Žemės ūkio sektoriuje sparčiai didėja nuotolinių metodų ir priemonių taikymo poreikis aktualioms dirvožemio savybėms (cheminėms, fizikinėms ir kt.) nustatyti ir jų pokyčiams periodiškai stebėti. Vienas svarbiausių pastaruoju metu ypač plačiai pasaulyje naudojamų dirvožemio kokybės rodiklių yra organinės anglies kiekis ariamajame sluoksnyje.

Dirvožemio organinės anglies kiekis yra vienas pagrindinių dirvožemio kokybės ir sveikatos rodiklių. Jis taip pat atlieka svarbų vaidmenį reguliuojant anglies ciklą. Nors nuotoliniu būdu gauti duomenys (panaudojant bepiločius orlaivius, palydovus ar kito tipo jutiklių nešiklius) plačiai taikomi vertinant dirvožemio savybių rodiklius (taip pat ir organinės anglies), tačiau įvairūs aplinkos veiksniai, tokie kaip: dirvožemio drėgmė, granuliometrinė sudėtis ar augalų danga, gali trikdyti prognozių tikslumą. Nepaisant šių trūkumų, panaudojus nuotolines technologijas, galima efektyviai surinkti daug duomenų.

Pastaruoju laikotarpiu, siekiant gauti maksimaliai tikslius prognozių rezultatus, derinami skirtingi dirvožemio duomenų rinkimo metodai, t. y. kuriant dirbtinio intelekto algoritmus derinami nuotolinėmis technologijomis surinkti duomenys su antžeminiais – gautais per laboratorinius matavimus. Vis dėlto norint sukurti tokius algoritmus ir užtikrinti jų kokybišką ir tikslų veikimą, reikia didelės duomenų bazės.

Nuotoliniai tyrimų metodai plačiąja prasme yra tokie, kuriais naudojantis gaunami duomenys ar žinios apie objektą (pavyzdžiui, dirvožemį) prie jo tiesiogiai nesiliečiant. Nuotoliniu būdu gauti dirvožemio duomenys lengvai pritaikomi tiksliojoje žemdirbystėje, be to, šie duomenys ypač naudingi valstybinėms institucijoms ir nevyriausybinėms organizacijoms, kurios sprendžia aktualius su dirvožemio išteklių kokybe ir žemės valdymo optimizavimu susijusius klausimus. Nuotolinių metodų technologijos plėtojamos siekiant gauti kuo daugiau ir operatyvios informacijos apie dirvožemio būklę ir atpiginti tyrimus.

Tiriama molingoji Nevėžio lyguma

Lietuvos agrarinių ir miškų mokslų centro (LAMMC) Žemdirbystės instituto mokslininkai šiuo metu yra įsitraukę į keletą tarptautinių grupių, kurios siekia įvertinti nuotolinių technologijų taikymo perspektyvas dirvožemio naudojimo ir tvarumo iššūkiams spręsti. Tyrimų objektu pasirinkta molingoji Nevėžio lyguma (430 827 ha), kuri apima centrinę Vidurio Lietuvos žemumų dalį tarp Panevėžio miesto šiaurėje ir Kauno miesto pietuose. Šioje teritorijoje susitelkę vieni derlingiausių Lietuvos dirvožemių, kurių 68,5 proc. yra naudojami žemės ūkio reikmėms, o likę 31,5 proc. yra miškų, vandens ir užstatytų teritorijų plotai.

Kadangi šios lygumos žemėse gana plačiai ūkininkaujama, aktualu įvertinti dirvožemių naudojimo intensyvumą ir poveikį jų kokybei. Vienas svarbiausių ypač plačiai pasaulyje naudojamų dirvožemio kokybės rodiklių yra organinės anglies kiekis ariamajame sluoksnyje. Lietuvoje šis rodiklis kartais tapatinamas ir su humuso kiekiu, tačiau tai nėra tas pats, nes klasikiniu (Tiurino) metodu nustatomas organinės anglies kiekis parodo organinę anglį, esančią ne tik humuso, tačiau ir kitų dirvožemyje esančių organinių medžiagų sudėtyje. Humuso kiekis yra apskaičiuojamas taikant empirinius koeficientus, kurių vidutinis (1,724) ne visada yra tikslus, kai analizuojami labai skirtingi dirvožemiai. Dirvožemio organinės anglies rodiklio naudojimas leidžia objektyviai lyginti dirvožemius tarpusavyje ir pagal tai suskirstyti juos į grupes.

Nevėžio lygumos teritorijoje yra vykdomi nuolatiniai ekspediciniai dirvožemio organinės anglies tyrimai: 2015 m. – 48 mėginiai (K. Armolaitis ir kt.), 2021 m. − 109 mėginiai (R. Žydelis, J. Volungevičius), 2022 m. – suplanuoti dar 166 mėginiai (R. Žydelis, J. Volungevičius).

Nevėžio lygumos žemės ūkio paskirties teritorijose vyrauja (apie 78 proc.) daug organinės anglies turintys dirvožemiai.

Vyrauja daug anglies turintys dirvožemiai

Mokslininkų gauti rezultatai parodė, kad Nevėžio lygumos agrarinėse teritorijose vyrauja daug organinės anglies turintys dirvožemiai, jų plotas sudaro net 63,2 proc. Labai daug organinės anglies buvo nustatyta 15,9 proc. žemės ūkio reikmėms naudojamuose dirvožemiuose. Probleminiais dirvožemiais laikomi tie, kuriuose humuso kiekis mažesnis nei 2,0 proc., arba mažiau nei 1,16 proc. organinės anglies. Tokių dirvožemių Nevėžio lygumos agrarinėse teritorijose yra vos 1,13 procento. Tai sietina su nedideliais erozijos židiniais, kurie formuojasi dėl nepalankaus reljefo ir vis intensyvėjančios žemės ūkio veiklos.

