Farm Weather Talk #003 - Прогнозирование урожайности

Просто потому, что весной вы разбрасываете почву и предполагаете, что у вас достаточно влаги в почве, вы не представляете, что происходит на самом деле, пока не копнете и не посмотрите (что требует времени) или не используете технологию IoT (более легкий подход), чтобы узнать, что у вас есть. Здесь на помощь приходит прогнозирование урожайности.

Прогнозирование доходности - уловили?

В вторая часть программы "Разговор о погоде на фермеМы обсудили преимущества прогнозы погоды для конкретного объекта и почему они обязательное условие для интеграции во все инструменты поддержки принятия решений на фермах, поскольку они являются частью решения по снижению "неконтролируемого риска", с которым фермеры сталкиваются каждый день. В этой части статьи мы рассмотрим, как метеостанция или IoT-устройство с прогноз можно использовать для прогнозирования доходности не только до текущей даты, но и до срока погашения.

Просто потому, что вы разбрасываете почву весной и предполагаете, что у вас достаточно влаги в почве, вы не имеете ни малейшего представления о том, что происходит на самом деле, пока вы не копнете и не посмотрите (что требует времени) или не используете технологию IoT (более простой подход), чтобы узнать, что у вас есть. Данные по типу почвы могут быть собраны и переведены в точную информацию о том, где вы находитесь с точки зрения влажности почвы при урожайности культур, управляемой водой, и дать очень хороший ответ на конкретную проблему, такую как питание. Если вы знаете, что у вас есть только пять дюймов запасенной воды по сравнению с девятью дюймами запасенной воды в другом почвенном профиле, вы будете по-другому управлять питательными веществами и урожаем.

Предпосылки для прогнозирования урожайности

Урожайность любой культуры зависит от генетического потенциала семян, количества влаги в почве при посеве, осадков в период вегетации (и полива), правильной нормы плодородия и других своевременных управленческих решений: борьба с сорняками, борьба с болезнями, борьба с насекомыми и, конечно же. погодные факторы который обычно является самым значительным неконтролируемым риском.

Упрощенно говоря, развитие растения или культуры очень похоже на чековую книжку (входы и выходы), где есть сторона предложения (осадки и/или орошение) и сторона спроса (температура). Таким образом, двумя наиболее важными факторами для урожайности являются обеспечение влагой и температура, при условии, что все остальные решения по управлению полем выполняются правильно.

Температура или тепло важны, поскольку они определяют потребление воды и то, созреет ли урожай или пострадает от теплового стресса, но влага оказывает наиболее значительное влияние на потенциал урожая, поскольку она отвечает за доставку питательных веществ к растению для фотосинтеза. Именно поэтому влагообеспеченность часто называют ГАЗОВЫЙ РЕЗЕРВУАР CROPS на потенциал урожайности.

Каждая культура имеет кривые эффективности использования воды, связанные с урожайностью. Исследования и полевые испытания в течение многих лет определили количество бушелей, получаемых с каждого дюйма или 25 мм почвенной воды, используемой культурой. Для некоторых распространенных культур это соответствует 5-6 бушелям для канолы, 7-8 бушелям для пшеницы и 10-12 бушелям увеличения урожая кукурузы на каждый дополнительный дюйм или 25 мм почвенной воды. Количество бушелей, производимых на дюйм или 25 мм почвенной воды, будет меняться со временем по мере выпуска новых сортов с лучшей генетикой.

Таким образом, общее количество почвенной воды, доступной (поставляемой) культуре в течение вегетационного периода, равно количеству почвенной влаги, доступной при посеве (определяется типом почвы), плюс количество осадков и/или полива (почвенной влаги), полученных в течение вегетационного периода. Потребление или спрос на почвенную воду определяется температурой и типом/текстурой почвы. Эти два фактора (спрос и предложение) определяют потенциал урожайности.

Как уже упоминалось, тип/текстура почвы является критическим фактором, определяющим, сколько почвенной воды доступно растениям для развития. На самом деле, растения не могут использовать всю воду, содержащуюся в почве. Верхний предел - это полевая емкость, а нижний - постоянная точка увядания.

Вместимость поля это максимальное количество воды, удерживаемой в почве, измеренное через несколько дней после события насыщения (сильного дождя или полива).

Постоянная точка увядания происходит, если растение больше не может брать воду из почвы для удовлетворения своих потребностей, тогда оно начинает вянуть, то есть наступает момент, когда вода больше не доступна для растения.

Завод Доступная вода это разница между емкостью поля и точкой увядания, когда растение больше не может извлекать воду из почвы. Другими словами, не вся вода, содержащаяся в почве, доступна растениям.

