Параметрическое применение точного земледелия в выращивании табака— Как переменное внесение удобрений и мониторинг с помощью дронов действительно повышают однородность и консистентность горения

Мысль написать эту статью возникла после демонстрации зимнего внесения удобрений с помощью дрона, которую я увидел в июле 2025 года в Чжуншане, Гуанси. Дрон DJI T60 с 50 кг органического удобрения на борту взлетел с края поля, летел равномерно по маршруту, спланированному с помощью RTK, и за 20 минут разбросал удобрение на 5 му (около 0,33 га). Рядом пожилой фермер, выращивавший табак более десяти лет, сказал: «Я носил навоз на коромысле всё утро; он закончил за двадцать минут, и разбросал ровнее, чем я».

Эта фраза проста, но передаёт главную ценность точного земледелия для табака — не экономию труда, а однородность. Однородность напрямую влияет на сортность табачного листа; сортность напрямую определяет цену; и цена в конечном счёте ложится на доход фермера и стабильность рецептуры купажа сигаретной фабрики. Далее я разберу эту логическую цепочку на данных и примерах. Моя позиция ясна: точное земледелие в выращивании табака — не роскошь, а необходимость.

1. Почему табак нуждается в точности больше, чем другие культуры

Сначала проясню одну вещь: чувствительность табака к пространственной неоднородности питательных веществ намного превышает таковую у полевых культур, таких как рис, кукуруза и пшеница. Причин три, и каждая напрямую указывает на два главных показателя: однородность и горючесть.

Первое — чувствительность к азоту. Содержание никотина в табачном листе, накопление ароматических веществ и ритм созревающего пожелтения — всё контролируется азотом. Если на восточном склоне поля азота много, тот лист табака перестаивает зелёным и созревает поздно, никотин повышается, а при горении лист даёт тяжёлые посторонние запахи — в промышленности это называют «обрушением пригодности». На западном склоне, где азота мало, листья тонкие, цвет бледный, аромата недостаточно — они никогда не попадают в высокие сорта. По национальной статистике по средним листьям табака огневой сушки с 2007 по 2013 год, коэффициент вариации содержания никотина колебался между 28% и 37%. Для купажирования сигарет такая амплитуда — катастрофа: технологам приходится смешивать десятки партий листа, чтобы подавить колебание, и каждый дополнительный процентный пункт вариации увеличивает стоимость купажа.

Второе — калий является душой горения. Может ли зажжённый табак поддерживать тление, белая ли зола и сильная ли жаропрочность — всё это определяется содержанием калия и соотношением калия и хлора. Ионы калия снижают температуру горения, делая его более полным и равномерным; ионы хлора действуют ровно наоборот и являются сильным антипиреном. По международным стандартам качественный табачный лист должен содержать калия выше 2,5%, а китайский табак огневой сушки долго находился ниже этой нормы. Данные базы Лулян в Юньнани за 2014 год: 92% образцов имели содержание калия между 1% и 2%, и лишь 8,3% превышали 2%. На базе Guangxi China Tobacco среднее содержание калия в свежевысушенных листьях составляло всего 1,98%, более половины — ниже 2%. В той же партии образцов содержание хлора колебалась от 0,04% до 1,54%, с чрезвычайно большой вариацией. Когда калия недостаточно, а хлор нестабилен, хорошее горение невозможно. За этим, помимо изначально низкого доступного калия южных краснозёмов, стоит ключевой фактор — внесение удобрений не было точным: равномерный разброс калийных удобрений означает, что хорошие участки поглощают больше, а плохие — меньше, что фактически усиливает внутриполевую вариацию.

Третье — пространственная вариация поля велика. Табак в основном выращивают на холмистых пологих склонах — Цзуньи в Гуйчжоу, Дали в Юньнани, Чжуншань в Гуанси — почти ни одно поле не является по-настоящему ровным. Уклон, экспозиция и глубина почвы резко меняются в пределах нескольких десятков метров. При традиционной практике равномерного внесения одинакового количества на один му табак на вершине холма недоедает, а табак на дне ложбины перекармливается; выросшая партия листьев различается по высоте и толщине, не говоря уже о консистентности горения — даже сушка не может дать одинаковый результат в одной и той же камере.

