Введение
Постановка проблемы. Важная и перспективная область применения технологии ДЗЗ в аграрной сфере – мониторинг сельскохозяйственных культур. Изменение спектральной яркости растительности в течение вегетационного периода с учетом сельскохозяйственного календаря для разных культур, позволяет по тону изображения полей судить об их агротехническом состоянии и составе культур, что делает снимки объективным источником сельскохозяйственной статистики. Выявление площадей, занятых основными продовольственными культурами, и оценка динамики их развития с учетом метеорологических условий определяют возможность использования космической информации для прогноза урожайности. Точная и своевременная информация о состоянии посевов и почвы, оценка качества и количества будущего урожая, прогноз цен на аграрную продукцию позволят оказывать существенное влияние, как на экономику отдельного хозяйства, региона, так и на мировую торговлю в целом [5]. Цель исследования - изучение возможностей прогнозирования урожайности сельскохозяйственных культур на уровне отдельных полей. Материалы и методы. Исследования выполнялись на основе данных, собранных с пахотных угодий Новокубанского филиала ФГБНУ "Росинформагротех". Для сравнительных оценок использовались презентационные материалы опероторов ДЗЗ. В практическом плане применялись технологии дистанционного зондирования земли (определение вегетационного индекса NDVI); использование БПЛА (составление электронной карты с контурами полей валидационного полигона); сервис ВЕГА-Science (сервис ВЕГА создан, поддерживается и развивается в ИКИ РАН как универсальный инструмент, ориентированный на работу со спутниковыми данными и результатами их обработки при решении задач исследования и мониторинга растительного покрова.
Материалы и методы
Результаты исследования и обсуждения. Прогнозирование урожайности озимой пшеницы проводилось на полях валидационного полигона КубНИИТиМ, который имеет площадь пашни 2088 га с набором типичных сельскохозяйственных культур и расположен в центральной зоне Краснодарского края. Прогнозирование проводили при помощи сервиса ВЕГА-Science, разработанного специалистами ИКИ РАН [1; 2]. Земельная территория валидационного полигона расположена в Новокубанском районе Краснодарского края. По схеме агроклиматического районирования Краснодарского края территория валидационного полигона входит во второй агроклиматический район, который характеризуется умеренно-континентальным климатом. По количеству осадков (580 мм), выпадающих в течение года неравномерно, территория полигона относится к району с недостаточным увлажнением (коэффициент увлажнения КУ=0,25-0,30), по теплообеспеченности – к жаркому (сумма температур за период активной вегетации составляет 3400°С). Безморозный период продолжается 174-191 день. Периоды с температурой выше 5°С и 10°С длятся соответственно 220-234 и 175-192 дня. Осадки кратковременные, преимущественно ливневые. За период активной вегетации их выпадает 345 мм. Лето жаркое, с преобладанием ясной и сухой погоды. Высокие летние температуры вызывают сильное испарение, которое превышает количество выпавших осадков на 204-424 мм, что свидетельствует о низкой влагообеспеченности сельскохозяйственных культур. Озимая пшеница обеспечена влагой на 70 %, кукуруза – на 46 %. Зима умеренно-мягкая, с частыми оттепелями, высота снежного покрова 5-7 см. Крайняя неустойчивость снежного покрова обуславливает изреженность и даже гибель посевов.
Результаты
Общее число дней с сильным ветром (более 15 м/с) составляет 66. Господствуют ветры восточных и северо-восточных направлений, вызывающие зимой вымерзание посевов, а при большой скорости – пыльные бури. Весной и летом эти ветры носят характер суховеев, которые снижают урожай полевых культур. Отрицательное влияние суховеев сказывается во время цветения и формирования початков кукурузы, а также подготовки почвы под озимые культуры. По геоморфологическому районированию Краснодарского края территория валидационного полигона входит в область Предкавказья, зону Предгорной равнины центральной и восточной частей Большого Кавказа, и по общему строению местности отражает основные черты этой равнины: характеризуется спокойным выровненным рельефом. Равнинность территории (особенно в южной части) нарушают балки, различные по величине и конфигурации. Установлено, что расхождение информации о площади полей между данными, полученными с помощью беспилотной авиации и традиционными способами (объезд поля по контуру или обрисовка по спутниковым снимкам) может достигать 15 %, а это значит, что такая же ошибка будет присутствовать при расчете затрат на закупку семян и удобрений.
