Поступая в аграрную академию, я не думал, что когда-нибудь стану сотрудником ИТ-компании. Подозреваю, что служба персонала ЛАНИТ тоже не ожидала, что будет собеседовать агрономов. И вот уже в штате «ЛАНИТ-Интеграции» у меня возникло желание написать в блог на Хабре и ближе познакомить коллег с сельскохозяйственной культурой, с которой мне довелось работать не один год и которая по праву называется «вторым хлебом». Хочется немного расширить представление об этом интересном растении, рассказать о современных технологиях, которые помогают получать хорошую урожайность.
Сегодня много внимания приковано к цифровизации национальной экономики. Все говорят про цифровую трансформацию, но как она влияет на конкретные предметные области, не понимают. Именно поэтому на рынке есть устойчивый интерес к айтишникам, который знают узкую специфику отраслей, и к отраслевым специалистам, которые на понятном языке могут объяснить айтишникам, что необходимо делать.
На примере того, как цифровые технологии влияют на повышение урожайности картофеля, мы сегодня и рассмотрим положительную синергию растениеводства и ИТ.
Источник
Картофель! Что не специалист может сказать об этом растении? Овощ, происходит из Южной Америки, завезен в Россию Петром Алексеевичем из Голландии, нудно и скучно выращивается и собирается на приусадебных участках. На этом познания о картофеле у большинства заканчиваются.
Поговорим о процессах возделывания картофеля. Картофель — это вегетативно размножаемая культура. Мы берем часть существующего растения (клубень) и из него получаем новое полноценное растение с тем же набором хромосом. По факту, из исходного материнского растения получаем полную копию по образу и подобию. С этим связан ряд преимуществ: не надо каждый год покупать семена, можно отбирать клубни на посадку из урожая. Размножать растение вегетативным путем гораздо быстрее, чем при размножении семенами (генеративным способом). Генеративное размножение подразумевает собой опыление, в котором участвуют органы размножения женского и мужского полов растения — пестик и тычинка. В результате такого размножения удается получить семена потомства с совершенно новыми (в пределах вида) наследственными признаками растения, несущими как отцовские, так и материнские характеристики.
Все же при вегетативном размножении картофеля возникают сложности, в основном связанные с накоплением в поколениях вирусных заболеваний: картофель поражается более чем 20 вирусами. Каждый год при росте растения в него проникают вирусы, ослабляющие его развитие. Высаживая клубни таких растений, на следующий год мы получаем растение с вирусом внутри, и за новый период его роста концентрация вируса увеличивается. Так за несколько лет концентрация вируса в растении достигает критической массы, и растение получается слабым и без нового урожая.
Для преодоления накопления вирусов в картофеле и оздоровления посадочного материала применяется метод апикальной меристемы. Основа его в том, что группа меристематических (образовательных) клеток, находящихся на вершине конуса нарастания, еще не получила заражение вирусом от более старых клеток или его концентрация настолько мала, что ей можно пренебречь.
Первый этап оздоровления картофеля состоит из визуального отбора морфологически типичных для данного сорта, а также здоровых или наиболее здоровых растений и дальнейшей сортировки в зависимости от концентрации в них вирусов методом иммуноферментного анализа (ИФА).
Урожай с отобранных растений помещается в отдельный пакет и закладывается в хранилище на период покоя, при котором клубни находятся как бы в анабиозе и не будут прорастать даже в подходящих для этого условиях.
Вторым этапом является термотерапия, то есть тепловая обработка клубней, проводимая в термостате при температуре +37 ºС в течение 40 дней. Она позволяет подавить развитие сферических вирусов (вирус желтой карликовости картофеля, вирус скручивания листьев картофеля) и в то же время способствует повышению эффективности метода верхушечных меристем при оздоровлении от вирусов XBK, SBK, МВК, PLRV, YBK, ABK.
Источник. Закладка клубней в термостат.
На третьем этапе клубни картофеля для прорастания помещают на стеллажи без доступа света при температуре 18-22ºС и относительной влажности воздуха около 75%.
На следующем этапе проростки отделяются от клубней, стерилизуются и помещаются в чашку Петри под микроскоп с небольшим количеством стерильной воды с целью предотвращения их высыхания. Для выделения небольшой группы клеток меристемы необходимо препаратной иглой под бинокулярным микроскопом с верхушки точки роста удалить покровные листочки, под которыми находятся боковые и верхушечные меристемы.
Вычленение меристемы. Источник. Источник
Меристему на кончике иглы переносят в пробирку на поверхность питательной среды, закрытие пробирки пробкой происходит в пламени горелки для предотвращения попадания внутрь патогенов. Весь процесс по выделению меристемы проводится в стерильных условиях лаборатории в ламинарном боксе. При выращивании меристем картофеля чаще всего в качестве основы для питательной среды в пробирках применяют классическую питательную среду Мурасиге-Скуга, состоящую из макро- и микроэлементов, хелатного железа, а также витаминов и органических соединений. Для удобства жидкую питательную среду загущают агар-агаром.
Пробирки с меристемами помещаются в световую камеру с постоянным температурным режимом 20-24ºС, влажностью около 70% и освещенностью примерно 8000 люкс, с периодом освещения 16 часов в сутки. От выделения меристемы до получения растения с развитой корневой системой и 5-6 листочками уходит от 70 до 150 дней в зависимости от сорта и соблюдения необходимых условий для роста.
Источник Регенерирующие оздоровленные растения.
На этапе оздоровления картофеля мы получаем пару десятков пробирок со сформировавшимися в них растениями и проводим их оценку на наличие вируса. Проверяем качество проведенной работы методом полимеразной цепной реакции (ПЦР), который более чувствителен и может определить более маленькие концентрации патогена по сравнению с ИФА. Прошедшие проверку ПЦР растения переходят на этап in vitro-размножения.
Здесь необходимо рассказать про классификацию поколений семенного картофеля, чтобы в дальнейшем было проще ориентироваться. В соответствии с ГОСТом 33996-2016 семенной картофель по качеству клубней и качеству посадок в зависимости от ступени размножения (поколения семенного материала) подразделяют на следующие категории.
Каждое следующее поколение получается из посадок предыдущего. Например, мы весной высаживаем в поле суперэлиту, значит, осенью убранные клубни уже будут элитными. Первую и вторую репродукции ещё можно продавать как семенной материал, а начиная с третьей репродукции использование как семенного материала возможно уже только для собственных нужд.
Оздоровленное растение в стерильных условиях лаборатории в ламинарном боксе достается из пробирки и разрезается, шинкуется на черенки, состоящие из кусочка стебля с листочком и пазушной почки у основания листочка, из которой в дальнейшем вырастет новое полноценное растение. Каждый черенок помещается в новую пробирку с питательной средой.
Формирование нового растения из черенка происходит за 21-28 дней, и процесс повторяется заново.
Источник. Микрорастение картофеля in vitro.
Пользуясь данной методикой, за небольшой промежуток времени можно получить несколько десятков тысяч здоровых микрорастений.
Источник. Схема размножения картофеля in vitro.
Дальнейшее размножение может идти по нескольким направлениям: получение микроклубней в пробирках, мини-клубней в горшках, в поле или в гидропонных/аэропонных установках.
Микроклубни образуются непосредственно в пробирках. Данный метод подходит больше для исследовательских работ, поддержания коллекции сортов и видов, так как является самым непродуктивным и затратным из-за того, что с одного растения получается один микроклубень.
Получение мини-клубней может проходить тремя способами.
Первый (полевой) метод – самый дешевый при расчете цены на один получаемый мини-клубень, но при этом и наименее эффективный. При данном методе микрорастения из пробирок высаживают в кассеты для доращивания, а затем непосредственно в землю на открытом участке. Метод имеет высокие трудозатраты, так как процесс высаживания происходит вручную без применения какой-либо техники из-за хрупкости микрорастений. На первых этапах развития таких посадок необходимо соблюдать повышенный контроль за влажностью почвы и солнечной активностью. Приживаемость растений в таких посадках низкая, а заражение вирусами происходит на ранних стадиях из-за незащищенности посадок от переносчиков заболеваний. Однако при всех отрицательных факторах данный метод имеет место быть, и его применение возможно в районах с неблагоприятными условиями для распространения переносчиков заболеваний: от северной части Ленинградской области и до Мурманска, а также в горных районах Северо-Кавказского ФО.
Фото из личных архивов
Вторым способом можно получать мини-клубни картофеля в горшках или других сосудах, установленных в теплицах. Принципиальным отличием от полевого метода является повышенная защита от переносчиков заболеваний из-за защищенного выращивания, а также круглогодичный тип выращивания. Здесь надо немного пояснить, что теплицами правильно называть отапливаемые помещения, а все, что не отапливается, — это парники. Стоимость таких мини-клубней возрастает, но при этом сильно повышается и качество.
