Precizní zemědělství jako nástroj k efektivnímu využití dusíku zemědělskými plodinami

Úvod

Precizní zemědělství využívá postupy nových technologií, které se přizpůsobují plošné variabilitě půdních podmínek a výnosového potenciálu pozemku. Jednou z technologií využívaných v precizním zemědělství je plošně diferencovaná aplikace hnojiv, která může přispívat k lepšímu využití živin plodinami (zejména dusíku) a k omezení ztrát dusíku vyplavením do podzemních vod. V důsledku toho dochází nejen k zvýšení efektivity a optimalizaci využití hnojiva, ale rovněž často i k poklesu jeho celkové spotřeby. Předpokladem precizní aplikace hnojiv je vymezení produkčních zón pozemků (půdních bloků), které vychází z půdních analýz, spektrální odrazivosti porostu zjišťované pomocí dálkového průzkumu Země, popř. z výnosových map. Díky zvýšení prostorového rozlišení a frekvence pořizování družicových snímků v poslední době (družice Sentinel 2A, B; pixel 10 x 10 m, frekvence 5–8 dní) bude využitelnost postupů precizního zemědělství narůstat. Rovněž užití pozemních senzorů (ručních, upevněných na traktoru) měřících odrazivost porostu je možnou a vhodnou součástí precizního zemědělství. Schopnost porostu odrážet elektromagnetické záření má úzkou návaznost na jeho fyziologický stav a nárůst biomasy. Měření odrazivosti v různých částech elektromagnetického spektra (ve viditelné části 390–760 nm, v blízké infračervené části 760–1400 nm) poskytuje informace o obsahu chlorofylu (resp. dusíku N) a množství nadzemní biomasy. Odrazivost ve VIS se vzrůstajícím obsahem chlorofylu (resp. dusíku) klesá, naopak odrazivost v blízké infračervené části pozitivně koreluje s obsahem dusíku a biomasou. Informace o odrazivosti porostu jsou transformovány do vegetačních indexů, z nichž nejčastěji užívaným je normalizovaný diferenční vegetační index (Normalized Difference Vegetation Index), který je citlivý zejména vůči obsahu chlorofylu. Jinou alternativou je vegetační index EVI (Enhanced Vegetation Index), který více reaguje na strukturální změny porostu (včetně množství biomasy). Pomocí vegetačních indexů mohou být pro účely precizního zemědělství vymezeny různé produkční zóny pozemku s různým výnosovým potenciálem a dílčí dávky hnojení jsou tomuto potenciálu přizpůsobeny. části pozemku s průměrným výnosovým potenciálem mají 100% výnosový potenciál; části pozemku s výnosovým potenciálem např. o 20 % nižším či vyšším mají 80% či 120% výnosový potenciál. Pro odhad účinnosti aplikovaného dusíku pro tvorbu výnosu je možné použít tzv. výnosové mapy, které jsou pořizovány pomocí kombajnu vybaveného kvantimetrem a GPS.

Cílem tohoto příspěvku je popsat první rok polního pokusu realizovaného na jednom půdním bloku v provozních podmínkách českomoravské vrchoviny. Pokus byl zaměřen na opakovanou variabilní aplikaci minerálního dusíku k ječmeni jarnímu na základě vymezení produkčních zón a na porovnání předpokladů výnosového potenciálu s výsledky výnosové mapy.

Materiál a metody

Pro precizní aplikaci hnojiv byl v roce 2016 vybrán půdní blok o velikosti 25 ha s jarním ječmenem s výrazně heterogenními půdními podmínkami a se systematickou drenáží na 1/3 plochy v bramborářské výrobní oblasti na českomoravské vrchovině. Vybraný půdní blok se nachází poblíž obce Dehtáře (okres Pelhřimov), má průměrnou sklonitost 3° a nadmořskou výšku 535 m n. m. Průměrný dlouholetý roční úhrn srážek je 660 mm, během vegetačního období 350–450 mm. Na půdním bloku se vyskytují půdní typy lišící se vodním režimem (vlhčí pseudoglej modální a kambizem oglejená v nižších částech pozemku a sušší kambizem modální a zejména kambizem arenická ve vyšších částech pozemku). Produkční zóny byly vymezeny z osmileté řady družicových snímků LANDSAT 5 a 8 použitím vegetačního indexu EVI. Pro daný účel byly vybrány bezoblačné dny v druhé polovině vegetačního období. Hodnota EVI každého pixelu ze snímku byla vztažena k průměrné hodnotě tohoto indexu celého pozemku. Dále byly všechny vybrané družicové scény zkombinovány a medián každého pixelu byl považován za konečnou hodnotu výnosového potenciálu. Jelikož prostorové rozlišení jednoho pixelu družicových snímků LANDSAT je 30x30 m, finální mapa produkčních zón byla vyhlazena krigingovou aplikací do prostorového rozlišení 5 m na pixel (obr. 1). Na základě vymezených produkčních zón a opakovaných analýz obsahu půdního minerálního dusíku byly na 35 % celkové plochy vymezeny zóny s variabilní aplikací hnojiv v rozmezí 70–120 % výnosového potenciálu (obr. 2). Zbytek pozemku byl hnojen uniformní dávkou hnojiv. V průběhu dubna až května byly aplikovány 3 dílčí dávky hnojiv (ledku amonného s dolomitem, NP 20–20) pomocí rozmetadla s GPS.

