Opis projektu

Cel główny operacji to wytworzenie innowacji technologicznych i organizacyjnych związanych z precyzyjnym wgłębnym nawożeniem fosforem oraz stosowaniem zmiennej dawki wysiewu materiału siewnego, które poprawią wyniki gospodarstw w zakresie opłacalności produkcji, ochrony środowiska oraz łagodzenia skutków zmian klimatu. Cele szczegółowe to opracowanie algorytmu  do planowania i podsumowania zabiegu nawożenia oraz algorytmu do wytwarzania mapy do zmiennego wysiewu nasion na podstawie syntezy danych glebowych i teledetekcyjnych. Algorytmy będą  przeznaczone do różnych systemów uprawy, jednak podczas badań duży nacisk zostanie położony na rośliny produkowane w systemach uproszczonych, które są coraz częściej wdrażane do polskich i europejskich gospodarstw. Innowacje organizacyjne polegać będą na stworzeniu systemu podliczania i planowania zabiegów nawożenia fosforem, w oparciu o dane uzyskane ze współczynnika korygującego. Zmiana jakościowa może zostać zweryfikowana poprzez możliwość wygenerowania mapy równoczesnego nawożenia fosforem oraz zmiennego wysiewu nasion i wgrania ich do stosowanych maszyn posiadających możliwość przetwarzania danych cyfrowych i aplikacji kilku środków produkcji podczas jednego przejazdu. 

Innowacje będące przedmiotem operacji posiadają szereg cech pozwalających na ich wyróżnienie i na określenie atrybutów świadczących o ich wyraźnie ulepszonym lub nowym charakterze. 

Cele szczegółowe to wytworzenie ulepszonych innowacji technologicznych:

Opracowanie algorytmu do planowania i podsumowania zabiegu nawożenia – proponowana technologia jest systemem składającym się z algorytmu podliczającego poszczególne składowe wpływające na skuteczność zabiegu wgłębnego nawożenia fosforem oraz jego zróżnicowanie przestrzenne wraz z planowaniem tych potrzeb i zabiegów. Proponowana innowacja pozwoli na uwzględnienie wartości takich jak: pH gleby, zawartość materii organicznej czy dane satelitarne w celu zoptymalizowanie zróżnicowania przestrzennego wysiewu wgłębnego fosforu. Jako technologię udoskonaloną można tu przedstawić technologię nawożenia precyzyjnego, która występuje w formie zaawansowanej, natomiast w przypadku nawożenia fosforem opiera się o jeden prosty współczynnik korygujący, jakim są analizy glebowe. Wykorzystanie jedynie czynnika zasobności gleby jako wyznacznika dawki nawożenia fosforowego, jest nieprecyzyjnym rozwiązaniem, gdyż pobieranie fosforu przez rośliny warunkowane jest także takimi czynnikami jak odczyn gleby czy zawartość materii organicznej, która przyczynia się także do lepszego retencjonowania wody w glebie. Im niższe pH gleby oraz zawartość materii organicznej, tym gorzej rośliny pobierają fosfor z roztworu glebowego, a to za sprawą jego uwstecznienia i małej dostępności w glebie. Odczyn gleby oraz zawartość materii organicznej są zatem  kluczowymi czynnikami, które determinują stopień pobierania fosforu przez rośliny, a zatem w postaci indeksu żyzności gleby mogą  być składową, którą należy uwzględnić w procesie wyznaczania dawki nawozowej. 

Dodatkowymi czynnikami modyfikującymi dostępność fosforu w glebie dla roślin są uziarnienie warstw podornych, ukształtowanie terenu oraz głębokość zwierciadła wody gruntowej. Na glebach z piaszczystymi warstwami podornymi lub płytko występującymi wodami gruntowymi możemy spodziewać się niższych plonów, co powinno być brane pod uwagę w momencie ustalania potrzeb pokarmowych roślin, które mają wpływ na nawożenie fosforem. Jednym z parametrów, które można wykorzystać do pośredniego zmierzenia właściwości gleby jest przewodność elektryczna gleby, która dobrze koreluje z uziarnieniem gleby, głębokością wody gruntowej czy aktualną zawartością wody w glebie. Przewodność elektryczna gleby mierzona przy pomocy konduktometrów na dwóch poziomach 0-30 cm i 0-90 cm pozwala dokładnie oszacować parametry mające pośredni wpływ na zawartość przyswajalnych form fosforu w glebie. Wykorzystanie przewodności elektrycznej gleby umożliwi poprawę redystrybucji nawozów fosforowych w obrębie pola, a także pozwoli uwzględnić czynniki kluczowe w pasowej uprawie gleby związane z oceną warunków wodnych w strefie lokalizacji nawozu. 

