Использование больших данных в сельском хозяйстве на примере прогноза плотности популяции нематоды

Текст: А. А. Шестеперов, д-р биол. наук, проф.; П. Л. Емелин, канд. с.-х. наук, ст. науч. сотр.; О. Г. Грибоедова, канд. биол. наук, мл. науч. сотр.; В. Д. Ефременко, ФГБНУ "Всероссийский НИИ фундаментальной и прикладной паразитологии животных и растений им. К. И. Скрябина"

В условиях рыночной системы производства приоритеты развития отечественной аграрной промышленности изменились в сторону повышения ее эффективности с помощью новых информационных технологий. Они помогают принимать правильные решения и предоставляют все необходимые сведения для выращивания различных сельскохозяйственных культур, в том числе картофеля.

Постепенно сельское хозяйство становится сектором с интенсивным потоком данных. Информация на производство поступает от разных устройств, размещенных в поле и на ферме, от датчиков, агротехники, метеорологических станций, спутников и БПЛА, от внешних систем, партнерских платформ и поставщиков. Показатели от всех звеньев этой цепочки, собранные вместе, дают возможность получать сведения нового качества, находить закономерности, создавать добавочную стоимость для всех вовлеченных участников и применять современные научные способы обработки.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УКЛАД

Сегодня специалисту по защите растений приходится перерабатывать большие объемы разных данных, поэтому требуются новые подходы к считыванию главной, полезной информации. Ее выделение из многочисленных сведений становится достаточно трудоемким процессом, поэтому сегодня активно развивается новый тренд — использование компьютерных моделей, степень внедрения которых в аграрную отрасль, как считают ученые, будет усиливаться. С их точки зрения будущее — за разработкой математического и компьютерного языков. Поэтому современную человеческую деятельность во всей ее широте в скором времени придется переводить в цифровые и математические модели.

Сейчас в мире формируется система шестого технологического уклада, основу которого составляют нано- и информационные технологии. В ближайшие десятилетия именно он будет определять развитие мировой экономики. По этой причине одним из приоритетов государственной политики в России становится формирование программы "Национальная технологическая инициатива", финансирование которой составит порядка 10 млрд руб. При этом важной задачей на ближайшие годы является внедрение цифровых технологий в агропромышленный комплекс РФ.

Одним из этапов развития данного уклада станет введение передовых разработок из институтов РАН в практику сельского хозяйства. Благодаря этому новые инструменты, в том числе диалоговые компьютерные программы, смогут быстрее развиваться и выходить на информационный рынок. Впоследствии данные модели будут помогать сельхозпроизводителям внедрять инновационные решения на уровне организации производственного процесса в аграрном секторе. К примеру, прогностические модели защиты растений от фитопаразитов позволят провести компьютерные эксперименты и теоретически обосновать оптимальные мероприятия по профилактике и мерам борьбы с ними. Создание подобных программ уже ведется различными российскими учеными. Так, специалистами ФГБНУ "Всероссийский НИИ фундаментальной и прикладной паразитологии животных и растений им. К. И. Скрябина" была создана модель компьютерного прогноза плотности популяции золотистой картофельной нематоды, или ЗКН, в почве после выращивания непоражаемых культур.

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ

Золотистая картофельная нематода— карантинный организм, относящийся к фитогельминтам. Данный червь ограниченно обитает в местах постоянного выращивания соответствующей культуры. Кроме картофеля он поражает баклажаны, томаты и других представителей семейства пасленовых. Фитопаразит проникает в корни из почвы, потребляя растительную ткань и выделяя при этом пищеварительные ферменты, оказывающие токсичное действие на растение-хозяина. Скрытый образ жизни и микроскопические размеры нематоды, достигающие лишь 0,5–1,2 мм, не позволяют точно определить наличие и степень поражения насаждений, хотя первые признаки заболевания видны сразу после появления всходов. Зараженные нематодой кусты обычно чахлые, хилые, формируют немногочисленные стебли, которые преждевременно начинают желтеть с нижних листьев, в то время как при вирусных заболеваниях картофеля данный процесс затрагивает верхние части побегов. К периоду уборки этой культуры оплодотворенные самки червя выходят из корней в почву, разбухают, отмирают и образуют прочную золотисто-бурую оболочку, то есть цисту размером 0,5–0,8 мм с жизнеспособными яйцами. Цисты могут находиться в земельном покрове в течение нескольких лет, никак не проявляя себя. Однако при появлении рядом с ними корней растений семейства пасленовых, в том числе сорных, они пробуждаются, а из яиц выходят личинки — от 50 до 600 штук из каждой цисты. Они начинают атаковать корни растений, приникая внутрь, в результате чего жизненный цикл нематоды повторяется.

