Pastaraisiais metais mokslininkai ėmė kurti ir taikyti tiesiog lauke atliekamus neinvazinius azoto nustatymo pasėliuose metodus. Daugumos šių metodų veikimas pagrįstas optinių augalų savybių vertinimu. Optinėms savybėms 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.

Lapuose esančio chlorofilo kiekio nustatymo įranga

Chlorofilas yra pats svarbiausias lapų pigmentas, lemiantis jų žalumą. Chlorofilo kiekis lapuose gali būti laikomas azoto kiekio indikatoriumi, nes jis yra esminis elementas, dalyvaujantis baltymų fotosintezėje. SPAD-502 chlorofilo matuoklis yra vienas dažniausiai tiriamuosiuose darbuose naudojamų instrumentų azotui augaluose nustatyti. Lapo fragmentas dedamas į nedidelę kamerą ir yra veikiamas dviem šviesos šaltiniais: raudonųjų (640 nm) ir infraraudonųjų spindulių (940 nm) šaltiniais, esančiais virš lapo. Per lapą prasiskverbiančią šviesą nuosekliai registruoja po lapu esantys jutikliai. Perfiltruotų bangų ilgių pralaidumo skirtumas yra chlorofilo kiekio indikatorius vienam lapo ploto vienetui.

Prietaisas Dualex yra skirtas registruoti polifenolių junginių kiekį lapuose pagal chlorofilo fluorescenciją. Vandenyje tirpūs glikozilinti flavonoidai, polifenoliai yra anglies pagrindu sudaryti junginiai ir antriniai medžiagų apykaitos produktai lapuose, kurie susidaro, kai augalams trūksta azoto, ir kurie kaupiasi ląstelių vakuolėse. Prietaisu Dualex nustatomi polifenoliai pagal chlorofilo fluorescenciją. Jis turi dviejų bangos ilgių sužadinamuosius šaltinius: chlorofilo fluorescencijos sužadinimo šviesos šaltinį, 375 nm (UV), ir etaloninį šviesos šaltinį, 650 nm (raudonųjų spindulių). Šie spinduliai suaktyvinami nuosekliai (vienas po kito). Polifenoliai sugeria UV šviesą, priklausomai nuo jų koncentracijos, o raudonieji spinduliai praeina per epidermį ir nesugeriami, prieš jiems pasiekiant chlorofilą, esantį mezofilyje. Prietaisu Dualex išmatuojama fluorescencinė šviesa, skleidžiama 695 nm chlorofilo ir sužadinta UV ir raudonaisiais spinduliais. Po to prietaisas apskaičiuoja nuo lapo ploto priklausantį santykį tarp abiejų fluorescencijos reakcijų.

Dėl mobilumo, greitai gaunamų atsakymų ir prieinamos kainos vis labiau imta gilintis į chlorofilo rodmenų panaudojimo galimybes azotui įvairiuose augaluose įvertinti. Chlorofilo vertinimas gali priklausyti nuo augalų augimo stadijos, veislės, vandens kiekio dirvoje ir kitų (ne vien azoto) maisto medžiagų stokos. Siekiant šiais tyrimais gauti kuo patikimesnius azoto augaluose duomenis, siūlomos net kelios jų atlikimo metodikos. SPAD chlorofilo rodmenys būna geresni, kai jis tiriamas arčiau lapo vidurio taško, vengiant viduriniosios lapo gyslos.

Lapų chlorofilo matavimas gali būti naudingas kaip pirminis, vizualinis indikatorius, iš anksto perspėjantis apie augalams gresiantį azoto trūkumo sukeliamą stresą. Nustatyta, kad iš fluorescencijos galima atskirti augalus, kuriems azoto trūksta ir kuriems jo užtenka. Tyrėjai yra sukūrę metodų ir jutiklių, kuriais galima nustatyti chlorofilo fluorescenciją lapuose ir taip įvertinti augalų patiriamą maisto medžiagų stoką. Sistema geba atlikti matavimus, kai jutiklis yra 3-4 cm atstumu nuo augalo. Naudojamas 630 nm lazeris, kurio spindulys pulsuoja tam, kad būtų galima atskirti saulės šviesos sukeliamą fluorescenciją nuo lazerio fluorescencijos. Jutiklis aptinka chlorofilo skleidžiamą švytėjimą specialiu optiniu teleskopu, turinčiu spindulio daliklius ir filtrus, kurių bangų ilgiai yra 690 nm ir 730 nm. Azoto kiekis augaluose nustatomas apskaičiuojant minėtų bangų ilgių fluorescencijos santykį.

