Композитный отбор проб почвы и роль точного земледелия и дистанционного зондирования

Составной отбор проб почвы означает взятие множества небольших образцов почвы с разных участков поля и их смешивание в один образец. Этот единый составной образец позволяет получить усредненные значения анализа почвы (питательные вещества, pH и т. д.) для всей этой площади. Традиционно фермеры использовали составной отбор проб для определения равномерных норм внесения удобрений или извести для всего поля.

Последние достижения в области точного земледелия и дистанционного зондирования меняют подходы к отбору проб почвы. Современные инструменты (оборудование с GPS-навигацией, спутниковые/беспилотные снимки, карты урожайности и почвенные датчики) позволяют фермерам “видеть” различия внутри поля и создавать более целенаправленные зоны отбора проб.

Вместо подхода “одно поле – один образец” PA рекомендует подход “много зон – много образцов”, каждый из которых усредняется отдельно. Короче говоря, составной отбор проб остается ключевой частью анализа почвы, но данные PA/RS помогают определить, где следует брать эти составные пробы и как использовать их результаты. Например, 68% крупных сельскохозяйственных предприятий США теперь используют мониторы урожайности или инструменты почвенного картирования, что отражает распространенность данных точного анализа.

Что такое комплексный отбор проб почвы?

Комбинированный отбор проб предполагает объединение подпроб из множества точек в одну смешанную пробу. Например, для отбора проб на участке площадью 10 акров можно взять 15–20 небольших кернов (каждый глубиной несколько дюймов) в разных точках, смешать их и отправить смесь в лабораторию. Лаборатория анализирует эту единую комбинированную почвенную пробу, чтобы получить среднее значение анализа для всего участка.

Это отличается от дискретных (индивидуальных) проб, где каждый образец исследуется отдельно. Комбинированный отбор проб часто проводится, когда территория кажется достаточно однородной и необходимо определить общий уровень плодородия. В США более 701 тыс. кв. тр. м³ коммерческих ферм сообщают об использовании той или иной формы анализа почвы, и комбинированный отбор проб остается наиболее распространенным и экономически эффективным методом.

В информационном бюллетене по почвоведению поясняется: “Отбор проб почвы начинается с репрезентативной сводной пробы”. Полученный сводный результат определяет тактику управления (внесение удобрений, извести и т. д.) на всей территории. Если условия действительно однородны, достаточно одной сводной пробы на 10–15 акров. Однако это предполагает, что все части зоны схожи. Тем не менее, высокоточные инструменты помогают определить, где это предположение верно, а где нет.

Когда составные пробы отбираются в пределах четко определенных зон управления, это позволяет принимать более взвешенные решения. Например, вместо того, чтобы вносить одну норму удобрений на все 100 акров поля (на основе одной составной пробы), фермер может внести одну норму в верхнюю треть поля, другую — в среднюю треть и еще одну — в нижнюю треть, руководствуясь результатами анализа почвы в соответствующей зоне. Такой целенаправленный подход может повысить урожайность или сэкономить удобрения (и уменьшить сток).

Преимущества комбинированной выборки

В мировом масштабе цены на удобрения выросли почти на 801 тыс. тонн с 2020 года, что подталкивает фермеров к внедрению более экономичных методов анализа почвы. Комплексный отбор проб помогает снизить затраты на анализ, при этом предоставляя ценную информацию. Недавнее исследование в США показало, что более 601 тыс. тонн средних фермерских хозяйств используют комплексный анализ почвы в качестве основного инструмента оценки плодородия.

1. Экономически выгодно: По сравнению с тестированием каждого участка требуется меньше лабораторных анализов. Единый комплексный анализ заменяет множество отдельных тестов, что позволяет сэкономить на анализе.

2. Экономия времени: Собрать и обработать одну смешанную пробу быстрее, чем десятки отдельных. Это означает, что анализ почвы можно проводить быстрее и чаще.

3. Простота: Комбинированный отбор проб требует меньше планирования и управления данными. Например, на больших газонах, пастбищах или полях с однородным посевом часто используются простые протоколы “одна область – одна проба”.

4. Подходит для однородных участков: Когда в зоне действительно однородная почва и методы обработки, сводный показатель дает надежное среднее значение плодородия. Во многих руководствах для сельскохозяйственных консультантов отмечается, что “достаточно однородный участок” площадью до 10–15 акров может быть хорошо охарактеризован одним сводным показателем.

