Сенсорна механічна боротьба з внутрішньорядними бур’янами за допомогою моторизованих пальчикових культиваторів (частина 2)

 

За матеріалами статті на тему «Сенсорна механічна боротьба з внутрішньорядними бур’янами цукрових буряків за допомогою моторизованих пальчикових культиваторів» («Sensor-Based Intrarow Mechanical Weed Control in Sugar Beets with Motorized Finger Weeders») журналу «Агрономія» («Agonomy»), 11, 2021 р.

Збір даних

Густота бур’янів (шт./м2) вимірювалася за допомогою рамки 0,5 × 0,5 м, поділеної на внутрішньорядну та міжрядну секції, щоб розмежувати обидві зони (Рис. 4). Рамку випадковим чином розміщували в трьох місцях в центрі кожної ділянки через три дні після останнього застосування механічної обробки. Відбір цукрових буряків відбувався до кінця вересня в обидва досліджувані роки. Для того, щоб оцінити вплив механічних обробок, визначалася врожайність буряків із двох центральних рядків. Крім того, кількість цукрових буряків на двох центральних рядках за одну обробку підраховувалася до обробки (поява сходів) та під час збирання врожаю.

Результати
Густота бур'янів та ефективність боротьби з бур'янами

У 2017-2018 рр. густота бур’янів була значною. У 2017 р. на необроблених контрольних ділянках густота бур’янів досягала в середньому 588 шт./м2, тоді як у 2018 р. середня густота бур’янів становила 38 шт./м2. Різниця у густоті бур’янів була викликана вологим весняним сезоном у 2017 році, коли навесні та влітку випало майже 80% загальної річної кількості опадів, у порівнянні з лише 57% у 2018 році. Проте види бур’янів, що зустрічаються на обох полях, були типовими для регіону-виробника цукрових буряків. Найпоширенішими видами бур’янів були лобода біла (Chenopodium album), триреберник непахучий (Matricaria inodora), осот польовий (Cirsium arvense), підмаренник чіпкий (Galium aparine), витка гречка берізкова (Polygonum convolvulus).

Таблиця 5. Основні види бур’янів на дослідній ділянці Ihinger Hof у 2017 та 2018 роках

Результати, наведені в Таблиці 6, показують, що обробка гербіцидами виявилася найефективнішим методом зниження густоти бур’янів в обидва роки. Найбільша густота бур’янів була зафіксована на необроблених ділянках — від 588 шт./м2 у 2017 році до 43 шт./м2 у 2018 році. Найбільша густота внутрішньорядних бур’янів була виявлена на необроблених контрольних ділянках в обидва роки. Проте різниця між середньою густотою бур’янів на необроблених ділянках у 2017 та 2018 рр. становила 147,5 шт./м2. Усі обробки відрізнялися від контрольних умов, проте в межах механічних обробок ніяких відмінностей не було виявлено. Єдиною відмінністю між застосуванням гербіцидів та звичайного пальчикового культиватора була густота внутрішньорядних бур’янів 37 шт./м2. Застосування моторизованого пальчикового культиватора (MFW) (140) та (60) призвело до зменшення густоти бур’янів на 15 та 19 шт./м2 відповідно у 2017 році.

Таблиця 6. Середня густота бур’янів (шт./м2) внутрішньорядної та міжрядної площ визначалася через три дні після застосування останньої обробки у 2017 та 2018 роках. Крім того, показані результати щодо ефективності внутрішньорядної боротьби з бур’янами (%). Значення з різними літерами в одній колонці вказують на значні відмінності між методами обробок відповідно до критерію Тьюкі. WCE = ефективність боротьби з бур'янами.

* UC: необроблений контроль, H: обприскування гербіцидами, MFW (140): моторизований пальчиковий культиватор із високою швидкістю, MFW (60): моторизований пальчиковий культиватор із низькою швидкістю, CFW: звичайний пальчиковий культиватор.

Міжрядне прополювання показало подібні результати, як і внутрішньорядне, при цьому всі обробки відрізнялися від необробленого зразка; проте ніяких відмінностей між будь-яким із методів обробки не було виявлено. Гусячі лапи культиватора знищили більшість бур’янів у міжряддях буряків. У 2017 році під час застосування гербіциду та моторизованого пальчикового культиватора (H + MFW (140) та H + MFW (60)) було зафіксовано густоту бур’янів 1,7 та 1,3 шт./м2. Під час застосування гербіциду та звичайного пальчикового культиватора (H + CFW) було виявлено дещо більшу густоту бур'янів 5,3 шт./м2, але результати не відрізнялися від комбінованих методів H + MFW (140) і H + MFW (60).