Matuojant lazeriu sužadinamą fluorescenciją galima įvertinti kviečių vainiko aprūpinimą azotu ir atitinkamai sudaryti tręšimo azotu rekomendacijas. Azoto kiekio augaluose nustatymas chlorofilo fluorescencijos būdu gali padėti įveikti tam tikrus atspindėjimu pagrįstų chlorofilo metodų trūkumus ir apribojimus. Fluorescencijos jutikliai gali pašalinti klaidingus signalus nuo plikos dirvos, tačiau jų negalima naudoti taip pat, kaip naudojami kiti nuotoliniai jutikliai, pvz., Yara N Sensor, GreenSeeker RT 200 arba Crop Circle ACS-430, kurių veikimas yra pagrįstas atspindėjimo vertinimu. Neseniai buvo sukurtas dar naujesnis rankoje laikomas optinis fluorescencijos jutiklis Multiplex. Jis sužadina chlorofilą, skleisdamas spindulius keturiais bangų ilgiais ir matuodamas chlorofilo fluorescenciją skirtinguose diapazonuose. Šis jutiklis geba atskirti poveikį azotu vienodai gerai ir šešėlyje, ir saulės šviesoje, ir bet kuriuo paros metu. Tačiau Multiplex jutikliu matavimai turi būti atliekami maždaug 10 cm atstumu nuo augalo, aprėpiant 50 cm² plotą, todėl jį taikyti azoto kiekiui augaluose stebėti didesniuose plotuose yra sunku. Nepaisant to, neseniai atliktuose tyrimuose užsimenama, kad Multiplex jutiklis yra naudojamas azotui augaluose nustatyti kaip antžeminis jutiklis.

Apskritai fluorescencijos technologijos dar nėra labai populiarios, taikant precizinę azoto trąšų vadybą dėl trūkumų, būdingų fluorescencijos parametrų matavimui natūraliomis sąlygomis. Palyginti su atspindėjimu, fluorescencija panaikina klaidingus signalus nuo plikos dirvos, todėl geriau tinka ankstyvosioms augimo stadijoms ir lauke rečiau išsidėsčiusiems augalams tirti.

Beje, daugumos fluorescencijos jutiklių negalima naudoti taip, kaip kitų nuotolinių atspindžio jutiklių, kurie lauke gali matuoti jų nesustabdžius (angl. on-the-go). Šiuo metu rinkoje yra tik firmos „Fritzmeier" sukurtas augalų jutiklių įrenginys Mini Veg N Sensor, skirtas matuoti augalų chlorofilą nestabdomai. Atliekant kai kuriuos tyrimus, kad gauti azoto kiekio rezultatai būtų kuo tikslesni, sujungiami keli tradiciniai ir fluorescencija paremti metodai.

Azoto kiekio nustatymas pagal šviesos spindulių atspindėjimą nuo augalų paviršiaus

Azotas augaluose vertinamas ir neinvaziniais nuotoliniais šviesos spindulių atspindėjimo nuo augalų paviršiaus tyrimo metodais. Jais išmatuojamas tam tikro ploto ar viso pasėlių lauko vainiko atspindėjimas. Be to, chlorofilo lapuose vertinimai yra nepakankamai jautrūs, kad būtų galima atskirti skirtingus veikimo azotu būdus.

Atlikti keli tyrimai, per kuriuos azotas augaluose buvo vertinamas apdorojant vainiko atspindėjimo atvaizdus. Yra įmanoma apdoroti atspindėtą elektromagnetinę energiją ir nustatyti tam tikras augalų biochemines bei biofizikines savybes, pvz., lapų ploto indeksą (angl. leaf area index, LAI), augalų antžeminę masę (angl. aboveground biomass, AGB) ir azoto koncentraciją juose. Be to, remiantis tam tikrais vainiko atspindėjimo duomenų bangų spektro deriniais, galima apskaičiuoti ir kitus rodiklius: normalizuotą vegetacijos skirtumo indeksą, vegetacijos santykio indeksą (angl. ratio vegetation index, RVI) ir kitus indeksus, išvestus daugiausiai iš raudonojo, žaliojo ir artimo raudonajam spektrui pasėlių vainiko atspindėjimo duomenų. Jutiklių teikiama informacija padeda įvertinti pasėlio būklę ir pagal ją sudaryti tręšimo azotu rekomendacijas.

