Regulace zaplevelení v pojetí precizního hospodaření

Weed Control in Precision Farming

Soukup Josef

Abstract

Development of information systems and application technology makes the use of site-specific weed control based on actual or predicted weediness possibility. The contribution deals with analysis of weed distribution over the field, describes methods of weed assesment, and compares actual diagnostics methods and techniques. Groups of problems limiting the usage in current practise are given in respect of research orientation.

Většina doposud uplatňovaných metod ochrany proti plevelům vycházela z předpokladu, že pozemek je základní jednotka, na které je i při rozdílném výskytu škodlivého činitele v jeho jednotlivých částech uplatňována stejná intenzita ochrany, např. dávka herbicidu, která je schopna udržet pod prahem škodlivosti plevele v místech největšího výskytu, neboť během práce postřikovací techniky již není zpravidla možné v jednotlivých místech pozemku přesně odhadovat stav zaplevelení a tomu přizpůsobit dávku.

Technický pokrok, který v tomto desetiletí zaznamenáváme u aplikační techniky, pesticidů, komunikačních a informačních technologií, v elektronice a v neposlední řadě i v informovanosti odborné veřejnosti, otevírá možnosti pro diferencovanou ochranu proti plevelům i v rámci jednoho pozemku. Oproti běžné “ohniskové ochraně”, která se v praxi uskutečňuje především proti vytrvalým plevelům, se nové pojetí liší tím, že s údaji o výskytu škodlivého činitele (plevele) se dále pracuje v informačním systému, který nemá využití pouze pro rozhodování o provedení zásahu, ale archivuje údaje o zaplevelení, použitých metodách ochrany a dosažených výnosech v datové struktuře, která je na stejném pozemku použitelná v dalších letech. Po technické stránce je myšlenka v současné době uskutečnitelná, avšak zavádění těchto postupů do praxe je obtížné z důvodu značné dynamiky plevelných společenstev.

Z pohledu pěstitele je za hlavní přínos nového přístupu považováno především snížení nákladů na pesticidy. Celospolečenský prospěch pak spočívá zejména v menším zatížení prostředí rezidui. Svůj praktický význam má i zavedení informační databáze, která může být využitelná v systému řízení jakosti tzv. “správné zemědělské praxe”, angl. “good farming practice”, která je v řadě zemí EU vyžadována od podniků čerpajících některé formy státních podpor.

