Вплив різних методів боротьби з бур’янами на енергоефективність та навколишнє середовище в органічному виробництві цукрових буряків (частина 1)

 

Глобальне потепління, посилення вимог до охорони навколишнього середовища та збільшення попиту на органічну продукцію змушують сільське господарство посилювати свою ефективність та стійкість.

Головною метою даного дослідження було провести аналітичний аналіз та визначити використання енергії та парникові викиди при різних методах боротьби з бур'янами в умовах органічного виробництва цукрових буряків. Порівнювалися сім різних нехімічних методів боротьби з бур’янами. Механічне міжрядне розпушування, міжрядне обрізання та мульчування бур’янами, глушіння бур’янів проміжними культурами та термічна міжоядна обробка проводилися в польових експериментах на Дослідній станції Університету Вітовта Великого (Литва, 2015-2017 рр.). Інші три методи, а саме, автоматичне механічне міжрядне розпушування з камерами для відстежування рядків, міжрядне розпушування за допомогою робота на дизельному двигуні та міжрядне розпушування за допомогою електричного робота обчислювались аналітично.

За матеріалами статті на тему «Вплив механічних та інтелектуальних методів боротьби з бур’янами на енергоефективність та навколишнє середовище в органічному виробництві цукрових буряків» («Influence of mechanical and intelligent robotic weed control methods on energy efficiency and environment in organic sugar beet production») онлайн журналу «Сільське господарство» («Agriculture»), 11, 2021 р.

Бур’яни у виробництві цукрових буряків

Однією з головних проблем у вирощуванні сільськогосподарських культур є бур’яни, оскільки вони конкурують з основною культурою за життєво необхідні ресурси, такі як воду, поживні речовини, простір та світло. У результаті цієї конкуренції значно зменшується врожайність, погіршується якість, а також ускладнюється процес збирання врожаю. Залежно від сільськогосподарських культур бур’яни можуть знижувати їх врожайність до 40%.

Найпоширенішими однорічними видами бур'янів, які зустрічаються у посівах цукрових буряків у Литві, є біла лобода (Chenopodium album), польова гірчиця (Sinapis arvensis), плоскуха звичайна (Echinochloa crus galli), зірочник середній (Stellaria media), серед багаторічних видів бур'янів переважають лікарська кульбаба (Taraxacum officinalis), пирій повзучий (Elytrigia repens) та великий подорожник (Plantago major).

Цукровий буряк дуже чутливий до конкуренції з бур’янами, які можуть зменшувати його врожайність на 26-100%, навіть при низькій щільності — п’ять рослин на 1 м2. Тому боротьба з бур’янами дуже важлива та може суттєво збільшити врожайність цукрових буряків. Органічне землеробство стає все більш популярним в ЄС. Основними країнами, що вирощують органічний цукровий буряк, є Німеччина (52% європейських органічних сільськогосподарських угідь) та Австрія (23%). У Литві цукровий буряк також є важливою культурою та основною сировиною для виробництва білого цукру.

Проблема бур’янів особливо актуальна в органічному виробництві, де урожайність і так на 25-50% нижча, порівняно з традиційними технологіями вирощування сільськогосподарських культур. Урожайність органічних рослин, як правило, на 5-34% нижча, ніж звичайних рослин. Тому обраний метод боротьби з бур’янами та ефективна організація виробництва на підприємстві мають значний вплив не тільки на врожайність та якість цукрових буряків, але й на навколишнє середовище.

Екологічні методи боротьби з бур’янами

Традиційний метод боротьби з бур'янами за допомогою хімічних гербіцидів недопустимий в органічному землеробстві. Тому альтернативою хімічним методам є механічна боротьба з бур’янами. Крім того, хімічна боротьба з бур’янами є не тільки дорогою, але й негативно впливає на навколишнє середовище. Боротьба з бур’янами на основі хімічних обробок збільшує витрати і робить деякі бур’яни стійкими до дії гербіцидів. Механічний контроль бур’янів видаляє бур’яни фізично, викорінюючи їх, тобто подрібнюючи цілі рослини або відокремлюючи стебла та листя бур’янів від їх коренів. У науковій літературі представлені різні позитивні та негативні результати досліджень, пов’язаних із механічною боротьбою з бур’янами. Вчені встановили, що механічне міжрядне розпушування окремо або в поєднанні з гербіцидами призводить до врожайності цукрових буряків, подібної до застосування звичайних обприскувань.