Фото из личных архивов
Третий и, на мой взгляд, самый эффективный способ получения мини-клубней картофеля — гидропонный метод. На нем остановимся немного подробнее и начнем с описания самого метода выращивания, гидропоники.
Гидропоника и аэропоника относятся к типу выращивания растений без субстрата. Если быть точнее, то без субстрата, который может содержать питание для растений, так как все питание они получают из воды с растворенными в ней питательными веществами. В некоторых видах гидропоники субстрат используется в качестве основы для закрепления растения, в который оно прорастает корневой системой. Самый распространенный тип такого субстрата — это минеральная вата. Та самая, которой мы утепляем дома! Но в отличии от утеплителя, субстрат для выращивания имеет гидрофильные свойства для удержания воды, плюс есть варианты по расположению волокон, но в основе это тот же утеплитель.
Гидропоника разделяется по методу доставки питательного раствора к растению на пять основных типов и добавляется аэропоника.
Тип №1 – фитильная система, при которой растения закрепляются в нейтральном субстрате, а питательный раствор к ним поступает из бака на основе капиллярного эффекта.
Источник
Тип №2 – система глубоководных культур или плавающей платформы является самой простой из активных, растения закрепляются на плавающей платформе и погружаются непосредственно в питательный раствор, обогащенный кислородом. Метод хорошо подходит для выращивания влаголюбивых растений и быстрорастущих, например, таких, как салат.
Источник
Тип №3 – система периодического затопления. Работа таких систем основана на временном притоке питательного раствора в сосуд или поддон с растениями, а затем оттоке его обратно в резервуар. Многие системы, имеющиеся в продаже, используют именно такой принцип работы. Работа системы периодического затопления осуществляется с помощью погруженного в воду насоса, соединенного с датчиком времени. Когда таймер приводит в действие насос, питательный раствор выталкивается в сосуд с растениями. Когда таймер выключает насос, раствор самотеком стекает обратно в резервуар. Таймер настраивается на включение несколько раз в день, в зависимости от вида растений, температуры и влажности и типа используемого промежуточного слоя.
Источник
Тип №4 – система капельного полива. Данный тип гидропоники повсеместно применяется в промышленных теплицах для выращивания томата, огурца, перца, баклажана. Особенность работы данной системы заключается в том, что раствор подается в малых объемах, но непрерывно под каждое растение. Избыток раствора стекает обратно в исходный бак при небольших объемах системы или в специализированные резервуары для фильтрации и очистки при промышленном выращивании.
Источник
Тип №5 – техника питательного слоя, основана на постоянном или периодическом протекании, для обеспечения доступа кислорода к корням, питательного раствора по желобу с растениями. Именно с этой системой у большинства людей и ассоциируется само понятие гидропоники. На основе данного типа собрана установка «Картофельное дерево» (КД-10; КД-100). Техника питательного слоя позволяет расположить растения картофеля на достаточно большой высоте, чтобы его удобно было собирать.
Источник
Тип №6 – аэропоника. Как и гидропоника хорошо подходит для выращивания мини-клубней картофеля. Принципиальным отличием от гидропонных систем является то, что в данном типе корни не погружаются в раствор он распыляется на корни мелкими каплями 5-10 микрон.
Источник
Вернемся к размножению картофеля, а именно к получению мини-клубней из микрорастения гидропонным путем. Для этого хорошо подходят как гидропоника с техникой питательного слоя, так и аэропоника. Рассмотрим пример именно на гидропонной установке КД-10, так как с ней мне довелось поработать больше времени.
Микрорастение из пробирки необходимо закрепить в посадочных отверстиях установки. В моём случае для этого использовался кубик поролона с прорезью под растение. Корень растения должен доставать до низа лотка, где протекает питательный раствор. В течение первой недели раствор течет практически постоянно, небольшие перерывы делаются в основном для поддержания насоса в рабочем состоянии. При развитии растений они постепенно занимают своей корневой системой большую часть лотка для раствора, и поэтому необходимо подавать раствор намного реже, чтобы его остатки успели слиться из корневой, и они смогли подышать.
Фото из личных архивов
На вопрос «Какой из этих трех методов лучше?» однозначного ответа нет. Полевой метод дешёвый и подходит для ряда регионов. Гидро- и аэропоника — самый дорогой и технологичный, поэтому его использование недоступно без подготовки квалифицированной кадровой базы сотрудников, что у нас в стране вызывает большие сложности из-за нехватки таких специалистов в отрасли. Выращивание в горшках в теплице физически и материально затратно, так что под промышленное производство оно подходит меньше всего, но его хорошо применять в научных целях для селекции или поддержании коллекции различных сортов.
Для дальнейшего размножения оздоровленного картофеля мини-клубни на следующий год высаживают в поле для получения первого полевого поколения. За две недели до посадки начинается подготовка картофеля к посадке, повышается температура в хранилище и включается свет или картофель выносят на открытое пространство. Такая подготовка позволит запустить процесс прорастания, а также повысит процент приживаемости. Для посадки мини-клубней хорошо подходит рассадопосадочная техника. Так как размер посадочного материала маленький, объем посадки измеряют в штуках на 1 га, и это примерно 60 000 шт.
Теперь из этого материала мы получаем более старшие репродукции, которые по размеру и форме уже похожи на привычный нам картофель. Пересаживая этот картофель еще 5 лет, мы получим вторую семенную репродукцию, которую можно продавать как семена. Получение хорошего семенного материала картофеля зависит не только от качества процесса оздоровления, хотя это и основа, а от процесса размножения, так как на этом этапе уже затрачено много сил и финансов на его производство. Разделение на репродукции по годам в большей степени условно, так как основной показатель — это наличие и количество вируса и других болезней в той или иной репродукции, что регулируется ГОСТом 33996-2016. Посадив элитные семена, можно собрать также элитные семена, если процент заражения не превысит показатели в ГОСТе для данной репродукции. Если у семеноводческого хозяйства получается сохранить посадки в той же репродукции, то это может стать хорошим финансовым заделом, так как более высокая репродукция с меньшим заражением более дорогая.
Общий принцип возделывания продовольственного и семенного картофеля идентичен, просто к семенному картофелю повышенные требования, а значит, — больше внимания.
Начинать рассматривать процесс возделывания семенного картофеля лучше всего не с посадок, как это делается на других культурах, а с уборки. Современные сорта картофеля предназначены для узконаправленных задач: потребления в чистом виде, для переработки на продукты питания (чипсы, хлопья), для переработки на технические нужды (крахмал, спирт), на корм в животноводстве. Теперь представим современное семеноводческое хозяйство, которому надо закрывать все потребности рынка и предоставлять семена картофеля по всем направлениям использования. Сюда же накладывается обстоятельство, что под каждое направление идет не один и не два сорта, в лучшем случае 5-7 сортов, востребованных на рынке. Не забываем, что только в поле по каждому сорту растет 6 репродукций, итого только картофельных посадок — от 30 сортов в 180 вариациях. И это еще не конец, так как на одно и то же поле картофель может возвращаться минимум раз в 4 года, в промежутке между этим возделываются другие культуры (порядок чередования культур в поле называется севооборотом, и уже известно, какие культуры в каком порядке сажать, чтобы получился лучший результат). За этим всем надо постоянно следить, чтобы разные сорта картофеля не перемешались друг с другом. Раньше все это велось агрономической службой в бумажных журналах, что, конечно, было не эффективно. Сейчас уже появились электронные журналы и системы распределения заданий. Теперь инженерной службе стало сложнее запутаться, где какая техника работает. Благодаря современному программному обеспечению точно понятно, где что растет и что убирается в данный момент.
Следующее место, куда попадает картофель, – это хранилище. Здесь раньше все могло хорошенько запутаться. К хранилищам семенного картофеля применяются повышенные требования, при этом не важно, каким типом хранения (навалом или в контейнерах) располагается продукция. При закладке на хранение картофель проходит тщательную сортировку, так как всего один клубень пораженный, например, мокрой гнилью, за весь период хранения может испортить до нескольких тонн хорошего картофеля. Одной из самых больших головных болей для заведующего складом является усушка картофеля, которая может достигать трети от массы. Завскладом принял в хранилище 6000 тонн, а весной в них оказалось только 4000 тонн. (»Неплохо так распродал зимой картофель», — подумает руководство.) Для поддержания массы картофеля от высыхания картофельные хранилища периодически увлажняют. Но не все так просто: высокая влажность равна плесени и грибам. Поэтому хранилище надо проветривать, а зимой это делать сложно, так как есть риск испортить картофель, и он не взойдет на следующий год. Хорошо, что сейчас не середина прошлого века и в хранилищах уже много автоматики. Показатели температуры, влажности и др. можно посмотреть и скорректировать на экране компьютера или любого портативного устройства. Но это не исключает человеческого фактора: любой может проморгать что-то и сделать не вовремя, а потеря, например, 3 тонн первого полевого поколения равносильна потере 9000 тонн второй репродукции, которую еще можно продавать как семенную. Сейчас уже существует программное обеспечение, которое принимает решения самостоятельно, ориентируясь на достижение идеальных условий хранения.
