Rolnictwo precyzyjne jest dobrze znanym pojęciem, chociaż nie jest to poprawna nazwa. Intensywne badania, zapoczątkowane w połowie lat 80 XX w. doprowadziły do rozwoju techniki i technologii dla różnych zabiegów polowych. W Polsce systemy te są również rozwijane i coraz szerzej stosowane przez rolników. Początki rolnictwa precyzyjnego dotyczyły wspomagania komputerowo zbioru zbóż za pomocą kombajnu zbożowego, aby za pomocą satelitów oraz czujników do pomiaru natężenia strumienia ziarna można było zgromadzić dane o przestrzennym zróżnicowaniu plonów w obrębie pola. GPS jest wykorzystywany do zidentyfikowania pozycji maszyny lub pojazdu i użytkownik sprzętu nie ma większego wpływu na funkcjonowanie systemu. Może jedynie nabyć rozwiązania o większej dokładności, nawet w zakresie 1 cm. Z zakresu inżynierii rolniczej rozwój technologii rolnictwa precyzyjnego jest ukierunkowany na doskonaleniu metod pomiaru parametrów, które mogłyby być wykorzystane do monitorowania kluczowych zmiennych z akceptowalną dokładnością. Dane przeniesione do komputera wyposażonego w odpowiednie oprogramowania są przetwarzane na mapę plonów o zróżnicowanych barwach, których kolory odpowiadają zakresom plonów występującym na wyodrębnionym polu. Ważną umiejętnością jest analiza i interpretacja tych kolorów, która stanowi jeden z najistotniejszych elementów technologii. Poza polonem ważna jest interpretacja zasobności gleby w składniki pokarmowe i pH. Na podstawie mapy plonów i stanu gleby wykonuje się nawożenie gleby oraz ochronę roślin, stosując zmienne dawki, adekwatne do parametrów wejściowych. Większe dawki nawożenia są stosowane tam, gdzie potencjał plonotwórczy gleby jest większy, aby jeszcze większy plon uzyskać. Tam gdzie plony są małe i potencjał plonotwórczy jest mniejszy, tam dawki nawożenia powinny być mniejsze. To może się wydawać dziwne, ale w rolnictwie precyzyjnym dążymy do maksymalizacji plonu i najlepszego plonu pod względem jakości, bez dużej zawartości szkodliwych substancji z pierwiastków nawozowych, w tym m.in. azotanów. Rośliny powinny otrzymać proporcjonalnie tyle samo nawozu, niezależnie od plonu, co przy nawożeniu nastawionym na jedną dawkę nie jest możliwe do osiągnięcia. Zwłaszcza przenawożenie jest bardziej szkodliwe dla jakości plonu. Do dawkowania nawozów i środków ochronny roślin potrzebne są maszyny wyposażone w systemy sterowania i regulacji zespołów roboczych o szybkozmiennych parametrach. To są dodatkowe koszty, oprócz systemu GPS, które rolnik ponosi, ale są one rekompensowane większym plonem o większej jakości. Przy okazji ogranicza się skażenie środowiska i produktów rolniczych. 

Zalety i doświadczenie zdobywane podczas zbioru zbóż jest wykorzystywane w innych technologiach produkcji rolniczej, ogrodniczej i warzywniczej. Zastosowanie GPS ułatwia prowadzenie ciągnika na większych obszarach, na których nie ma punktów odniesienia i nie musi się to wiązać z rolnictwem precyzyjnym, ale może być jednym z jego elementów. Takim przykładem jest równoległe prowadzenie ciągnika lub maszyny samojezdnej. Jest to bardzo przydatne podczas prac polowych na użytkach zielonych przy nawożeniu z wykorzystaniem siewników tarczowych, rozlewaczy rozbryzgowych lub podczas koszenia, a zwłaszcza podczas przetrząsania i zgrabiania materiału roślinnego. Zabiegi polowe wykonywane za pomocą agregatów uprawowych lub uprawowo-siewnych, wspomagane systemami prowadzenia równoległego są również łatwiejsze, wydajniejsze i ostatecznie bardziej ekonomiczne.

