Об инновационном портативном анализаторе почвы SoilCares

Рынок устройств для точного земледелия один из наиболее перспективных для стартапов, и поэтому периодически появляются новые измерительные устройства. К сожалению, для пользователя обобщенное описание данных гаджетов можно описать как «супер мега инновационный, прототип волшебной палочки, при покупке которой счастье наступает на следующий день». При таких описаниях производственникам, которые слышат это постоянно и уже успели обжечься, достаточно сложно принять решение о внедрении подобных инноваций. Поэтому в данной статье мы постараемся описать наше видение образцов нового оборудования с точки зрения разработчика, который сталкивался с этими технологиями.

Стандартные химические анализы в агрохимии привязаны к лаборатории. Это аналитические определения, которые требуют специализированных лабораторий, квалифицированного персонала, соответствующего оборудования, химических реактивов, посуды и т.д. К этому добавляем логистику доставки образцов с поля, длительность проведения анализов – в результате понимаешь, что это дорого и трудоёмко. Но следует отметить, что только лабораторный анализ является наиболее объективным для практических целей и незаменимым для исследований.

Но оперативность получения результатов для принятия технологических решений, простота в выполнении исследований почвы обосновано привлекает практиков, и мобильные приборы, позволяющие оперативно проводить анализы, будут востребованы.

Голландская компания AgroCares представила свой продукт – сканер почвы SoilCares Scanner, который, согласно заявленным разработчиком характеристикам, должен показать:

• pH (KCl);
• Органическое вещество, % органического углерода;
• Гранулометрический состав, % глины;
• ЕКО (емкость катионного обмена), ммоль+/кг;
• Температура грунта, °C;
• Общий азот (низкий, средний или высокий уровень);
• Общий фосфор (низкий, средний или высокий уровень);
• Общий калий (низкий, средний или высокий уровень).

Алгоритм получения и преобразования данных, как правило, не приводится по причине «строжайшей коммерческой тайны». Попробуем разобраться, о чем идет речь. Температуру, электропроводность, рН почвы и прочие традиционные для мобильных устройств параметры не рассматриваем, ограничившись прорывными результатами для мобильного оборудования, а именно органическим веществом и азотом.

Итак, органика

Вопрос органического вещества почвы является крайне актуальным, так как оно отображает её состояние. Контроль содержания и состава органического вещества должен проводиться пользователем почвы, но самое важное – государственной службой. Обучение контролера и агронома будет отличаться, поскольку контролер будет изначально готовится большей частью к конфликтам интересов с людьми в самых разных проявлениях. Соответственно, работники контролирующих служб будут нуждаться в мобильных устройствах для экспресс-оценки состояния почв хотя бы в индикационном режиме. Это существенно упростило бы систему мониторинга и контроля состояния почвы, помогло бы определить участки первоочерёдной лабораторной проверки, способствовало бы оперативности мероприятий по сохранению и восстановлению плодородия.

Такими задачами занималась команда исследователей под руководством академика Булыгина С. Ю. в Национальном университете биоресурсов и природопользования Украины, предложив внедрить в практику спектрально-визуальную диагностику почвы.

Опытные почвоведы, агрохимики содержание органического вещества могут определить, что называется, «на глаз». Из рассказа Булыгина С.Ю., в советские годы в агрохимической лаборатории он столкнулся с интересным фактом. В лаборатории работала некая дама, которая видимо «достала» руководство до такой степени, что ее решили «уволить по статье». В годы СССР подобная запись в трудовой книжке была чем-то исключительным и закрывала очень многие пути в жизни, потому просто так ее не применяли. По сути, руководство знает, что анализы содержания органического вещества в почве фальсифицированы, поскольку сотрудница в лаборатории точно их не делала и назначает контрольные измерения с целью вывести ее на «чистую воду». Анализы выполняются в строгом соответствии с нормативными документами, поскольку ожидаем конфликт интересов, но при сравнении с взятыми и сотрудницы данными выясняется, что имеющиеся расхождения находятся в пределах допусков… То есть, не делая анализов она по внешнему виду образцов получила адекватные результаты. Чем история с сотрудницей закончилась не суть важно, но идея продуктивной визуальной диагностики была отмечена.

Отсюда, если может человеческий глаз, то вероятно сможет и цифровой фотоаппарат. Ждать проявления пленки не требуется и анализ может быть действительно оперативным. Схема была реализована просто: исследуемый образец почвы в поверхностно-сухом состоянии просеивался через определенное сито на лист бумаги и проводились измерения интенсивности составляющих цвета образца. Для учета уровня освещения в качестве рефлекторной панели использовался сам лист бумаги. Были проведены исследования по подбору оптимального цвета оптического эталона, который можно было изготовить на обычном лазерном принтере (в градациях серого).

Практически идея была реализована в программе Land Damage Expert.

При роботе эксперт должен был выбрать тип и подтип грунта для использования той или иной калибровочной зависимости, которая была получена при традиционных методах исследования. Методика получения этой калибровочной кривой была достаточно проста: копались шурфы и брались образцы с разной глубины - получались образцы с разным количеством органики (гумуса).

Если это возможно в оптическом диапазоне то, вполне вероятно, это осуществимо и в ближнем инфракрасном, используемом SoilCares.

На снимке видны инфракрасные светодиоды, которые освещают исследуемый образец. При работе внешнего неконтролируемого освещения не будет, соответственно технология упрощается. Коллекции образцов почв в нашей стране немало, хоть типов и подтипов почв около 300 задача в принципе осуществима. Карты типов почв также существуют, они стабильны и благодаря встроенному в прибор модулю GPS выбор нужной калибровочной зависимости проблем не представляет. Иными словами задача в принципе реализуема и возможный принцип понятен.

Общий азот

В описании системы говорится, что осуществляется анализ почвы по общему азоту (три градации низкий, средний и высокий), хотя классические агрохимические методики рассчитаны на минеральный азот, который собственно и может усвоить растение. Но, что бы ни вступать в конфликт научных школ, будем считать этот вопрос дискуссионным, возможно между «общим» и «минеральным» азотом может быть и некая корреляционная зависимость. Иными словами, если данные экспериментальных измерений воспроизводимы, то сама по себе возможность получить в течении 2-х часов информацию по азоту было бы интересно для производственников. Выбор и обоснование дозировки удобрения на самых начальных этапах развития растения очень упрощается.

А вот как это делается, на каких физических принципах вопрос достаточно интересный, поскольку мобильных аналогов нет. Нужно понимать, что любая предлагаемая для практики технология или устройство должны пройти апробацию, которая производится незаинтересованными специалистами или организациями. В рекламных материалах по прибору указывается что прибор «активно используются» в Кении, Танзании, Кот-д'Ивуаре, но аграрные научные школы этих африканских стран, с точки зрения авторов, вряд ли относятся к самым известным и авторитетным в научном мире. В международном сервисе полнотекстового поиска для научных статей https://www.sciencedirect.com/ данное устройство упоминалось в трех статьях, что нельзя назвать выдающимся результатом. К примеру специализированный датчик для мониторинга полей с помощью дронов Parrot sequoia упоминался более сотни раз. В российском аналоге https://cyberleninka.ru/ и каталогах Центральной сельскохозяйственной библиотеки РФ www.cnshb.ru термин SoilCares по состоянию на 5.07.2020 не упоминался.

Раз данных из независимых отечественных источников не нашли, то благодаря наличия прибора попробуем провести исследования на практике на базе лабораторий кафедры «Агрохимии и качества продукции растениеводства» НУБиП Украины. О полученных результатах сообщим в продолжении данной статьи.