Конвергентный подход к управлению урожаем озимой пшеницы

02 февраля 2020| «Международный сельскохозяйственный журнал»

УДК 631.51
DOI: 10.24411/2587-6740-2020-11018

С. И. Воронов, Ю. Н. Плескачев,
ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр «Немчиновка», Московская область
П. В. Ильяшенко
ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет», г. Волгоград, Россия

В статье, через конвергентный подход рассматривается опыт по программированию и управлению урожаем озимой пшеницы в богарных условиях темно-каштановых почв Нижнего Поволжья. При построении опыта использовались нано-, био- и информационные технологии. В 2016 г. был заложен полнофакторный полевой эксперимент по определению наивысшей продуктивности различных сортов озимой пшеницы при местных почвенно-климатических условиях. В опыте из 25 сортов российской селекции, проходящих экологическое испытание на 4 уровнях минерального питания, были отобраны 4 сорта: Дон-93, Краса Дона, Лилит, Капитан для подробного изучения. Наибольшее количество продуктивных стеблей – 487 шт./м2 в среднем за 3 года формировалось у сорта Краса Дона при третьем уровне минерального питания с использованием органоминерального комплекса ПОЛИДОН® Био Универсальный. Масса зерна с одного колоса озимой пшеницы находилась в пределах от 0,93 г у сорта Дон-93 при первом уровне минерального питания до 1,16 г у сорта Краса Дона при третьем уровне питания. Наименьшая биологическая урожайность формировалась на первом уровне питания, на котором подкормки не проводились, только лишь вносился аммофос в дозе 60 кг/га при посеве. Максимальная биологическая урожайность – 5,65 т/га формировалась у сорта Краса Дона при третьем уровне минерального питания. Наименьшее содержание белка наблюдалось на первом уровне питания – от 10,4% у сорта Дон-93 и сорта Лилит до 11,5% у сорта Капитан. Наибольшее содержание белка было на третьем уровне с применением аммофоса, аммиачной селитры и ПОЛИДОН® Био Универсальный – от 11,0% у сорта Дон-93 до 12,3% у сорта Капитан. В результате проведенных трехлетних опытов было доказано преимущество мелкодисперсного внесения инновационного продукта – препарата ПОЛИДОН® Био Универсальный в фазе весеннего кущения и колошения различных сортов озимой пшеницы в дозе 0,5 л/га.
Ключевые слова: конвергентный подход, озимая пшеница, сорта, удобрения, стимуляторы роста, урожайность.


Введение

В последнее время во всем мире большое внимание стало уделяться конвергентному подходу в исследованиях – новой детерминанте развития общества. Конвергенция (от английского «convergence» – схождение в одной точке) означает не только взаимное влияние, но и взаимопроникновение технологий, когда границы между отдельными технологиями стираются, а многие интересные результаты возникают именно в рамках междисциплинарной работы на стыке областей.

Данное явление, не так давно замеченное исследователями, получило название NBIC-конвергенции (по первым буквам областей: N-нано, B-био, I-инфо, C-когно). Термин введен в 2002 г. Михаилом Роко и Уильямом Бейнбриджем, авторами наиболее значительной в этом направлении на данный момент работы – отчета «Converging technologies for improving human performance» [14].

По мнению M. Амос, расположенные на периферии схемы, основные области новейших технологий образуют пространства взаимных пересечений. На этих стыках используются инструменты и наработки одной области для продвижения другой. Кроме того, иногда обнаруживается сходство изучаемых объектов, принадлежащих разным областям. Из четырех описываемых областей (нано-, био-, инфо-, когно-) наиболее развитая – информационно-коммуникационные технологии – на данный момент чаще всего поставляет инструменты для развития других. В частности, это возможность компьютерного моделирования различных процессов. Вторая (исторически и по степени проработанности) область – биотехнология – также дает инструментарий и теоретическую основу для нанотехнологий и когнитивной науки, и даже для развития компьютерных технологий [9].

Некоторые ученые отмечают, что любой живой организм имеет определенные характеристики, свойственные кибернетическим устройствам. Например, развитие организма во время роста имеет целый ряд параллелей с такими математическими конструкциями, как те же клеточные автоматы [13].