Мульчування — ще один метод боротьби з бур’янами, який також може застосовуватися в органічному землеробстві. Залишки рослинної мульчі на поверхні ґрунту змінюють фізичні та хімічні умови для насіння бур’янів, тим самим пригнічуючи їх проростання, ріст та розвиток. У якості альтернативи механічній боротьбі з бур’янами може використовуватися термічна обробка за допомогою тепла, електрики, полум’я, гарячої води та піни. Результати раніше проведених досліджень показують, що використання живої мульчі у виробництві цукрових буряків може зменшити кількість внесених гербіцидів до 65%, а популяції бур’янів — до 83%.

Часто метод механічної боротьби з бур’янами вимагає великих витрат енергії, ручної праці та часу, а швидкість і точність обмежуються відсутністю навичок та досвіду персоналу. У деяких випадках одного механічного методу боротьби з бур’янами може бути недостатньо, оскільки такий метод не завжди здатний викорінити бур’яни, які ростуть дуже близько до рослин у рядку.

У таких випадках часто все ще використовується ручний метод боротьби з бур’янами. Через потенційний ризик пошкодження рослин, особливо коли боротьба з бур'янами проводиться всередині рядків, необхідно використовувати точні механічні інструменти. Точне налаштування положення техніки або інструментів на основі цифрових технологій, таких як різні типи камер (RGB, гіперспектральна, мультиспектральна тощо), датчиків, RTK-GPS та алгоритмів машинного навчання, забезпечують можливість боротьби з бур’янами всередині рядка поблизу рослин без їх пошкодження. Ці технології дозволяють не тільки контролювати бур’яни в конкретній польовій локації в режимі реального часу, а й дуже точно розрізняти культурні рослини та бур’яни. Автоматизована точна боротьба з бур’янами за допомогою самохідних роботів швидко розвивається і стала одним із ключових напрямків досліджень сільськогосподарської робототехніки останнього десятиліття. Відомі вчені оцінювали механічну боротьбу з бур’янами, керовану камерою, і виявили, що такий підхід покращив ефективність механічної боротьби з бур’янами в посівах цукрових буряків, кукурудзи та сої. Автоматизоване міжрядне прополювання, контрольоване камерами, знищило 78% бур’янів, тоді як ручний контроль — лише 65%. Автоматизоване управління за допомогою камер дозволяє оператору не тільки направляти робочі частини культиватора якнайближче до рядків основної культури, але і збільшувати швидкість руху з 4 до 7-10 км/год-1.

Автоматизовані та роботизовані методи полегшують роботу оператора, зменшують витрати робочої сили та підвищують ефективність механічного прополювання, в порівнянні з традиційними методами боротьби з бур’янами. Крім того, менші розміри та маса роботів, у порівнянні з важкою сільськогосподарською технікою, зменшують ущільнення ґрунту.

Використання енергії та парникові викиди

Сталий розвиток вимагає налагодження діяльності у сфері використання енергії та парникових викидів на всіх виробничих процесах. Вчені досліджували енергетичний баланс виробництва цукрових буряків і виявили, що загальні витрати енергії, загальна виділена енергія, коефіцієнт співвідношення виділеної та спожитої енергії та чиста енергія, спожита в хімічному виробництві, становлять 19 760 МДж/га-1, 378 491 МДж/га-1, 19,15 та 18,15 відповідно. У Західному Ірані було виявлено, що для вирощування цукрових буряків загальні витрати енергії та виділена енергія становили 49 517 та 1 095 360 МДж/га-1 відповідно. Розрахункова ефективність використання енергії становила 22,12, а коефіцієнт ефективності по вуглецю для цукрових буряків — 10,95. Також визначалася енергетична ефективність виробництва цукрових буряків і було виявлено, що для виробництва одного кілограму продукту необхідно 0,93 МДж/кг-1 енергії. Результати проведених досліджень показали, що споживання енергії може бути на 10-70% нижчим в органічному землеробстві, порівняно з традиційними методами ведення сільського господарства.

