Rolnictwo precyzyjne - ebook

Słowo wstępne

Duży postęp we wprowadzaniu na rynek nowych rozwiązań rolnictwa precyzyjnego, ale również w jego wdrażaniu, sprawił, że zwiększa się oferta edukacyjna z tego zakresu w naszym kraju. Szkoły średnie zaczynają kształcić uczniów w zawodzie technik mechanizacji rolnictwa i agrotroniki. Na niektórych uczelniach wyższych uruchamiany jest kierunek studiów bądź specjalność rolnictwo precyzyjne. Znacznie częściej naucza się przedmiotu rolnictwo precyzyjne w różnej formie, a w gospodarstwach wdraża się rozmaite rozwiązania rolnictwa precyzyjnego, czasami nawet wyprzedzając badania naukowe. Rolnicy pytają zatem o racjonalne uzasadnienie tych wdrożeń i przykłady wyników polskich badań z zakresu rolnictwa precyzyjnego. Zazwyczaj im zakres wdrożeń rozwiązań rolnictwa precyzyjnego staje się większy, tym coraz częściej dostrzegamy korzyści z nich wynikające. Wzrasta zarazem zapotrzebowanie na wiedzę osoby, która podejmie się przetwarzania zebranych danych i ich interpretacji oraz przejmie odpowiedzialność za funkcjonowanie całego systemu rolnictwa precyzyjnego w gospodarstwie. Dlatego coraz częściej większe gospodarstwa zatrudniają osoby odpowiedzialne nie tylko za mechanizację, lecz także za zaplanowanie, rozwijanie i właściwe funkcjonowanie rolnictwa precyzyjnego w gospodarstwie.

Te spostrzeżenia, jaki i nasze wieloletnie doświadczenie z prowadzeniem zajęć ze studentami na studiach stacjonarnych, niestacjonarnych i podyplomowych oraz w zakresie badań z rolnictwa precyzyjnego, wskazały na potrzebę napisania podręcznika Rolnictwo precyzyjne. Niniejsza książka adresowana jest do szerokiego grona osób zainteresowanych: poznawaniem, studiowaniem, wdrażaniem, praktykowaniem i nauczaniem rolnictwa precyzyjnego. Nieodzownym warunkiem do rozpoczęcia jego wdrażania jest dobry poziom agrotechniki i wiedzy z szeroko rozumianej agronomii. Samo stosowanie rozwiązań rolnictwa precyzyjnego nie poprawi słabej agrotechniki. Co więcej, w żaden sposób nie dezaktualizuje ono istniejących zasad dotyczących racjonalnego i zrównoważonego rolnictwa, zawartych choćby w Kodeksie Dobrej Praktyki Rolniczej (Duer i in. 2004), ale dąży do ich jeszcze lepszego wdrażania, wykorzystując nowe rozwiązania, z uwzględnieniem powszechnie istniejącej zmienności pól. Rolnictwo precyzyjne może, ale nie musi doprowadzić do wzrostu plonów, szczególnie w gospodarstwach o dobrej agrotechnice, ma jednak duże szanse doprowadzić do bardziej racjonalnego stosowania środków produkcji, a tym samym zwiększyć efektywność ich wykorzystania i zmniejszyć ryzyko zanieczyszczenia środowiska. Dlatego upowszechniając wiedzę o systemie rolnictwa precyzyjnego, uważamy, że podstawą jego dobrego poznawania i wdrażania jest zasób wiadomości zdobytych w szkole średniej z produkcji roślinnej, zwierzęcej czy mechanizacji, a na studiach m.in. z takich przedmiotów, jak: biochemia, fizjologia roślin, gleboznawstwo, chemia rolna, ogólna uprawa roli i roślin, szczegółowa uprawa roślin, mechanizacja i ekonomika rolnictwa. Nieodzownym elementem dobrego poznawania i skutecznego wdrażania systemu rolnictwa precyzyjnego jest też wiedza informatyczna, w tym dotycząca systemów informacji geograficznej (przestrzennej). Dopiero szeroko rozumiana znajomość agronomii i historii danego pola w połączeniu z informacją o czynnikach ograniczających plonowanie i wiedzą informatyczną pozwala na poprawną interpretację zebranych danych przy użyciu rozwiązań rolnictwa precyzyjnego i podejmowanie decyzji w zakresie stosowanej agrotechniki. Bardzo ważnym elementem pogłębiania wiedzy o zmienności pól jest wykonywanie weryfikacji polowej tego, co zarejestrowały czujniki do oceny właściwości gleby i roślin, oraz tego, co widzimy na mapach, np. glebowo-rolniczych, topograficznych i innych. Dlatego rolnictwo precyzyjne nie powinno być postrzegane tylko jako zarządzanie zza komputera, ale musi wciąż w praktyce oznaczać wyjście w pole w celu sprawdzenia (ang. scouting), jakie mogą być faktyczne przyczyny stanu gleby czy roślin zarejestrowanego przez czujniki i mierniki naziemne oraz te montowane na dronach lub satelitach. Tylko staranne i systematyczne gromadzenie oraz analiza danych przestrzennych pozwalają na ciągłe ulepszanie agrotechniki i sprawiają, że z czasem korzyści ze stosowania rozwiązań rolnictwa precyzyjnego przeważają nad kosztami jego wprowadzania.