Эти преимущества сделали комбинированный отбор проб распространенной практикой. Один консультант по растениеводству отмечает, что отбор проб по сетке GPS (с использованием множества точек) является более детальным и дорогостоящим методом, в то время как комбинированный отбор проб “предполагает смешивание почвы из разных мест… для создания одной пробы”, что проще. На однородных полях (или газонах, садах и исследовательских участках) комбинированные анализы являются практичным способом отслеживания питательных веществ и pH с умеренными затратами.

Ограничения комбинированной выборки

По состоянию на 2025 год исследования показывают, что почти 451 тыс. тонн образцов сельскохозяйственных полей демонстрируют достаточную пространственную изменчивость, так что комбинированный отбор проб скрывает критически важные различия в содержании питательных веществ, что делает необходимым точный зональный отбор проб. Недавние данные также показывают увеличение на 121 тыс. тонн случаев необнаруженного загрязнения при использовании комбинированных методов на почвах с различной почвенной структурой. Несмотря на удобство, комбинированный отбор проб имеет важные недостатки:

а. Вариативность масок: Усреднение множества точек позволяет скрыть “горячие” и “холодные” участки. Например, участок с очень высоким содержанием фосфора или уголок с низким pH будут искажены средним значением. В одном из блогов по точному земледелию предупреждают, что смешивание данных из разных мест “может маскировать вариации питательных веществ в почве”. Другими словами, теряется информация о том, где почва лучше или хуже среднего.

б. Не подходит для решения мелких проблем: Взятие составных проб — плохой выбор, если вы подозреваете локальную проблему. Например, если в конкретном месте произошел разлив пестицидов или наблюдалось сильное замедление роста растений, одна составная проба со всего поля может этого не выявить. Проблемный участок будет смешан со многими нормальными участками. Специалисты по сельскохозяйственному консультированию прямо предупреждают, что взятие проб со всего поля (сплошных проб) не рекомендуется для полей с изменчивой флорой и фауной.

c. Риск разбавления: Если небольшой участок загрязнен или сильно обогащен, его сигнал может быть ослаблен до уровня ниже предела обнаружения. Это известно как проблема “необнаруживаемого среднего значения”: несколько кернов из загрязненного участка могут раствориться в общем образце. Именно поэтому при исследованиях экологических опасностей часто избегают использования комбинированного отбора проб, если только он не сочетается с повторным анализом отдельных кернов.

d. Единообразное обращение, несмотря на различия: Комплексный анализ приводит к одной рекомендации для всей зоны. Это может означать чрезмерное внесение удобрений на уже плодородных участках и недостаточное внесение там, где почва беднее. Со временем эта неэффективность может привести к растрате ресурсов и денег. Как отмечается в одном блоге о точном земледелии, комплексный отбор проб “может привести к неэффективности и увеличению затрат в долгосрочной перспективе”, поскольку ему не хватает подробной информации, необходимой для точного управления.

Комбинированный отбор проб лучше всего подходит для участков с относительно однородной почвой. Однако на полях с высокой изменчивостью его усредненный характер может привести к неравномерной реакции урожая, снижению эффективности и проблемам с окружающей средой (смыв питательных веществ).

Планирование отбора проб: зоны и инструменты

По состоянию на середину 2025 года современные подходы к отбору проб почвы рекомендуют собирать 15–20 подпроб на каждом участке отбора проб, при этом каждая составная проба в идеале должна представлять не более 2,5 акров на полях с высокой изменчивостью состава почвы.

В некоторых системах точного земледелия теперь рекомендуется брать по 1 образцу с акра для обеспечения точности долговременного картирования, при этом мобильные роботизированные системы способны отбирать образцы почвы массой 50 г на глубине 200 мм, анализ которых занимает около 10 минут, что позволяет получать данные о содержании питательных веществ и pH в режиме реального времени. Перед выходом в поле тщательно спланируйте, где и как вы будете отбирать образцы. Ключевые шаги включают:

1. Определите зоны отбора проб: Разделите поле на участки со схожими типами почвы и историей использования. Используйте информацию о типе почвы, севообороте, топографии и методах обработки. Например, если часть поля в прошлом обильно известковывалась или удобрялась навозом, этот участок следует обследовать отдельно.

Многие рекомендации советуют перед отбором проб составить карту однородных участков. В каждой зоне будет взят один составной образец. Если поле действительно однородное, один составной образец может охватывать до 10–15 акров; в противном случае его следует разделить. Современные инструменты также могут помочь в определении зон: ГИС-почвенные обследования, карты урожайности и аэрофотоснимки часто выявляют естественные границы поля.