Точное земледелие для табака — не вариант по желанию: базисная логика однородности и горючести состоит в том, что каждый куст получает питание в высокой степени одинаково в разумном диапазоне. Если этого не достичь, всё последующее — сушка, сортировка, купажирование — превращается в спасательные операции, и чем больше чинишь, тем больше потери.

2. Переменное внесение удобрений на практике: от сетки пробоотбора до полевого исполнения

Я однажды видел полное внедрение переменного внесения удобрений в научно-технологическом парке Лэюань в Цзуньи, Гуйчжоу. Это было в 2014 году, совместный проект Китайской академии сельскохозяйственных наук и Цзуньиского городского отделения табачной компании провинции Гуйчжоу. Процесс несложен, но на каждом этапе есть жёсткие параметры. Я разделю технический процесс на четыре части и подробно покажу, как выполняется каждый этап, какие параметры используются и какие результаты достигаются.

1. Как определить сетку пробоотбора

Этот этап имеет строгие геостатистические основания — минимальный объём выборки рассчитывается по формуле Кохрана и геостатистическими методами. На равнине одна проба может представлять около 1,92 гектара, с максимальным интервалом отбора 234 метра. Но на пологом холмистом рельефе, как в Цзуньи, где топография сложна, интервал непосредственно сжимается до 58,2 метра, и каждая проба представляет лишь 0,73 гектара. Сетка 50 метров на 50 метров — самый распространённый вариант; в каждой точке отбора берётся смешанный образец почвы из пахотного слоя и проверяется на доступный азот, фосфор, калий, pH и органическое вещество.

Цзуньи запустил этот базовый проект ещё в 2011 году, построив субметровую дифференциальную GPS-базовую станцию, покрывающую весь табаководческий район. К 2016 году было собрано более 5000 образцов почвы, созданы карты пространственной вариации питательных веществ почвы на весь табачный район. Эта карта — фундамент всей системы точного внесения удобрений; последующие карты предписаний и переменное внесение опираются именно на неё. Без этого этапа всё дальнейшее — воздушные замки.

2. Логика расчёта карты предписаний

Главная логика — четыре слова: восполнять по потребности. Участки с высоким содержанием доступного азота в почве получают меньше удобрений, участки с низким — больше. Цель не в том, чтобы внести одинаковое количество по всему полю, а в том, чтобы привести способность почвы снабжать азотом по всему полю к близким уровням. В том опыте переменная норма была установлена с разницей между высоким и низким уровнем в 44%, поле разделили на три зоны управления — высокоазотная зона получала 122% стандартной нормы, средняя 100%, низкая 78%.

Логика предписаний для калийных удобрений схожа, но цель иная: калий — элемент роскошного потребления, и как только снабжение доступным калием почвы достаточное, кусты табака активно поглощают больше. Главное — дать всему полю достаточное снабжение калием, а не высокое в одних местах и низкое в других. Карта предписаний учитывает и сортовые факторы — разные сорта очень по-разному реагируют на азот и калий; например, Юньянь 87 требует больше калия, чем K326.

3. Машины и параметры на стороне исполнения

На исполнительном уровне малый пешеходный трактор несёт машину переменного внесения удобрений, оснащённую GPS-приёмником и электронной системой управления, которая в реальном времени регулирует норму выдачи удобрения. Само высевающее устройство — жёсткая техническая деталь: шнековый желобчато-роликовый высеватель, регулирующий норму выдачи через скорость ролика и открытие щели. После оптимизации коэффициент вариации нормы выдачи снизился на 12,74%, а стандартное отклонение уменьшилось на 15,13%. Эта цифра выглядит сухой, но в поле она означает, что количество удобрения, выбрасываемое на каждый метр хода трактора, стабильно, без участков, где один отрезок получает больше, а другой меньше. В сочетании с сантиметровым RTK-позиционированием водителю не нужно заранее размечать линии — он просто следует за экраном навигации. Рабочая скорость поддерживается около одного метра в секунду, чтобы дать высевателю достаточное время реакции.

