DOKTORI (PhD) ÉRTEKEZÉS TÉZISEI BORSICZKY ISTVÁN MOSONMAGYARÓVÁR 2018
SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEM MEZŐGAZDASÁG ÉS ÉLELMISZERTUDOMÁNYI KAR MOSONMAGYARÓVÁR WITTMANN ANTAL NÖVÉNY-, ÁLLAT- ÉS ÉLELMISZER- TUDOMÁNYI MULTIDISZCIPLINÁRIS DOKTORI ISKOLA DOKTORI ISKOLA VEZETŐ: PROF. DR. ÖRDÖG VINCE, DSc EGYETEMI TANÁR HABERLANDT GOTTLIEB NÖVÉNYTUDOMÁNYI DOKTORI PROGRAM PROGRAMVEZETŐ: PROF. DR. ÖRDÖG VINCE, DSc EGYETEMI TANÁR TÉMAVEZETŐ: PROF. DR. REISINGER PÉTER, CSc PROFESSOR EMERITUS SZENZOR TECHNIKÁRA ALAPOZOTT HELYSPECIFIKUS GYOMSZABÁLYOZÁS HATÁSA A SZÁNTÓFÖLDI GYOMFLÓRA VÁLTOZÁSÁRA KÉSZÍTETTE: BORSICZKY ISTVÁN MOSONMAGYARÓVÁR 2018
1. BEVEZETÉS ÉS CÉLKITŰZÉS A mezőgazdaságilag művelt területek ökológiájával összefüggő heterogenitás egyidőben jelent kihívást és lehetőséget a gazdálkodók számára. A kihívást a heterogenitás feltérképezése jelenti, a lehetőséget pedig a helyspecifikus technológia alkalmazása biztosítja, a táblán belül differenciált dózisok kijuttatásának lehetőségével. A kártevők elleni, jelenlegi precíziós védekezési technológiák használatának lehetőségeit foglalták össze OERKE ET AL., (2010) (1. táblázat). 1. táblázat: A precíziós technológia használatának lehetősége különböző kártevőcsoportokon belül OERKE ET AL., (2010) Jellegzetesség Gyom Nematodák Rovarok Patogének Az organizmus mérete (mm) 1-1000 0,1-1 0,1-00 0,0001-1 Életciklus szezononként 1 1-5 1-8 (?) 1-9 (?) Mobilitás Nagyon alacsony Alacsony Alacsonytól a magasig Magas Táblán belüli XX(X) XX(X) X(X) X(-) heterogenitás Detektálhatóság Egyedek (XX) Betegség tünetek Egyedek, tünetek (X) Betegség tünetek (X) Azonosíthatóság XX -?? Kvantifikálhatóság XX (X) (X) (X) Prognosztizálhatóság X(X) X(X) (X) Adatkezelés Off/On-line Off-line Kijuttatási technológia XX(X) (X) (X)? XX fejlett stádium; X első lépések, korlátozott ismeretek;? Nem ismert, nem megvalósítható; - kevés ismeret Amint látható, jelenleg a legelőrehaladottabb fejlesztési stádiumban a gyomok elleni védekezés található. Az organizmusok mérete megkönnyíti 1
a detektálásukat és felismerésüket, a nagyon alacsony mobilitásuk pedig lehetővé teszi az helyspecifikus off-line védekezési technológia alkalmazását ellenük. A helymeghatározó eszközök és szenzortechnológia, valamint a robottechnika új lehetőségeket biztosított a kutatásainkhoz. Az autonóm járművek (drónok) elérhetősége és megfizethetősége vezetett bennünket a helyspecifikus gyomszabályozásban való gyakorlati használhatóságuk vizsgálatának irányába. A távérzékelési adatokra és szenzorhasználatra alapozott műtrágyázási technológia a precíziós tápanyagutánpótlást kínáló szolgáltatói szektor bővülésével egyre szélesebb körben terjed. A berendezésekben használt szenzorok azonban a területet borító kultúrnövény állomány vegetációs indexeivel együtt a gyomnövényeket is megmérik. Az ökológiai gazdálkodásban előállított, magas hozzáadott értékű termékek hosszú távon versenyelőnyt jelenthetnek a hazai gazdálkodók számára. Elérhetővé váltak korszerű szenzorok és helymeghatározó eszközök által vezérelt erőgépek, valamint munkaeszközök, melyek új lehetőségeket nyithatnak a gyakorlat számára. 2