В качестве примера можно привести компанию TECCO, предлагающую технологии зонального климатического контроля при хранении овощей и фруктов, а также, например, российскую систему АСУ «Агрометр», разработанную Научно-исследовательской лабораторией автоматизации проектирования (НИЛ АП), выпускаемую под торговой маркой RealLab.
Источник Общая схема системы «Агротерм».
Источник Закладка картофеля на хранение навалом.
Весной надо определить время, когда можно начать высаживать картофель. Для этого есть ряд условий, необходимых для роста корневой системы: температура 7-8оС, но не воздуха, а земли и на глубине 10-12 см, где расположится основная часть корней. Обычно это определяется эмпирическим методом: наблюдение за погодой (среднесуточная температура воздуха равна и превышает 8оС); выдвижение гипотезы, когда почва достигнет необходимых показателей; дедукция – оценка различных гипотез; проверка результатов (замер показателей в поле). К такому показателю, как температура, добавляется ещё влажность почвы. В болото сажать крайне неудобно, да и вредно для будущего урожая. Таким методом оценки пользовались ещё пару десятилетий назад, но сейчас уже доступны компактные метеостанции и почвенные датчики влажности, все показатели, прогнозы и оценка можно посмотреть на портативных устройствах.
Американская компания IBM и The Weather Company разработали сервис по прогнозированию рисков возделывания агрокультур. Сервис учитывает данные о виде и сорте сельскохозяйственной культуры, а также о погоде в месте ее выращивания, после чего с помощью искусственного интеллекта предлагает оптимальные даты посева, рассчитывает стадии развития культур, оценивает вероятность массового размножения различных вредителей и болезней на конкретном поле. Сервис также не упускает из вида перенос спор, которые вызывают болезни. В России через дилеров представлены такие проекты, как Meteobot, Farmers Edge, FarmFacts. В России имеются и собственные проекты точного и локального метеопрогнозирования, например, «Агроплатформа». Система умеет собирать и агрегировать показатели температуры и относительной влажности воздуха, солнечной радиации, скорости и направления ветра, количество осадков, показатели влажности листа и температуры почвы на глубине 5 см. Все собранные данные используются системой для расчета суммарного испарения, формирования погодных окон для проведения агротехнологических операций, подбора оптимальных культур и гибридов, прогнозирования погодных явлений на ближайшие 5 суток для полей конкретного хозяйства. Уже скоро настанет тот час, когда агрономы будут ходить на работу в деловых костюмах.
Источник Общий вид базовой метеостанции.
За посадками семенного картофеля следят более пристально, чем за обычным продовольственным. Так как такой картофель не предназначен для использования в качестве продовольствия и для переработки, количество химических обработок средствами защиты растений на нем возрастает. В России для продовольственного картофеля может быть 10-15 обработок за сезон, а на семенных посадках количество обработок с легкостью может превысить 20 раз за сезон.
Источник Посадка картофеля с использованием сцепки различных сельхозмашин.
Картофель хорошо растет на кислых почвах с pH 5,5-6,0 (это северные регионы с легкими торфянистыми почвами). Но также картофель чувствителен к чрезмерно кислой реакцией почвенной среды (pH ниже 5,5), вследствие чего урожайность падает. Поэтому следует проводить мелиоративные работы по известкованию таких почв и подбирать такие формы удобрений, которое давали бы физиологически щелочную реакцию или нейтральную. Негативно влияет также и повышенная щелочная реакция почвенного раствора pH выше 7,5. Это приводит к снижению урожайности и повышенной заболеваемости (например, паршой).
Источник Внесение извести под картофель.
Для обработки растений средствами защиты или внесения удобрений уже продолжительное время пользуются методами точного земледелия, в частности технологиями дистанционного зондирования земли (ДЗЗ), к которым относят космоснимки и данные съемки с БПЛА (беспилотных летающих объектов) в видимом и мультиспектральном диапазоне. Использование ДЗЗ даёт возможность формировать точные карты границ полей агропредприятия, определять рельеф полей, анализировать процент всхожести посевов и развитие биомассы, эффективность применения средств защиты растений и удобрений. Состояние растений при использовании ДЗЗ определяется с помощью вегетационных индексов.
Вегетационный индекс — показатель, рассчитываемый в результате операций с разными спектральными диапазонами данных дистанционного зондирования, и имеющий отношение к параметрам растительности в данном пикселе снимка. Эффективность вегетационных индексов определяется особенностями отражения. Расчет большей части вегетационных индексов базируется на двух наиболее стабильных участках кривой спектральной отражательной способности растений. Источник
На сегодняшний момент разработана методика расчета, и на практике применяется множество различных вегетационных индексов:
NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) — индекс биомассы растений;
EVI (Enhanced Vegetation Index) — усовершенствованный вегетационный индекс; разработан как улучшение NDVI;
GNDVI (Green Normalized Difference Vegetation Index) — похож на NDVI за исключением того, что он вместо красного спектра измеряет зеленый в диапазоне от 0,54 до 0,57 мкм;
CVI (Chlorophyll Vegetation Index) - вегетационный индекс хлорофилла;
TCI (Temperature Condition Index) — индекс температурного режима;
NDRE (Normalized Difference Red Edge Index) — показатель фотосинтетической активности растительного покрова, используемый для оценки концентраций азота в листьях растений;
ClGreen (Green chlorophyll index) — относительный индекс хлорофилла;
NDWI (Normalized difference Water index) — нормализованный разностный водный индекс;
NDMI (Normalized difference moisture index) — нормализованный разностный индекс влажности;
LAI (Leaf Area Index) — индекс листовой поверхности;
VCI (Vegetation Condition Index) — индекс условий роста растений;
MVCI (The monthly vegetation condition index) — сезонный индекс условий роста растений и др.
Подробнее ознакомиться с вегетационными индексами можно по ссылке.
Самым распространенным и широко применяемым из них является NDVI как наиболее устойчивый к разным факторам: типу съемочной аппаратуры, высоте Солнца и углу сканирования спутника, плотности атмосферы и др. Также данный индекс применяется при расчете некоторых других вегетационных индексов.
NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) — нормализованный относительный индекс растительности — простой показатель количества фотосинтетически активной биомассы. Этот индекс вычисляется по поглощению и отражению растениями лучей красной и ближней инфракрасной зоны спектра. Значения индекса для растительности лежат в диапазоне от 0,20 до 0,95. Чем лучше развита растительность во время вегетации, тем выше значение NDVI. Таким образом, NDVI – это индекс, по которому можно судить о развитии зеленой массы растений во время вегетации.
Источник Мультиспектральный снимок (NDVI), нанесенный на визуальную карту полей.
Источник. Спектр отражения растений.
На российском рынке все больше компаний предоставляют услуги по мультиспектральной съемке. В качестве примера можно привести группу компаний ZALA AERO, которая входит в концерн «Калашников». По результатам ее работы можно получить карты вегетационных индексов (NDVI, PVI, WDVI, SAVI, LAI и др.), по которым можете оценить продуктивность сельхозугодий, а именно состояние растений, содержание влаги, содержание азота, содержание хлорофилла, прирост биомассы.
На основе данных о стадии роста растений, широкого списка почвенных и погодных данных, а также мультиспектральных снимков, показывающих развитие растений, можно принимать решение о необходимости проведения работ по защите растений или внесению удобрений, а также использовать технологию дифференцированного внесения Variable rate technology, при которой каждому участку поля в зависимости от его потребностей вносится необходимое количество средств защиты растений или удобрений.
В широком смысле технологию дифференцированного внесения можно разделить на два принципиальных подхода: online и offline.
В первом варианте на трактор или самоходную машину устанавливается сенсо-спектрометр (GreenSeeker, CropSpec). Использование данных сенсоров позволяет в реальном времени, без предварительной загрузки карт полей в бортовой компьютер с/х техники сканировать территорию по ходу движения, рассчитывать необходимые вегетационные индексы и регулировать норму внесения СЗР или удобрений.
Во втором случае нормы внесения по каждому участку поля определяются заранее, и техника работает по уже введенной программе со всеми расчетами. Именно она предполагает всестороннюю аналитику и составление карт-заданий.
Во всех случаях есть как недостатки, так и преимущества. Специалисты сходятся во мнении, что на ранних и этапах развития растений эффективнее применять offline-технологию, а при более сильном развитии биомассы хорошо работает online-технология.
На российском рынке уже присутствует техника, позволяющая вносить сухие и сыпучие удобрения дифференцированным методом. Это, например, разбрасыватели удобрений компании Amazone ZA-TS, ZG-TS, Z-AM, Kverneland Exacta TL GEOSPREAD, KUHN AXIS и др.
