Реферат

Отчет промежуточный итоговый содержит 107 страниц, 7 рисунков, 11 таблиц, 108 источников литературы, 13 приложений.

ФИТОРЕМЕДИАЦИЯ, ОРГАНИЧЕСКОЕ ЗЕМЛЕДЕЛИЕ, АГРОХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПОЧВЫ, ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ, ГЕПЕРАККУМУЛЯЦИЯ, РАСТЕНИЯ.

Настоящий проект направлен на разработку основных элементов технологии фиторемедиации земель сельскохозяйственного назначения предназначенных для органического земледелия.Данные исследования отвечают приоритетам Стратегии научно-технологического развития России, утвержденной Указом Президента РФ №642 от 01 декабря 2016 года, Указу Президента РФ № 350 от 21 июля 2016 года «О мерах по реализации государственной научно-технической политики в интересах развития сельского хозяйства».

В ходе исследований проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках данного проекта; разработана программа исследований, подобраны соответствующие методики, составлена схема опыта научных исследований; проведены опыты в лабораторных и полевых условиях.

На отчетном этапе решены все поставленные научные задачи. В результате анализа доступных литературных источников даны описания основных понятий, установлены основные требования, предъявляемые к почвам для ведения органического сельского хозяйства, изучено видовое разнообразие растений-фиторемедиаторов и возможности их использования в условиях Кемеровской области, проанализированы результаты лабораторных и полевых опытов и выявлен фиторемедиационный потенциал сорных, декоративных и культурных растений в отношении тяжелых металлов (цинк, свинец, медь, мышьяк), находящихся в почве. Разработаны рекомендации по использованию растений-гипераккумуляторов для снижения концентрации тяжелых металлов в почвах сельскохозяйственного назначения.

Результаты исследований представлены на международных и национальных научно-практических конференциях.

Определения

В настоящем отчете о НИР применяют следующие термины с соответствующими определениями:

Агрофизические показатели почв –комплекс свойств почвы, характеризующих гранулометрический, минералогический состав, структуру, плотность, порозность, воздухо- и влагоемкость, а также агротехнологические параметры почв. Агрофизические показатели плодородия являются основой создания оптимальных условий водного, воздушного, теплового и питательного режимов для жизни растений. Агрофизические показатели, за исключением гранулометрического и минералогического составов, отличаются своей динамичностью в течение вегетационного периода, затрудняя их воспроизводство.

Агрохимические показатели почв – показатели обеспеченности почвы основными элементами минерального питания, которые определяют ее плодородие и могут внести значительный вклад в получение качественного и количественного урожая.

Агротехнические мероприятия– совокупность научно обоснованных приемов обработки почв в целях воспроизводства плодородия земель сельскохозяйственного назначения.

Антропогенная нагрузка– степень воздействия человека, его деятельности на природу

Вегетационный период – время, в течение которого растение проходит полный цикл развития от начала появления всходов до созревания.

Гербициды– химические вещества, применяемые для уничтожения растительности.

Гипераккумулятор – любое растение, которое может накапливать большое количество микроэлементов из окружающей среды, и, таким образом, может использоваться для фиторемедиации или фитоминирования.

Гипераккумуляция– аномально высокое накопление микроэлементов растением из окружающей среды.

Норма высева – количество всхожих семян или их масса с учетом посевной годности, высеваемых на 1 га, обеспечивающая нормальные по густоте всходы и хорошую урожайность. Выражается числом всхожих семян (млн, тыс. шт.) и массой семян (кг, ц) на 1 га.

Органическоеземледелие(ОЗ), (природное земледелие, биологическоеземледелие, точноеземледелие) – этометод ведения сельского хозяйства, который исключает применение пестицидов, гербицидов, химических удобрений, различных регуляторов роста растений, а также генномодифицированного посевного материала.

Пестициды – химические средства, используемые для борьбы свредителями и болезнями растений, а также с различными паразитами, сорняками, вредителями зерна и зернопродуктов, древесины, изделий из хлопка, шерсти, кожи, с эктопаразитами домашних животных, а также с переносчиками опасных заболеваний человека и животных.

Тяжелые металлы – группа химических элементовсосвойствамиметаллов(втомчислеи полуметаллы) изначительным атомным весомлибоплотностью.

Фенологическая фаза – фазыонтогенетического развития растений, фиксируемыепоморфологическимпризнакам.

Фиторемедиация– комплекс методов очистки сточных вод, грунтов и атмосферного воздуха с использованием зеленых растений. Одно из направлений более общего метода биоремедиации.

Обозначения и сокращения

В настоящем отчете о НИР применяют следующие обозначения и сокращения:

ГОСТ Р – национальный (государственный) стандарт России

ГН – гигиенические нормативы

РФ – Российская Федерация

СанПиН – санитарные (санитарно-эпидемиологические) правила и нормы

ТМ – тяжелые металлы

ИТМ – ионы тяжелых металлов

ОЗ – органическое земледелие

ПДК – предельно-допустимая концентрация

ОДК – ориентировочно-допустимая концентрация

МДУ – максимально-допустимый уровень

К_бп – коэффициент биологического поглощения

Как – коэффициент аккумуляции

Нормативные ссылки

В настоящем отчете о НИР применяют следующие нормативные ссылки:

–Межгосударственный стандарт ГОСТ 33980-2016. Продукция органического производства. Правила производства, переработки, маркировки и реализации.

– Определение подвижности фосфора и обменного калия по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО, ГОСТ Р 54650-2011.

– Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа, ГОСТ 17.4.4.02-2017.

– Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве, ГН 2.1.7.2041–06 2006.

– Почвы. Методы определения органического вещества, ГОСТ 26213-91.

– Почвы. Определение нитратов ионометрическим методом, ГОСТ 26951-86.

– Почвы. Методы определения общего азота, ГОСТ 26107-84.

– Почвы. Приготовление солевой вытяжки и определение ее рН по методу ЦИНАО, ГОСТ 26483-85.

– Почвы. Приготовление солевой вытяжки и определение ее pH по методу ЦИНАО, ГОСТ 26483-85.

– Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы, СанПиН 2.1.7.1287-03.

– Семена сельскохозяйственных растений. Сортовые и посевные качества. Общие технические условия,ГОСТ Р 52325-2005.

– Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести, ГОСТ 12038-84.

– Семена цветочных культур. Методы определения всхожести и энергии прорастания,ГОСТ 24933.2-81.

– Методика выполнения измерений содержания металлов в твердых объектах (почва, компосты, кеки, осадки сточных вод, пробы растительного происхождения) методам спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой, ПНД Ф 16.1:2.3:3.11-98.

– ГН 2.1.7.2511-09 Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) хи­мических веществ в почве.

– ГН 2.1.7.2041–06 Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве.

–МУ 2.1.7.1185-03. 2.1.7. Почва. Очистка населенных мест. Отходы производства и потребления. Санитарная охрана почвы. Сбор, транспортирование, захоронение асбестсодержащих отходов.

Введение

В настоящее время всё большее количество фермеров переходят на органическое производство. Это связано с тем, что в долгосрочной перспективе бережливое отношение к природе показывает лучшие результаты, а также всё большее количество потребителей задумывается о том, что они едят и хотят покупать более качественные продукты.

Органическое земледелие – это самый экологичный на сегодняшний день способ выращивания урожая в современной аграрной промышленности. Отличительной особенностью методики является полный отказ от использования пестицидов и отсутствие отвальной вспашки земли. Таким образом, данный метод противоречит традиционному методу земледелия. Основополагающий принцип органического земледелия – не нарушать естественный биологические процессы природы.

В связи с этим уже существуют нормативные документы, регламентирующие деятельность по производству органической продукции, а также выдвигаются законодательные инициативы, принятие которых даст большой толчок развития органического земледелия в России.

Органическое сельское хозяйство – производственная система, которая улучшает экосистему, сохраняет и улучшает плодородие почвы, защищает здоровье человека и, принимая во внимание местные условия и опираясь на экологические циклы, сохраняет биологическое разнообразие, не использует вещества, способные нанести вред окружающей среде.

Органическое сельское хозяйство стало стимулом для развития близкой по целям биологизации земледелия. В 2018 году произошел резкий скачок активности предприятий АПК, занимающихся проблемами производства биоудобрений, биологических средств защиты растений и технологий повышения и сохранения почвенного плодородия.

Сохранение естественного плодородия почвы, осуществление экосистемного подхода и получение экологически чистой продукции – основные цели, которые ставит перед собой органическое сельское хозяйство.

В настоящий момент не все пахотные почвы сельхозугодий пригодны для ведения органического земледелия. Многолетнее и неконтролируемое использование инсектицидов, гербицидов и удобрений привели к накоплению в почве различных загрязняющих веществ, таких как тяжелые металлы, бенз(а)пирен, нефтепродукты и т.д.

В связи с этим возникает необходимость проведения ряда мероприятий, направленных на очистку почв и приведение их в соответствие с требованиями, предъявляемыми СанПиН 2.1.7.1287-03.

Из всех известных на сегодняшний день вариантов ремедиации почв наиболее соответствующим концепции органического земледелия на наш взгляд является метод фиторемедиация, в основе которой лежит гиперак-кумулятивная способность растений извлекать из субстрата вредные элементы. Имеющиеся в литературе данные о фиторемедиационном потенциале различных культур неоднозначны, а порой и противоречивы.

В связи с этим целью исследования явилась разработка и апробация технологии фиторемедиации сельскохозяйственных земель с целью их последующего использования в органическом земледелии

Содержание и задачи работ:

– провести анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме;

– изучить видовое разнообразие растений-фиторемедиаторов и возможности их использования в условиях Кемеровской области;

– изучить агрохимические показатели почв сельскохозяйственного назначения предназначенные для органического земледелия;

– отобрать виды растений для проведения фиторемедиации в конкретных условиях;

– разработать программу проведения исследований в рамках полевого опыта по проведению фиторемедиации земель сельскохозяйственного назначения предназначенных для органического земледелия;

– провести полевой опыт, выявить влияние различных видов растений гипераккумуляторов на агрохимические показатели почв, оценить результативность работы по фиторемедиации;

– разработать рекомендации по технологии фиторемедиации земель сельскохозяйственного назначения, предназначенных для органического земледелия.

Объект исследования: технология фиторемедиации.

Предмет исследований: фиторемедиация сельскохозяйственных земель с целью их последующего использования в органическом земледелии.

Научная гипотеза: применение растений-фиторемедиаторов позволит улучшить агрохимические показатели почв сельскохозяйственного назначения и сократить период перехода к органическому земледелию в условиях лесостепной зоны Кузнецкой котловины.

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Органическое земледелие и почвенная экосистема

Органическое земледелие – это форма ведения сельского хозяйства, основанного на принципах экосистемного подхода и сознательной минимизации использования удобрений, пестицидов, регуляторов роста растений синтетического происхождения.

Целью органического сельского хозяйства является создание условий для повышения устойчивости агроэкосистемы при удовлетворении материальных и духовных потребностей человека, обеспечивая сохранение или улучшение качества окружающей среды и защиту природных ресурсов для будущих поколений.

Органическое земледелие использует методы, которые применяются при ведении устойчивого сельского хозяйства. К ним относятся совмещение культур, севооборот, мульчирование, объединение растениеводства и животноводства.

Для успешного ведения органического земледелия и получения стабильного урожая требуются знания о функционировании природных процессов и способах управления ими (Семенов, 2016).

В настоящее время почву рассматривают как биокосную систему, которая возникла и поддерживается благодаря непрерывному взаимодействию экотопа и биоты (Глинушкин, 2016). Как любая биологическая система почва является открытой, целостной, эмерджентной. Роль почвы огромна. Во-первых почва выступает буферной системой в отношении различных стрессоров; во-вторых – она является экосисистемным барьером в отношении природных и ксенобиотических поллютантов; в-третьих, непрерывно обеспечивает питательными веществами и влагой растения и почвенные организмы, служит источником и стоком биоразнообразия, воспроизводит и поддерживает в активном состоянии генофонд и уникальнейшее разнообразие геобионтов суши.

Многие исследователи считают правомерными и применимыми для описания функционирования почвенной экосистемы таких биологических и экологических характеристик, как здоровье и/или патология, а также восстановление (ремедиация) и лечение (терапия). Под понятием «здоровье» почвы в работах Н. Ferris (2015) понимается состояние динамики активности биотического компонента в органоминеральном комплексе, а также ее устойчивость к нарушающим воздействиям биотических и абиотических стрессоров, замкнутость циклов биофильных элементов и микроорганизмов.

В последние годы в Российской Федерации (РФ) большое внимание уделяется вопросам экологизации земледелия и рационального использования почвенного ресурса. В общей форме требования к сбережению почвы и других природных ресурсов страны декларированы Национальной стратегией устойчивого развития России, утвержденной Государственной Думой РФ (Об утверждении…, 2020).

В органическом земледелии первостепенная роль принадлежит именно «здоровой» почве (Doran, 1996, 2000), которая, функционируя неопределённо долгое время, может поддерживать продуктивность геобионтов, качество воды, воздуха и продукции, обеспечивая тем самым здоровье растений, животных и человека (Воронцов, 2004; Графская, 1998).

Согласно современным данным интенсивное земледелие является причиной снижения почвенного плодородия вследствие сокращения или полной утраты в ней органического вещества, биоцидное действие некоторых пестицидов приводит к снижению видового разнообразия почвенной биоты. А монокультурный подход при ведении сельского хозяйства приводит в свою очередь к экспансии фитопатогенов, фитофагов и некоторых сорняков, а зачастую приобретает характер эпидемий и инвазий (Вихман, 2011).

На сегодняшний день Международная организация органического земледелия (IFOAM) рассматривает органическое земледелие как систему производства, в основе которого лежит комплексный подход к сохранению плодородия и биологического разнообразия почвы, поддержание ее «здоровья» и оптимального функционирования, а также полный отказ от использования агрохимикатов и генетически модифицированных объектов и повышение естественной конкурентоспособности используемых в сельском хозяйстве культур к фитофагам, фитопатогенам и сорнякам (Союз …, 2018).

Результаты многолетних исследований показывают, что органическое земледелие способствует восстановлению и повышению концентрации органического вещества в почве (Сухов, 2004), положительно влияет на концентрацию легкодоступных и валовых форм азота и таксономическое и функциональное почвенное биоразнообразие (Яковлев, 2001), приводит к улучшению механической структуры почвы и способствует развитию почвенной мезофауны (Buyer, 1996). Также найдены данные о влиянии органического земледелия на увеличение видового разнообразия почвенной биоты, повышение доли микробной биомассы и ее активности в основном за счет увеличения численности азотфиксирующих бактерий и микоризных грибов (Семенов, 2001; Глинушкин, 2013).

Переход от интенсивного к органическому земледелию сопровождается разработкой новых технологий, внедрение которых происходит поэтапно (Janvier, 2007). Наиболее заметным шагом является применение агротехнологии «low input», в основе которой лежит пониженное внесение или ограниченное применение минеральных и органических удобрений (Müder, 2002, Schjünning, 2002). Внедрение системы органического земледелия происходит во-первых, только по истечении 5-6 лет (срок переходного периода), а во-вторых, только в том случае, если строго соблюдались его основные принципы и правила IFOAM (Соколов, 1993,1994).

Для поддержания почвенного плодородия и сохранения биоразнообразия почвенной микробиоты чаще всего прибегают к использованию севооборотов, посев симбиотрофных культур и культур-супрессоров, которые в первом случае способствуют повышению разнообразия азотфиксирующей микробиоты, а во втором подавляют развитие корневой гнили и других почвенных болезней (Минаева, 2018).

В последние годы в практике органического земледелия используются смешанные посевы, так называемая «мозаика сортов», которые с одной стороны могут различаться устойчивостью к фитопатогенам и фитофагам, а с другой оказывать положительное аллелопатическое влияние друг на друга. Для повышения устойчивости растений к фитофагам и фитопатогенам также применяются водные экстракты растений, компостов, «супрессивных почв» (VanBrüggen, 2000; 2015).

Эффективны отселектированные натуральные микробные сообщества (МС), получаемые из почв со стабильными супрессирующими свойствами. Для их селекции предложена непрерывная проточная конструкция, обеспечивающая получение МС супрессоров применительно к конкретным фитопатогенам (Garbeva, 2004; Tamm, 2016).

Таким образом, органическое земледелие – это особая, наукоёмкая технологическая система земледелия, в основе которой лежит экосистемный подход в отношении почвенной экосистемы, традиционными характеристиками которой являются качество почвы и почвенное плодородие, которые выступают составляющими ее «здоровья» (Демиденко, 2019; Семенов, 2017).

1.2 Показатели пригодности земель для органического сельского хозяйства

Требования к органическому производству установлены в Межгосударственном стандарте ГОСТ 33980-2016, согласно которому производственное подразделение, на котором осуществляют производство органической продукции, должно быть расположено вдали от источников загрязнения окружающей среды, объектов промышленной деятельности, территорий интенсивного ведения сельского хозяйства. Производственное подразделение, предназначенное для ведения органического растениеводства, животноводства, пчеловодства, а также органического выращивания, разведения, содержания объектов аквакультуры, должно быть четко отделено от любых других производственных объектов, не отвечающих требованиям настоящего стандарта. Для ограничения попадания загрязняющих веществ с территорий, прилегающих к производственному подразделению, на котором осуществляется производство органической продукции, используют в том числе такие меры, как установление барьеров и буферных зон». Более определенные требования в ГОСТ 33980-2016 отсутствуют. Конкретный радиус удаления от вредных объектов указан только для органических пасек (ГОСТ 33980, 2016).

В заявке на сертификацию указываются расположенные рядом потенциальные источники загрязнения. При наличии подозрений на возможные загрязнения могут быть назначены дополнительные лабораторные испытания, программа которых формируется органом сертификации для каждого конкретного случая.

Уровень загрязненности земель, используемых для органического сельского хозяйства, должен соответствовать уровню «допустимый» в соответствии с требованиями, предъявляемыми к почвам СанПиН 2.1.7.1287-03. Установлен стандартный перечень химических показателей для определения уровня загрязненности почвы: тяжелые металлы, 3,4-бенз(а)пирен, нефтепродукты.

Отдельно исследуется почва и на пестициды (остаточные количества). Мультипестицидный анализ обязательно делается при запросе на сокращение переходного периода. При обнаружении остаточных пестицидов период конверсии не может быть сокращен (Агро XXI – агропромышленный портал).

1.3 Источники загрязнения агроэкосистем. Экологическое состояние почвКемеровской области

Согласно литературным данным первоисточниками практически всех элементов в почвах, в том числе и тяжелых металлов, являются материнские породы – магматические и метаморфические. Именно из материнских пород тяжелые металлы в свое время поступили в осадочные породы, в воды мирового океана и в живые организмы.

Кроме поступления от естественных, природных источников тяжелые металлы в почвы агроценозов попадают от техногенных источников: с атмосферными выбросами предприятий, осадками сточных вод, от воздействия золоотвалов, шламо- и хвостохранилищ, с удобрениями и средствами защиты растений. (Аникович, 1982; Водяницкий, 2013).

Промышленные объекты черной и цветной металлургии, тепловые электростанции, а также транспорт являются основными источниками поступления тяжелых металлов в атмосферу (Перельман, Касимов, 1999). В осадках выпадающих, на поверхность почвы содержатся: цинк, свинец, кадмий, кобальт, медь, никель и другие элементы (Алтухова, 2010; Водяницкий, 2008). Аномалии тяжелых металлов распространяются на десятки километров. По данным литературных источников выбросы Норильского комбината обнаруживаются во мхах и травянистой растительности на расстоянии 95км к северу и представлены свинцом, кадмием, никелем, медью, цинком и хромом (Ковда,1985). При сжигании угля, нефти в атмосферу поступают металлы (хром, свинец и др.), содержащиеся в них. Выхлопные газы автомобилей дают основную массу свинца и кадмия, при износе шин в воздух попадает цинк (Алексеев, 2008).

В странах с засушливым климатом, где активно применяют орошаемое земледелие, наибольшее значение приобретает гидрогенное загрязнение почвы в агроценозах, особенно там, где для орошения применяют недостаточно очищенные сточные воды. К наиболее распространенным примерам гидрогенного загрязнения почв тяжелыми металлами относится загрязнение медью, ртутью и кадмием. Яркий пример, такого загрязнения наблюдается в Китае, в пахотных почвах, орошаемых неочищенными сточными водами, количество меди выросло с 31 до 133 мг/кг, кадмия с 0,37 до 12,1мг/кг (Водяницкий, 2013).

Удобрения и используемые в качестве удобрений отходы, помимо полезных для растений соединений содержат в себе примеси несущие потенциальную опасность. Так, в простом суперфосфате содержатся такие тяжелые металлы как Cd, Cr, Co, Cu, Pb, Ni, V и Zn (Аникович, 1982).

Из фосфорных удобрений именно простой суперфосфат, полученный из природного сырья, при систематическом внесении в почвы может привести к ее загрязнению такими тяжелыми металлами как кадмий, никель, свинец, хром и др. (Белоус, 2006). Такие тяжелые металлы как хром и стронций могут попадать в почву если в качестве удобрений используются такие отходы производства. Как зола, шлак или цементная пыль (Водяницкий Ю.Н., 2010).

Применение некоторых средств защиты растений также может служить источником поступления ксенобиотиков в почвы. Так, некоторые пестициды в своем составе содержат цинк, медь, железо, мышьяк, ртуть или свинец и могут повысить содержание свинца в почве до 500 мг/кг (Аникович, 1982).

Активное внесение удобрений, особенно минеральных, и мелиорантов влияет на характеристики почвенного раствора и, как следствие, на подвижность тяжелых металлов в почвах. Гидролитически кислые минеральные удобрения, такие как аммиачная селитра, подкисляют почвенный раствор и повышают подвижность большинства ионов тяжелых металлов. Внесение извести и органических удобрений подщелачивает почвенный раствор и снижает подвижность ионов тяжелых металлов. Так, физиологически кислые минеральные удобрения повышают подвижность кадмия и цинка в почвах, физиологически щелочные – снижают. Внесение в почву органических удобрений и извести уменьшает под­вижность тяжелых металлов из почвы.

Свинец. Являясь редким металлом, свинец концентрируется в сульфидных породах. Содержащийся в земной коре, он может вымываться под воздействием атмосферных процессов и накапливаться в осадочных породах на дне океанов в составе сульфитных и сульфатных минералов. В пресной воде его содержание может достигать миллионные доли процента, а в почве – тысячные. Токсичность свинца соответствует I классу опасности (Орлов, 2005).

Мышьяк. Особенности поведения мышьяка в почвах обусловлены амфотерностью. Более 60% минералов земной коры содержащих мышьяк, содержат его в виде арсенатов, в которых он находится в высшей степени окисления в составе кислотных остатков. Внутрикомплексные соединения арсенатов с гидроксидами железа характеризуются высокой прочностью. В хорошо аэрируемых почвах мышьяк встречается в своей низшей степени окисления в составе арсенидов железа. Минералы, содержащие мышьяк, как правило, хорошо растворимы, но вследствие активной адсорбции составляющими почвенно-поглощающего комплекса подвижность его ионов невелика (Ильин, 1991; Селюкова, 2018).

