Мощные датчики на самолетах с высокой точностью определяют азот в посевах
Синтетические азотные удобрения преобразили сельское хозяйство во время Зеленой революции, значительно повысив урожайность и продовольственную безопасность. Однако, несмотря на улучшение эффективности использования азота растениями, опасения недополучить урожай до сих пор приводят к чрезмерному внесению удобрений. Избыток азота попадает в водоемы, включая грунтовые воды, и в атмосферу в виде мощных парниковых газов.
Предсказать необходимое количество азота для конкретной культуры в конкретный год сложно. Первый шаг — понимание азотного статуса растений в реальном времени, но ручное измерение азота в листьях в течение сезона нереалистично и не масштабируемо.
В первом в своем роде исследовании команда ученых из Университета Иллинойса установила гиперспектральные датчики на самолеты для быстрого и точного определения азотного статуса и фотосинтетической способности кукурузы.
"Полевые измерения азота требуют много времени и труда, а технология гиперспектрального авиационного зондирования позволяет нам сканировать поля очень быстро, за несколько секунд на акр. Она также обеспечивает гораздо более высокое спектральное и пространственное разрешение, чем аналогичные исследования с использованием спутниковых снимков", — говорит Шэн Ван, ведущий автор исследования.
"Наш подход заполняет пробел между полевыми измерениями и спутниками и предоставляет экономически эффективный и высокоточный метод управления азотом в сельском хозяйстве", — добавляет он.
Самолет, оснащенный современным датчиком, способным обнаруживать длины волн в видимом и ближнем инфракрасном спектре (400–2400 нанометров), трижды пролетел над экспериментальным полем в Иллинойсе в течение сезона 2019 года. Исследователи также провели наземные измерения листьев и растительного покрова для сравнения с данными датчиков.
Авиационные измерения выявили характеристики азота в листьях и растительном покрове, включая несколько параметров, связанных с фотосинтетической способностью и урожайностью зерна, с точностью до 85%.
"Это близко к качеству наземных измерений", — говорит Кайю Гуань, соавтор исследования. "Мы даже можем полагаться на гиперспектральные авиационные датчики вместо наземных измерений, практически не теряя в точности. При этом авиационные датчики позволяют охватить гораздо большие площади при низкой стоимости".
Дистанционное зондирование улавливает энергию, отраженную от поверхности земли. Химический состав листьев, включая содержание азота и хлорофилла, subtly изменяет количество отражаемой энергии. Гиперспектральные датчики обнаруживают различия всего в 3–5 нанометров во всем своем диапазоне, что является непревзойденной чувствительностью по сравнению с другими технологиями дистанционного зондирования.
"Другие авиационные технологии дистанционного зондирования улавливают видимый спектр и, возможно, ближний инфракрасный, всего четыре спектральных диапазона. Это даже близко не сравнимо с тем, что мы можем сделать с этим гиперспектральным датчиком. Это действительно мощная технология", — говорит Гуань.
Исследователи видят применение своим выводам в популярном калькуляторе нормы азота для кукурузы Maximum Return To Nitrogen (MRTN).
"С помощью нашего подхода мы можем определить азотный статус культуры и внести корректировки в реальном времени для аграриев. MRTN дает рекомендации по нормам внесения азотных удобрений на основе экономического баланса между дозой удобрения и урожайностью в конце сезона. Наш подход дистанционного зондирования может передавать данные о питании растений в систему MRTN, позволяя управлять азотом в реальном времени. Это может потенциально сместить текущие рекомендации, основанные на внесении удобрений до посева, на диагностику, основанную на питании растений в реальном времени, улучшив эффективность использования азота в агроэкосистемах", — объясняет Ван.
Важно, что исследовательская группа разработала наилучший математический алгоритм для определения данных об отражении азота гиперспектральным датчиком. Они ожидают, что он будет использован с появлением новых технологий.
"NASA планирует новую спутниковую гиперспектральную миссию, как и некоторые коммерческие спутниковые компании. Наше исследование может потенциально предоставить алгоритм для этих миссий, поскольку мы уже продемонстрировали его точность на данных авиационного гиперспектрального зондирования", — говорит Ван.
Гуань заявляет, что конечная цель — внедрение этой технологии на спутники, что позволит оценить азотный статус каждого поля в начале вегетационного сезона. Это достижение позволит фермерам принимать более обоснованные решения о подкормке азотом.
В конечном счете, цель — улучшить экологическую устойчивость использования азотных удобрений в агрономических системах. И Гуань говорит, что путь к этому — точность.
"По сути, нельзя управлять тем, что нельзя измерить. Вот почему мы вкладываем столько усилий в эту технологию".
Статья опубликована в International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation.