Прецизионное сельское хозяйство: высокоточная революция в земледелии

№51–52(754) 25 — 31 декабря 2015 г. 24 Декабря 2015 5

Тысячи лет назад сельское хозяйство было занятием, чрезвычайно зависимым от конкретного места. Первые земледельцы по сути были садовниками, холившими отдельные растения: они вели неустанный поиск микроклимата и участков, полностью подходящих для этих растений.

Постепенно накапливая научные познания и практический опыт, земледельцы расширяли свои наделы, прибегая к помощи стандартизированных методов — распахивали землю, разбрасывали навоз в качестве удобрения, организовывали ежегодный севооборот, добиваясь повышения урожайности.

На протяжении многих лет они создавали улучшенные методы подготовки земли и защиты растений от насекомых, а в итоге придумали механизмы, пришедшие на смену ручному труду. Начиная с XIX в. ученые изобретают химические пестициды и используют недавно открытые генетические принципы для селекционного отбора наиболее урожайных растений. Несмотря на то что все эти методы позволили добиться максимально возможного общего прироста урожайности, именно они привели к появлению сбоев в некоторых вопросах. Тем не менее урожайность возросла до ранее невиданного уровня: по некоторым культурам с XIX в. до наших дней она увеличилась в 10 раз.

Однако сегодня прежняя тенденция к введению максимально унифицированных практик в земледелии начинает уступать место явлению обратного характера, известному под названием «прецизионное сельское хозяйство». Пользуясь всеми благами информационных технологий, фермеры теперь могут собирать высокоточные данные о своих полях и применять эти знания для идеального возделывания каждого квадратного метра.

Такой подход сказывается на урожайности: прецизионное земледелие позволяет получать максимально возможную прибыль из каждого семени. А это должно помочь нам накормить население планеты, ведь по расчетам ООН, его численность к 2050 г. достигнет 9,6 млрд. Кроме того, прецизионное земледелие дает возможность свести к минимуму экологические последствия ведения сельского хозяйства, поскольку такой подход сокращает количество отходов и объемы потребляемой энергии. А потенциал прецизионного сельского хозяйства вовсе не ограничивается производством однолетних культур (пшеницы и кукурузы): он вполне способен осуществить настоящую революцию в индустрии выращивания винограда, содержания садов, домашнего скота и высадки лесов. В один прекрасный день фермеры смогут поручить роботам оценку состояния, удобрение и полив каждого отдельного растения, что избавит их от тяжелого монотонного труда — спутника земледелия с момента его изобретения.

Гектар за гектаром

Правительство США заложило первичные основы прецизионного сельского хозяйства в 1983 г., анонсировав запуск системы глобального позиционирования на местности GPS — спутниковой навигационной программы, разработанной американскими военными для гражданского использования. Вскоре после этого компании приступили к разработке так называемой технологии переменного нормирования, позволяющей фермерам вносить удобрения на поле в разных количествах. После оценки и составления карты таких характеристик, как уровень кислотности почвы, содержание фосфора и калия, аграрии точно определяют необходимые объемы удобрения.

Даже сегодня поля по большей части тестируются и анализируются вручную: сами фермеры или их работники собирают образцы в заранее определенных местах, упаковывают их в пакеты и отправляют на анализ в лабораторию. Затем агрономы составляют соответствующую карту норм внесения удобрений по каждому участку для обеспечения оптимальной урожайности. После этого туковая разбросная сеялка, снабженная GPS, вносит необходимое количество питательных веществ в выбранных местах.

Более 60% поставщиков аграрного сырья в Соединенных Штатов предлагают технологию переменного нормирования в том или ином виде. Однако, судя по данным министерства сельского хозяйства США, хотя многие годы выделялись соответствующие субсидии и велась про-светительная работа, эта технология пока используется менее чем на 20% посевов кукурузы. В настоящий момент главным сдерживающим фактором являются экономические соображения. Поскольку ручная практика тестирования состояния почвы стоит дорого, фермеры и аграрные предприятия, применяющие технологию переменного нормирования, склоняются к стратегии отбора малого числа образцов.

Например, большинство фермеров в США собирают по одному образцу с гектара, а в Бразилии вообще часто берут один образец с 4,8 га. Проблема в том, что качество почвы может резко отличаться даже в пределах 0,4 га, и аграрии прекрасно знают, что заметить различия можно, лишь взяв несколько образцов с такой площади. Иными словами, из-за высокой стоимости сбора информации о почве фермеры обделяют вниманием некоторые участки своих полей, внося при этом излишнее количество удобрений и питательных веществ на другие участки.