Довольно распространенным является мнение о том, что основным источником мышьяка в почвах агроценозов являются средства защиты растений (Соколов, 1994). Мышьяк и его соединения по токсичности относятся к I классу опасности и относятся к ядам аккумулятивного действия. При этом мышьяк относят к условно-необходимым для живых организма, поскольку в малых дозах положительно влияет на иммунную систему и кроветворение (Лукин, 2016).

Все тяжелые металлы являются естественной составляющей природной среды, поэтому присутствуют в ней повсеместно. Антропогенная эмиссия любых контаминантов чаще всего имеет локальный характер и свою специализацию. Так, существенным источником техногенной меди являются высокотемпературные процессы, осуществляемые в цветной и черной металлургии, при сжигании минерального топлива, при обжиге цемента (Орлов, 2002). Доля техногенной меди в окружающей среде составляет примерно 75% (Водяницкий, 2008). Загрязнение почв медью происходит также в результате использования пестицидов (Листов, 1992), минеральных удобрений (Орлов, 2002).

В Российской Федерации принято оценивать опасность подвижных форм тяжелых металлов (растворимых в ацетатно-аммонийном буфере с рН 4,8), по критерию ПДК_подв, а валовых форм – по критерию ПДК_вал. Предельные содержания подвижных и валовых форм металлов установлены гигиеническими нормативами ГН 2.1.7.2041-06 (2013), разработанными в соответствии с Федеральным законом от 30.03.1999 N 52- ФЗ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» и Положением о государственном санитарно-эпидемиологическом нормировании, утвержденным постановлением Правительства Российской Федерации от 24.07.2000 N 554 с изменениями, внесенными постановлением Правительства Российской Федерации от 15.09.2005 N 569.

Гигиенические нормативы устанавливают ПДК для многих химических веществ, причем, не только для почв, задействованных в сельском хозяйстве, но и для почв, находящихся в пределах жилых, санитарных и рекреационных зон. Порядок установления ПДК предусматривает этап экспериментальных исследований, в ходе которых получают данные о воздействии токсикантов на организм человека и других живых организмов. Если по каким-то причинам в данный период времени невозможно получить ПДК токсикантов в установленном порядке, применяются ориентировочно-допустимые концентрации (ОДК), разработанные расчетным методом – ГН 2.1.7.2511-09.

Принятие системы ориентировочно допустимых концентраций токсикантов позволило получать сопоставимые данные при проведении эколого-токсикологической оценки почв в различных районах нашей страны. Наиболее низкие значения ОДК токсикантов установлены для песков и супесей, обладающих самой никой буферностью, а наиболее высокие – для глинистых и суглинистых почв с рН ˃ 5,5. Важным недостатком ПДК и ОДК при использовании их для санитарно-гигиенической оценки почв по содержанию тяжелых металлов, является то, что не учитываются источники их поступления и формы их нахождения, что преувеличивает или занижает опасность загрязнения почв токсичными веществами в зоне положительной или отрицательной геохимической аномалии (Водяницкий, 2013).

Общие закономерности образования в почвах химических соединений различных элементов, их системная организация, а также защитные функции в экосистеме достаточно подробно описаны в монографии Г.В. Мотузовой (2009).

По мнению Ильина (1991) наиболее информативным показателем, характеризующим количество и активность тяжелых металлов в почве, является уровень накопления данных элементов в растениях. На накопление тяжелых металлов в растительном материале влияет множество факторов: способность к селективному поглощению элементов и их биологическая доступность, минералогический состав и тип почв, рельеф и уровень грунтовых вод. В результате, в естественных условиях содержание тяжелых металлов в растениях варьирует в очень широких пределах (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). «На состав растительности сильное влияние оказывает геохимическая неоднородность земной коры континентов. В пределах биогеохимических аномалий все растения характеризуются повышенным содержанием рассеянных химических элементов. Имеются определенные виды растений, которые отличаются рекордно высокими концентрациями. Наличие подобных растений концентраторов говорит о том, что адаптация к произрастанию в аномальных условиях связана не только с ограничением поступления чрезмерных содержаний веществ, но и с их активным потреблением» (Улахович, 2012). Дифференцированное накопление элементов вегетативными и репродуктивными органами растений является результатом действия присущих им защитных механизмов. Действие таких механизмов было выявлено А.Л. Ковалевским (1991) более чем для 30 элементов, в числе которых такие высокотоксичные как кадмий, ртуть, мышьяк и свинец. Особенно ярко проявляется эффект дифференцированной аккумуляции различными органами растений на примере свинца: максимальное накопление его происходит в корнях, минимальное – в запасающих и репродуктивных органах. Предположительно, такой характер распределения обусловлен тем что ионы свинца в клетках большинства растений входят в состав прочных и малоподвижных органо-минеральных комплексов. И только в зонах повышенного содержания свинца (вблизи автотрасс, промышленных предприятий) его содержание может быть довольно высоким и в наземных частях растений.

В литературе есть данные о том, что на территориях, не подверженных свинцовому загрязнению содержание свинца в растениях находится в пределах от одной десятой до десяти мг/кг сухой массы. Среднее содержание Pb в зерне злаковых культур по данным польских авторов (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989) составляет около 0,5 мг/кг. По мнению Ильина (1991), свинец в растительности находится в среднем в количестве 1,2 мг/кг.

В отличие от свинца мышьяк обладает неплохой способностью перемещаться в растениях и есть данные о том, что он способен активно накапливаться в наземных частях растений, в том числе и в репродуктивных органах. При высоком содержании мышьяка в почве он максимально накапливается в корнях, корнеплодах и старых листьях. На чистых почвах содержание мышьяка в растениях меняется в пределах от тысячных долей до полутора мг/кг сухой массы. Максимальное накопление мышьяка при этом выявлено в зеленных культурах, минимальное – в фруктах (Kabata-Pendias, 2011).

Кемеровская область относится к числу регионов, в которых состояние почвенного покрова можно охарактеризовать как крайне неблагоприятное, и в первую очередь это связано с интенсивным развитием горнодобывающей и перерабатывающей промышленности, с нерациональным использованием земель в сельскохозяйственном производстве, и как следствие этого, тенденция к деградации почв, а в некоторых случаях и полное уничтожение отдельных почвенных разностей (Государственный доклад о состоянии и охране окружающей среды Кемеровской области…, 2019).

«Площади эрозионно-опасных угодий в области составляют 121,6 тыс. га; подверженные дефляции — 113,3 тыс. га; подверженные проявлению совместной водной и ветровой эрозии — 102,3 тыс. га. За 30 лет в Кузбассе площади кислых почв увеличились в три раза. В целом по области площадь кислых почв составляет 1069,1 га. В таких почвах нарушаются водный, воздушный и пищевой режимы, снижается способность почвы обеспечивать благоприятные условия для нормального функционирования природных систем» (Почвенная карта Кемеровской области, 1998; Отчет «По системе регионального мониторинга …», 2000).

Повышенное содержание тяжелых металлов характерно для почв, находящихся в зонах влияния металлургических предприятий, а также предприятий, добывающих уголь и полиметаллические руды. Установлено, что чаще всего на территории области встречаются высокие концентрации таких элементов, как Cd, Cr, Ni, Co, Zn, Pb.

«Наибольшие уровни загрязнения почв характерны для зон влияния городов Новокузнецк, Киселевск, Осинники, где показатели суммарного загрязнения почв соответствуют третьему (опасному) и четвертому (чрезвычайно опасному) уровню. Повышенное количество подвижных форм меди отмечено в Крапивинском, Юргинском, Прокопьевском, Гурьевском, Новокузнецком районах. Содержание подвижного цинка в почвах Юргинского, Яшкинского, Крапивинского, Гурьевского, Прокопьевского и Новокузнецкого районов близко к предельно допустимым количествам. В этих же районах установлено повышенное количество кобальта и свинца» (Овсянникова, 2004).

Приоритетными химическими веществами, загрязняющими почву, являются бенз(а)пирен (г. Новокузнецк), сероводород (г. Кемерово), формальдегид (г. Междуреченск), цинк (г. Кемерово, г. Новокузнецк), нитраты (г. Кемерово, г. Новокузнецк, г. Киселевск), свинец (г. Новокузнецк), кадмий (г. Кемерово) (Кемеровский филиал ФБУ «Территориальный фонд геологической информации по СФО).

В 2018 году в образцах почвы, отобранных на землях сельскохозяйственного назначения, были обнаружены цинк, кадмий, никель, превышающие значение ОДК, установленное ГН 2.1.7.2511-09 «Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве». Также в ряде образцов почв был обнаружен свинец в количестве, более чем в 2 раза превышающем значение ПДК, установленное ГН 2.1.7.2041-06 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве» (BezFormata, 2020). В первом случае по степени загрязнения химическими веществами, в соответствии с СанПиН 2.1.7.1287–03, рассматриваемая почва относится к категории 3 «высоко опасная», а во втором – рассматриваемая почва относится к категории 2 «умеренно опасная». Разумеется, такие загрязнённые территории не рекомендуется использовать под производство сельскохозяйственной продукции, а почвы требуют проведения рекультивации.

Проведя анализ данных мониторинга почв по содержанию мышьяка в хозяйствах Кемеровской области в цикле 2010–2016 гг. авторы (Шульгин и др., 2017) пришли к выводу, что наблюдается тенденция его локализованного накопления по глубине почвенного профиля. Так в почвах отдельных участков сельскохозяйственного производственного кооператива «Береговой» Кемеровского района, крестьянско-фермерского хозяйства В.В. Хонина Топкинского района и крестьянско-фермерского хозяйства «Правда» Беловского района выявлен ежегодный прирост содержания мышьяка. Авторы предполагают, что причинами данного явления могут быть близость вышеуказанных сельскохозяйственных предприятий к автомагистрали Федерального значения, а также применением средств защиты растений, содержащих в своем составе мышьяк (Шульгин, 2017).

В 2019 году отделом агроэкологической экспертизы и мониторинга земель ФГБУ «Кемеровская МВЛ» было выявлено превышение ПДК мышьяка в 12 пробах почвы (НИА Кузбасс. Экология)

Таким образом, в Кемеровской области отмечается превышение уровня экологически допустимого воздействия на почву и существует реальная угроза её истощения и загрязнения. Установлена тенденция увеличения загрязнения земельных угодий ТМ, выявлены случаи загрязнения бенз(а)пиреном, формальдегидом, увеличиваются площади кислых почв. На землях сельскохозяйственного назначения обнаружено накопление мышьяка, цинка, кадмия, никеля, меди, свинца. В условиях перехода на органическое земледелие необходим мониторинг почв по данным показателям.

1.4 Использование растений для ремедиации почв

В настоящее время одним из перспективных направлений, связанных с решением проблем загрязнения окружающей среды в результате увеличивающегося антропогенного воздействия, является фиторемедиация, основанная на способности растений извлекать вредные вещества из окружающей среды (воздуха, воды или почвы) и аккумулировать их в своих тканях или нейтрализовывать в ходе физиологических процессов, превращая в метаболиты (Копцик, 2014).

Тема фиторемедиации является актуальной на протяжении долгих лет, а в последние годы набирает большую популярность. Фиторемедиационный потенциал и гипераккумулятивные свойства растений рассматривались многими учеными (Бакланов, 2011; Baker, 1981,1994; Baker, Brooks 1989; Jaffreet al., 1976; Jones, Hutchinson, 1986; Robinson, 1997; Kos, Leštan 2004; Moradi, 2010).

Из всех существующих методов и способов на сегодняшний день наиболее проработанными являются технологии фиторемедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами in situ (Галиулин, Галиулина, 2008; Душенков, Раскин, 2008; Копцик, 2014; Копцик и др., 2013). В литературных источниках имеется большое количество научных работ, которые так или иначе посвящены исследованиям всевозможных механизмов фиторемедиации: фитоэкстракции, фитостабилизации, фитоиспарению, ризофильтрации (Prasad, Freitas, 2003; Kucharskiet al., 2005).

В настоящее время ведется интенсивный поиск новейших видов растений-гипераккумуляторов, а так же и их подбор для решения конкретных задач. Анализ литературных источников показал, что достаточно большое количество сосудистых растений может быть эффективно использовано для восстановления нарушенных промышленных, сельскохозяйственных и городских территорий. Исследования по выявлению растений-гипераккумуляторов выявили около 400 видов покрытосеменных, способных поглощать в 50-500 раз больше тяжелых металлов, чем другие растения (Bakeretal., 2000; Prasad, Freitas, 2003). По наличию в составе видов, являющихся фиторемедиантами, лидируют следующие семейства: Asteraceae, Brassicaceae, Caryophyllaceae, Cyperaceae, Cunoniaceae, Euphorbiaceae,Fabaceae, Flacourtiaceae, Lamiaceae, Poaceae, Violaceae (Копцик и др., 2010; Копцик, 2014). Некоторые исследователи указывают в своих работах на необходимость применения местных адаптированных видов для ремедиации почв. Kucharski (2005) в своих трудах изложил результаты успешного использования Deschampsia cespitosa (L.) для фитостабилизации сильнозагрязненных Pb, Zn и Cd почв в Верхней Силезии. Результаты исследований, проведенных в России, выявили, что в качестве фиторекультивантов на техногенно нарушенных территориях возможно применять следующие виды растений: Agrostis giganteaRoth, Alopecurus arundinaceus Poiret,Festuca rubra L., Lotus corniculatus L., Phleum pratense L., Poa compressa L., P. pratensis L., Trifolium hybridum L. (Копцик и др., 1998, 2013; Вихман, 2011; Сариев, 2011 и др.). Цветков и Черкизов (1987) предлагают применять вблизи промышленных предприятий Salix caprea L., S. phylicifolia L., S. Triandra L., ссылаясь на эффективность их использования для очистки атмосферного воздуха от промышленных выбросов.

Для ремедиации водных и околоводных экосистем возможно или даже полезно использовать макрофиты, которые задерживают взвешенную и пленочную нефть, так же увеличивают поверхность контакта нефти с эпифитной микрофлорой (нефтеокисляющими бактериями) (Сариев, 2011, Свидерский, 2006).

В ходе поведения патентного поиска были выявлены способы фиторемедиации агрофитоценозов. Для очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами, используются физические, химические и биологические методы. Используются такие методы, как физическая адсорбция загрязненных почв (Орлов, 1992), добавление сорбентов-мелиорантов (Кандыба, 1997), полное удаление верхнего слоя почвы и замена его другим (Гришина, 1995) и многие другие. Общим недостатком этих методов очистки почв от тяжелых металлов является то, что они оказывают существенное влияние не только на физико-химические параметры почвы, такие как кислотность почвенного раствора, но и приводят к накоплению в нем тяжелых металлов (Графская, 1998; Гравель, 1994).

Известен способ раскисления почвы, включающий «удаление солей из почвы путем посева однолетних растений галофитов с последующим их сбором, в качестве такого однолетнего растения – галофита выступает амарант» (патент RU № 96117601). Недостатки этого способа раскисления почвы заключаются в том, что растения амаранта накапливают соли из верхнего слоя почвы в стеблях, листьях и метелках амаранта. Однако из-за строения корневой системы амаранта соли из нижележащих слоев не всасываются и поглощаются растениями амаранта. Выращивание только одного галофитного амаранта не способствует решению сложной проблемы заселения почвы.

Существуют способы, описанные в патентах RU 2424643, RU2555034, RU2729377 и многие другие. Все эти способы заключаются в то, что почвы тщательно подготавливаются, используется много специализированной техники, либо сперва в почву вносят химические элементы и др. Все эти операции ведут к серьёзному удорожанию технологии, либо очень растянуты во времени, а зачастую используются растений не пригодные к произрастанию по почвенно-климатическим условиям. Известен способ, RU2665073включающий посев на загрязненную почву семена растений из семейств сложноцветных, бобовых и злаковых в соотношении 1:1:1 в количестве 1,50-22,90 млн. шт./га с последующим их многократным скашиванием в период вегетации, высушиванием и удалением с поверхности почвы. В качестве растений фиторемедиантов высевают семена растений из семейства сложноцветных: тысячелистника обыкновенного (Achillea millefolium L.), одуванчика лекарственного (Taraxacum officinale Wigg.), полыни горькой (Artemisia absihthium L.) и бодяка полевого (Cirsium arvense (L.) Scop.), из семейства бобовых: клевера лугового (Trifolium pratense L.) и из семейства злаковых: мятлика лугового (Poa pratensis L.). Многие из этих растений являются сорными, что затрудняет их уборку и в последующим вынуждает хозяйства применять гербициды, для борьбы с ними, а это неприемлемо для полей, пригодных к органическому землепользованию.

Безусловно, для развития и практической реализации методов фиторемедиации необходимо не только проводить научные исследования, но и внедрять их результаты в осуществление природоохранной деятельности. Таким образом, восстановление городских, заброшенных и современных промышленных территорий различными методами фиторемедиации является эффективным и дешевым методом, который широко применяется в практике за рубежом, но в России использование возможностей фиторемедиации до сих пор не получило широкого распространения.

1.5 Ремедиационный потенциал разнообразия сосудистых растений Кузбасса

Современная флора Кемеровской области разнообразна и насчитывает свыше 1500 видов высших сосудистых растений. При анализе литературных данных были выявлены перспективные виды, которые могут быть использованы в качестве фиторемедиантов. Например, следующие виды сосудистых растений, произрастающих в Кемеровской области, могут быть использованы для очистки сточных вод, в том числе для удаления патогенной микрофлоры: «Alisma plantago-aquatica L., ButomusumbellatusL., Callitriche hermaphroditica L., CallapalustrisL., Persicariaamphibia (L.) S. F. Gray,Phalaroides arundinacea (L.) Rausch.,Phragmites australis(Cav.) Trin. ex Steud., Sagittaria sagittifolia L., Scirpus sylvaticus L., Spirodela polyrhiza (L.) SchleidenStratiotes aloides L.; представителиродов: Batrachium, Juncus, Myriophyllum»(Свидерский, 2006).

Среди макрофитов Кузбасса существуют виды-гипераккумуляторы, способные накапливать различные элементы и соединения. Например, Acorus calamus L. и виды рода Sparganium накапливают серу; Nuphar lutea (L.) Smith – кобальт; Potamogeton pectinatus L. – радионуклеиды. LemnaminorL. отмечена как вид аккумулирующий медь, бор, свинец, кадмий, железо, ртуть; CeratophyllumdemersumL. – цинк, медь, кадмий, свинец. Перспективными видами для фиторемедиации являются представители рода Typha, которые выступают в качестве фитостабилизаторов цинка, меди, кадмия, свинца, серы, радионуклидов, нефтепродуктов

Вид, произрастающий в Кемеровской области во влажных местах вблизи населенных пунктов IrispseudacorusL. (особенно распространен в Новокузнецком и Междуреченском районах) способен очищать воду от азотных и фосфатных соединений, тяжелых металлов. Корневище ириса может уменьшить популяцию кишечной палочки и сальмонеллы на 50-70% за 24 часа. Инвазивный вид, включенным в Черную книгу флоры Сибири (2016), является – Elodea canadensis Michx. является мощным гипераккумулятором цинка, кадмия, свинца, меди (Витязь и др., 2019)

Дляочистки почвы и воздуха, как уже говорилось выше, перспективны представители рода Salix. В частности, Salix cinerea L. и S. pentandraL. Из воздуха они способны поглощать бензол, толуол, ортоксилол, из почвы нефть, тяжелые металлы. Помимо фиторемедиационных свойств, к ним можно отнести пыле-и шумопоглощение, осуществляемое древесными и кустарниковыми насаждениями. Важно учитывать степень загрязнения и устойчивость древесных пород (Цветков, Черкизов, 1987).

«Представители древесной флоры, такие как Populus balsamifera L. аккумулирует из почвы в больших количествах нефть, ртуть, селен, бор, кадмий, цинк; Tilia sibirica Fischer ex Bayer – барий, медь, свинец, титан, цинк. Из представителей кустарников к возможным фиторемедиантам Кузбасса можно отнести: Ledum palustre L. – марганец, молибден; Vaccinium uliginosum L. и V. myrtillus L. – марганец; виды рода Rosa – нефть.

Анализ литературных данных показал, что фиторемедиаторов среди травянистых растений гораздо больше, чем среди древесных видов. Среди травянистых большинство дикорастущих гипераккумуляторов относится к семейству крестоцветных. На территории Кемеровской области потенциальными фиторемедиаторами могут являться следующие представители этого семейства: Brassica juncea (L.) Czern., которая является весьма эффективным накопителем свинца, меди, никеля кобальта, кадмия, цинка, марганца, железа, хрома, селена; Thlaspi arvense L. – свинца и никеля; Sinаpis аlbaL. – свинца, меди, кадмия, ртути, цинка, Sinapis arvensis L. – цинка, меди, свинца, кобальта. Среди злаковых, способных выступать в качестве фиторемедиаторов, можно отметить следующие местные виды: Calamagrostis epigeios L. – тяжелые металлы, особенно он эффективен в отношении никеля; Festuca arundinaceae Schreb. – свинец, кадмий, цинк; F. rubra L. – сырая нефть, дизельное топливо; Deschampsia cespitosa (L.) P. Beauv. – свинец, кадмий, цинк. Из сложноцветных:ArtemisiavulgarisL. и Taraxacum officinale Wigg. – тяжелые металлы; Rhaponticum carthamoides (Willd.) Iljin – железо; Gnaphalium uliginosum L. – медь, железо, хром, кадмий;Cichorium intybus L. –свинец. Из бобовых: Trifolium pratense L. – радионуклиды (стронций-90); Medicado sativa L. – бензол, антрацен, α-пирен, нафталин, медь, цинк; Medicago falcata L. – бензол, антрацен, α-пирен, нафталин, медь, цинк. Из других семейств: HyoscyamusnigerL. – литий; Polygonum aviculare L., Mentha x piperita L. и Urtica dioica L.–молибден;Potentillaerecta (L.) Raeuschel – медь, марганец;LeonurustataricusL. – никель; ComarumpalustreL. – литий;TrientaliseuropaeaL. – свинец;PolemoniumcaeruleumL.– железо» (Шереметова и др., 2020).

Таким образом, на данном этапе исследований можно установить, что «флора Кемеровской области богата видами, обладающими рекультивационными свойствами. На чистую воду могут действовать 20 видов макрофитов и 4 вида в качестве потенциальной фиторемедианы. Видов, которые могут выполнять очистку почвы-36 (2 вида шиповника), воздуха (без учета аспектов шумопоглощения и пыли) – 4вида. Хотя фиторемедиационный потенциал флоры Кузбасса уже на первом аналитическом этапе впечатляет, для решения экологических проблем необходим дальнейший научный поиск и переход к экспериментам и поиску новых перспективных ценных видов» (Шереметова и др., 2020).

В то же время для фиторемедиации земель сельскохозяйственного назначения одним из главных критериев помимо аккумулирующих возможностей растений в отношении загрязнителей являются такие как обеспеченность посевным материалом и простота в технологиях возделывания используемых для растений.

