Viena iš pagrindinių žemės ūkio priemonių augalų derlių užauginti optimaliomis sąnaudomis ir kuo mažiau kenkiant aplinkai yra tiksliosios (precizinės) žemdirbystės sistemos taikymas. Azoto trąšos yra vienos iš svarbiausių, nes šis elementas augalų gyvavimo cikle atlieka esminį vaidmenį. Tai pagrindinė mineralinė maisto medžiaga, kurios augalams reikia chlorofilui ir kitiems augalų ląstelių komponentams (baltymams, nukleino ir aminorūgštims) gaminti. Jo kiekiui nustatyti gali būti taikomi įvairūs būdai.

Augalai pasiima azotą kaip mineralinę maisto medžiagą daugiausiai iš dirvos, kur jis gali būti amonio katijono (NH₄ +) ir nitratinio anijono (NO₃ –) pavidalu, tačiau jo atsargos dirvoje dažnai būna ribotos. Siekdami didesnių derlių ūkininkai pasėlius gausiau tręšia azoto trąšomis.

Optimizuoti tręšimą azoto trąšomis yra daugumos visame pasaulyje atliekamų augalininkystės sektoriaus tyrimų tikslas. Žemdirbiai neretai pertręšia norėdami apsidrausti, kai nežino dirvožemio derlingumo lygio (pvz., apsirūpinimo azotu ir kitomis maisto medžiagomis). Deja, tokia praktika dažnai lemia menką azoto pasisavinimo efektyvumą, didelius liekamojo azoto kiekius lauke po derliaus nuėmimo ir nuostolius. Pertręšę azoto trąšomis ūkininkai dažniausiai nepasiekia optimalaus augalų produktyvumo, nes jie nesugeba pasisavinti trąšų pertekliaus.

Pastaraisiais metais mokslininkai ėmė kurti ir taikyti tiesiog lauke atliekamus neinvazinius azoto nustatymo pasėliuose metodus. Daugumos šių metodų veikimas pagrįstas optinių augalų savybių vertinimu. Joms įtakos turi keli veiksniai: vandens kiekis, lapų senėjimas, ligos, augalų sukauptos maisto medžiagos ir azotas augaluose.

Pagal spektroradiometrais, reflektometrais, palydoviniais jutikliais ir skaitmeninėmis kameromis gautus atvaizdus įvertinamos optinės augalų savybės ir iš jų nustatomas augaluose esantis azoto kiekis. Nustatyta, kad yra stiprus koreliacinis ryšys tarp optinių augalų parametrų ir juose esančio azoto. Dažniausiai tiriami šie optiniai augalų parametrai: šviesos atspindėjimas nuo lapų paviršiaus, lapų pralaidumas, chlorofilo ir polifenolių fluorescencija.

Standartiniai augalų atspindėjimo rodikliai

Augalų fotosintezei svarbaus chlorofilo pigmentai sugeria skirtingų bangos ilgių šviesos spindulius. Labiausiai sugeriami yra mėlynos ir raudonos matomos šviesos spinduliai. Vadinasi, šie spinduliai mažiausiai atsispindi nuo augalų paviršiaus. Žalios šviesos spinduliai yra mažiausiai sugeriami ir labiausiai atsispindi, todėl žmogus augalus ir mato žalius. Be to, labiau azotu aprūpinti augalai (tamsesnės žalios spalvos) mažiau atspindi matomos šviesos spektro spindulius nei augalai, kuriems azoto trūksta. Žalesnis augalas gerai sugeria matomos šviesos spindulius, o infraraudonuosius atspindi. Blankesnės spalvos silpnesnis augalas atspindi daugiau matomos šviesos spindulių, o infraraudonųjų mažiau. Juo geresnis augalų aprūpinimas azotu, tuo juose daugiau pagaminama chlorofilo, tuo jų žalia spalva yra tamsesnė. Lauko sąlygomis galima gerokai pakeisti augalo šviesos sugėrimą, pakeičiant augalo lapų atspalvį.

