Увидеть невидимое

А.А. Жученко-мл., И.М. Куликов, В.В. Хроменко, В.Ф. Воробьев, С.Н. Коновалов, ГНУ Всероссийский селекционно-технологический институт садоводства и питомниководства Росседьхозакадемии (ГНУ ВСТИСП Россельхозакадемии)

Для снижения технологических и гидрометеорологических рисков урожаев плодовых культур существует методика оценки адаптивности сортов по зонам субъектов РФ. Это достигается за счет использования комплекса датчиков, что обеспечит в системе он-лайн постоянный динамический мониторинг параметров окружающей среды и параметров растения.

Биологическая разведка

Садоводство Российской Федерации находится в зоне технологических рисков, обусловленных агроклиматическими условиями, о чем свидетельствует мониторинг за последние 20 лет. И для решения данных проблем специалистами ГНУ ВСТИСП Россельхозакадемии предлагается создание центра дистанционного биомониторинга с целью селекции и отбора сортов (гибридов) на продуктивность, адаптивность, качество и средоулучшение.

Подобная система, по их мнению, должна будет решить задачи разработки системного, динамического, дистанционного биомониторинга в селекции трав, кустарников и деревьев; создания адаптивных доноров, геноисточников, сортов, гибридов и баз данных в системе «генотип-среда» для основных зон товарного производства в РФ; и реализации экспериментального КБ по производству датчиков для достижения нового уровня селекционно-технологического процесса, семеноводства, питомниководства и производства сельскохозяйственных культур.

С целью получения агроклиматического и физиолого-биологического мониторинга, адаптивной селекции и отбора адаптивных сортов, определяющих стабильную урожайность плодовых культур, участники аграрного бизнеса могут на научной основе выявить и формализовать причины снижения урожаев, обусловленных технологическими неточностями или флуктуациями погоды.

Для эффективной работы агроэкспертов предлагается создать современный биомониторинг на основе «Информационно-измерительных комплексов» (датчиков), обеспечивающих динамическую оценку развития культур и сортов в разные фазы вегетации в зависимости от гидрометеорологических и технологических рисков по зонам субъектов РФ.

Буссенго не подозревал

Основоположником оценки живых растений в динамике является Буссенго Жан Батист (1802-1887), французский химик, автор классических исследований о питании растений, основатель научной агрохимии почвы и вегетационного метода в области физиологии растений.

В настоящее время в России приоритет широкого практического и фундаментального применения дистанционного контроля за растениями принадлежит школе академика РАН Жученко А.А. (1979-1987), который впервые сформулировал роль биомониторинга растений на уровне растения, популяции и агроландшафта в изучении адаптации в системе «генотип–среда». Этими учеными впервые был создан проблемно-ориентированный информационно-измерительный комплекс для эколого-генетических и прикладных исследований, разработано приборное оснащение и автоматизация научных экспериментов в биологии, включая аэрофото-и космофотоснимки с одновременным использованием круглосуточных наблюдений за динамикой показателей  датчиков, фиксирующих рост, развитие растений, фотосинтез, транспирацию, водопотребление и формирование урожая разных культур и сортов в фитотронах и на полях.

Данные работы проводились в Институте экологической генетики АН Молдавии и в КБ «Биоприбор» (работы  ученых Зеликовского З.И., Тона Ю.А., Клеймана Э.И., Бланка Э.И. и др.), где были созданы первые датчики водного потока, тургисцентности, температуры «лист-воздух», прироста, роста плодов и др. Эти работы также проводились в Агрофизическом институте ВАСХНИЛ (С.-Петербург), Институте физиологии АН СССР, Карельском филиале АН СССР, Институте растениеводства Литвы, Тартусском филиале АН ЭССР.

Параллельно появились иностранные компании, предлагающие генетикам, селекционерам, семеноводам и производственникам датчики и приборы для изучения интактных (живых) растений: Dynomax (США), Agricultural Electronics Corporation (США), Copa-Technologie (Франция), Phytech (Израиль), Grolab (Голландия) и др.

Современный рынок новейших датчиков предлагает широкий ассортимент различных компаний для осуществления эффективного биомонитогинга. Однако в садоводстве России данное направление развивается недостаточно. Сегодня известны многочисленные дистанционные датчики, определяющие динамику роста и водного баланса в растениях, датчики капельной влаги, дистанционные датчики сокодвижения и роста плодов, и др.

Фитомониторинг стал новой методологией постоянного наблюдения за динамикой морфо-физиологических, биохимических и экологических параметров  растущего или находящегося в стадии покоя неповрежденного растения в течение длительного времени, дающий наиболее точную оценку адаптивности сорта в данном месте его выращивания. Новые методы обеспечивают наблюдения в динамике и на расстоянии за реакциями отдельных культур, сортов, форм и генотипов на изменения критических факторов внешней среды, влияющих на процессы продуктивности. Воздействие измерительного оборудования было сведено к минимуму, что достигалось на стыке использования знаний современных физических и биохимических методов, новинок измерительной техники и электроники. Ускоренный прогресс в электронике и информатике обеспечил широкое использование современного электронного оборудования для дистанционного биомониторинга на расстоянии (датчиками в поле и фитотроне, аэрофотосъемкой воздушным транспортом и спутниками из космоса).