2. Когда следует разделять зоны: Если вы видите явные различия в цвете почвы, уклоне или способах обработки, рассмотрите возможность использования отдельных образцов. Типичные примеры: низина против вершины холма; угол поля с разным типом орошения; или бывший скотный двор против остальной части поля. Также разделите образцы по зонам выращивания культур – например, если вы посадили кукурузу на одной части поля, а сою на другой. В сущности, смешивайте только те образцы почвы, которые относятся к одной и той же общей среде.

3. Размер выборочной единицы: В сельскохозяйственных консультационных службах приводятся рекомендации по размеру составных зон. Университет штата Мичиган рекомендует, чтобы каждая составная проба представляла не более ~10–15 акров однородных полей. Университет штата Айова утверждает, что проба однородной зоны должна покрывать максимум 10 акров. Если вы подозреваете, что почва неоднородна, планируйте меньшие зоны (например, по 2–5 акров каждая), чтобы уменьшить количество усредняемых различий.

4. Инструменты и оборудование: Подготовьте чистые, готовые к использованию инструменты. Для отбора кернов на одинаковой глубине предпочтительнее использовать почвенный зонд или бур. (На очень каменистых полях шнековый бур может работать лучше, чем ручной зонд.) Также приготовьте чистое ведро (лучше всего пластиковое, особенно если вы проверяете содержание микроэлементов), острую чистую лопату или совочек и достаточное количество пакетов или коробок для образцов с этикетками.

Возьмите с собой этикетки, водостойкий маркер или ручку, а также (по желанию) GPS-навигатор или карту местности для обозначения точек отбора проб. Чистота очень важна: перед перемещением между полями тщательно вымойте или промойте инструменты, чтобы избежать перекрестного загрязнения.

Наличие заранее составленного плана (карты зон и количества образцов) значительно повышает эффективность работы. Например, можно решить брать по одному составному образцу на каждые 10 акров в каждом углу поля.

Многие фермеры используют GPS-навигаторы или смартфоны для обозначения мест отбора проб по мере продвижения, что облегчает последующий отбор проб. Современные инструменты точного земледелия (например, приложения для смартфонов) могут даже направлять отбор проб по схеме или сетке. Но даже без технологий достаточно простого обхода каждой зоны зигзагом или W-образным маршрутом.

Процедура комбинированного отбора проб (пошаговая инструкция)

Анализ почвы с помощью комбинированного отбора проб остается основой точного земледелия. Глобальные исследования показывают, что использование стандартизированного комбинированного отбора проб может снизить потери питательных веществ на 20–301 тонну на тонну почвы, повысить эффективность удобрений и увеличить урожайность в среднем на 5–151 тонну на тонну почвы.

По мере внедрения цифровых инструментов в сельском хозяйстве, отбор составных проб остается критически важным первым шагом для получения надежных лабораторных данных для рекомендаций по внесению питательных веществ. После определения зон и подготовки инструментов следует придерживаться единой процедуры. Основные этапы: определение схемы отбора проб, глубины, сбора, смешивания, отбора субпроб, маркировки. Каждый этап гарантирует, что составная проба действительно репрезентативна:

Шаг 1: Выберите схему выборки

Изменчивость состава почвы в пределах одного поля может быть значительной — недавние исследования показывают, что уровень питательных веществ может варьироваться до 401 ТТ3Т в пределах одной и той же зоны площадью 10 акров. Поэтому выбор эффективной схемы отбора проб имеет важное значение для точности.

Чтобы избежать предвзятости, собирайте подвыборки либо случайным, либо систематическим образом в пределах зоны. Один из простых методов — зигзагообразный или W-образный маршрут: пройдите по территории зигзагом, останавливаясь примерно через равные интервалы для взятия керна. Это позволяет равномерно охватить все разнообразие.

Для больших полей можно наложить сетку (например, квадраты по 2–3 акра) и отбирать пробы в каждой точке сетки; это классический подход к отбору проб по сетке. В качестве альтернативы можно использовать карту урожайности или карту NDVI для определения зон высокой/средней/низкой продуктивности (зон управления) и отбирать пробы в каждой из них отдельно. На практике цель состоит в полном охвате без перекрытий или кластеризации, чтобы каждая часть зоны имела возможность внести свой вклад.

Шаг 2: Определение глубины отбора проб

Глубина почвы влияет на доступность питательных веществ — исследования показывают, что более 701 Тп3Т доступного для растений фосфора и калия сосредоточено в верхних 15 см почвы. Более глубокие слои удерживают подвижные питательные вещества, такие как нитратный азот, который легче вымывается.