Разбрасыватели удобрений Amazone ZA-TS
При дифференцированной обработке полей средствами защиты растений (жидкие) самоходными или прицепными машинами также необходимо учитывать размеры растений, степень поражения или наличие сорняков если обработка ведется гербицидами.
Распределение СЗР по полю осуществляется опрыскивателями через систему насоса и форсунок. Но проблема в том, что форсунка с определенным диаметром сопла эффективно работает лишь в ограниченном диапазоне давления. А увеличение давления (иногда существенно, если норма увеличилась) ведёт к изменению размера капли в факеле распыла, так как диаметр сопла постоянен, что прямо влияет на качество обработки.
Выходом может служить система автоматического переключения форсунок при изменении давления в системе. Для работы с дифференцированным внесением на опрыскиватель устанавливают систему автоматического переключения потока между форсунками (установленными по несколько штук в одном корпусе) в зависимости от значения давления. Например, система AmaSelect позволяет вне диапазона оптимального давления автоматически переключать работу внутри блока на более мелкую или крупную форсунку, а также подключать несколько форсунок одновременно. Это позволяет изменить норму внесения СЗР до 300% в течение нескольких секунд и без потери качества.
Есть и другие интересные решения для дифференцированного внесения СЗР, например, флуоресцентные датчики (AmaSpot, WeedSeeker, WeedIT), которые распознают пигмент хлорофилла. Иными словами, реагируют на зелёное. Такие системы позволяют распределять средства защиты растений с максимальной эффективностью при одновременном снижении нормы расхода препаратов, т.е. помогают избежать обработки всей поверхности поля гербицидом сплошного действия и внести его лишь там, где есть сорняки или падалица зерновых.
Источник Дифференцированная обработка поля на основе карт развития растений по вегетационным индексам.
Все перечисленные методы внесения удобрений и обработки растений средствами защиты хорошо работают при обработках всего поля и профилактических обработках. Для выявления и купирования очагов заражения болезнями или вредителями на ранних стадиях можно использовать БПЛА совместно с машинным зрением. Это позволяет проводить точечную обработку химическими или биологическими препаратами для предотвращения дальнейшего распространения заразы.
Источник БПЛА с баком для СЗР и системой форсунок для обработки растений.
Во время цветения картофеля проявляются все морфологические (внешние) признаки, позволяющие с максимальной точностью определить сорт. На этом этапе проводится апробация.
«Апробация сортовых посадок картофеля — объективная государственная оценка семеноводческих плантаций. С ее помощью осуществляют контроль за соблюдением всех необходимых семеноводческих и защитных мероприятий при выращивании семенного картофеля, определяют подлинность сортов, проводят учет сортовых посевов и устанавливают их качество».
Привожу дословную цитату с сайта зооинженерного факультета РГАУ-МСХА (да, именно с зоофака, не знаю, почему она там располагается), так как она мне показалась более доступной для понимания.
Апробация проводится сотрудниками ФГБУ «Россельхозцентр» с привлечением аккредитованных лиц, имеющих право проводить эти процедуры. По факту апробации Россельхозцентром выдаются акт апробации и сертификат соответствия, подтверждающий посадку картофеля определенного сорта и заявленную репродукцию.
Уборка семенного картофеля проходит раньше, чем продовольственного: до увядания надземной части (ботвы), примерно во время цветения. К этому моменту уже сформировалось максимальное количество клубней, и они уже достаточного размера для хорошей сохранности. Примерно за 10-14 дней до начала уборки проводят дисикацию посадок. Данная процедура заключается в обработке ботвы картофеля препаратами, которые угнетают клетки, и растение начинает высыхать, что в свою очередь стимулирует отток питательных веществ из листьев к клубням, а также упрощает работу уборочных машин.
Источник Обработка десикантами с применением специализированной авиации.
Источник Картофельное поле после обработки десикантами..
Уборка картофеля начинается с конца июля для ранних сортов и может продлиться до первого снега. Для уборки могут применять как самоходные, так и прицепные комбайны, которые за один проход убирают от 1 до 4 гребней картофеля. Большинство крупных производителей тракторов и сельхозтехники уже предлагают собственные решения автоматических систем вождения, например, системы ATU 300 от John Deere, которые эффективно применяются как при обработке почвы, так и на посадочных и уборочных работах.
Также есть решение российских разработчиков систем для беспилотных машин, в том числе и сельскохозяйственной техники Cognitive Pilot.
Ну вот и подошел к концу мой краткий перечень современных технологий, которые применяются в картофелеводстве.
В заключение хотелось бы добавить, что ЛАНИТ уже не один год работает на сельскохозяйственном рынке и успешно выполняет проекты по цифровой трансформации отрасли. В конце прошлого года мы по заказу Минсельхоза России разработали концептуальные основы национальной платформы «Цифровое сельское хозяйство», также командой наших специалистов подготовлена рыночно-аналитическая карта рынка сельского хозяйства. Эта карта поможет потенциальным поставщикам составить базовое представление о рынке, оценить собственные ресурсы, предложить новые востребованные сервисы. Сейчас, совместно с Центром технологического трансфера НИУ Высшей школы экономики мы проводим большую исследовательскую работу по изучению научных заделов, правовых и экономических аспектов современной агротехнологии, а также организуем взаимодействие между субъектами сельскохозяйственного производства и представителями других отраслей в цепочке «производство — реализация».
Сельское хозяйство стоит на пороге пересмотра применяемых подходов и технологий. Вероятно, это не будет полноценная индустриальная революция, но на вторую аграрную, как минимум, претендовать может. Диалог сельского хозяйства и «цифры», скорее всего, позволит добиться эффективного решения насущных вопросов, связанных со сбалансированным потреблением, здоровьем населения и экологией, ведь первые ростки грядущих изменений уже показались.
Сегодня много внимания приковано к цифровизации национальной экономики. Все говорят про цифровую трансформацию, но как она влияет на конкретные предметные области, не понимают. Именно поэтому на рынке есть устойчивый интерес к айтишникам, который знают узкую специфику отраслей, и к отраслевым специалистам, которые на понятном языке могут объяснить айтишникам, что необходимо делать.
На примере того, как цифровые технологии влияют на повышение урожайности картофеля, мы сегодня и рассмотрим положительную синергию растениеводства и ИТ.
Картофель! Что не специалист может сказать об этом растении? Овощ, происходит из Южной Америки, завезен в Россию Петром Алексеевичем из Голландии, нудно и скучно выращивается и собирается на приусадебных участках. На этом познания о картофеле у большинства заканчиваются.
Ботаника
В начале немного систематики, чтобы понять «координаты» нахождения картофеля среди множества других растений.
Начнём сразу с семейства паслёновых (Solanaceae L.), в котором на сегодняшний момент насчитывается около 2700 видов в 115 родах. Самые известные из культивируемых родственников картофеля в этом семействе табак, томат, дереза, паслён, пепино, санберри, перец стручковый и перец овощной (не путать с перцем чёрным, который используется как пряность и относится к семейству перечные). В одном роду паслёновых (Solanum), который насчитывает около 1200 видов, c картофелем находятся такие возделываемые культуры как баклажан и томат. Из 150 известных диких и культурных видов картофеля наибольшее хозяйственное значение имеет вид Solanum tuberosum L.
Источник. Схематическое строение подземной части картофеля.
Картофель неправильно называть корнеплодом, так как клубни картофеля являются видоизмененным побегом, образованным на конце подземного побега растения (столона). Размножение картофеля, как всем известно, происходит клубнями, это вегетативное размножение. Тут есть как преимущества для сельского хозяйства, так и сложности. К генеративному размножению (или размножению семенами) прибегают лишь в селекционной работе при выведении новых сортов картофеля.
Источник. Плод картофеля (ягода) с семенами в разрезе.
При выведении нового сорта, или гибрида, подбираются родительские формы для скрещивания по набору необходимых нам хозяйственно-полезных признаков и проводится переопыление. В результате опыления образуются плоды картофеля, которыми являются ягоды, с новым набором хромосом и соответственно другими качествами.
Источник. Плод картофеля (ягода) на растении.
В сыром виде плоды картофеля не пригодны в пищу из-за содержания в них большого количества соланина, который является ядовитым органическим соединением. Люди в России в конце XVII века, впервые столкнувшись с картофелем, не знали, в каком виде его употреблять в пищу. Это привело к тому что ещё 100 лет картофель не получал должного признания и распространения в нашей стране. Заграничное растение долго не принималось церковью и крестьянами.
Графическое изображение соланина. Источник
Начнём сразу с семейства паслёновых (Solanaceae L.), в котором на сегодняшний момент насчитывается около 2700 видов в 115 родах. Самые известные из культивируемых родственников картофеля в этом семействе табак, томат, дереза, паслён, пепино, санберри, перец стручковый и перец овощной (не путать с перцем чёрным, который используется как пряность и относится к семейству перечные). В одном роду паслёновых (Solanum), который насчитывает около 1200 видов, c картофелем находятся такие возделываемые культуры как баклажан и томат. Из 150 известных диких и культурных видов картофеля наибольшее хозяйственное значение имеет вид Solanum tuberosum L.