Исследователи ведут поиски решения этой проблемы — разрабатывают дешевые системы, позволяющие фермерам повысить плотность выборки образцов почвы. Так, новый датчик кислотности с помощью электрода определяет кислотность почвы едва ли не через каждый метр, одновременно занося в память точные GPS-координаты участка. Ручной сбор образцов в таком масштабе стоил бы слишком дорого. Тем не менее упомянутые датчики есть далеко не на всех фермах. Некоторые из них оказались откровенно ненадежными и ломались на каждом гектаре, а другие не отличаются нужной точностью. Однако несколько исследовательских групп из разных регионов мира работают над созданием надежным систем.

Более практичны датчики, определяющие потребность растений в питательных веществах по их окрасу. Так, растения, страдающие от дефицита азота, имеют бледно-зеленый или желтоватый окрас, а в нормальном состоянии они темно-зеленые.

Несколько американских и европейских компаний производят датчики, распознающие степень зеленого окраса — собранные с их помощью данные можно использовать для составления карты-схемы внесения необходимого количества азотных удобрений. Можно даже загружать данные в память машины для внесения азотных удобрений, чтобы корректировать их количество по ходу работы. Например, датчик монтируется на передней части трактора с установкой для внесения удобрений: к тому моменту, когда установка подъезжает к месту, уже пройденному датчиком, заложенный в память алгоритм успевает перевести полученные данные в количество требующихся для внесения удобрений.

Большинство исследований в этой области сосредоточено на мелкозерных культурах — пшенице, овсе, ржи и ячмене. Область применения этой технологии ограничена отдельными регионами США и Европы, где выращиваются такие культуры. По данным опроса, проведенного в 2013 г. Университетом Пердью, лишь 7% поставщиков аграрной техники предлагают своим клиентам датчики интенсивности окраса растений. Тем не менее, учитывая количество стартапов в этой сфере, становится понятно, что многие инвесторы считают эту технологию потенциальным золотым месторождением.

Поля и урожаи

Решение о внедрении GPS обеспечило появление еще одной революционной технологии — мониторинга намолота. Большинство комбайнов в США и Европе оснащено специальными датчиками, фиксирующими объем намолоченного зерна. Затем алгоритм, созданный специально для каждой культуры, конвертирует собранные данные в более привычные сведения — объем или вес (бушелей с акра или килограммов с гектара). Данная информация служит основой для составления красочных карт, где отображается разница в урожайности в пределах одного поля.

Эти карты стали любимчиками аграрных журналов и отраслевых выставок: они обеспечивают фермеров беспрецедентно широкими данными о ценности различных методик возделывания земли, о влиянии погодных условий и типов почв. Такая карта может помочь фермеру добиться необходимого уровня урожайности, оценить результаты экспериментов по проверке качества ГМ-семян или эффективности разных методик выращивания, а также понять, какие участки поля не раскрывают свой потенциал в полной мере.

На востоке США только мониторинг намолота позволил фермерам убедить землевладельцев в том, что спровоцированные наводнением потери урожая распространяются как на полностью скрытые под водой участки полей, так и на прилегающую территорию в определенном радиусе. В итоге фермеры установили больше подземных дренажных систем.

В Аргентине упомянутая технология пользуется немалой популярностью, поскольку большинство руководителей крупных фирм редко сами управляют сельскохозяйственной техникой (последствие любопытной истории местных феодалов). Для них карты намолота стали откровением об урожайности, ведь так просто получить эту информацию они раньше не имели возможности.

Однако когда речь заходит о качестве данных, становится ясно, что технологию мониторинга намолота придется еще долго совершенствовать. В большинстве случаев заложенные в нее алгоритмы нужно ежегодно калибровать для каждого вида культуры и для каждой фермы, а многие земледельцы не утруждают себя этим занятием. На точность собранных данных влияют также скорость движения комбайна и другие факторы. И хотя ученые в состоянии критически и точно анализировать сведения, полученные с помощью мониторинга намолота, фермы и аграрные предприятия, как правило, не обладают необходимыми для этого навыками и программами. Следующим этапом в развитии технологии контроля намолота должно стать использование аграрными предприятиями статистических методик, которыми сегодня пользуются только исследователями. Лишь так можно экстраполировать полученную информацию на сотни тысяч гектаров, чтобы оправдать расходы.