Вот почему Допустимый уровень истощения используется в зависимости от типа почвы и культуры. Для большинства зерновых и масличных культур допустимый уровень истощения составляет 50% от емкости поля, в то время как для овощей и корнеплодов этот уровень находится на уровне 65% от емкости поля.

На рисунке хорошо видно, что песчаная или супесчаная почва имеет ограниченное количество почвенной воды, доступной для развития сельскохозяйственных культур, в то время как илистый суглинок или глинистый суглинок имеет гораздо больший запас почвенной воды и, следовательно, обычно более высокий потенциал урожая. Другими словами, песчано-суглинистая почва нуждается в подпитке чаще, чем глинисто-суглинистая. В таблице ниже показано, что крупнозернистая почва может хранить 5,7 дюйма (145 мм) воды на глубине 4 фута или 120 см, а мелкозернистая почва может хранить 10,4 дюйма (265 мм) воды на той же глубине профиля.

Итак, мы поговорили о факторах, определяющих урожайность сельскохозяйственных культур, но как оценить урожайность на текущую дату, а затем на дату созревания поля? Именно здесь полевое IoT-устройство и прогноз входите. Давайте рассмотрим, как это делается.

Установка для прогнозирования текучести

Сначала необходимо пространственно определить местоположение поля или зону (зоны) сельскохозяйственных культур, для которых вы хотите сделать оценку урожайности. На рисунке ниже показано, как это делается, путем определения зоны посевов на поле. Культурные зоны обычно определяются на основе типа почвы и топографии.

Поскольку мы используем модель для прогнозирования использования воды сельскохозяйственными культурами, нам необходимо задать несколько параметров: тип культуры, дата посева и ожидаемого сбора урожая, максимально возможная средняя урожайность, начальная влажность почвы, тип почвы, вместимость поля и точка завядания, станция измерения температуры воздуха и источник дождя, как показано на рисунке ниже.

Для выбор устройств IoTТемпература используется для оценки развития культур, а осадкомер - для фиксации количества воды, добавленной в почву. Поэтому станция с датчиком осадков должна находиться на поле или на его краю, чтобы убедиться, что полученные значения являются репрезентативными для данного поля.

Прибор для измерения температуры может находиться на той же станции или на станции, расположенной поблизости, поскольку температура не сильно меняется на небольшом пространственном расстоянии, как осадки. На рисунках ниже показаны два типа станций, которые могут быть использованы µMETOS или nMETOS для данного типа применения.

Начальная влажность почвы важна, поскольку она устанавливает, сколько почвенной воды доступно на момент посева в зависимости от типа почвы (сколько воды в бензобаке в начале года). Изменение этих двух значений создаст различные сценарии урожайности (инструменты планирования) для зоны посева.

Результаты прогнозирования урожайности

Хорошо, мы обсудили важность наличия IoT-устройства с прогнозом, чтобы помочь уменьшить неконтролируемый риск, с которым сталкиваются фермеры, но как это работает для прогнозирования урожая?

Для решения задачи прогнозирования урожайности мы используем Долгосрочный нормальный прогноз (среднее нормальное количество осадков) до текущей даты и до физиологической зрелости. Мы также используем Прогноз сезонной корректировки в котором используются наблюдаемые условия (осадки) на сегодняшний день плюс прогноз с поправкой на сезон, основанный на типе сезона (влажный, нормальный или сухой). Эти термины и иллюстрации описаны ниже.

Термины, используемые на графике прогноза урожайности:

Урожайность "на сегодняшний день" (текущий сезон): Этот прогноз включает измеренные на станции осадки с момента посева и установленную вами начальную влажность почвы. Он предполагает отсутствие осадков после сегодняшнего дня до конца сезона, т.е. наихудший сценарий.
Прогнозируемая физиологическая зрелость сельскохозяйственных культур: Прогноз завершения формирования урожая (т.е. после этой даты дальнейшего увеличения урожая не будет). Обратите внимание, что сбор урожая обычно происходит на несколько недель позже, в зависимости от культуры, так как зернам необходимо подсохнуть.
Прогнозируемая урожайность при сборе урожая (долгосрочный нормальный сезон): Здесь предполагается средний дождь (нормальный сезон) в течение всего сезона, начиная с ваших настроек начальной влажности почвы.
Прогнозируемая урожайность при сборе урожая (текущий сезон + прогноз дождя): Это значение учитывает не только исходную влажность почвы и количество осадков, измеренное на станции с момента посева, но и сезонный прогноз до прогнозируемой даты физиологической зрелости культуры. Однако следует помнить, что прогнозы сезонных дождей сопровождаются значительной неопределенностью. Обратите внимание, что когда сегодня пройдет дата физиологической зрелости культуры, это значение будет идентично Урожайности "сегодня" (см. выше), так как в это время прогноз полностью основан на данных станционных измерений.