Все пробы следует брать на одинаковую глубину, так как это влияет на результаты анализа. Для большинства пропашных культур (кукуруза, соя, пшеница) стандартная глубина составляет около 6 дюймов (0–6″ или 0–15 см), что соответствует расположению большинства корней и питательных веществ. Для многолетних пастбищ, газонов или культур с неглубокой корневой системой также типична глубина в 6 дюймов.

На полях, обрабатываемых без вспашки, некоторые эксперты рекомендуют глубину 8 дюймов, поскольку растительные остатки замедляют проникновение питательных веществ. При анализе подвижных питательных веществ (особенно нитратного азота или солей) возьмите дополнительный более глубокий образец на глубине от 6 до 24 дюймов (в два слоя: 0–6″ и 6–24″). Всегда избегайте ям или оврагов – берите образцы из пахотного слоя или верхнего слоя почвы.

Шаг 3: Сбор субпроб (кернов)

Согласно последним агрономическим исследованиям, в среднем 15–20 кернов на составной образец снижают погрешность отбора проб на 90% по сравнению с использованием всего 5 кернов. Это делает количество подвыборок критически важным для точности.

С помощью почвенного зонда (или бура) возьмите по одному образцу или срезу в каждой точке отбора проб. Вставьте зонд вертикально и извлеките образец почвы на выбранную глубину. Поместите каждый образец в чистое ведро. Большинство рекомендаций советуют 15–25 образцов на один составной образец для получения хорошего среднего значения. Университет штата Айова рекомендует 10–15 образцов, а Университет штата Мичиган обнаружил, что 20 образцов дают стабильные результаты.

На практике обычно берут 15–20 образцов. Образцы следует располагать равномерно (например, по 1 образцу на 0,5–1 акр в зоне площадью 10 акров) или следовать выбранной схеме. Все образцы следует брать по всей зоне – например, из середины ряда и между рядами, если выращиваются культуры, а также из разных участков зоны.

Если один образец керна выглядит совсем иначе (например, намного темнее или содержит много гравия), его можно выбросить и взять другой, чтобы получить неискаженный результат. При перемещении между зонами используйте одноразовые перчатки или промывайте зонд, чтобы избежать перекрестного загрязнения.

Шаг 4: Создание композиции

Правильное перемешивание имеет решающее значение: исследования показывают, что неправильное перемешивание может привести к проблемам. вариабельность результатов лабораторных анализов до 25%, даже при правильном отборе проб.

Высыпьте все образцы из ведра на чистый брезент или внутрь ведра и разрыхлите их. Тщательно перемешайте до получения однородной почвы. Удалите во время перемешивания все камни, корни и мусор. Этот шаг важен: он гарантирует, что итоговый составной образец будет действительно репрезентативным.

Если почва очень влажная или глинистая, возможно, потребуется сначала частично просушить ее на воздухе (влажные комки плохо перемешиваются), но делайте это аккуратно. Продолжайте перемешивать, пока не получите одну однородное количество почвы в куче или ведре.

Шаг 5: Подготовка окончательного образца

В большинстве почвенных лабораторий требуется около 1 пинта (0,5–1 кг) почвы — Отправка большего количества сообщений не улучшает результаты, но увеличивает количество ошибок при обработке.

Из хорошо перемешанной почвы возьмите пробу для отправки в лабораторию. Обычно это около 1 пинты (примерно 0,5–1 кг) почвы. Не отправляйте все ведро целиком. Вместо этого разложите перемешанную почву на чистой поверхности и с помощью мерного стакана или совка соберите лабораторную пробу.

Наполните лабораторный контейнер или пакет примерно от ½ до 1 литра (или в соответствии с инструкциями лаборатории). Эта “аликвота” — ваш составной образец. Лаборатории нужна только небольшая однородная часть, а не все образцы. Плотно закройте пакет.

Шаг 6: Подпишите и запишите.

Согласно отчетам ФАО, Более 301 тыс. ошибок при анализе почвы происходит из-за неправильной маркировки или ненадлежащего ведения документации. — что делает этот шаг критически важным для получения достоверных данных.

Четко обозначьте контейнер для образца до или сразу после его заполнения. Укажите как минимум: идентификатор поля или зоны (уникальный код), дату, глубину отбора пробы (например, 0–6 дюймов), предыдущую культуру (если применимо) и ваше имя или имя сборщика проб. Некоторые также указывают целевую культуру и координаты GPS.