Rinkoje parduodami atspindėjimo jutikliai pagal jų šviesos šaltinį skirstomi į pasyviuosius ir aktyviuosius. Pasyviaisiais pasėlių vainiko atspindėjimo jutikliais (pvz., FieldSpec, CropScan) matuojamas pasėlių vainiko atspindėjimas, kurį sukelia saulės šviesa. Aktyvieji jutikliai turi nuosavą šviesos šaltinį, todėl išvengiama priklausomybės nuo saulės šviesos. Prie aktyviųjų jutiklių priskiriami šie prietaisai: prie traktoriaus tvirtinamas Yara azoto jutiklis, rankiniai prietaisai Green- Seeker ir CropCircle.

Yara azoto jutiklis turi ksenono blykstę, kuri skleidžia stiprią daugiaspektrę šviesą. Juo galima matuoti ir registruoti pasėlių šviesos atspindėjimą bangų diapazone nuo 450 iki 900 nm. Šio prietaiso viduje yra dar vienas spektrometras, kuris registruoja aplinkos apšvietimą ir kuris yra naudojamas pasėlių atspindėjimo signalo negrįžtamam koregavimui. Kiti aktyvieji atspindėjimo jutikliai generuoja tik dviejų spektrų šviesos bangas: raudonojo (660 nm) ir artimojo infraraudonojo spektro (770 nm), kurias naudoja GreenSeeker, o CropCircle turi gintarinės (590 nm) ir artimojo infraraudonojo spektro (880 nm) šviesą generuojantį įtaisą.

Buvo palyginti Yara ir GreenSeeker jutiklių rezultatai ir išanalizuotos šiais prietaisais gautos NDVI vertės, tiriant kukurūzų ir vasarinių kviečių laukus tam tikrose augimo stadijose. Yara jutiklis geba išmatuoti ir užregistruoti spektrinę informaciją platesniame diapazone negu GreenSeeker prietaisas. Yara azoto jutikliu buvo užregistruota spektrinė informacija penkiais atskirais bangų diapazonais, iš kurių duomenys surinkti 660 ir 740 nm bangomis buvo naudojami NDVI apskaičiuoti. Tiriant kviečius, prietaisais Yara ir GreenSeeker apskaičiuotos NDVI vertės gebėjo apibūdinti pasėlių vainiko kitimą pagal azoto kiekį pasėliuose, tačiau kai NDVI vertės buvo artimos prisotinimo lygiui, Yara jutiklis buvo ne toks jautrus kaip GreenSeeker. Tiriant kukurūzus, prieita prie išvados, kad abu jutiklius galima naudoti azoto poreikiui apskaičiuoti iki 5 augimo stadijos. Yara azoto jutiklis užregistruoja daugiau biomasės viename dirvožemio paviršiaus vienete negu GreenSeeker ir jį galima sukonfigūruoti taip, kad apskaičiuotų tokius rodiklius, kaip NDVI ar kitus santykinius indeksus, tačiau jo veikimas priklauso nuo apšvietimo saulės šviesa sąlygų, todėl jį galima naudoti tik šviesiuoju paros metu. Prietaisu GreenSeeker taip pat galima apskaičiuoti regimojo ir artimojo infraraudonojo spektro atspindėjimo duomenis, pvz., paprastą santykį NIR/VIS, atvirkštinę priklausomybę VIS/NIR, ir pagal dirvą priderintą vegetacijos indeksą, kuriam reikia ir dirvos ryškumo koeficiento.

Firmos „Fritzmeier" augalų jutiklis Isaria turi du LED šviesos šaltinius, kurie sumontuoti dviejuose atskiruose korpusuose ant išlankstomo rėmo traktoriaus priekyje. Darbo metu rėmas išlankstomas taip, kad jutikliai būtų maždaug apie metrą virš pasėlio. LED šaltiniai atskirais laiko momentais skleidžia skirtingų bangos ilgių šviesą, kurios dalį augalai sugeria, dalį - atspindi. Šalia LED lempučių yra šviesos detektorius, kuris tiksliai fiksuoja atsispindėjusią nuo augalų šviesą. Su šiuo įrenginiu galima dirbti dieną ir naktį, nes jame yra įrengtas papildomas šviesos šaltinis, kuris tamsiuoju paros metu sužadina medžiagų apykaitą augaluose.