Некоторые исследователи, занимающиеся изучением закономерностей строения живых систем, такие как Стивен Вольфрам, даже говорят об их изначальной математичности [15].

Взаимодействие между самой первой по времени возникновения и последней волнами НТР (компьютерной и когнитивной), по мнению Е. К. Дрекслера, является, возможно, в перспективе наиболее важной «точкой научно-технологического роста» [11].

Увеличение концентрации некоторого вещества в окружающей среде запускает сложный каскад химических реакций, который вызывает реакцию организма. Биологические системы на основе белков и ДНК являются лишь одним из известных подходов к развитию чрезвычайно перспективной отрасли – нанотехнологии [10].

Развитие NBIC-технологий приведет к значительному скачку в возможностях производительных сил. С помощью нанотехнологий, а именно молекулярного производства, по расчетам специалистов, станет возможным создание материальных объектов с чрезвычайно низкой себестоимостью [12].

Сравнительно недавно, на пересечении биологии и информатики появилось новое направление в науке – биоинформатика. Это совокупность методов и подходов, включающих математические методы компьютерного анализа в сравнительной геномике. То есть весь набор компьютерных методов для анализа биологических данных, прочитанных структур ДНК и белков, микрофотографий, сигналов, баз данных с результатами экспериментов и т. д. [4].

Как известно, величина урожая культурных растений складывается из различных факторов. Чтобы получать высокую урожайность сельскохозяйственных культур ее надо программировать [1, 3, 8]. Задача программирования урожаев состоит в том, чтобы с учетом складывающихся погодных условий и материально-технических ресурсов формировать такие посевы, которые бы при минимальных затратах труда и средств обеспечивали наивысшую продуктивность [5].

Решение данных задач невыполнимо без научно обоснованного программирования урожайности сельскохозяйственных культур и применения инновационных технологий «точного» прецизионного земледелия. Сельхозтоваропроизводители должны обладать эффективными адаптированными технологиями, заранее просчитывать затраты на возделывание сельскохозяйственных культур, программировать уровень урожайности и выводить себестоимость продукции. Только в этом случае они будут конкурентоспособны с другими отечественными и зарубежными производителями [6, 7].

В последние годы особое внимание в агроинженерных исследованиях уделялось вопросам эффективного и бережного использования природных ресурсов, экономии энергии, интегрированной защиты растений, а также развитию системной инженерии. Агроинженерная наука может обеспечить современное решение этих проблем путем расширения области исследований, разработкой комплексных методов проведения экспериментов, выполнением прецизионных анализов разных решений [2].

В век глобальной компьютеризации и программного обеспечения сельскохозяйственное производство не может стоять в стороне от данных императивов научно-технического прогресса. Оно просто обязано переходить на новый качественный уровень, то есть использовать конвергентный подход.

Экспериментальная база

В 2016 г. на опытном поле агрономической компании СТК-Агро в Серафимовичском районе Волгоградской области на темно-каштановых почвах был заложен полнофакторный полевой эксперимент по определению наивысшей продуктивности различных сортов озимой пшеницы при местных почвенно-климатических условиях. Ежегодно в крупномасштабном опыте на площади 16 га проводится экологическое испытание 25 сортов озимой пшеницы российской селекции с различными уровнями питания, применения стимуляторов роста в трехкратной повторности.

Почва опытного участка по гранулометрическому составу – средний суглинок; содержание гумуса в пахотном слое почвы – 3,7-3,8%, содержание Р205 – 20,25-21,6, К2О – 335-315, гидролизуемого азота – 84-68,6 мг/кг почвы; реакция водной вытяжки – рН 7,4; содержание В 0,8-1,2, Мn – 4,2-7,2, Zn – 0,2-0,45, Сu – 0,03-0,04, Со – 0,03-0,04 мг/кг сухой почвы.