ГЛАВА 2 определение фиторемедиационного потенциала в условиях лабораторного опыта

2.1 Материалы и методы исследования

Для лабораторных исследований в первой декаде апреля 2020г. были отобраны почвы с территории земель сельскохозяйственного назначения, которые определены для последующего их использования в органическом земледелии. Пробы почвы брали из пахотного горизонта. Отбор проб почвы проводился методом конверта в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-2017. Перед использованием в лабораторных условиях почвы были подвергнуты агрохимическому анализу и анализу на содержание ионов ТМ.

Анализ результатов показал, что используемые в лабораторных условиях почвы – это чернозем выщелоченный среднемощный тяжелосуглинистый. Содержание гумуса в верхнем 0-20 см слое составляет 9,13% (высокое). Обеспеченность азотом (нитратная форма) – низкая. Почва имеет повышенное содержание подвижного фосфора и обменного калия. Реакция почвенного раствора рН_сол–5,7 (близкая к нейтральной) (табл. 2.1).

Таблица 2.1 – Агрохимические показатели почв, предназначенных для лабораторных исследований

Анализ результатов ионов ТМ почв, используемых в лабораторном опыте, показал (табл. 2.2), что, во-первых, содержание подвижных форм ТМ в исследованной почве составляет от 0,7 до 5% от валового и существенно ниже ПДК (в 20-26 раз); во-вторых, валовое содержание мышьяка, свинца и цинка несколько выше кларка по Виноградову, но существенно ниже ОДК для почв, близким к нейтральным (10,0 мг/кг), к которым относится данный грунт.

Таблица 2.2– Содержание ионов тяжелых металлов (ИТМ)почв, предназначенных для лабораторных исследований в сравнении с кларком и ОДК/ПДК (мг/кг)

Согласно более современным данным о значениях кларков металлов в почвах по Кабата-Пендиас (1989), содержание всех элементов, взятых для исследования с опытного участка, не превышает фоновое.

На основании проведенного литературного анализа о фиторемедиационных возможностях сосудистых растений, тестовыми культурами служили высшие растения (ВР): фацелия пижмолистная (Phacelia tanacetifólia), горчица белая (Sinapis alba L.) и смесь злаковых трав, состоящая из овсяницы красной 40% (Festuca rubra L.), райграса пастбищного 50% (Lolium Perenne L.) и мятлика лугового 10% (Poa pratensis L.). В качестве критериев при выборе культур для данного исследования использовались такие, каквысокая экологическая пластичность и морфологическая изменчивость генеративных и вегетативных органов, доступность посевного материала для широкого использования сельхозпроизводителями и простота в технологии возделывания.

В лабораторном опыте загрязняющими веществами выступали растворы сульфатов меди, цинка и нитрата свинца с разными концентрациями катионов ТМ в почве: 2 и 10 ПДК (для меди ПДК=3мг/кг почвы, для свинца ПДК=32мг/кг почвы, для цинка 23мг/кг почвы) (п. 2.1.1).

В силу объективных причин соли мышьяка приобрести не удалось, поэтому лабораторное исследование аккумулятивных возможностей растений проводилось только по отношению к фоновому содержанию этого элемента в почве, без дополнительного внесения его соединений.

Подготовку почв и растений при контроле в них ионов тяжелых металлов (ИТМ) проводили в соответствии с (Линдиман,2008).Готовили растворы солей поллютантов необходимой концентрации (см. п. Приготовление рабочих растворов солей тяжелых металлов).В пластиковые емкости 20х30х10см помещали по 1 кг почвы. В каждую емкость после тщательного увлажнения почвы, согласно схеме опыта (п. 2.1.1) добавляли по 50 мл раствора ТМ.

Перед посевом у семян определялся биоэнергетический потенциал (п.2.1.2). Семена высеивали на глубину 1-2 см. Повторные поливы производили через 1-2 дня, по мере просыхания почвы. Дополнительного освещения растений не проводили.

Лабораторный этап исследования был выполнен в период с 15.04.2020 по 15.05.2020 в условиях лаборатории кафедры ландшафтной архитектуры Кузбасской ГСХА.

Контроль содержания ионов ТМ в почве и фитомассе растений осуществляли через 30 дней после посева. Анализ проб почвы и растительного материала лабораторного этапа исследования выполнен в лаборатории борьбы с пылью и пылевзрывозащиты АО «НЦ ВостНИИ», г. Кемерово. Содержание тяжелых металлов в пробах почвы и растительного материала определялось методом атомно-эмиссионного спектрального анализа при помощи спектрометра эмиссионного с индуктивно-связанной плазмой OPTIMA модель 2100 DV. Концентрация ионов водорода (рН сол) – потенциометрическим методом при помощи анализатора жидкости многопараметрического ЭКОТЕСТ− 2000Т. Протоколы измерений представлены в приложении.

2.1.1 Приготовление рабочих растворов солей тяжелых металлов

Выбор солей для приготовления рабочих растворов и концентрации растворенных веществ были обусловлены задачами исследования и предельно допустимыми концентрациями ионов тяжелых металлов в почве (табл. 2.3).

Таблица 2.3– Предельно допустимые концентрации химических веществ в почве

Для приготовления рабочих растворов использовали следующие реактивы, вспомогательные материалы и оборудование:

• Цинк сернокислый 7-миводный, чистый, ГОСТ 4174-77
• Медь сернокислая 5-тиводный, чистый, ГОСТ 4185-78
• Свинец азотнокислый безводный, чистый, ГОСТ 4236-77
• Вода дистиллированная
• Весы аналитические Ohaus
• Посуда измерительная лабораторная

Расчет концентраций рабочих растворов проведен исходя из поставленной задачи: приготовить растворы солей для внесения их в почву, с целью создания в ней среды с повышенным содержанием (2 ПДК и 10 ПДК) по ионам соответствующих тяжелых металлов (табл. 2.4).

Таблица 2.4 – Приготовление рабочих растворов солей тяжелых металлов

При закладке опыта в каждом варианте по всем повторениям в почву вносили по 50 мл/кг рабочего раствора соответствующего иона с заданной кратностью ПДК.

2.1.2 Методика изучения биоэнергетического потенциалапосевного материала

Оценка биоэнергетического потенциала включает определение энергии прорастания и лабораторной всхожести семян. Данные исследования посевного материала проводились в соответствии с ГОСТ 12038-84 «Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести»; ГОСТ Р 52325-2005 «Семена сельскохозяйственных растений. Сортовые и посевные качества. Общие технические условия». Семена, предназначенные для посева, должны соответствовать первому или второму классу качества.

2.1.3 Методы определения тяжелых металлов в почве и растительном материале

Определение тяжелых металлов в почве и растительном материале проводили в условиях лаборатории борьбы с пылью и пылевзрывозащиты АО «НЦ ВостНИИ» г. Кемерово, аттестат акредитации №RA.RU.21ЭМ21 от 08.08.2017 (Приложение 2). Протоколы испытаний представлены в приложениях 3-8.

Содержание тяжелых металлов в пробах почвы и растительном материале определялось методом атомно-эмиссионного спектрального анализа при помощи спектрометра эмиссионного с индуктивно-связанной плазмой OPTIMA модель 2100 DV.

Для расчета коэффициента аккумуляции (Как) брали отношение концентрации элемента в почве на начало опыта к его концентрации в конце опыта.

Для выявления избирательности поглощения химических элементов растениями применялся коэффициент биологического поглощения (Кбп), представляющий собой частное от деления количества элементов в золе растений на его валовое содержание в почве.

2.1.4 Методы определения агрохимических показателей почвы

Агрохимический анализ почв проводился в условиях научно-исследовательской лаборатории «Агроэкология» ФГБОУ ВО Кузбасская ГСХА. Определялись следующие показатели: массовая доля органического вещества (%), массовая доля нитратного азота (мг/кг почвы), рН сол., массовая доля подвижного фосфора (мгP₂O₅/кг почвы), массовая доля общего азота (%), массовая доля обменного калия (К₂О мг/кг почвы).

Концентрация ионов водорода (рН сол) определялась ионометрически по методу ЦИНАО (ГОСТ 26483-85), содержание гумуса определялось по методу Тюрина в модификации цинао (ГОСТ 26213-91), массовая доля обменного калия и подвижного доля нитратного азота – ионометрическим методом (ГОСТ 26951-86), массовая фосфора – по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО (ГОСТ Р 54650-2011), массовая доля общего азота – титриметрическим методом (ГОСТ 26107-84).

2.1.5 Математическая обработка результатов

Полученный материал был обработан на персональном компьютере с помощью пакета прикладных программ «Statistica» (Лакин, 1980). Для каждого изучаемого параметра вычислялись среднее значение, ошибка репрезентативности средней. Достоверность различия содержания ИТМ в почве и растительном материале определяли по критерию Стьюдента.

2.2 Схема лабораторного опыта

Для изучения фиторемедиационного потенциала исследуемых культур (фацелии, горчицы, бархатцев и газонной смеси) с целью разработки технологии фиторемедиции сельскохозяйственных земель с целью их последующего использования в органическом земледелиибыли заложены следующие варианты лабораторного опыта(табл. 2.5):

1 вариант (контроль) – без внесения ТМ, на естественном фоне;

2 вариант – вносили ИТМ Сuв концентрации 2 ПДК;

3 вариант –вносили ИТМ Сuв концентрации 10 ПДК;

4 вариант – вносили ИТМ Pbв концентрации 2 ПДК;

5 вариант –вносили ИТМ Pbв концентрации 10 ПДК;

6 вариант – вносили ИТМ Znв концентрации 2 ПДК;

7 вариант –вносили ИТМ Znв концентрации 10 ПДК.

Таблица 2.5– Схема опыта

Повторность опыта трехкратная. Объем почвы под каждый вариант составлял 1 кг. Размер пластиковых контейнеров 20х30х10 см.

2.3 Результаты определения биоэнергетического потенциала посевного материала

Необходимым условием для определения биоэнергетического потенциала качества посадочного материала является его проверка на предмет всхожести и энергии прорастания семян. Данные показатели характеризуют способность семян давать в полевых условиях дружные и ровные всходы, а значит, хорошую выровненность и выживаемость растений. Для изучения биоэнергетического потенциала отбиралось по 100 семян каждой исследуемой культуры. Семена помещались в соответствующие условия. Энергия прорастания и лабораторная всхожесть определялись в соответствии с ГОСТ 12038 – 84 и ГОСТ 24933.2-81. Посевные качества семенного материала определялись и в соответствии с ГОСТ Р 52325-2005.

Результаты изучения биоэнергетического потенциала семян изучаемых культур представлены в таблице 2.6.

Таблица 2.6 – Биоэнергетический потенциал посевного материала

Продолжение таблицы 2.6

Анализ результатов показал, что энергия прорастания и лабораторная всхожесть семян у изучаемых культур варьировала в пределах 46-76% и 69-85% соответственно.Наибольшая лабораторная всхожесть семян была отмечена у Sinapis alba L., наименьшая – у Festuca rubra L.Полученные результаты свидетельствуют о том, что посевной материал обладает высоким биоэнергетическим потенциалом согласно ГОСТ Р 52325-2005Семена лекарственных и ароматических культур. Сортовые и посевные качества. Технические условия.

2.4 Результаты определения фиторемедиационного потенциала культур в условиях лабораторного опыта

Сравнительный анализ проб почвы и растительного материала по содержанию тяжелых металлов (ТМ) в лабораторном опыте, представленный в таблице 2.7 и на рисунках 2.1-2.4, показал, что:

— все растения, взятые для исследования (фацелия, горчица, смесь злаков, бархатцы) проявляют способность к аккумуляции ионов тяжелых металлов, но эта способность зависит от вида ТМ и его концентрации в почве, что наглядно показывают значения коэффициентов биологического поглощения (Кбп)и коэффициентов аккумуляции(Как);

— для ионов свинца и меди лучшим аккумулятором явилась смесь злаков (содержание ионов свинца в почве при внесении 2 ПДК снизилось на 32,8%, меди – на 38,8%);

— для ионов цинка лучшим аккумулятором явилась фацелия (содержание ионов свинца в почве при внесении 2 ПДК снизилось на 47,2%);

— в отношении ионов мышьяка способность к аккумуляции проявили только смесь из злаковых культур и бархатцы.

Таблица 2.7 – Сравнительный анализ проб почвы и растительного материала по содержанию тяжелых металлов (ТМ)в лабораторном опыте,мг/кг

Рисунок 2.1 –Фиторемедиационный потенциал растений по отношению к свинцу

Рисунок 2.2 –Фиторемедиационный потенциал растений по отношению к меди

Рисунок 2.3 –Фиторемедиационный потенциал растений по отношению к меди

Рисунок 2.4 –Фиторемедиационный потенциал растений по отношению к мышьяку (0 – ниже предела обнаружения)

Таким образом, в ходе лабораторного этапа исследования фиторемедиационного потенциала некоторых растений и возможности их последующего применения для фиторемедиации земель сельскохозяйственного назначения, планируемых к использованию в органическом земледелии, было установлено:

1. все растения, взятые для исследования (фацелия, горчица, смесь злаков, бархатцы) проявляют способность к аккумуляции ионов тяжелых металлов;
2. в лабораторных условиях по вариантам опыта значимого изменения содержания мышьяка в почве контрольной группы не выявлено; растения фацелии и горчицы не проявили аккумулирующей способности (содержание Asв растениях ниже чувствительности метода измерения), а для смеси злаков и бархатцев содержание As в растениях составило 0,9 мг/кг и 0,53 мг/кг соответственно;
3. выявлено снижение содержания свинца в почве (от 4,2% для фацелии до 32,8% для смеси злаков при 2 ПДК), причем, способность к аккумуляции свинца при 2 ПДК, как показывают значения Кбп (0,96 – 1,19 – 1,20 – 1,49), возрастает в ряду фацелия – горчица – бархатцы – злаки;
4. выявлено снижение содержания меди в почве (от 4,2% для горчицы до 38,8% для смеси злаков при 2 ПДК), причем, способность к аккумуляции меди при 2 ПДК, как показывают значения Кбп(0,17 – 0,30 – 0,30 – 0,50), возрастает в ряду горчица – фацелия – бархатцы – злаки;
5. выявлено снижение содержания цинка в почве (от 15% для бархатцев до 47,2% для фацелии при 2 ПДК), причем, способность к аккумуляции цинка при 2 ПДК как показывают значения Кбп(0,20 – 0,23 – 0,25 – 0,49), возрастает в ряду бархатцы – горчица – злаки – фацелия;
6. установлена корреляция между снижением содержания исследованных ИТМ в почве и накоплении их в растительном материале, что количественно подтверждают значения коэффициентов биологического поглощения (Кбп) и коэффициентов аккумуляции (Как).

По результатам лабораторного этапа исследования принято решение на полевом этапе исследования эффективности применения технологии фиторемедиации сельскохозяйственных земель с целью их последующего использования в органическом земледелии при закладке мелко деляночного опыта использовать следующие культуры: фацелия, горчица, смесь злаков, а в качестве контроля – растения чистого пара.

ГЛАВА 3 определение фиторемедиационного потенциала в условиях полевого опыта

3.1 Материалы и методы исследования

Исследования проводились на территории КФХ «Башмаков» Прокопьевского района Кемеровской области.Полевой этап исследования проведен в период с 28.05.2020 по 11.08.2020.

Перед закладкой опыта был осуществлен забор почвы на анализ с целью определения агрохимических показателей и содержания тяжелых металлов.Образцы почвы отбирали из пахотного горизонта. Анализ проб почвы выполнен в лаборатории борьбы с пылью и пылевзрывозащиты АО «НЦ ВостНИИ», г. Кемерово. Содержание тяжелых металлов в пробах почвы и растительного материала определялось методом атомно-эмиссионного спектрального анализа при помощи спектрометра эмиссионного с индуктивно-связанной плазмой OPTIMA модель 2100 DV. Концентрация ионов водорода (рН сол) – потенциометрическим методом при помощи анализатора жидкости многопараметрического ЭКОТЕСТ− 2000Т.

Для проведения опыта по изучению аккумулятивных возможностей растений и определении их фиторемедиационного потенциала использовались фацелия (Phacelia Juss), горчица белая (Sinapis alba L.) и смесь злаковых трав, состоящая из овсяницы красной 40% (Festuca rubra L.), райграса пастбищного 50% (Lolium Perenne) и мятлика лугового 10% (Poa pratensis).

В третьей декаде мая 2020 года был заложен мелко-деляночный опыт. Семена выбранных культур высевались в заранее подготовленную почву. Основная обработка почвы осуществлялась ранней весной (до середины мая) безотвально на глубину 10-15 см. Предшественник – многолетние злаковые травы. Повторность опыта трехкратная. В качестве контрольной группы выступал чистый черный пар.

В августе 2020 года образцы почвы и растительного материала были переданы в сертифицированную лабораторию для определения содержания тяжелых металлов (ТМ).

3.2 Условия проведения исследований

Кемеровская область расположена на юго-востоке западной Сибири. Климат области характеризуется резкой континентальностью, большой изменчивостью погоды, суровой зимой с устойчивыми низкими отрицательными температурами воздуха, частыми ветрами значительных скоростей, активной ветрометелевой деятельностью, снегозаносами, интенсивной солнечной радиацией в оба сезона года и сравнительно жарким летом.

По агроклиматическому районированию Кемеровской области, территория относится к умеренно-теплому, умеренно-влажному подрайону. Климат резко-континентальный с холодной и длиной зимой, жарким и коротким летом.Средняя, многолетняя температура января составляет – 18,2^оС, июля – 17,8. годовая температура не высокая и составляет лишь – 0,1^оС. Абсолютно минимальная температура воздуха может достичь: – 57-45^оС.

Продолжительность безморозного периода составляет 120 дней.Сумма положительных температур в этот период составляет 2150^оС.

Средняя продолжительность вегетативного периода 160 дней.В период вегетации растений большой ущерб сельскохозяйственному производству приносят заморозки на поверхности почвы и в воздухе.

Последние весенние заморозки на почве могут сохраняться до 7 июня, первые осенние – с 4 сентября. Заморозки на почве прекращаются обычно на 10-15 дней позже, чем в воздухе.

Распределение осадков в течение года неравномерно. Наибольшее их количество выпадает в теплый период года с апреля по октябрь – 320 мм. Среднегодовое количество осадков составляет 392 мм. Гидротермический коэффициент составляет 1,3-1,2, что свидетельствует о достаточном увлажнении возделываемых культур.

Высота снежного покрова на открытых полях незначительна и составляет 15-50 см, на защищенных – несколько больше 45-50 см, а на ветроударных склонах снег выдувается ветром в пониженные участки, лога, заветренные склоны.

Из-за неравномерного распределения снежного покрова наблюдал разные сроки созревания почвы. Разница в созревании почвы на оголенных местах и покрытых снегом составляет 6-8 дней. По степени увлажнения территория хозяйства исследования относится к умеренно увлажненному подрайону.

В течение года преобладают ветра юго-западного направления. Сильные ветра со скоростью 15 м/с и более, возможны с апреля по сентябрь. Зимой они приводят к резкому перераспределению снега. Весной и летом сильно осушают почву.

Погодные условия 2020 года характеризовались следующими особенностями (табл. 3.1, рисунок 3.1).

Продолжительность периода активного роста возделываемых культур с температурой выше +10^оС составила 153 дня. Продолжительность вегетационного периода определяется не только генотипическими особенностями растений, но и зависит от элементов погоды, а именно – среднесуточных температур и количества осадков.

Весна 2020года была благоприятной для посева, среднесуточная температура мая была высокой, отклонение от среднемноголетней нормы составило +4,2°С. Осадков в мае выпало 45 мм, что составило 118% от среднемноголетней нормы. Поэтому посев исследуемых культур проводился своевременно.

Погода июня была типичной для территории Прокопьевского района. Отклонение от среднемноголетней температуры составило – 0,4°С, осадков – 107%.Теплая погода июня месяца благоприятно влияла на темпы роста и развития посевов исследуемых культур.

Таблица 3.1 – Температура воздуха и сумма осадков за вегетационный период 2020 года

Рисунок 3.1 – Климатограмма вегетационного периода 2020 г.

Июль и август были теплыми, но засушливыми. В июлеотклонение температуры от среднемноголетней нормы составило +0,6°С, осадков – 86%.В августетакже наблюдался недобор осадков. Их сумма не превысила 80% среднемноголетней нормы.

Сентябрь был теплым. Отклонение от температуры составило +0,5°С. Осадковвыпало выше нормы на 141%.

Гидротермический коэффициент (ГТК) в 2020 году составил 1,2. Это говорит о том, что год был в небольшой степени засушливым.

Таким образом, начало вегетационного периода (май-июнь) протекал в относительно благоприятных погодных условиях, а июль-август был засушливым.

Почвы. По почвенно-географическому районированию территория хозяйства относится к подзоне степного ядра Кузнецкой. На территории хозяйства преобладают черноземы выщелоченные, среднемощные, тяжелосуглинистые.Характерными морфологическими признаками выщелоченных черноземов являются наличие в них уплотненного иллювиального горизонта с комковато-призматической структурой, пониженный уровень вскипания и наряду с этим отсутствие признаков оподзоливания.Дифференциация почвенного профиля по механическому составу проявляется в выщелоченных черноземах в значительно меньшей степени, чем в оподзоленных черноземах. Иловатая фракция в выщелоченных черноземах постепенно увеличивается книзу почвенного профиля до горизонта В₂, а затем несколько уменьшается в горизонтах ВС и С. Выщелоченные черноземы обладают небольшой обменной кислотностью, которая обычно колеблется в пределах рН_сол. = 5,5-6,1. Относительно понижена в них гидролитическая кислотность, в большинстве случаев не превышающая 3-6 мг-экв на 100 г почвы.Сумма поглощенных оснований выражается большими величинами и колеблется чаще всего в пределах 30-40 мг-экв на 100 г почвы. Вместе с тем выщелоченные черноземы отличаются высокой степенью насыщенности основаниями, достигающей 87-95%.

Почвы опытного участка представлены черноземом выщелоченным среднемощным тяжелосуглинистым. Содержание гумуса в верхнем 0-20 см слое составляет 9,13% (высокое). Обеспеченность азотом (нитратная форма) – низкая. Почва имеет повышенное содержание подвижного фосфора и обменного калия. Реакция почвенного раствора рН_сол–5,7 (близкая к нейтральной) (табл. 3.2).

Таблица 3.2 – Агрохимические показатели почв опытного поля

Анализ результатов содержания ИТМ показал (табл. 3.3), что содержание подвижных форм ИТМ существенно ниже ПДК (в 20-26 раз), а валовое содержание мышьяка, свинца и цинка несколько выше кларка (по Виноградову), но существенно ниже ОДК для почв, близким к нейтральным (10,0 мг/кг), к которым относятся почвы опытного поля.

Таблица 3.3 – Содержание ионов тяжелых металлов (ИТМ)почв опытного поля в сравнении с кларком и ОДК/ПДК (мг/кг)

Согласно более современным данным о значениях кларков металлов в почвах по Кабата-Пендиас (1989), содержание всех элементов, взятых для исследования с опытного участка, близко к значениям кларка, но практически не превышает фоновое.