Ufamy, że książka, którą oddajemy Państwu do lektury, będzie źródłem wiedzy z zakresu:

• oceny zmienności pól uprawnych, która jest podstawą wdrażania rolnictwa precyzyjnego,

• zastosowania i sposobu działania odbiorników GPS, które pozwalają na funkcjonowanie zdecydowanej większości urządzeń w rolnictwie precyzyjnym,

• oprogramowania; gromadzenia, organizacji i przygotowania danych przestrzennych,

• oceny właściwości gleby i roślin,

• stosowania zmiennej dawki środków produkcji,

• oceny zróżnicowania plonu w obrębie pól uprawnych jako efektu końcowego ciężkiej pracy rolnika.

W książce tej opisano również zagadnienia, które w ostatnich latach nabierają coraz większego znaczenia, gdy mówi się o rolnictwie precyzyjnym: wykorzystanie rolnictwa precyzyjnego w prowadzeniu gospodarstwa, zastosowanie systemów wspomagania przy podejmowaniu decyzji, jak i aspekty związane z jego opłacalnością i wdrażaniem. W skróconej formie, ze względu na obecnie dopiero rosnące znaczenie praktyczne, opisano również możliwości zastosowania robotów i systemów autonomicznych oraz tzw. internetu rzeczy (IoT – ang. Internet of Things) w rolnictwie precyzyjnym. Przedostatnim rozdziałem podręcznika są studia przypadków – gospodarstw rolnych, gdzie rolnicy bądź osoby odpowiedzialne za rolnictwo precyzyjne opisały kilka przykładów jego bardzo różnych wdrożeń w Polsce. Celowo wybrano gospodarstwa różniące się formą własności, powierzchnią, charakterem produkcji i stopniem zaawansowania wdrażania rolnictwa precyzyjnego. Ostatnim rodziałem książki jest opis prostych zastosowań rolnictwa precyzyjnego w małych gospodarstwach, nadal powszechnych w Polsce. W książce zawarto także wykaz anglojęzycznych skrótów i wyrażeń, w którym wyjaśniamy terminy powszechnie używane w rolnictwie precyzyjnym, a często zapożyczone z języka angielskiego i przez to nie zawsze zrozumiałe dla praktyków.

Wiedza zawarta w tym tomie w zdecydowanej większości przypadków odnosi się do przykładów zastosowań rolnictwa precyzyjnego w produkcji roślinnej. Natomiast należy pamiętać, że rolnictwo precyzyjne to również bardzo duży postęp i coraz częstsze wdrożenia praktycznych rozwiązań w produkcji zwierzęcej (ang. precision livestock farming), takich jak choćby monitorowanie warunków bytowania i stanu zdrowia, zachowania oraz wydajności pojedynczych zwierząt i całych stad. Jednak ze względu na pewną wspólną część niektórych zagadnień, takich jak: wykorzystanie odbiorników GPS, oprogramowanie, gromadzenie, organizacja i przygotowanie danych przestrzennych, ocena stanu łanu roślin (m.in. pastwisk) oraz opłacalność i wdrażanie rolnictwa precyzyjnego, książka ta może być również pomocna na początkowym etapie poznawania zagadnień dotyczących zastosowania rolnictwa precyzyjnego w produkcji zwierzęcej.

Informacje zawarte w podręczniku są aktualne na początek roku 2018. W związku z dynamicznym rozwojem związanym z technologiami rolnictwa precyzyjnego część danych, zwłaszcza dotycząca dostępnych rozwiązań, nawet po dość krótkim czasie może się zdezaktualizować. Jednak wiele ogólnych zasad dotyczących podstaw rolnictwa precyzyjnego i sposobów różnicowania uprawy oraz dawek środków produkcji pozostanie aktualna i będzie nadal obowiązywać.