A disszertáció fő célkitűzései: A jelen disszertáció a digitális mezőgazdaság egyik fontos témaköréről, a precíziós gyomszabályozás módszerfejlesztésének lehetőségeiről és irányairól szól. 1. A Balázs-Ujvárosi gyomfelvételezési módszer autonóm járműre alapozott továbbfejlesztése 2. A gyomnövényzet torzító hatásának vizsgálata az NDVI vegetációs indexre kalászos gabonában 3. A precíziós gazdálkodás eszközeinek vizsgálata az ökológiai gyomszabályozás gyakorlatában Hivatkozás (OERKE EC, GERHARDS R, MENZ G, SIKORA RA (EDS.), 2010: Precision Crop Protection- the Challenge and Use of Heterogenity, Springer ISBN 978-90-481-9276-9) 3
2. ANYAG ÉS MÓDSZER 2.1. Autonóm eszközök használata a helyspecifikus gyomszabályozás gyomfelvételezésének gyakorlatában Autonóm légi jármű használata A vizsgálatainkat autonóm légi járművel kezdtük. Kísérleti eszköznek egy DJI S900-as típusú, professzionális drónt használtunk, autonóm üzemmódban. A felvételek készítésére egy 12 megapixel felbontású, optikai képstabilizátorral ellátott Canon PowerShot SX260 HS kamerát használtunk. A légi jármű 5, 10 és 20 méteres magasságokban haladt a beprogramozott útvonal szerint, a kijelölt gyomfelvételezési pontokon a képek készítéshez megállt. Autonóm gyomfelvételező robot építésének folyamata A csírázó és egymást átfedő gyomnövények biztonságos felismerésének céljából először a képek felbontásásnak és minőségének javítását tűztük ki célul, majd ezt követően 2016-ban elkezdtünk a gyomfelvételezési tapasztalataink szintéziseként megépíteni az autonóm gyomfelvételező robotot. Az elkészített jármű autonóm üzemmódban közlekedik a talajon a gyomfelvételezési terv GPS koordinátáinak megfelelően, majd a beprogramozott mintavételi pontokon szubmilliméteres felbontású képeket készít a növényállományról. A kísérleti területen kétfajta gyomfelvételezést végeztünk. Először a továbbfejlesztett Balázs-Ujvárosi módszer szerint, 0,5 hektáronként, 21 mintavételi ponton, 2 2 méteres területen végeztük a felvételezéseinket. 4
Másodszor az autonóm jármű végezte a terület bejárását az előre elkészített és beprogramozott algoritmusnak megfelelően. Az eszköz 326 felvételt készített, melyeket irodai körülmények között értékeltünk ki. 2.2. NDVI index és gyomosság összefüggései búzában Gyomfelvételezés és vegetációs indexek összefüggései 2013 tavaszán az őszi búza precíziós gyomszabályozás mintaterületeinek felmérése során egy Trimble GreenSeeker vegetációs szenzort használtunk az állomány vizsgálatára. Az adatokat kielemezve arra a következtetésre jutottunk, hogy a gyomborítottság és az NDVI vegetációs index változása között összefüggések találhatók, mely összefüggéseket statisztikai módszerekkel kielemeztünk. Mintaterületek vegetációs indexének mérése gyomtalanítás előtt és után 2014 tavaszán a kísérleti őszibúza táblán véletlenszerűen kijelöltünk 20 db., 1 1 méteres mintaterületet. Egy Trimble GreenSeeker Handheld műszerrel megmértük a gyomos mintaterületekre jellemző NDVI vegetációs indexeket. Ezután kézzel gyomtalanítottunk, majd újból végrehajtottuk a műszeres méréseket. Adatainkat táblázatokba foglaltuk, majd az NDVI érték alapján ajánlott nitrogén fejtrágyázási dózisokat hozzárendeltük a mért értékekhez. 5