Kolejnym parametrem, który pozwala analizować potencjał plonowania ściśle związany z potrzebami pokarmowymi roślin w stosunku do fosforu są strefy potencjału plonowania wyznaczane na podstawie wskaźników roślinnych obliczanych w oparciu o serię zdjęć satelitarnych z wcześniejszych sezonów wegetacyjnych. Najważniejszą zaletą proponowanego rozwiązania w kontekście precyzyjnego nawożenia fosforem będzie uwzględnienie zmienności przestrzennej plonów w obrębie pól uprawnych. Obecnie dawka nawozów ustalana jest na podstawie osiąganych plonów i informacji o zasobności gleby w fosfor. Wówczas zakłada się, że plony są stałe w obrębie pola, co w praktyce nigdy nie ma miejsca. Zdalne pozyskanie informacji o rozkładzie zmienności plonu w obrębie pola i uwzględnienie tego czynnika w zaleceniach nawozowych dla fosforu należy uznać za główną innowację odnoszącą się do stosowania zmiennej dawki nawozów fosforowych. 

Innowacją technologiczną jest wykorzystanie w algorytmach obliczania dawek oraz wyznaczania stref nawożenia współczynnika korygującego opartego o składowe takie jak: zasobność gleby w przyswajalne formy fosforu, zawartość próchnicy i odczyn gleby w postaci indeksu żyzności gleby, przewodność elektryczna gleby, strefy potencjału plonowania, system uprawy oraz  przedplon, a także przygotowane na jego podstawie mapy precyzyjnego nawożenia. Dopiero wykorzystanie tak licznych składowych pozwoli precyzyjnie określić dawki oraz strefy nawożenia na powierzchni pól uprawnych. Opracowaniem działania algorytmu na podstawie pozyskanych danych zajmie się zespół analityczno-programistyczny. Do pozyskania danych natomiast posłużą badania polegające na analizach glebowych, analizie indeksów wegetacyjnych na podstawie zdjęć satelitarnych oraz danych niskopułapowych pozyskiwanych przez drony, opracowaniu danych z sześciu kampanii pomiarowych i map plonowania sporządzonych podczas kombajnowania. Następnym krokiem będzie  stworzenie innowacyjnego algorytmu służącego do generowania map zmiennego nawożenia fosforem. Dzięki wykorzystaniu formy cyfrowej dane będą mobilne, a koszty wdrożenia technologii w gospodarstwie niewielkie. Wprowadzenie takowej innowacji wpłynie także na poprawę funkcjonalności tworzonego serwisu. 

Opracowanie algorytmu do wytwarzania mapy do zmiennego wysiewu nasion – Operacja zakłada stworzenie ulepszonej innowacji w postaci algorytmu do wytwarzania map do zmiennego wysiewu nasion na podstawie syntezy danych glebowych i satelitarnych (teledetekcyjnych). Stosując technologię zmiennej ilości wysiewu można będzie zredukować straty na obszarach o  niskiej produktywności i zwiększyć plony na obszarach o wysokiej produktywności. W zależności od odmiany, wymagań świetlnych i wielkości krzewienia istnieją odmienne wymagania odnośnie gęstości wysiewu. Założenie zbyt dużej gęstości wysiewu może być nieefektywne, a nawet poprzez pogorszenie przewiewności, podniesienie wilgotności i temperatury, może prowadzić do większego zagrożenia porażeniem roślin przez choroby. „W słabszych warunkach glebowych (gorsza żyzność, luźniejszy skład granulometryczny gleby, kwaśny odczyn) powinno się siać zboża gęściej niż na lepszych glebach. Jest to spowodowane gorszym rozkrzewieniem roślin rosnących na glebach o mniejszej zasobności w składniki pokarmowe i wodę.” (D. Leszczyńska, B. Jaśkiewicz, Znaczenie gęstości siewu zbóż jarych w różnych warunkach agrotechniki w aspekcie zmian klimatu, Studia i Raporty IUNG-PIB, Zeszyt 50(4):39-52). Na glebach żyznych, które są dobrze zaopatrzone w wodę i składniki pokarmowe, występuje silniejsze krzewienie roślin, a także ich bujniejszy wzrost. Natomiast nadmierne zagęszczenie roślin i słabe przewietrzenie sprzyjają nasileniu się porażenia przez choroby, które przyczyniają się do znacznych strat plonu. Z drugiej strony zbyt niskie dawki nasion mogą skutkować  spadkiem plonowania oraz wzrostem presji ze strony chwastów. 