Механічні обробки без додаткового внесення гербіциду (MFW (140), MFW (60) і CFW) показали значно більшу густоту бур’янів, ніж поєднання обробок із одноразовим внесенням гербіциду. У 2018 році відмінності між механічними обробками у комбінації з та без гербіциду були не такими помітними, як у 2017 році. Середня густота внутрішньорядних бур’янів після проведення обробок становила від 1,7 до 6,8 шт./м2.

У Таблиці 4 показано середню ефективність боротьби з бур’янами (WCE) за 2017 та 2018 роки для кожної обробки. Найнижча ефективність боротьби з бур’янами була зафіксована для обробки звичайним пальчиковим культиватором у 2017 році (79%), а також у 2018 році — від 77% до 78% для обробки звичайним пальчиковим культиватором із гербіцидом та без нього (H + CFW та CFW). Найбільша ефективність боротьби з бур’янами була досягнута при обробці гербіцидами (H2017 та H2018). У 2017 році комбінація механічних та хімічних обробок показала такі ж високі рівні ефективності WCE, як і внесення гербіцидів, тоді як у 2018 році з меншою густотою бур’янів лише звичайні пальчикові культиватори відрізнялися від застосування гербіцидів.

Урожайність цукрових буряків

Найнижча урожайність цукрових буряків (Рис. 5) була зафіксована в необробленого контрольного зразка (2017 рік) — в середньому 6,9 т/га. У 2018 році було зафіксовано вищу врожайність 57,2 т/га для необробленого контрольного зразка. Чотири обробки H2017, H + MFW (140), H + MFW (60) і H + CFW досягли аналогічно високої урожайності цукрових буряків від 75 до 77,9 т/га. Серед суто механічних методів боротьби з бур’янами MFW (140) та MFW (60) дали врожайність від 48,5 до 52,4 т/га, а CFW — 36,2 т/га. Статистично значущих відмінностей між середньою врожайністю цукрових буряків механічної та хіміко-механічної обробок у 2018 році не було виявлено.

У Таблиці 5 наведено огляд кількості цукрових буряків на гектар до обробок (поява сходів) та під час збирання врожаю. Спостерігалися деякі втрати врожаю для всіх механічних обробок. Як і очікувалося, обробка гербіцидами продемонструвала мінімальні втрати цукрових буряків. Крім того, навіть використання одного гербіциду зменшило втрати цукрових буряків майже вдвічі, порівняно з усіма видами механічних обробок. Проте загальна врожайність не відрізнялася від традиційної обробки гербіцидами у 2017 та 2018 роках.

У 2017 році на необробленій контрольній ділянці кількість цукрових буряків зменшилася на 40 тис. шт. до осені, оскільки конкуренція з бур’янами була настільки високою, що лише половина цукрових буряків була в придатному для збирання стані (Таблиця 7). Незважаючи на те, що не було ручної прополки бур’янів, обробка гербіцидами не взаємодіяла з вирощуванням цукрових буряків. Під час обробки гербіцидами в обидва роки втрати цукрових буряків становили менше 30 шт. Дані також показують, що в 2018 році цукрових буряків зійшло менше, ніж у 2017 році. Імовірно, це пов’язано з дефіцитом опадів навесні.

Рис. 5. Стовпці представляють середню врожайність цукрових буряків (т/га), зафіксовану для кожної обробки в 2017 і 2018 роках. Різні літери над стовпчиком і в межах одного графіка (2017 або 2018) вказують на значні відмінності між обробками відповідно до критерію Тьюкі при α 0,05. UC: Необроблений контроль, H: Обприскування гербіцидами, MFW(140): моторизований пальчиковий культиватор із високою швидкістю, MFW(60): моторизований пальчиковий культиватор із низькою швидкістю та CFW: звичайний пальчиковий культиватор.