2.3. Gyomszabályozási vizsgálatok ökológiai termesztésben előállított napraforgóban Kísérletünkhöz optikai szenzor által vezérelt sorközművelő kultivátort, RTK pontosságú robotpilótával felszerelt erőgépet és precíziós szemenkénti vetőgépet használtunk. A kísérleti táblán kijelöltünk 4 10 darab, 6 6 méteres kísérleti parcellákból álló tömböt, majd véletlenszerű eloszlásban háromféle kezelést végeztünk. Hagytunk abszolút kontroll területet, sorközművelő kultivátorozást végeztünk, a harmadik fajta kezelés esetében pedig a sorvezérelt kultivátort felszereltük ujjas gyomirtóval is. A kezelések után gyomfelvételezéseket hajtottunk végre, melyeknek eredményeit laboratóriumi körülmények között feldolgoztuk és kiértékeltük. A területet később ismételten kezeltük, majd a kiválasztott mintaparcellákon növénymagasság méréseket hajtottunk végre. A kísérleti parcellák mintáinak kézi betakarítását elvégeztük, megmértük a betakarított tányérok tömegét és átmérőjét, majd parcellakombájn segítségével kicsépeltük a kaszatokat. Az eredményeket feldolgoztuk és kiértékeltük. 6
3. EREDMÉNYEK 3.1. Autonóm eszközök használata a helyspecifikus gyomszabályozás gyomfelvételezésének gyakorlatában Az off-line helyspecifikus gyomszabályozás széleskörű gyakorlati elterjedésének gátja az, hogy nincs nemzetközileg standardizálható gyomfelvételezési módszer. A Magyarországon közismert és széleskörűen használt Balázs - Újvárosi módszert alkalmassá tettük egy szenzortechnikai alapokon szántóföldi robotként működő gyomfelvételező szerkezetre. A robottal kiküszöbölhető a gyaloglással járó fáradságos terepi munka. A berendezés környezetkímélő, elektromos meghajtású, nyomvonalában kárt nem okoz a növényzetben. A ma használatos legmodernebb helymeghatározó eszközökkel van ellátva, működése magas szinten programozott, szélsőséges időjárási körülmények között működik és az általa készített fotók nagy felbontásúak. A fotók a látható fény hullámhosszán készülnek, emiatt nincs szükség konverzióra, a képek herbológus szakember által kiértékelhetők irodai körülmények között. A berendezés használati mintaoltalmat kapott (Szellemi Tulajdon Nemzeti Hivatala, NSZO-jelzetei: G02B 27/00 A01M 7/00 A01M 21/00). Az autonóm gyomfelvételező szerkezet a digitális mezőgazdaság egyik eleme lehet. A robot előre programozottan hajtja végre a szántóföldön a tervezett útvonalon történő haladást úgy, hogy a készült minták (fotók) sűrűsége nagy legyen és a legjobban megközelítse a valós állapotot. A felvételek digitálisan jutnak a felhő alapú adatbázisba, majd onnan a kiértékelő szakember nagy felbontó képességű képernyőjére. 7
A felvételek feldolgozásának eredményeként elkészül a tábla gyomfaj textúrája, mely alapján a helyspecifikus gyomszabályozási technológia sikeresen végrehajtható. Módszerünkben a gyomfelismerési folyamat nem teljesen automatizált, a gyomnövény fajok meghatározását herbológus szakember végzi és ezzel kiküszöbölhető a fajfelismerés szoftveres pontatlansága. A fajfelismerés és a gyomnövények borítottságának megállapítása után az adatok ismét digitális környezetbe kerülnek, ahol az általunk kidolgozott algoritmusok alapján létrejön a gyomirtási technológia vezérlése. Az off-line módszerünk további előnye, hogy képfeldolgozás rövid időt vesz igénybe, ennek megfelelően a terepi fényképezés és a helyspecifikus gyomszabályozási technológia végrehajtása között mindössze 1-2 nap telik el. Az autonóm eszköz széleskörű és sokrétű állomány monitorozási feladatot tud ellátni, mert vezérlő programozása az aktuális célnak megfelelően megváltoztatható. 