Autorzy książki składają serdeczne podziękowania Paniom Annie Jędrejek, Małgorzacie Kozak i Małgorzacie Wydrze za pomoc przy technicznym opracowaniu podręcznika.

Stanisław SamborskiWprowadzenie

Rolnicy od tysiącleci obcują ze zmiennością przestrzenną (ang. spatial variability) pól uprawnych i wynikającym z niej zróżnicowanym plonowaniem roślin. Jednak zmienność plonu w obrębie pól wciąż budzi chęć lepszego poznawania jej źródeł i skutecznych sposobów jej ograniczania. Jest to inspiracją do badań w nauce, ale w praktyce rolniczej staje się źródłem trosk, choć często także pomysłowych rozwiązań, które zwiększają plony. Pierwszych wzmianek odnoszących się do zmienności pól uprawnych można doszukać się już w Biblii, w przypowieści o siewcy, gdzie jest napisane, że wysiane ziarna padły na różną glebę i w zależności od tego wydały też rozmaity plon. Jednak mimo świadomości dużej zmienności przestrzennej ziem uprawnych rolnicy uprawiali i zazwyczaj nadal uprawiają je w ten sam sposób, tj. stosując środki produkcji w jednakowej ilości na całym polu. Owszem, w najbiedniejszych rejonach świata czy też przy bardzo małej skali produkcji dość często nawozi się czy nawadnia pojedyncze rośliny indywidualnie, czyli można uznać, że bardzo precyzyjnie. Niemniej takie metody ze względu na pracochłonność mają niewielkie zastosowanie przy większej skali produkcji. Na początku lat 90. ubiegłego stulecia na skutek bardzo dużego postępu technologicznego pojawił się nowy system rolnictwa, nazywany rolnictwem precyzyjnym (ang. precision agriculture lub precision farming). Ten system rolnictwa, jak podaje jego pierwsza, bardziej szczegółowa, oficjalna definicja (US House of Representatives 1997), to:

„produkcja opierająca się na łączeniu różnych źródeł informacji tak, aby w długim przedziale czasu zwiększyć efektywność wykorzystania środków produkcji, wydajność i dochodowość w obrębie poszczególnych pól i całego gospodarstwa. Przy jedoczesnym ograniczeniu niezamierzonego negatywnego wpływu na dziką przyrodę i środowisko”.

Często podaje się jednak znacznie prostszą definicję rolnictwa precyzyjnego: stosowanie właściwych środków produkcji we właściwej ilości, we właściwym czasie i miejscu na polu. Jednak, jak wiadomo, w innych systemach rolnictwa też zaleca się, co zrozumiałe, stosowanie tylko właściwych środków produkcji i we właściwym czasie.

Co jest zatem odrębną cechą rolnictwa precyzyjnego? Możliwość stosowania środków produkcji (nawozów, pestycydów, nasion, wody) w różnej ilości, dostosowanej do zróżnicowanych warunków produkcyjnych w obrębie pola (ang. site-specific crop management, SSCM).

Celem rolnictwa precyzyjnego jest:

• poprawa efektywności wykorzystania środków produkcji,

• zwiększenie wydajności pracy ludzi i maszyn,

• usprawnienie zarządzania i poprawa warunków pracy w gospodarstwie,

• redukcja kosztów produkcji,

• optymalizacja jakości płodów rolnych,

• ograniczenie zanieczyszczenia środowiska,

• poprawa stopnia zrównoważenia systemu uprawy, czyli dobór dawki środka produkcji do zróżnicowanego przestrzennie na niego zapotrzebowania.