ЗДОРОВАЯ СМЕНА

Особенно вредоносна золотистая нематода на территориях с бессменным выращиванием картофеля, что обычно наблюдается на приусадебных участках населения, где этот червь может вызывать потери урожая до 90 процентов. Сегодня именно в частном секторе производство этих клубней в нашей стране сконцентрировано в большей степени. Низкая урожайность, не превышающая на данных территориях 9,4–11,1 т/га, объясняется тем, что обычно в ЛПХ картофель выращивается в монокультуре, причем игнорируется систематическая борьба с вредителями и болезнями. Подобные решения приводят не только к уменьшению количества и качества получаемой продукции, но и к постепенному накоплению в почве этого вредителя за счет сохранения для него питательной среды, в результате чего посадки на таких участках становятся потенциальными очагами распространения данного паразита.

Главным методом снижения вредоносности нематоды является соблюдение севооборотов. В этом случае следует помнить, что на одну и ту же посадочную площадь картофель должен возвращаться не ранее чем через пять лет. Лучшими культурами для борьбы с этим вредителем служат растения семейства капустных — все виды капусты, редьки, а также редис, репа и горчица. При этом некоторые хозяйства практикуют "народный" способ уничтожения данного паразита — посев на зараженном участке горчицы и последующее заделывание цветущих растений в почву перекопкой. Их корневые выделения и присутствующие в надземной части специфические вещества не подходят для существования фитогельминта, в результате чего его количество в земельном покрове резко сокращается. Помимо этого, подходящими предшественниками и последователями в севообороте для всех овощей, в том числе картофеля, выступают многолетние травы, а нежелательными — различные пасленовые культуры.

МЕТОДЫ БОРЬБЫ

Для полного уничтожения золотистой цистообразующей картофельной нематоды можно вносить в почву сильные ядохимикаты-фумиганты, однако данный метод нельзя назвать безопасным и целесообразным, а в условиях личных подсобных хозяйств его реализация вовсе запрещена. По этой причине свести вред от присутствия этого вредителя в почве к минимуму и снизить потери урожая картофеля возможно при соблюдении севооборотов, в рамках которых должны выращиваться непоражаемые культуры в очагах глободероза этого клубненосного растения. По данным научных опытов, возделывание полевых, кормовых, овощных, технических, лекарственных, декоративных, цветочных и газонных культур снижает численность нематоды в почве на 10–90 процентов. Поэтому именно с целью изучения степени воздействия данных растений на плотность популяции этого фитопаразита в почве и возможность их использования в борьбе с картофельными глободерами специалистами ФГБНУ "Всероссийский НИИ фундаментальной и прикладной паразитологии животных и растений им. К. И. Скрябина" была подготовлена компьютерная диалоговая программа.

МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Разработка данного проекта состояла из нескольких этапов: формирование информационной базы, подготовка вербальной и концептуальной моделей, формализация математической модели и ее преобразование в компьютерную. Для создания информационной базы были получены опытные показатели снижения плотности популяции золотистой нематоды после выращивания 82 непоражаемых видов зерновых, зернобобовых, кормовых, овощных, декоративных и цветочных культур. Помимо этого, в базу включались результаты оригинальных полевых экспериментов, проведенных учеными из ФГБНУ "Всероссийский НИИ фундаментальной и прикладной паразитологии животных и растений им. К. И. Скрябина" и других научных учреждений, а также материалы многих советских и украинских фитогельминтологов. Основу собранной базы представили значения плотности популяции нематоды, выражаемые в количестве яиц и личинок на 100 куб. см почвы, до выращивания непоражаемых культур и после проведения опытов. Всего было представлено более 510 сведений, из них 420 данных являлись оригинальными.

В основе вербальной, логической и концептуальной моделей взаимодействия популяции вредителя в почве с непоражаемыми культурами лежали определенные принципы. Растения — не хозяева этого вредителя подразделялись на враждебные, к которым относились, к примеру, тагетес, хрен, тысячелистник обыкновенный, девясил, люпин и другие, и нейтральные — валериана, зверобой, календула и прочие. Кроме того, присутствовали растения-провокаторы — озимая пшеница, мелисса, алтей лекарственный и так далее, которые могут выделять вещество, вызывающее выход личинок нематоды из цист и их гибель в отсутствие культуры-хозяина. Для оценки эффективности видов, влияющих на плотность популяции ЗКН, использовали стандарт — черный пар, снижающий численность данного вредителя в почве на 15–40 процентов в зависимости от почвенных и агрометеорологических условий. Включенные в информационную базу результаты ранее проведенных опытов показали, что взаимодействие нематоды и непоражаемых растений — не хозяев приводило к уменьшению плотности популяции фитопаразитов в зависимости от вида культуры и экологических факторов среды. Так, при благоприятных условиях выращивания враждебных растений наблюдалось максимальное снижение численности нематоды, а в случае возделывания нейтральных к этому паразиту культур в негативной обстановке сокращение плотности популяции вредителя оказывалось минимальным.

