Прежде всего, негативное воздействие на почву наносит ущерб сельскому хозяйству до такой степени, что выращивание растений становится невозможным. Это представляет собой удар по стабильному продовольственному снабжению. Также крайне важно как можно скорее принять меры по восстановлению пострадавшей почвы для достижения устойчивого сельского хозяйства.

Цунами, вызванное Великим восточнояпонским землетрясением 2011 года, нанесло значительный ущерб сельскохозяйственным угодьям Японии. Возникли опасения по поводу засоления посевов из-за проникновения морской воды. Поэтому в рамках проекта по восстановлению после стихийного бедствия на пострадавших сельскохозяйственных угодьях на обширной территории были проведены работы по опреснению воды. Также был проведен демонстрационный эксперимент по мониторингу засоленности с помощью почвенных датчиков на сельскохозяйственных угодьях после опреснения. Каков потенциал сенсорных технологий в сельском хозяйстве? Мы поговорили с Хитоши Канно, бывшим доцентом Высшей школы Университета Тохоку, чтобы получить обзор работ по опреснению воды и использованию сенсорных технологий в интеллектуальном сельском хозяйстве.

Какой ущерб глобальное потепление наносит почве и сельскохозяйственной продукции?

— Говорят, что засоление наносит серьезный вред сельскому хозяйству. Насколько важна почва для сельского хозяйства?

Некоторые почвы пригодны для выращивания сельскохозяйственных культур, другие — нет. Даже когда мы просто говорим «пригодна для выращивания сельскохозяйственных культур», необходимо учитывать несколько факторов. Что касается физических аспектов, например, важно, чтобы почва хорошо дренировалась и не создавала проблем для роста корней. Кроме того, с точки зрения химических аспектов, важно, чтобы она могла адекватно обеспечивать растения необходимыми питательными веществами. Также разнообразие микроорганизмов и других живых организмов имеет решающее значение для предотвращения дисбаланса свойств почвы, обеспечивая процветание только определенных патогенов.

На самом деле, классификация почв таким образом — непростая задача. Свойства почв, пригодных для сельского хозяйства, меняются в зависимости от их предполагаемого использования.

— Расскажите, какие именно исследования вы проводите в рамках своей специализации в области почвоведения.

Почвоведение — это дисциплина, которая занимается исследованиями процессов образования почвы, её состава, характеристик и способов использования. Среди этих тем моя специализация — наука об удобрении почвы. Мои исследования в основном сосредоточены на том, как рост растений и усвоение питательных веществ изменяются в результате взаимодействия почвы и сельскохозяйственных культур.

Изменение климата распространяется по всему миру из-за последствий глобального потепления. В этом контексте, с какими проблемами сталкивается почвоведение?

В Японии ущерб, причиненный проливными дождями и другими погодными явлениями, часто связывают с глобальным потеплением. Однако в других регионах мира также наблюдается снижение количества осадков из-за последствий изменения климата. Накопление солей в почве и, как следствие, повреждение урожая стали серьезными проблемами в этих районах.

Почему солевые повреждения возникают при малом количестве осадков?

В районах с высокой влажностью, где дожди идут круглый год, количество осадков превышает количество воды, испаряющейся с поверхности почвы. Это означает, что соль с меньшей вероятностью остается в почве. Однако в полузасушливых районах количество грунтовых вод, поднимающихся на поверхность и затем испаряющихся, превышает количество осадков. В результате соль, содержащаяся в грунтовых водах, остается у поверхности почвы (накопление соли), и это становится причиной засоления сельскохозяйственных культур. Неправильный полив также может привести к накоплению соли на сельскохозяйственных землях.

При засолении почвы изменяются ее свойства. Это также влияет на рост сельскохозяйственной продукции.

Основные последствия засоления для сельскохозяйственной продукции заключаются в том, что оно препятствует поглощению влаги и значительно нарушает баланс питательных веществ из-за воздействия накопившейся в почве засоленности. В результате культуры не могут в достаточной мере усваивать необходимые питательные вещества.

Физические и биологические свойства почвы также могут изменяться. Следовательно, если накапливается соль, почва становится непригодной для выращивания сельскохозяйственных культур.