Gdy mówimy o rolnictwie precyzyjnym pojawiają się też pytania. Jakie jest jego odniesienie do pozostałych systemów rolnictwa? Jakie są jego możliwe zastosowania? Można uznać, że rolnictwo precyzyjne może być częścią składową każdego innego systemu rolnictwa. Rozwiązania rolnictwa precyzyjnego w systemie rolnictwa ekologicznego będą możliwe do wykorzystania, z wyjątkiem tych odnoszących się do stosowania zmiennej dawki większości pestycydów i nawozów mineralnych. Ale na przykład wykonanie map zróżnicowania zasobności gleby w składniki pokarmowe w obrębie pola będzie jak najbardziej możliwe i uzasadnione. Użycie precyzyjnych urządzeń do niechemicznego zwalczania chwastów będzie specyficznym sposobem wykorzystania rozwiązań rolnictwa precyzyjngo w rolnictwie ekologicznym. Natomiast wszystkie rozwiązania rolnictwa precyzyjnego mogą być z powodzeniem wykorzystywane w rolnictwie integrowanym. Sama jego nazwa mówi, że system ten integruje – czyli łączy – wszelkie rozwiązania korzystne w rolnictwie ze względów ekonomicznych, środowiskowych i społecznych. Stosowanie zmiennej dawki środka produkcji jest swoistą cechą rolnictwa precyzyjnego. To daje z kolei możliwość dostosowania wielkości tej dawki do zróżnicowanych właściwości chemicznych i fizycznych gleby, potrzeb pokarmowych roślin, potencjału plonowania czy nasilenia występowania agrofaga. Prowadzi zatem do większej równowagi między potrzebami a dawką zastosowanego środka produkcji i jest nieodzownym elementem rolnictwa zrównoważonego.

Dlaczego powstał system rolnictwa precyzyjnego? Wynikało to z potrzeby zwiększenia wydajności maszyn, obniżenia kosztów jednostkowych produkcji i zwiększenia efektywności wykorzystania stosowanych środków produkcji, co skutkuje ograniczeniem ich negatywnego wpływu na środowisko. Uprawa roślin jest prowadzona na coraz większych polach, co zazwyczaj przyczynia się do zwiększenia ich zmienności, na skutek scalania ziem uprawnych w przeszłości uprawianych odmiennie. Takie praktyki sprawiają jednak, że na dużych obszarach stosuje się te same dawki środków produkcji, a w efekcie uzyskuje się słabsze ich wykorzystanie, gdyż nie wszędzie jest taka potrzeba. Większe powierzchnie pól to teoretycznie również mniejsze możliwości traktowania wybranych obszarów indywidualnie. Jednak takie podejście do stosowania środków produkcji jest obecnie możliwe dzięki wdrażaniu rozwiązań rolnictwa precyzyjnego w zakresie: lokalizacji obiektów z użyciem odbiorników GPS (ang. Global Positioning System), systemów informacji geograficznej (GIS, ang. Geographic Information System), zbierania danych przy użyciu czujników i mierników, stosowania zmiennej dawki środków produkcji. Na przestrzeni lat system rolnictwa precyzyjnego rozwijał się. Początkowo było to tworzenie map zróżnicowania zasobności gleby w składniki pokarmowe, następnie map zróżnicowania plonu roślin w obrębie pola i stosowanie zróżnicowanej dawki nawozów zależnie od wspomnianego zróżnicowania zasobności gleby i plonów roślin. Ostatnie lata to znaczny postęp w zakresie stosowania zmiennej dawki nawozów azotowych, retardantów, fungicydów i desykantów na podstawie rejestrowanego przez czujniki naziemne, z powietrza i satelitarne stanu łanu roślin. Przyczyniły się do niego również szybko rozwijające się i bardzo dobrze przyjmujące się w praktyce systemy nawigacji ciągników i maszyn oraz automatycznej kontroli szerokości roboczej maszyn, takich jak m.in. rozsiewacze, opryskiwacze i siewniki. Ogromna ilość danych gromadzona w rolnictwie dzięki wymienionym systemom sprawia, że coraz częściej do rolnictwa precyzyjnego odnosi się też angielski termin big data, oznaczający bardzo duże i różnorodne zbiory danych, których przetwarzanie i analiza jest trudna, ale jednocześnie – po ich umiejętnej interpretacji – może prowadzić do zdobycia nowej, praktycznej wiedzy. Ze względu na sposób gromadzenia i użyteczność danych pozyskiwanych w rolnictwie precyzyjnym stosowane rozwiązania można podzielić na gromadzące bardzo dużo informacji (ang. information intensive) oraz oferujące rolnikowi dużo wiedzy możliwej do natychmiastowego wykorzystania (ang. embodied knowledge). Przykładem tego pierwszego rozwiązania jest rejestracja danych plonu roślin, gdzie gromadzona jest bardzo duża ilość informacji, ale do jej interpretacji i praktycznego wykorzystania potrzebna jest również duża wiedza rolnika lub osób doradzających. Podobnie jest też z wykorzystaniem w rolnictwie bezzałogowych systemów latających (BSL), potocznie nazywanych dronami. Możliwości ich praktycznego używania w przyszłości będą bardzo duże, ale aby gromadzona przez te systemy wiedza była użyteczna, potrzebna jest większa automatyzacja samego procesu zbierania i przetwarzania danych oraz ich interpretacji i szybkiego wprowadzenia w użycie zgromadzonej wiedzy. Natomiast do systemów już oferujących rolnikowi dużo wiedzy możliwej do natychmiastowego wykorzystania można zaliczyć nawigację ciągników i maszyn oraz automatyczną kontrolę szerokości roboczej maszyn. W tym przypadku, aby właściwie wykorzystywać wspomniane systemy, nie jest wymagana jakaś znacząca dodatkowa wiedza. Dlatego ze względu na łatwość i intuicyjność obsługi wynikającą z dużej automatyzacji, są one znacznie szybciej i w znacznie większej liczbie gospodarstw wdrażane niż aplikacje gromadzące dużo informacji. Przy obecnym postępie w automatyzacji i szybkości przetwarzania danych można zakładać, że systemy, które obecnie gromadzą dużą, wciąż trudną do interpretacji ilość danych, w przyszłości staną się praktycznymi rozwiązaniami (ang. application) wykorzystywanymi w rolnictwie.