Systemy jazdy równoległej

Jeśli ktoś nie ma doświadczenia z rolnictwem precyzyjnym może rozpocząć je od zainstalowania systemu jazdy równoległej, aby przekonać się, że obsługa dodatkowego oprogramowania nie jest zbyt trudna. Oczywiście trzeba ponieść koszty zakupu, ale efekty powinny być odczuwalne. Ten jeden system można wykorzystać w różnych zabiegach; doprawianiu pola, siewu nasion i ziarna, siewu nawozów, a także w uprawie użytków zielonych, gdzie trzeba wykonać dużą liczbę przejazdów roboczych podczas przetrząsania i zgrabiania materiału roślinnego. Zalety będą tym większe im większa jest szerokość robocza narzędzi i maszyn do wykonania zabiegów; uprawy, pielęgnacji, siewu, nawożenia, dla których nie ma jeszcze ścieżek technologicznych i brakuje punktów orientacyjnych w terenie, na które możemy prowadzić ciągnik. Przy braku punktów odniesienia zachodzenie na siebie pasów podwójnie obrobionych może dochodzić do 1 m, zwłaszcza przy nawożeniu mineralnym. System jazdy równoległej ułatwia omijanie przeszkód, np. słupów trakcji elektrycznej, i powracanie na pierwotny kierunek ruchu.

Do wyboru mamy trzy rodzaje systemów jazdy równoległej; system wspomagania, półautomatyczny i automatyczny.

Za pomocą ekranu z terminala lub szeregowego wyświetlacza LED system wspomagania prowadzenia ciągnika lub maszyny samojezdnej przesyła operatorowi sygnały optyczne informujące o odchyłkach od prawidłowego kierunku jazdy. Operator skręca koło kierownicy tak, aby skorygować jazdę pojazdu na pokrycie się kierunku jazdy ze wskazaniem optycznym, który jest kierunkiem wirtualnym, ale który należy osiągnąć jako rzeczywisty. Terminal instaluje się w kabinie dowolnego ciągnika lub maszyny samojezdnej. Nie jest potrzebne korzystanie z płatnych sygnałów korekcyjnych, ale dokładność prowadzenia pojazdu jest mała i wynosi 15-30 cm. Cena netto kompletu (moduł, antena, elementy łączące i mocujące) zaczyna się od około 5 tys. zł (z 2019 roku). Aktualne ceny należy sprawdzić u dostawcy.

Bardziej zaawansowany system jazdy równoległej wymaga modernizacji układu kierowniczego ciągnika lub maszyny samojezdnej. W tym celu montuje się układ z silnikiem elektrycznym przy kole kierownicy lub kolumnie kierownicy. Niektóre rozwiązania są na tyle uniwersalne, że umożliwiają łatwe instalowanie na różnych rodzajach pojazdów. Silnik elektryczny przez wieniec zębaty obraca kolumną kierownicy. Poprawienie dokładności do ±5-10 cm prowadzenia pojazdu można osiągnąć przez wykorzystanie sygnałów korekcyjnych przez mobilną lub stacjonarną stację referencyjną RTK. Zasięg sygnału ze stacji stacjonarnej wynosi do 30 km, ale może być dwa razy mniejszy jeśli warunki topograficzne są niekorzystne, czyli teren jest nierówny i z przeszkodami. Dzięki wykorzystaniu satelitów systemów GPS i GLONASS te problemy są usuwane. Istnieją również technologie umożliwiające kompensację utraty sygnału przez maksymalnie 20 min. Sygnał może być dostarczany do kilku ciągników pracujących w tym samym czasie.

