Precíziós növénytermesztés – hatékonyság növelés és környezetterhelés csökkentés Németh Tamás1, Harnos Zsolt2, Neményi Miklós3 1
2
MTA TALAJTANI ÉS AGROKÉMIAI KUTATÓINTÉZET SZENT ISTVÁN EGYETEM, KERTÉSZETTUDOMÁNYI KAR, MATEMATIKA ÉS INFORMATIKA TANSZÉK 3 NYUGAT-MAGYARORSZÁGI EGYETEM, MEZŐGAZDASÁGTUDOMÁNYI KAR, AGRÁRMŰSZAKI, ÉLELMISZERIPARI ÉS KÖRNYEZETTECHNIKAI INTÉZET
Összefoglaló: A Nemzeti Kutatási és Fejlesztési Program keretében folytatott konzorciális talajtani és agrokémiai, vízgazdálkodási, növénytermesztési, növényvédelmi, műszaki, automatizálási, információs technológiai, agrárgazdasági kutatásainkkal egy termőhely-specifikus precíziós növénytermesztési rendszer kidolgozására és annak széleskörű gyakorlati elterjesztésére vállalkoztunk. A pályázott kutatások egymásra épülő lépcsői a következők: • a termőhelyi viszonyok és a termés részletes, tábla-szintű felmérése (talaj- és növényvizsgálati módszerek, terméselemzés); valamint korszerű térinformatikai módszerekkel (GPS, GIS, távérzékelés) történő elemzése és megjelenítése; • a termőhely-termés összefüggések sokoldalú, ok-nyomozó elemzése, befolyásolási lehetőségeinek feltárása és erre megfelelő agrotechnikai módszerek (talajművelés, vízháztartás szabályozás, növényi tápanyagellátás, növényvédelem) kidolgozása, adaptálása; • a termesztési alternatívák és azok várható hatásainak ökonómiai-ökológiai elemzése; • a termőhelyi viszonyoknak, gazdasági és társadalmi elvárásoknak legjobban megfelelő termesztési technológiák műszaki hátterének megteremtése a GPS-től kezdve a megfelelő – és az agrotechnikai differenciált elvégzését, sőt automatizálását lehetővé tevő – géppark fejlesztésen keresztül, a megfelelő műtrágya és növényvédőszer választék kialakításáig; • a kidolgozott rendszer széleskörű megismertetése, társadalmi elfogadtatása; bemutatás, szaktanácsadás, információs-technológia). A végső célkitűzés a nagyobb hatékonyság, input és költség csökkentés, jobb termésminőség és kisebb környezeti kockázatok.
Bevezetés: Egy termőhely-specifikus precíziós növénytermesztési rendszer kidolgozása a termőhelyi viszonyok és a termés részletes, tábla-szintű felmérését (talaj- és növényvizsgálat, terméselemzés); valamint ezek eredményeinek korszerű térinformatikai módszerekkel történő kezelését (GPS, GIS, távérzékelés) kívánja meg a megfelelő agrotechnikai módszerek (talajművelés, vízháztartás szabályozás, növényi tápanyagellátás, növényvédelem) potenciális kidolgozása és adaptálása érdekében. A talaj termékenységének fenntartásában, a trágyázásban már korábban kezdeményezések történtek, hogy a táblákat ne homogén egységenként kezeljék, hanem különítsék el azokat a talajtani szempontból homogénnek tekinthető, táblán belüli foltokat, melyek eltérő mértékű trágyázást igényelnek. A precíziós gazdálkodáshoz kapcsolódó részletes tervezési feladatok és a hozzá kapcsolódó megvalósítások 1:10.000 - 1:1.000 méretarányú térbeli támogatást kívánnak meg. Minél részletesebb a felbontás, annál megbízhatóbb eredmények várhatók, de ezek csak nagyon kevés esetben beszerezhetők/elérhetők. Az üzemi gazdálkodás területi