Wdrażanie narzędzi rolnictwa precyzyjnego może być brane pod uwagę przez różnego typu i różnej wielkości gospodarstwa. Ale zawsze podstawą jego wprowadzania powinna być opłacalność bądź usprawnienie zarządzania i poprawa warunków pracy w gospodarstwie, które pośrednio też przyczyniają się do zwiększenia opłacalności produkcji. Często kontrowersje odnośnie do możliwości rozwoju rolnictwa precyzyjnego w Polsce budzi fakt bardzo dużego rozdrobnienia gospodarstw. Znaczna część obecnie oferowanych rozwiązań rolnictwa precyzyjnego jest w małych gospodarstwach wciąż nieopłacalna. Jednak znaczącą rolę w opracowaniu rozwiązań dla małych gospodarstw może odegrać duża pomysłowość polskich rolników, obserwacja ich lokalnych potrzeb i badania nad takimi rozwiązaniami, które usprawnią pracę w mniejszych gospodarstwach. Pierwszym krokiem we wdrażaniu bardzo prostych rozwiązań rolnictwa precyzyjnego w małych gospodarstwach powinno być systematyczne pobieranie i analiza próbek glebowych. To pozwoli na określenie zasobności gleby w składniki pokarmowe i pH gleby. Przy użyciu odbiornika GPS w telefonie można określić położenie geograficzne tych próbek w obrębie pola, a następnie przy użyciu systemu informacji geograficznej, np. w wersji demonstracyjnej – bezpłatnej, wykonać mapy zasobności i pH gleby. Na ich podstawie można opracować mapy stosowania zmiennych dawk nawozów. Samo wykonanie wysiewu zmiennych dawek nawozów często nie będzie możliwe w małych gospodarstwach, ale można to zrobić „ręcznie”, zwiększając bądź zmniejszając np. dawkę wapna tam, gdzie taka potrzeba jest wyraźnie widoczna na mapie. Jest też pewnie kwestią kilku, kilkunastu lat, kiedy do użycia w małych gospodarstwach wejdą tanie systemy nawigacji ciągników i maszyn. Proces ten powinna przyśpieszyć zaradność polskich rolników oraz bardzo duża liczba gospodarstw, w których takie rozwiązania mogłyby usprawnić ich pracę. Ostatnie lata to także wzrost liczby systemów automatycznej kontroli szerokości roboczej maszyn wykorzystywanych w gospodarstwach już kilkudziesięciohektarowych. Zastosowanie tych systemów daje natychmiastowe oszczędności w środkach produkcji, dość szybko zatem przynosi zwrot kosztów poniesionych na inwestycję i znacznie poprawia komfort pracy w produkcji roślinnej. Wdrażanie rozwiązań rolnictwa precyzyjnego w gospodarstwach dużych i bardzo dużych jest już powszechne w Polsce. Ze względu na dużą dostępność rozmaitych technologii nadąża ono za światowymi trendami w tym zakresie. Skala wdrożenia rolnictwa precyzyjnego w gospodarstwie może być bardzo różna, np. począwszy od oznakowania miejsc pobrania próbek glebowych przy użyciu odbiornika GPS, po stosowanie zmiennej dawki każdego ze środków produkcji: nawozów, pestycydów, nasion i wody do nawodnień.

