Создан отечественный прибор, повышающий точность экспресс-анализа здоровья растений.
Оценивать интенсивность вегетации различных сельхозкультур в течение всего сезона, прогнозировать на основе получаемых данных результаты полевых работ и, как следствие, урожайность, оперативно выявлять заболевания растений и поражение их вредителями, чтобы вовремя принять адекватные меры, создавать карты продуктивности и зон различной урожайности - все это позволяет разработка ученых и инженеров Научно-технологического центра уникального приборостроения (НТЦ УП РАН) и Северо-Кавказского НИИ горного и предгорного сельского хозяйства Владикавказского научного центра РАН (СКНИИ ГПСХ ВНЦ РАН).
Междисциплинарная кооперация началась в 2022 году с подписания соглашения, цель которого - использовать современные инженерные решения и технологии в сельском хозяйстве и точном земледелии. Для аграриев нашей страны с ее огромными природными угодьями, различными климатическими условиями и поч-вами очень серьезными задачами остаются прогноз и контроль развития сельскохозяйственных культур. Мало посеять современный высокопродуктивный и стойкий ко всяческим недугам сорт. Надо еще собрать урожай и довести его (по возможности без больших потерь) до элеваторов и складов. Даже в эпоху бурного становления искусственного интеллекта по-прежнему голова об этом болит прежде всего у агрономов. Облегчить и сделать эффективнее их труд призваны средства мультиспектральной съемки для мониторинга сельскохозяйственных угодий. Над ними и работают специалисты НТЦ УП РАН совместно с североосетинскими учеными.
Суть методологии заключается в дистанционном определении содержания пигментов в зеленой массе растений с помощью спектрального анализа. Аграрии таким образом получают значимые параметры состояния и роста культур, а анализ этих данных позволяет им своевременно принимать различные профессиональные решения. Например, определять, на каком участке надо провести орошение, а на каком стоит подкормить растения минеральными удобрениями.
Агрофотоника - научное и технологическое направление, базирующееся на интерпретации оптических характеристик растений, исследовании процессов фотосинтеза и фоторегуляции в деле повышения доходности сельского хозяйства. Разработка и внедрение спектральных приборов для неразрушающей диагностики состояния растений - важное направлением работы НТЦ УП РАН. Стоит отметить, что изделия создаются на отечественной элементной базе.
В течение нескольких лет специалисты НТЦ УП РАН и ученые отдела адаптивно-ландшафтного земледелия СКНИИ ГПСХ ВНЦ РАН на делянках института проводили эксперименты с использованием гипер- и мультиспектральных видеокамер для определения в листовой пластине содержания хлорофилла и каротиноидов. Результаты сравнивали с данными, полученными стандартными лабораторными методами. Итогом стало появление в конце прошлого года уникального портативного спектрофлуориметра. С помощью этого устройства можно проводить анализ листьев одновременно тремя методами спектроскопии: отражения, пропускания и флуоресценции. Компактных приборов со столь широкими функциональными возможностями в России еще не было.
– Каждый из методов по отдельности, конечно, доступен, - рассказывает научный сотрудник лаборатории акустооптической спектроскопии НТЦ УП РАН, кандидат технических наук Анастасия Гурылева. - Но вот объединить их в одном устройстве оказалось непросто. Да, существуют иностранные приборы стоимостью тысячи и даже десятки тысяч долларов, но они работают только с флуоресценцией. Наш прибор совмещает сразу три самых востребованных метода спектрального анализа.
Первоначально видеоспектрометры в поле устанавливались на штативе. Получалось громоздкое и не очень удобное в использовании сооружение. Новый прибор (портативный спектрофлуориметр) таких недостатков лишен. Стоит поместить лист в специальный измерительный блок, выбрать нужный режим и нажать кнопку, чтобы через несколько секунд получить спектральные характеристики растения, что очень удобно для оперативного контроля его состояния как в поле (даже при неблагоприятных погодных условиях, например, в дождь или летнюю жару), так и в теплицах.
Следующий этап, по словам А.Гурылевой, - интеграция спектрофлуориметра с разрабатываемыми в НТЦ УП РАН мультиспектральными видеокамерами (применяемыми на беспилотных летательных аппаратах) с целью создания единого комплекса оценки биохимических и биофизических параметров растений.
Обработка данных полностью автоматизирована, благодаря чему пользователю не нужно вдаваться в технические детали: он получает готовые к осмыслению результаты. Впрочем, процесс совершенствования метода, в том числе и применительно к различным сельхозкультурам, идет непрерывно. В частности, в рамках выполнения проекта по гранту РНФ разработана методика интерпретации спектральных данных для определения содержания в листьях растений не только пигментов, но и воды, что расширяет и облегчает анализ, повышает точность и надежность результатов.
– Одна из наших главных задач - сделать прибор простым в использовании для тех, кто работает непосредственно на земле, - говорит руководитель исследования, заведующий лабораторией акустооптической спектроскопии НТЦ УП РАН доктор технических наук Александр Мачихин. - То есть дать аграриям удобные, эффективные и объективные системы, которые проводят диагностику состояния растений при минимальном участии человека. Такой инструментарий не только облегчит труд агрономов, избавив их от необходимости проведения рутинных лабораторных исследований, но и в конечном счете поможет достичь повышения урожайности и улучшения качества сельскохозяйственной продукции.
Очень важно, что в создании спектральных приборов для неразрушающей диагностики состояния растений активное участие принимают молодые ученые и аспиранты, считает директор СКНИИ ГПСХ ВНЦ РАН доктор биологических наук Сослан Козырев. Это способствует их профессиональному росту, интеграции в современную научно-исследовательскую среду, служит развитию аграрной науки в целом.
Ирина Чибирова, пресс-служба ВНЦ РАН
Обложка: фото предоставлено автором