4. Данные о результатах

По сравнению с привычным для фермеров равномерным внесением: коэффициент вариации высоты кустов снизился на 29,6%, доля среднесортного листа увеличилась на 13,05%, стоимость продукции увеличилась на 4310,65 юаня на гектар, а удобрений израсходовано на 4,6% меньше. Дальнейшие данные пологих склонов за 2015 год ещё ярче: азотных удобрений сэкономлено 10,7%, фосфорных — 10,3%, затраты на удобрения сокращены на 86,3 юаня на гектар; урожайность в среднем повысилась на 10,6%, доля высокосортного листа выросла на 7,3%, стоимость продукции повысилась на 14%, а чистая выгода увеличилась примерно на 5141 юань на гектар.

Моё мнение: ценность переменного внесения для табака не в экономии того самого удобрения, а в выравнивании состояния роста листа. Когда однородность поднимается, одна сушильная камера даёт лист одного уровня, потери при сортировке падают, промышленная пригодность растёт — вот настоящий большой расчёт. Обратите внимание на деталь того опыта: доли высокосортного и низкосортного листа снизились синхронно, а доля среднесортного резко выросла. Это означает, что традиционное равномерное внесение заставляло хорошие почвы перерастать в несортный лист, а плохие почвы оставались недокормленными и ниже среднего сорта. Переменное внесение стягивает оба конца к середине, концентрируя общее качество.

В 2025 году интеллектуальная система разброса удобрений дронами в Чжуншане, Гуанси, продвинула этот вопрос ещё на большой шаг. Она объединила RTK-позиционирование, мультиспектральные датчики и алгоритмы ИИ для генерации карт предписаний «одно поле — одна стратегия». Однородность разброса дроном достигла более 98%, ошибка внесения на му контролировалась в пределах плюс-минус 0,5 кг, а эффективность была в 20 раз выше ручного труда. Табачное поле площадью 140 му одного хозяйства из посёлка Хуэйлун достигло средней стоимости продукции 5000 юаней на му. За этими 5000 юаней стоит не экономия затрат — поднялась сортность листа.

3. Мониторинг с помощью дронов: вы видите не просто цветную картинку

Во многих местах используют дроны для обхода полей — пролетают круг, получают изображение NDVI, где зелёный означает хорошо, а красный — проблемы, и на этом всё. Это принятие инструмента за цель. По-настоящему осмысленный мониторинг дронами строит замкнутый контур от спектральных данных к агрономическим решениям. Ниже я разделю обсуждение на четыре части: выбор аппаратуры, выбор индекса, калибровка и валидация, прогнозирование горючести.

Выбор аппаратуры

DJI Mavic 3M в мультиспектральной версии — сейчас самый практичный выбор: четыре узкополосных сенсора (зелёный 560 нм, красный 650 нм, красная кромка 730 нм, ближний инфракрасный 860 нм), сантиметровое RTK-позиционирование, встроенный датчик солнечного света, автоматически калибрующий яркость. На высотах полёта от 50 до 80 метров разрешение на местности составляет 2–5 сантиметров, чего достаточно, чтобы увидеть различия крон каждого куста табака.

У табака есть три ключевых периода мониторинга: через 7–15 дней после пересадки — проверка приживаемости и выпадов; от стадии розетки до фазы бурного роста — через 35–60 дней после пересадки — диагностика питания; в фазе созревания — прогноз качества и определение оптимального срока уборки. Табачная компания префектуры Дали в Юньнани использовала мультиспектральный дрон P4M для сбора данных, проанализировала связь вегетационных индексов с содержанием хлорофилла и построила локализованную модель инверсии. Чжуншань в Гуанси, в свою очередь, наложил трёхмерные электронные карты, созданные дронной съёмкой, на данные плодородия почвы, сформировав комплексный цифровой архив табачных полей.

Какой главный индекс выбрать

Листья табака крупные, посадки плотные, поэтому NDVI в фазе бурного роста легко насыщается — всё поле тёмно-зелёное, значения все выше 0,8, различий не видно. NDRE (нормализованный вегетационный индекс красной кромки, формула: ближний инфракрасный минус красная кромка, делённое на ближний инфракрасный плюс красная кромка) более чувствителен к хлорофиллу и азоту и является лучшим индексом для диагностики питания табака. Полоса красной кромки как раз попадает в переходную зону между краем поглощения хлорофилла и плато отражения ближнего инфракрасного диапазона, где она крайне чувствительна к изменению содержания хлорофилла.

