BEETSOIL — система підтримки прийняття рішень для прогнозування впливу ґрунтових умов на збирання цукрових буряків (частина 2)

 

За матеріалами статті на тему «BEETSOIL: інструмент підтримки прийняття рішень для прогнозування впливу ґрунтових умов на збирання цукрових буряків» («BEETSOIL: a decision support tool for forecasting the impact of soil conditions on sugar beet harvest») міжнародного журналу «Soil & Tillage Research» («Дослідження ґрунту та його обробітку»), 191 (2019).

Рівень заглиблення коліс

Рівень заглиблення коліс у землю впливає на прохідність техніки, але цей вплив також можна чітко помітити на полі (техніка «сідає на мілину», утворюючи глибокі колії). Рівень заглиблення коліс оцінюється окремо, оскільки цей параметр розпізнається легше, ніж прохідність збирального комбайну.

Існує декілька моделей, але для BEETSOIL була обрана модель, розроблена Саарілахті та Анттілою, яка враховує конфігурацію коліс автомобіля. Вона обчислює заглиблення кожного окремого колеса, залежно від того, чи це перший або наступний прохід техніки по тій же площі. Після визначення заглиблення кожного колеса, розраховується середньодобове та максимальне заглиблення (у см).

Липкість ґрунту

Найважливішим аспектом липкості ґрунту в контексті збирання цукрових буряків є налипання землі на коренеплоди. Налипла земля — це ґрунт, що прилипає до буряків після збирання врожаю. Оскільки ґрунт, що прилипає до буряків, впливає на їх якість, на переробному заводі здійснюється промивання цукросировини безпосередньо перед початком її переробки. У результаті цього виникає потреба в додатковій інфраструктурі, такій як відстійники та утилізація великих обсягів ґрунту.

Вважається, що найбільший потенціал липкості глиняних ґрунтів досягається при 0,75 < Ic < 1,25 (Ic — показник консистенції). Що стосується прохідності, 80% та 40% визначають пропорцію реалізацій за день, коли глиняні ґрунти виходять за межі максимального потенціалу липкості, щоб їх можна було вважати придатними та граничними відповідно.

Кінцевий результат

Результат СППР являє собою систему «Світлофор» для кожного з модулів, яка визначає зелений, жовтий та червоний кольори зі сприятливими, граничними та несприятливими умовами. Результат роботи моделі відрізняється між режимами, так як режими прогнозу та довгострокового періоду є імовірнісними, а режим вхідних даних по опадам — детермінованим.

Оцінка моделі та тестування на основі сценарію

Не вдалося отримати достовірні вимірювання вихідних даних моделі (прохідність, рівень занурення та липкість) у достатній кількості та якості для здійснення адекватних перевірок. Натомість вдалося зробити прогнози щодо вмісту води в ґрунті, оскільки він є основним для прогнозування прохідності, заглиблення та липкості в системі BEETSOIL. СППР була розроблена для визначення ефективності збирання врожаю та як інструмент планування, наприклад при визначення придатності нових площ для вирощування цукрових буряків та ймовірної ефективності збиральних робіт. У результаті, дану модель також було протестовано за кількома сценаріями, щоб проілюструвати вплив різних сценаріїв опадів (вологі, посушливі та оптимальні умови під час кампанії) та стартових умов (вологий та сухий ґрунт) на прохідність та заглиблення збиральної техніки.

Оцінка модуля вмісту води в ґрунті (SWC)

Польові ділянки та прилади

Під час збиральної кампанії 2016/2017 МР було відібрано три польові ділянки для визначення водного балансу ґрунту та прогнозування на основі моделі BEETSOIL. Вони були розташовані на трьох найбільших пластах у межах району вирощування цукрових буряків у Великобританії, для яких характерні контрастні текстури (Таблиця 3). На кожному полі було встановлено метеостанцію відразу після посівної буряків у березні разом із двома парами тензіометрів на глибині 15 та 35 см. Вони вимірювали рівень опадів та вміст води в ґрунті (SWT) з інтервалом в одну годину. Як поле, так і зона в межах поля, де були встановлені тензіометри, а також зразки ґрунту були ретельно відібрані для визначення відповідної текстури ґрунту. Відібрані зразки використовували для аналізу гранулометричного складу ґрунту (піпетковий метод ISO 11277:2015), органічного вуглецю та вмісту грубих уламків (Таблиця 3).

Результати прогнозів вмісту води в ґрунті

Середній вміст води в ґрунті, розрахований за SWT на глибині 15 та 35 см для кожного поля, порівнювався із модельованим (прогнозованим) вмістом води в перших двох шарах ґрунту в моделі WaSim. Порівняння проводилося з початку жовтня до завершення збирання, оскільки таким чином відображаються умови ґрунту під час збирання.