Bendrai didelį šios lygumos dirvožemių humusingumą (organinės anglies kiekį) lemia natūralios gamtinės sąlygos. Maždaug 95 proc. visų žemės ūkio teritorijų apima daugiau ar mažiau užmirkę dirvožemiai, kuriems yra būdingas įvairaus laipsnio glėjiškumas. Šiems dirvožemiams būdingas ir didžiausias organinės anglies kiekis. Tuo tarpu normalaus drėgnumo dirvožemiai pasižymi mažesniu organinės anglies kiekiu. Ypač mažai organinės anglies turi eroduotų dirvožemių plotai, esantys šios lygumos banguotuose arealuose ar paslėniuose.

Surinktų dirvožemio ėminių duomenys taip pat panaudoti ir rengiant organinės anglies kiekio Nevėžio lygumoje žemėlapį. Nors šis pasirinktas regionas yra gana didelis (430 827 ha), o surinktų ėminių skaičius iš dalies nedidelis, t. y. vienas ėminys atspindi maždaug 16,76 km2 teritoriją, tačiau kol kas tai yra vienas detaliausių Lietuvos organinės anglies žemėlapių, o ateityje šis žemėlapis gali būti periodiškai atnaujinamas ir tikslinamas.

Dirvožemio organinės anglies kiekio dinamikai stebėti stengiamasi vis plačiau taikyti nuotolinius tyrimo metodus, tačiau kol kas visai atsisakyti antžeminių, tarp jų ir laboratorinių tyrimo metodų, negalima, nes jie išlieka svarbūs kuriant, tobulinant ir kalibruojant naujus tyrimo metodus.

Duomenys bus panaudoti algoritmams kurti

Tolesniame tyrimų etape LAMMC mokslininkai, bendradarbiaudami su kitų Europos šalių (Prancūzijos, Švedijos, Nyderlandų, Italijos, Danijos, Latvijos, Lenkijos, Turkijos, Šveicarijos ir Jungtinės Karalystės) mokslininkais, šiuos surinktus duomenis planuoja panaudoti kuriant dirbtinio intelekto algoritmus. Tai nelengva užduotis, iš dalies priklausanti ir nuo antžeminiu būdu surinktų duomenų gausos, įvairovės ir nuolatinio jų pildymo. Kuriant tokius algoritmus, nuolatinis duomenų kaupimas spartina ir didina dirbtiniu intelektu pagrįsto algoritmo mokymosi spartą ir gaunamų rezultatų tikslumą. Kita vertus, nemaža atsakomybė tenka ir mokslininkams, nes dirbtinis intelektas negali sau skirti užduočių, tikslų ar norimų rezultatų ir atsirinkti duomenų, kuriuos analizuos, todėl ypač svarbu užtikrinti, jog naudojama tinkama informacija ir vadovaujamasi standartus atitinkančiais protokolais.

Palydoviniai vaizdai svarbūs tęstiniam nacionalinio ir regioninio mastelio dirvožemio dangos kokybės kaitos stebėjimui, tuo tarpu taikant bepilotes skraidykles siekiama, kad jų renkama informacija leistų ūkininkams maksimaliai tiksliai įvertinti savo laukų būklę ir prognozuoti jos kaitą. 

Be to, yra daugybė veiksnių, kurie dirvožemio organinės anglies prognozes trikdo, todėl būtina tai įvertinti. Vienas pagrindinių trikdančių veiksnių yra augalų danga. Todėl dirvožemio organinės anglies prognozėms gali būti taikomi tik paviršiai be augalų.

Kitas ribojantis veiksnys yra palydovinių vaizdų skiriamoji geba, kuri „Sentinel- 2“ palydovuose yra 10–60 m. Vadinasi, sudaro galimybes dirvožemio organinės anglies kiekio skirtumus nustatyti 100– 360 m2 (1−6 aruose). Vis dėlto idealiu atveju ateityje galima tikėtis, kad palydovinių vaizdų raiška didės, o derinant nuotolines technologijas, pavyzdžiui, palydovinius duomenis ir mašininio mokymosi algoritmus, didės ir prognozių tikslumas.

Pagrindinis palydovinių vaizdų privalumas yra tas, kad jie nuolat atnaujinami, todėl užtikrinama nepertraukiama, nuolat pildoma, visą Lietuvos teritoriją apimanti duomenų seka.

Ši savybė nėra būdinga bepilotėmis skraidyklėmis gaunamiems vaizdams. Ši technologija gali būti taikoma tik lokaliose dešimčių–šimtų hektarų teritorijose. Nepaisant to, palyginti su palydoviniais vaizdais, bepiločių skraidyklių fiksuojami vaizdai leidžia dirvožemio paviršių analizuoti ir, pavyzdžiui, dirvožemio organinės anglies prognozes teikti iki 1 cm² tikslumu.

Nuotoliniai dirvožemio dangos vertinimo metodai kartu yra ir netiesioginiai, kadangi dirvožemio dangos savybėms vertinti yra naudojami išvestiniai, su vertinama savybe tiesiogiai nesusiję aplinkos rodikliai (NDVI – normalizuotas augmenijos skirtumo indeksas, elektrinis laidumas), tačiau stipriai nuo jų priklausantys. Siekiant šiuos rodiklius įveiklinti, pasitelkiant dirbtinį intelektą, svarbu rasti patikimas sąsajas tarp jų ir antžeminiu būdu matuojamų dirvožemio dangos savybių. Šį uždavinį kryptingai sprendžia tiek Lietuvos, tiek ir kitų šalių mokslininkai.