Вспашка с GPS

Максимальное распространение технология прецизионного земледелия получила в сфере вспашки полей тракторами, оснащенными GPS. Управляемая человеком аграрная техника требует опытных операторов, и занятие это очень непростое. При этом даже самые лучшие трактористы повторно заходят на ранее перепаханную полосу примерно на 10% ее ширины, пытаясь избежать пропусков и пробелов.

В конце 90-х появилась система светодиодов в пластиковом корпусе 30-сантиметровой длины: она монтировалась на передней части трактора, комбайна или другой техники. Если включались расположенные по центру лучи, это говорило о том, что техника движется правильно. Если подсвечивались участки слева или справа, трактористу или комбайнеру необходимо было подкорректировать положение на поле.

Сегодня эта технология получила логическое развитие — на смену светодиодам приходят системы автоматического управления, снабжающие данными GPS автономно управляемые трактора. И хотя оператор все равно должен находиться в кабине, по большей части компьютер машины сам выбирает маршрут.

Впервые эта технология получила распространение в конце 90-х в Австралии. Там богатые глиной почвы, а также отсутствие заморозков и оттепелей приводят к тому, что грунт очень сильно сминается под колесами тракторов. Поэтому австралийские фермеры начали использовать автоматизированное управление по данным GPS, организовывая движение техники по узким полосам, чтобы избежать уплотнения почвы на остальных участках полей.

Сегодня в США примерно 40% удобрений и химикатов вносится в землю именно с помощью таких автоматизированных систем. В итоге появились самые разнообразные устройства. Одни отслеживают маршрут движения трактора и автоматически перекрывают систему подачи семян или удобрений/химикатов в момент прохода по уже обработанному участку (или земле, которую нельзя обрабатывать химией). Описанная технология особо полезна на полях неправильной формы, поскольку они чаще всего страдают от избыточной обработки химией или излишне плотного посева.

Тем не менее геопространственные данные хороши не только для того, чтобы ровно пахать. NASA и космические ведомства других стран на протяжении десятилетий рассказывают фермерам о благах использования спутниковой съемки. Эти снимки — вместе с данными аэрофотосъемки — служат основой «географических информационных систем», позволяющих фермерам хранить и анализировать пространственные данные. Такая технология доказала свою особую полезность на территориях, для которых есть наборы многослойных данных: она дает аграриям возможность разделять большие поля на зоны, в которых высеваются разные культуры и соответственно используются разные удобрения и гербициды.

Некоторые руководители фермерских хозяйств применяют GPS даже для контроля за работой своих подчиненных в поле — особенно в бывшем Советском Союзе, и, в частности, в Украине. Поскольку там до сих пор есть очень большие хозяйства (площадь многих из них превышает 40 000 га), предпочитающие нанимать неопытных людей, а не грамотных операторов, менеджеры любят отслеживать все происходящее на поле в реальном времени. Если трактор стоит на месте более нескольких минут, к примеру, в головном офисе это заметят и тут же позвонят трактористу, чтобы выяснить, в чем проблема. Технология слежения позволяет руководителям наблюдать за теми работниками, которые привыкли использовать технику компании на своих личных наделах.

Урожай мечты

Прецизионное земледелие уже превратило старейший сектор экономики в один из наиболее высокотехнологичных, но, как обычно, самое лучшее ожидает нас в будущем. Следующим шагом в развитии, вполне вероятно, станут «супермассивы данных».

Фермеры и аграрные компании все чаще задумываются о том, как максимально выгодно использовать накопленные ими бесценные массивы данных. В 2013 г., к примеру, гигант аграрного бизнеса компания Monsanto приобрела компанию Climate Corporation — стартап, учрежденный двумя бывшими сотрудниками Google: на основании данных о погодных условиях и качестве почвы они рассчитывают размер страховок для фермеров и дают рекомендации о том, какие типы культур выгоднее всего выращивать на конкретном участке земли.

Еще один чрезвычайно прибыльный аспект для применения больших массивов данных — исследования на тему правильности использования аграрной техники. Например, никому пока не известно точно, с какой скоростью должен двигаться трактор при посадке кукурузы: слишком малая скорость снижает эффективность процесса, а слишком высокая приводит к неравномерному засеванию площади, что снижает урожайность. Имея на руках собранные сведения о скоростях движения тракторов, итоговой урожайности посеянных с их помощью культур, а также учитывая другие факторы, вполне можно рассчитать оптимальную скорость посадки. Для этого и нужны супермассивы данных.

Чтобы использовать их потенциал полностью, компаниям, скорее всего, придется налаживать обмен информацией между фермами. В США и Европе отдельные хозяйства слишком малы и не способны генерировать значимое количество таких данных. Тем не менее даже очень крупные хозяйства в Латинской Америке и бывшем Советском Союзе окажутся в выигрыше от обмена данными даже со своими мелкими соседями.