Обратите внимание: Прогнозируемые значения урожайности представляют собой оценку потенциальной урожайности при сборе урожая. Эта оценка в основном основана на оценках (измеренных, средних исторических и прогнозных) количества осадков. Другие ограничивающие урожай факторы, такие как вредители, болезни, плодородие почвы и другие (в настоящее время) не учитываются. Нет гарантии, что фактическая урожайность при сборе урожая будет находиться в пределах представленных диапазонов. Однако прогнозируемые значения могут служить индикатором того, будет ли урожайность культуры ниже или выше среднего исторического уровня. Используйте эту дополнительную информацию при принятии управленческих решений, таких как внесение удобрений или орошение.

На рисунке ниже показан прогноз с поправкой на сезон и долгосрочный нормальный прогноз. Очевидно, что сезон намного суше, чем обычно, что приведет к низкой урожайности. Управленческое решение может заключаться в том, чтобы воздержаться от внесения любых других питательных веществ из-за недостатка почвенной воды для урожая. На основании этого решения, вероятно, будут скорректированы и другие методы управления.

В сочетании с прогнозирование урожайностиДля конкретного поля или зоны посевов предлагаются спутниковые снимки. Мы предлагаем два спутниковых индекса со спутника Sentinel 2 (разрешение 10 метров): LAI (индекс площади листьев) и NDVI (нормализованный разностный вегетационный индекс). Каждый из них может быть использован либо для изучения количества напочвенного покрова, либо напочвенного покрова и интенсивности растительности. Чем выше число или ярче зеленый цвет в легенде, тем более энергичный урожай.

Приведенное ниже изображение иллюстрирует озеленение посевов в течение вегетационного периода и различия в состоянии растений по всему полю. Более высокие зеленые области представляют более здоровые культуры, в то время как бежевые значения представляют менее энергичные растения. На снимке более четко видна изменчивость на поле или аномальное развитие, которые могут быть дополнительно изучены для решения других проблем управления: проблемы с водой, плодородием, болезнями или насекомыми. Пиковое значение NDVI или пик кривой ассоциируется с потенциалом избыточного урожая и пиком развития биомассы. Это также хорошо видно на изображении ниже.

Если у вас есть данные комбинированных комбайнов, вы также можете сравнить результаты со спутниковыми снимками, как показано на рисунке ниже. Области с более высоким NDVI ассоциируются с более высокой комбинированной урожайностью.

Чему мы научились и каковы результаты?

Основываясь на прогнозируемой урожайности в зоне посевов и спутниковой информации, фермер может корректировать важные управленческие решения в течение вегетационного периода в отношении воды, болезней, борьбы с насекомыми и дополнительного внесения удобрений. Улучшение управления питательными веществами: правильная норма и время для повышения урожайности и качества урожая. Для демонстрационного поля, использованного в этом докладе, решение для прогнозирования урожайности оценило среднюю урожайность в 22 бут/акр, что очень плохо из-за засушливого года, в то время как средняя комбинированная урожайность составила 20 бут/акр. Таким образом, как уже говорилось, полевое устройство IoT должно работать в паре с прогнозом на уровне поля для принятия улучшенных управленческих решений, чтобы помочь снизить неконтролируемый риск, с которым сталкивается фермер в повседневной работе.

Об авторе:
Гай Эш работал агрометеорологом и специалистом по научным наблюдениям Земли в течение последних 30 лет. В настоящее время он является менеджером по глобальному обучению и работе с ключевыми клиентами в Канаде компании Pessl Instruments, Австрия. Pessl Instrument - это IoT-компания, которая производит аппаратные (регистраторы и датчики) и программные решения, ориентированные на сельскохозяйственный сектор. Мы работаем в более чем 85 странах и имеем более 70 000 устройств и 700 000 датчиков, развернутых для широкого спектра сельскохозяйственных приложений: управление болезнями, ирригация, влажность почвы, ловушки для насекомых, камеры для посевов, метеостанции, плодородие почвы и т.д. Одна из его функций заключается в проведении глобального обучения по обширному списку IoT-решений для широкого спектра сельскохозяйственных культур - риса, пшеницы, сои, апельсинов, кукурузы, канолы, кормов, винограда, фруктов и овощей и т.д.

Гай Эш,METOS^® Менеджер по глобальному обучению