Výskyt plevelů jako relikt stanoviště

Výskyt plevelných druhů v agrofytocenózách má své zákonitosti a řídí se do značné míry charakterem stanovištních podmínek. Pomineme-li geografickou zonalitu, která vymezuje širší hranice výskytu plevelů především z hlediska jejich fotoperiodicity a teplotních požadavků, můžeme i v našich podmínkách spatřit výrazné oblastní rozdíly ve výskytu jednotlivých druhů. Nejvýraznější příčinou této heterogenity je výšková členitost a s ní souvisejících klimatické poměry, které neumožňují mnoha vysoce konkurenceschopným druhům rozšíření do výše položených oblastí - příkladem mohou být ježatka kuří noha, laskavec ohnutý, bažanka roční, lilek černý a převážná část zemědělsky významných neofytních druhů. I v rámci jednotlivých klimatických oblastí jsou však často velmi rozmanité půdní a hydrologické poměry, pod jejichž vlivem se utvářejí specifická plevelná společenstva, fytocenologicky kategorizovaná do ekologicko- sociologických skupin (podrobněji např. Arlt et al., 1991, Moravec et al., 1994), na jejichž základě je možné postihnout druhovou heterogenitu na úrovni katastrů, ale i jednotlivých pozemků. Chceme-li se dostat na ještě nižší rozlišovací úroveň, jednotlivé části pozemku, které jsou základní jednotkou pro precizní hospodaření, můžeme abstrahovat od klimatických poměrů a přisoudit rozhodující vliv půdním podmínkám a uplatňované agrotechnice. Existují skupiny plevelných druhů, které velmi citlivě reagují především na zrnitostní složení půdy, vodní režim, půdní reakci, obsah živin a na pozemku se vyskytují lokálně v rozdílném druhovém složení. Jsou buď označovány jako indikátory určitých půdních vlastností, nebo alespoň určité chemické, ale i fyzikální vlastnosti půdy preferují. Přehled jednotlivých skupin ve vztahu k Ca, N, pH a vodnímu režimu uvádí Börner (1995). Bohužel, většina takto zařazených druhů není v současné době hospodářsky významná, neboť v důsledku selekčního tlaku způsobeného intenzivním hospodařením ustoupily malému počtu vysoce konkurenceschopných druhů, preferujících vyšší zásobenost živinami a snášející intenzivní agrotechnické zásahy, jakými je chemická ochrana a zpracování půdy. Výsledky dosavadních prací nedávají doposud jednoznačnou odpověď vysvětlující závislost výskytu těchto druhů na půdních podmínkách. Na tuto problematiku byla zaměřena práce autorů Dunker a Nordmeyer (2000). Na souboru pokusných pozemků v podmínkách Německa zachytili kladné i záporné korelace mezi půdními vlastnostmi a výskytem plevelů. Část výsledků je ve zkrácené formě uvedena v tab. č.1. Zajímavým zjištěním v této práci bylo, že plevele velmi málo reagovaly tvorbou biomasy na lepší zásobenost živinami. Reakce vyjádřená v relativních hodnotách byla téměř ve všech případech nižší než u pšenice a ječmene.

I. Korelace mezi půdními vlastnostmi a výskytem plevelů

Počet znamének značí rostoucí statistickou významnost v pořadí 5%, 1% a 0,1%

Kromě přímého vlivu půdních podmínek na plevele nelze opomíjet ani vlivy nepřímé, způsobené sníženou konkurenceschopností kulturního porostu v nepříznivých půdních podmínkách, která může mít v takových částech pozemku za následek lepší uplatnění plevelů, zvýšenou tvorbu rozmnožovacích orgánů, jejich hromadění v půdní zásobě a potenciální nebezpečí vzniku obtížně odstranitelných ohnisek zaplevelení.

Stanovení úrovně a heterogenity zaplevelení v rámci pozemku

Pro vytvoření informace o stavu zaplevelení pozemku (výskytu jednotlivých druhů a jejich agregace) je z praktického hlediska důležité co nejvyšší přiblížení realitě a zároveň co nejmenší časová a finanční náročnost. Problémem je, že stav zaplevelení je nutno znát krátce před provedením aplikace nebo přímo v době aplikace. Protože jsou tyto požadavky zpravidla v protikladu, nelze je v současnosti dostupnými metodami najednou splnit a je nutno volit kompromis mezi přesností odhadu a praktickou využitelností. Metody hodnocení zaplevelení při agrobiologické kontrole uvádí např. Hron a Kohout (1981, 1987) a Motyčková (1992). Tyto způsoby hodnocení jsou vztaženy k základní jednotce, kterou tvoří pozemek. Pro postihnutí heterogenity v rámci pozemku je nutno použít některou z metod získávání vzorků založených na náhodném nebo systematickém výběru, či zvolit různé predikční metody na základě známého výskytu v uplynulém období. Vyhodnocením vhodností jednotlivých metod se zabývá Colbach et al. (2000). Porovnání metod odběru vzorků a odhadu zaplevelení provedl Chauvel at al. (1998). V porostu jetele a na podmítnutém pozemku po pšenici ozimé byl sledován vliv velikosti plochy odhadu a znáhodnění místa pozorování na přesnost odhadu. Při malé ploše sledování (0,06 m2) bylo zaznamenáno v jeteli 30% (náhodné rozmístění) až 50 % (systematické rozmístění) z celkového počtu zastoupených plevelných druhů. Při ploše 0,25 m2 bylo zaznamenáno 60 - 65 % (systematické) a 70 - 75 % (náhodné rozmístění). V podmítce byly při stejných plochách odhadu hodnoty počtu nalezených druhů nižší, na ploše 0,06 m2 19 % (systematicky) a 29 % (náhodně), při ploše 0,25 m2 48 % (náhodně) a 45 % (systematicky). Jako optimální se jevilo 10 náhodně rozmístěných sledování o ploše 0,25 m2.