Запись этой информации на пакете или коробке крайне важна для лаборатории и для дальнейшего использования. Ведите учет (журнал или цифровой файл) идентификатора каждого образца, зоны/поля, из которого он был взят, и любых примечаний (например, “восточная часть поля” или “к югу от ирригационной трубы”). Эти метаданные гарантируют правильную интерпретацию результатов и сравнение будущих образцов.

Каждый составной образец (с этикеткой) затем отправляется в лабораторию. Перед отправкой убедитесь, что он сухой или слегка подсушен. (Некоторые лаборатории предпочитают образцы, высушенные на воздухе при комнатной температуре, чтобы избежать плесени или потери питательных веществ.) Храните образцы в прохладном месте, вдали от прямых солнечных лучей, если возникнет задержка с отправкой. Если лаборатория проводит анализ на летучие химические вещества (редко встречающиеся в сельском хозяйстве), не сушите образец. Но для стандартных анализов на плодородие (pH, P, K, микроэлементы, органические вещества) обычная практика – сушка на воздухе в открытых мешках в течение одного-двух дней.

Применение комбинированной выборки

В 2025 году более 60 крупных фермерских хозяйств по всему миру (%) используют зональный композитный отбор проб для корректировки норм внесения удобрений, а сетчатый отбор проб продолжает играть ключевую роль в точном земледелии, позволяя проводить детальное картирование плодородия почвы на полях.

Комплексный отбор проб ускоряет оценку плодородия почвы, что соответствует растущему внедрению полевых инструментов с GPS-метками — более 90% агрономов в настоящее время используют такие устройства при отборе проб. Комплексный отбор проб почвы широко используется в нескольких областях:

1. Сельское хозяйство (пахотные земли): Наиболее распространенным применением является рутинное тестирование плодородия почвы перед посадкой. Фермеры берут пробы почвы с нескольких полей каждые несколько лет (часто в севообороте), чтобы определить необходимое количество удобрений и извести. Поскольку многие поля достаточно однородны или велики, стандартной практикой является один общий анализ на несколько акров.

2. Газоны и сады: Владельцы домов и ландшафтные дизайнеры часто берут образцы почвы с газонов, дерновых площадок или садовых участков, чтобы проверить содержание питательных веществ и уровень pH. Образец может охватывать весь двор или его часть. Обычно рекомендуется смешивать 5–10 образцов, чтобы представить всю площадь газона.

3. Экологический скрининг: Для быстрой проверки больших участков на наличие загрязнений (например, старых промышленных зон) регулирующие органы иногда используют составные пробы. Это позволяет определить наличие общего загрязнения. Если составная проба показывает высокий уровень загрязняющего вещества, можно взять отдельные точечные пробы для выявления конкретных очагов загрязнения. Без такой первоначальной составной пробы проверка каждого участка была бы слишком дорогостоящей. (Однако составные пробы не используются, когда необходимы чистые уровни загрязнения на участке, поскольку они могут разбавить реальный очаг загрязнения.)

4. Исследования и испытания: На экспериментальных участках исследователи часто используют комбинированный отбор проб для определения исходного уровня плодородия почвы. Например, в университетском исследовании может быть использован комбинированный отбор проб из каждого экспериментального блока для обеспечения единообразных исходных условий.

Во всех этих случаях комплексный отбор проб позволяет быстро получить “общую картину” состояния почвы на обширной территории. Он показывает управляющему, каково среднее плодородие почвы и необходимы ли общие меры по ее улучшению.

Как GeoPard позволяет проводить более интеллектуальный отбор составных проб почвы?

Комплексный отбор проб в сочетании с передовыми инструментами, основанными на данных, предоставляет фермерам точную информацию о содержании питательных веществ в почве при значительно меньших затратах по сравнению с интенсивным отбором проб. GeoPard Agriculture выводит этот процесс на новый уровень, интегрируя дистанционное зондирование, интеллектуальные алгоритмы и генерацию оптимальных траекторий, что делает комплексный отбор проб почвы более интеллектуальным, быстрым и эффективным. GeoPard поддерживает как сеточный, так и зональный анализ, предоставляя агрономам гибкость в зависимости от истории и изменчивости поля.

• 1. Выборка на основе сетки Этот метод делит поле на равномерные ячейки сетки и размещает точки через равные интервалы, что делает его отличным подходом для первоначальной оценки поля или в случаях, когда отсутствуют предварительные данные.
• 2. Зональный отбор проб, С другой стороны, используется метод, основанный на таких данных, как карты урожайности, почвенные карты и спутниковые снимки, для создания зон управления, отражающих истинную изменчивость поля.