Фитомонитор на службе фермера

Датчики первого поколения нуждались в подключении к блоку питания и регистратору. При этом вопрос преобразования выходного сигнала датчика (напряжение или ток) в измеряемую величину (температуру, скорость роста и т.д.) решался самим пользователем с использованием приложенных градуировочных характеристик. Потребителями таких изделий являлись, главным образом, исследователи и фермеры.

На данном этапе для решения задач оценки технологических рисков снижения урожая сельскохозяйственных культур при его страховой защите по зонам субъектов России целесообразно использовать современные укомплектованные измерительные системы на основе фитомониторов. Их число определяется необходимостью оценки адаптивности сортов в конкретном регионе, зоне и даже поле: в каждый монитор можно включить один метеоблок (освещенность, температура и влажность воздуха и почвы) и, в среднем, восьми датчиков водных потоков в растении, которые могут быть распределены в радиусе 4 м (по специальному заказу длина кабелей может быть увеличена до 10 м). Фитомонитор может использоваться и в составе комплекта для открытого поля. В этом случае он доукомплектовывается защитным шкафом и мачтой с системой автономного питания от солнечной батареи и аккумулятора, а также, при необходимости, устройством беспроводной связи.

Таким образом, на первом этапе для оценки адаптивности сортов необходим один монитор в фитотроне (с питанием от 220 В) или один в поле с автономным питанием. Фитомонитор — это, инструмент как фермера, перед которым стоят конкретные агротехнические и технологические вопросы, так и исследователя — физиолога, эколога, агронома, селекционера, питомниковода. Такие комплексы обеспечивают гигантским количеством точной информации по результатам мониторинга даже в самом простом эксперименте, когда просто в течение нескольких суток производится запись того, что происходит с растением.

Сегодня ученые достаточно точно в различных регионах России для большинства культур определили основные экологические и биологические риски получения высоких урожаев. В большинстве регионов стремительно растет зависимость продуктивности культур в сельском хозяйстве от засухи, высокой температуры, заморозков, болезней и др.

Для решения данной проблемы на первом этапе важно выделить индикаторные однолетние и многолетние экономически важные культуры в большинстве регионах товарного сельскохозяйственного производства по основным биологическим формам растений: деревья, кустарники, травы. Так, модельным объектом биомониторинга однолетних трав, вероятно, должна стать пшеница, многолетних деревьев — яблоня.

Миллионные потери

Основными задачами снижения рисков в производстве плодовых культур являются правильный выбор сорта для конкретного поля на дальнюю перспективу: высокая адаптивность (засухоустойчивость, зимостойкость и др.), продуктивность и качество, устойчивость к болезням и вредителям сорта. Расчеты показывают, что только закладка 5.8 тыс. га семечковых культур в среднем составляет 4495 млн руб., а доведение такого сада до плодоношения потребует 446.3 млн руб. Плодоношение яблони начинается с 2-8 лет после посадки саженца. Хорошее плодоношение яблони бывает до 20-25 лет, а общая продолжительность жизни деревьев превышает 50 лет. Ежегодно в России в среднем на 250 тыс. га производится около 3 млн тонн плодов семечковых культур. Поэтому общие потери от неправильной закладки многолетнего сада без учета адаптивных возможностей сорта к засухе, заморозкам, вредителям и болезням в конкретной зоне могут достигать в отдельные годы до 500 млн руб.

Такой подход позволит объективно на научной основе разработать адаптивный комплекс сортов и технологий в каждой зоне промышленного садоводства субъектов Российской Федерации и повысить устойчивость и продуктивность садов.

На основании биомониторинга изменений почвенной и атмосферной среды обитания растений, а также динамики биохимических и физиологических процессов, происходящих в растении в реальном времени будут определены:

- влажность почвы и относительная влажность воздуха, приход ФАР, выделение кислорода, поглощение углекислого газа и воды;

- температура в корнеобитаемой и фотосинтезируемой среде растений;

- световой, углекислотный и влагосодержащий уровень ассимиляционной поверхности растений;

- параметры повреждающих факторов и степень повреждения корневой системы растений;

- параметры повреждающих факторов надземной системы растений и степень повреждения ветвей, листьев, почек, цветков, плодов;

- биохимические и физиологические параметры процессов, определяющих устойчивость и продуктивность растений.

Решение этих задач позволит на научной основе разработать комплексный подход по выбору адаптивных сортов и технологий в каждой зоне промышленного садоводства субъектов РФ и повысить устойчивость и продуктивность садов.