Картофель неправильно называть корнеплодом, так как клубни картофеля являются видоизмененным побегом, образованным на конце подземного побега растения (столона). Размножение картофеля, как всем известно, происходит клубнями, это вегетативное размножение. Тут есть как преимущества для сельского хозяйства, так и сложности. К генеративному размножению (или размножению семенами) прибегают лишь в селекционной работе при выведении новых сортов картофеля.
При выведении нового сорта, или гибрида, подбираются родительские формы для скрещивания по набору необходимых нам хозяйственно-полезных признаков и проводится переопыление. В результате опыления образуются плоды картофеля, которыми являются ягоды, с новым набором хромосом и соответственно другими качествами.
В сыром виде плоды картофеля не пригодны в пищу из-за содержания в них большого количества соланина, который является ядовитым органическим соединением. Люди в России в конце XVII века, впервые столкнувшись с картофелем, не знали, в каком виде его употреблять в пищу. Это привело к тому что ещё 100 лет картофель не получал должного признания и распространения в нашей стране. Заграничное растение долго не принималось церковью и крестьянами.
История
История картофеля для России начинается с 1697 года, когда из России в Западную Европу было направлено Великое посольство, основной целью которого было найти союзников против Османской империи. Помимо переговоров Великое посольство во главе с Петром Алексеевичем посвятило много времени изучению военного дела и других наук. Именно в этой поездке при посещении Нидерландов Петра Алексеевича заинтересовал картофель, и он был направлен в Россию для изучения и разведения.
Уверен, для многих не секрет, что родина картофеля не Голландия, а Южная Америка, где и сейчас попадается дикорастущий картофель. Использовать картофель в пищу начали индейские племена, жившие на территории современной Боливии. На территорию Европы картофель попал к середине XVI века через Испанию, а дальше начал распространятся по всей Европе.
В Россию картофель из Европы попадает практически через 200 лет. К 1750 г. у нас стали появляется опыты по возделыванию этой культуры. В 1758 г. выходит первая статья «О разведении земляных яблок», опубликованная Петербургской академией наук. Позже выходят статьи о возделывании картофеля, опубликованные Яковом Сиверсом и Андреем Болотовым, одним из основателей агрономии и помологии в России. Но массового распространения картофель в то время так и не получил.
Увеличиваться площади посадок начали только к середине XIX века, после выхода в 1841 г. распоряжения «О мерах к распространению разведения картофеля», по которому губернаторы должны были регулярно отчитываться правительству о темпах увеличения посевов новой культуры.
Способствовали распространению картофеля и практические работы российских селекционеров-овощеводов. Ефим Грачев, член Парижской академии сельского хозяйства, промышленности и торговли, вывел множество сортов различных овощных культур, а также более 100 сортов картофеля. Николай Никитинский — российский предприниматель, аграрий и селекционер картофеля. В своей усадьбе в Рязанской губернии на берегу Оки собрал коллекцию из 511 сортов картофеля, присылаемых ему со всего мира – от Европы до Японии, Америки, Австралии, и местных, российских.
Постепенно «картофельная революция» увенчалась успехом: к концу XIX века в России под картофель было занято более 1,5 млн га, и к началу XX века этот овощ уже считался в России «вторым хлебом», то есть одним из основных продуктов питания.
Источник. Монахи, сажающие картофель, фотография Прокудина-Горского, 1910 г.
Уверен, для многих не секрет, что родина картофеля не Голландия, а Южная Америка, где и сейчас попадается дикорастущий картофель. Использовать картофель в пищу начали индейские племена, жившие на территории современной Боливии. На территорию Европы картофель попал к середине XVI века через Испанию, а дальше начал распространятся по всей Европе.
В Россию картофель из Европы попадает практически через 200 лет. К 1750 г. у нас стали появляется опыты по возделыванию этой культуры. В 1758 г. выходит первая статья «О разведении земляных яблок», опубликованная Петербургской академией наук. Позже выходят статьи о возделывании картофеля, опубликованные Яковом Сиверсом и Андреем Болотовым, одним из основателей агрономии и помологии в России. Но массового распространения картофель в то время так и не получил.
Увеличиваться площади посадок начали только к середине XIX века, после выхода в 1841 г. распоряжения «О мерах к распространению разведения картофеля», по которому губернаторы должны были регулярно отчитываться правительству о темпах увеличения посевов новой культуры.
Способствовали распространению картофеля и практические работы российских селекционеров-овощеводов. Ефим Грачев, член Парижской академии сельского хозяйства, промышленности и торговли, вывел множество сортов различных овощных культур, а также более 100 сортов картофеля. Николай Никитинский — российский предприниматель, аграрий и селекционер картофеля. В своей усадьбе в Рязанской губернии на берегу Оки собрал коллекцию из 511 сортов картофеля, присылаемых ему со всего мира – от Европы до Японии, Америки, Австралии, и местных, российских.
Постепенно «картофельная революция» увенчалась успехом: к концу XIX века в России под картофель было занято более 1,5 млн га, и к началу XX века этот овощ уже считался в России «вторым хлебом», то есть одним из основных продуктов питания.
Семеноводство и оздоровление
Поговорим о процессах возделывания картофеля. Картофель — это вегетативно размножаемая культура. Мы берем часть существующего растения (клубень) и из него получаем новое полноценное растение с тем же набором хромосом. По факту, из исходного материнского растения получаем полную копию по образу и подобию. С этим связан ряд преимуществ: не надо каждый год покупать семена, можно отбирать клубни на посадку из урожая. Размножать растение вегетативным путем гораздо быстрее, чем при размножении семенами (генеративным способом). Генеративное размножение подразумевает собой опыление, в котором участвуют органы размножения женского и мужского полов растения — пестик и тычинка. В результате такого размножения удается получить семена потомства с совершенно новыми (в пределах вида) наследственными признаками растения, несущими как отцовские, так и материнские характеристики.
Все же при вегетативном размножении картофеля возникают сложности, в основном связанные с накоплением в поколениях вирусных заболеваний: картофель поражается более чем 20 вирусами. Каждый год при росте растения в него проникают вирусы, ослабляющие его развитие. Высаживая клубни таких растений, на следующий год мы получаем растение с вирусом внутри, и за новый период его роста концентрация вируса увеличивается. Так за несколько лет концентрация вируса в растении достигает критической массы, и растение получается слабым и без нового урожая.
Для преодоления накопления вирусов в картофеле и оздоровления посадочного материала применяется метод апикальной меристемы. Основа его в том, что группа меристематических (образовательных) клеток, находящихся на вершине конуса нарастания, еще не получила заражение вирусом от более старых клеток или его концентрация настолько мала, что ей можно пренебречь.
Первый этап оздоровления картофеля состоит из визуального отбора морфологически типичных для данного сорта, а также здоровых или наиболее здоровых растений и дальнейшей сортировки в зависимости от концентрации в них вирусов методом иммуноферментного анализа (ИФА).
Урожай с отобранных растений помещается в отдельный пакет и закладывается в хранилище на период покоя, при котором клубни находятся как бы в анабиозе и не будут прорастать даже в подходящих для этого условиях.
Вторым этапом является термотерапия, то есть тепловая обработка клубней, проводимая в термостате при температуре +37 ºС в течение 40 дней. Она позволяет подавить развитие сферических вирусов (вирус желтой карликовости картофеля, вирус скручивания листьев картофеля) и в то же время способствует повышению эффективности метода верхушечных меристем при оздоровлении от вирусов XBK, SBK, МВК, PLRV, YBK, ABK.
На третьем этапе клубни картофеля для прорастания помещают на стеллажи без доступа света при температуре 18-22ºС и относительной влажности воздуха около 75%.
На следующем этапе проростки отделяются от клубней, стерилизуются и помещаются в чашку Петри под микроскоп с небольшим количеством стерильной воды с целью предотвращения их высыхания. Для выделения небольшой группы клеток меристемы необходимо препаратной иглой под бинокулярным микроскопом с верхушки точки роста удалить покровные листочки, под которыми находятся боковые и верхушечные меристемы.
Меристему на кончике иглы переносят в пробирку на поверхность питательной среды, закрытие пробирки пробкой происходит в пламени горелки для предотвращения попадания внутрь патогенов. Весь процесс по выделению меристемы проводится в стерильных условиях лаборатории в ламинарном боксе. При выращивании меристем картофеля чаще всего в качестве основы для питательной среды в пробирках применяют классическую питательную среду Мурасиге-Скуга, состоящую из макро- и микроэлементов, хелатного железа, а также витаминов и органических соединений. Для удобства жидкую питательную среду загущают агар-агаром.