Dostosowanie ilości wysiewu do stref produktywności na polu pozwoli na optymalne użycie materiału siewnego. Ustalenie optymalnej dawki wysiewu zależy od dużej liczby czynników takich jak: tekstura gleby, kamienistość, zbrylenie i ogólna jakość podłoża siewnego, które dodatkowo są zmienne w obrębie pola. Stworzenie mapy do zmiennego wysiewu wymaga identyfikacji i podziału pola na strefy o różnych uwarunkowaniach związanych z jakością gleby. Strefy w obrębie pola można wyznaczyć wykorzystując różne warstwy danych, takich jak właściwości gleby i zdjęcia satelitarne. Algorytm, który na podstawie zmiennych takich jak:  indeks żyzności gleby, wypracowane w ramach badań strefy potencjału glebowego związane z uziarnieniem gleby, system uprawy, przewodność elektryczna gleby czy ukształtowanie terenu  umożliwi opracowanie rekomendacji w zakresie zmiennej dawki wysiewu,  dzięki czemu możliwe będzie  zwiększenie wykorzystania środków produkcji oraz wydajności przy jednoczesnym ograniczeniu negatywnego wpływu na środowisko. Mapując satelitarnie zmienność potencjalnej jakości podłoża siewnego możliwe będzie wygenerowanie  mapy umożliwiające siew zmiennej ilości nasion zależnie od prognozowanego rozkładu przestrzennego warunków wzrostu i rozwoju roślin w obrębie pola. Przy realizacji koncepcji wykorzystywane będą siewniki, które na bieżąco umożliwiają zmianę ilości wysiewanych nasion zgodnie z mapą, z wydzielonymi obszarami pola. 

Połączenie technologii precyzyjnego nawożenia fosforem i zmiennego wysiewu nasion będzie kompleksowym rozwiązaniem, pozwalającym rolnikom na wykorzystanie potencjału pola i osiągnięcie możliwie wysokich plonów. Wypracowana technologia zostanie dostosowana do zmieniających się systemów uprawy gleby i wprowadzonych coraz częściej uproszczeń, gdzie potrzebna jest parametryzacja algorytmów związana z wgłębnym stosowaniem nawozów fosforowych oraz zwiększeniem szerokości międzyrzędzi w prowadzonej uprawie zbóż i rzepaku. Rozwiązanie będzie posiadało funkcjonalności: możliwość dostępu online, możliwość wyeksportowania mapy do formatu umożlwiającego operacyjne wykonanie nawożenia lub wysiewu w polu, interaktywny interfejs, podgląd mapy nawożenia i mapy do zmiennego wysiewu. Ogół tych cech pozwoli finalnemu użytkownikowi na możliwość precyzyjnego nawożenia fosforem i wysiewu przy użyciu zmiennej dawki wysiewu materiału siewnego w celu wzrostu opłacalności produkcji, ochrony środowiska oraz łagodzenia skutków zmian klimatu.

– Wytworzenie innowacji organizacyjnej:

Stworzenie systemu podliczania i planowania zabiegów nawożenia fosforem w oparciu o dane uzyskane z autorskiego współczynnika korygującego – planowana operacja posiada również innowacyjne działania organizacyjne. Dotychczas możliwe było jedynie oszacowanie dawek zużytych nawozów na powierzchni pola, w oparciu o przygotowaną mapę nawożenia. Planowana operacja zakłada stworzenie systemu podliczania, sumowania i planowania zabiegów nawożenia fosforem, w oparciu o dane uzyskane z współczynnika korygującego. Współczynnik korygujący jest główną składową algorytmu do określenia stref produkcyjnych i planowania procesu nawożenia fosforem. Wartość współczynnika korygującego, może być określona na podstawie danych takich jak zasobność gleby, indeks żyzności gleby, strefy potencjału plonowania, rodzaj przedplonu i stosowany system uprawy. Dodatkowo w ramach wypracowanego modułu udostępniona zostanie możliwość zaplanowania nawożenia fosforem z uwzględnieniem aplikacji wgłębnej dla wszystkich upraw w płodozmianie, które zostaną dodane przez rolnika do serwisu.  Co więcej, samo zastosowanie proponowanego rozwiązania może przyczynić się do efektywniejszego zarządzania zasobami fosforu zarówno na poziomie zasobów gospodarstwa, jak i światowych zasobów, co pociągnie za sobą znaczne oszczędności oraz lepszą organizację logistyczną podczas wysiewu nawozów fosforowych czy też transportu zasobów fosforu na świecie. Dane przechowywane w formie cyfrowej będą dostępne z dowolnego miejsca oraz łatwe w odtwarzaniu i analizie. W ramach rozwiązania użytkownik będzie mógł podliczyć precyzyjne zapotrzebowanie na nawóz na poziomie gospodarstwa lub poszczególnych polach w dużo bardziej precyzyjny sposób względem standardowych kalkulatorów nawozowych, które przyjmują jednorodną dawkę nawozową w obrębie całego pola. Pozwoli to na zaplanowanie czasu pracy, obliczenie ile nawozu trzeba zakupić lub jak kształtują się potrzeby zakupowe w poszczególnych latach.