Pro akutní potřebu před aplikací jsou způsoby manuální bonitace neoperativní a značně zdlouhavé (0,5 - 2,5 hod/ha při rastru 50x36 m). Proto je snaha využít technické metody, např. letecké snímkování a senzory. Porovnání různých technických metod odhadu zaplevelení provedl Schwarz et al. (1998). Letecké snímkování nelze využít on-line a je možné (účelné) je provádět pouze v počátku vegetace při malé pokryvnosti plodiny (do 3%) a v době před sklizní obilovin, kdy jsou dobře identifikovatelné plevele horního patra (pcháč oset, chundelka metlice, heřmánkovec přímořský, svízel přítula). Využitelné je k tvorbě map zaplevelení.

Technicky nejnovějším postupem stanovení úrovně zaplevelení je využití optoelektronických senzorů. Jednodušší systémy pracují na bázi reflexní spektrometrie. Protože nedokáží odlišit plevel od kulturní rostliny, musí se snímaná plocha nacházet v meziřádkovém prostoru nebo v kolejovém meziřádku. Wartenberg a Dammer (2000) popisují senzor na bázi dvou fotodiod snímajících stejný bod při vlnových délkách 650 nm a 830 nm. Z rozdílu napětí je vypočítáván koeficient, na jehož základě je identifikován plevel. Z důvodu přesnosti odhadu velikosti musí být provedeno 10000 snímků/s, což klade značné nároky na technické vybavení, neboť při běžné pojezdové rychlosti zůstává 5 mm velký plevel dostupný optickému snímacímu zařízení pouze 1 ms. Korelační koeficient při porovnání výsledků měření uvedeného zařízení s manuálně provedenými odpočty se pohybuje v rozmezí 0,6 - 0,9. Nedostatkem zařízení je, že identifikuje pouze výskyt a velikost plevele. Pro určení druhového složení společenstva jsou nezbytné složitější systémy (Sökefeld et al., 2000), zahrnující hardwarovou část tvořenou CCD kamerou s rozlišením poskytujícím ostré obrysy objektů. Toho je docíleno vysokým rozlišením (1024x1024 bodů) a krátkou expozicí (0,1 ms), která je umožněna intenzivním osvícením v infračervené části spektra (780 nm), zaručujícím vysoký kontrast mezi půdou a rostlinou. Snímek ve stupních šedi je za pomoci speciálního software převeden na binární obraz, z něhož jsou extrahovány kontury, které jsou porovnávány bezprostředně s modelovými objekty v databázi, přičemž nejdůležitějším parametrem je právě vnější kontura.

Tento způsob získávání údajů o zaplevelení je operativní a ekonomicky příznivý, neboť i přes vyšší pořizovací náklady je schopen velké plošné výkonnosti, čímž se snižují náklady na 8-12 DM/ha. Praktické uplatnění dosud naráží na technické problémy při rozlišování kulturní rostliny od plevele a časovou náročnost při zpracování obrazu.