Проблемой остается тот факт, что у фермеров сегодня почти нет стимулов для сбора качественных данных. В США некоторые стартапы пытаются платить земледельцам за такую информацию, но особого успеха не достигли. До текущего момента организовать сбор большинства аграрных данных удавалось лишь поставщикам сельскохозяйственной техники и аграрным кооперативам. Но и их массивы данных относительно малы.

Определенную часть «супермассивов» данных могут обеспечить БПЛА. Поскольку США практически вывели войска из Афганистана и Ирака, некоторые поставщики военной техники начали присматриваться к аграрному рынку. Это может быть мудрым решением: малые беспилотные летательные аппараты способны вести регулярную съемку посевов для сбора сведений о необходимости поливов, внесения пестицидов и уборки урожая. А БПЛА — в отличие от спутников — почти не мешает облачность. Учитывая операционные расходы и необходимый опыт эксплуатации, аграрии могут начать использовать дроны на коммерческой основе только для мониторинга за наиболее ценными культурами, например виноградниками. Кроме того, необходимо получить разрешение на использование БПЛА в коммерческих целях.

Технологией, способной до неузнаваемости трансформировать сельское хозяйство, является робототехника. Стремительное распространение технологии управления техникой по GPS создает все возможности для повышения уровня автономности аграрного оборудования. Большинство крупных производителей уже тестируют самоуправляемые версии своих тракторов. Если потребность в трактористе отпадает, то критерии дизайна трактора изменяются радикально: он может стать гораздо меньше.

Мы уже можем представить себе, что в один прекрасный день на фермах появятся сотни малых автономных роботов, выполняющих все работы — от посадки до уборки урожая. Роботы могут постоянно перемещаться по полю, выявляя наличие вредителей и болезней на самой ранней стадии. Они способны обрабатывать посевы — а точнее, конкретных насекомых или только больные растения — микроскопическими дозами пестицидов. Роботы могут стать подлинно эффективными управленцами на малых полях и участках неправильной формы, которые очень сложно обрабатывать с выгодой для себя, используя традиционную технику, управляемую человеком. А в США роботы, заменив мексиканскую рабочую силу, могут даже оказать существенное влияние на иммиграционную политику.

Когда речь заходит о зарождающихся технологиях, попытка определить, какие из них обречены на успех, — бессмысленное занятие. Тем не менее история земледелия ХХ в. дает некоторые предпосылки для понимания будущего. Практически все аграрные технологии, получившие широкое применение в ХХ ст., являются, говоря языком экономистов, «воплощением знаний», т. е. в их основе лежат достижения науки. Фермерам не было необходимости разбираться, каким именно способом пестициды уничтожают насекомых, или знать принцип работы дизельного трактора. Им достаточно информации о том, как использовать химикат или управлять трактором.

Точно так же инструменты прецизионного сельского хозяйства получат широкое распространение после того, как поступят в продажу в легкой для использования форме. Вот почему автоматизированное управление с помощью GPS стало настолько популярным: у фермеров не было необходимости разбираться в принципах его работы. По тем же причинам однажды приживется и технология переменного нормирования удобрений — в тот момент, когда фермер, скажем, сможет задействовать ее нажатием одной кнопки. В итоге прецизионное земледелие сможет радикально изменить жизнь человечества. Когда это произойдет, мир обратит внимание не только на серьезное повышение урожайности, но и на фундаментальные перемены в сельском хозяйстве: оно станет земледелием без земледельцев.

Данная статья — перевод материала, опубликованного в журнале Foreign Affairs [№3 2015 года]. © Council on Foreign Relations. Распространяется Tribune News Services.

Уважаемые читатели, PDF-версию статьи можно скачать здесь...

Две стороны одного карабина

В общей сложности в арсенале семьи Дмитрия Яроша 15 стволов

Крадут чаще, чем грабят

С 27 ноября по 4 декабря в Николаевской области зарегистрировано 1332 чрезвычайных...

От «винтиков» до «белых хакеров»

Отправить могут в любую точку страны, ни о каком выборе места службы речь идти не может

Залоговый кредит — «вишенка на торте»

Банкам проще забыть о мелких кредитах от 1,5 до 3 тыс. грн, чем бороться за них. В 90%...

Комментарии 0
Войдите, чтобы оставить комментарий
Пока пусто
Блоги

Авторские колонки

Ошибка