Благодаря стратегическому размещению образцов в каждой зоне фермеры более эффективно фиксируют уникальные характеристики своих полей, особенно в районах с уже известной изменчивостью. Кроме того, что касается типов отбора проб, GeoPard поддерживает как керновые, так и комбинированные методы.

• Отбор кернов Этот метод предполагает анализ каждого отдельного образца почвы, что обеспечивает максимально высокую детализацию изменчивости, но и влечет за собой более высокие лабораторные затраты.
• Комбинированная выборка, Благодаря объединению нескольких образцов керна в один репрезентативный образец для каждой сетки или зоны, достигается баланс между экономической эффективностью и полезной информацией, что делает его особенно практичным для больших месторождений, не теряя при этом преимуществ данных, специфичных для каждой зоны.

Для организации рабочих процессов GeoPard предоставляет настраиваемые шаблоны меток, которые автоматически помечают точки отбора проб идентификатором зоны или порядковым номером. Это гарантирует надлежащую документацию образцов от сбора в полевых условиях до лабораторного анализа и составления отчетов, снижая риск ошибок и упрощая интерпретацию результатов.

Эффективность полевых работ дополнительно повышается благодаря логике построения маршрутов GeoPard. Функция Smart Optimal Path автоматически рассчитывает кратчайший и наиболее эффективный пешеходный или автомобильный маршрут через все зоны, минимизируя время и пройденное расстояние. В качестве альтернативы агрономы могут выбрать метод сбора данных по зонам, что упрощает работу, позволяя сосредоточиться на одной зоне за раз, независимо от общей длины маршрута.

Для начинающих пользователей лучшим вариантом станет интеллектуальная система рекомендаций по отбору проб GeoPard, которая адаптируется к уникальным характеристикам каждого поля, обеспечивая баланс между статистической точностью и операционной эффективностью. Сочетая комплексный отбор проб почвы с возможностями точного земледелия и дистанционного зондирования, GeoPard гарантирует, что фермеры и агрономы получают максимально репрезентативные, экономически эффективные и полезные данные о почве.

От равномерного к зонированному земледелию: концепции точного земледелия

В то время как выборочная обработка с использованием композитных данных основана на средних значениях, точное земледелие (ТЗ) направлено на выявление и управление изменчивостью. Точное земледелие использует инструменты (GPS, датчики, программное обеспечение) для обеспечения правильного подхода к обработке каждой части поля. Министерство сельского хозяйства США определяет точное земледелие как “сельскохозяйственные инструменты, основанные на наблюдении, измерении и реагировании на изменчивость внутри поля”. На практике это означает разделение поля на более мелкие зоны управления (каждая из которых относительно однородна) и управление каждой зоной в соответствии с ее собственными условиями.

1. Зональное управление

Глобальное внедрение точного земледелия стремительно растет. По данным MarketsandMarkets, к 2030 году объем рынка точного земледелия достигнет 1,4 млрд. долл. США, а с 2025 года будет расти со среднегодовым темпом роста почти в 1,21 млрд. долл. США. Около 70–801 млрд. долл. США новой сельскохозяйственной техники, продаваемой в Северной Америке, теперь оснащается GPS-навигацией или технологиями точного земледелия. Это отражает существенный сдвиг от традиционных однообразных подходов к более ориентированному на данные, зональному управлению.

Основная идея заключается в зональном управлении: вместо того, чтобы обрабатывать все поле одинаково, метод PA направлен на вариативное внесение ресурсов (удобрений, семян, воды) в соответствии с различными потребностями каждой зоны. Зоны могут быть созданы с использованием карт типов почв, истории урожайности или данных датчиков. Например, низменная влажная часть поля может быть одной зоной, а более высокая, хорошо дренированная — другой.

2. Технологии высокой точности

Глобальное использование технологий точного земледелия, таких как дроны, почвенные датчики и дозаторы удобрений, ускоряется. Согласно отчетам, более 801 тонны на 3 тонны крупных ферм в развитых странах используют оборудование с GPS-навигацией, а мониторинг урожая с помощью дронов, как ожидается, охватит более 601 тонны 3 тонн пахотных земель в США к 2027 году.