Более продвинута технология флуоресцентного зондирования. Французский Multiplex 3 возбуждает листья красным светом 630 нм и ультрафиолетом, измеряет флуоресценцию хлорофилла и флуоресценцию эпидермальных флавоноидов и вычисляет индекс азотного баланса NBI как SFR_R, делённое на FLAV. В 2025 году полевые опыты в регионе Перуджи в Италии использовали NBI как основу для решений о переменном внесении азота. На коммерческом поле площадью 2,04 гектара, разделённом на три зоны управления азотом, доза в высокоазотной и низкоазотной зонах различалась на 44%. В результате коэффициент вариации азота в поле снизился с 23,5% до 7,9% — на 66%. Точность внесения в высокоазотной зоне достигла 99,98%. Повторная проверка через 16 дней после внесения показала, что значения NBI в каждой зоне стремятся к равновесию, что доказывает эффективность переменного внесения азота.

Итальянская команда также построила линейную модель связи NBI с содержанием никотина в высушенном листе, R² равен 0,72. Это означает, что один пролёт флуоресцентного сенсора примерно через два месяца после пересадки позволяет предсказать итоговый диапазон содержания никотина этого поля. Они также разработали улучшенный индекс mNBI, равный NBI, делённому на квадрат дней после пересадки, и в сочетании с метеорологическими переменными, такими как температура и солнечная радиация, построили модель регрессии частичных наименьших квадратов с точностью прогноза R² = 0,72 и RMSEP 2,73 мг на грамм. Накопленная солнечная радиация и градусо-дни роста были двумя наиболее важными метеорологическими переменными.

Данные дистанционного зондирования должны калиброваться по земле

Я видел случаи, когда план внесения делался по одному-единственному пролёту дрона, и при замерах SPAD ошибка модели приближалась к 20%. Подход табачной компании префектуры Дали верен — связывать мультиспектральные данные дрона с наземными замерами SPAD-хлорофилломера и отбором проб содержания азота в листьях и строить модель по всем трём вместе. Если опираться только на данные дистанционного зондирования для диагностики питания, то изменения световых условий, сортовые различия и различия фаз роста вносят ошибку. Наземных якорных точек должно быть не менее 10 точек отбора на 20 му, охватывающих участки разной силы роста, чтобы модель дистанционного зондирования можно было откалибровать для использования в местных условиях.

Горючесть пока нельзя прогнозировать напрямую дистанционным зондированием

Горючесть — это способность зажжённого табака поддерживать тление; традиционный метод испытания — вырезать кусочки 30 мм на 20 мм из верхушки, середины и основания листа, поджигать электрическим нагревательным элементом и фиксировать время от начала тления до погасания последней точки огня. Чжэнчжоуский институт исследования табака уже разработал автоматизированное устройство испытаний, которое с помощью камеры в реальном времени снимает изображения горения и автоматически определяет начало и конец. Ближняя инфракрасная спектроскопия также позволяет быстро прогнозировать время тления: после измельчения и просеивания образцов листа собираются ближние инфракрасные спектры и строится модель частичных наименьших квадратов для времени тления.

Но эти методы сейчас — лабораторные или производственно-линейные испытания, и они пока не могут дать оценку в реальном времени в поле. Гиперспектральная съёмка с дрона может инвертировать содержание калия и хлора в листе, и нынешняя точность уже достаточна для управления полем. Мой рекомендуемый подход — двойной замкнутый контур: полевая диагностика питания дроном направляет переменное внесение калия и контроль хлора; после уборки отбираются репрезентативные образцы, быстро испытываются на время тления ближним инфракрасным методом, и результаты в обратную сторону калибруют модель дистанционного зондирования на следующий сезон. Так формируется самоповторяющийся цикл повышения точности.

4. Базисная логика консистентности горения

Однородность и горючесть часто упоминаются вместе, но их отношение стоит изучить глубже.

Однородность — кусты растут ровно, листья одинаковы по размеру, толщине и цвету — физическая предпосылка консистентности горения. Но однородность не конечная цель; настоящая цель — чтобы содержание калия, хлора и соотношение сахара и алкалоидов каждого куста попадали в один и тот же качественный интервал.