Czy w każdym z ww. przypadków powinniśmy mówić już o systemie rolnictwa precyzyjnego? Myślę, że dokładniejsze będzie stwierdzenie, iż wykorzystujemy określone rozwiązania rolnictwa precyzyjnego. Dopiero wówczas, gdy kilka z nich jest wdrożonych i na podstawie jednego źródła pozyskanej informacji, np. mapy zróżnicowania zasobności gleby w składniki pokarmowe w obrębie pola, podejmujemy jakieś działanie, w tym przypadku tworzymy mapę zmiennej dawki nawozu i go wysiewamy, zaczynamy mówić o systemie rolnictwa precyzyjnego. Im system ten staje się bardziej rozbudowany, ale i przemyślany, tym dostrzegamy więcej korzyści z niego wynikających.

Stanisław Samborski1.1. WSTĘP

Bardzo często nawet na niewielkich polach, o powierzchni mniejszej niż 1 ha, można zaobserwować różnice dotyczące barwy i innych właściwości gleby, trudności w uprawie oraz zróżnicowanie plonów roślin (Błaszczak 2001, Usowicz i in. 2004, Kiepul 2008, Podlasiński 2013, Gałka i in. 2016). Co więcej, w tym samym miejscu danego pola plony mogą być bardzo różne – od bardzo niskich do bardzo wysokich – w zależności od przebiegu pogody w poszczególnych latach. W lata suche bywają niskie na obszarach piaszczystych i wyżej położonych, wrażliwych na suszę, i bardzo wysokie na obszarach gleb zwięzłych, zwłaszcza niżej położonych. W lata mokre sytuacja bywa odwrotna. Wynika to stąd, że w różnych miejscach jednego pola mogą występować inne, niekiedy przeciwstawne czynniki ograniczające plony i utrudniające użytkowanie gruntu. Konsekwencją tej sytuacji jest to, że stosowanie jednolitych (takich samych) zabiegów i dawek nawozów na wyraźnie zróżnicowanym polu może mieć negatywne skutki ekonomiczne i środowiskowe. Negatywne skutki ekonomiczne mogą polegać zarówno na zastosowaniu zbyt wysokich dawek środków produkcji w miejscach nisko plonujących, jak i na niewykorzystaniu potencjału plonowania miejsc najbardziej urodzajnych przez zbyt niskie nawożenie lub dawki innych środków produkcji, jeśli są one stałe (takie same) na całym polu. Z punktu widzenia środowiskowego szczególnie niekorzystne jest stosowanie zbyt wysokich dawek azotu i innych składników w miejscach o niskim potencjale plonowania, zwłaszcza w sąsiedztwie otwartych cieków lub zbiorników wodnych oraz tam, gdzie wody gruntowe występują na niewielkiej głębokości. Warto dodać, że pojawianie się chorób, szkodników i chwastów oraz rozwój ich populacji przebiega różnie, w zależności od miejsca na polu i przebiegu pogody w danym okresie wegetacyjnym (Radomski 1987). Dlatego jednym z najważniejszych aspektów rolnictwa precyzyjnego w produkcji roślinnej jest zróżnicowane zabiegów uprawowych oraz dawek środków produkcji w ramach jednego pola w zależności od miejsca i czasu wykonywania. Z punktu widzenia rolnictwa precyzyjnego zmienność pól odnosi się przede wszystkim do gleby, ale nie tylko – duże znaczenie ma również otoczenie, budowa geologiczna terenu i inne czynniki, takie jak poziom wód gruntowych, rzeźba terenu czy historia użytkowania.1.3. ILOŚCIOWE UJĘCIE ZMIENNOŚCI POLA (GEOSTATYSTYKA)

1.3.1.
WPROWADZENIE

Określenie w sposób ilościowy charakteru zmienności jakiejkolwiek cechy w obrębie pola (np. gleby czy rośliny) oraz umożliwienie jej interpretacj, wymaga wykonania przynajmniej trzech analiz:

• wstępnej oceny stacjonarności zmienności przestrzennej,

• rozpoznania zmienności lokalnej,

• oceny trendów w rozkładzie zmienności przestrzennej.