3.2. NDVI vegetációs index és gyomosság összefüggései búzában A gyakorlatban az őszi gabonák tavaszi helyspecifikus fejtrágyázásánál elterjedőben van a biomassza és különböző vegetációs indexek mérésén alapuló nitrogén fejtrágyázás. A vegetációs indexek mérésére alkalmas eszközök (Yara N-Sensor, Trimble GreenSeeker stb.) nem tudnak különbséget tenni a termesztett növény és a benne tenyésző gyomnövényzet között. Az őszi gabonákban az enyhe őszi és téli időjárás miatt nagy tömegben csírázhatnak a T1 és a T2 életforma csoportba tartozó gyomfajok. Ezek a fajok áttelelnek és 8
koratavaszra nagy tömegű állományokat hozhatnak létre (Stellaria media, Veronica hederifolia). Két éven át tartó kísérleteinkben azt kutattuk, hogy milyen hatással vannak ezek a gyomfajok az NDVI vegetációs index mértékére. Vizsgálataink során azt tapasztaltuk, hogy lényegesen eltérő vegetációs index mérési adatokat kapunk gyommentes és gyomos gabona állományokban. Az eltéréseket matematikailag is igazoltuk. Amennyiben az NDVI vegetációs index mérésével egyidejűleg nem történik meg a gyomfelvételezés, hamis eredményeket kaphatunk a nitrogén dózisokat illetően. A problémák elkerülése végett javasoltuk az őszi gyommentesítési technológia alkalmazásának szükségességét őszi vetésű gabonákban. 3.3. Gyomszabályozási vizsgálatok ökológiai termesztésben előállított napraforgóban Kutatásainkat az egyre szélesebb körben elterjedő ökológiai- és vegyszermentes termesztés motiválta. Mint ismeretes a széles sortávolságú kultúráknál (napraforgó, kukorica) a kultúrnövény fejlődésének kezdeti szakaszában cca. két hónapon át erős gyomosodás tapasztalható, mely probléma kezelése nélkül e növények nem termeszthetők sikeresen. Vizsgálatokat végeztünk szenzor vezérelt kultivátorral és az arra szerelhető ujjas gyomirtóval. A két eszköz munkáját külön is értékeltük. Statisztikai vizsgálatokat is végeztünk, melyek során megállapítottuk, hogy az ujjas gyomirtóval felszerelt szenzor vezérelt kultivátor mind a napraforgó sorközeiben, mind a sorokban kielégítően jó eredményt adott. 9
A kifejlesztett módszerünk hatékonyságát a 2,9 tonna/hektáros üzemi terméseredmény is igazolta, mely meghaladta az országos, herbicides technológiával előállított, 2,83 t/ha átlagtermés mennyiségét. Jelenleg az ökológiai gazdálkodásban termelt napraforgó ára vetekszik a vetőmagelőállításban termelt termény árával, az inputanyag költsége viszont töredéke annak, így legszerényebb számítások szerint is minimum kétszeres jövedelmet lehet rajta realizálni, környezeti terhelés nélkül. Felhívtuk a figyelmet arra, hogy az új technológia egyes részleteinek ellenőrzése különleges figyelmet követel az irányító szakembertől és a munkagép kezelőjétől. Ismertettük a technológia továbbfejlesztésének irányait. 