Сільське господарство відповідає за значну частку парникових викиди, оскільки на нього припадає цілих 24% загальних викидів парникових газів. У Великобританії визначалося споживання енергії та парникові викиди у виробництві цукрових буряків та було виявлено, що середній потенціал глобального потепління (ПГП) на тонну вирощених буряків становив 0,024 т CO2-1. Органічне виробництво пов'язане з меншими середніми викидами парникових газів на гектар, на відміну від звичайного сільського господарства.

Метою даного дослідження є аналіз, оцінка та порівняння впливу звичайних, а також роботизованих методів боротьби з бур’янами на енергетичні та екологічні показники виробництва органічних цукрових буряків. Механічні та термічні методи боротьби з бур’янами досліджувалися в польових експериментах, а автоматизовані та роботизовані системи розраховувались аналітично.

Матеріали та методи
Характеристика методів боротьби з бур’янами

 У даному дослідженні розглядалися сім різних методів боротьби з бур’янами в посівах органічних цукрових буряків. Основні дані, необхідні для дослідження, чотирьох неавтоматизованих методів боротьби з бур’янами — міжрядного розпушування (E1), міжрядного обрізання та мульчування бур’янами (E2), міжрядного обрізання та мульчування проміжною культурою (E3) та міжрядної термічної обробки (E4) — були отримані після проведення досліджень на експериментальній станції Університету Вітовта Великого (Литва) у 2015-2017 рр. Інші три методи боротьби з бур'янами для порівняльного аналізу — автоматичне міжрядне розпушування за допомогою камер відстеження рядків (E5), міжрядне розпушування за допомогою робота на дизельному двигуні (E6) та міжрядне розпушування за допомогою робота на сонячній енергії (E7) (Рис. 1) — базувалися на аналітичних теоретичних методах. Усі обробки бур’янів проводилися тричі за сезон.

Електричний робот (E7) призначений для боротьби з бур’янами та широкорядного посіву сільськогосподарських культур. Робот працює повністю автоматично з використанням високоточної технології GPS та не залежить від камер або датчиків розпізнавання рослин та бур’янів. Оскільки робот знає положення кожної насінини в рядку, він може починати прополювання на дуже ранній стадії розвитку рослин, до появи перших сходів.

Роботи, які використовують системи камер, які повинні розрізняти основну культуру та бур’яни, не мають такої можливості. Три прополювальні троси в кожному рядку забезпечували видалення бур’янів у міжряддях. Боротьба з бур’янами всередині рядків виконувалася за допомогою прополювальної лапи. Робот із дизельним двигуном (E6) контролював бур’яни, розпізнаючи їх за допомогою камер. Такі системи використовують алгоритми виявлення бур’янів і складають карти наявності бур’янів.

Технічні дані автоматизованого міжрядного розпушувача (E5) були взяті з технічного паспорту, а робоча швидкість (7,2 км/год-1) була обрана за результатами проведених випробувань. Один із роботів, який використовувався для боротьби з бур’янами, працював на дизельному двигуні. Міжрядна розпушувальна машина, оснащена роботом, була налаштована на необхідну потужність, визначену виробником. Робоча швидкість (5 км/год-1) робота на дизельному двигуні (Е6) була обрана відповідно до рекомендацій виробника щодо боротьби з бур’янами. Ще один робот живився від електроенергії за допомогою сонячних модулів та батарей (E7). Цей робот може працювати більше восьми годин без перерви. Його робоча швидкість (1,0 км/год-1) була найнижчою з усіх машин для боротьби з бур’янами.

Рис. 1. Схема методів боротьби з бур'янами для порівняльного аналізу. Примітка: (x 3) — технологічні операції виконувалися тричі за сезон.

Розрахунок спожитої/виділеної енергії

У дослідженні визначалися витрати енергії на площі 20 га органічних цукрових буряків. Для порівняння енергоефективності різних методів боротьби з бур’янами розраховувалися витрати енергії (сільськогосподарська техніка, паливо, робочий час тощо) та виділена енергія. Витрати енергії та технологічні показники визначалися для кожного методу боротьби з бур’янами, включаючи всі операції з органічного виробництва цукрових буряків відповідно до рекомендацій Литовського інституту аграрної економіки для сільськогосподарських підприємств, фермерів та інших установ, що надають сільськогосподарські послуги. Виділена енергія розраховувалася за результатами врожайності цукрових буряків, за винятком біомаси листя, що залишається на поверхні ґрунту після збирання врожаю.