alapegysége a mezőgazdasági tábla, mint homogén művelési egység. A precíziós gazdálkodás azonban megkívánja a táblán belüli mintázat meghatározását és a mintázathoz köthető talajművelési, trágyázási, növényvédelmi stb. feladatok végrehajtását. A táblán belüli mintázat részben az agroökológiai adottságokhoz részben a dinamikusan változó kultúrállapothoz köthető. Az agroökológiai adottságok kifejezésére az üzemi és a földértékelési talajtérképek, a domborzati viszonyok, a talajvíz viszonyok az alkalmasak, míg a dinamikus jellegű kulturállapot meghatározása csak a mezőgazdasági táblákon belüli, helyszíni mintavételezésekre, a kapcsolódó vizsgálatokra vonatkozó idősoros adatok alapján végezhető. Egy mintaterületi precíziós gazdálkodást támogató rendszert úgy kell megalkotni, hogy mindezen ismereteket a magyarországi szabványokhoz igazodó (vetületi, topográfiai stb.) egységes térinformatikai rendszerbe integráljuk. A precíziós gazdálkodásban a talajtani és agrokémiai alapadatok gyűjtésével azonos súllyal kell figyelembe venni a térinformatikai feladatok gondos elvégzését, kezdve az adott mintaterületre vonatkozó térinformatikai rendszer alapelemeinek meghatározásával. A mintaterületi térinformatikai adatbázisok logikai modelljét az alábbi elemeket definiáltuk és reprezentáljuk (1. ábra): • egységes topográfia-domborzati adatok, • nyilvántartási adatok (kataszter-mezőgazdasági tábla), • talajtulajdonságok , • a talajok kultúrállapotának idősoros adatai, • terepi felvételezés adatai, • digitális légifotók.
1. ábra Mintaterületi térinformatikai rendszer alapelemei Hosszas előkészítő munka után a következő gazdaságokat vontuk be a programba: Vitáris és Társai Kft., Ács; Annamajori Mezőgazdasági és Kereskedelmi Kft, Baracska; Barcs Dráva Coop– Rt., Barcs; Bicsérd „B” Aranykorona Kft.,Bicsérd; Bóly Rt., Bóly; Dalmand Rt., Dalmand; Naki szövetkezet, Nak; Pécs – Reménypuszta Rt., Pécs; Sásd Agro Rt., Sásd. A kiválasztott gazdaságokban megítélésünk szerint elértük azt, hogy a munkában résztvevők nagy felelősséggel átérezzék a feladat súlyát, bonyolultságát és azonosuljanak a kitűzött célokkal. Az együttműködő kiválasztott partnereink ragaszkodtak e technológia fejlesztéséhez és a kijelölt területeken a technológia tervezése során már arra készültek, hogy a legjobb tudásuk szerint kerüljön földbe a megfelelő vetőmag, okszerű legyen a tápanyag visszapótlás és a növényvédelem. A műtrágyázás hatását a talaj termékenységét befolyásoló fontosabb talajtulajdonságokra az Országos Műtrágyázási Tartamkísérletek kompolti és putnoki telepein
1966-ban és 1967-ben beállított kísérletek vonatkozó eredményeinek értékelését végeztük el. A tartamkísérleteken kívül speciális őszi búza és kukorica kísérleteket állítottunk be a debreceni (Látókép), a gödöllői (Nagy-gombos), a martonvásári, valamint a keszthelyi partnerek gondozásában. A kísérletek tápanyag-gazdálkodási és kémiai növényvédelmi kezelések kombinációit tartalmazzák.
Eddigi munkálatok és eredmények Térinformatikai adatbázisépítés A mintaterületi adatbázisok fizikai modellje alapján elvégeztük a térinformatikai adatbázisok feltöltését. A létrehozott tábla szintű, táblán belüli mintázat kezelésére alkalmas, GPS alapon felvételezett és légifelvételekkel támogatott mintaterületi térinformatikai adatbázisok térképi és leíró adatokat egyaránt tartalmaznak, melyek egyedi, vagy együttes alkalmazásával reprodukálhatjuk a tematikus kartogramok térképanyagát, szerkeszthetünk az alapelemekre épülő származtatott térképeket, vagy pont,- és területi adatok tetszőleges kombinációjával ún. lekérdezéseket valósíthatunk meg (elemzések). A mintaterületi “intelligens térképi alapú táblatörzskönyvi rendszert” internetes alapra helyezve egy intranet szerveren szolgáltatható formára konvertáltuk (2.ábra).