Пробирки с меристемами помещаются в световую камеру с постоянным температурным режимом 20-24ºС, влажностью около 70% и освещенностью примерно 8000 люкс, с периодом освещения 16 часов в сутки. От выделения меристемы до получения растения с развитой корневой системой и 5-6 листочками уходит от 70 до 150 дней в зависимости от сорта и соблюдения необходимых условий для роста.
Размножение оздоровленного картофеля
На этапе оздоровления картофеля мы получаем пару десятков пробирок со сформировавшимися в них растениями и проводим их оценку на наличие вируса. Проверяем качество проведенной работы методом полимеразной цепной реакции (ПЦР), который более чувствителен и может определить более маленькие концентрации патогена по сравнению с ИФА. Прошедшие проверку ПЦР растения переходят на этап in vitro-размножения.
Здесь необходимо рассказать про классификацию поколений семенного картофеля, чтобы в дальнейшем было проще ориентироваться. В соответствии с ГОСТом 33996-2016 семенной картофель по качеству клубней и качеству посадок в зависимости от ступени размножения (поколения семенного материала) подразделяют на следующие категории.
- Оригинальный семенной картофель:
○ микрорастения,
○ микроклубни, мини-клубни,
○ первое полевое поколение,
○ супер-суперэлитный семенной картофель. - Элитный семенной картофель:
○ суперэлитный,
○ элитный. - Репродукционный семенной картофель:
○ первая репродукция,
○ вторая репродукция,
○ третья и последующие репродукции.
Каждое следующее поколение получается из посадок предыдущего. Например, мы весной высаживаем в поле суперэлиту, значит, осенью убранные клубни уже будут элитными. Первую и вторую репродукции ещё можно продавать как семенной материал, а начиная с третьей репродукции использование как семенного материала возможно уже только для собственных нужд.
Оздоровленное растение в стерильных условиях лаборатории в ламинарном боксе достается из пробирки и разрезается, шинкуется на черенки, состоящие из кусочка стебля с листочком и пазушной почки у основания листочка, из которой в дальнейшем вырастет новое полноценное растение. Каждый черенок помещается в новую пробирку с питательной средой.
Формирование нового растения из черенка происходит за 21-28 дней, и процесс повторяется заново.
Пользуясь данной методикой, за небольшой промежуток времени можно получить несколько десятков тысяч здоровых микрорастений.
Дальнейшее размножение может идти по нескольким направлениям: получение микроклубней в пробирках, мини-клубней в горшках, в поле или в гидропонных/аэропонных установках.
Микроклубни образуются непосредственно в пробирках. Данный метод подходит больше для исследовательских работ, поддержания коллекции сортов и видов, так как является самым непродуктивным и затратным из-за того, что с одного растения получается один микроклубень.
Получение мини-клубней может проходить тремя способами.
Первый (полевой) метод – самый дешевый при расчете цены на один получаемый мини-клубень, но при этом и наименее эффективный. При данном методе микрорастения из пробирок высаживают в кассеты для доращивания, а затем непосредственно в землю на открытом участке. Метод имеет высокие трудозатраты, так как процесс высаживания происходит вручную без применения какой-либо техники из-за хрупкости микрорастений. На первых этапах развития таких посадок необходимо соблюдать повышенный контроль за влажностью почвы и солнечной активностью. Приживаемость растений в таких посадках низкая, а заражение вирусами происходит на ранних стадиях из-за незащищенности посадок от переносчиков заболеваний. Однако при всех отрицательных факторах данный метод имеет место быть, и его применение возможно в районах с неблагоприятными условиями для распространения переносчиков заболеваний: от северной части Ленинградской области и до Мурманска, а также в горных районах Северо-Кавказского ФО.
Вторым способом можно получать мини-клубни картофеля в горшках или других сосудах, установленных в теплицах. Принципиальным отличием от полевого метода является повышенная защита от переносчиков заболеваний из-за защищенного выращивания, а также круглогодичный тип выращивания. Здесь надо немного пояснить, что теплицами правильно называть отапливаемые помещения, а все, что не отапливается, — это парники. Стоимость таких мини-клубней возрастает, но при этом сильно повышается и качество.
Третий и, на мой взгляд, самый эффективный способ получения мини-клубней картофеля — гидропонный метод. На нем остановимся немного подробнее и начнем с описания самого метода выращивания, гидропоники.
Гидропоника и аэропоника относятся к типу выращивания растений без субстрата. Если быть точнее, то без субстрата, который может содержать питание для растений, так как все питание они получают из воды с растворенными в ней питательными веществами. В некоторых видах гидропоники субстрат используется в качестве основы для закрепления растения, в который оно прорастает корневой системой. Самый распространенный тип такого субстрата — это минеральная вата. Та самая, которой мы утепляем дома! Но в отличии от утеплителя, субстрат для выращивания имеет гидрофильные свойства для удержания воды, плюс есть варианты по расположению волокон, но в основе это тот же утеплитель.
Гидропоника разделяется по методу доставки питательного раствора к растению на пять основных типов и добавляется аэропоника.
Тип №1 – фитильная система, при которой растения закрепляются в нейтральном субстрате, а питательный раствор к ним поступает из бака на основе капиллярного эффекта.
Тип №2 – система глубоководных культур или плавающей платформы является самой простой из активных, растения закрепляются на плавающей платформе и погружаются непосредственно в питательный раствор, обогащенный кислородом. Метод хорошо подходит для выращивания влаголюбивых растений и быстрорастущих, например, таких, как салат.
Тип №3 – система периодического затопления. Работа таких систем основана на временном притоке питательного раствора в сосуд или поддон с растениями, а затем оттоке его обратно в резервуар. Многие системы, имеющиеся в продаже, используют именно такой принцип работы. Работа системы периодического затопления осуществляется с помощью погруженного в воду насоса, соединенного с датчиком времени. Когда таймер приводит в действие насос, питательный раствор выталкивается в сосуд с растениями. Когда таймер выключает насос, раствор самотеком стекает обратно в резервуар. Таймер настраивается на включение несколько раз в день, в зависимости от вида растений, температуры и влажности и типа используемого промежуточного слоя.
Тип №4 – система капельного полива. Данный тип гидропоники повсеместно применяется в промышленных теплицах для выращивания томата, огурца, перца, баклажана. Особенность работы данной системы заключается в том, что раствор подается в малых объемах, но непрерывно под каждое растение. Избыток раствора стекает обратно в исходный бак при небольших объемах системы или в специализированные резервуары для фильтрации и очистки при промышленном выращивании.
Тип №5 – техника питательного слоя, основана на постоянном или периодическом протекании, для обеспечения доступа кислорода к корням, питательного раствора по желобу с растениями. Именно с этой системой у большинства людей и ассоциируется само понятие гидропоники. На основе данного типа собрана установка «Картофельное дерево» (КД-10; КД-100). Техника питательного слоя позволяет расположить растения картофеля на достаточно большой высоте, чтобы его удобно было собирать.
Тип №6 – аэропоника. Как и гидропоника хорошо подходит для выращивания мини-клубней картофеля. Принципиальным отличием от гидропонных систем является то, что в данном типе корни не погружаются в раствор он распыляется на корни мелкими каплями 5-10 микрон.
Вернемся к размножению картофеля, а именно к получению мини-клубней из микрорастения гидропонным путем. Для этого хорошо подходят как гидропоника с техникой питательного слоя, так и аэропоника. Рассмотрим пример именно на гидропонной установке КД-10, так как с ней мне довелось поработать больше времени.
Микрорастение из пробирки необходимо закрепить в посадочных отверстиях установки. В моём случае для этого использовался кубик поролона с прорезью под растение. Корень растения должен доставать до низа лотка, где протекает питательный раствор. В течение первой недели раствор течет практически постоянно, небольшие перерывы делаются в основном для поддержания насоса в рабочем состоянии. При развитии растений они постепенно занимают своей корневой системой большую часть лотка для раствора, и поэтому необходимо подавать раствор намного реже, чтобы его остатки успели слиться из корневой, и они смогли подышать.
На вопрос «Какой из этих трех методов лучше?» однозначного ответа нет. Полевой метод дешёвый и подходит для ряда регионов. Гидро- и аэропоника — самый дорогой и технологичный, поэтому его использование недоступно без подготовки квалифицированной кадровой базы сотрудников, что у нас в стране вызывает большие сложности из-за нехватки таких специалистов в отрасли. Выращивание в горшках в теплице физически и материально затратно, так что под промышленное производство оно подходит меньше всего, но его хорошо применять в научных целях для селекции или поддержании коллекции различных сортов.
Для дальнейшего размножения оздоровленного картофеля мини-клубни на следующий год высаживают в поле для получения первого полевого поколения. За две недели до посадки начинается подготовка картофеля к посадке, повышается температура в хранилище и включается свет или картофель выносят на открытое пространство. Такая подготовка позволит запустить процесс прорастания, а также повысит процент приживаемости. Для посадки мини-клубней хорошо подходит рассадопосадочная техника. Так как размер посадочного материала маленький, объем посадки измеряют в штуках на 1 га, и это примерно 60 000 шт.