Согласно СанПиН 2.1.7.1287-03, почвы, в которых содержание неорганического вещества I класса опасности больше фона, но меньше ПДК (ОДК), относятся к категории «допустимая» и для них нет ограничений по целям использования. Следовательно, по такому показателю, как содержание тяжелых металлов, исследованные почвы являются «допустимыми» и могут быть использованы для ведения органического сельского хозяйства.

3.3 Схема полевого опыта

Целью полевого опыта являлось изучение эффективности фиторемедиационного потенциала травянистых растений. Для решения поставленной цели был заложен мелкоделяночный полевой опыт согласно методике Б.А.Доспехова(Доспехов, 2012).Повторность опыта трехкратная. Площадь опытных делянок 1х2м², ширина междурядий 50 см. В качестве посевного материалаиспользовали:

1. Смесь злаковых трав Овсяница красная40% (Festuca rubra L.), Райграс пастбищный 50% (Lolium Perenne), Мятлик луговой 10% (Poa pratensis) с НВ 30-40 кг/га (5-6,5 млн. шт /га)

2. Фацелия (Phacelia tanacetifólia) НВ 10-12 кг/га,

3. Горчица белая (Sinapis alba L.)НВ 12-16 кг/га.

4. Контроль – чистый черный пар

Повторность опыта трехкратная.

Схема опыта представлена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Схема полевого опыта

В качестве загрязнителей были выбраны следующие ИТМ: свинец, цинк, медь и мышьяк.

3.4 Результаты определения фиторемедиационного потенциала культур в условиях полевого опыта

В ходе изучения фиторемедиационного потенциала установлено (табл. 3.4, рис. 3.3), что по вариантам опыта в почве значимых изменений валового содержания мышьяка и свинца не произошло, хотя на завершающем этапе (в августе) наметилась тенденция к некоторому снижению содержания мышьяка. При этом, в растительном материале наиболее высокое содержание мышьяка было выявлено в растениях фацелии.

Суммарное накопление мышьяка наземной частью фацелии в августе составило 4,01мг/кг сухой массы, существенно выше, чем в растениях на контроле и вариантах с горчицей и злаковой смесью. При этом в хозяйственной деятельности необходимо учитывать, что согласно регламенту Таможенного союза, для сочных и грубых кормов ПДК по мышьяку составляет 0,5 мг/кг, тогда как превышение по этому показателю в наземных частях растений составило до 8 раз.

Установленное в ходе исследования противоречие, возникающее при сопоставлении данных о значительном увеличении содержания мышьяка и свинца в растениях и несущественном уменьшении содержания этих элементов в почве, требуют дополнительного исследования.

Сравнительный анализ проб почвы и растительного материала по содержанию тяжелых металлов (ТМ) в полевом опыте, представленный в таблице 3.4, рис. 3.3,показал:

— все растения, взятые для исследования (фацелия, горчица, смесь злаков) проявляют способность к аккумуляции ионов тяжелых металлов, но эта способность зависит от вида ТМ и его концентрации в почве;

Таблица 3.4– Сравнительный анализ проб почвы и растительного материала по содержанию ИТМв полевом опыте, мг/кг

Рисунок 3.3 – Фиторемедиационный потенциал растений по отношению к ИТМ

— для ионов мышьяка и меди лучшим аккумулятором явилась фацелия;

— для ионов свинца лучшим аккумулятором явилась смесь злаков;

— для ионов цинка лучшим аккумулятором явилась горчица.

Таким образом, в ходе полевого этапа исследования эффективности применения технологии фиторемедиации сельскохозяйственных земель с целью их последующего использования в органическом земледелии, было установлено:

1. все растения, взятые для исследования (фацелия, горчица, смесь злаков) проявляют способность к аккумуляции ионов тяжелых металлов;
2. вполевых условиях растения фацелии проявили наивысшую аккумулирующую способностьпо отношению к мышьяку – 4,01 мг/кг наземной части растений в августе(в 6,3 раза выше, чем в растениях на контроле и вариантах с горчицей и злаковой смесью) при этом, снижение валового содержания As в почве не было значимым;
3. по отношению к свинцу в полевых условиях наивысшую аккумулирующую способность проявила смесь злаков – 4,0 мг/кг наземной части растений в августе (от 2,2 до 8 раз выше, чем в растениях на контроле и вариантах с горчицей и фацелией) при этом, снижение валового содержания Pb в почве не было значимым;
4. выявлено снижение содержания меди в почве (коэффициенты аккумуляции 1,36 – 1,31 – 1,29 – 1,18 по вариантам фацелия – горчица – контроль – злаки) причем, максимальную способность к аккумуляции меди проявила фацелия – 13,9 мг/кгназемной части растений в августе;
5. выявлено снижение содержания цинка в почве (коэффициенты аккумуляции 1,28 – 1,22 – 1,18 – 1,01 по вариантам горчица – фацелия – злаки — контроль), причем, способность к аккумуляции цинка возрастает в ряду горчица –фацелия – злаки – контроль;
6. установленное в ходе исследования противоречие, возникающее при сопоставлении данных о значительном увеличении содержания мышьяка и свинца в растениях и несущественном уменьшении содержания этих элементов в почве, требуют дополнительного исследования.

Заключение

Почвы, предназначенные для ведения органического сельского хозяйства по содержанию тяжелых металлов, бенз(а)пирена, остаточных количеств пестицидов согласно СанПиН 2.1.7.1287-03 должны соответствовать категории «допустимая».

В последние годы в пахотных почвах сельхозугодий, в том числе и в Кемеровской области отмечается тенденция к накоплению тяжелых металлов (мышьяка, цинка, кадмия, никеля, меди, свинца), что является результатом не только деятельности промышленных предприятий, но многолетнего и неконтролируемого использования инсектицидов, гербицидов и удобрений при интенсификации сельского хозяйства. Поэтому в условиях перехода на органическое земледелие необходим мониторинг почв по данным показателям и поиск технологий, направленных на повышение экологической безопасности почв.

Из всех известных на сегодняшний день вариантов ремедиации почв наиболее соответствующим концепции органического земледелия является метод фиторемедиация, в основе которой лежит гипераккумулятивная способность растений извлекать из субстрата вредные элементы.

Неоднозначность и противоречивость литературных данных о фиторемедиационном потенциале сосудистых растений и возможности их применения в сельском хозяйстве легли в основу данного исследования.

Установлено, что флора Кемеровской области богата видами, обладающими ремедиационными свойствами, но возможность их использования в культуре ограничена, так как большинство видов являются дикорастущими и сорными. Кроме того, одной из причин ограничения использования данных видов в культуре является также отсутствие в большом количестве посевного материала и разработанных технологий их возделывания.

В ходе проведенного лабораторного исследования установлено, что сорные, декоративные и сидеральные растенияспособны в разной степени к аккумуляции тяжелых металлов из почв и, следовательно, могут выполнять функции фиторемедиаторов сельскохозяйственных земель, предназначенных для органического земледелия. В качестве исследуемых культур использовались горчица белая, фацелия пижмолистная, бархатцы и смесь злаковых трав из райграса, мятлика и овсяницы. Способность к аккумуляции при повышении концентрации ионов тяжелых металлов (2 ПДК) возрастает для ионов свинца в ряду фацелия – горчица – бархатцы – злаки, для ионов меди – вряду горчица – фацелия – бархатцы – злаки; для ионов цинка – вряду бархатцы – горчица – злаки – фацелия. Установлена корреляция между снижением содержания исследованных ИТМ в почве и накоплении их в растительном материале, что количественно подтверждают значения коэффициентов биологического поглощения (Кбп) и коэффициентов аккумуляции (Как).

По результатам лабораторного опыта принято решение на полевом этапе исследования эффективности применения технологии фиторемедиации сельскохозяйственных земель с целью их последующего использования в органическом земледелии использовать фацелию пижмолистную, горчицу белую и смесь злаковых трав (овсяница, райграс, мятлик).

По результатам проведенных лабораторных и полевых исследований установлена корреляция между снижением содержания ионов тяжелых металлов (медь, цинк, свинец, мышьяк) в почве и накоплении их в растительном материале.

Ионы меди и цинка аккумулируются в наземных органах исследуемых растений. Мышьяк за исключением фацелии – накапливается в корнях.

Способность к аккумуляции мышьяка возрастает в ряду горчица – злаки – фацелия.

Способность к аккумуляции меди возрастает в ряду горчица –злаки – фацелия. Однако при повышении уровня загрязнения медью почв повышается аккумулирующая способность злаков.

Способность к аккумуляции цинка возрастает в ряду злаки –фацелия – горчица. Однако при повышении уровня загрязнения цинком почв повышается аккумулирующая способность фацелии и злаков.

Способность к аккумуляции свинца не зависимо от его концентрации в почве возрастает в ряду фацелия – горчица – злаки.

Для разработки технологии фиторемедиации земель сельскохозяйственного назначения и подбора ассортимента потенциальных растений-гипераккумуляторов для конкретных условий необходимо продолжить исследования по изучению ремедиационного потенциала культурныхи дикихрастений и возможности их интродукции в культуру.

Рекомендациипо технологии фиторемедиации земель сельскохозяйственного назначения

1. Проводить мониторинг почв, предназначенных для органического земледелия на предмет загрязнения их ионами тяжелых металлов.
2. Использовать сидеральные культуры (фацелию и горчицу) и злаковые травы в качестве фиторемедиантов для сокращения переходного периода к органическому сельскому хозяйству и производству органической продукции.
3. При использовании сидеральных культур (фацелии, горчицы) и злаковых трав (овсяницы, райграса и мятлика), обладающих фиторемедиационным потенциалом, даже в условиях низкого содержания ионов тяжелых металлов (свинца, меди, цинка, мышьяка) в почвах, необходимо контролировать показатели качества растительного сырья.
4. Не использовать в качестве сидератов фацелию и горчицу в условиях повышенного содержания ионов тяжелых металлов (свинца, меди, цинка, мышьяка) в почвах.
5. При использовании горчицы, фацелии и злаковых трав (мятлик, райграс,овсяница) в качестве фиторемедиаторов для очистки почв от повышенного содержания ионом меди и цинка необходимо удалять наземную часть этих растений с последующей их утилизацией.
6. Для очистки почв от повышенного содержания мышьяка и свинца целесообразно использовать в качестве фиторемедиатора фацелию, аккумулирующую в отличие от горчицы и злаковых трав данные загрязнители в наземной части. После использования фацелии в качестве фиторемедианта для очистки почв от повышенного содержания мышьяка и свинца необходимо удалять наземную часть этих растений с последующей их утилизацией.

Список использованных источников

1. AгроXXI– Агропромышленный портал.–Режим доступа: https://www.agroxxi.ru/stati/kakie-selhozzemli-mogut-byt-prigodny-k-vedeniyu-organicheskogo-selskogo-hozjaistva.html)
2. Агрохимия: учебник / В.Г. Минеев, В.Г. Сычев, Г.П. Гамзиков и др.; под ред. В.Г. Минеева. – М.: Изд-во ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова. – 2017. – 854 с.
3. Алексеев, Ю.В Тяжелые металлы в агроландшафте / Ю.В Алексеев. – Санкт-Петербург: ПИЯФ РАН, 2008. – 216с.
4. Аникович, В. Плоскорезная обработка зяби и удобрения / В. Аникович, Н. Тихомирова// Урал Нивы. – 1982. – № 8. – С. 22-23
5. Бакланов,И.А. Накопление, распределение и действие никеля на растения гипераккумуляторы и исключатели из рода Alyssum: автореф. дис. … канд. биол. наук: 03.01.05 / Бакланов Илья Андреевич. – Москва, 2011.– 24 с.
6. Белоус, Н.М. Влияние различных систем удобрения на накопление тяжелых металлов в сельскохозяйственной продукции / Н.М. Белоус, В.Ф. Шаповалов, Ф.В. Моисеенко // Вестник Брянской государственной сельскохозяйственной академии.–2006.–С. 22-29
7. Буров, Д.И. Использование плоскорезов в системе зяби и паровой обработки почвы в южной части лесостепи Заволжья / Д.И. Буров, И.А. Чуданов, Г.И. Казаков //Теоретические вопросы обработки почвы. – Л.: Гидрометеоиздат. – 1969. – С. 73-77.
8. Вихман, М.И. Экологические основы формирования продуктивных и устойчивых агросистем на Кольском Севере:автореф. дис. … д-ра. биол. наук: 03.02.08 / Вихман, Михаил Иванович. – Петрозаводск, 2011. – 47 с.
9. Водяницкий, Ю.Н. ВлияниетехногенныхиприродныхфакторовнасодержаниетяжелыхметалловвпочвахСреднегоПредуралья (г. Чусовойиокрестности) / Ю.Н. Водяницкий, А.А. Васильев, А.А. Савичев, А.Н. Чащин// Почвоведение. – 2010. – № 5. –С. 1089–1099.
10. Водяницкий, Ю.Н. Современные тенденции загрязнения почв тяжелыми металлами / Ю.Н. Водяницкий // Агрохимия. – 2013. – №9. – С. 88-96.
11. Водяницкий, Ю.Н. Тяжелые металлы и металлоиды в почвах. – М.: ГНУ Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН. – 2008. – 86 с.
12. Воронцов, А.М. Обобщенные показатели состояния в системе индексов качества природных сред: проблемы и перспективы / А.М. Воронцов // Экологическая химия.–2004. –Т. 14.– № 1.– С. 1-10.
13. Галиулин, Р.В Очистка почв от тяжелых металлов с помощью растений / Р.В. Галиулин, Р.А.Галиулина // Вестник Российской академии наук.– 2008.– Т. 78. –№ 3.– С. 247-249.
14. Глинушкин, А.П. Здоровая почва и ее воспроизводство в альтернативных системах земледелия / А.П.Глинушкин, М.С.Соколов, Е.Ю.Торопова // Фитосанитарные и гигиенические требования к здоровой почве. – М.: Агрорус, 2016. – 238 с.
15. ГН 2.1.7.2041-06 Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве / Утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 19.01.2006 года. – М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2006. – 15 с.
16. ГОСТ 12038-84. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести. – Введ. 01.07.86. – М: Изд-во стандартов, 2004. – 29 с.
17. ГОСТ 12042-80. Определение массы 1000 семян. – Введ. 01.07.87. – М: Изд-во стандартов, 2004. – 3 с.
18. ГОСТ 17.4.4.02-2017 Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа.– Введ.2019-01-01. – М.: Стандартинформ, 2019. – 10 с.
19. ГОСТ 26204-91. Определение подвижности фосфора и обменного калия по методу Чирикова. – Введ. 01.07.99. – М: Изд-во стандартов, 1992. –8 с.
20. ГОСТ 26483-85. Почвы. Приготовление солевой вытяжки и определение ее pH по методу ЦИНАО. – Введ. 30.06.86. – М: Изд-во стандартов, 1985. – 4с.
21. Государственный доклад о состоянии и охране окружающей среды Кемеровской области – Кузбасса в 2019 году. [Электронный ресурс] – Режим доступа: URL: http://ecokem.ru/wp-content/uploads/2020/02/doclad_2019.pdf.
22. Гравель, И.В. Оценка загрязненности экотоксикантами сырья лекарственных растений Алтайского края / И.В. Гравель // Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии. – 2019. – Т. 18. – № 1. – С. 482-484.
23. Графская Г.А., Величко В.А. Эффективность мелиорантов на загрязненных тяжелыми металлами почвах // Химия в сельском хозяйстве. – 1998. – №1. – С.
24. Гришина, А.В. Транслокация тяжелых металлов и приемы детоксикации почв / А.В.Гришина, В.Ф. Иванова // Агрохимический вестник. – 1997. – №3. – С. 36-41.
25. Дабахов, М.В. Влияние агрохимических средств на подвижность свинца и кадмия в лесной светло-серой почве и поступление их в растения / М.В. Дабахов, Г.А. Соловьев, B.C. Егоров // Агрохимия. – 1998. – № 8. – С. 54-59.
26. Демиденко,Г.А. Сельскохозяйственная экология: учебноепособие / Г.А. Демиденко, Н.В. Фомина.–Краснояр. гос. аграр. ун-т.–Красноярск, 2019. –330с.
27. Доспехов, Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований) / Б.А. Доспехов – М.: Книга по Требованию, 2012. – 352 с.
28. Душенков В., Раскин И. Фиторемедиация: зеленая революция. Ратгерский университет, Нью-Джерси, США. [Электронный ресурс]. (дата обращения: 08.06.2018). www.chem.msu.su/rus/journals/chemlife/fito.html
29. Ефремова Е.Н. Агрофизические показатели почвы в зависимости от различных обработок почвы / Е.Н.Ефремова // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. – 2013. – № 2 (30). – С. 67-72.
30. Здоровая почва – фитосанитарный базис беспестицидного растениеводства / М.С. Соколов, А.П. Глинушкин, Е.Ю. Торопова, В.П. Боровая, Л.Н. Бугаёва // RJOAS. –2015. – № 12(48). –Р. 3–9.
31. Земледелие: Учебник для вузов/Г.И. Баздырев, В.Г. Лошаков, А.И. Пупонин и др. – М.: Издательство «Колос», 2000. – 551 с.
32. Кабата-Пендиас А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата-Пендиас, X. Пендиас; пер. с англ. – М.: Мир, 1989. – 439 с.
33. Казаков Г.И. Агрофизические показатели плодородия почвы как научные основы её обработки / Г.И. Казаков // Ресурсосберегающие системы обработки почвы. М.: Агропромиздат, 1990. – С. 32-38.
34. Кандыба, Е.В. Биологические препараты и почвенное плодородие / Е.В. Кандыба, А.М. Фатеева // Агрохимический вестник. – 1997. – № 2. – С. 7-9.
35. Кемеровский филиал Федерального бюджетного учреждения «Территориальный фонд геологической информации по Сибирскому федеральному округу»Режим доступа http://geofondkem.ru/ekology5.htm (дата обращения 16.05.2020).
36. Кирейчева, Л.В. Методы детоксикации почв, загрязненных тяжелыми металлами / Л.В.Кирейчева, И.В. Глазунова // Почвоведение. – 1995. – №7. – С.892-896.
37. Климентьев, А.И. Почвы степного Зауралья: ландшафтно-генетическая и экологическая оценка /А.И.Климентьев. – Екатеринбург, 2000.– 433 с.
38. Ковда В.А. Биогеохимия почвенного покрова / В.А. Ковда. – М.: Наука, 1995.  – 264 с.
39. Копцик Г.Н. Современные подходы к ремедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами (обзор литературы) / Г.Н. Копцик // Почвоведение. – 2014. – № 7. – С. 851-868.
40. Копцик, Г.Н. Загрязнение почв лесных экосистем тяжелыми металлами в зоне влияния комбината «Печенганикель» / Г.Н. Копцик, Н.П. Недбаев, С.В. Копцик // Почвоведение. – 1998. – № 8. – С. 988-995.
41. Копцик, Г.Н. Ремедиация загрязненных тяжелыми металлами почв путем промывания in situ / Г.Н. Копцик, С.В. Копцик, С.Ю. Ливанцова // Экологический вестник Северного Кавказа. – 2010. – Т. 6. – № 2. – С. 26-30.
42. Копцик, Г.Н. Эффективность ремедиации техногенных пустошей вблизи комбината «Печенганикель» в Кольской субарктике / Г.Н.Копцик, С.В.Копцик, И.Е.Смирнова // Почвоведение. – 2013. – № 10. –C. 1263-1273.
43. Коротич, А.И. Система основной обработки светло-каштановых почв в зернопаровом севообороте Нижнего Поволжья: автореф. …канд. с.-х. наук: 06.01.01 /Коротич Александр Иванович. – Воронеж, 1986. – 175 с.
44. Костычев, П.А. Устойсивые агросистемы / П.А. Костычев. – М.: Изд-во Наука, 2016. – 412 с.
45. Лакин, Г. A. Биометрия / Г. A. Лакин. – М.: Высшая школа, 2000. – 293 с.
46. Линдиман, А.В. Фиторемедиация почв, содержащих тяжелые металлы / А.В. Линдиман, Л.В. Шведова, Н.В.Тукумова // Экология и промышленность России. – 2008. – С. 45-47.
47. Листов, С.А. К проблеме законодательного нормирования остаточных количеств пестицидов и тяжелых металлов в лекарственном сырье / С.А. Листов // Фармация, 1992. – №4. – С. 63-65.
48. Лобачева, Е.Н. Продуктивность полевых севооборотов зерновой специализации в зависимости от их биологизации и минимализации основной обработки на светло-каштановых почвах Волгоградского Правобережья: автореф. дисс. …канд. с.-х. наук: 06.01.01/ Лобачева Елена Николаевна. – Волгоград, 2007. – 24 с.
49. Лукин С.В. Агроэкологическая оценка влияния органических удобрений на микроэлементный состав почв / С.В. Лукин, С.В. Селюкова// Достижения науки и техники АПК. –2016. –Т. 30. –№ 12. –С. 61-65.
50. Минаева, О.М. Биопрепараты для защиты растений: оценка качества и эффективности: учебноепособие / О.М. Минаева, Е.Е. Акимова, Т.И., Зюбанова. – Томск: Издательский Дом Томского государственного университета, 2018. – 130 с.
51. Мирчинк, Т.Г. Почвенная микробиология / Т.Г.Мирчинк. – М.: МГУ, 1988. – 220с.
52. Мотузова, Г.В. Соединения микроэлементов в почвах: системная организация, экологическое значение, мониторинг / Г.В. Мотузова. – 2-е изд. – М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2019. – 168 с.
53. НИА Кузбасс. Экология Режим доступа: https://news.myseldon.com/ru/news/index/205377153 (дата обращения 17.05.2020).
54. Об утверждении СтратегииустойчивогоразвитияРоссийской Федерации на период до2030 года. – 2020. Режим доступа:http://government.ru/docs/16757/.
55. Обухов, А.И. Атомно-абсорбционный анализ в почвенно-биологических исследованиях / А.И.Обухов, И.О.Плеханова. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1991. – 184 с.
56. Овсянникова, С.В. Охрана почв в Кемеровской области: проблемы, пути решения / С.В.Овсянникова // Успехи современного естествознания. – 2004. – № 2. – С. 122-124; URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=12333(дата обращения: 16.05.2020).
57. Орлов, Д.С. Почвенно-экологический мониторинг и охрана почв / Д.С.Орлов, В.Д.Василевская // Почвоведение. – 2002. – №6. – С.36-38
58. Орлов, Д.С.Химия почв /Д.С. Орлов, Л.К. Садовникова, Н.И. Суханова. – Москва: Высшая школа, 2005. – 558 с.
59. Орлов, Д.С. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении:учебное пособие / Д.С. Орлов, Л.К. Садовникова, И.Н. Лозановская. – М.: Высшая школа, 2002. – 334с.
60. Отчет «По системе регионального мониторинга земель Кемеровской области». Кемерово, 2000г.
61. Панова, А.А. Влияние минеральных и органических удобрений на содержание тяже­лых металлов в почве / Панова А.А. // Агрохимия. – 1991. – №. –С.62-69.
62. Пат. РФ № 2229203, МПКA01B 79/02. Фиторемедиационный способ очистки почв от тяжелых металлов / Батовская Е.К., Зволинский В.П.,Салдаев А.М.; патентообладатель Государственное научное учреждение Прикаспийский научно-исследовательский институт аридного земледелия Российской академии сельскохозяйственных наук. – № 2007119743/12; заявл. 28.05.2007; опубл. 27.06.2009.
63. Пат.РФ № 2424643, МПК A01B79/02. Способ создания агрофитоценозов мелиоративного назначения в бросовых рисовых чеках / Зволинский В.П., Богосорьянская Л.В., Салдаев А.М.; патентообладатель Государственное научное учреждение Прикаспийский научно-исследовательский институт аридного земледелия Российской академии сельскохозяйственных наук. – № 2009112468/21; заявл. 03.04.2009; опубл. 27.07.2011.
64. Пат. РФ № 2555034, МПК E02B13/00, B09C 1/00. Способ рассоления тяжелых засоленных земель / Бородычёв В.В., Губин В.К.,Коломийцев Н.В.,Максименко В.П., Храбров М.Ю.; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова». – № 2014106774/13; заявл. 25.02.2014; опубл. 10.07.2015.
65. Пат. РФ № 2665073, МПК A01B 79, B09C 1/00.Фиторемедиационный способ очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами / Куриленко В.В., Осмоловская Н.Г.; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет». – № 2017137084; заявл. 20.10.2017; опубл. 28.08.2018.
66. Пат. РФ № 2729377, МПК A01B79/02, A01G22/00. Способ возделывания амаранта на семена / Бекузарова С.А., Аль-Азаун Н.М.Х., Дзампаева М.В., Датиева И.А.; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный научный центр «Владикавказский научный центр Российской академии наук». – № 2019129376; заявл. 17.09.2019; опубл. 06.08.2020.
67. Почвенная карта Кемеровской области. Комитет по геодезии и картографии Министерства экологии и природных ресурсов РФ. Новосибирск, 1998 г.