Количественный показатель консистентности горения — соотношение калия и хлора. Обычно соотношение выше 4 считается хорошей горючестью, а у качественных китайских образцов листа среднее значение лежит между 5 и 10. Реальность же такова: коэффициент вариации соотношения калия и хлора по всему национальному табаку огневой сушки составляет от 51% до 80%, а коэффициент вариации содержания хлора — от 42% до 105%. Это значит, что в одной партии одни листья горят быстро с белой золой, а другие гаснут на середине с чёрной золой. Сигаретные фабрики могут лишь смягчать это через купаж, но чем больше колебания сырья, тем выше стоимость купажа и тем труднее гарантировать консистентность продукта. Промышленные требования к стабильности листового сырья постоянно растут — когда бренд укрупняется, одна рецептура легко даёт сотни тысяч коробок в год, и однородность сырья напрямую определяет, сможет ли бренд сохранить стабильный вкус.

Цепь передачи, через которую точное земледелие улучшает консистентность горения, может быть записана так: точная сетка пробоотбора даёт пространственную карту питательных веществ почвы, она поступает в алгоритм карты предписаний, который ведёт оборудование переменного внесения к контролю азота, повышению калия и ограничению хлора, что повышает однородность роста кустов, что в свою очередь снижает пространственную вариацию химического состава — особенно калия, хлора и никотина, — приводит соотношение калия и хлора к единообразию и в итоге улучшает равномерность горения.

В этой цепи переменное внесение — ведущий двигатель, а мониторинг дронами — система обратной связи. Итальянский опыт доказал первый шаг — коэффициент вариации азота снизился с 23,5% до 7,9%, консистентность химического состава заметно улучшилась. Цзуньийский опыт доказал среднее звено — коэффициент вариации высоты кустов снизился на 29,6%, доля среднесортного листа выросла на 13%. Чжуншаньское дронное внесение доказало, что калийные удобрения можно разбрасывать равномерно с точностью более 98%. Но для последнего шага — прямой количественной оценки консистентности горения — открытых данных действительно пока мало.

Моё суждение: в ближайшие три-пять лет, с распространением гиперспектральных дронов и автоматизированных устройств испытания горения, прямая полевая оценка консистентности горения станет реальностью. Чжэнчжоуский институт исследования табака уже владеет соответствующими патентами, а точность инверсионных моделей гиперспектральных дронов для содержания калия и хлора год от года растёт. Отрасль пока не сделала горючесть стандартным показателем оценки результатов точного земледелия, но я считаю, что этот пробел скоро будет закрыт. Как только консистентность горения сможет выводиться в поле в реальном времени, как NDVI, окупаемость точного земледелия на табаке будет доказана ещё раз.

5. Проблемы, которые я видел в поле, и мои ясные взгляды

Первое — не поклоняйтесь оборудованию. Многие табачные районы закупили кучу дронов и датчиков, которые в итоге пылятся на складах. Причина не в том, что оборудование плохое, а в том, что никто не умеет обрабатывать данные. Мультиспектральный снимок сделан, но никто не может смонтировать ортофотоплан, вычислить вегетационные индексы или сгенерировать карту предписаний. Узкое место точного земледелия никогда не было в железе; это разрыв способностей между данными и решениями. Подход Чжуншаньского табака заслуживает внимания — они создали волонтёрские отряды из членов партии и табачных техников для проведения передвижных занятий, обучая рука об руку планированию маршрутов, настройке оборудования, составлению пропорций удобрений и обработке данных. Без этой сопровождающей способности железо — просто лом. Строительство этого слоя способностей требует не денег, а времени — как минимум одного-двух полных сезонов роста практической обкатки.