Использование почвенных датчиков для оценки засоления в районах, пострадавших от цунами после Великого восточнояпонского землетрясения

— Сельскохозяйственные угодья, расположенные в основном вдоль побережья Тихого океана в регионе Тохоку, сильно пострадали от цунами, вызванного Великим восточнояпонским землетрясением 2011 года. Помимо ущерба, причиненного разрушением ирригационных и дренажных сооружений, притоком постороннего мусора, такого как обломки, и стоком почвы, существовали серьезные опасения, что на урожайность повлияет проникновение морской воды (засоление) (Фото 1).

Фото 1: Почва рисового поля, где произошла эрозия и накопление солей в результате цунами, вызванного Великим восточнояпонским землетрясением.

Это крайне редкий для Японии случай проникновения морской воды на обширную территорию. Засоление почвы временно повысилось, что сделало невозможным выращивание сельскохозяйственных культур. Поэтому в рамках проекта по ликвидации последствий стихийного бедствия были проведены масштабные работы по опреснению, чтобы пресная вода могла проникнуть в почву и вымыть из нее соль.

Основная процедура обработки рисовых полей заключалась в многократном ожидании снижения уровня воды в течение нескольких дней после заполнения полей свежей водой, а затем в измерении солености почвы перед добавлением новой воды, если соленость оставалась слишком высокой. Эта процедура снижала соленость почвы до уровня (стандартного значения), не представляющего проблемы для выращивания сельскохозяйственных культур.

Работы по опреснению воды проводились в основном в течение трех лет, начиная с 2011 года, в рамках проекта по ликвидации последствий стихийного бедствия. Первый год был посвящен внутренним районам, пострадавшим от проникновения морской воды. Второй и третий годы были переключены на прибрежные районы, сильно пострадавшие от цунами. В конечном итоге, опреснение было завершено почти в 99% районов, охваченных проектом по ликвидации последствий стихийного бедствия.

Разве не так? Для измерения солености сельскохозяйственных земель с течением времени после опреснения использовались почвенные датчики

В 2013 году, через два года после землетрясения, Университет Тохоку и компания Murata Manufacturing совместно провели демонстрационный эксперимент по многомодальным датчикам на сельскохозяйственных угодьях, пострадавших от цунами. В рамках этого эксперимента фермерам из трех пострадавших от стихийного бедствия районов префектуры Мияги было предложено проводить мониторинг, устанавливая почвенные датчики в некоторых своих рисовых полях, где были завершены работы по опреснению воды. Почвенные датчики были установлены на глубине 10 см, 20 см и 30 см соответственно в нескольких точках рисового поля после посадки. Затем демонстрационный эксперимент продолжился с использованием беспроводной системы мониторинга окружающей среды, которая продолжала собирать данные посредством беспроводной связи в течение всего вегетационного периода.

Используемые нами в демонстрационном эксперименте почвенные датчики способны одновременно отслеживать температуру почвы и электропроводность (EC)*1. Это многомодальный почвенный датчик*2. Чем выше содержание соли в почве, тем легче протекает электрический ток. Используя эти знания, мы использовали измеренные значения EC в качестве индикатора засоленности почвы и затем наблюдали за их изменениями.

*1: Это показатель электропроводности. Он указывает на то, насколько легко протекает электрический ток. Единица измерения — С/м (сименс на метр). Сила тока также изменяется из-за колебаний концентрации ионов во влаге почвы. Поэтому он становится индикатором засоленности.

*2: Эта система позволяет одновременно обрабатывать несколько точек данных. В этом демонстрационном эксперименте использовались мультимодальные датчики с функциями датчика температуры и датчика электропроводности.

— Пожалуйста, подробно расскажите, как именно вы измеряли изменения солености с помощью почвенных датчиков в демонстрационном эксперименте.

Первоначально данные о температуре почвы и электропроводности (EC), измеренные почвенными датчиками каждые 30 минут, передавались по беспроводной связи на базовый блок беспроводной системы мониторинга окружающей среды, установленной нами рядом с рисовыми полями, и затем сохранялись на карте памяти. Мы ездили на рисовые поля за картами памяти раз в две недели. Мы импортировали данные в компьютер и наблюдали за изменениями числовых значений. Кроме того, при сборе карт памяти мы измеряли значения электропроводности почвы традиционным методом, используя образцы почвы, взятые на каждой глубине. Эти образцы собирались путем введения буров вокруг мест установки почвенных датчиков. Мы также сравнивали эти измерения со значениями электропроводности, полученными от почвенных датчиков (Фото 2).