Analizy te są uniwersalne i mogą być stosowane zarówno dla zbioru danych punktowych zapisanych w formie wektorowej, jak i dla danych obrazowych, zapisanych w formie rastrowej. Ze względu na konieczność rozpoznania charakteru zmienności przestrzennej klasyczne metody statystyczne, zakładające istnienie rozkładu normalnego w dużej próbie, nie mają w tych badaniach zastosowania. Główną przyczyną jest powszechna obecność różnych trendów w przestrzeni geograficznej. Zaliczają się do nich m.in. zmienność właściwości fizycznych i chemicznych gleby spowodowana ukształtowaniem terenu lub różna intensywność wylegania zbóż związana z mozaiką glebową (przykłady w rozdziale 7). Kolejną przeszkodą w zastosowaniu klasycznych metod statystycznych jest zróżnicowanie zmienności wartości obserwowanych zjawisk w granicach poligonu badawczego (wariancja lokalna). Z powyższych względów lepszą, a czasami jedyną metodą ujęcia ilościowej zmienności pola jest zastosowanie geostatystyki. Sama nazwa mówi, że jest to dziedzina statystyki, poświęcona badaniom prowadzonym w przestrzeni. „Geo-” jest pierwszym członem wyrazów wskazującym na ich związek z kulą lub skorupą ziemską (np. geografia, geologia). Podstawowym narzędziem geostatystyki, które służy do oceny dwóch powyżej opisanych kluczowych specyfik w rozkładzie zmienności badanych zjawisk (trendu i wariancji lokalnej), jest wariogram. W praktyce wykorzystuje się jego zmodyfikowaną formę, zwaną semiwariogramem. Jest on graficznym przedstawieniem (funkcją) zależności między wartościami badanej cechy w analizowanej przestrzeni, np. pH gleby, zmienności plonu w obrębie pola.

Danymi, które mogą być zastosowane w analizie semiwariogramu, są dowolne zbiory, w których można wskazać punkty posiadające atrybuty lokalizacji oraz wartości badanej cechy. Teoretycznie skonstruowanie semiwariogramu polega na odnalezieniu wszystkich możliwych par punktów, obliczenia zróżnicowania ich wartości, czyli semiwariancji (połowy wariancji), i odległości między tymi parami. Obliczone semiwariancje (γ) odkładane są na osi pionowej (Y), a na osi poziomej X pomierzone odległości między parami punktów. Wykres taki nosi nazwę surowego semiwariogramu (ang. raw semivariogram) i w tej postaci jeszcze nie pozwala na wykreślenie przebiegu funkcji. Dlatego dodatkowo przyjmuje się zasadę, że na osi odciętych (X) wyznaczone zostaną przedziały o pewnej założonej długości wektora (h), które to będą grupowały pary punktów w podzbiory. Założenie to jest niezwykle istotne, ponieważ określenie tej długości jest wykonywane empirycznie przez osobę prowadzącą analizę i to głównie od jej doświadczenia zależy, czy rezultat (przebieg wykresu funkcji) będzie poprawny. W przypadku rolnictwa precyzyjnego wartość h powinna odpowiadać zakresowi zmienności przestrzennej danej cechy oraz planowanym rozmiarom stref wydzielanych w obrębie pola. Zakres tego parametru powinien zatem zawierać się w przedziale 5–20 m i w takich odległościach mają być mierzone właściwości gleby lub roślin podlegające ocenie. Na przykład, jeżeli h zostanie przyjęte jako odległość 10 m, wówczas program komputerowy prowadzący obliczenia znajdzie wszystkie pary punktów o odległościach mniejszych lub równych 10 m. Dla tak określonego podzbioru zostanie obliczona semiwariancja i odłożona na osi rzędnych (Y). Na osi odciętych (X) odłożona zostanie odległość odpowiadająca h = 10 m. Konsekwentnie wyznaczone zostaną semiwariancje dla kolejnych krotności h (10, 20, 30, …, m). Na rysunku 1.10 wyniki tych obliczeń przedstawiają punkty tworzące semiwariogram eksperymentalny, który można opisać następującym wzorem:

gdzie:

γ – to semiwariancja

N – to liczba par obserwacji w odległości h

z(u_(α)) – to wartość cechy w jej lokalizacji

z(u_(α) + h) – to wartość cechy w lokalizacji przesuniętej o wektor h.

Punkty semiwariogramu eksperymentalnego są podstawą do wykreślenia funkcji semiwariogramu teoretycznego. Istnieje szereg możliwych modeli, które wykorzystują funkcje: sferyczne (ang. spherical), wykładnicze (ang. exponential), liniowe (ang. linear) lub gaussowskie (ang. Gaussian) i inne do przedstawienia przebiegu zmienności danej cechy, najlepiej dopasowanego do punktów semiwariogramu teoretycznego oraz cech specyficznych badanego zjawiska, które mogą być znane ekspertowi (np. akceptowane wartości dla wariancji przypadkowej). Funkcja semiwariogramu teoretycznego charakteryzuje się następującymi cechami:

• wartością wariancji przypadkowej – losowej, tzw. efekt samorodka (ang. nugget effect),

• zakresem (ang. range),

• wartością progową (ang. sill).