3.4. Szenzor technikára alapozott helyspecifikus gyomszabályozás hatása a szántóföldi gyomflóra változására Őszi kalászosokban a 9 éve folyó vizsgálatok eredményeként 51%-os herbicid megtakarítást értünk el a korábban alkalmazott off-line helyspecifikus módszerrel. Ezzel egyidejűleg látványosan csökkent a terület gyomosodási hajlama. A kapás kultúrában végzett vizsgálatainkból megállapítható, hogy a vegyszermentes megoldások nem adnak megnyugtató eredményt az évelő gyomok (G életforma csoport) ellen, ugyanakkor jelentősen csökken az Ambrosia artemisiifolia (L.) jelenléte a fajközti kompetíció miatt. Az abszolút kontrol területeken átlagosan 201 db gyomnövény/m 2 -es populációt számoltunk meg, melyet már az egyszeri, kultivátor + ujjas gyomirtóval történt művelés 34,5 db/m 2 -re csökkentett. A kifejlesztett módszer eredményesen gátolta a gyomok kompetíciós nyomását, melyet az elért terméseredmény is igazolt. 10
Az ide vonatkozó további eredmények igazolását nehezíti az a tény, hogy a precíziós gyomszabályozási technológia bevezetése óta kevés idő telt el, így bár a hosszútávú eredmények biztatóak, de igazolásuk későbbi időpontban végezhető csak el. 11
4. ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK 1. Megalkottuk az off-line helyspecifikus gyomszabályozás digitális elemekből álló folyamat-szervezését őszi kalászos gabonákban a gyomfelvételezéstől a helyspecifikus gyomirtási technológia végrehajtásáig, melynek szerves részét képezi az autonóm gyomfelvételező szerkezet. 2. Megállapítottuk, hogy korai fejlettségű kalászos gabonák esetében a területen található gyomnövények szignifikáns hibákat eredményezhetnek a kultúrnövények NDVI vegetációs indexeinek meghatározásánál. Adekvát mennyiségű, helyspecifikus nitrogén fejtrágyázást csak gyommentes táblákról gyűjtött távérzékelési adatok használatával végezhetünk el. 3. Kidolgoztuk napraforgóban a szenzor vezérelt, mechanikai eszközökre alapozott, herbicid mentes gyomszabályozási technológiát, melynek az egyik alapfeltételét az ujjas gyomirtóval felszerelt, szenzor által vezérelt sorközművelő kultivátornak használata képezi. 12
5. AZ ÉRTEKEZÉS TÉMAKÖRÉHEZ KAPCSOLÓDÓAN MEGJELENT TUDOMÁNYOS KÖZLEMÉNYEK LEKTORÁLT FOLYÓIRATBAN MEGJELENT TUDOMÁNYOS CIKKEK: BODON D, REISINGER P ÉS BORSICZKY I, 2009: A parlagfű (Ambrosia artemisiifolia L.) többszöri kaszálásának és glifozáttal történő vegyszeres gyomirtásának hatásvizsgálata. Növényvédelem (8) 440-444 BORSICZKY I, ENZSÖL E, FARKAS B ÉS REISINGER P, 2015: Study of the use of N sensor in weed covered fields of winter wheat. Herbologia Vol.15. No.1 99-109. Academy of Sciences and Arts of Bosnia and Herzegovina. BORSICZKY I, ENZSÖL E, FARKAS B ÉS REISINGER P, 2014: Nitrogén (N) szenzorral történt mérések eredményei gyomos és gyommentes őszi búzavetésben. Magyar Gyomkutatás és Technológia (Hungarian Weed Research and Technology) XV. évf. (1-2) 47-57 BORSICZKY I ÉS REISINGER P, 2017: Precíziós gyomszabályozási folyamat szervezése gyomfelvételező robottal, Integrált termesztés a kertészeti és szántóföldi kultúrákban (XXXIV.) 2017. november 23. Budapest 978-963-89690-5-7 REISINGER P AND I BORSICZKY, 2018: From traditional weed mapping to an autonomous robot: developments and results from Hungary,Proceedings 28 th German Conference on Weed Biology and Weed Control, February 27-March 1, 2018, pp. 363-372, DOI 10.5073/jka.2018.458.054 13