Pavyzdžiui, gausiai patręšus augalus azoto trąšomis, lapai įgauna tamsiai žalią atspalvį ir sugeria gerokai daugiau šviesos energijos negu netręštų augalų lapai. Trumpieji infraraudonieji spinduliai (> 690 nm) nuo augalų paviršiaus atsispindi. Labiau azotu aprūpinti augalai (tamsesnės žalios spalvos) dar labiau atspindi šio šviesos spektro spindulius. Beje, reikia atkreipti dėmesį į tai, kad chlorofilo kiekiui augaluose turi įtakos ir ligos, dirvos būklė (pvz., įmirkusi dirva) ir sieros kiekis. Ant augalų lapų susidariusi rasa taip pat lemia šviesos spindulių sugertį.

Augalų analizei ir azoto trąšų poreikį lemia NDVI rodiklis. Šis rodiklis vadinamas normalizuotu augmenijos vegetacijos skirtumo indeksu, tai paprastas grafinis indikatorius, kuris gali būti naudojamas analizuoti stebėjimo matavimus:

NDVI skaitinė reikšmė, priklausomai nuo augalo chlorofilo koncentracijos, apsirūpinimo azotu ir kitų veiksnių, gali kisti nuo 0 iki 1. Dirvos paviršiaus NDVI yra tarp 0 ir 0,18. Augalų, kuriems trūksta azoto, NDVI svyruoja nuo 0,18 iki 0,50. Jei NDVI santykis viršija 0,6 – augalai yra pakankamai apsirūpinę azotu ir jų tręšti nėra tikslo. Tyrimais buvo nustatyta NDVI rodiklio įtaka gautam augalų derliui.

Standartiniai metodai yra naudojami palyginti atspindėjimą žaliajame, raudonajame arba artimajame infraraudonajame diapazonuose su azoto kiekiu augaluose. Vietoj šio rodiklio galima naudoti atspindėjimų dviejuose skirtinguose spektro diapazonuose santykį, pvz., artimojo infraraudonojo santykį su raudonuoju arba artimojo infraraudonojo santykį su žaliuoju. Kiti standartiniai metodai apima tokius rodiklius, kaip normalizuotas augmenijos vegetacijos skirtumo indeksas (NDVI) arba pakoreguotas dirvos vegetacijos indeksas (SAVI). Abu šiuos rodiklius galima nesunkiai apskaičiuoti pagal atspindėjimo raudonajame ir artimajame infraraudonajame diapazone duomenis. Lygtys pateiktos lentelėje. Be to, signalą galima gauti pagal atspindėjimo raudonajame ir artimajame infraraudonajame diapazone „S“ formos kreivės išlinkio tašką. Šį raudonojo krašto išlinkio tašką galima rasti keliais būdais:

• matematiškai apskaičiuojant antrąją atspindėjimo kreivės išvestinę ir randant bangos ilgį, kur ji lygi nuliui;
• taikant empirinės aproksimacijos formules.

Pirmojo metodo trūkumas: atspin-dėjimo duomenys turi būti didelės spektrinės skiriamosios gebos, todėl reikia aprėpti daug diapazonų. Tai didina tyrimų kainą. Kalbant apie antrąjį metodą, empirinės aproksimacijos formulę pasiūlė Guyot et al., (1988). Pasirinkus šį metodą, reikia tik keturių skirtingų spektrų diapazonų.

Audinių analizė

Augalų audinių analizė yra taikoma kaip etaloninis azoto nustatymo augaluose metodas. Šis metodas yra naudojamas faktiniam azoto kiekiui augaluose palyginti su naujausiais metodais įvertintu azoto kiekiu. Taikant audinių analizės metodus, nustatomas apsirūpinimo azotu indeksas (angl. Nitrogen Nutrition Index), kuris yra susijęs su augalų biomase.

Azoto nustatymo metodų klasifikacija yra pateikiama paveikslėlyje. Dažniausiai yra taikomi augalų audinių analize paremti metodai, pavyzdžiui, Kjeldalio suskaidymo metodas (angl. Kjeldahl-digestion) ir Diuma sausojo deginimo metodas (angl. Dumas-combustion), nes jie leidžia patikimai aptikti organinį azotą augaluose. Tačiau tam reikia daug laiko ir šie metodai yra destrukciniai.