На Рис. 3 показано, що модель WaSim досить добре прогнозувала середній вміст води у верхніх шарах ґрунту, вимірянюваний тензіометрами. Середня квадратична похибка (RMSE) для набору днів, що відтворювалися, становила 0,91%, 0,96% та 0,52% для глини, мулу та піску. На мулистих ґрунтах, здається, було дещо більше відставання реакції у вмісті води верхнього шару ґрунту на опади, порівняно зі спостережуваними даними. Як на глинистих, так і на мулистих ґрунтах SWC був близький до природної вологоємності верхнього шару ґрунту протягом періоду відбору проб, тоді як він був значно нижчим на піщаних ґрунтах. Причиною цього є результати вимірювань, проведені на глибині 35 см, які залишались на рівні 7,7-8,5%, що нижче, ніж очікувалося від аналогічного ґрунту з національної бази даних по ґрунтам, яка показує вологоємність верхнього шару ґрунту на рівні 16,5%. На відміну від цього, вимірювання на глибині 15 см коливались від 21,3 до 23,4%, тому при визначенні середнього вмісту вологи на глибині 15 та 35 см існує потенційне заниження вмісту вологи в ґрунті з польових даних.

Тестування на основі сценарію

СППР була розроблена як стратегічний інструмент для планування регіональних операцій зі збирання врожаю, а також може використовуватися для тестування на основі сценарію прохідності техніки за різних ґрунтово-кліматичних умов. Тестування чутливості водного балансу та модуля прохідності техніки до погодних умов проводилося з використанням режиму вхідних даних по опадам BEETSOIL. Сценарії тестувалися для всього періоду збиральної кампанії (з 1 жовтня по 28 лютого). Вхідні дані по опадам обиралися на основі довготривалого спостереження (1975-2016 рр.) (Великобританія) в районі вирощування цукрових буряків. Обиралися роки, що представляли максимальні (вологі), оптимальні (середні) та мінімальні (посушливі) загальні значення опадів протягом всього періоду польової кампанії. Загальна кількість опадів становила 145,9, 245,2 та 435,7 мм для посушливого, оптимального та вологого років відповідно. Початкові умови враховували або вологоємність поля, або точку стійкого в'янення. Рівень заглиблення коліс було розраховано для 3-осьового бурякозбирального комбайна. На Рис. 4 показано щоденні прогнози коефіцієнта вмісту води в ґрунті (SWC) на глибині 0-15 см (SWCT), індекс міцності за методом конуса (CI) та рівень заглиблення коліс для кожного сценарію опадів (сухий, оптимальний та вологий рік), тип ґрунту (глина, мул, пісок) та початкові умови (вологоємність поля або точка стійкого в'янення) за період збиральної кампанії.

Відмінності у вмісті води в ґрунті (SWC) між сценаріями опадів на одній і тій же ділянці та початковими умовами були несуттєвими. Якщо початкові умови враховували вологоємність поля (FC), то вміст води в ґрунті (SWC) залишався близьким до цього значення протягом усієї збиральної кампанії, навіть, у посушливий рік (145,9 мм опадів під час сезону), коли кількість опадів була набагато вищою за потенційну евапотранспірацію (77,2 мм за той самий період). Коли початкові умови враховували точку стійкого в’янення (PWP), SWCT досить швидко збільшувався до рівня вологоємності поля (FC) залежно від опадів, а потім залишався стабільним. Варіації SWCT були вищими на піщаному ґрунті, що відображає більшу дренажну здатність, пов'язану з його текстурою.

Загалом, для вологоємності поля (FC), як початкових умов (що є найбільш вірогідним сценарієм на початку кампанії), середній індекс міцності за методом конуса (CI) був найнижчим на глиняних ґрунтах, середнім на піщаних та найвищим на мулистих ґрунтах. Високі значення CI на мулистих ґрунтах можуть бути пов’язані з агрономічними прийомами та попереднім ущільненням, як припускає велика суха об'ємна маса (ρ) (Таблиця 3), оскільки мулисті ґрунти більш схильні до ущільнення. Щодо точки стійкого в’янення (PWP), як початкових умов, результати були зумовлені першими днями моделювання, де CI був надзвичайно високим, завдяки формі калібрування SWC - CI (Рис. 3).

Значення вмісту води в ґрунті (SWC) та індексу міцності за методом конуса (CI), вимірювані протягом трьох кампаній (вологий, нормальний та посушливий роки), мають прямий вплив на прохідність техніки. Модельований SWC порівнювали зі значеннями SWC, необхідними для 1, 2, 5, 10, 25 та 50 проходів 3-осьового комбайну, трактору та причепу на 3 різних типах ґрунтів (Таблиця 7). Порогові значення SWC були найнижчими на піщаному ґрунті, середніми на мулистому ґрунті та найвищими на глиняних ґрунтах. Тільки SWC, необхідний для 50 проходів трактора + причепа на глинистих і піщаних ґрунтах, знаходиться нижче рівня вологоємності верхнього шару ґрунту. Немає чіткого правила стосовно обмеження прохідності та вологоємності поля.