2. ábra. Az internetes alkalmazás felhasználói felülete Tartamkísérleti eredmények értékelése A kutatási program keretében mikroelem terhelési tartamkísérlet eredményének értékelésére is sor került az edigi kutatásaink során. A szabadföldi kisparcellás kísérleteket kéttényezős, osztott parcellás elrendezésben, három ismétlésben állítottuk be. A növényvédelmi kezelések az adott kísérleti tér herbológiai és epidemológiai viszonyainak megfelelő optimális szerekkel,
az adott szer előírásainak megfelelő dózisban és alkalmazási időpontokban történtek. A projekt eddigi időszakában a négy őszi búza kísérlet adott évi adatainak feldolgozására, valamint a kukorica kísérletek beállítására és a növény fejlettségi állapotának megítélésére került sor. Automatikus irányítási rendszerek méréstechnikai és szabályozástechnikai vizsgálata és értékelése Az automatikus irányítási rendszerek méréstechnikai vizsgálatának módszere tartalmazza az egyes műveletek elvégzése megbízhatóságának és hibájának, valamint a zavaró jellemzők hatásának az elemzését. Ezek a műveletek a következők: - hely-meghatározás; - adatátvitel a fedélzeti számítógép és a központi számítógép között; - térképkészítés; - fedélzeti számítógép működtetése; - hozammérés; - vegyszer kijuttatás vezérlése és/vagy szabályozása; - gépcsoport navigációja; - adatfeldolgozás, adatbázis készítése és kezelése, információszolgáltatás. Hazai viszonyok között – tekintettel a korábban nagy darabszámban beszerzett gépekre és automatikákra – különös jelentősége van a Trimble Navigation Ltd., az AGROCOM GmbH&Co. és az RDS Technology Ltd. automatikus irányítási rendszerének. Erre való tekintettel a vizsgálatokat és az értékelést az említett három irányítási rendszerre, valamint az azokhoz kapcsolható, vagy kapcsolódó automatikákra és szoftverekre végeztük el. Ezek a rendszerek a hely-meghatározási, az adatátviteli (fedélzeti számítógép és központi számítógép között), a térképkészítési, a fedélzeti számítógéphez kapcsolódó helymeghatározási feladatok ellátására mind hozammérésnél, mind vegyszer kijuttatás vezérlésénél/szabályozásánál, továbbá a gépcsoport navigációjának támogatására, valamint adatfeldolgozásra, adatkezelésre és információszolgáltatásra nyújtanak támogatást. A hozammérő rendszerek közötti kompatibilitás megteremtésével adataink közös platformra hozhatóak. Ez olyan előnyök mellet, mint további tulajdonságok térképi ábrázolása, szemléletesebb ábrázolási lehetőség stb., más vonatkozásban is előrelépést jelent. A precíziós technológia egyik jellemzője, hogy nagyon sok adat keletkezik, melyeket tárolni és elemezni kell. E miatt a térinformatikai adatbázis (GIS) kiépítése feltétlenül szükséges. Eltérő szerkezetű és formátumú adatok esetén azonban ez nem problémamentes. Az Agrocom ACT rendszer szoftvercsomagjának része az AgroMap Professional nevű ArcView kompatibilis térinformatikai alkalmazás mely alkalmas az AgroMap Basic objektumok (táblakörvonal, hozamtérkép stb.) fogadására. Tekintve, hogy a kidolgozott transzformációs megoldással az RDS adatai a kívánt formátumra alakíthatóak, ezen adatok is egyszerűen átvihetőek az említett térinformatikai rendszerbe, azon keresztül pedig bármely ArcView kompatibilis GISbe. Kifejlesztettünk egy fájl-transzformációs eljárást, amely már szoftver formában is működik. Segítségével adataink RDS és Agrocom ACT adatokká, táblázatos formátumba, illetve ún. GIS exchange formátumba transzformálhatók. A szoftver felépítése lehetővé teszi a további bővítést, más formátumokkal történő kiegészítést. Talajellenállás mérés A talajellenállás meghatározására jelenleg a penetrométerrel történő mérés terjedt el. A módszer hátránya azon kívül, hogy jelentős idő- és kézimunkai igénnyel bír, hogy statikus, függőleges irányú erőt mér, miközben a talajművelő eszközöket dinamikus, összetett erőhatások érik. Hogy az így mért heterogenitást precíziós rendszerünkbe be tudjuk illeszteni, a mérési pontok koordinátáit ismernünk kell, tehát ez esetben is DGPS-es navigációra van
szükség. A talajellenállás méréssel kapcsolatos vizsgálatok első lépéseként mi is ezt a módszert alkalmaztuk az intézet 1ha-os területén (3. ábra). A rögzített adatok referenciaként szolgálnak a további vizsgálatokhoz.