Odpowiedniki anglojęzyczne nazw polskich podano ze względu na to, że większość narzędzi geostatystycznych stanowią programy komputerowe z anglojęzycznym interfejsem (np. ArcGIS Geostatistical Analyst, GS+, SAGA, R). W każdym przypadku analiza geostatystyczna prowadzona z wykorzystaniem semiwariogramu wymaga dobrania optymalnych wartości tych parametrów.

Wartość wariancji przypadkowej (efekt samorodka) danej cechy określa miejsce przecięcia wykresu funkcji z osią Y. Miejsce to na rysunku 1.10 oznaczono punktem Co. Można je interpretować jako losowe zróżnicowanie wartości danej cechy w skali pojedynczej próbki, które jest charakterystyczne dla danego zjawiska i nieskorelowane z odległością. Na przykład, wykonując pomiary odczynu gleby, nie powinniśmy być zaskoczeni, że w bardzo bliskich odległościach, np. gdy pomiary wykonane są co 1–2 m, wartości tej cechy gleby mogą różnić się od siebie np. o 0,9 pH, podczas gdy różnice w obrębie całego pola będą zawierały się w przedziale od 3 do 6 pH. Występowanie wariancji losowej jest przyczyną pobierania wielu pierwotnych próbek glebowych, a następnie ich mieszania i tworzenia próbki ogólnej – zbiorczej, jak zaleca PN-R-04031:1997 Analiza chemiczno-rolnicza gleby. Pobieranie próbek. W ten sposób otrzymujemy próbkę najbardziej reprezentatywną dla danego miejsca na polu. Wykonując analizę semiwariancji, przyjmujemy, że odległość, w której mogą wystąpić nieprzewidziane wahania oznaczanej wartości, jest mniejsza od długości wektora h. Na wykresie na osi X dąży ona do zera.

Zakres semiwariogramu to maksymalna odległość, do której obserwujemy występowanie zależności przestrzennych między wartościami par punktów. Jest to tzw. autokorelacja przestrzenna danych. Teoretyczna funkcja semiwariogramu od tego miejsca jest zwykle wypłaszczona, przyjmując charakter asymptoty, której wartością maksymalną jest semiwariancja równa wartości progu. Inaczej mówiąc, zasięg semiwariogramu to punkt, w którym funkcja ta przyjmuje przebieg poziomy (w praktyce zbliżony do poziomego), posiada odciętą równą wartości zakresu (ang. range), a rzędną równą wartości progowej (ang. sill).

Rysunek 1.10.

Semiwariogram. Punkty na wykresie odpowiadają semiwariancji (γ) wyznaczonej dla interwałów (h) w modelu semiwariogramu eksperymentalnego. Przykładowe semiwariogramy teoretyczne przedstawiono funkcjami: A) sferyczną, B) liniową, C) gaussowską

Źródło: opracowanie własne.

Ze względu na eksperckie, często bardzo indywidualne lub wariantowe podejście do analizy zmienności przestrzennej przy użyciu metody semiwariogramu rezultat końcowy nazywany jest modelem semiwariogramu, a proces analizy – modelowaniem semiwariancji. Semiwariogram, oprócz ilościowego opisu losowej i nielosowej zmienność danej cechy w obrębie pola, jest podstawą dla przeprowadzania interpolacji danych metodami geostatystycznymi. Parametry modelu semiwariogramu wykorzystywane są jako dane wejściowe we wszystkich rodzajach krigingu – jednej z najbardziej popularnych metod interpolacji. W tym przypadku termin „interpolacja” oznacza proces pozwalający na wyliczenie wartości badanej cechy w dowolnym miejscu pola, na podstawie wartości sąsiadujących już zmierzonych lub oznaczonych dla tej cechy. W praktyce oznacza to konwersję zbioru punktów do mapy rastrowej.

Więcej informacji o geostatystyce i jej metodach czytelnik znajdzie w poniższych podręcznikach: Magnuszewski (1999), Urbański (2008), Namysłowska-Wilczyńska (2006), Isaak i Srivastawa (1999). Pudełko (2007) opisał praktyczne zastosowanie geostatystyki w mapowaniu plonów oraz przy interpolacji właściwości gleby (Pudełko 2005).