Měření spektrálních vlastností ječmene jarního na vybraném pozemku v roce 2016 bylo prováděno 2 typy přístrojů (kontaktní N-tester a nekontaktní Green Seeker) za účelem zjišťování množství biomasy a přihnojení porostu dusíkem. N-tester je používán pro nastavení dávek dusíku produkčního a kvalitativního (pozdního) přihnojení obilovin. Výsledky měření obsahu chlorofylu N-testerem jsou přístrojem přímo korigovány pro konkrétní odrůdu a doporučené dávky dusíku zobrazovány přímo v kg N/ha. Green Seeker měří normalizovaný diferenční vegetační index a dávku hnojení dusíkem lze zjistit pomocí referenčního (tj. dusíkem plně saturovaného) porostu a očekávaného výnosu. Pro nižší hodnoty tohoto normalizovaného indexu jsou doporučovány vyšší dávky. Měření spektrálních vlastností ječmene jarního bylo prováděno v období od 24. 5. do 7. 7. 2016 na 22 kontrolních místech pozemku v čtrnáctidenních intervalech. Výsledky měření N-testeru ze dne 24. 5. 2016 byly použity pro pozdní přihnojení porostu dusíkem.

Výsledky

Doporučované hodnoty hnojení z N-testeru ze všech 22 kontrolních míst byly zprůměrovány a tato hodnota (28 kg N/ha) byla použita jako dávka přihnojení pro produkční zónu se 100% výnosovým potenciálem. V ostatních produkčních zónách byla dávka hnojení úměrně přizpůsobena (80%=0,8x28 kg N apod.).

Precizní sklizeň byla provedena 15. 8. 2016 kombajnem vybaveným kvantimetrem a GPS se záznamem výnosů zrna každých 10 sekund. Byl tudíž získán velice podrobný přehled o plošné variabilitě výnosů pozemku. Převážně (ne však výlučně) byla zjištěna shoda mezi vymezenými produkčními zónami a výnosovým potenciálem (obr. 3).

Variabilní dávky dusíku diferencované výnosovým potenciálem zvýšily výnos jarního ječmene o 8 % (6,9 versus 6,6 t/ha v části hnojené uniformní dávkou) a naopak snížily celkovou spotřebu hnojiv na hektar ve srovnání s homogenní aplikací hnojiv (113 versus 118 kg N/ha v části s uniformní dávkou). V důsledku toho byla na části pole s precizní variabilní aplikací hnojiv prokázána vyšší účinnost využití dusíku pro tvorbu výnosu, tj. že aplikací 1 kg dusíku bylo vyprodukováno více zrna (60 kg) ve srovnání s aplikací uniformní dávky hnojiv (56 kg). Analýzou výsledků bylo zjištěno, že produkční zóna s 80% výnosovým potenciálem měla v rámci celého pole vyšší výnos než části pole s homogenní 100% dávkou. Tato zvýšená produktivita se projevila zejména ve střední a východní části pozemku (obr. 3). Zde byl pro tvorbu výnosu pravděpodobně čerpán dusík splavený z vyšších částí pole. K posunu půdního dusíku v minerální (dusičnanové) formě dochází ve vlhčích letech, naopak v sušších letech k přísunu dusíku z vyšších částí nedochází vůbec či pouze ojediněle. V roce 2016 spadlo během vegetační sezony na Dehtářích 355 mm srážek, což odpovídá dlouhodobému průměru, tudíž tento rok byl vlhčí ve srovnání s předchozími suchými roky a pravděpodobně došlo k posunu dusíku směrem po svahu dolů. Z tohoto důvodu nemusí výnosový potenciál stanovený z víceletého průměru odpovídat dosaženému výnosu daného roku. Naopak v nejnižších částech pozemku, kde byla rovněž vymezena 80% produkční zóna, a tudíž by se dal předpokládat přísun dusíku splavením z vyšších částí pozemku, nebyl výnos zvýšen a spíše odpovídal vymezené produkční zóně. V této části pozemku je však utužená půda a plodiny nejsou v kořenové vrstvě optimálně zásobeny kyslíkem. Tudíž ani dostatek dusíku v této části pozemku (prokázáno jarními analýzami obsahu minerálního dusíku) nezajistí adekvátní zvýšení výnosu v případě, kdy je tvorba výnosu limitována jiným faktorem, v tomto případě utužením a nedostatkem kyslíku v půdě.

Závěr

Efektivita využití aplikovaného dusíku závisí na půdních podmínkách daného pozemku, tj. na jeho vodním, tepelném a vzdušném režimu. To bylo ověřeno i v rámci našich jednoletých výsledků z precizní (variabilní) aplikace dusíkatých hnojiv na pozemku s jarním ječmenem na českomoravské vrchovině. V daných podmínkách (svažitý pozemek s různými půdními typy a vodním režimem, systematické odvodnění) některé půdní faktory působí trvale (např. utuženost), tj. ovlivňují dlouhodobě a konstantně efektivitu využití aplikovaného dusíku. Naopak zásobenost porostů vodou a specifika vodního režimu se každoročně mění podle průběhu počasí. Vymezené produkční zóny jsou výsledkem víceletého sledování spektrální odrazivosti porostů pomocí družicových snímků a faktory, které jsou konstantní v průběhu času (zde např. utuženost půdy), se projeví v dlouhodobém průměru výnosového potenciálu; naopak každoročně se měnící faktory mohou ovlivnit výnos tak, že není v souladu s dlouhodobým výnosovým potenciálem.

 Poděkování: Příspěvek vznikl v rámci řešení projektu FATIMA (H2020 n. 633945 FArming Tools for external nutrient Inputs and water MAnagement) a díky institucionální podpoře VÚMOP, v. v. i., č. RO0216 Ministerstva zemědělství.