3. ábra Az on-line talajellenállás mérő rendszer vázlatos felépítése Gyomnövények táblán belüli faji összetételének meghatározása A 36 hektáros búzaterületen visszamértük a sarokpontok alapján az elöző év szeptemberében kijelölt 80 db gyomfelvételezési mintaterületet. Az ismételten kimért, 2x2 méteres mintatereken elvégeztük Balázs–Ujvárosi módszerrel a gyomfelvételezést és gyomnövény mintákat gyűjtöttünk későbbi laboratóriumi vizsgálatok céljaira. Minden egyes mintatérről búza növénymintát vettek a Fejér megyei NTSZ munkatársai. A gyomnövény és búzanövény minták laboratóriumba kerültek, nedves tömegmérés után súly állandóságig szárításra kerültek. A begyűjtött gyomnövény minták száma 54 db, melynek túlnyomó részét a Cannabis sativa (gyomkender) tette ki. A gyomnövény minták gyűjtését, és laboratóriumi vizsgálatát (amely az eredeti feladattervben nem szerepelt) az alábbiak indokolták: - lehetőség nyílik a becslésen alapuló Balázs-Ujvárosi gyomfelvételezési módszerrel becsült adatok, valamint a mért (friss és száraz) tömegre vonatkozó adatok egzakt összehasonlítására, - lehetőség van a gyomnövény minták és a búza növényminták beltartalmi vizsgálatát követően, az eredmények alapján a gyom-kultúrnövény kompetíció tápanyagversengés szempontjából történő értékelésére, - a gyomnövény minták beltartalmi adatainak feldolgozásával a gyomkártétel bemutatására, amely a projekt fontosságát hívatott igazolni.
-
különösen fontosnak tartjuk ezeket a vizsgálatokat azért is, mert a kísérleti területen hosszútávon monokultúrás kukoricatermesztést terveznek, így most van lehetőségünk a gyomösszefüggések vizsgálatára, őszi búzában. A tarló gyomfelvételezés adatai alapján kimunkáltuk a preemergens gyomirtási technológia javaslatunkat, egy 9 hektáros (egy gépi töltés, tankolás) kukorica területre. A technológiai javaslatot a gazdaság végrehajtotta, kitűnő eredménnyel. A területet kiértékeltük, térképet rajzoltunk és kukorica növény mintákat vettünk, egy későbbi laboratóriumi vizsgálat céljára. Továbbá egy 9 hektáros területen a gazdaság vezetőivel megbeszéltek alapján elhagytuk a gyomirtó alapkezelést. Ezen a táblarészen terveztük a légi fotózást végrehajtani, ahol ismételten visszamértük a tarlón GPS-el kimért 20 db gyomfelvételezési mintateret. Elvégeztük az első gyomfelvételezést a kukorica 3 leveles állapotában, 2002. május 9-én. Az adatokat számítógéppel feldolgoztuk és megrajzoltuk a gyomtérképeket. Térinformatikai alapokra épülve növénykórtani és állati kártevők felvételezési módszereinek fejlesztése, különböző felvételezési és fototechnikai eljárásokkal A szántóföldi növénytermesztés során fellépő különböző gombabetegségek, állati kártevők egyedszáma, a károsítás mértéke nagyban függ az adott év időjárásának alakulásától. Az először vizsgálatba vont területtől nem messze Velencén, a Fejér Megyei