Гидротермический коэффициент, который является самым совершенным показателем уровня влагообеспеченности территории, в период весенней вегетации озимой пшеницы в 2017 г. составил 0,8 ед., 2018 г. – 0,6 ед., в 2019 г. – 0,8 ед., что характеризует условия произрастания озимой пшеницы в опыте в 2017 и 2019 гг. как засушливые, а в 2018 г. – как очень засушливые.

В опытах наряду с традиционными удобрениями (аммофос, аммиачная селитра) используется многокомпонентный органоминеральный комплекс новейшего поколения ПОЛИДОН® Био Универсальный. Комплексы элементов питания с полисахаридами, обладающие быстрым проникающим эффектом, антидоты, иммуномодуляторы и подобранные с учетом потребности каждой культуры. Действующими веществами препарата ПОЛИДОН® Био Универсальный являются гуминовые и фульвовые кислоты, ростовые вещества природного происхождения (ауксины, цитокинины, брассинолиды), микроэлементы, аминокислоты и полисахариды. Внесение препарата ПОЛИДОН® Био Универсальный осуществляли мелкодисперсным опрыскиванием. Оптимальные дозировки в данной зоне при существующем уровне влагообеспеченности составляют 0,5 л/га, то есть 0,5 л на 10 000 м2 или на 4 млн растений, что, с нашей точки зрения, позволяет их относить к нано-частицам. Для сравнения можно сказать, что норма внесения аммиачной селитры в одну подкормку составляет в среднем 100 кг/га в физическом весе, то есть в 200 раз больше.

Ход исследования

Из 25 высеваемых сортов озимой пшеницы нами были отобраны 4 сорта с характерными особенностями, среди них сорт Дон-93 – старый испытанный сорт, до сих пор являющийся стандартом для данного региона.

В опыте рассматривали 4 сорта озимой пшеницы:
1. Дон-93 – стандарт;
2. Краса Дона;
3. Лилит;
4. Капитан.
И 4 уровня минерального питания:
1. Аммофос 60 кг/га при посеве;
2. Аммофос 60 кг/га при посеве; ПОЛИДОН® Био Универсальный 0,5 л/га в фазе кущения; ПОЛИДОН® Био Универсальный 0,5 л/га в фазе колошения;
3. Аммофос 60 кг/га при посеве; весеннее кущение – аммиачная селитра 130 кг/га; ПОЛИДОН® Био Универсальный 0,5 л/га в фазе кущения ПОЛИДОН® Био Универсальный 0,5 л/га в фазе колошения;
4. Аммофос 60 кг/га при посеве; весеннее кущение – аммиачная селитра 130 кг/га.

Посев проводили в установленные сроки сеялкой СЗ-3,6 с одинаковой нормой высева 4,0 млн/га всхожих семян и глубиной заделки семян 5-6 см.

В опыте проводили фенологические наблюдения, изучение биометрических показателей, таких как высота растений, длина колоса, подсчет элементов структуры урожая – количество продуктивных стеблей, массу 1000 зерен, количество зерен в колосе, массу зерна с одного колоса. Определяли содержание белка и клейковины в зерне.

Результаты и обсуждение

В среднем за 3 года наибольшее количество продуктивных стеблей 487 шт./м2 формировалось у сорта Краса Дона при третьем уровне минерального питания. У сорта Лилит при этом же уровне питания продуктивных стеблей формировалось на 12 шт./м2 меньше, у сорта Капитан при этом же уровне питания продуктивных стеблей формировалось на 19 шт./м2 меньше, чем на сорте Краса Дона. У сорта Дон-93, который считается стандартом в регионе, на первом уровне питания формировалось 443 шт./м2 продуктивных стеблей.

По уровню минерального питания наименьшее количество продуктивных стеблей формировалось на первом уровне питания, на котором подкормки не проводили, а только лишь вносили аммофос 60 кг/га при посеве. Самое маленькое количество продуктивных стеблей на данном уровне питания было у сорта Дон-93. В 2017 г. оно составляло 442 шт./м2, в 2018 г. – 449 шт./м2. У сорта Капитан число продуктивных стеблей было на 6 шт./м2 больше, у сорта Лилит – на 10 шт./м2 больше, у сорта Краса Дона – на 24 шт./м2 больше. В 2019 г. число продуктивных стеблей составляло 437 шт./м2. У сорта Капитан число продуктивных стеблей было на 2 шт./м2 больше, у сорта Лилит – на 6 шт./м2 больше, у сорта Краса Дона – на 20 шт./м2 больше.