СанПиН 2.1.7.1287-03 Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы: Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы.–М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 2004.–16 с.

1. Сариев, А.Х. Пути восстановления техногенно нарушенных земель на Енисейском Севере / А.Х.Сариев// Охрана окружающей среды и промышленная деятельность на Севере. Материалы 2ой межд. экологической конф. Норильск, 2011. – С. 28-32.
2. Свидерский А.К. Макрофиты – индикаторы экологического состояния поверхностных вод / А.К.Свидерский. – Павлодар: Инновационный Евразийский Университет, 2006. – 208 с.
3. Селюкова, С.В. Экологическая оценка содержания свинца, кадмия, ртути и мышьяка в агроэкосистемах юго-западной части центрально-черноземного района России: дис. … канд. биол. наук: 03.02.08 / Селюкова Светлана Викторовна. – Белгород, 2018. –133 с.
4. Семенов, А.М. Здоровая почвенная экосистема – основа здорового фитоценоза/А.М Семенов, А.П. Глинушкин, М.С. Соколов // Успехи современной науки. – 2017.– Т.2. – №10. – С.29-33.
5. Семенов, А.М. Концепция здоровья почвы: фундаментально-прикладные аспекты обоснования критериев Семе оценки / А.М.Семенов, М.С.Соколов // Агрохимия. – 2016. –№ 1. – С. 3-16.
6. Семёнов, А.М. Система для непрерывной селекции микробных сообществ с биоконтролирующими свойствами корневых патогенов / А.М.Семёнов, А.Х.К.Ван Бругген, Е.В. Семенова // Тезисы докладов Всероссийской конференции «Сельскохозяйственная микробиология в XIX–XXI веках». Санкт-Петербург, 2001.– С. 73–74.
7. Скороходов, В.Ю. Эффективность короткоротационных севооборотов на чернозёмах южных Оренбургского Предуралья: дис. … канд. с.-х. наук: 06.01.01 / Скороходов Виталий Юрьевич. – Оренбург, 2005. – 170 с.
8. Соколов, М.С. Биологическая защита растений в США / М.С.Соколов, Е.В. Литвишко // Защита растений. –2003. – № 11. – С. 18-20.
9. Соколов, М.С. Экологизация защиты растений / М.С. Соколов, О.А. Монастырский, Э.А. Пикушова – Пущино: ОНТИ НЦБИ РАН, 1994. – С. 322-336.
10. Сорокин, О.Д. Прикладная статистика на компьютере / О.Д. Сорокин. – 2-е изд. – Краснообск, ГУП РПО СО РАСХН, 2010. – 237 с.
11. Союз органического земледелия – официальный сайт  https://soz.bio/wp-content/uploads/2018/01/gost-33980.pdf
12. Справочник по состоянию на 01.01.2002 г. Комитет по земельным ресурсам и землеустройству по Кемеровской области.
13. Сухов, А.Н. Приемы восстановления плодородия светло-каштановых почв в биологизированных севооборотах Нижнего Поволжья / А.Н. Сухов, А.И. Беленков, А.В. Гулин // Научный вестник. – 2002. – С. 83-88.
14. Тяжелые металлы и неметаллы в системе почва-растение: монография / В. Б. Ильин; отв. ред. А. И. Сысо; Российская акад. наук, Сибирское отделение, Ин-т почвоведения и агрохимии. – Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения РАН, 2012. – 218 с.
15. ФГБУ «Кемеровская МВЛ». О превышении ПДК мышьяка в почвах [Электронный ресурс]режим доступа http://www.kemmvl.ru/home/novosti/1443-o-prevyshenii-pdk-myshyaka-v-pochvakh(дата обращения 16.05.2020).
16. Цветков, В.Ф. Из опыта лесной рекультивации земель в зоне воздействия промышленных выбросов на Кольском полуострове / В.Ф.Цветков, Е.А.Черкизов // Влияние промышленных предприятий на окружающую среду. М.: Наука, 1987. – С. 112-119.
17. Черная Книга флоры Сибири / ред. Ю.К.Виноградова, А.Н.Куприянов. – Новосибирск: Гео, 2016. – 439 с.
18. Шульгин, Н.В. Мониторинг почв Кемеровской области на содержание мышьяка / Н.В.Шульгин, С.В.Свиркова, М.П. Ефременко // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 6. – С. 113-117; URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36509 (дата обращения: 16.05.2020).
19. Ягодин Б.А., Жуков Ю.П., Кобзаренко В.И. Агрохимия/Под ред. Б.А. Ягодина. – М.: Колос, 2002. – 584 с.: ил.1.
20. Яковлев, А.С. Об охране почв / А.С.Яковлев,А.Н. Прохоров, Т.В.Решетина //Бюллетень «Использование и охрана природных ресурсов в России». –2001. – № 7. –С. 49-52.
21. BezFormata [Электронный ресурс] режим доступа: https://kemerovo.bezformata.com/listnews/pochvah-selskohozyajstvennih/64495758/(дата обращения 16.05.2020)].
22. Buyer, J.S. Microbial diversity in the rhizosphere of corn grown under conventional and low-input systems / J.S.Buyer, D.D.Kaufman // Appl. Soil Ecol. – 1996. – V. 5. – P. 21-27.
23. Clark,M.S. Nitrogen, weeds and water as yield-limiting factors in conventional, low-input, and organic tomato systems / M.S. Clark, W.R. Horwath, C. Shennan // Agric. Ecosyst. Environ. – 1999. – V. 73. – P. 257-270.
24. Doran, J.W. Soil health and sustainability / J.W.Doran, M.Sarrantonio, M.A.Liebig // Adv. Agron. – 1996. – V. 56. –Р. 1–54.
25. Doran, J.W. Soil health and sustainability: managing the biotic component of soil quality / J.W.Doran, M.R.Zeiss // Applied Soil Ecology. – 2000. – V. 15. – P. 3–11.
26. Drury, C.F. Microbial biomass and soil structure associated with corn, grass and legumes / C.F.Drury, J.A.Stone, W.I. Findlay // Soil Sci. Soc. Am. J. – 1991. – V. 55. – P. 805-811.
27. Ferris, H. Unearthing the role of biological diversity in soil health / H. Ferris, H. Tuomisto // Soil Biology and Biochemistry. – 2015. – V. 85. – P. 101-109.
28. Finckh, M.R. Organic production of annual crops / M.R. Finckh, A.H.C. van Bruggen // In Plant Diseases and Their Management in Organic Agriculture / ed. by Finckh M.R., van Bruggen A.H.C., Tamm L. APS PRESS, 2015. 424 p.
29. Franzluebbers, A.J. Soil organic carbon, microbial biomass and mineralisable carbon and nitrogen in sorghum / A.J. Franzluebbers, F.M. Hons, D.A. Zuberer // Soil Sci. Soc. Am. J. – 1995. – V. 59. – P. 460-466.
30. Garbeva, P. Microbial diversity in soil: selection of microbial populations by plant and soil type and implications for disease suppressiveness / P. Garbeva, J.A. Van Veen, J.D. Van Elsas // Ann Rev Phytopath. – 2004. – V. 42. – P. 243-270.
31. http://www.ifoam-eu.org/en/what-we-do/organic-regulations (датаобращения 30.03.2016) Organic regulations. URL.
32. Janvier, C. Soil health through soil disease suppression: Which strategy from descriptors to indicators? / C. Janvier, F. Villeneuve, C. Alabouvette // Soil Biol. Biochem. – 2007. – V. 39. – P. 1–23.
33. Müder P. Soil Fertility and Biodiversity in Organic Farming / P. Müder, A. Flieβbach, D. Dubois // Science. – 2002. – V. 296. – P. 1694–1697.
34. Schjünning,P. Soil quality aspects of humid sandy loams as influenced by organic and conventional long-term management / P. Schjünning, S. Elmholdt, L.J. Munkholm // Agric. Ecosyst. Environm. – 2002. – V. 88. – P. 195-214.
35. Semenov, A.M. Physiological bases of oligotrophy of microorganisms and the concept of microbial community / A.M. Semenov // Microb. Ecol. – 1991. – V. 22. – № 1. –Рp. 239-247.
36. Tamm L. Organic perennial crop production / L. Tamm, H. Willer, A.H.C. van Bruggen // In Plant Diseases and Their Management in Organic Agriculture / ed. by Finckh M.R., van Bruggen A.H.C., Tamm L. APS PRESS, 2016.– 418 p.
37. Van Brüggen, A.H.C General principles of organic production / A.H.C. Van Brüggen, M.R.Finckh // In Plant Diseases and Their Management in Organic Agriculture / ed. by Finckh M.R., van Bruggen A.H.C., Tamm L. APS PRESS, 2015. –424 p.
38. Van Brüggen, A.H.C. In search of biological indicators for soil health and disease suppression / A.H.C.Van Brüggen, A.M.Semenov // Appl. Soil Ecol. – 2000. – V. 15. –Р. 13-24.
39. Van Diepeningen, A.D. Effects of organic versus conventional management on chemical and biological parameters in agricultural soils / A.D. Van Diepeningen, O.J. de Vos, G.W. Korthals // Appl. Soil Ecol. – 2006. – V. 31. – P. 120-135.
40. О’Neill, R.V. A hierarchical concept of ecosystems. Princeton: Princeton Univ. Press, 1986. 253 p. 28. Semenov A.M. Physiological bases of oligotrophy of microorganisms and the concept of microbial community // Microb. Ecol. – 1991. – V. 22. – № 1. Рp. 239–247.

Приложения

РЕФЕРАТ

Отчет 102 с., 42 рис., 9 табл., 53 источника, 2 приложения.

РОБОТИЗИРОВАННАЯ ПЛАТФОРМА, МОНИТОРИНГ ПОЧВ, ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ТОЧНОЕ ЗЕМЛЕДЕЛИЕ, СИСТЕМА ДАТЧИКОВ

Объектом исследования является мобильная роботизированная платформа для экспресс-мониторинга состава почв.

В ходе выполнения НИР получены следующие результаты:

1) Выполнен обзор технологий мониторинга состава и показателей почв и существующих технических устройство для их реализации.

2) Проведен литературный обзор научных публикаций, касающийся возможных вариантов конструкции и способов управления роботизированной платформы для экспресс-мониторинга почвы.

3) Предложена концептуальная схема роботизированной платформы гусеничным движителем. Выполнены необходимые силовые и энергетические расчеты.

5) Разработаны конструкции рабочих органов для мониторинга свойств почвы с отбором и без отбора почвенных образцов.

6) Обоснован состав датчиков для экспресс-мониторинга почв, устанавливаемых на роботизированную платформу.

7) Изготовлен опытный образец дистанционно управляемой роботизированной платформы для экспресс-мониторинга состава почв.

Автор

ВВЕДЕНИЕ

Основными направлениями повышения эффективности сельского хозяйства являются широкое использование современных цифровых технологий и роботизированной техники [1].Одним из главных методов повышения урожайности и качества сельскохозяйственной продукции при соблюдении экологических требований признано точное земледелие. Оно представляет собой комплексную высокотехнологичную систему сельскохозяйственного менеджмента, включающую в себя технологии глобального позиционирования, географические информационные системы, технологии оценки урожайности, технологию переменного нормирования, технологии дистанционного зондирования земли и другие технологии [2]. При внедрении системы точного земледелия целесообразно применение различной роботизированной техники на всех этапах производственного процесса от мониторинга почв до уборки урожая [3].

Цель работы: разработка роботизированной платформы для экспресс-мониторинга состава почв.

Для достижения поставленной цели были выполнены следующие задачи:

— провести анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации, патентный поиск и обзор других материалов, относящихся к разрабатываемой теме;

— провести анализ конструкций существующих роботизированных платформ и систем специализированных датчиков;

— разработатьроботизированную платформу для экспресс-мониторинга состава почв и изготовить ее опытный образец;

— осуществить сборку и наладку аппаратного и программного обеспечения управления платформой для экспресс-мониторинга состава почв.

1 Обзор основных технологий и оборудования для мониторинга состава почв

Основными традиционными технологиями мониторинга показателей почв являются лабораторный анализ почвенных образцов, а также сбор данных полевыми датчиками. Рассмотрим коротко их сущность, применяемые технические устройства, основные ограничения и недостатки.

1.1 Мониторинг почв с помощью лабораторных анализов

Информированность о составе почв является основой создания оптимальных условий для роста культур. Агрохимический анализ почвы является одним из важнейших средств оценки сельскохозяйственного потенциала почвы. Он представляетсобойсовокупность операций, выполняемых с целью определения состава, физико-механических, физико-химических, химических, агрохимических и биологических свойств почвы.

В рамках агрохимического анализа проводят механический (гранулометрический), химический, минералогический и микробиологический анализы. Результаты анализов используют для составления почвенных карт, в том числе агрохимических картограмм.

Нас интересует мониторинг с помощью химического анализа почвы.

Химическим анализом можно выяснить общее содержание в почве С, N, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Р, S, K, Na, Mn, Ti и др. элементов, содержание водорастворимых веществ (сульфатов, хлоридов и карбонатов кальция, магния, натрия и др.),степень обеспеченности почв питательными веществами (количество усваиваемых растениями соединений азота, фосфора, калия и др.).

В зависимости от поставленных задач проведение химического анализа отличается периодичностью и сроками. Показатели кислотности и засоленности почвы, содержание важнейших химических элементов рекомендуется измерять не реже раза в год, расширенный анализ с определением концентрации широкого перечня микроэлементов и соединений – раз в несколько лет. На основе химического анализа определяется комплекс мелиоративных мероприятий для её оздоровления, состав и нормы внесения удобрений, разработки карт дифференцированного внесения удобрений.

Недостаток в почве определённых химических элементов снижает болезнестойкость растений, ведёт к нарушениям вегетационного развития.Важнейшие для развития растений минеральные элементы почвы — калий, фосфор и азот.

Наиболее важно точно определить содержание азота. При дефиците азота уменьшается число плодов, и снижается урожайность. Негативным фактором развития растения является как его недостаток в почве, так и избыточное содержание (опасно образованием вредных веществ, нитратов, нитритов).

Фосфор входит в состав соединений, необходимых для здорового развития культур. Даже избыточное содержание фосфора в почве не вредит растениям. Входя в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, белков, сахаров, витаминов, фосфор способствует развитию корневой системы, появлению всходов, дозреванию растений. У озимых культур повышает холодостойкость.

Калий улучшает ход обмена веществ, повышает устойчивость растений к заболеваниям, засухе (способствует лучшему удержанию воды растением).Недостаток калия внешне характеризуется сменой окраски листа, уменьшением его размера, ухудшением развития стебля и корневой системы, и как следствие торможением роста и дозревания урожая.

Еще одним важным показателем является засоленность и кислотность почв. Поскольку подвижность тяжёлых металлов и других загрязнителей, угнетающих развитие растений и оказывающих на них токсическое воздействие, напрямую зависит от кислотности почв, то одна из основных задач химического анализа в оценке плодородия – определение кислотности и засоленности почвы.

Почвы рН которых ниже 6,5 считаются кислыми, выше 7 – щелочными. В кислой среде растения подвержены грибковым заболеваниям, ухудшаются их поглотительные свойства. Особенно неблагоприятно воздействие кислых почв на ранних стадиях роста растений. За счёт ухудшения развития корневой системы и её способности к поглощению воды и питательных веществ – угнетается рост растения, снижается эффективность удобрений.

Для каждого региона характерен свой тип почвы, и, следовательно, свойуровень кислотности (рис.1.1). Например, в Кузбассе основную часть посевных площадей составляют тяжелые суглинки (рН от 4 до 7).

Рисунок1.1 – Уровень кислотности почв в зависимости от типа почв

Для большинства сельскохозяйственных культур желательно использование почв с нейтральной кислотностью (рН 6,5-7,0). Поэтому при избыточной кислотности применяется известкование, при защелачивании – гипсование почв.

Химический принцип известкования – нейтрализация свободной органической и минеральной кислоты, почва насыщается основаниями. В результате улучшаются полезные свойства почвы – аэрация, водопроницаемость и др., что ведёт к улучшению плодородности.

Гипсование основано на удалении из почвы избыточного натрия, который замещается кальцием. При гипсовании улучшается структурный состав почвы, её физико-химические и биологические свойства.

Классические лабораторные методы химического анализа почвы — хроматографический, титриметрический, гравиметрический, фотометрический и т.д. [4-7]. Для определения компонентов почвы также применяются инструментальные методы анализа – электрохимические, спектроскопические,атомно-адсорбционные и др. Для каждого их этих методов характерен свой набор технических устройств.

Осноными фазам химического анализа почвы являются:

— отбор пробы;

— формирование единой пробы;

— анализ пробы сертифицированной лабораторией;

— обработка и интерпретация результатов.

Оптимальный период для забора пробы предпосевной (чтобы проведению оздоровительных мелиоративных мероприятий не мешала занятость поля), либо период перед внесением удобрений (чтобы подбор комплекса удобрений учитывал результаты анализа). В таком случае растение будет расти и развиваться в благоприятной биохимической среде не испытывая негативных воздействий в важный период ранней вегетации.

Отбор пробы для анализа чаще всего производится методом конверта, после чего проба помещается в ёмкость из химически нейтрального материала и доставляется в лабораторию. Точка забора должна быть типичной для поля, на характерном участке рельефа, и располагаться более чем в 3-5 метрах от края поля.

Для отбора может использоваться специальная техника (автоматические пробоотборники осуществляют отбор с координатной привязкой к электронным картам), или производиться вручную. Для разных видов почв используются спиралевидные, поршневые буры, буры Эльдмана, цилиндрические для сохранения структуры образца и др.

Проба земли отбирается из корнеобитаемого слоя. Глубина забора зависит от вида культуры, глубины пропашки и других факторов. Для большинства полевых культур отбирается образец почвы на глубину от 20 до 60 см без учёта верхнего слоя дерна толщиной 2-3 см. Для хранения и доставки в лабораторию образцов необходимо использовать химически нейтральные материалы – пластик, полиэтилен.

В лаборатории для тестирования составляется единая проба. Она формируется путём измельчения и перемешивания точечных проб со всей площади поля, но если рельеф поля неоднороден, для каждого вида рельефа формируется своя проба.

Каждый химический элемент для разных видов почв имеет нормативные рекомендации по предельно допустимой концентрации, если данный показатель не превышен, мероприятия по очистке почвы не требуются. Выращивание некоторых культур может требовать более точных сведений о наличии тех или иных загрязнителей. В этих случаях подбираются тесты с более низким пределом обнаружения.

По результатам измерений могут составляться карты распределения питательных элементов в виде изолиний. На основании полученных рекомендаций разрабатываются карты дифференцированного внесения удобрений.

Несмотря на все достоинства и широкое распространение лабораторных методов химического анализа, можно отметить у них ряд ограничений и недостатков:

— незначительное количество взятых проб с единицы площади;

— существенные сроки выполнения анализов проб;

— большой временной интервал между измерениями;

— высокие экономические затраты на одну пробу;

— излишнее уплотнение почвы при использовании транспортных средств для взятия проб в поле.

Для сбора почвенных проб чаще всего используются пробоотборники, установленные на транспортные средства различной грузоподъемности.

Пробоотборник почвы Wintex MCL3 (Дания) является самым мощным в линейке производителя (рис. 1.2)

Рисунок 1.2 –Пробоотборник WintexMCL3

Это аппарат рассчитан на отбор проб с глубины до 1,2 м. Оснащен встроенной гидравликой и 4-функциональной управляющей панелью (подъем, фиксация мачты, зондирование грунта высокочастотным молотком, поворот зонда). Данный пробоотборник можно размещать на различных видах транспорта, в том числе, на тракторах.

Почвенный пробоотборник Multiprob 120 (Германия) может быть размещен на пикапах и используется для сбора образцов почвы на глубинах от 0 до 90 см, с разделением пробы на три горизонта (рис.1.3).

Рисунок 1.3– Пробоотборник Multiprob 120

Данный пробоотборник работает полностью автоматически. Погружение пробника пробоотборника осуществляется с помощью ударной системы. Высокая частота ударов (2000 ударов в минуту) позволяет вводить пробник в почву на заранее заданную глубину. Каждый полученный образец представляет собой комплексную пробу, состоящую из 15-20 фрагментов.

ПочвоотборникAmityConcordA2450 американской компании «AmityTechnologyLLC» отбирает пробы с глубины до 60 см (рис. 1.4).

Рисунок1.4 –ПочвоотборникAmityConcordA2450

Производительность пробоотборника составляет 100-120 проб в час. Выполняет до 20 автоматических отборов. Диаметр бура 1,9 см. Может быть установлен на любом квадроцикле

Почвенный полуавтоматический пробоотборник NietfeldN90 (Германия) осуществляет взятие проб почвы на глубине до 90 см (рис.1.5).

Рисунок 1.5– Пробоотборник Nietfeld N90

Данный пробоотборник автоматически, с помощью ударного механизма, погружается на нужную глубину, поворачивается и поднимается из почвы. Образец почвы из пробника нужно вынимать вручную.

Следует отметить, что не существует автономных транспортных средств, оснащенных серийными пробоотборниками.

Таким образом,актуальной проблемой является разработка мобильной роботизированной платформы, используемой в процессах исследования состава почв. Данная платформа может быть оснащена как пробоотборником, так и устройствами для мониторинга почв без изъятия проб.