Фото 2: Беспроводная система мониторинга окружающей среды, которая беспроводным способом собирает данные с почвенных датчиков [Вверху слева: многомодальный почвенный датчик / Вверху справа: беспроводной модуль расширительного блока, установленного на испытываемом рисовом поле (три таких датчика вмонтированы в почву и соединены кабелем) / Внизу справа: датчики, вмонтированные в почву / Внизу слева: базовый блок на гребне рисового поля].

— Какие возможности использования датчиков вы обнаружили в ходе этого демонстрационного эксперимента?

С помощью почвенных датчиков и беспроводной системы мониторинга окружающей среды мы можем одновременно и непрерывно получать разнообразные данные из множества точек. Это также позволяет нам анализировать факторы окружающей среды, лежащие в основе колебаний, а также изменений солености в каждом месте и на каждой глубине. Я считаю, например, что станет возможным точно оценить риски засоления, вызванные воздействием и другими последствиями изменений погоды и сельскохозяйственных работ, например, после дождя или при осушении рисового поля в рамках подготовки к уборке урожая. К счастью, мы не наблюдали каких-либо проблемных повышений солености в течение вегетационного периода ни на одном из рисовых полей, использованных в этом демонстрационном эксперименте.

Проблема использования датчиков в интеллектуальном сельском хозяйстве: сопоставление данных с данными о прошлых показателях

— Что вы думаете о важности технологий обнаружения в интеллектуальном сельском хозяйстве будущего?

Возможность непрерывного получения данных каждые 30 минут в демонстрационном эксперименте 2013 года стала для меня новым опытом. Традиционный метод измерения электропроводности почвы заключался в измерении электропроводности водной суспензии в собранном нами образце почвы. Нам приходилось каждый раз выезжать на место измерения, чтобы взять образец. Частота измерений составляла один раз в неделю или один раз в месяц. Непрерывное измерение почвы без датчиков было невозможно. Другими словами, использование датчиков упрощает получение больших объемов сельскохозяйственных данных. Я считаю, что это будет чрезвычайно важно для интеллектуального сельского хозяйства в будущем.

Однако метод измерения электропроводности (EC) с помощью почвенных датчиков несколько отличается от метода измерения EC почвы при оценке засоленности в сельском хозяйстве. Обычно мы измеряем значение EC (значение EC почвы) водной суспензии, представляющей собой смесь воды и почвы, и затем используем это значение в качестве ориентира для оценки засоленности почвы. Однако значение EC, полученное с помощью почвенных датчиков, является результатом сложной функции засоленности поровой воды и различных характеристик почвы. Следовательно, взаимосвязь между значением EC почвы и значением EC, полученным с помощью почвенного датчика, может варьироваться в зависимости от типа почвы и различий в водном статусе. Поэтому я считаю, что сложность заключается в детальном понимании взаимосвязи между этими двумя показателями.

— Как в будущем будет заполнен этот пробел в данных?

В будущих исследованиях нам потребуется сопоставить большой объем данных о почве, измеренных в прошлом, с данными, полученными недавно с помощью датчиков. Демонстрационный эксперимент по анализу факторов, влияющих на солеустойчивость риса с неглубокой корневой системой в почве, будет проводиться с июня 2022 года по март 2023 года. Я слышал, что новые данные будут собраны и сопоставлены с прошлыми данными с использованием новых, усовершенствованных почвенных датчиков, совместно разработанных Университетом Тохоку и компанией Murata Manufacturing.

Поэтапное решение проблем также приведет к реализации цифровой трансформации (DX) и «умного» земледелия в агропромышленном секторе, а также к другим достижениям.

Почва не претерпевает быстрых изменений. Поэтому анализ почвы обычно не требует сбора данных в режиме реального времени в такой степени. Однако исследования моделей роста сельскохозяйственных культур требуют разнообразных данных (температура, влажность, солнечная радиация, направление ветра, количество и содержание удобрений), чтобы увидеть, какие различия возникают в урожайности (количество собранного урожая). Модели урожайности уже давно строятся с использованием средних значений температуры воздуха, температуры почвы и влажности за определенный период.

Использование данных, полученных с помощью системы экологического мониторинга, включая почвенные датчики и другие технологии, внесет значительный вклад в это исследование. Если мы сможем получить большой объем данных в режиме реального времени, используя множество датчиков, мы сможем делать еще более точные прогнозы урожайности. Также станет возможным рассмотреть меры по корректировке прошлых моделей роста, и я считаю, что это продвинет наше исследование вперед.

АВТОР: Хитоши Канно, МУРАТА