Результаты
В состав валидационного полигона входит 28 полей с суммарной заявленной площадью 2088 га и тремя севооборотами, расположенными в пределах 44,9°-45,0° северной широты и 40,8°-40,9° восточной долготы. Средние площади полей каждого из трех севооборотов имеют значимые различия и составляют соответственно – 71,2, 89,8 и 55,8 га. Для проверки соответствия заявленной площади земель и определения реальных контуров полей (припашка, состояние лесополос, неудобья, балки, опоры ЛЭП, полевые дороги и др.), составления электронной карты с контурами полей была проведена аэрофотосъемка валидационного полигона при помощи беспилотного летательного аппарата (БПЛА). Данные, полученные с БПЛА, показали, что заявленная в 2088 га посевная площадь полигона для возделывания сельскохозяйственных культур по факту составляет 2056,48 га, т.е. на 31,52 га меньше заявленной. Все поля, за исключением поля 9(2) имеют форму правильных выпуклых четырехугольников. 23 поля характеризуются площадью в пределах от 70 до 100 га, а 5 полей имеют площадь в диапазоне 30-50 га. Размеры полей валидационного полигона и их общая площадь позволяют оптимально загрузить имеющийся парк машин и механизаторов и получать продукцию, достаточную для окупаемости машинных и других затрат, в том числе поддерживать оплату труда механизаторов на конкурентном (с другими хозяйствами) уровне. Урожайность сельскохозяйственных культур, возделываемых на опытных полях валидационного полигона за период 2014-2020 гг. имеет устойчивый положительный тренд: - озимая пшеница – увеличение на 0,48 ц/га в год; - кукуруза на зерно – увеличение на 1,14 ц/га в год; - подсолнечник – увеличение на 0,36 ц/га в год; - соя – увеличение на 1,36 ц/га в год. Для прогнозирования урожайности сельскохозяйственных культур на 2021 г. с помощью спутникового сервиса ВЕГА-Science была сформирована исходная информация за 7 лет по каждому полю валидационного полигона (таблица 1). В таблице представлены севооборот и урожайность сельскохозяйственных культур, возделываемых на опытных полях валидационного полигона КубНИИТиМ за период 2014-2020 гг.
Обсуждение
Таким образом, применяемые на валидационном полигоне севообороты позволяют использовать для исследований весь ареал типичных для Центральной почвенно-климатической зоны Краснодарского края почвенных фонов как по возделываемым культурам, так и по срокам вегетации растений. Для заблаговременного прогноза урожайности озимой пшеницы на 2021 г. были проведены расчеты в сервисе Вега-Science с применением технологий дистанционного зондирования Земли. В основу подхода легло сопоставление информации об урожайности озимой пшеницы в пределах конкретного поля с максимальным значением NDV [3]I, которое наблюдалось на поле для озимой пшеницы в конкретном сезоне, и построение с использованием полученных данных уравнения линейной регрессии, которое впоследствии использовалось для оценки урожайности озимой пшеницы на 2021 г.
Обсуждение
Анализ полученных результатов показал, что наблюдается довольно устойчивая корреляционная зависимость между максимальными значениями NDVI и урожайностью озимой пшеницы (R2 = 0,5457), следовательно полученное в ходе исследований уравнение линейной регрессии y = 274,85x – 175,99 может быть использовано для прогноза урожайности озимой пшеницы [3], возделываемой на опытных полях валидационного полигона КубНИИТиМ (таблица 2). Спрогнозированная средняя урожайность озимой пшеницы по факту может быть ниже, т.к. она является биологической урожайностью. При проведении уборочных работ прямым комбайнированием уровень фактической урожайности может быть ниже биологической на 8-12 ц/га, т.к. происходят естественные потери от самоосыпания культуры и потери за жаткой и молотилкой зерноуборочных комбайнов. Показатели доходности производства сельскохозяйственных культур зависят от следующих факторов: объемов валового сбора зерна, цены реализации и издержек (затрат) на производство. В связи с тем, что сельхозтоваропроизводители не имеют рычагов воздействия на механизм ценообразования, то для экономически эффективного производства сельскохозяйственных культур остается только повышать урожайность и снижать затраты. Средняя урожайность озимой пшеницы, возделываемой на опытных полях валидационного полигона КубНИИТиМ за период 2014-2021 гг. (2021 г. – прогноз биологической урожайности) приведена в табл. 3. Из данных, представленных в таблице 3 видно, что средняя урожайность озимой пшеницы с 2014 г. по 2019 г. выросла в 1,2 раза с 59,5 ц/га до 73,3 ц/га, прибавка в урожайности составила – 13,8 ц/га. В 2020 г. в связи с экстремальными погодными условиями (засуха) она снизилась на 31,8 %. По прогнозным расчетам в 2021 г. урожайность должна возрасти до 69,7 ц/га. Экономические показатели эффективности производства озимой пшеницы на опытных полях валидационного полигона приведены в таблице 4. Из представленных в таблице 4 данных видно, что несмотря на варьирование общего валового сбора зерна озимой пшеницы по годам от 5267 т до 7687 т, наблюдалась устойчивая тенденция увеличения выручки от реализации с 38,0 млн руб. в 2014 г. до 74,0 млн руб. в 2019 г. Лишь из-за погодных условий в 2020 г. она снизилась на 25,6 млн руб. и составила 48,4 млн руб. На 2021 г. оценочный расчет выручки при цене реализации – 10 руб./кг и спрогнозированного валового сбора зерна озимой пшеницы – 6969 т составит порядка 69,7 млн руб.
Выводы
Выводы. Прогнозирование урожайности сельскохозяйственных культур с использованием технологий дистанционного зондирования Земли и сервиса ВЕГА-Science на примере опытных полей валидационного полигона Новокубанского филиала ФГБНУ «Росинформагротех» (КубНИИТиМ) позволило рассчитать оценочные показатели урожайности озимой пшеницы по каждому полю, т.к. по этой культуре отмечена наибольшая положительная корреляция между максимальными значениями NDVI и урожайностью.Установлено, что при спрогнозированном валовом сборе зерна озимой пшеницы – 6969 т и цене реализации – 10 руб./кг, оценочный расчет выручки на 2021 г. составит порядка 69,7 млн. руб. Использование результатов прогнозирования урожайности на основе спутниковых данных наряду с результатами, полученными другими методами [4], позволяет повысить точность прогнозов, в том числе заблаговременно, своевременно принять оперативные управленческие решения по устранению негативных явлений, влияющих на урожай.