Firmos „Claas" atstovai teigia, kad dirbant augalų jutikliu Crop Sensor galima gauti apie 2 proc. didesnį derlių. Kartu efektyviau panaudojamos azoto trąšos. Javai mažiau išgula, tolygiau subręsta, todėl javų kombaino darbas yra tolygesnis ir našesnis. Šio įrenginio dirbtinės šviesos šaltinis yra LED lemputės, kurios augalus apšviečia pulsuojančiu (40 kHz) šviesos srautu. Atsispindėję spinduliai matuojami vieną kartą per sekundę. Atstumas nuo jutiklių iki augalo paviršiaus gali būti keičiamas nuo 0,3 iki 1,0 m.

Firmų „Topcon" ir „Yara" prietaisai išsiskiria tuo, kad yra montuojami ant traktoriaus stogo. Todėl padidėja jutiklių skenuojamas lauko plotas ir gaunami tikslesni augalų, augančių tame ruože, duomenys. Taip pat augantys augalai yra stebimi tam tikru kampu, todėl jutiklis „mato" visą augalą nuo pat žemės iki viršaus. Tai taip pat leidžia tiksliau įvertinti pasėlio būklę.

Kitas būdas, naudojamas azoto kiekiui pasėlių lauke nustatyti, yra palydoviniai vaizdai, kurie gaunami kosmose esančiais jutikliais. Šie palydoviniai jutikliai gali suteikti detalios informacijos apie azoto kiekio nevienodumą tame pačiame lauke. Vienas dažniausiai azotui augaluose įvertinti naudojamų palydovinių jutiklių yra QuickBird. Chlorofilo kiekiui nustatyti neseniai imta naudoti ir kitus palydovinius jutiklius: Ikonos, Hyperion ir CHRIS/Proba. Netrukus turėtų atsirasti galimybė nustatyti azoto trūkumą tiksliau, nes šiuo metu yra kuriami hiperspektriniai jutikliai. Pavyzdžiui, formuojamos kelios naujos hiperspektrinės misijos (Hyper-X, EnMap, HERO ir HyspIRI). Be to, tokie nauji palydoviniai jutikliai, kaip RapidEye, WorldView-2 ir SumbandilaSAT jau aprėpia ir už chlorofilo sugerties ribų išeinančius bangų diapazonus.

Augalai gali būti tiksliai tręšiami, jei traktoriuje yra sumontuota atitinkama įranga. Atspindėjimo pagrindu veikiančius jutiklius galima tvirtinti prie traktoriaus ir jais galima surinkti informaciją, pagal kurią parenkama kintama azoto norma realiuoju laiku.

Pagal gaunamą matavimo signalą kas sekundę apskaičiuojamas reikiamas išberti mineralinių trąšų kiekis. Atitinkamos rekomendacijos elektroninėmis mineralinių trąšų barstomosios arba purkštuvo valdymo sistemomis perduodamos į traktoriaus kompiuterį. Paskleidžiamų trąšų norma reguliuojama automatiškai. Priklausomai nuo tręšimo agregato važiavimo greičio ir darbinio pločio, 1 ha plote azoto paskleidimo normą galima keisti nuo 100 iki 150 kartų. Taigi trąšų dozę galima priderinti prie gana mažų laukelių sąlygų. Išmatuotų ir apskaičiuotų azoto normų standartinis nuokrypis yra ne didesnis kaip 2-5 kg·ha^-1.

Azoto kiekio nustatymo pagal augalų standumą įranga

Azoto kiekiui augaluose nustatyti naudojamas ir jų mechaninių savybių tyrimas. Šiuo metodu lauko sąlygomis matuojamas javų stiebų standumas, kuris koreliuoja su azoto kiekiu augaluose. Mechaniniai švytuojantys jutikliai yra montuojami traktoriaus priekyje ir, barstant mineralines trąšas, matuoja pasėlių tankį ir biomasės pasiskirstymą. Matuojama palyginti siaurame ruože prieš traktorių, o ne per visą mineralinių trąšų barstomosios užgriebio plotį. Tiesa, net ir važiuojant gana dideliu greičiu, švytuojantis jutiklis pasėlių pasipriešinimą išmatuoja gana tiksliai. Firma „Agrocom" gamina mechaninį jutiklį Crop-meter, kurį naudojant, išlaidas trąšoms galima sumažinti 5-10 proc. ir gauti apie 0,5 t didesnį derlių iš hektaro.