделение твёрдой и жидкой фракции суспензии. Отказ от традиционного разделения фракций суспензии путём фильтрования через фильтровальную бумагу обоснован тем, что фильтровальная бумага, используемая для массовых анализов, часто содержит мешающие примеси от которых надо освобождаться промыванием. Этот процесс очень трудоёмок. Кроме этого чистота фильтрата не всегда отвечает требованиям автоанализа (содержит илистую фракцию почвы, проходящую через поры бумаги). В этом случае гидравлическая система автоанализаторов забивается илом, что требует частой смены трубок прибора. Но самое главное почвы тяжёлого механического состава быстро забивают поры бумаги и процесс фильтрования длится очень долго, при этом мы наблюдали, что в этом случае
процесс извлечения элементов может происходить и в период фильтрования на бумаге. Это явление не даёт возможности строгого нормирования извлечения элементов из почвы (особенно это касается солянокислых вытяжек из почв).
На четвёртой позиции после ценрифугирования обеспечивается быстрый перенос очищенной жидкой фракции из технологических в аналитические кассеты с помощью специальных многоканальных переливных устройств. Заборные трубки устройства опускают в чистую зону жидкой фракции и перекачивают её с помощью перистальтического насоса не прижимного действия в ёмкости аналитической кассеты, с объёмами ячейки от 4 до 10 см3.
На пятой позиции производят автоматизированное определение химического состава полученного экстракта с помощью многоканальных автоанализаторов проточного типа и возможностью, если это необходимо, передачи результатов анализа на электронном носителе или с помощью кабельной связи в компьютер для машинного получения картограмм. Конструкция разработанного автоанализатора обеспечивает одновремённое определение фосфора и калия с производительностью до 120 проб в час. Это один из самых высокопроизводительных автоанализаторов, а его компактность позволяет разметить его без компьютерной системы на полтора лабораторного стола. Определение фосфора обеспечивается с помощью сверх миниатюрного колориметра, а калия малогабаритного пламенного фотометра. Компьюторная система и программа обеспечивает управление автоанализатором и обработку получаемой информации. Программное обеспечение даёт возможность преобразование результатов измерений в текстовой файл или формат XL для последующего использования этих результатов другими программами (в частности, для импортирования в базы данных или других целей).
По изложенному принципу разработаны системы для определения кислотности почв, для определения гумуса, для определения нитратов и
аммония, для определения азота, фосфора и калия в растительном материале и кормах и других показателей.
В разработках есть много “ноу-хау”, получены рад свидетельств на изобретения.
Это оборудование, выпускаемое отечественными производителями, внедрено на многих станциях и центрах химизации, а также в некоторых институтах. Оно хорошо зарекомендовало себя в работе в течение ряда лет.