1.2 Мониторинг почв полевыми датчиками

Одна из современных технологий мониторинга показателей почвы основана на использовании полевыхдатчиков. Данная технология предусматривает установку в почве на определенном расстоянии друг от друга полевых сенсорных узлов с несколькими датчиками в каждом. Данные от датчиков по радиоканалу передаются на базовую станцию, которая также установлена в поле. Информация от станций через вышки мобильной связи передается на сервер пользователю (рис.1.6).

Рисунок 1.6– Передача данных мониторинга почв с использованием полевых датчиков

Основными показателями почвы, которые измеряют заглубленные полевые датчики являются влажность и температура.

Наиболее известными и широко используемыми полевыми заглубляемыми датчиками в России являются:

— датчики влажности и температуры почвы «Стриж» производства OOO «Современные радио технологии» (Сколоково) (рис.1.7);

— датчики температуры и влажности почвы Z100 производства компании CAIPOS GmbH (Австрия) (рис.1.8);

— датчики влажности почвы SM150N производства компании Delta-T DevicesLtd (Великобритания) (рис.1.9);

— датчики влажности почвы Thetaprobe производства компании Eijkelkamp (Нидерланды) (рис. 1.10).

Рисунок 1.7– Датчик влажности и температуры почвы «Стриж»

Рисунок 1.8– Датчики влажности и температуры почвы Z100

Рисунок 1.9– Датчик влажности почвы SM150N

Рисунок 1.10– Датчик влажности почвы Thetaprobe

Максимальный радиус действия базовой станции составляет около 1 км. Площадь охвата составляет 100-150 га в зависимости от профиля местности.

Максимальное количество беспроводных сенсорных узлов для одной базовой станции обычно составляет 16 единиц. Площадь охвата одним сенсорным узлом составляет 6-9 га.

Несмотря на все достоинства мониторинга почв полевыми датчиками, можно выделить у данной технологии следующие ограничения и недостатки:

— не проводится мониторинг содержания полезных химических элементов в почве и кислотности почвы;

— мониторинг датчиком осуществляется в одной стационарной точке поля;

— для проведения полевых работ необходимо убирать с поля все датчики и базовые станции;

— высокая стоимость базовых станций и комплекта датчиков к ним;

— высокие затраты на установку датчиков и базовых станций;

— необходимость регулярного контроля за состоянием датчиков и базовых станций;

— незначительное количество датчиков на единицу площади.

1.3 Экспресс-мониторинг почв приборами с зондами

Одним из наиболее экономичных и оперативных способов получения информации о составе почв является использование компактных электронных приборов, оснащенных зондами (щупами). Для их использования не требуются транспортные средства (см. п.1.1) и системы дистанционной передачи данных (см. п.1.2). Обычно исследователь вручную погружает зонды в почву и записывает показания монитора в журнал или в планшет.

Нами был проведен обзор существующих приборов для экспресс-мониторинга основных агрохимических показателей почвы (уровень кислотности, содержание азота, калия и фосфора).

Примером прибора для измерения кислотности являетсядатчик ЕТР-111 (рис. 1.11).

Рисунок 1.11 –Датчик ЕТР-111 с зондом для измерения кислотности почвы

Прибор измеряет кислотность рН в диапазоне от 2,3 до 8 с погрешностью ±0,5. Размеры зонда (длина/диаметр): 150 мм / 5 мм. Индикация в виде стрелочного дисплея.

Другим прибором для измерения кислотности является датчикZD-06 (рис.1.12).

Рисунок 1.12 – ДатчикZD-06 с зондом для измерения кислотности

Прибор измеряет кислотность рН диапазоне от 3 до 8 с погрешностью ±0,3. Размеры зонда (длина/диаметр): 300 мм / 6 мм. Индикация в виде стрелочного дисплея.

Прибором для измерения агрохимических показателей является LusterLeafRapitest 1835 (рис.1.13).

Рисунок1.13 – Датчик Luster Leaf Rapitest 1835 сзондом

Прибор помогает увидеть и оценить комплексный показатель плодородия почвы как сочетание уровней азота, фосфора и калия (NPK). Показания выводятся на цифровой дисплей.

Иономер И-510 предназначен для определения активности ионов водорода (рН), окислительно-восстановительного потенциала (Еh), концентрации (активности) ионов (рис.1.14).

Рисунок 1.14– Иономер И-510 для измерения концентрации ионов

Данный прибор определяет концентрацию ионов: фторидов F –, бромидов Br –, хлоридов Cl –, йодидов I –, нитратов NO3 –, сульфидов S2–, калия K +, натрия Na+, серебра Ag+, аммония NH4+, кальция Ca²⁺ и др. Результаты измерений могут быть представлены в мВ, единицах pH, мг/л или моль/л. Диапазон измерения концентрации иона в растворе от 3·10^-3до 5·10⁴ мг/л. Прибор имеет буквенно-цифровой дисплей с внутренней подсветкой. Питание иономераосуществляется от встроенных аккумуляторов.

Примером комплексного прибора для измерения агрохимических показателей являетсяLusterLeafRapitest 1880 (рис.1.15).

Рисунок 1.15 – Прибор для измерения агрохимических показателей LusterLeafRapitest 1880

Данный прибор оснащен тремя зондами и измеряет содержание азота, калия и фосфора почве, а также уровень ее кислотности. Размеры зондов (длина/диаметр):190 мм / 4 мм. Индикация в виде стрелочного дисплея.

Для реализации технологии дистанционного экспресс-мониторинга оценка и выбор конкретных моделей датчиков должен осуществляться по следующим критериям [38, 39]:

— стоимость;

— точность измерения;

— простота настройки;

— надежность работы;

— возможность записи показаний на электронный носитель;

— возможность дистанционного управления.

По соотношению указанных критериев приборыLusterLeafRapitest 1835 (1.13) и LusterLeafRapitest 1880 (рис.1.15)в дальнейшем выбраны нами как основные для проведения экспресс-мониторинга почв.

Несмотря на все достоинства экспресс-мониторинга почв компактными электронными приборами, оснащенными зондами (щупами), можно выделить у данной технологии следующие ограничения и недостатки:

— высокая трудоемкость работ, связанная с перемещением исследователя по полю и выполнением всех измерительных операций вручную;

— необходимость фиксации координат точек измерения и всех данных мониторинга вручную в журнал или в планшет;

— вероятность возникновения ошибок при сборе и фиксации данных по причине «человеческого фактора»;

— невысокая точность измерений, обусловленная погружением зонда в почву естественной структуры и влажности (необходим растворенный в воде образец измельченной почвы).

2 Анализмобильных роботизированных платформ для сельского хозяйстваи систем специализированных датчиков

2.1 Мобильные сельскохозяйственные роботы

При внедрении систем точного земледелия в сельскохозяйственном производствесуществует проблема сбора и оперативного анализа данных о показателях почвы для большого количества точек на поле. С учетом ограничений и недостатков вышерассмотренных технологий мониторинга почв для эффективного решения данной проблемы целесообразно широко использовать современные средства автоматизации, в частности, роботизированные платформы для экспресс-мониторинга почв.

Система точного земледелия предусматривает сбор данных о состоянии растительного покрова и свойствах почвы на элементарных участках поля (1-4 га) для принятия решений о дозах внесения удобрений и мелиорантов, оптимизации сроков проведения полевых работ и т.д.[8]. Кроме вышерассмотренных методов лабораторного химического анализа и мониторинга полевыми датчиками, сведения могут быть собраны другими способами: спутниковые снимки, результаты съёмокбеспилотными летательными аппаратами [9-11].

Однако и эти способы имеют определенные недостатки. Съемка из космоса зависит от погодных условий, иногда не имеет требуемой детализации изображения, данные о полях пользователь обычно получает с опозданием на несколько дней. Съемка беспилотными летательными аппаратами также зависит от погодных условий, требует регулярного получения разрешений на полет, связана с приобретением и наладкой высокоточного дорогостоящего оборудования.Оба указанных способа являются бесконтактным, поэтому не позволяют получать данные о точном количестве отдельных элементов и веществ в почве. Кроме того они используются, главным образом, при наличии растительной массы на поле, а для ранней весны и поздней осени перечень диагностируемых ими показателей почвы очень ограничен.

Собранные данные фиксируются на электронных картах и затем обрабатываются с помощью современных цифровых технологий [12, 13], информационных систем поддержки принятия решений на основе комплекса экологических, информационных и других показателей [14-17].

Исходя из вышеизложенных недостатков и ограничений рассмотренных технологий, целесообразным представляется целесообразным использовать для мониторинга свойств почвы автономную роботизированную платформу, оснащенную системой специализированных датчиков и зондов. Данная машина позволит с меньшими финансовыми и трудовыми затратами осуществлять сбор почвенных проб для последующего анализа, а также прямо в полевых условиях проводить экспресс-мониторинг состава почв. Кроме того, может быть обеспечен мониторинг почв на труднодоступных участках полей.

Нами был проведен обзор научных публикаций, касающийся возможных вариантов конструкции и способов управления роботизированной платформой для экспресс-мониторинга почвы.

Экономически эффективным вариантом для указанной платформы является разработка её конструкции в виде универсального робототехнического средства сельскохозяйственного назначения [18].

На данную платформу возможна установка различных рабочих органов, как для почвенного мониторинга, так и для традиционных операций, например, опрыскивания растений [19].

Модульный принцип разработки платформы позволяет получить специализированного сельскохозяйственного робота [20].

Использование методов кинематического моделирования позволяет сделать следующий шаг -создать пассивно-активно трансформируемого мобильного робота[21].

Принципиальным моментом при проектировании платформы является выбор типа движителя. Анализ вариантов движителя может быть осуществлен, например, на основе расширенного принципа рулевого управления Аккермана [22].

Для управления автономными сельскохозяйственными роботами предлагаются, например, система робастного цифрового управления, реализующая концепцию бортового поворота [23].

Поскольку роботизированная платформа будет использоваться в полевых условиях, то для нее необходимо проводить моделирование динамики и режимовдвижения с учётом проскальзывания колес. Одна из методик такого моделирования предлагается в работе [24].

Анализ режимов буксования движителей проводится с учётом специфики привода колес и гусениц. В работе [25] предложена методика расчёта траектории с изменяемой структурой скользящего режима для робота с дифференциальным приводом.

В случае перемещения роботизированной платформы в особо тяжелых условиях (сложный рельеф поля, горная местность, высокая влажность почвы и другое) целесообразно использовать гусеничный движитель. Модель управления траекторией движения гусеничного робота на основе алгоритма переменной структуры скользящего режима предложена в работе [26].

Современный мобильный робот оснащён цифровой системой управления движением. Нами был проведён литературный обзор возможных систем управления траекторией перемещения роботизированной платформы по полю.

В работе [27] предложена оригинальная онлайн-система 3D картографирования и локализации для сельскохозяйственных роботов, которая может быть реализована в нашей роботизированной платформе.

Протокол совместного управления маршрутизацией роботизированной платформы с онлайн-адаптацией может быть сформирован по методике, предложенной в работе [28].

Многоцелевое планирование траектории движенияроботизированной платформы с использованием гибридного алгоритма оптимизации может осуществляться, например, по технологииPSO-MFB, предложенной в работе[29].

Аппаратное обеспечение для автономной навигации роботизированной платформы может быть выполнено на основе модулей ArduinoUno и RaspberryPi, концепция которых изложена в работе [30].

Одним из главных элементов аппаратного обеспечения может являться, предложенный в работе [31] полнофункциональный контроллер отслеживания траектории для мобильных колёсных роботов.

Важным аспектом функционирования роботизированной платформы является обеспечение безопасности движения. В работе [32] рассматривается вариант программного обеспечения, основанный на систематическом картографическом протоколировании характеристик исследуемых территорий.

Для ориентации в пространстве роботизированная платформа должна быть оснащена сенсорной системой.Нами был проведен литературный обзор возможных систем ориентации платформы в пространстве.

В работе [33] предложена система сенсоров и технология обеспечения осведомленности об окружающей среде для сельскохозяйственных роботизированных транспортных средств.

Возможный к использованию на нашей роботизированной платформе алгоритм навигации на основе LiDAR для автономного сельскохозяйственного робота предложен в работе [34].

В работе [35] выполнен анализ систем визуальной одометрии для использования в полевых условиях сельского хозяйства. На основе данного анализа можно выбрать наиболее адекватную систему для нашей роботизированной платформы.

В целом, установленная система сенсоров может реализовать метод сглаживания и слежения за траекторией на основе двойного DQN для роботизированной навигации, предложенный в работе [36].

Для экспресс-мониторинга почв необходимо использовать системы специализированных датчиков и зондов, а также аппаратуру для интерпретации и записи полученных данных. Нами был проведён литературный обзор возможных вариантоввыполнения экспресс-мониторинга почв, в том числе, применимых для роботизированной платформы.

Как уже отмечалось, информация о состоянии почвы может быть собрана с помощью беспилотных летательных аппаратов. Основным методом экспересс-мониторинга является фотосъёмка. Однако серьёзные выводы о содержании азота, калия, фосфора и других элементов при отсутствии растительности на полях сделать затруднительно.Возможен вариант обора проб почвы с помощью дронов, предложенный в работе [37]. Естественно, в этом случае количество проб будет незначительно.

Преимуществом нашей роботизированной платформы является возможность сбора данных с большого количества точек на поле. Экспресс-мониторинг характеристик почвы может осуществляться, например, с помощью приземных датчиков по технологии, предложенной в работе [38]. Последующая оценка результатов экспересс-мониторинга по данной технологии основана на методе матричного потенциала.

Принятие решений о расположении точек сбора проб на конкретном поле может быть организовано на основе градиентного метода отбора проб,предложенного в работе [39].

По итогам проведённого обзора научных публикаций о различных аспектах проектирования и функционирования автономных роботизированных транспортных средств сельскохозяйственного назначения для сбора и исследования почвенных образцов, можно сделать вывод, что имеются обоснованные предпосылки для создания эффективной конструкции роботизированной платформы для экспресс-мониторинга почв.

2.2 Обзор движителей существующих сельскохозяйственных роботов

Был проведен обзор движителей существующих сельскохозяйственных роботов с целью выявления особенностей их конструкции, достоинств и недостатков, которые были учтены при конструировании нашей робоплатформы.

Сельскохозяйственный робот AdigoFieldFluxRobot (Норвегия) имеет трехколесный движитель (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 – Сельскохозяйственный робот AdigoFieldFluxRobot (Норвегия)

Данный робот предназначен для быстрого определения скорости эмиссии N₂O и CO₂из почвы. Опуская алюминиевые цилиндры на почву, робот проводит анализы примерно в 25 раз быстрее, чем при использовании традиционных методов.

Сельскохозяйственный робот BoniRob, разработанный компанией Amazon (Германия) имеет четырехколесный движитель (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 – Сельскохозяйственный робот BoniRob (Германия)

Данный робот является универсальной робототехнической платформой для земледелия. Может быть оснащен как системой датчиков для мониторинга полей, так и рабочими органами для обработки растений.

Робот-фермерRM View, разработанный в Университете Карнеги-Мэлон (США) имеет четырехколесный движитель (рис. 2.3)

Рисунок 2.3 – Робот-фермер RM View (США)

В отличие от предыдущих четырехколесных роботов у данного робота левая и правая пара колес сблокирована. Поворот осуществляется за счет вращения колес в разные стороны.

Робот FarmWise, разработанный конструкторами из Сан-Франциско (США) также имеет четырехколесный движитель (рис. 2.4).

Рисунок 2.4 – Робот FarmWise(США)

Основное отличие данного робота от предыдущих заключается в том, что поворот осуществляются передними колесами. Робот предназначен для уничтожения сорняков и мониторинга показателей посевов (температура, влажность, состояние почвы).

Сельскохозяйственный робот AGRowBot, разработанный компанией EmergingTechnology (США) имеет шестиколесный движитель (рис. 2.5).

Рисунок 2.5 – Сельскохозяйственный робот AGRowBot (США)

Данный робот имеет повышенную проходимость за счет независимой подвески всех колес. Робот предназначен для мониторинга почвы, растений и точечной обработки посевов.

Сельскохозяйственный робот-инспектор, разработанный в Университете штата Иллинойс (США) имеет гусеничный движитель (рис. 2.6).

Рисунок 2.6 – Сельскохозяйственный робот-инспектор (США)

Данный робот автоматизирует трудоемкий процесс определения фенотипа сельскохозяйственных культур, передавая данные об их росте и развитии в режиме реального времени.

Сельскохозяйственный робот IbexIntroducesAgribot, разработанный британской компанией IbexAutomation также имеет гусеничный привод (рис. 2.7).

Рисунок 2.7 – Сельскохозяйственный робот IbexIntroducesAgribot (Великобритания)

Данный робот осуществляет дистанционное сканирование поверхности поля.

Отдельные технические решения, реализованные в движителях данных роботов, были использованы при проектировании нашей роботизированной платформы.

3 Концепция роботизированной платформы для экспресс-мониторинга почв

3.1 Концептуальная схема роботизированной платформы

Основными требованиями к функционированию разрабатываемой роботизированной платформы для сбора и оперативного анализа показателейпочвы являются:

— повышенная проходимость;

— способность перемещаться до заданных точек по заложенной программе;

— способность ориентироваться в пространстве с учётом профиля почвы и границ поля;

— отсутствие вредного воздействии на окружающую среду;

— непрерывность автономной работы без подзарядки аккумуляторов в течении минимум десяти часов;

— возможность сбора проб почвы на глубине до 30 см;

— возможность экспресс-оценки характеристик почвы в полевых условиях;

— минимальная длительность рабочего цикла (погружение и подъем бура,контакт зондов с образцом, интерпретация и запись данных на электронный носитель).

С учётом проведенного обзора научных публикаций и вышеизложенных основных требований нами разработана роботизированная платформа для экспресс-мониторинга почв.

Предполагается, что для повышения достоверности данных роботизированная платформа будет осуществлять мониторинг почв ранней весной до внесения удобрений. В данный период почвы имеет повышенную влажность, характеризуется существенными гребнями и бороздами. С учетом требований повышенной проходимости был выбран гусеничный движитель.Концептуальная схемароботизированной платформы представлена на рисунке 3.1.

1 – рама; 2 — гусеничный движитель; 3 — двигатель гусеничного движителя; 4 — блок аккумуляторов; 5 — блок транспортных сенсоров; 6 — центральный блок управления платформой и рабочим органом; 7 — рабочий орган; 8 — блок управления датчиками; 9 — двигатели рабочего органа; 10 – емкость для почвенных проб; 11 – защитный кожух

Рисунок 3.1–Концептуальная схема роботизированной платформы для экспресс-мониторинга почв:

Роботизированная платформа имеет несущую раму 1, на которой установлены все исполнительные механизмы, диагностическое оборудование и управляющая аппаратура.

Движение по полю обеспечивается за счет двух бортовых гусеничных движителей 2, каждый из которых приводится в движение индивидуальным электродвигателем постоянного тока 3 (на виде сверху не показаны). Наличие двух независимых движителей упрощает конструкцию, обеспечивает высокую проходимость и маневренность машины. Питание электродвигателей 3 осуществляется от блока аккумуляторов 4 (на виде сверху не показаны).

Ориентация платформы в пространстве осуществляется с помощью,блока транспортных сенсоров 5, который включает несколько видеокамер,радары, лидары, GPS-модуль и другое. Фактически, данный блок выполняет функцию приема-передачи информации о местоположении платформы, скорости движения, наличия препятствий на поверхности поля и на горизонте.

Блок транспортных сенсоров 5обменивается информацией сцентральный блоком управления 6. Последний, кроме функции управления движением платформы, управляет рабочим органом 7, установленным в задней части платформы и предназначенным для формирования отверстия в почве и погружения в него зондов датчиков. Вращение бура и поворот рабочего органа обеспечивается электродвигателямипостоянного тока 9, получающими питание от блока аккумуляторов 4.Информация от датчиков обрабатывается и накапливается в блоке управления датчиками 8. Для защиты оборудования от влаги и пыли сверху устанавливается кожух 11 (на виде сверху не показан).

Дополнительное энергообеспечение платформы может осуществляться за счёт установки солнечных батарейплощадью около 1-1,5 м²мощностью 200-300 Вт (на рисунках не показаны). Следует отметить, что стоимость 1кВт*ч энергии, вырабатываемой солнечными батареями в несколько раз ниже, чем при зарядке от сети. Кроме того достигается существенный экологический эффект.

Для тяжелых условий работы возможен вариант установки бензинового электрогенератора мощностью 1,5-2 кВт (на рисунках не показан).

3.2 Конструктивные параметры роботизированной платформы

Актуальной проблемой для разрабатываемой роботизированной платформы является оценка влияния условий движения ее на конструктивные параметры и эксплуатационные режимы.

К условиям движения можно отнести:

— состояние поверхности поля (влажность, наличие растительности, размеры борозд и гребней и т.д.);

— коэффициент объемного сжатия почвы;

— максимальный угол уклона поля;

— возможность разворота за пределами поля на почве с легкими условиями движения.

Имеющиеся условия движения по полю оказывают влияние на следующие конструктивные параметры роботизированной платформы:

— общая компоновка;

— масса и положение центра тяжести;

— дорожный просвет;

— размеры колеи и базы;

— ширина гусеницы;

— длина опорной поверхности гусеницы.

Также на условия движения влияют на следующие эксплуатационные параметры:

— необходимая мощность двигателя,

— диапазон рабочих скоростей;

— радиус поворота;

— поперечная и продольная устойчивость.

Оптимальные в конкретных условиях движения конструктивные параметры разрабатываемой роботизированной платформы были рассчитаны по известным методикам, исходя из массы и положения центра тяжести самой платформы, массы и габаритов навесного оборудования (манипуляторов, зондов, датчиков и т.д.) и т.д.

Для выполнения проектных расчетов и конструирования нами предварительно были приняты следующие диапазоны размеров роботизированной платформы:

— габариты (длина 1,6-1,8 м, ширина 1,1-1,3 м, высота 1,3-1,5 м);

— расстояние между крайними опорными катками 1,1-1,3 м;

— ширина гусениц 0,16-0,25 м;

— дорожный просвет 0,15-0.22 м.

— высота центра тяжести 0,4-0,6 м.

3.3 Планирование траектории перемещения роботизированной платформы по полю

Для выполнения поставленных задач экспресс-мониторинга роботизированная платформа должна автоматически перемещаться по заданному маршруту и останавливаться в конкретной точке.

Количество точек отбора почвенных проб или точек экспресс-мониторинга, а также площадь для объединенной пробы регламентируются ГОСТ Р 58595-2019 [4]. В соответствии с данным стандартом размеры участков для одной объединенной пробы на неэродированных, слэбоэродированныхи орошаемых пахотных почвах составляют 5-20 га. В зависимости от неоднородности агрохимического состава почв каждую объединенную пробу составляют из 20-40 точечных (единичных) проб. Таким образом, для выполнения наших задач мы приняли следующие значения: одна объединенная проба на 10 га, 30 единичных проб на 1 объединенную пробу.

Предлагается следующий вариант задания координат точек мониторинга и планирования траектории перемещения.

Всё поле разбивается на прямоугольные участки размером axb, далее эти участки разбиваются на элементарные участки размером cxd с одной точкой мониторинга (рис.3.2). Величиныcи dпредлагаем выбирать в 2-3 раза больше ширины захвата разбрасывателя удобрений.