Теперь из этого материала мы получаем более старшие репродукции, которые по размеру и форме уже похожи на привычный нам картофель. Пересаживая этот картофель еще 5 лет, мы получим вторую семенную репродукцию, которую можно продавать как семена. Получение хорошего семенного материала картофеля зависит не только от качества процесса оздоровления, хотя это и основа, а от процесса размножения, так как на этом этапе уже затрачено много сил и финансов на его производство. Разделение на репродукции по годам в большей степени условно, так как основной показатель — это наличие и количество вируса и других болезней в той или иной репродукции, что регулируется ГОСТом 33996-2016. Посадив элитные семена, можно собрать также элитные семена, если процент заражения не превысит показатели в ГОСТе для данной репродукции. Если у семеноводческого хозяйства получается сохранить посадки в той же репродукции, то это может стать хорошим финансовым заделом, так как более высокая репродукция с меньшим заражением более дорогая.
Технологический процесс возделывания семенного картофеля
Общий принцип возделывания продовольственного и семенного картофеля идентичен, просто к семенному картофелю повышенные требования, а значит, — больше внимания.
Начинать рассматривать процесс возделывания семенного картофеля лучше всего не с посадок, как это делается на других культурах, а с уборки. Современные сорта картофеля предназначены для узконаправленных задач: потребления в чистом виде, для переработки на продукты питания (чипсы, хлопья), для переработки на технические нужды (крахмал, спирт), на корм в животноводстве. Теперь представим современное семеноводческое хозяйство, которому надо закрывать все потребности рынка и предоставлять семена картофеля по всем направлениям использования. Сюда же накладывается обстоятельство, что под каждое направление идет не один и не два сорта, в лучшем случае 5-7 сортов, востребованных на рынке. Не забываем, что только в поле по каждому сорту растет 6 репродукций, итого только картофельных посадок — от 30 сортов в 180 вариациях. И это еще не конец, так как на одно и то же поле картофель может возвращаться минимум раз в 4 года, в промежутке между этим возделываются другие культуры (порядок чередования культур в поле называется севооборотом, и уже известно, какие культуры в каком порядке сажать, чтобы получился лучший результат). За этим всем надо постоянно следить, чтобы разные сорта картофеля не перемешались друг с другом. Раньше все это велось агрономической службой в бумажных журналах, что, конечно, было не эффективно. Сейчас уже появились электронные журналы и системы распределения заданий. Теперь инженерной службе стало сложнее запутаться, где какая техника работает. Благодаря современному программному обеспечению точно понятно, где что растет и что убирается в данный момент.
Следующее место, куда попадает картофель, – это хранилище. Здесь раньше все могло хорошенько запутаться. К хранилищам семенного картофеля применяются повышенные требования, при этом не важно, каким типом хранения (навалом или в контейнерах) располагается продукция. При закладке на хранение картофель проходит тщательную сортировку, так как всего один клубень пораженный, например, мокрой гнилью, за весь период хранения может испортить до нескольких тонн хорошего картофеля. Одной из самых больших головных болей для заведующего складом является усушка картофеля, которая может достигать трети от массы. Завскладом принял в хранилище 6000 тонн, а весной в них оказалось только 4000 тонн. (»Неплохо так распродал зимой картофель», — подумает руководство.) Для поддержания массы картофеля от высыхания картофельные хранилища периодически увлажняют. Но не все так просто: высокая влажность равна плесени и грибам. Поэтому хранилище надо проветривать, а зимой это делать сложно, так как есть риск испортить картофель, и он не взойдет на следующий год. Хорошо, что сейчас не середина прошлого века и в хранилищах уже много автоматики. Показатели температуры, влажности и др. можно посмотреть и скорректировать на экране компьютера или любого портативного устройства. Но это не исключает человеческого фактора: любой может проморгать что-то и сделать не вовремя, а потеря, например, 3 тонн первого полевого поколения равносильна потере 9000 тонн второй репродукции, которую еще можно продавать как семенную. Сейчас уже существует программное обеспечение, которое принимает решения самостоятельно, ориентируясь на достижение идеальных условий хранения.
В качестве примера можно привести компанию TECCO, предлагающую технологии зонального климатического контроля при хранении овощей и фруктов, а также, например, российскую систему АСУ «Агрометр», разработанную Научно-исследовательской лабораторией автоматизации проектирования (НИЛ АП), выпускаемую под торговой маркой RealLab.
Весной надо определить время, когда можно начать высаживать картофель. Для этого есть ряд условий, необходимых для роста корневой системы: температура 7-8оС, но не воздуха, а земли и на глубине 10-12 см, где расположится основная часть корней. Обычно это определяется эмпирическим методом: наблюдение за погодой (среднесуточная температура воздуха равна и превышает 8оС); выдвижение гипотезы, когда почва достигнет необходимых показателей; дедукция – оценка различных гипотез; проверка результатов (замер показателей в поле). К такому показателю, как температура, добавляется ещё влажность почвы. В болото сажать крайне неудобно, да и вредно для будущего урожая. Таким методом оценки пользовались ещё пару десятилетий назад, но сейчас уже доступны компактные метеостанции и почвенные датчики влажности, все показатели, прогнозы и оценка можно посмотреть на портативных устройствах.
Американская компания IBM и The Weather Company разработали сервис по прогнозированию рисков возделывания агрокультур. Сервис учитывает данные о виде и сорте сельскохозяйственной культуры, а также о погоде в месте ее выращивания, после чего с помощью искусственного интеллекта предлагает оптимальные даты посева, рассчитывает стадии развития культур, оценивает вероятность массового размножения различных вредителей и болезней на конкретном поле. Сервис также не упускает из вида перенос спор, которые вызывают болезни. В России через дилеров представлены такие проекты, как Meteobot, Farmers Edge, FarmFacts. В России имеются и собственные проекты точного и локального метеопрогнозирования, например, «Агроплатформа». Система умеет собирать и агрегировать показатели температуры и относительной влажности воздуха, солнечной радиации, скорости и направления ветра, количество осадков, показатели влажности листа и температуры почвы на глубине 5 см. Все собранные данные используются системой для расчета суммарного испарения, формирования погодных окон для проведения агротехнологических операций, подбора оптимальных культур и гибридов, прогнозирования погодных явлений на ближайшие 5 суток для полей конкретного хозяйства. Уже скоро настанет тот час, когда агрономы будут ходить на работу в деловых костюмах.
За посадками семенного картофеля следят более пристально, чем за обычным продовольственным. Так как такой картофель не предназначен для использования в качестве продовольствия и для переработки, количество химических обработок средствами защиты растений на нем возрастает. В России для продовольственного картофеля может быть 10-15 обработок за сезон, а на семенных посадках количество обработок с легкостью может превысить 20 раз за сезон.
Картофель хорошо растет на кислых почвах с pH 5,5-6,0 (это северные регионы с легкими торфянистыми почвами). Но также картофель чувствителен к чрезмерно кислой реакцией почвенной среды (pH ниже 5,5), вследствие чего урожайность падает. Поэтому следует проводить мелиоративные работы по известкованию таких почв и подбирать такие формы удобрений, которое давали бы физиологически щелочную реакцию или нейтральную. Негативно влияет также и повышенная щелочная реакция почвенного раствора pH выше 7,5. Это приводит к снижению урожайности и повышенной заболеваемости (например, паршой).
Для обработки растений средствами защиты или внесения удобрений уже продолжительное время пользуются методами точного земледелия, в частности технологиями дистанционного зондирования земли (ДЗЗ), к которым относят космоснимки и данные съемки с БПЛА (беспилотных летающих объектов) в видимом и мультиспектральном диапазоне. Использование ДЗЗ даёт возможность формировать точные карты границ полей агропредприятия, определять рельеф полей, анализировать процент всхожести посевов и развитие биомассы, эффективность применения средств защиты растений и удобрений. Состояние растений при использовании ДЗЗ определяется с помощью вегетационных индексов.
Вегетационный индекс — показатель, рассчитываемый в результате операций с разными спектральными диапазонами данных дистанционного зондирования, и имеющий отношение к параметрам растительности в данном пикселе снимка. Эффективность вегетационных индексов определяется особенностями отражения. Расчет большей части вегетационных индексов базируется на двух наиболее стабильных участках кривой спектральной отражательной способности растений. Источник
На сегодняшний момент разработана методика расчета, и на практике применяется множество различных вегетационных индексов:
NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) — индекс биомассы растений;
EVI (Enhanced Vegetation Index) — усовершенствованный вегетационный индекс; разработан как улучшение NDVI;
GNDVI (Green Normalized Difference Vegetation Index) — похож на NDVI за исключением того, что он вместо красного спектра измеряет зеленый в диапазоне от 0,54 до 0,57 мкм;
CVI (Chlorophyll Vegetation Index) - вегетационный индекс хлорофилла;
TCI (Temperature Condition Index) — индекс температурного режима;
NDRE (Normalized Difference Red Edge Index) — показатель фотосинтетической активности растительного покрова, используемый для оценки концентраций азота в листьях растений;
ClGreen (Green chlorophyll index) — относительный индекс хлорофилла;
NDWI (Normalized difference Water index) — нормализованный разностный водный индекс;
NDMI (Normalized difference moisture index) — нормализованный разностный индекс влажности;
LAI (Leaf Area Index) — индекс листовой поверхности;
VCI (Vegetation Condition Index) — индекс условий роста растений;
MVCI (The monthly vegetation condition index) — сезонный индекс условий роста растений и др.