Таблиця 7. Кількість цукрових буряків на гектар до обробок (поява сходи) та під час збирання врожаю в 2017 та 2018 роках

* UC: необроблений контроль, H: обприскування гербіцидами, MFW (140): моторизований пальчиковий культиватор із високою швидкістю, MFW (60): моторизований пальчиковий культиватор із низькою швидкістю, CFW: звичайний пальчиковий культиватор.

Обговорення

Доведено, що міжрядна прополка є ефективним методом боротьби з бур’янами після появи сходів на широкорядних просапних культурах. Значні результати боротьби з бур’янами можна отримати, якщо механічні обробки застосовувати на правильній стадії розвитку бур’янів і за хороших погодних умов. Крім того, використання системи рульового керування Garford забезпечило високу точність наведення під час усіх механічних обробок. Розпушування після сходів за допомогою гусячих лап було дуже ефективним, середня ефективність боротьби з бур’янами в міжряддях складала від 94% до 98% (Таблиця 6).

Механічна внутрішньорядна прополка за допомогою моторизованих і звичайних пальчикових культиваторів також продемонструвала ефективність боротьби з бур’янами майже таку ж високу, як і звичайне застосування гербіцидів в обидва роки. Лише у випадку дуже високого тиску бур’янів, як це було зафіксовано в 2017 році, комбінація застосування гербіциду з післясходовою прополкою призвела до кращої ефективності боротьби з бур’янами, ніж лише одна механічна прополка.

Як і всі операції з після сходової механічної прополки, використання пальчикового культиватора вимагає більш високого рівня розвитку цукрових буряків, порівняно з розвитком бур’янів. Застосування гербіцидів до появи сходів є найпоширенішим методом пригнічення розвитку ранніх бур’янів на посівах цукрових буряків. Підготовка посівного ложа та неглибоке передсходове боронування також запобігають появі бур’янів до сходів.

Цікаво, що одноразове застосування гербіцидної обробки майже вдвічі зменшило втрати цукрових буряків при кожній обробці і досягло подібних результатів урожайності, як і багаторазова обробка гербіцидами.

Можна зробити висновок, що більш пізні бур’яни можна видалити за допомогою механічної прополки з більшою інтенсивністю. У роки з низькою густотою бур’янів застосування гербіцидів можна було частково або навіть повністю замінити механічною обробкою, як свідчать результати 2018 року. Прополка моторизованим пальчиковим культиватором (MFW) з обприскуванням гербіцидом і без нього дала таку ж високу ефективність боротьби з бур’янами, як і звичайне застосування гербіцидів у 2018 році.

Таким чином, у 2018 році два з трьох обприскувань гербіцидами потенційно можна було замінити механічною обробкою без втрат для фермера.

У 2018 році механічні обробки не мали негативного впливу на врожайність цукрових буряків, порівняно з триразовим обприскуванням гербіцидами. Результати низької врожайності при застосуванні моторизованого та звичайного пальчикових культиваторів (MFW та CFW) у 2017 році відображають труднощі, пов’язані з високою густотою бур’янів. Цукрові буряки погано переносять бур’яни через їх низьку конкурентоспроможність за ресурси. Втрати врожайності цукрових буряків можуть досягти 95%, якщо не проводити заходів із захисту рослин. Поточне дослідження підтвердило це, оскільки необроблений контрольний зразок зафіксував скорочення врожайності на 91%, порівняно з обробкою «гербіцид + моторизований пальчиковий культиватор зі швидкістю 140 об./хв.» у 2017 році.

Не всі бур’яни були видалені з рядків цукрових буряків за допомогою моторизованого пальчикового культиватора, втрати врожайності через конкуренцію з бур’янами були неминучі навіть при високій ефективності боротьби з бур’янами > 90% у 2017 році. Причиною відсутності контролю стали несприятливі погодні умови на момент проведення першої обробки. Вологі умови завадили вчасно провести механічну обробку, яку довелося відкласти на 5 днів. За цей час бур’яни сильно виросли, і більшість великих внутрішньорядних бур’янів було неможливо видалити, не пошкодивши при цьому буряки.

Усі види бур’янів, які досягають значного розвитку, важко видалити механічним шляхом, якщо рослина чутлива до фізичних пошкоджень. Однак у даному дослідженні особливо стійкими видами були C. arvense, C. album, G. aparine та M. inodora через їх швидкий розвиток, а у випадку C. arvense також через швидку вегетативну проліферацію коріння. На Рис. 6 показано низьку ефективність механічних обробок і те, як ці види бур’янів закріпилися в рядках цукрових буряків у 2017 році.