Vieną dažniausiai taikomų metodų azotui organiniuose junginiuose nustatyti 1883 m. pasiūlė Johanas Kjeldalis (Johan Kjeldahl). Šis metodas yra žinomas kaip Kjeldalio suskaidymo ir yra dažniausiai naudojamas azotui nustatyti maisto produktuose, gėrimuose, mėsoje, pašaruose, grūduose, mėšle, nuotėkose, dirvoje ir augalų audiniuose. Jis yra laikomas azoto įvertinimo biologiniame mėginyje etaloniniu metodu. Nors tyrėjai patobulino klasikinį Kjeldalio metodą, vienas didžiausių jo trūkumų yra tai, kad metodu nustatomas tik organinis azotas, prijungtas tri-neigiamo-je būsenoje ir juo negalima nustatyti kitų azoto formų, pvz., nitratų ir nitritų.

Išvengti kai kurių Kjeldalio metodo trūkumų leidžia Žano Baptisto Diuma (Jean-Baptiste Dumas) 1831 m. pasiūlytas azoto nustatymo sausuoju deginimu metodas. Kadangi deginant sausuoju būdu galutinis gaunamas produktas yra N₂, o ne amoniakas, o deginimui nereikia toksiškų reagentų, Diuma metodas ne toks taršus kaip Kjeldalio. Be to, Diuma metodu galima nustatyti suminį azoto kiekį mėginio sudėtyje geriau negu Kjeldalio skaidymo metodu, kai yra didelis nitratų kiekis.

Nepaisant Diuma metodo privalumų Kjeldalio metodo atžvilgiu, ir Diuma metodas turi tam tikrų trūkumų, įskaitant tai, kad dėl nevisiško sudeginimo iš mėginio prarandama šiek tiek azoto, o mėginio svoris turi būti nedidelis (200–300 mg).

Lauke augančių augalų azoto kiekio nustatymo įrenginiai

Žemės ūkio produktų gamybos technologijoms tobulinti yra siūloma azoto trąšas skleisti pagal atskirų lauko vietų ypatumus. Nepaisant augalų audinių analizės metodų efektyvumo, juos taikant, reikia invaziniu būdu paimti viso augalo ar jo dalių mėginius. Be to, taikant Kjeldalio ir Diuma metodus, mėginius pirmiausiai reikia apdoroti ir paruošti, o analizę atlikti specializuotoje laboratorijoje, tai kainuoja brangiai ir atima daug laiko.

Subalansuoti augalų aprūpinimą azotu ir jo pasisavinimą reikia ne tik todėl, kad tik taip galima optimizuoti augalų augimą ir ekonominę grąžą, bet ir todėl, kad taip galima sumažinti neigiamą poveikį aplinkai. Mokslininkai yra parengę strategijas, kaip jutikliais surinktą diagnostinę informaciją apie augalus galima panaudoti tręšimo azotu rekomendacijoms sudaryti.

Pastaraisiais metais mokslininkai ėmėsi kurti ir taikyti tiesiog augalų lauke atliekamus neinvazinius azoto nustatymo pasėliuose metodus. Dauguma jų veikia priklausomai nuo optinių augalų savybių.

Pavyko sukurti metodus, kurie yra grindžiami lapų pralaidumo savybėmis (SPAD, „Konica Minolta“), lapuose esančio chlorofilo fluorescencija (Dualex, MiniVeg N Sensor, „Fritzmeier“), šviesos spindulių atspindėjimo nuo augalų paviršiaus vertinimu (GreenSeeker, „NTech Industrines“; Yara N sensor, „YARA International ASA“; CropScan; „Cropscan Inc.“; FieldSpec, „ASD Inc.“; ISARIA „Fritzmeier“; CropSensor, „Fritzmeier/ Claas Agrosysytems“; CropCircle, „Holland Scientific“; CropSpec, „Topcon“; OptRx, „AgLeader“), palydovinių atvaizdų duomenimis (QuickBird), o neseniai ir skaitmeninių vaizdų apdorojimu.

Keičiantis maisto medžiagų kiekiui augaluose, kinta jų optinės savybės, o augalų elektrines savybes paveikia fiziologinė ir sukauptų maisto medžiagų būsena. Azoto kiekiui augaluose nustatyti naudojamas ir jų mechaninių savybių tyrimas (CropMeter, „Agrocom“). Šiuo metodu švytuokliniu jutikliu (angl. pendulum sensor) lauko sąlygomis matuojamas javų stiebų standumas, kuris koreliuoja su azoto kiekiu augaluose.

Kituose žurnalo numeriuose skaitykite apie azoto kiekio augaluose nustatymo priemones ir įrangą