Таблиця 1. Енергетичні еквіваленти, які використовувалися для розрахунку спожитої та виділеної енергії

FM – маса свіжої продукції.

Ефективність використання енергії

Для оцінки та порівняння різних методів боротьби з бур’янами розраховувалися різні параметри енергоефективності. Коефіцієнт використання енергії визначався шляхом діленням виділеної енергії (МДж/га-1) на загальне споживання енергії (МДж/га-1). Енергопродуктивність (кг/МДж-1) — показник, який показує, скільки кілограмів цукрових буряків можна виростити, використовуючи 1 МДж енергії. Чиста виділена енергія (МДж/га-1) виражається як різниця між спожитою та виділеною енергією. Невідновлювана енергія включає дизельне паливо та техніку. Відновлювана енергія складається з ручної праці, насіння, електроенергії та органічних добрив.

Споживання пального

Паливо є одним із дуже важливих прямих витрат енергії у виробництві цукрових буряків. Визначалися витрати дизельного палива для методів боротьби з бур’янами E1-E5. Для міжрядного розпушування за допомогою робота на дизельному двигуні (E6) витрати палива розраховувалися відповідно до кривої робочих характеристик двигуна, наданої виробником, припускаючи, що робот працює в економічному режимі, а частота обертання колінчастого вала двигуна (оберти двигуна) не перевищує 1600 об./хв-1.

Для методу міжрядного розпушування за допомогою робота на сонячній енергії (E7) дизельне паливо не використовувалося, але споживання енергії на гектар розраховувалося на основі погодинного споживання електроенергії роботом.

Викиди парникових газів

Зазвичай викиди парникових газів в атмосферу виражаються в еквіваленті вуглекислого газу (CO2). Коефіцієнти перерахунку, представлені в Таблиці 2, використовувалися для визначення парникових викидів від різних систем органічного виробництва цукрових буряків. Викиди парникових газів від кожного процесу виробництва цукрових буряків розраховувались шляхом визначення споживання дизельного палива, пропанового газу, електроенергії, насіння, добрив, техніки та їх множенням на відповідні фактори парникових газів.

Стійкість різних методів боротьби з бур’янами для органічного виробництва цукрових буряків оцінювалася шляхом визначення співвідношення обсягу виробленої продукції до загального обсягу парникових викидів.

Таблиця 2. Коефіцієнти парникових викидів (кг СО2 одиниця-1) сільськогосподарських ресурсів та виробництва

Урожайність цукрових буряків

Урожайність органічних цукрових буряків у дослідах E1-E4 визначалася методом зважування, вираженим у тоннах з гектару (т/га-1). Стосовно автоматизованих методів боротьби з бур’янами, урожайність буряків передбачалася на основі врожайності, отриманої за допомогою традиційного механічного міжрядного розпушування (Е1).  Припускалося, що при автоматизованому механічному міжрядному розпушуванні (Е5) урожайність коренеплодів збільшувалася на 11% завдяки автоматизації. Раніше повідомлялося, що технології точного прополювання збільшили врожайність цукрових буряків на 37%, тоді як після звичайного прополювання вона збільшилася лише на 26%. Стосовно роботизованих методів розпушування (E6, E7), завдяки меншому ущільненню ґрунту, передбачалося, що врожайність цукрових буряків має додатково збільшитися на 7%, порівняно з традиційним механічним розпушуванням (E1).

Цей відсотковий приріст був використаний на основі висновків Шоклі та Діллона, які повідомляли, що завдяки легкій конфігурації автономної техніки ущільнення ґрунту може зменшитися, що призведе до збільшення врожайності на 7%.

Статистичний аналіз

Результати досліджень органічного виробництва цукрових буряків були статистично оброблені за допомогою аналізу з HSD-критерієм Тьюкі. Суттєві відмінності у виділеній енергії буряків та парникових викидах, а також різниця у урожайності між методами боротьби з бур'янами визначалися шляхом обчислення найменш значущої різниці для 95% рівня достовірності (р < 0,05). Різні літери (a, b, c тощо) вказують на статистично значущу різницю.

 


889