Najdokładniejszym systemem jazdy równoległej jest system automatyczny, który wykorzystuje układ hydrauliczny kierowanego pojazdu. Niektóre firmy instalują kompletne układy, a niektóre ciągniki należy wyposażyć w terminal i komputer sterujący. Wszystkie elementy systemu komunikują się ze sobą magistralą CAN lub ISOBUS. Dodatkowe czujniki monitorujące pochylenie maszyny na nierównościach terenu, zwłaszcza w terenie pagórkowatym lub górzystym pozwalają zwiększyć precyzję prowadzenia pojazdu do 2,5 cm. Oczywiści potrzebne będzie wykorzystanie bardzo precyzyjnych sygnałów korekcyjnych. Te najbardziej zaawansowane systemy jazdy równoległej są znacznie droższe niż prostsze systemy i czas zwrotu poniesionych nakładów finansowych jest dłuży.

Systemy jazdy równoległej pozwalają na pracę agregatem ciągnikowym bez znaczników oraz w porach z ograniczoną widocznością, np. we mgle, a także w nocy. Przy nawożeniu lub opryskach warto dysponować systemem z funkcją tzw. pauzy, która umożliwia powrót ciągnika do miejsca, gdzie zakończono poprzedni przejazd, w dowolnym miejscu pola. Równoległe prowadzenie pojazdu przekłada się na mniejsze zużycie paliwa, ziarna, nawozów, środków ochrony roślin oraz wykonanie prac w krótszym czasie.

Systemy jazdy równoległej mogą pracować w trybie jazdy po linii prostej lub trybie konturowym, gdy granica pola ma kształt krzywoliniowy. Pierwszy przejazd operator wykonuje wzdłuż konturu, którego kształt jest zapisywany w systemie. Kolejna możliwość, to tryb uwzględniający kąt pozwala na jazdę ciągnika pod określonym kątem do kierunku północnego, zaś tryb jazdy po kole pozwala na ruch pojazdu po trajektorii kołowej. Można również łączyć tryb jazdy po linii prostej z trybem konturowym. Dostępna jest także funkcja automatycznego zawracania ciągnikiem. System sterowania jazdą na uwrociach pozwala operatorowi na zaprogramowanie sekwencji skrętu wg czasu lub przejechanej odległości. W programie można również uwzględnić zmniejszenie prędkości obrotowej silnika po podniesieniu narzędzia lub maszyny na uwrociu.

Parametry gleby

Do monitorowania parametrów gleby w czasie rzeczywistym służą konduktometry do skanowania elektromagnetycznego gleby. Pozwalają one określić z bardzo dużą rozdzielczością 280-330 prób/ha zawartości części ilastych w glebie. Dokładnie możemy określić typ i rodzaj gleby - glina, mada, żwir, piasek. Dane pobierane są pasami oddzielonymi od siebie o 12-16 m poprzez przejazd ścieżką technologiczną z prędkością 15-20 km/h. Dane ze skanera, wraz ze współrzędnymi GPS rejestrowane są 5 razy na sekundę, co pozwala na opracowanie dość dokładnej mapy izoliniowej obrazującej zmienność struktury gleby. Skanowanie odbywa się do głębokości 1,5 m. Mapy przedstawiające zmienność typu gleby w połączeniu z mapami zasobności służą do prawidłowego zbilansowania nawozów, określenia dawek nawozów oraz doboru odmian roślin i planowania zasiewów. Podczas zakupu ziemi pozwala to zweryfikować zapewnienia sprzedawcy o rodzaju sprzedawanej gleby. Informacje zebrane podczas skanowania można wykorzystać również do wyznaczenia siatki próbkowania mikro- i makroelementów, co znacznie poprawia jakość oceny tych składników.