Частка днів у період кампанії, коли значення CI не можуть підтримувати проходи техніки (тобто непрохідний ґрунт), показує ймовірність прохідності з використанням різних умов випадання опадів під час кампанії.

Високі значення СI на мулистому ґрунті означають, що він не матиме значних проблем із прохідністю, навіть, у вологий рік. Єдиним обмеженням буде ситуація високих частот з трактором та причепом, коли 28% днів не будуть сприятливими для проходу техніки. Цей сценарій інтенсивного руху техніки буде еквівалентним точці доступу до поля. Як і слід було очікувати, глинистий ґрунт показав найбільші обмеження для руху техніки. Навіть у посушливих умовах здатність ґрунту підтримувати 25 і 50 проходів для обох комбінацій транспортних засобів буде обмеженою. Це може бути проблемою для районів, де використовуються трактор та причіп, які зазвичай виконують по декілька проходів. На глинистому ґрунті середній (оптимальний) сценарій опадів також був проблематичним для комбайна, оскільки ґрунт не міг підтримувати 5 проходів однієї площі протягом 13% днів. У вологих умовах протягом 5% днів поле не могло підтримати навіть один прохід будь-якої техніки. Піщаний ґрунт показав проміжну ситуацію, а прохідність трактора та причепа може бути обмеженою у нормальний та вологий роки.

Більшість досліджень прохідності техніки в сільському господарстві зосереджені на механічній обробці ґрунту та часто пов’язані зі здатністю до обробки, тому порівняння слід проводити з обережністю. Розбіжності в методології, типі ґрунту та задіяних механізмах змусило безпосередньо порівняти ці результати з даним моделюванням.

Наприклад, прохід техніки, що викликає тиск 60 кПа на глибині 50 см, але не порушує верхнього шару ґрунту, призвів би до "непрохідності" за методом Едвардса і "прохідності" за моделлю BEETSOIL. Модель Едвардса використовує поріг прохідності 50 кПа на глибині > 50 см, коли вологоємність поля близька до природньої, щоб уникнути пошкоджень структури верхнього шару ґрунту. Модель BEETSOIL не враховує жодного порогу потенційних пошкоджень структури верхнього шару ґрунту, тому поля все ще можуть бути придатними для проходу збиральної техніки. Отже застосування методології BEETSOIL виключно для визначення прохідності може призвести до ущільнення верхнього шару ґрунту.

Рис. 4. Ділянки показують добові значення за модельований період кампанії (з 1 жовтня по 28 лютого) вмісту води у верхньому шарі ґрунту (SWCT), індексу міцності за методом конуса (CI) та рівень заглиблення коліс для трьох польових ділянок (представлених різними типами ґрунту — глина, мул та пісок). Результати показані для вологих, нормальних та посушливих умов протягом кампанії та початок моделювання в умовах природної вологоємності поля (FC) або точки стійкого в’янення (PWP).

Таблиця 7. Максимальний вміст води в грунті (%), необхідний для підтримки різної кількості проходів двох конфігурацій транспортних засобів на різних типах грунтів. FC — вологоємність поля.

Рис. 5. Частка днів, коли значення вмісту води в ґрунті (SWC) не може підтримувати 1, 2, 5, 10, 25 та 50 проходів комбайну (Harv) та комбінації трактор + причіп (T + T). Результати показано для сценаріїв посушливих, оптимальних та вологих умов збиральної кампанії для трьох польових ділянок та початок моделювання в умовах початкової вологоємності поля (FC).

Висновки

У даному дослідженні представлена ​​структура BEETSOIL, система підтримки прийняття рішень (СППР), розроблена для планування збирання врожаю цукрових буряків з урахуванням ґрунтових умов. СППР включає ряд добре перевірених моделей та калібрувань, розроблених спеціально для даного дослідження. Модуль водного балансу ґрунту прогнозував вміст води в ґрунті досить добре під час збиральної кампанії для трьох польових ділянок. Ця модель є основою СППР і ключовою для ефективності решти модулів передбачення прохідності. Це забезпечує впевненість, що використання моделі в режимі прогнозу може гарантувати реальні ознаки короткочасних (щотижневих) та довгострокових (щомісячних) даних по сприятливості збирання цукрових буряків на основі ґрунтових умов. Модель також може бути використана для оцінки ефективності збирання врожаю в різних ґрунтово-кліматичних умовах при визначенні нових площ для вирощування буряків.

Цукровий буряк (подібно до інших коренеплідних та пізніх культур) можна збирати в несприятливих умовах. Вплив збирання врожаю в таких умовах може бути тривалим на ґрунт (ущільнення верхнього шару ґрунту) та «репутацію» культури, адже у виробників зменшується бажання її вирощувати. Однак впровадження СППР як частини інструментарію, пропонованого виробникам для консультативних та оперативних програм, може стимулювати їх укладати контракти на вирощування цукрових буряків, забезпечуючи достатні обсяги поставок сировини для переробних підприємств.


1322