Рисунок 3.2 – Планирование расположения точек мониторинга

Робоплатформа исследует точку 1, движется от точки 1 до точки 2, исследует точку 2, движется от точки 2 до точки 3 и т.д. Расположение точек на каждом объединенном участке axb и на каждом элементарном участке cxd планируется, а затем программируется для роботизированной платформы таким образом, чтобы на одной прямой находилось не белее трех точек.

В результате мониторинга по точкам и обработки всех данных составляется подробная карта с указанием рекомендуемых для внесения доз удобрений (рис.3.3).

Рисунок 3.3 – Карта дифференцированного внесения удобрений

Данная карта предписаний может быть использована для управления работой машин в системе точного земледелия.

3.4 Прогноз экономической эффективности роботизированной платформы

На основании разработанной концепции функционирования, состава конструктивных узлов и принятых конструктивных параметров роботизированной платформы были выполнены предварительные экономические расчеты.

В качестве базового принятвариант исследований с использованиемквадроцикла с гидравлическим пробоотбрником как наиболее распростаненныйспрособ.

Прогнозные значения экономической эффективности применения роботизированной платформы при реализации технологии экспересс-мониторинга состава почв без отбора образцов представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 –Прогноз технико-экономических показателей

На основании вышеприведенной таблицы можно сделать вывод, что по большинству основных технико-экономических показателей предлагаемая роботизированная платформа (с дополнительно установленным бензиновым электрогенератором) более эффективна по сравнению с базовым вариантом.

4 Обоснование параметров движителя роботизированной платформы

Для выбора электродвигателей, решения задач конструирования привода, рамы и других узлов разработанной роботизированной платформы были решены следующие задачи:

— выполнен расчет основных геометрических характеристик движителя;

— выполнен расчет динамических показателей движителя робоплатформы;

— выполнен расчет мощности электродвигателей и аккумуляторов.

4.1 Расчет основных геометрических характеристик движителя

Для расчета основных геометрических характеристик движителя принимаем следующие условия:

— полный эксплуатационный вес машиныG = 5000 Н;

— максимальная скорость движения

— дорожные условия через фактически допустимое среднее давление гусениц на опорную поверхность

— габаритная ширина робоплатформыШ = 1220 мм.

Результаты расчета заносим в таблицу 4.1.

Таблица 4.1–Основные геометрические характеристики движителя

Принимая во внимание самые сложные условия движения – по обработанной почве и, с учетом рекомендаций [50] устанавливаем величину = 1,2 – по нижней границе допускаемого диапазона.

Среднее допустимое давление движителя на почву принимаем на основании рекомендаций ГОСТ 26955-86. Техника сельскохозяйственная мобильная. Нормы воздействия движителей на почву = 60 кПа [3].

Определяем произведение по формуле (4.2)

На основании решения системы уравнений (4.3)-(4.4), рассчитываембазу робоплатформы по формуле (4.5)

Исходя из заданного отношения , определяем ширину колеи робоплатформы

По формуле (4.4) определяем минимальную ширину гусеницы

Промышленностью серийно выпускаются гусеницы типа «Муравей» (рис.4.1).

Рисунок 4.1 – Гусеница типа «Муравей»

Минимальная ширина данной гусеницы составляет 220 мм. Основные характеристики гусеницы представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 – Основные характеристики гусеницы типа «Муравей»

Разработаннаяробоплатформа имеет два независимых гусеничных движителя. Схема компоновки шасси робоплатформыпредставлена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 – Компоновка шасси робоплатформы

Для принятой компоновки на основании вышеприведенных расчетов и существующих характеристик гусениц получены следующиегеометрические характеристики движителя робоплатформы (табл.4.3)

Таблица 4.3 – Основные геометрические характеристики движителя робоплатформы

На основе принятых геометрических характеристик движителя были разработаны сборочные чертежи шасси робоплатформы (рис.4.3-4.5)

Рисунок 4.4 – Шасси робоплатформы (вид сбоку)

Рисунок 4.5 – Шасси робоплатформы (вид спереди)

1 – правый движитель; 2- левый движитель; 3 – центральная секция

Рисунок 4.6 – Шасси робоплатформы (вид сверху)

Следует отметить, что одним из достоинств разрабатываемой робоплатформы является наличие сменной центральной секции. Это позволяет без существенных затрат изменять ширину колеи в соответствии с новыми задачами.

4.2 Расчет динамических показателей движителя робоплатформы

4.2.1 Расчет сил сопротивления движению гусеничного движителя робоплатформы

При движении гусеничного движителя робоплатформы колея образуется в результате деформации грунта лобовым участком гусеницы на глубину и деформации грунта опорной частью гусеницы вследствие неравномерного распределения давления по длине гусеницы ( и ).

Силу сопротивления движению вследствие колееобразованияопрделяем по формуле

(4.7)

где и – силы сопротивления движению, возникающие вследствие деформации грунта соответственно лобовым участком гусеницы и опорной ветвью движителя, Н.

При движении робоплатформыравномерно по горизонтальному участку пути сила тяжести распределяется по длине опорной ветви равномерно и центр давления совпадает с центром масс. Тогда сопротивление движению робоплатформы создается в результате прессования почвы лобовым участком гусеницы и сопротивлений, возникающих в отдельных опорных катках при прогибе гусеничной ленты.

Если все опорные катки нагружены одинаково, то лобовой участок гусеницы между направляющим колесом и передним опорным катком деформирует грунт на глубину .

Сопротивление движению определяется реакцией перед передним катком определяем по формуле

(4.8)

где — ширина гусеницы, м;

— коэффициент объемного смятия почвы, Н/м³;

— предел прочности на одноосное сжатие грунта, МПа;

– КПД буксования гусеничного движителя;

– среднее давление на грунт, кПа.

При равномерном распределении давления по длине опорной ветви гусеницы, его значение определяем по формуле

		(4.9)

где – вес машины, кН;

— длина опорной поверхности гусеницы, м;

КПД буксования движителя определяем по формуле

(4.10)

где – буксование движителя.

Дополнительное уплотнение грунта на величину происходит ввиду неравномерного распределения давления по длине опорной ветви движителя. В этом случае, дополнительное уплотнение происходит под влиянием разности давлений между давлением под опорными катками и между ними. При этом принимаем, что деформация грунта под опорной ветвью движителя происходит нормально к ней.

Таким образом, вторая составляющая силы сопротивления движению вследствие образования колеи, зависит от распределения давления по длине опорной ветви и тяговой нагрузки определяем по формуле

(4.11)

Разница давлений , возникающая под опорной ветвью гусеницы определяем по формуле

(4.12)

где и – соответственно максимальное и минимальное давление на грунт опорной ветви гусеничного движителя, МПа.

Распределение давления на грунт опорной ветви гусеницы между катками определяем по следующим формулам

		(4.13)
		(4.14)

где – нагрузка на n-й опорный каток, кН;

– усилие натяжения опорной ветви гусеничного движителя, Н;

– расстояние между опорными катками гусеничного движителя, м.

Нагрузка на единичный опорный каток гусеничного движителя, при условии равномерного распределения давления по длине опорной ветви гусеницы, определяем по формуле

		(4.15)

где – количество опорных катков гусеничного движителя.

Для расчета среднего давления движителя на почву по формуле (4.9) принимаем полный вес робоплатформы, ширину гусеницы , длину опорной поверхности гусеницы .

Для расчета КПД буксования движителя по формуле (4.10) величину буксования движителей принимаем на основании установленных агротехнических требований к гусеничным сельскохозяйственным тракторам = 3% [47].

Для расчета сопротивления движению по формуле (4.8), обусловленного деформацией почвы лобовым участком гусеницы, принимаем параметры почвенного основания и по данным табл.4.1[49].

Для выбранных агрофонов сопротивление движению составляет:

— целина

— стерня зерновых

— слежавшаяся пахота

Результаты расчета представлены в таблице4.4.

Таблица 4.4– Показатели взаимодействия движителя робоплатформы с основанием

Для расчета нагрузки на единичный опорный каток гусеничного движителя по формуле (4.15) принимаем число опорных катков = 4 в соответствии с табл. 4.3

Распределение давления на грунт опорной ветви гусеницы между катками определяем по формулам (4.13) и (4.14).При этом, принимаем усилие натяжения опорной ветви гусеничного движителя = 75 Н (табл. 4.2), а также расстояние между опорными катками гусеничного движителя = 0,2 м (табл. 4.3).

Для выбранных агрофонов давление на грунт составляет:

— целина

— стерня зерновых

— слежавшаяся пахота

Результаты расчета представлерны в таблице4.4.

Разницу давлений , возникающую под опорной ветвью гусеницы определяем по формуле (4.12).

Для выбранных агрофонов разница давлений составляет:

— целина

— стерня зерновых

— слежавшаяся пахота

Результаты расчетов представлены в таблице 4.4.

Сопротивление движению, обусловленное деформацией почвы ввиду неравномерного распределения давления по длине опорной ветви движителя, определяем по формуле (4.11).

Для выбранных агрофонов сопротивление движению составляет:

— целина

— стерня зерновых

— слежавшаяся пахота

Силу сопротивления движению вследствие колееобразования определяем по формуле (4.7).

Для выбранных агрофонов сила сопротивления движению составляет:

— целина

— стерня зерновых

— слежавшаяся пахота

Результаты расчетовпредставлены в таблице4.5.

Таблица4.5 — Силы сопротивления движению гусеничного движителя робоплатформы

Данные таблицы 4.5 использованы для дальнейших расчетов.

4.2.2 Расчет сил сцепления гусеничного движителя робоплатформы с грунтом

При движении гусеничного движителя робоплатформы на опорные ветви гусениц со стороны грунта действуют реактивные силы. Зацепы сдвигают грунт в направлении, обратном движению. Упор зацепов, в грунт, сдвиг и срез грунтовых кирпичей возможны только при полном использовании сил трения, т.е. когда имеет место скольжение гусеницы о грунт. Таким образом, сцепление опорной ветви движителя робоплатформы с грунтом происходит как за счет тре­ния, возникающего между подошвой звена и грунтом, так и за счет сдвига и среза почвенных кирпичей, зажатых между заце­пами звена.

Следовательно, при буксовании движителя робоплатформы на опорной ветви гусениц имеются два участка, отличающиеся по характеру взаимо­действия движителя с грунтом: участок трения между звеньями и грунтом, сдвига и среза грунта зацепами; участок трения о грунт сколотых и зажатых между зацепами звеньев грунтовых кирпи­чей.

Роль и значение этих участков изменяются в зависимости от свойств грунта, параметров гусеничного обвода, распределения нагрузки вдоль гусеницы, внешних сил, приложенных к движи­телю и других факторов.

Усилия сдвига, возникающие в грунте при воздействии на него отдельными за­цепами, в первый момент возрастают вследствие трения и сцепления между звеньями и почвой, а затем (после достижения некото­рого максимума) убывают. Усилия сдвига в зависимости от деформации уменьшаются до тех пор, пока грунтовые кирпичи полно­стью не срежутся. Аналогично изменяются и напряжения сдвига.

Проекция равнодействующей реакции грунта на плоскость, совпадающую с поверхностью движителя — касательная сила тяги гусеницы равна сумме касательных реакций почвы, возникающих на каждом отдельном грунтозацепе при деформации грунта в направлении, обратном движению робоплатформы

(4.16)

где — усилие сдвига, кН;

— усилие среза, кН;

— число грунтозацепов, находящихся в контакте с почвой в пределах длины контакта.

Часть касательной силы тяги гусеницы необходимой для деформации сдвига грунта определяем по формуле

(4.17)

где , — коэффициент трения скольжения и приведенный коэффициент трения покоя соответственно;

— коэффициент деформации, м;

– вес машины, кН;

– буксование движителя;

— длина опорной поверхности гусеницы, м.

Приведенный коэффициент трения является функцией коэффициентов трения покоя и скольжения. Для грунтов нормальной влажности егоопределяем по эмпирической формуле

(4.18)

где — коэффициент трения покоя.

Значение коэффициента трения покоя определяем по формуле

(4.19)

где — угол внутреннего трения грунта, град (табл. 4.1 [48]);

— молекулярные и капиллярные силы сцепления, отнесенные к площади соприкасающихся тел, МПа (табл. 1.3 [4]).

Для минеральных грунтов нормальной влажности коэффициент деформации может быть вычислен по формуле

(4.20)

где — расстояние (шаг звена) между почвозацепами гусеницы, м.

Сдвиг грунта сопровождается еще и его срезом. Возникающие при этом напряжения среза, появляются благодаря подрезу грунтозацепами высотой. Характер этих напряжений несколько иной, чем напряжений сдвига. Можно считать, что их значения зависят только от модуля среза и высоты грунтозацепа гусеницы. Нормальная сила и деформация не оказывают существенного влияния на их величину.

Вторую составляющую касательной силы тяги, возникающую при срезе грунтовых кирпичей грунтозацепами, определяем по формуле

(4.21)

где — напряжение (модуль) среза, Н/м;

— высота грунтозацепов гусеницы, м.

Таким образом, касательная сила тяги гусеничного движителяробоплатформы, необходимая для преодоления сил трения, сдвига и среза грунта, зависит от нагрузки , действующей на гусеницу, параметров гусеницы (шага звена и высоты грунтозацепов и ), физико-механических свойств грунта (коэффициентов трения скольжения и покоя и ) и режима движения гусеницы (коэффициента буксования ).

Для расчета коэффициента деформации по формуле (4.20) принимаем расстояние (шаг звена) между почвозацепами гусеницы = 50,5 мм (табл. 4.2).

Значение коэффициента трения покоя вычисляем по формуле (4.19).

Характеристики почвенного основания , и принимаем на основании данных табл. 4.1 [49].

Для выбранных агрофонов коэффициент трения покоя составляет:

— целина

— стерня зерновых

— слежавшаяся пахота

Приведенный коэффициент трения вычисляем по формуле (4.18).

Для выбранных агрофонов приведенныйкоэффициент трения составляет:

— целина

— стерня зерновых

— слежавшаяся пахота

Результаты расчетовпредставлены в таблице4.6.

Таблица4.6– Показатели взаимодействия движителя робоплатформыс почвой

Часть касательной силы тяги необходимой для деформации сдвига грунта определяем по формуле (4.17). При этом,параметры гусеничной машины: полный вес и длину опорной поверхности гусеницы принимаем на основании данных табл. 4.2 и 4.3. Величину буксования движителей принимаем на основании установленных агротехнических требований к гусеничным сельскохозяйственным тракторам = 3% [46].

Для выбранных агрофонов часть касательной силы тяги составляет:

— целина

— стерня зерновых

— слежавшаяся пахота

Составляющая касательной силы тяги, возникающая при срезе грунтовых кирпичей грунтозацепами, определяем по формуле (4.21)

При этом, принимаем напряжение (модуль) среза для средних суглинков = (1,26-1,94)∙10³ Н/м [48]. Высоту грунтозацепа гусеницы принимаем =0,02 м (табл. 4.2).

Суммарную касательную силу тяги гусеничного движителя робоплатформыопределяем по формуле (4.16).

Для выбранных агрофонов она составляет:

— целина

— стерня зерновых

— слежавшаяся пахота

Результаты расчетовпредставлены в таблице4.7.

Таблица 4.7 — Силы сцепления гусеничного движителя робоплатформыс грунтом

Данные таблицы 4.7 используются для дальнейших расчетов.

4.2.3 Расчет показателей проходимости робоплатформы

Профильная и опорно-сцепная проходимость робоплатформы характеризуются наличием свободной толкающей силы . Когда в общем тяговом балансе сила равна нулю или больше его, то машина еще может перемещаться. Если толкающая сила меньше нуля, машина теряет подвижность. Это условие выражается уравнением

где , , – соответственно касательная сила тяги, сила сопротивления движению вследствие деформации грунта и сила сопротивления движению на подъем/спуск.

Силу сопротивления движению машины на подъем/спуск определяем по формуле

(4.23)

где – уклон пути, град.

Принимаем случай установившегося движения робоплатформы на подъем, а также учитываем максимальную скорость движения . Силой инерции и силой сопротивления воздушной среды при расчете пренебрегаем.

Предельное значение касательной силы тяги, обусловленной свойствами опорной поверхности определяем по формуле

,

(4.24)

где – максимальный коэффициент сцепления движителя, реализуемый по условиям его взаимодействия с почвой;

– сцепной вес робоплатформы, кН. (для гусеничных машин =).

Условие сохранения робоплатформой опорно-сцепной проходимости

(4.25)

где , – коэффициенты соответственно сцепления и нагрузки движителей;

– приведенный коэффициент дорожного сопротивления.

где – коэффициент сопротивления перекатыванию.

Коэффициент, определяющий затраты на сопротивление перемещению робоплатформы, находим на основе полученных значений

Для расчета силы сопротивления движению робоплатформы на подъем/спуск по формуле (4.2) принимаем предельный угол подъема/спуска пути = 3°. Расчет ведем только для случая движения на подъем.

Для расчета толкающей силы по формуле (4.22) принимаем силу сопротивления движению вследствие деформации грунта на основе данных табл. 4.5. Соответственно касательная сила тяги принимается на основе данных табл. 4.7.

Для выбранных агрофонов толкающая силасоставляет:

— целина

— стерня зерновых

— слежавшаяся пахота

Результаты расчетовпредставлены в таблице 4.8.

Таблица 4.8 – Показатели тягово-сцепных свойств робоплатформы

Предельное значение касательной силы тяги, обусловленной свойствами опорной поверхности определяем по формуле (4.24).

Для выбранных агрофонов предельное значение касательной силы тяги составляет:

— целина

— стерня зерновых

— слежавшаяся пахота

Результаты расчетов заносим в таблицу 4.8.

Расчетный коэффициент, определяющий затраты на сопротивление перемещению машины, находим по формуле (4.27). При этом сила сопротивления движению вследствие деформации грунта принимаем на основе данных табл. 4.5.

Для выбранных агрофонов данный коэффициент составляет:

— целина

— стерня зерновых

— слежавшаяся пахота

Результаты расчета заносим в таблицу 4.8.

Приведенный коэффициент дорожного сопротивления определяем по формуле (4.26).

Для выбранных агрофонов данный коэффициент тяги составляет:

— целина

— стерня зерновых

— слежавшаяся пахота

Результаты расчетов заносим в таблицу 4.8.

Проверяем условие сохранения робоплатформой опорно-сцепной проходимости. При этом значения коэффициентов сцепления по агротехническим требованиям принимаем по данным табл. 4.1. Коэффициент нагрузки ведущих движителей для гусеничных машин составляет = 1 [46].

Для выбранных агрофонов проверяемое условие проходимости выглядит следующим образом:

— целина

— стерня зерновых

— слежавшаяся пахота

Таким образом, условие дорожной проходимости робоплатформы для всех выбранных агрофонов выполняется.

4.3 Расчет мощности электродвигателей и аккумуляторов

На основании полученных данных, для различных условий движения робоплатформы определяем основные энергетических характеристики его силовой установки – номинальной эффективной мощности двигателя и аккумуляторов.

Потребную суммарную мощность приводных электродвигателей робоплатформы определяем по формуле

(4.28)

где – максимальная скорость движенияробоплатформы, = 1,94 м/с;

— значение касательной силы тяги для различных типов агрофонов по данным табл. 4.7.

Для выбранных агрофонов суммарная мощность приводных электродвигателей составляет:

— целина

— стерня зерновых

— слежавшаяся пахота

Выбираем два двигателя мощностью по 2,6 кВт.

Потребную суммарная мощность аккумуляторных батарей определяем по формуле

(4.29)

где – общий КПД робоплатформы на электрической тяге

(4.30)

где — КПД трансмиссии, ;

— КПД приводных электродвигателей,

— КПД контроллеров,

Для выбранных двигателей потребная суммарная мощность аккумуляторных батарей составляет

На основании выполненных расчетов был сделан выбор конкретных марок электродвигателей и аккумуляторов.

На роботизированную платформу были установлены двигатели постоянного тока вышеуказанной мощности, обеспечивающие бесступенчатое регулирование частоты вращения, с самовентиляцией, с рабочим напряжением 60 В, серии МПВЕ с защитой от внешних воздействий по классу IP54.

С учетом того, что средняя потребляемаяроботизированной платформой мощность в процессе эксплуатации составляет около 30% от максимальной, былиустановлены аккумуляторы общей емкостью 300 А∙ч. Это обеспечивает непрерывную работу в течение восьмичасов. После этого осуществляется зарядка батарей, которая выполняется одновременно с другими ежесменными работами по обслуживанию роботизированной платформы.

Для достижения высоких эксплуатационных характеристик роботизированной платформы были установлены гелевые аккумуляторы. Основными их достоинствами являются: продолжительный срок эксплуатации, большое количество циклов зарядов-разрядов, отсутствие необходимости в срочной зарядке в случае глубокого разряда, небольшие потери ёмкости при простое, безопасность эксплуатации за счёт непроницаемости корпуса.

5 Рабочие органы роботизированной платформы

5.1 Рабочий орган для отбора почвенных образцов

В соответствии с модульным принципом проектирования нами разработаны два варианта рабочих органов роботизированной платформы.

Первый вариант предусматривает автоматический забор почвенной пробы с заданной глубины, подъем ее вверх на уровень установки датчиков, погружение зондов датчиковв пробу, снятие и запись показаний, высыпание пробы на поверхность поля.

Для этого же рабочего органа возможна технология, при которой со всего участка отдельные пробы почвы массой по 50-100 г собираются в одну емкость, затем объединенная проба массой 2-3 кг доставляется оператору платформы и затем направляется на стандартный анализ состава.

Установленный на роботизированную платформу рабочий орган для отбора проб почвы представлен на рисунке 5.1.

1 — заглубляемый узел; 2 — управляемый редуктор; 3 – платформа; 4 – рама; 5 – стойка; 6 – проставка; 7 – фиксатор.

Рисунок 5.1–Рабочий орган для отбора почвенных образцов

Рабочий орган (пробоотборник) состоит из рамы 4 опирающейся на стойки 5, на раме установлена платформа 3, способная свободно перемещаться в вертикальной плоскости за счет роликов и направляющих. На платформе на проставках 6 установлен управляемый редуктор 2, к нему присоединяется заглубляемый узел 1, перемещение которого в вертикальной плоскости ограничено фиксатором 7.

Для формирования в почве контрольной лункибыл разработан заглубляемый узел, который показан на рисунке 5.2.

1 — головка бура; 2 — полый бура; 3 – шнек; 4 — крепежная пластина; 5 – шестерня; 6 – стакан; 7- шарикоподшипник

Рисунок 5.2–Заглубляемый узел рабочего органа

Заглубляемый узел состоит из полого бура 2 закрепленного в шарикоподшипниках 7. При помощи стакана 6 и болтов бур крепится к крепежной пластине 4 платформы. В полость бура вставляется шнек 3 с закрепленной на нем головкой бура 1, на полый бур одевается шестерня 5 и фиксируется винтами.