Zpracování dat a jejich využití k vlastní aplikaci

Před vlastním rozhodováním o využití lokální aplikace je důležité, jak velkou plošnou nerovnoměrnost pozemek vykazuje. Jako nejjednodušší charakteristiku je možno použít statisticky dostatečně robustní odhad střední hodnoty, její chyby a rozdělení (např. Meloun a Militký, 1994). Stupeň agregace je možné vyjádřit ”patchiness indexem” podle Lloyda (1967) a její časovou stabilitu obvykle Spearmanovým korelačním koeficientem (Timischl, 1990). Za pomoci geostatistického software se následně vytvářejí mapové podklady v koordinátách GPS v několika úrovních a jejich vrstvení. Jako základ slouží “historická” mapa, která je průběžně aktualizována novými odhady zaplevelení. Pokud jsou vytvořeny modely popisující škodlivost plevelů, je možno za pomoci matematického modelu odhadnout potenciální ztrátu na výnose, event. kvalitě a vytvořit aplikační mapu, která vymezí oblasti, které je nutno ošetřit, a příslušnou dávku přípravku. Takto vytvořený geografický informační systém využívá palubní počítač, který přes rozhraní řídí ovládací prvky postřikovače. Tento systém již umožňuje širší využití. V případě použití senzorů je možno provádět identifikaci plevelů, tvorbu map a vlastní aplikaci on-line. Výsledky se ukládají ve formě využitelné pro další období.

Závěr

První experimentální výsledky v provozních podmínkách naznačují, že je možné s využitím ochrany proti plevelům založené na zásadách precizního hospodaření snížit množství aplikovaných přípravků o 30-50 %, což je významným ekonomickým i ekologickým přínosem.

Velkou předností metod precizního hospodaření je rovněž vytvoření informačního systému, který bude archivovat údaje o pozemcích a provedených agrotechnických zásazích. To umožní získat přesné údaje jejich účinku a vzájemné provázanosti. Z hlediska ochrany proti plevelům se tak upřesní především modely určené k predikci zaplevelení a škodlivosti plevelů.

Precizace technik zakládání porostů a optimalizace výživy rostlin mohou významně přispět k zajištění vysoké konkurenceschopnosti porostů i v částech pozemků, které vykazují anomálie ve fyzikálních a chemických vlastnostech. Jejich eliminací bude možno zajistit konkurenčně silné porosty již od počátku vegetace a snížit náklady na přímé metody ochrany. Pouze kvalitní, konkurenceschopný porost dává předpoklady pro úspěšnou ochranu proti plevelům po celé vegetační období.

Informace o půdních podmínkách a navržené úrovni hnojení v jednotlivých částech pozemku by měly být využívány při návrhu metod ochrany, aby její intenzita odpovídala intenzitě hnojení a byla přiměřená výnosovému potenciálu.

Z důvodu efektivnosti a přesnosti rozhodovacích modelů je nutno nadále rozvíjet studium konkurenčních vztahů plevel-kulturní rostlina, prahů škodlivosti (hustě seté plodiny) a kritických období (širokořádkové plodiny). Doposud chybí prakticky použitelný, dostatečně přesný a přitom jednoduchý model pro odhad a popis prostorové i časové dynamiky plevelných společenstev, vývoje konkurenčních vztahů mezi plevely a plodinou, včetně prognózy škodlivosti, bez nichž nelze základní myšlenku precizního hospodaření naplnit.

Hlavním zdrojem zaplevelení je půdní zásoba semen. Z důvodu kvalitní prognózy zaplevelení, nezbytné především pro preemergentní aplikaci herbicidů, je nutno zpracovat velké množství poznatků z oblasti diasporologie a vytvořit modely, které by zohledňovaly nejen ekologické, ale i technologické vlivy (způsoby zpracování půdy, osevní sledy, úroveň výživy…), které rovněž značnou měrou ovlivňují dynamiku půdní zásoby semen.

V oblasti techniky je v současné době dobře vyřešen aplikační systém z hlediska navigace, automatizace ovládání regulačních prvků a výkonnosti techniky. Zbývá především automatizovat činnosti v oblasti detekce plevelů, diskutovat možné strategie ochrany a zdokonalovat programové vybavení, které je “inteligentní” částí celého systému a spojovacím prvkem mezi přírodní složkou a technikou.

Použitá literatura je k dispozici u autorů.