Подробнее ознакомиться с вегетационными индексами можно по ссылке.
Самым распространенным и широко применяемым из них является NDVI как наиболее устойчивый к разным факторам: типу съемочной аппаратуры, высоте Солнца и углу сканирования спутника, плотности атмосферы и др. Также данный индекс применяется при расчете некоторых других вегетационных индексов.
NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) — нормализованный относительный индекс растительности — простой показатель количества фотосинтетически активной биомассы. Этот индекс вычисляется по поглощению и отражению растениями лучей красной и ближней инфракрасной зоны спектра. Значения индекса для растительности лежат в диапазоне от 0,20 до 0,95. Чем лучше развита растительность во время вегетации, тем выше значение NDVI. Таким образом, NDVI – это индекс, по которому можно судить о развитии зеленой массы растений во время вегетации.
На российском рынке все больше компаний предоставляют услуги по мультиспектральной съемке. В качестве примера можно привести группу компаний ZALA AERO, которая входит в концерн «Калашников». По результатам ее работы можно получить карты вегетационных индексов (NDVI, PVI, WDVI, SAVI, LAI и др.), по которым можете оценить продуктивность сельхозугодий, а именно состояние растений, содержание влаги, содержание азота, содержание хлорофилла, прирост биомассы.
На основе данных о стадии роста растений, широкого списка почвенных и погодных данных, а также мультиспектральных снимков, показывающих развитие растений, можно принимать решение о необходимости проведения работ по защите растений или внесению удобрений, а также использовать технологию дифференцированного внесения Variable rate technology, при которой каждому участку поля в зависимости от его потребностей вносится необходимое количество средств защиты растений или удобрений.
В широком смысле технологию дифференцированного внесения можно разделить на два принципиальных подхода: online и offline.
В первом варианте на трактор или самоходную машину устанавливается сенсо-спектрометр (GreenSeeker, CropSpec). Использование данных сенсоров позволяет в реальном времени, без предварительной загрузки карт полей в бортовой компьютер с/х техники сканировать территорию по ходу движения, рассчитывать необходимые вегетационные индексы и регулировать норму внесения СЗР или удобрений.
Во втором случае нормы внесения по каждому участку поля определяются заранее, и техника работает по уже введенной программе со всеми расчетами. Именно она предполагает всестороннюю аналитику и составление карт-заданий.
Во всех случаях есть как недостатки, так и преимущества. Специалисты сходятся во мнении, что на ранних и этапах развития растений эффективнее применять offline-технологию, а при более сильном развитии биомассы хорошо работает online-технология.
На российском рынке уже присутствует техника, позволяющая вносить сухие и сыпучие удобрения дифференцированным методом. Это, например, разбрасыватели удобрений компании Amazone ZA-TS, ZG-TS, Z-AM, Kverneland Exacta TL GEOSPREAD, KUHN AXIS и др.
Разбрасыватели удобрений Amazone ZA-TS
При дифференцированной обработке полей средствами защиты растений (жидкие) самоходными или прицепными машинами также необходимо учитывать размеры растений, степень поражения или наличие сорняков если обработка ведется гербицидами.
Распределение СЗР по полю осуществляется опрыскивателями через систему насоса и форсунок. Но проблема в том, что форсунка с определенным диаметром сопла эффективно работает лишь в ограниченном диапазоне давления. А увеличение давления (иногда существенно, если норма увеличилась) ведёт к изменению размера капли в факеле распыла, так как диаметр сопла постоянен, что прямо влияет на качество обработки.
Выходом может служить система автоматического переключения форсунок при изменении давления в системе. Для работы с дифференцированным внесением на опрыскиватель устанавливают систему автоматического переключения потока между форсунками (установленными по несколько штук в одном корпусе) в зависимости от значения давления. Например, система AmaSelect позволяет вне диапазона оптимального давления автоматически переключать работу внутри блока на более мелкую или крупную форсунку, а также подключать несколько форсунок одновременно. Это позволяет изменить норму внесения СЗР до 300% в течение нескольких секунд и без потери качества.
Есть и другие интересные решения для дифференцированного внесения СЗР, например, флуоресцентные датчики (AmaSpot, WeedSeeker, WeedIT), которые распознают пигмент хлорофилла. Иными словами, реагируют на зелёное. Такие системы позволяют распределять средства защиты растений с максимальной эффективностью при одновременном снижении нормы расхода препаратов, т.е. помогают избежать обработки всей поверхности поля гербицидом сплошного действия и внести его лишь там, где есть сорняки или падалица зерновых.
Все перечисленные методы внесения удобрений и обработки растений средствами защиты хорошо работают при обработках всего поля и профилактических обработках. Для выявления и купирования очагов заражения болезнями или вредителями на ранних стадиях можно использовать БПЛА совместно с машинным зрением. Это позволяет проводить точечную обработку химическими или биологическими препаратами для предотвращения дальнейшего распространения заразы.
Во время цветения картофеля проявляются все морфологические (внешние) признаки, позволяющие с максимальной точностью определить сорт. На этом этапе проводится апробация.
«Апробация сортовых посадок картофеля — объективная государственная оценка семеноводческих плантаций. С ее помощью осуществляют контроль за соблюдением всех необходимых семеноводческих и защитных мероприятий при выращивании семенного картофеля, определяют подлинность сортов, проводят учет сортовых посевов и устанавливают их качество».
Привожу дословную цитату с сайта зооинженерного факультета РГАУ-МСХА (да, именно с зоофака, не знаю, почему она там располагается), так как она мне показалась более доступной для понимания.
Апробация проводится сотрудниками ФГБУ «Россельхозцентр» с привлечением аккредитованных лиц, имеющих право проводить эти процедуры. По факту апробации Россельхозцентром выдаются акт апробации и сертификат соответствия, подтверждающий посадку картофеля определенного сорта и заявленную репродукцию.
Уборка семенного картофеля проходит раньше, чем продовольственного: до увядания надземной части (ботвы), примерно во время цветения. К этому моменту уже сформировалось максимальное количество клубней, и они уже достаточного размера для хорошей сохранности. Примерно за 10-14 дней до начала уборки проводят дисикацию посадок. Данная процедура заключается в обработке ботвы картофеля препаратами, которые угнетают клетки, и растение начинает высыхать, что в свою очередь стимулирует отток питательных веществ из листьев к клубням, а также упрощает работу уборочных машин.
Уборка картофеля начинается с конца июля для ранних сортов и может продлиться до первого снега. Для уборки могут применять как самоходные, так и прицепные комбайны, которые за один проход убирают от 1 до 4 гребней картофеля. Большинство крупных производителей тракторов и сельхозтехники уже предлагают собственные решения автоматических систем вождения, например, системы ATU 300 от John Deere, которые эффективно применяются как при обработке почвы, так и на посадочных и уборочных работах.
Также есть решение российских разработчиков систем для беспилотных машин, в том числе и сельскохозяйственной техники Cognitive Pilot.
Ну вот и подошел к концу мой краткий перечень современных технологий, которые применяются в картофелеводстве.
В заключение хотелось бы добавить, что ЛАНИТ уже не один год работает на сельскохозяйственном рынке и успешно выполняет проекты по цифровой трансформации отрасли. В конце прошлого года мы по заказу Минсельхоза России разработали концептуальные основы национальной платформы «Цифровое сельское хозяйство», также командой наших специалистов подготовлена рыночно-аналитическая карта рынка сельского хозяйства. Эта карта поможет потенциальным поставщикам составить базовое представление о рынке, оценить собственные ресурсы, предложить новые востребованные сервисы. Сейчас, совместно с Центром технологического трансфера НИУ Высшей школы экономики мы проводим большую исследовательскую работу по изучению научных заделов, правовых и экономических аспектов современной агротехнологии, а также организуем взаимодействие между субъектами сельскохозяйственного производства и представителями других отраслей в цепочке «производство — реализация».
Сельское хозяйство стоит на пороге пересмотра применяемых подходов и технологий. Вероятно, это не будет полноценная индустриальная революция, но на вторую аграрную, как минимум, претендовать может. Диалог сельского хозяйства и «цифры», скорее всего, позволит добиться эффективного решения насущных вопросов, связанных со сбалансированным потреблением, здоровьем населения и экологией, ведь первые ростки грядущих изменений уже показались.