Второе — переменное внесение недружелюбно к отдельным мелким хозяйствам, но кооперативная модель прорывается. Опыт Цзуньи об этом красноречиво говорит. Кооперативы централизованно закупают оборудование, проводят единый авиаопрыскиватель и единое внесение удобрений, а фермеры платят за услугу. Табаковод Чэнь Синьган из деревни Пинхай района Бофан сказал, что после механизации трудоёмкость выращивания табака снизилась с 31 до 21 работника, а в равнинной зоне даже до 18 — сокращение в среднем на 10 работников означает прибавку дохода примерно в 1000 юаней. Табаководы уезда Юйцин говорят: «Теперь выращивать табак стало намного спокойнее», — вспашку, пересадку, внесение удобрений и защиту растений полностью поручают кооперативным сервисным отрядам. Без кооперативов отдельные хозяйства не могут ни купить машины переменного внесения, ни освоить программное обеспечение карт предписаний. Кооперативные агротехнические службы Чжуншаня уже охватывают более 10 000 му табачных полей и рисовых чеков, достигнув полной механизации от вспашки до защиты растений.

Третье — интегрированное водно-удобрительное управление может стать следующей точкой взрыва переменного внесения. Сейчас большинство переменного внесения — это твёрдые удобрения, разбрасываемые машиной или дроном. Но табак одинаково чувствителен и к воде, особенно в фазы бурного роста и созревания. Юго-восточный табачный район уже продвигает интеграцию воды и удобрений, сочетая капельное орошение с переменным снабжением питательными веществами, с точностью вплоть до уровня отдельного куста — скорость подачи каждого капельника можно регулировать отдельно. Минус — высокие единовременные вложения: капельные установки стоят около 300–500 юаней на му, плюс автоматические регулирующие клапаны и сенсорные системы — стартовые инвестиции больше. Но с точки зрения долгосрочной выгоды интеграция воды и удобрений может поднять коэффициент использования удобрений с примерно 35% при традиционном разбросе до более 55%, сильно сократить потери азота и фосфора, а поскольку питание и вода регулируются синхронно, её потенциал повышения качества намного больше, чем у твёрдого переменного внесения.

Четвёртое — у меня есть ясная позиция по калийным удобрениям. Калийные удобрения для табака должны исключать хлорсодержащие калийные удобрения и отдавать приоритет сульфату калия или нитрату калия. Данные испытаний базы Guangxi China Tobacco показывают, что содержание хлора в части образцов превысило норму до 1,54%, а хлор в поливной воде отдельно достигал 138 мг на литр. Применение хлорида калия напрямую повышает содержание хлора в листе и снижает горючесть. Переменное внесение калия решает не только количественную проблему, но, что важнее, достигает точности по качеству, сопоставляя сорт и особенности поля — какому полю нужно больше калийных добавок, а какому следует осторожно контролировать хлор. Даже в пределах одного поля содержание водорастворимого хлора в почве может различаться в несколько раз между участками; только переменное внесение способно обеспечить точное соответствие.

6. Точное земледелие превратило выращивание табака из опыта в инженерию

То, что я видел в Цзуньи и Чжуншане, было не простым нанизыванием новых технологий на сельское хозяйство, а сменой способа мышления. Выращивание табака больше не зависит от того, что «деревенский мастер в этом году добавил десять цзиней удобрения», а опирается на точные дозировки, рассчитанные из данных сетки пробоотбора, вегетационных индексов дистанционного зондирования и карт предписаний. Это не замена опыта старых табаководов; это превращение их невыразимых интуиций — «табак на этом склоне всегда растёт хуже, чем в ложбине» — в параметры, которые можно измерить, воспроизвести и проверить.

Переменное внесение сжимает коэффициент вариации азота до однозначного числа, а мониторинг дронами за дюжину минут просматривает путь, который человек проходит за день. За этими операционными параметрами стоят данные роста каждого куста, в конечном счёте сходящиеся в то стабильное число на рецептурном листе сигаретной фабрики. Табачный лист оценивается по сортам, и внутри сорта, если любой один лист не соответствует стандарту, вся партия понижается в сорте. Коммерческая логика табака диктует ему раньше и полнее других культур принять точность.

На этом месте статьи я повторю вступительную фразу: точное земледелие на табаке — не роскошь, а необходимость. Услышанная в Чжуншане фраза «разбросал ровнее, чем я» переводится так: однородность — это качество, качество — это цена, а цена определяет устойчивость отрасли.

Данные — это сила. Данные каждого куста табака в поле в конечном счёте станут тем стабильным числом на рецептурном листе сигаретной фабрики.