BORSICZKY I, ENZSÖL E ÉS REISINGER P, 2018: Gyomszabályozási vizsgálatok eredményei bio-napraforgóban; Magyar Gyomkutatás és Technológia. Megjelenés alatt. KÖNYV FEJEZETEK: REISINGER P, BORSICZKY I ÉS EÖRI T, 2012: Repceteremesztés 45 cm-es sortávolságra, mulcsos technológiával. 143-151 (In: Eöry T.: Versenyképes repcetermesztés. Mezőgazda Kiadó. ISBN:978-963-667-3.) BORSICZKY I, 2016: Optikai szenzoros vezérlés a sorközművelésben, (In MILICS G (szerk.) II. PREGA, PRECÍZIÓS GAZDÁLKODÁS, Digitalizáción innen és túl p.53.); ISBN 978-963-12-5342-9 BORSICZKY I, ENZSÖL E, REISINGER P, 2017: Nitrogén (N) szenzorral történt mérések eredményei gyomos és gyommentes őszibúza vetésben, (In MILICS G (szerk.) III. PREGA, PRECÍZIÓS GAZDÁLKODÁS, PREGA Science Konferencia p. 102.); ISBN 978-963-12-8921-3 KONFERENCIA ELŐADÁSOK ILL. ÖSSZEFOGLALÓK: BORSICZKY I ÉS REISINGER P, 2018: Gyomszabályozási vizsgálatok eredményei bio-napraforgóban, A Dr. Ujvárosi Miklós Alapítvány a gyommentes környezetért 35. találkozója valamint a Magyar Gyomkutató Társaság 24. Konferenciája, 2018.március 08., Nova BORSICZKY I ÉS REISINGER P, 2017: Gyomszabályozási vizsgálatok eredményei bio napraforgóban. XXX. Biokultúra Tudományos Nap. 2017. december 2. Budapest 14
BORSICZKY I AND P REISINGER, 2017: Demonstration of an autonomous photo-optical weed mapper, Joint EWRS Workshop of the Working Groups Physical and Cultural Weed Control and Crop-Weed Interactions, Nyon, Switzerland, 2-5 April 2017 BORSICZKY I, REISINGER P, 2016: Gyomszabályozási módszerek az ökogazdálkodásban, 2016. dec. 3. Biokultúra Tudományos Nap BORSICZKY I, 2014: Differenciált kezelési zónák kijelölése elektromágneses talaj-szkenner segítségével a precíziós gazdálkodás gyakorlatában. A talajok térbeli változatossága - elméleti és gyakorlati vonatkozások. ea. Talajtani Vándorgyűlés Keszthely, 2014. szeptember 4-6. BODON D, REISINGER P ÉS BORSICZKY I, 2009: A parlagfű (Ambrosia artemisiifolia) többszöri kaszálásának és glifozáttal történő vegyszeres gyomirtásának hatásvizsgálata. 55. Növényvédelmi Tudományos Napok. Budapest. p 45. BORSICZKY I, HOFFMANNÉ PATHY ZS ÉS REISINGER P, 2008: Precíziós gyomszabályozás Weed Seeker-rel, kukoricában, Óvári Tudományos Napok, Konferencia kiadvány NÉPSZERŰSÍTŐ CIKKEK: REISINGER P, BORSICZKY I, 2009: Precíziós gyomszabályozás Gyomvadász intelligens szórófejjel. Agrofórum Extra 27. 68-70. BORSICZKY I, REISINGER P, 2013: Precíziós megoldások a gyomnövények ellen. Biokultúra. 2013/2. 32-33. REISINGER P, BORSICZKY I, 2013: Precíziós növényvédelem gyomszabályozás. Agro Napló 2013/5. 66-68. 15
BORSICZKY I, REISINGER P ÉS TARSOLY K, (2017): Gyomok elleni védekezés kenőgéppel, cukorrépában, Agrárágazat, 2017. október, pp. 50-51. BORSICZKY I, REISINGER P ÉS TARSOLY K, (2017): Gyomok elleni védekezés kenőgéppel, cukorrépában, Cukorrépa, XXXV évf. 2017/1, pp 20-21 BORSICZKY I, 2017: A precíziós gazdálkodás gépesítése, (In Borsiczky et al., A precíziós gazdálkodás lehetőségei Szerbiában pp.21-23); ISBN 978-86-89827-09-5 SZABADALOM: BORSICZKY I, REISINGER P, PATKÓ G, 2017: Egyedi fejlesztésű, használati mintaoltalommal rendelkező autonóm (önjáró) gyomfelvételező eszköz, (Eszköz kezelendő terület precíziós növényvédelmének megkönnyítésére, Szellemi Tulajdon Nemzeti Hivatala, használati minta NSZO-jelzetei: G02B 27/00 A01M 7/00 A01M 21/00) 16