Жизнь замечательной картошки и современные технологии27.10.2020 11:02

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. 

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.

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. 

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.

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.

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.

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

© Habrahabr.ru