Синтетические азотные удобрения изменили сельское хозяйство, каким мы его знаем во время Зеленой революции, подняв урожайность и продовольственную безопасность на новый уровень. Тем не менее, несмотря на повышение эффективности использования азота культурами, опасения по поводу недостаточной производительности стимулируют чрезмерное применение удобрений и по сей день. Затем избыток азота попадает в водные пути, включая грунтовые воды, и в атмосферу в виде сильнодействующих парниковых газов.
Предсказать количество азота, необходимого для конкретной культуры в конкретный год, непросто. Первым шагом является понимание состояния азота в культуре в режиме реального времени, но измерение содержания азота в листьях вручную в течение сезона не является ни реалистичным, ни масштабируемым.
В ходе первого в своем роде исследования исследовательская группа Университета Иллинойса разместила на самолетах гиперспектральные датчики для быстрого и точного определения азотного статуса и фотосинтетической способности кукурузы.
Измерения азота в полевых условиях требуют очень много времени и усилий, но метод гиперспектрального зондирования с самолета позволяет нам сканировать поля очень быстро, всего за несколько секунд на акр. Он также обеспечивает гораздо более высокое спектральное и пространственное разрешение, чем аналогичные исследования с использованием спутниковых изображений», - говорит Шэн Ван, доцент-исследователь Центра устойчивого развития агроэкосистем (ASC) и Департамента природных ресурсов и наук об окружающей среде (NRES) Университета И. Ван является ведущим автором исследования.
«Наш подход заполняет пробел между полевыми измерениями и данными со спутников и обеспечивает экономичный и высокоточный подход к управлению азотом в устойчивом точном земледелии», - добавляет он.
Самолет, оснащенный первоклассным датчиком, способным обнаруживать длины волн в видимом и ближнем инфракрасном спектре (400-2400 нанометров), трижды пролетел над экспериментальным полем в Иллинойсе в течение 2019 года. время года. Исследователи также провели полевые замеры листвы и кроны в качестве наземных данных для сравнения с данными датчиков.
В ходе полетов были обнаружены характеристики азота листьев и полога, в том числе некоторые из них, связанные с фотосинтетической способностью и урожайностью зерна, с точностью до 85%.
«Это близко к достоверному качеству», - говорит Кайю Гуан, соавтор исследования, директор-основатель ASC и доцент NRES. «Мы даже можем полагаться на бортовые гиперспектральные датчики, чтобы заменить сбор данных с земли без особого ущерба для точности. Между тем, бортовые датчики позволяют нам охватить гораздо большие площади при низких затратах».
Дистанционное зондирование улавливает энергию, отраженную от поверхностей на земле. Химический состав листьев, включая содержание в них азота и хлорофилла, тонко меняет степень отражения энергии. Гиперспектральные датчики обнаруживают различия всего от 3 до 5 нанометров во всем диапазоне - чувствительность, не имеющая себе равных в других технологиях дистанционного зондирования.
«Другие технологии дистанционного зондирования с воздуха улавливают видимый спектр и, возможно, ближний инфракрасный диапазон, всего четыре спектральных диапазона. Это даже близко не то, что мы можем сделать с этим гиперспектральным датчиком. Он действительно мощный», - говорит Гуань.
Исследователи видят применение своим выводам в популярном калькуляторе нормы азота для кукурузы «Максимальный возврат к азоту» (MRTN).
Ванг объясняет: «При нашем подходе мы можем определять азотный статус урожая и вносить некоторые коррективы в режиме реального времени для заинтересованных сторон в сельском хозяйстве. MRTN предоставляет рекомендуемые нормы внесения азотных удобрений на основе экономического компромисса между нормами внесения азотных удобрений в почву. и урожайность в конце сезона. Наш подход на основе дистанционного зондирования может передавать данные о состоянии питательных веществ растений в систему MRTN, обеспечивая управление азотом в режиме реального времени. диагностика, основанная на питании растений в режиме реального времени, повышающая эффективность использования азота в агроэкосистеме."
Важно отметить, что исследовательская группа разработала лучший математический алгоритм для обнаружения данных об отражении азота от гиперспектрального датчика. Они ожидают, что он будет использоваться по мере появления новых технологий.
«НАСА планирует новую спутниковую гиперспектральную миссию, как и другие коммерческие спутниковые компании. Наше исследование потенциально может предоставить алгоритм для этих миссий, потому что мы уже продемонстрировали его точность на гиперспектральных данных самолета», - говорит Ван.
Гуан говорит, что конечной целью является перенос этой технологии на спутники, что позволит получить представление о статусе азота на каждом поле в начале вегетационного периода. Это усовершенствование позволит фермерам принимать более обоснованные решения о подкормке азотом.
В конечном счете, конечно, цель состоит в том, чтобы повысить экологическую устойчивость азотных удобрений в агрономических системах. И Гуан говорит, что точность - это способ добиться этого.
"По сути, вы не можете управлять тем, что не можете измерить. Вот почему мы вложили столько усилий в эту технологию."