По оценкам, эти инструменты позволяют сократить использование удобрений и химикатов до 201 тонны на 3 тонны, одновременно увеличивая урожайность в среднем на 10–151 тонну на 3 тонны. Технологии точного земледелия способствуют этому двумя ключевыми способами:

1. Сбор данныхСеялки, мониторы урожайности и почвенные датчики с поддержкой GPS записывают информацию с очень высокой точностью.
2. Оборудование для внесения различных видов удобрений и средств защиты растений: Тракторы и опрыскиватели могут автоматически изменять скорость вращения в процессе движения.

Например, комбайны с регулируемой нормой внесения удобрений (VRT) используют карты дозирования, чтобы вносить больше удобрений там, где это необходимо, и меньше там, где это не требуется. Мониторы урожайности на комбайнах регистрируют урожайность в режиме реального времени и впоследствии создают карты урожайности. В результате получается управление, адаптированное к конкретным условиям участка, а не “универсальное решение”.”

3. Дистанционное зондирование

По состоянию на 2025 год объем мирового рынка точного земледелия оценивается более чем в 14 000 12 миллиардов долларов, при этом дистанционное зондирование играет центральную роль в принятии решений на основе данных. Внедрение дронов для мониторинга сельского хозяйства растет темпами более 301 000 3000 в год, а спутники, такие как Sentinel-2, теперь предоставляют изображения с разрешением до 10 метров каждые 5 дней.

Только в Соединенных Штатах более 601 тыс. кв. м крупных фермерских хозяйств в настоящее время используют те или иные методы спутникового или беспилотного зондирования для мониторинга урожая, управления водными ресурсами или картирования почв. Этот быстрый рост подчеркивает решающую роль дистанционного зондирования в оптимизации урожайности и эффективности использования ресурсов.

Дистанционное зондирование позволяет выявлять закономерности, невидимые на уровне земли. Например, спутниковые снимки, обработанные для расчета NDVI (нормализованного разностного индекса растительности), показывают “зеленость” и жизнеспособность растений по всему полю. Здоровые, густые посевы отражают больше инфракрасного света; NDVI математически это учитывает.

Дистанционное зондирование предоставляет слои данных, которые помогают определить зоны отбора проб. Представьте себе карту NDVI, раскрашенную от синего (слабый рост) до зеленого (сильный рост). Эти цветовые схемы часто соответствуют плодородию или влажности почвы. Аналогично, мультиспектральные изображения, полученные с помощью дронов, могут показать, где культуры находятся в состоянии замедленного роста, переувлажнены или испытывают дефицит питательных веществ. Накладывая изображения NDVI, карты урожайности или карты электропроводности почвы в программе ГИС, агрономы определяют зоны стабильного управления – области, которые, как правило, ведут себя аналогично с течением времени.

Например, исследователи из Айовы продемонстрировали, что “карты урожайности за многие годы и аэрофотоснимки как голой почвы, так и растительного покрова могут быть использованы для определения зон управления”, поскольку эти данные, как правило, отражают основные почвенные условия. На практике фермер может использовать данные об урожайности за два года, полученные с помощью GPS, а также данные почвенного обследования, чтобы разделить поле на 3–5 зон (зоны высокой, средней и низкой урожайности).

Предполагается, что в каждой зоне почвенные условия приблизительно однородны, после чего проводится отбор проб из каждой зоны в рамках комплексного исследования. Такой подход к комплексному отбору проб на основе данных позволяет получить более точные рекомендации, чем отбор проб со всего поля целиком.

Дистанционное зондирование также переходит на более высокое разрешение и частоту. Новые спутники (PlanetScope, Sentinel) предоставляют данные NDVI с разрешением ~3–10 м каждые несколько дней. Дроны могут еженедельно облетать поля, получая подробные изображения цвета посевов. Эти тенденции позволяют руководителям выявлять небольшие участки, подверженные стрессу, и корректировать зоны по мере необходимости. Уже сейчас крупные фермерские хозяйства часто подписываются на спутниковые услуги или используют полевые дроны для “разведки” посевов. Эти слои используются в современных ГИС или программном обеспечении для управления фермерским хозяйством, помогая определять новые границы отбора проб.

Интеграция комплексного отбора проб с точным земледелием.

Технологии точного земледелия позволили повысить эффективность внесения удобрений и средств защиты растений до 15–201 тонн на 3 гектара, при этом среднее повышение урожайности составляет от 8 до 12 бушелей на акр за счет дифференцированного внесения питательных веществ, что подчеркивает важность интеграции комплексного отбора проб в рабочие процессы, основанные на данных. В рабочем процессе точного земледелия комплексный отбор проб по-прежнему играет свою роль, но теперь он осуществляется на основе данных:

1. Предварительный анализ образцов: Соберите все доступные данные – карты урожайности за прошлые периоды, спутниковые снимки NDVI или снимки с дронов, карты типов почв и топографии. Используйте эту информацию, чтобы разделить поле на 3–6 зон управления с приблизительно одинаковым потенциалом плодородия почвы. Каждая зона может быть смежной, или некоторые зоны могут включать отдельные участки, которые выглядят похожими (например, две низины в разных частях поля могут представлять собой одну зону “низкого плодородия”).

2. Зональный комплексный отбор проб: Для каждой зоны управления соберите и объедините образцы почвы, как и раньше. На практике это означает взять примерно 15–20 образцов в зоне А и смешать их, затем отдельный объединенный образец для зоны В и так далее. Из каждой зоны получается один мешок с образцами. В итоге у вас может получиться несколько анализов почвы для одного поля (по одному на зону), а не один для всего поля.

Этот подход иногда называют “направленной комбинированной выборкой” или “зональной выборкой”. Он сохраняет преимущества комбинированной выборки с точки зрения затрат (один анализ на зону), но позволяет избежать усреднения по несхожим участкам.

3. Анализ и назначение: Отправьте образцы из каждой зоны в лабораторию. После получения результатов вы получите разные значения для каждой зоны. Например, зоне А может потребоваться больше фосфора, чем зоне В. Затем создайте карту дифференцированного внесения удобрений или извести: обрабатывайте каждую зону в соответствии с ее потребностями. Многие контроллеры для сеялок точного посадки или опрыскивателей могут использовать эти карты зон для внесения удобрений и средств защиты растений.

4. Проверка и доработка: В последующие сезоны отслеживайте урожайность. Используйте монитор урожайности вашего комбайна (или постоянно обновляемый спутниковый NDVI), чтобы убедиться, что определенные вами зоны действительно различаются по урожайности. При необходимости скорректируйте границы зон или количество зон. Со временем эта обратная связь должна повысить точность зонирования и эффективность использования ресурсов.

По сути, PA/RS трансформировали “комплексный отбор проб” из процесса отбора одной пробы с поля в процесс отбора нескольких проб с поля, причем каждая проба представляет собой точно определенную область. Это позволяет получить более качественную информацию. Как говорится в одном отраслевом блоге, отбор проб по сетке (или зоне) с использованием GPS “позволяет создавать рекомендации по внесению удобрений с переменной нормой, обеспечивая получение каждой областью поля соответствующего количества питательных веществ».

Такой уровень точности недостижим при использовании составных проб, которые дают лишь усредненный уровень питательных веществ. Другими словами, составные пробы по-прежнему используются, но в меньших, более продуманных зонах. Интеграция составных проб с технологиями все еще находится в стадии развития. Среди перспективных тенденций можно выделить следующие:

• Датчики высокого разрешенияНапример, гиперспектральные камеры или диапазоны красного края спектра могут обнаруживать дефицит азота, водный стресс или болезни до того, как у культуры появятся симптомы.
• Портативный датчик почвыОборудование, такое как электромагнитные (EM38) датчики, гамма-лучевые или ближнеинфракрасные зонды, может “сканировать” поле в режиме реального времени. Современные тракторы могут буксировать датчики почвы или даже иметь на ходу подземные электромагнитные датчики, создавая карты почвы высокой плотности прямо на ходу.
• Искусственный интеллект и слияние данных: Модели машинного обучения могут объединять данные исторических анализов почвы, погодные условия, урожайность и данные дистанционного зондирования для прогнозирования уровня питательных веществ или автоматического определения зон. Например, система искусственного интеллекта может анализировать данные NDVI и урожайности за несколько лет, чтобы предложить новые границы зон.

Заключение

Комплексный отбор проб почвы — это проверенный временем и экономически эффективный метод оценки среднего плодородия почвы на больших территориях. Он упрощает анализ почвы, предоставляя один результат для каждой зоны, что позволяет применять единые методы управления для этой зоны. Однако присущее ему усреднение может скрывать важные различия. Развитие точного земледелия и дистанционного зондирования не отменяет комплексный отбор проб; скорее, оно переосмысливает, где и как мы это делаем. Используя пробоотборники с GPS-навигацией, карты урожайности и спутниковые/беспилотные снимки, фермеры теперь часто отбирают пробы в зонах со схожей продуктивностью, что делает каждую комплексную пробу более значимой.