Warto zapoznać się z ofertami firm wykorzystujących metodę elektromagnetycznego badania gleby. Metoda ta polega na pomiarze przewodności elektrycznej gleby za pomocą urządzenia wyposażonego w tarczowe elektrody przecinające glebę. Elektrody są kompletowane parami, ponieważ jedne tarcze podają napięcie do gleby, pozostałe zaś mierzą jego spadek. Przewodność elektryczna gleby zależy od jej rodzaju, składu mechanicznego i wilgotności oraz stężenia jonów, dlatego urządzenia tego typu pozwalają określić żyzność gleby. Na podstawie badań stwierdzono, że piaski mają niską przewodność, iły - średnią, a glina – wysoką, ponieważ przewodność jest tym większa im mniejsza jest powierzchnia rozwinięta ziaren glebowych.

Wadą tego sposobu jest znaczny wpływ na wynik pomiaru zmian wilgotności gleby, mocno zróżnicowanej na różnych głębokościach. Prądy płynące pomiędzy elektrodami mogą przebiegać w różnych warstwach gleby i skały macierzystej, przez co wynik pomiaru jest uśredniony na zbyt dużej głębokości gruntu. 

Pomiary plonu

Szersze wykorzystanie GPS wiąże się z wykorzystaniem informacji, którą zbiera się i rejestruje podczas wcześniejszych zabiegów lub podczas celowo przeprowadzonych pomiarów. Początkiem technologii rolnictwa precyzyjnego jest wykonanie pomiaru plonu, np. podczas zbioru zbóż. Do tego celu są dostępne na rynku zestawy urządzeń, które można montować na kombajnie. Na świecie co roku sprzedaje się tysiące kombajnów zbożowych wyposażonych w zestaw czujników z odbiornikiem GPS do pomiaru plonu. W skład zestawu, prócz anteny odbiorczej GPS, wchodzą czujniki do pomiaru masy ziarna i jego wilgotności, czujnik położenia hedera, radar do pomiaru prędkości jazdy, monitor i rejestrator. Dodatkowo można zainstalować inne czujniki, np. strat na sitach i wytrząsaczu, poślizgu pasów na przekładniach pasowych itp. Zadaniem operatora jest wprowadzenie danych o gatunku zbieranej rośliny, szerokości hedera (rzeczywistej). Ten opis wyposażenia może się różnić dla różnych firm produkujących kombajny zbożowe.

Zmierzona masa ziarna jest odniesiona do miejsca – poprzez zapis współrzędnych GPS, z którego zebrano rośliny. Uwzględniając wilgotność ziarna możemy wyznaczyć rzeczywisty plon i sporządzić jego mapę.

Plon zbieranej zielonki za pomocą sieczkarni polowej można zmierzyć przez pomiar natężenia strumienia masy (przepustowości) za pomocą czujników zainstalowanych w kanale wyrzutowym. Kontrola przepustowości jest również realizowana za pomocą czujników zainstalowanych w zespole walców wciągająco-zagęszczających. Aby wyznaczyć plon należy wprowadzić dane o szerokości roboczej maszyny oraz monitorować prędkość jazdy. Przy zmianie pola i zbieranej rośliny, a także przy zmianie długości cięcia system pomiarowy należy skalibrować przez pomiar masy na kontrolnym odcinku. Do tego celu może być wykorzystana waga wozowa, albo wagi najazdowe bądź przyczepa z urządzeniem ważącym. Istnieje możliwość automatycznego przesłania danych zbieranych podczas kalibracji sieczkarni drogą radiową. Ponieważ zbiór zielonki odbywa się przy różnej wilgotności, to plon należy przeliczyć na masę suchej substancji. Do monitorowania wilgotności mogą być wykorzystane czujniki bazują na spektroskopii w bliskiej podczerwieni i mogą być wspomagane przez kontrolę przewodnictwa i temperatury zbieranego materiału. Potrzeba pomiaru właściwości elektrycznych i cieplnych materiału roślinnego wynika z faktu, że właściwości fizyczne materiału zmieniają się pod wpływem zmiany temperatury, która jest wynikiem tarcia oraz zmiennego nagrzewania roślin w ciągu dnia.