Növény- és Talajvédelmi Szolgálatnál egy automata meteorológiai állomás található. A műszer 12 percenként méri a különböző időjárási elemeket. A kapott eredmények számítógépen rögzíthetők. Ez a lehetőség is közrejátszott abban, hogy a precíziós növényvédelmi módszerek kutatását itt kezdtük el. A kiválasztott őszi búza tarlóján mátrix-szerű adatgyűjtést végeztünk. A területen 0,5 haként mintatereket jelöltünk ki. A felvételezési pontok földrajzi koordinátáit meghatároztuk. Ebben az évben is a korábban alkalmazott módszerek szerint végeztük az őszi búza területen a kórokozók és kártevők terepi felvételezését. A kapott eredményeket térinformatikai módszerekkel dolgoztuk fel. A 2001-ben elvetett őszi búzát a gabona teljes tenyészidőszaka alatt több alakalommal különböző kórokozókra és kártevőkre vizsgáltuk. Vizsgálataink a legjelentősebb növényi kórokozókra és kártevőkre terjedt ki, így a lisztharmat, levélszáradás, vörösrozsda, sárgarozsda, kalászfuzáriózis, mezei pocok, hörcsög, gabonafutrinka, vetésfehérítő, szipolyok, gabonalegyek, poloskák, levéltetvek, gabonasodrómoly, talajlakó kártevők. A kapott adatokat a korábban is alkalmazott térinformatikai módszerekkel behatároltuk, és térképen ábrázoltuk. A preciziós agrárgazdaság informatikai rendszerének kidolgozása A Precíziós Mezőgazdaságnak (PM) számtalan definíciója van, amelyekben van egy közös elem, mégpedig a helyspecifikus gazdálkodás. Vannak, akik ezzel azonosítják, ami azonban nem fejezi ki kellően a PM fogalmát, ezért itt egy részletesebb definíciót is bemutatunk. Az informatikára és technológiára alapozott farm menedzsment rendszer, amely azonosítja, elemzi és irányítja a műveleteket a változó termőhelyi feltételek között az optimális jövedelmezőség, a fenntarthatóság (sustainability) és a termőföld védelme érdekében. A Menedzsment Információs Rendszer (MIR; 4. ábra), mint egy vezetői információs rendszer nem csak a mért adatokat tartalmazza, hanem az adatfeldolgozó eszközöket is, amelyek használható információvá transzformálják az adatokat. A fontosabb információk köre a következő: − talajtulajdonságok, − tápanyagszükséglet, − gyom populáció, − rovar populáció, − a termesztett növény tulajdonságai,
− − − − −
az agrotechnikai beavatkozások és azokra történő reakció, betakarítás, post harvest folyamatok, termelési idősorok, meteorológiai adatbázis.
Természetesen az eredményeket időnként validálni, s szükség szerint a modelleket kalibrálni kell. A növényi növekedési, illetve talaj vízháztartási modellek, tápanyagforgalom, időjárásra alapozott kártevő előrejelzés azok a modellezési eszközök, melyeket hatékonyan lehet használni a PM-ben:
Menedzsment Információs térinformatikai adatbázis és értékelő rendszer
alap adatbázis idősorok
döntéstámogató modellek
gazdasági, piaci feltételek Rendszer információ szolgáltatás időjárás stb.