Рис. 6. Внутрішньорядні бур’яни C. arvense (ліворуч), M. inodora та G. aparine (праворуч)

За ідеальних ґрунтово-кліматичних умов пальчикові культиватори є високоефективними і можуть зменшувати густоту бур’янів до 99%. Слід зазначити, що моторизовані пальчикові культиватори мали меншу швидкість роботи, порівняно зі звичайними сільськогосподарськими знаряддями, через технологічні обмеження системи. Проте концепція моторизованих пальчикових культиваторів передбачає використовувати їх не з трактором, а в поєднанні з роботом для постійної автономної прополки. Нині сільськогосподарські роботи працюють повільніше, в порівнянні з трактором. Це — проблема, оскільки звичайні знаряддя для механічної прополки вимагають певної швидкості для ефективного зрізання, викорчовування та видалення бур’янів.

Наприклад, міжрядне прополювання найбільш ефективне при швидкості від 4 до 12 км/год. Тому механічні інструменти для прополки, які обертаються незалежно від трактора/робота, є оптимальним рішенням для автономної роботизованої прополки. Таким чином точне наведення інструменту є важливим для забезпечення вирівнювання з рядком посівів, щоб запобігти пошкодженню основної культури, що було успішно досягнуто за допомогою системи рульового керування Garford у даному дослідженні.

Моторизовані пальчикові культиватори показали себе досить добре на суглинних ґрунтах. Однак не було ніяких відмінностей між швидкістю обертання та ефективністю боротьби з бур’янами за допомогою моторизованих пальчикових культиваторів. Розпізнавання цукрових буряків та регулювання швидкості MFW здійснювалося за даними інфрачервоної камери та програмного забезпечення IMPASS. Розмежування зображень між бур’янами та культурою достатньо, якщо виконується лише механічна прополка.

Наш алгоритм був заснований на виявленні форми, добре розрізняв бур’яни та цукрові буряки. Моторизовані пальчикові культиватори вимагають, щоб весь посівний ряд контролювався, щоб попередньо визначені площі посіву цукрового буряка та простір між двома цукровими буряками можна було точно націлювати за допомогою агрегату. Це схоже на концепцію використання зображень (наприклад, аерофотоданих), які можна використовувати для розрахунку детальних карт застосування гербіцидів для конкретних видів бур’янів, для виконання обприскування в конкретному місці. Однак, якщо потрібно відокремити більше груп рослин, а не лише посіви та бур’яни, необхідні інші алгоритми.

Незважаючи на те, що моторизовані пальчикові культиватори зазвичай мали кращу ефективність боротьби з бур’янами, в порівнянні зі звичайними пальчиковими культиваторами, щодо врожайності цукрових буряків не було виявлено суттєвих відмінностей між механічними обробками у 2017 та 2018 роках.

Удосконаленням моторизованих пальчикових культиваторів може стати використання ще менших культиваторів діаметром менше 20 см. Це ще більше підвищить їх точність, оскільки простір між двома цукровими буряками має ширину лише приблизно 18-22 см. Вищі та нижчі швидкості обертання також необхідно перевірити, щоб визначити, чи можна досягти ще кращих результатів у боротьбі з бур’янами. Загалом, роботизована механічна прополка розглядається як багатообіцяюча альтернатива звичайним застосуванням гербіцидів і має бути частиною інтегрованої концепції боротьби з бур’янами. Однак одна з передумов полягає в безперервності роботи робота, щоб компенсувати повільну швидкість роботи. Додаткові переваги включають те, що робот легкий і викликає менше ущільнення ґрунту, ніж трактор.

Поєднання одного застосування гербіциду та механічних обробок зменшило втрати цукрових буряків. У роки з низьким рівнем засміченості бур’янами ця комбінація давала подібну або навіть вищу врожайність, ніж багаторазове застосування гербіцидів. Роботизована система з моторизованими пальчиковими культиваторами або іншими інструментами може легко компенсувати повільну швидкість роботи, оскільки більше роботів можуть працювати одночасно. Загалом моторизовані пальчикові культиватори виявилися ефективним інструментом для проведення внутрішньорядної механічної боротьби з бур’янами на посівах цукрових буряків.


325