Podczas zbioru sianokiszonki lub siana można zastosować zintegrowany system prowadzenia ciągnika sterowany przez informację pochodzącą od komory prasowania, która wskazuje na potrzebę skorygowania toru jazdy ciągnika tak, aby bela w komorze była wypełniona jednakowo na całej szerokości. Czujnik zainstalowany w tylnej klapie informuje stopniu zagęszczenia, a czujnik optyczny o wilgotności materiału. Bele mogą być etykietowane. Etykiety zawierają informację o masie i wilgotności. Prasa może być wyposażone w system dozowania dodatkami kiszonkarskimi. Wszystkie czujniki są zintegrowane i w połączeniu z GPS pozwalają na opracowanie mapy plonu.

W innych pomiarach sporządzamy mapę zasobności gleby w podstawowe składniki NPK oraz inne mikroelementy, które są niezbędne dla prawidłowego rozwoju roślin.

Nakładając na siebie obie mapy (takich map można sporządzić znacznie więcej, np. żyzności gleby, nachylenia terenu, orientacji kierunkowej) można je wykorzystać w kolejnych zabiegach, np. podczas nawożenia lub siewu. Aby wykorzystać dane zapisane na nośnikach elektronicznych (mapy są numeryczne) stosuje się system informacji lokalnej (geograficznej), dla którego przyjęło się używanie skrótu GIS od Geographic Information System. Ten system komputerowy, wykorzystując informacje o plonie, rodzaju gleby, jej stanie, nachyleniu pola w danym punkcie pola, przekazuje sygnały do systemu regulacyjnego zamontowanego na maszynie do nawożenia i zmienia dawkę nawozu (np. siłownikiem hydraulicznym zmienia się położenie dźwignie zmieniającej wielkość otworu, przez który przesiewa się nawóz) stosownie do wymagań tak, aby osiągnąć jak największy plon z tego miejsca. W kolejnych latach sprawdza się, jakie osiągnięto efekty, czyli wykonujemy pomiar plonu i zasobności gleby. Są to pomiary i analizy, które wykonuje się w sposób ciągły – przez kolejne lata.

Doskonalenie wysiewu

Obecnie są prowadzone prace badawcze nad doskonaleniem regulacji dawki siewu, zależnej od siedliska. Elektryczne i hydrauliczne napędy dozowania pozwalają na sterowanie wysiewem, a także ręczną lub automatyczną zmianę dawki podczas jazdy. Na podstawie informacji GPS oraz map glebowych i o plonach można przygotować mapy aplikacyjne, które można wykorzystać do automatycznego siewu dostosowanego do lokalnej zmienności pola. W ten sposób można zaplanować zmniejszenie dawki wysiewu na obszarach słabszych (piaskowych), aby złagodzić konkurencję między nasionami a przyszłymi roślinami o wodę i składniki pokarmowe. Na obszarach gliniastych położonych na wzniesieniach dawkę wysiewu można zwiększyć, gdyż wschody na takich miejsca są na ogół mniejsze. Ważne jest również doskonalenie organizacji siewu na uwrociach, co może być poprawione przez sterowanie z wykorzystaniem GPS. Pozwoli to uniknąć podwójnego wysiewu lub pozostawienia pustych miejsc. Te działania pozwolą na zaoszczędzenie nasion siewnych, które są drogie.

W technologii siewu w uprawie pasowej wskazane jest wykorzystanie nawigacji satelitarnej DGPS, a tam gdzie jest wymagana centymetrowa dokładność potrzebny jest sygnał korekcyjny ze stacji RTK, który niemal w czasie rzeczywistym pozwala na dokładne położenie agregatu. W takiej sytuacji zabiegi mogą być podzielone w czasie. Pasy gleby można spulchnić jesienią, a wiosną wysiać w nich ziarno lub nasiona. Dobre wyniki uzyskano podczas uprawy kukurydzy i buraków cukrowych, ale także przy wysiewie rzepaku, który coraz częściej jest wysiewany siewnikami punktowymi. Potrzebne jest jednak zwiększenie rozstawu rzędów na wymiar 36-75 cm.

