Для производителей кукурузы решение о том, когда и сколько вносить азотных удобрений, является постоянной проблемой. Ученые из Университета Иллинойса показали, что наноспутники, известные как CubeSats, могут обнаруживать дефицит азота в начале сезона, потенциально давая фермерам возможность планировать внесение азотных удобрений в сезон и уменьшать дефицит питательных веществ для сельскохозяйственных культур.
«Используя эту технологию, мы, возможно, сможем увидеть стресс азота на ранней стадии, до того, как будут сняты метелки. Это означает, что фермерам не нужно будет ждать до конца сезона, чтобы увидеть влияние их решений по внесению азота», - говорит Кайю Гуан, доцент кафедры природных ресурсов и наук об окружающей среде Иллинойского университета и профессор Blue Waters Национального центра суперкомпьютерных приложений. Он также является главным исследователем нового исследования, опубликованного в IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing..
Возможность обнаруживать и устранять изменения в состоянии питательных веществ сельскохозяйственных культур в режиме реального времени жизненно важна, чтобы избежать повреждений в критические периоды и оптимизировать урожайность. В общем, существующая спутниковая технология не может обеспечить одновременно высокое пространственное разрешение и высокую частоту повторного посещения (как часто данный спутник возвращается в одно и то же место над Землей). В качестве альтернативы дроны могут определять состояние питательных веществ в режиме реального времени, но обычно они могут охватывать только локальные районы; таким образом, их полезность ограничена по масштабу.
CubeSats ликвидируют разрыв между существующими спутниковыми технологиями и дронами. По словам Гуана, в настоящее время на орбите находится более 100 относительно крошечных спутников: «CubeSats от Planet достигают 3-метрового разрешения и повторно посещают одно и то же место каждые несколько дней. Таким образом, прямо сейчас мы можем отслеживать состояние азота в посевах в режиме реального времени. для гораздо более широкой области, чем дроны."
Гуан и его сотрудники проверили возможности как дронов, так и CubeSats для обнаружения изменений в содержании хлорофилла кукурузы, косвенного показателя азотного статуса растения. Исследователи сосредоточились на экспериментальном поле в Центральном Иллинойсе во время полевого сезона 2017 года. Кукуруза в поле в разной степени подвергалась азотному стрессу из-за различных норм и сроков внесения азота, включая весь азот, вносимый при посеве, и раздельного внесения азота на нескольких стадиях развития.
Проанализированное поле было одним из нескольких в более крупном исследовании, посвященном норме внесения азота и срокам, проведенному Эмерсоном Нафцигером, почетным профессором Департамента растениеводства в Иллинойсе и соавтором исследования.
«Идея заключалась в том, чтобы увидеть, какое влияние окажут время и форма азотных удобрений на урожайность. Это исследование позволяет оценить, насколько хорошо визуализация может отражать реакцию урожайности на азот, вносимый с разной скоростью и в разное время», - Нафзигер. говорит.
Ученые сравнили изображения с дронов и CubeSats, и их сигналы хорошо совпали с измерениями содержания азота в тканях, еженедельно проводимыми в полевых условиях. Обе технологии позволяли обнаруживать изменения в содержании хлорофилла с одинаковой степенью точности и в одно и то же время года.
«Эта информация дает своевременную и полезную информацию, связанную с азотным стрессом, и, таким образом, может дать рекомендации по дополнительному внесению азота там, где это необходимо», - говорит Гуан.
Последствия выходят за рамки оптимизации доходности.
"Низкая стоимость азотных удобрений и высокая потенциальная урожайность кукурузы побуждают фермеров вносить дополнительное количество азота в качестве "страховки" от дефицита азота, который снижает урожайность. Но внесение большего количества азота, чем требуется для урожая, представляет собой финансовый и экологический риск, - говорит Япин Цай, аспирант исследовательской группы Гуаня и ведущий автор статьи.
Гуан добавляет: «Улучшенный инструмент для использования удобрений, доступный благодаря новым спутниковым технологиям и моделированию экосистем, может в конечном итоге помочь фермерам снизить затраты, повысить урожайность и одновременно уменьшить воздействие на окружающую среду для устойчивого сельскохозяйственного ландшафта».