В среднем за 2017-2019 гг. число продуктивных стеблей у сорта Дон-93 на первом уровне питания составляло 443 шт./м2. У сорта Капитан продуктивных стеблей было на 4 шт./м2 больше, у сорта Лилит – на 8 шт./м2 больше, у сорта Краса Дона – на 22 шт./м2 больше (табл. 1).

Таблица 1

В среднем за 2017-2019 гг. масса зерна с одного колоса озимой пшеницы находилась в пределах от 0,93 г у сорта Дон-93 при первом уровне минерального питания до 1,16 г у сорта Краса Дона при третьем уровне питания. На первом уровне минерального питания масса зерна с одного колоса была от 0,93 г у сорта Дон-93 до 1,04 г у сорта Краса Дона.

На втором уровне минерального питания масса зерна с одного колоса у сорта Дон-93 и Краса Дона была на 0,04 г больше, у сорта Капитан – на 0,06 г больше, а у сорта Лилит – на 0,08 г больше, чем на первом уровне. На четвертом уровне минерального питания масса зерна с одного колоса у сорта Дон-93 была на 0,07 г больше, чем на первом уровне, у сорта Капитан – на 0,08 г больше, у сорта Краса Дона – на 0,10 г больше и у сорта Лилит – на 0,13 г больше, чем на первом уровне.

На третьем уровне питания формировалась самая большая масса зерна с одного колоса. В среднем за 3 года исследований у сорта Дон-93 она была на 0,09 г больше, чем на первом уровне, у сорта Капитан – на 0,10 г больше, у сорта Краса Дона – на 0,12 г больше и у сорта Лилит – на 0,14 г больше, чем на первом уровне (табл. 2).

Таблица 2

В 2017 г. наибольшая биологическая урожайность – 5,64 т/га формировалась на третьем уровне минерального питания у сорта Краса Дона. При этом же уровне питания у сорта Лилит биологическая урожайность формировалась на 0,48 т/га меньше, у сорта Капитан биологическая урожайность была на 0,75 т/га меньше, чем у сорта Краса Дона. У сорта Дон-93, который считается стандартом в регионе, при этом же уровне питания биологическая урожайность была меньше, чем у всех остальных сортов и равнялась 4,67 т/га.

По уровню минерального питания наименьшая биологическая урожайность формировалась на первом уровне питания, на котором подкормки не проводили, только лишь вносили аммофос 60 кг/га при посеве. Самая низкая биологическая урожайность – 4,11 т/га на данном уровне питания была у сорта Дон-93. У сорта Капитан биологическая урожайность была на 0,14 т/га больше, у сорта Лилит – на 0,20 т/га больше, у сорта Краса Дона – на 0,71 т/га больше.

В 2018 г. наибольшая биологическая урожайность – 5,72 т/га формировалась на третьем уровне минерального питания у сорта Краса Дона. При этом же уровне питания у сорта Лилит биологическая урожайность формировалась на 0,48 т/га меньше, у сорта Капитан биологическая урожайность была на 0,78 т/га меньше, чем у сорта Краса Дона. У сорта Дон-93 при этом же уровне питания биологическая урожайность была меньше, чем у всех остальных сортов и равнялась 4,73 т/га.

По уровню минерального питания наименьшая биологическая урожайность формировалась на первом уровне питания, на котором подкормки не проводили, только лишь вносили аммофос 60 кг/га при посеве. Самая низкая биологическая урожайность – 4,19 т/га на данном уровне питания была у сорта Дон-93. У сорта Капитан биологическая урожайность была на 0,16 т/га больше, у сорта Лилит – на 0,24 т/га больше, у сорта Краса Дона – на 0,75 т/га больше.