Nawożenie i stosowanie środków ochrony roślin

Zmienna aplikacja tych substancji jest możliwa przy zastosowaniu maszyn wyposażonych w komputerowy panel sterowania oparty na systemie pozycjonowania oraz czytnik map informujących o lokalnych zmiennościach cech plantacji (w układzie sterowania off line) lub maszyn wyposażonych jednocześnie w urządzenia do ciągłego monitorowania parametrów roślin oraz umożliwiających stosowanie zmiennej aplikacji (układ sterowania on line).

Parametry roślin badane dla potrzeb rolnictwa precyzyjnego oraz przypisany cel ich monitorowania można podzielić na następujące grupy: stan ożywienia łanu (np. do określenia dawki azotu); nasilenie występowania i identyfikacja agrofagów - szkodników, chwastów, chorób (dla selektywnego stosowania środków ochrony roślin); wielkość roślin, gęstość łanu, częstotliwość występowania roślin w rzędach (dla potrzeb nawożenia i ochrony roślin oraz sterowania pracą maszyn – np. opryskiwaczy w sadownictwie); rozkład historyczny i obecny plonu oraz jego jakość (dla wnioskowania o trafności działań i planowania zabiegów w kolejnych latach); inne, np. właściwości biofizyczne roślin jak wskaźnik powierzchni liści (LAI), czy zawartość chlorofilu w liściach (dla nawożenia i ochrony).

Urządzenia do monitorowania parametrów roślin, ze względu na cel i zakres badania można podzielić na trzy grupy: do monitorowania cech roślin uprawnych, dla potrzeb nawożenia i stosowania regulatorów wzrostu; do określania rodzaju i intensywności występowania agrofagów oraz częstotliwości występowania samych roślin uprawnych, dla potrzeb precyzyjnej ochrony roślin; do badania ilości i jakości plonu, dla weryfikacji trafności przeprowadzonych zabiegów i planowania zarządzania w latach następnych.

Rozsiewacze do zmiennego nawożenia są wyposażone w systemy sterowania dawką wysiewu nawozu przez zmianę szczeliny dozującej lub ilości podawanego materiału na tarczę przez przenośnika. W tym celu instaluje się siłowniki sterowane elektrycznie. Systemy takie są wyposażone w funkcję siewu granicznego.

Zastosowanie zmiennej dawki środka ochronny roślin można osiągnąć przez regulację ciśnienia roboczego w zależności od prędkości jazdy. System jest uzupełniony przez możliwość zmiany dysz. Niektóre rozwiązania opryskiwaczy pozwalają na przygotowanie cieczy roboczej na bieżąco i zmianę jej składu zgodnie z mapą aplikacyjną. Zmiana rodzajów końcówek rozpylających może myć zrealizowana za pomocą elektrozaworów lub zaworów pneumatycznych. Zmianę zakresu dawki cieczy roboczej dla tych samych rodzajów rozpylaczy można osiągnąć przez zmianę ich rozstawu. Zastosowanie czujnika z systemem rozpylania punktowego pozwala na wybiórczy oprysk miejsc, gdzie są chwasty.

Nowe technologie tworzą wiele możliwości. Zastosowanie technologii z GPS umożliwia maksymalizację produkcji żywności przy bardziej efektywnym wykorzystaniu zasobów, bez strat i szkód dla środowiska naturalnego. Dotyczy to wszystkich zabiegów, ale największe korzyści osiąga się podczas precyzyjnego nawożenia i stosowania środków ochrony roślin.

Prof. Aleksander Lisowski

Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych

SGGW w Warszawie