УСЛОВИЯ ПОДСЧЕТА

При переходе к формированию математической модели во время разработки компьютерной программы авторами были сделаны некоторые допущения. Подразумевалось, что взаимодействие растений — не хозяев и золотистой нематоды происходило в пахотном слое и корневой системе, а численность вредителя, выражаемая в количестве яиц и личинок на 100 куб. см почвы, определялась до посева или посадки этих культур и после их уборки. Плотность популяции фитопаразита характеризовалась равномерно распределенным числом червей на площади вне зависимости от очагового или неодинакового горизонтального и вертикального распространения. Данный показатель мог колебаться от 5 до 50 тыс. яиц и личинок на 100 куб. см почвы.

При выращивании непоражаемых культур величина коэффициента снижения плотности популяции вредителя определялась результативностью воздействия видовых особенностей растений в сравнении с эффективностью черного пара. Влияние экологических факторов на урожайность устойчивых посевов устанавливалось по коэффициенту уменьшения численности золотистой нематоды в почве: максимальный уровень соответствовал хорошим условиям для развития культур; минимальный — неблагоприятным, а средний показатель — среднемноголетним.

ШИРОКИЙ ОХВАТ

При разработке математической модели на основе базы данных были составлены таблицы коэффициентов снижения плотности популяции нематоды в почве после выращивания непоражаемых культур. Исследования проводили для зерновых — озимой и яровой пшеницы, ржи, ячменя, овса; зернобобовых — гороха, кормовых бобов, фасоли; кормовых — вики, клевера, многолетних трав, люпина, свеклы кормовой, кукурузы, подсолнечника, топинамбура и других культур; овощных — капусты белокочанной и цветной, свеклы столовой, моркови, петрушки, сельдерея, брюквы, репы, редьки, редиса, турнепса, лука, чеснока, огурца, кабачка, патиссона, тыквы, гороха, фасоли, бобов овощных, укропа, кориандра, салата, щавеля, ревеня, хрена, спаржи и прочих; лекарственных растений — зверобоя, валерианы, девясила, фенхеля, пижмы, горечавки, крапивы, череды, амаранта, мяты перечной, эстрагона и других; декоративных и цветочных культур — тагетеса, ноготков, георгина, астры, первоцвета, настурции и так далее. Помимо этого, параметры уменьшения численности вредителя определялись после чистого пара при среднемноголетних наблюдениях и различных условиях выращивания растений — не хозяев. Данные значения также использовались при создании математической модели. На основании концептуальной модели ее можно представить в символическом виде: Pi → PiR = Pf, где Рi и Рf — начальная и конечная плотность популяции нематоды; R — коэффициент снижения численности фитопаразита. Это соотношение и определяет зависимость вида выращиваемой культуры между начальными размерами популяции данного вредителя в почве и конечным его количеством.

БЫСТРЫЙ РЕЗУЛЬТАТ

На базе математической модели специалистами была разработана компьютерная диалоговая модель прогноза плотности популяции золотистой нематоды в почве после выращивания непоражаемых сельскохозяйственных культур в очаге распространения. Основа данной программы — строго формализованные записи исходных сведений об этом вредителе, изменении его численности при выращивании устойчивых растений в форме соответствующих математических уравнений. Такая формализация позволяет проанализировать все важнейшие следствия, которые вытекают из исходных представлений об изучаемой системе.

В разработанной программе пользователь на первой странице находит краткую информацию о золотистой картофельной нематоде, а на второй уже может вводить данные о начальном количестве этого вредителя — от 5 до 50 тыс. яиц и личинок на 100 куб. см почвы. На третьей странице сельхозпроизводителю необходимо выбрать тип культуры, который планируется к посеву на пораженном поле, — зерновые, кормовые и другие, либо разновидность пара. В последующих диалоговых окнах определяются вид растения и условия для его выращивания. В результате на последней странице программа показывает прогнозируемую плотность популяции золотистой нематоды в 100 куб. см почвы после возделывания конкретной непоражаемой культуры.

Таким образом, созданная российскими специалистами компьютерная диалоговая модель позволяет проводить виртуальные эксперименты, а также оптимизировать севообороты и плодосмены в очагах глободероза картофеля. Внедрение в сельское хозяйство подобной информационной технологии поможет в сравнительно небольшие сроки повысить эффективность работы сельскохозяйственного предприятия за счет роста объемов урожая данной клубненосной культуры, а также увеличить производительность труда, что приведет к экономическому росту как самой компании, так и экономики страны в целом.

Источник: //agbz.ru