В 2019 г. наибольшая биологическая урожайность – 5,58 т/га также формировалась на третьем уровне минерального питания у сорта Краса Дона. При этом же уровне питания у сорта Лилит биологическая урожайность формировалась на 0,38 т/га меньше, у сорта Капитан биологическая урожайность была на 0,70 т/га меньше, чем у сорта Краса Дона. У сорта Дон-93 при этом же уровне питания биологическая урожайность была меньше, чем у всех остальных сортов и равнялась 4,59 т/га.

По уровню минерального питания наименьшая биологическая урожайность формировалась на первом уровне питания, на котором подкормки не проводили, только лишь вносили аммофос 60 кг/га при посеве. Самая низкая биологическая урожайность – 4,05 т/га на данном уровне питания была у сорта Дон-93. У сорта Капитан биологическая урожайность была на 0,10 т/га больше, у сорта Лилит – на 0,18 т/га больше, у сорта Краса Дона – на 0,69 т/га больше.

В среднем за 2017-2019 гг. наибольшая биологическая урожайность – 5,65 т/га формировалась у сорта Краса Дона при третьем уровне минерального питания. При этом же уровне питания у сорта Лилит биологическая урожайность формировалась на 0,43 т/га меньше, у сорта Капитан биологическая урожайность в среднем за 2018-2019 гг. была на 0,74 т/га меньше, чем у сорта Краса Дона. У сорта Дон-93, который считается стандартом в регионе, при этом же уровне питания биологическая урожайность была меньше, чем у всех остальных сортов и равнялась 4,66 т/га.

По уровню минерального питания наименьшая биологическая урожайность формировалась на первом уровне питания, на котором подкормки не проводили, только лишь вносили аммофос 60 кг/га при посеве. На первом уровне минерального питания биологическая урожайность была от 4,12 т/га у сорта Дон-93 до 4,84 т/га у сорта Краса Дона.

На втором уровне минерального питания биологическая урожайность у сорта Краса Дона была на 0,23 т/га, у сорта Дон-93 – на 0,24 т/га, у сорта Капитан – на 0,34 т/га, а у сорта Лилит – на 0,50 т/га больше, чем на первом уровне. На четвертом уровне минерального питания биологическая урожайность у сорта Дон-93 была на 0,39 т/га больше, чем на первом уровне, у сорта Капитан – на 0,54 т/га больше, у сорта Краса Дона – на 0,55 т/га больше и у сорта Лилит – на 0,68 т/га больше, чем на первом уровне.

На третьем уровне питания формировалась самая большая биологическая урожайность. В среднем за 3 года исследований у сорта Дон-93 она была на 0,54 т/га больше, чем на первом уровне, у сорта Капитан – на 0,66 т/га больше, у сорта Краса Дона – на 0,81 т/га больше и у сорта Лилит – на 0,89 т/га больше, чем на первом уровне (табл. 3).

Таблица 3

В среднем за 2017-2019 гг. в проведенных нами опытах наименьшее содержание белка наблюдалось на первом уровне питания – от 10,4% у сорта Дон-93 и сорта Лилит до 11,5% у сорта Капитан. На втором уровне питания содержание белка было от 10,6% у сорта Дон-93 до 11,6% у сорта Капитан. На четвертом уровне минерального питания содержание белка у всех сортов было больше, чем на первом и втором уровнях питания, но меньше, чем на третьем уровне. Наибольшее содержание белка было на третьем уровне с применением аммофоса, аммиачной селитры и ПОЛИДОН® Био Универсальный – от 11,0% у сорта Дон-93 до 12,3% у сорта Капитан (табл. 4).

Таблица 4

Выводы

Таким образом, в проведенных нами опытах на темно-каштановых почвах Волгоградской области в 2017-2019 гг. было доказано преимущество мелкодисперсного внесения инновационного продукта – ПОЛИДОН® Био Универсальный в фазе весеннего кущения и колошения различных сортов озимой пшеницы в дозе 0,5 л/га.

Область применения результатов

Результаты, полученные в опыте, несомненно, имеют большой практический интерес для сельхозтоваропроизводителей данного региона. Зона Нижнего Поволжья в так называемом зерновом поясе России занимает одно из главных мест по площади посева и валовому сбору высококачественной продовольственной пшеницы. Поэтому совершенствование технологии ее возделывания в данном регионе, внедрение инновационных разработок, биотехнологий, в том числе и нано-частиц, прецизионного земледелия, программирования урожая в сельскохозяйственное производство имеет большую значимость и актуальность.