információ
Farm információ menedzsment szakértők szimuláció/stratégia javítás döntéstámogatás
szakértői tudásbázis szaktanácsadási rendszerek
Fenntarthatósági elemzések
adatgyűjtés
döntéshozatal
Döntés menedzsment
helyspecifikus beavatkozás
4. ábra Információs folyamat Fenntartható fejlesztés megvalósítása termőhelyi differenciáltság függvényében A fenntartható fejlődés gyakorlati megvalósítása azért is bonyolult, mert sokféle megfogalmazása ismert, attól függően, hogy kiknek szól, milyen célt szolgál, milyen üzenetet küldenek általa a megfogalmazók. A vizsgálatainkban saját meghatározásunkat követtük, miszerint „a mezőgazdaság fenntartható fejlődése olyan tudatos gazdasági fejlesztés, amely harmonizál a mezőgazdaságban oly fontos természeti erőforrások regenerálódásával és számol a terhelt (trágyával, kémiai anyagokkal stb.) környezet asszimilációs készségével.” Vizsgálódásaink szerint a megvalósítás néhány gyakorlati kérdése között az alábbiak említhetők: a/ Az erő- és munkagépek mielőbbi cseréje, b/ A gépekkel, a talajműveléssel szorosan összefügg a víztakarékos gazdálkodás
c/ A kedvezőbb termőhelyi adottságok mellett folytatott gazdálkodásban a kedvezőtlenebbhez képest magasabb a ráfordítások átlagos és pótlólagos hatékonysága, így az elérhető nyereség d/ A ráfordítások (költségek) és hozamok (árbevételek) arányai állnak a döntések középpontjában. Cél a minél nagyobb különbség elérése! e/ A biotermelés (organikus, integrált stb.) szintén jól illeszthető a fenntartható gazdálkodási rendszerbe f/ Az alacsony ráfordítások melletti vagy elterjedten, de hibásan extenzívnek nevezett gazdálkodás is jól ötvözhető a fenntartható rendszerbe. Kísérleti területek kijelölése, kapcsolattartás az üzemekkel, agrokemikáliák beszerzése, gépi háttér biztosítása, kis- és nagyüzemi fejlesztő munka A programba vont gazdaságok (IKR, Huniper, Talajerőgazdálkodási Kkt.) felmérése, adatbázisának építése, valamint a preciziós végrehajtáshoz kapcsolódó felvételezések és trágyázási javaslatok elkészítése az adott növényi kultúráknak megfelelően folyamatosan történik. A gyakorlati végrehajtás oldaláról jelenleg a terméstérképhez igazodó mintavétel esetén 2 – 2,5 ha területegységenként vett átlagminták vizsgálati eredményei használhatók fel. A talajvizsgálati eredmények feldolgozását követően a szaktanácsadási modul illesztése megkezdődött. A szuszpenziós műtrágya nagyobb sűrűsége miatt megnövekedett terhelés figyelembe vétele a tartály készítésekor, korszerűsítés (nagyobb talajnyomás és vontatási ellenállás csökkentése érdekében), nagyméretű turbinás átfolyásmérő beépítése. Preciziós termesztés automatikus irányítási rendszereinek vizsgálata és értékelése A táblán mozgó gépcsoport irányítási rendszerei közül a gépcsoport navigációját segítő vagy megvalósító rendszereknek igen nagy a jelentősége, elsősorban a nagy munkaszélességű gépcsoportok esetében. A precíziós növénytermesztés még inkább megköveteli a minimális hibával történő nyomvonal követést. Ezért választottunk ki vizsgálódásunk tárgyául egy olyan rendszert az irányítási rendszerek közül, mely a gépcsoport táblán belüli navigációját segíti. A kiválasztott rendszer a Trimble cég AgGPS 114 jelű DGPS antenna és vevő, AgGPS-70 jelű fedélzeti adatgyűjtő és a PSO 21 jelű LED-soros kijelzőből áll. Az alábbi vizsgálatokat végeztük el a rendszerrel: - klímavizsgálat; - egyenes követés vizsgálata; - navigáció ellenőrzése; üzemeltetési vizsgálat. Várható eredmények A homogén táblarészek felvételezési (talajtani, tápanyaggazdálkodási, kártevő-kórokozógyom, stb.) eredményeinek feldolgozását, integrált információs és irányítási rendszerbe foglalását követően – műszaki és automatizálási fejlesztések révén – a táblarészre adaptált szaktanácsadási rendszer(ek) felhasználásával termőhelyspecifikus kezelésekre nyílik lehetőség. Ez nagyobb hatékonyságú, alacsonyabb ráfordítás és költség igényű, javuló termésminőségű és kisebb környezeti kockázatú gazdálkodást eredményez Köszönetnyilvánítás Munkánkat az NKFP-4/037 nyilvántartási számú OM téma támogatta.