Литература
1. Балашов В. В., Набойченко К. В. Отзывчивость местных сортов на нормы высева и биологически-активные вещества // Плодородие. – 2009. – № 6. – С. 38-39.
2. Дринча В. М., Борисенко И. Б., Плескачев Ю. Н. Агротехнические аспекты развития почвозащитных технологий: монография. Волгоград: Перемена, 2004. – 146 с.
3. Кузин А. Г. Агротехнологические приемы повышения продуктивности озимой пшеницы в условиях Нижнего Поволжья // Кормопроизводство. 2016. – № 4. – С. 61-73.
4. Мирошниченко Д. Н., Шульга О. А., Тимербаев В. Р., Долгов С. В. Достижения, проблемы и перспективы получения нетрансгенных растений с отредактированным геномом // Биотехнология. 2019. – Т.35. – № 1. – С. 3-26.
5. Овчинников А. С., Борисенко И. Б., Плескачев Ю. Н. Программирование урожайности сельскохозяйственных культур при возделывании их с применением инновационных технологий: монография. Волгоград: ФГОУ ВПО Волгоградская ГСХА, 2011. – 124 с.
6. Плескачев Ю. Н., Сарычев А. Н. Влагообеспеченность и продуктивность озимой пшеницы при различных технологиях возделывания в зоне влияния лесной полосы // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. 2017. – № 2 (46). – С. 111-118.
7. Плескачев Ю. Н., Черноморов Г. В., Бугреев Н. А., Панов А. А., Скороходов Е. А. Экономическая эффективность способов основной обработки почвы и удобрений при возделывании озимой пшеницы // Проблемы развития АПК региона. – 2019. – № 2 (38). – С. 135-140.
8. Шевяхова Е. А., Медведев Г. А. Влияние норм высева и удобрений на урожайность и качество зерна сортов озимой пшеницы // Проблемы и тенденции устойчивого развития аграрной сферы: материалы международной научно-практической конференции, посвященной 65-летию победы в Сталинградской битве. Волгоград, 2008. – С. 34-37.
9. Amos M. Theoretical and Experimental DNA Computation. Berlin: Springer. – 2005. – P. 27-44.
10. Bueno O. The Drexler-Smalley Debate on Nanotechnology: Incommensurability at Work? Hyle: International Journal for Philosophy of Chemistry University of Karlsruhe, Institute of Philosophy. – 2004. – № 10 (2). – Pp. 83-98.
11. Drexler E.K. Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation. New York: John Wiley & Sons Inc. – 1992. – Pp. 72-87.
12. Freitas R. Economic Impact of the Personal Nanofactory. Nanotechnology Perceptions: A Review of Ultraprecision Engineering and Nanotechnology. –2006. – № 2. – Pp. 111-126.
13. Norman G., Parker D., Kwiatkowska M., Shukla S. Evaluating the Reliability of Defect-Tolerant Architectures for Nanotechnology with Probabilistic Model Checking. Proceedings of the 17-th International Conference on VLSI Design. Washington: IEEE Computer Society. – 2004. – Pp. 907-914.
14. Roco M., Bainbridge W. (eds). Converging Technologies for Improving Human Performance: Nanotechnology, Biotechnology, Information Technology and Cognitive Science. Arlington: Kluwer Academic Publisher. – 2004. – Pp. 24-48.
15. Wolfram S.А. New Kind of Science. Champaign: Wolfram Media Inc. 2002.

Об авторах:
Воронов Сергей Иванович, доктор биологических наук, директор, vci08@mail.ru
Плескачев Юрий Николаевич, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, руководитель научного направления центра по земледелию, главный научный сотрудник, ORCID: http://orcid.org/0000-0001-5771-5021, Scopus ID: 57200109225, pleskachiov@yandex.ru
Ильяшенко Павел Валерьевич, соискатель, dir.stk@yandex.ru