После того как роботизированная платформа достигла точки отбора пробы она опускает пробоотборник до тех пор пока он не встанет стойками на поверхность земли, при этом платформа 3 (рис.5.1) переместится в крайнее верхнее положение. После того как позиционирование пробоотборника завершено, управляемый редуктор переключается в режим заглубления. Крутящий момент с входного вала редуктора передается на заглубляемый узел, который начинает вращаться. За счет геометрической формы наружной поверхности заглубляемый узел начинает погружаться в почву. При этом платформа 3 опускается вслед за ним.

По достижении заданной глубины управляемый редуктор переключается в режим отбора пробы. В этом режиме крутящий момент передается только на шнек и связанную с ним головку бура. Головка бура и шнек заглубляются еще на 30 миллиметров (перемещение головки бура ограничивается фиксатором 7 (рис.5.1)) и происходит обор пробы.

По окончании процесса отбора проба управляемый редуктор переключается в режим подъема бура и в это же время роботизированная платформа носитель инициирует механизм подъема пробоотборника. В режиме подъема бура вращение заглубляемого модуля производится в противоположную от исходного направления сторону, в результате чего заглубляемый узел удаляется из почвы.

По окончании подъема пробоотборника управляемый редуктор выключается, а почвенная проба поступает в контрольную емкость. В емкости находятся зонды датчиков, которые снимают показания. После записи показаний датчиков на электронный носитель дно контрольной емкости открывается и почвенная проба высыпается на поле. Цикл мониторинга завершен, и роботизированная платформа автоматически перемещается к следующей точке согласно заданномумаршруту.

5.2 Рабочий орган для мониторинга без отбора почвенных образцов

Второй вариант рабочего органа предусматривает автоматическое бурение контрольного отверстия в почве с последующим погружением зондов датчиков N-P-K в образованное отверстие, снятие и запись показаний, подъем датчиков, перемещение роботизированной платформы к следующей точке.

Разработанный рабочий орган состоит из буровой установки, револьверной головки, поворотного устройства и фиксатора.

При изготовлении буровой установки для снижения ее стоимости часть узлов взято от серийно выпускаемых сверлильныхмашин. Выбран двигатель мощностью 1,45 Вт с частотой вращения 980 об/мин.

Для мониторинга содержания в почве азота, фосфора, калия необходимо сначала подготовить контрольное отверстие, а потом заглубить в него зонды датчика. Эта задача решается нами при помощи револьверной головки, сборочный чертеж которой представлен на рис. 5.3.

Револьверная головка состоит из основания 1, на котором установлен держатель 2 и бурильная установка 3. Блок подвеса револьверной головки состоит из подшипникового узла 4, пальца 5, стойки 6, на которые устанавливается траверса 7 с направляющей 8 и ходовым винтом 9.

Агрохимический датчик 10 зафиксирован между ходовой гайкой 11 и направляющей втулкой 12, которые обеспечивают его перемещение в вертикальной плоскости при вращении ходового винта 9, которое создается электродвигателем 13, установленным на траверсе 7 соосно с ходовым винтом 9.

Рисунок 5.3 – Револьверная головка

Устройство работает следующим образом.

По достижении роботизированной платформой заданной на карте точки экспресс-мониторинга включается привод опускания бурильной установки 3. Как только бур достигает заданной глубины, привод бурильной установки выключается.

Затем привод бурильной установки 3 включается на реверс и происходит подъем бура. Таким образом, подготавливается контрольная лунка с рыхлой почвой, что позволяет выполнять измерения, не повредив при этом датчик 10.

Для повышения точности измерений в случае необходимости в подготовленную лунку автоматически заливается определенное количество воды (50-100 мл) из емкости, которую можно установить на роботизированную платформу (на рисунках не показана).

После подъема бурильной установки 3 осуществляется поворот револьверной головки с помощью электрического мотор-редуктора 3 с установленной на его выходном валу шестерней, которая входит в зацепление с зубчатым венцом основания 1 револьверной головки.

После поворота основания 1 на 90 градусов датчик 10 позиционируется точно над подготовленной контрольной лункой, включается электродвигатель 13 и за счет вращения с ходового винта 9 датчик 10 опускается, а его щупы погружаются в лунку и выполняют измерение содержания в почве азота, фосфора, калия, уровня кислотности и других агрохимических характеристик.

Измерение происходит в течение нескольких секунд за счет контакта смеси почвы заданной влажности, обусловленной количеством воды, залитой в лунку, с поверхностью щупов датчика. Перечень измеряемых компонентов и точность экспресс-мониторинга зависит от назначения и модели агрохимического датчика.

После того как измерения выполнены, включается реверс электродвигателя 13, датчик 10 начинает подниматься, щупы извлекаются из почвы. После полного подъема датчика 10 происходит поворот основания 1 револьверной головки на 90 градусов в исходное положение. Затем полевой робот перемещается к следующей точке экспресс-мониторинга и цикл повторяется.

Таким образом, оба варианта разработанных рабочих органов обеспечивает экспресс-мониторинг состава почв в автоматическом режиме.

6 Опытный образец роботизированной платформы

На начальном этапе работ была собрана уменьшенная копияроботизированной платформы (рис.6.1), которая позволила:

— оптимизировать алгоритмы и програмное обеспечение для перемещенияроботизированной платформы между контрольными точками по заданной траектории;

— оптимизировать алгоритмы и програмное обеспечение для управления рабочими органами;

— оптимизировать алгоритмы и програмное обеспечение для измерения и записи на внешний носитель результатов экспресс-мониторинга состава почв с привязкой к координатам контрольных точек.

А	б

а – оснащенная датчиком с тремя недистанционными зондами; б – оснащенная датчиком с одним дистанционным зондом

Рисунок 6.1 – Уменьшенная копия роботизированной платформы:

После успешных испытаний, отработки основных этапов технологии и корректировки конструкции было приобретены необходимые материалы, узлы, детали, приборы и другое оборудование. Рама, отдельные узлы гсеничных движителей, защитный кожух и ряд других узлов были изготовлены самостоятельно.

Далее была проведена сборка механической и электронной частей опытногообразца роботизированной платформы (на рис.6.2)

Рисунок 6.2 – Опытный образецроботизированной платформы (часть защитного кожуха снята)

Управление движением по полю, рабочимиорганами и датчиками роботизированной платформы осуществляется с использованием современной платы контроллера Arduino Due (рис.6.3)

Рисунок 6.3 – Общий вид платы контроллера Arduino Due

Плата контроллераArduino Due построена на базе процессора Atmel SAM3X8E ARM Cortex-M3. Это плата на основе 32-битного микроконтроллера с ARM ядром. На ней имеется 54 цифровых вход/выхода, 12 аналоговых входов, 4 UARTа (аппаратных последовательных порта),генератор тактовой частоты 84 МГц, связь по USB с поддержкой OTG, 2 ЦАП (цифро-аналоговых преобразователя), 2 TWI, разъем питания, разъем SPI, разъем JTAG, кнопка сброса и кнопка стирания.

Для управления тяговыми двигателями данная плата в составе роботизированной платформы работает вместе с контроллером типа e-bike-ctrl-sch-mega48 (рис. 6.4).

Рисунок 6.4 – Контроллер типа e-bike-ctrl-sch-mega48

Принципиальная электрическая схема данного контроллера и составленная нами для него программа управления приведена в приложениях.

Фиксация координат местоположения роботизированной платформы осуществляется с помощью установленного на ней GPS модуля NEO6MV2.

Рисунок 6.5 – GPS модуль NEO6MV2

С помощь данного мудулятакже выполняется демонстрация траектории движения роботизированной платформы в режиме реального времени через специальное приложение на экран ноутбука и смартфона.

Перемещение рабочих органов роботизированной платформы обеспечивается установленными линейными приводами (актуаторами) (рис.6.6).

Рисунок 6.6 – Линейный приводам (актуатор)

Все установленные актуаторы работают отнапряжения 12В. Максимальная длина хода актуатора зависит от назначения исполнительного узла и составляет от 150 мм для механизмов перемещения агродатчиков до 400 мм для вертикального перемещения бура при формировании контрольной лунки. Управление уктуаторами осуществляется с помощью подобранных и смонтированны нами бесконтактных исполнительных устойств на базе полевых транзисторов.

Установленные на роботизированную платформу датчики адаптированы для измерения характеристик и записи собранных данных о почве на внешнее записывающее устройство с флеш-картой памяти (рис. 6.7, 6.8)

Рисунок 6.7 – Датчик LusterLeafRapitest 1835 с внешним записывающим устройством

Рисунок 6.8 – Датчик LusterLeafRapitest 1880 с внешним записывающим устройством

Записьна электронный носитель информации о почве осуществляется с привязкой к географическим координатам контрольной лунки.

Таким образом, разработанная роботизированная платформа, оснащенная системой специализированных датчиков и зондов, обеспечивает решение поставленных перед ней задач экспресс-мониторинга состава почв.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ физико-химических и агрохимических показателей почвы является обязательным условием получения высоких урожаев и сохранения плодородия используемых земель. Традиционные способы оценки состава почвы, заключающиеся в отборе почвенных проб с последующими лабораторными исследованиями, а также с помощью полевых датчиков и оборудования беспилотных летательных аппаратов,характеризуются рядов существенных недостатков.

Для анализа большинства показателей возможен вариант экспресс-мониторинга, который заключается в погружении в почвенный образец зондов с датчиками. Весь комплект зондов и датчиков устанавливается на роботизированную платформу, перемещающуюся по полю по заданной программой траектории.Данный способ характеризуются высокой оперативностью и низкими экономическими затратами. За счет большого количества измерений на единице площади поля (в несколько раз больше, чем у традиционных способов) точность оценки значительно повышается. Кроме того, для одной точки поля можно проводить измерения в разных почвенных горизонтах.Кроме того, поскольку роботизированная платформа является универсальной, на нее возможна установка разработанного и предложенного в настоящем отчете пробоотборника.

По итогам выполненных работ были опубликованы: статья в издании, индексированном в WebofScience [40], 11 статей в сборниках международных научно-практических конференций [41-51], поданы две заявки на патенты [52, 53].

Разработанная роботизированная платформа для экспресс-мониторинга почв в полевых условиях, разработанная концептуальная схема и сборочные чертежи платформы, выполненные энергетические расчёты, разработанные конструкции рабочих органов, принципиальные электрические схемы (приложение А), программы управления контроллерами (приложение Б), выбранные конкретные марки датчиков и других приборов являлись базой для проектирования, изготовления и эксплуатации данного автоматизированного транспортного средства.Использование предлагаемой роботизированной платформы позволит повысить эффективность сельскохозяйственного производства.

Список использованной литературы

Приложения

РЕФЕРАТ

Отчет представлен на 73 страницах печатного текста, содержит 15 таблицы, 37 рисунков, 57источника.

СЕМЕНА ОВОЩНЫХ КУЛЬТУР, СОРНЫЕ РАСТЕНИЯ, АЛЛЕЛОПАТИЯ, ЭНЕРГИЯ ПРОРАСТАНИЯ, ЛАБОРАТОРНАЯ ВСХОЖЕСТЬ, ПРЕДШЕСТВЕННИК, КАРТОФЕЛЬ, МОРКОВЬ, СВЁКЛА СТОЛОВАЯ, УРОЖАЙНОСТЬ, ТОВАРНЫЕ КАЧЕСТВА.

Объекты исследования:сорта картофеля Танай, Кемеровчанин, моркови Шантанэ 2461, Самсон, свёклы столовойсорта Детройт и гибрида Боро F1.

Предмет исследований: технология органического выращивания овощных культур, основанной на принципах аллелопатии.

Цель работы:разработка и апробация технологии органического выращивания овощных культур, основанной на принципах аллелопатии.

Задачи исследований:

– научное обоснование взаимодействия растений в агрофитоценозах (анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации);

– изучение аллелопатического взаимодействия семян овощных культур и сорных растений на начальных этапах онтогенеза (лабораторные исследования);

– изучение аллелопатической активности послеуборочных растительных остатков сельскохозяйственных культур на посевные качества и первоначальный рост проростков овощных культур (лабораторные исследования);

– подбор оптимальных предшественников для овощных культур с учетом их влияния на засоренность посевов, урожайность и качество продукции (производственный полевой опыт);

– разработка практических рекомендаций по поддержанию почвенного плодородия, обеспечивающих оптимизацию фитосанитарного состояния посевов (засоренность), высокие урожаи и качество овощной продукции при минимальных затратах на выращивание, а также возможности экологических способов ведения отрасли.

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Аллелопатия – свойство одних организмов (микроорганизмов, грибов, растений, животных) выделять химические соединения, которые тормозят или подавляют развитие других.

Всхожесть и энергия прорастания– это процент нормально проросших семян в пробе, взятой для анализа.

Глубина посева – расстояние от поверхности почвы до нижней части высеваемых семян. Оптимальная глубина посева та, при которой обеспечивается наибольшая полнота всходов равномерных и неослабленных.

Норма высева– количество всхожих семян или их масса с учетом посевной годности, высеваемых на 1 га, обеспечивающая нормальные по густоте всходы и хорошую урожайность. Выражается числом всхожих семян (млн, тыс. шт.) и массой семян (кг, ц) на 1 га.

Период вегетации (вегетационный период)– время, в течение которого возможен рост растений. Начиная от прорастания семян или, например, распускания почек, заканчивая образованием семян или прекращением роста вегетативных органов растения.

Посев(посадка)– размещение семян, зерновок, клубней или рассады по площади поля на определенную глубину с учетом обеспечения растений оптимальной площадью питания.

Сорт–это группа растений, сходных по морфологическим признакам, биологическим свойствам, созданных человеком для возделывания в конкретной природно-климатической зоне с целью получения высокой урожайности, качества продукции с наименьшими затратами.

Онтогенез – это индивидуальное развитие организма.

НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

– ГОСТ 12038-84 Определение энергии прорастания и лабораторной всхожести семян;

– Фенологические наблюдения проводили по методике Госсортоиспытания сельскохозяйственных культур;

– ГОСТ 7194-81 Картофель свежий. Правила приемки и методы определения качества (с Изменениями № 1, 2, 3);

– ГОСТ 31640-2012 Методы определения содержания сухого вещества;

– ГОСТ 26226-95 Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Методы определения сырой золы;

– ГОСТ 8756.22-80 Продукты переработки плодов и овощей. Метод определения каротина (с Изменениями N 1, 2);

– ГОСТ ISO 2173-2013 Продукты переработки фруктов и овощей. Рефрактометрический метод определения растворимых сухих веществ (Переиздание).

ВВЕДЕНИЕ

Защита посевов возделываемых сельскохозяйственных культур от сорных растений является одной из важных задач научного земледелия. Борьба с сорной растительностью в основном зависит от использования синтетических гербицидов.

В настоящее время имеется большое количество синтетических гербицидов. Однако не смотря на успешный контроль сорняков в посевах культурных растений, некоторые их виды адаптировались к некоторым химическим соединениям гербицидов. Это требует постоянного, примерно через 2-3 года, применения новых гербицидов. Загрязнение окружающей среды, опасные для здоровья людей продукты сельскохозяйственного производства являются следствием использования гербицидов синтетической природы [42].

Показатель использования пестицидов на одного человека в мире равен 400-500 г, в то время как в России и США он достигает 2 кг. Сорные растения являются причиной уменьшения сельскохозяйственного урожая на 13,2%, следственно засоренные посевы приводят к экономическим потерям. В целях уменьшения негативного действия сорняков на посевы культурных растений аграриями используются химические средства защиты – пестициды, гербициды, инсектициды, фунгициды и др. Но, применение химических средств пагубно сказывается на природных экосистемах.

Обработка гербицидами посевов сельскохозяйственных культур тормозит и губит не только сорняки, но угнетает рост и развитие культурных растений и сказывается на безопасности продуктов, получаемых от культурных растений. Закон о защите качества пищевых продуктов, который приняли передовые страны, требует регистрации пестицидов и гербицидов синтетического происхождения.

Следствием вышесказанного явилось использование классических подходов химического синтеза производителями средств защиты растений. Другие производители, напротив, остановили свой выбор на использовании соединений естественного происхождения. Природные продукты исторически служат более ценным материалом в качестве химической основы получения средств защиты растений.

В процессе эволюции среди конкурирующих видов возникло большое разнообразие растений и микроорганизмов, обладающих широким спектром химического состава, потенциал которых не используется должным образом.

Интерес к растениям как источника естественных гербицидов был незначительным, хотя многие образуемые растениями вторичные метаболиты обладают сильной фитотоксичностью. Так, например, растительная жирная кислота пеларгоновая используется для борьбы с сорной растительностью в газонах [36]. В настоящее время многие биологически активные вещества природного происхождения, остаются не изученными, в связи с этим интерес к ним не утихает.

Аллелохимические вещества растений и промышленные гербициды имеют схожий механизм действия. В связи с этим данные вещества можно использовать в качестве биогербицидов. Аелопатически активные соединения являются водорастворимыми, что облегчает их использование без дополнительных поверхностно-активных веществ [56]. В следствие малоизученности данных веществ, в настоящее время они не используются широко в промышленности.

В исследованиях Macias (2014) доказано, что в растении-доноре (Secale cereale L.) образуются бензоксазиноны и их производные, которые ингибируют рост сорняков (Avena fatua L.) [47].

Исследования M. Schulz (2013) показали, что с 1 гектара ржаных остатков можно выделить около 20 кг бензоксазинонов, а из почвы, в которой разложены ржаные остатки – до 5 кг [53].

В 1995 году Чунг и Миллер исследовали люцерну на предмет ингибирующих свойств. В результате исследований выяснено, что водная вытяжка из сухих надземных остатков люцерны угнетающе действует на рост таких растений-сорняков, как костёр ржаной (Bromus secalinus L.), щетинник Фабера (Setaria faberi L.), щирица запрокинутая (Amaranthus retroflexus L.) и марь белая (Chenopodium album L.). Отмечено также ингибирующее действие порошка из высушенных листьев и стеблей люцерны в отношении прорастания ползучих сорных растений. Но водный экстракт люцерны проявлял ингибирующие свойства не только в отношении сорных растений, но и против культурных, например – экстракт люцерны замедлял рост проростков кресс салата (Lepidium sativum L.).

Современное сельское хозяйство совмещает в себе классическую систему обработки почвы и интенсивное использование природных и промышленных ресурсов. В районах подверженных водной и ветровой эрозии природоохранным сельским хозяйством используется технология NoTill, которая подразумевает под собой нулевую обработку почвы с применением мульчирования и обязательное ведение севооборота. Такой подход позволяет сохранить почвенную влагу и плодородие [30]. Однако, использование нулевых или минимальных систем обработки почвы приводит не только к появлению, но и развитию одно- и многолетних сорных растений [29]. Подавить рост сорняков можно при помощи использования аллелопатического воздействия растений. Таким образом, аллелопатия выступает важным составляющим при планировании и управлении сельскохозяйственными посевами [39].

В природоохранном сельском хозяйстве для снижения количества сорных растений в посевах могут быть использованы сорта культур или сорняки-сорбенты, которые обладают аллелопатической активностью [48].В севообороты необходимо вводить культурные растения, являющиеся стойкими к аллелохимикалиям предшественников.

В исследованиях Qasem and Foy, (2001) выявлено ингибирующее свойство эфирных масел майорана и базилика лимонного против щирицы. Эфирные масла корицы, тимьяна красного и гвоздики вызывают выход электролитов из листьев лекарственного одуванчика, который влечет за собой гибель клеток растения. Отмечено подавляющее свойство одних сорных растений на рост и развитие других. Таким образом, сделано заключение о возможности использования культурных и сорных растений в качестве сырья для производства органических гербицидов [50].

Эфиромасличные растения при заделывании в почву или мульчировании вырабатывают эфирные масла, обладающие высокой фитотоксичностью и угнетающие рост сорняков в посевах культурных растений. Например, эфирные масла, полученные путем экстрагирования из различных сортов базилика, подавляют рост семян и развитие корневой системы обыкновенной мари и куриного проса.

Подтверждением этой гипотезы служит большое количество исследований по применению эфироносов против сорных растений. По зарубежным данным растения, обладающие аллелохимическими свойствами, против сорняков могут применяться в качестве культуры-сидерата [52], звена севооборота [55] либо в совместных и смешанных посевах [40]. Borges et al. выяснили, что при возделывании аллелопатически активных культур в междурядьях, наблюдается наибольший аллелопатический эффект [35].

Bajwa et al. использовали растения с аллелопатическим потенциалом в междурядьях и их водные вытяжки против сорных растений [31]. Покровные культуры преимущественны в разных системах земледелия, так как могут быть мульчирующей культурой и подавлять всходы сорняков. Известно, что горошек (Vicia), как и другие представители бобовых (Fabaceae), в симбиозе с клубеньковыми бактериями Rhizobium, преобразуют азот из атмосферы в аммиак. По ходу данного процесса высвобождается ряд аллелохимикалий, угнетающие на всходы сорных растений.

Основное преимущество явления аллелопатии – на результат действия химических веществ влияет природа происхождения аллелопатического донора. Поэтому донором физиологически активных соединений может явиться как сорное, так и культурное растение[4].

Идет активный поиск вторичных соединений в растениях, проявляющие менее интенсивный эффект ингибитора на других обитателей агроэкосистем. Вторичные соединения многофункциональны и играют важную роль в межвидовой конкуренции.

В системе обработки почвы NoTill рожь и овес уменьшают количество сорняков после сбора урожая, так как пожнивные остатки данных культур содержат аллелохимически активные вещества [53]. Действенным технологическим приёмом является выращивание аллелохимически активных сортов культур, которые подавляют рост и развитие сорных растений в агроэкосистемах [32].

В исследованиях Pudelko приводятся данные об использовании полевых культур с аллелопатической активностью в качестве мульчирующего слоя. Мульча из пожнивных остатков сокращала всходы и рост сорных растений. Этот факт позволяет снизить нагрузку применения промышленных гербицидов [49].

В то же время конкретные биохимические механизмы воздействия определенных аллелопатических соединений на внутриклеточные процессы, также, как и последствия подобных воздействий, до сих пор остаются не до конца выясненными [20].

А.В. Захаренко утверждает о высокой аллелопатической активности многих видов сорняков. Так, остатки культурных и сорных растений служат источников физиологически активных веществ, которые поступают в почву. Различные части растений выделяют аллелохимикалии в субстрат, которые влияют на рост семян и развитие ростков: изменение состояния покоя семян, пролонгация или акселерация проклевывания семян и формирования вегетативных органов ростка. Аллелопатическую активность культур часто связывают с почвоутомлением. После многих аллелопатически активных растений в почве не остается вредных, фитотоксичных соединений [10].

Аллелопатическое влияние растений друг на друга играет ключевое значение при разработке и обосновании различных систем земледелия. В технологии органического производства исключены технологические операции применения синтезированных препаратов.

Цель исследований:разработка и апробация технологии органического выращивания овощных культур, основанной на принципах аллелопатии.

Задачи исследований:

– научное обоснование взаимодействия растений в агрофитоценозах (анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации);

– изучение аллелопатического взаимодействия семян овощных культур и сорных растений на начальных этапах онтогенеза (лабораторные исследования);

– изучение аллелопатической активности послеуборочных растительных остатков сельскохозяйственных культур на посевные качества и первоначальный рост проростков овощных культур (лабораторные исследования);

– подбор оптимальных предшественников для овощных культур с учетом их влияния на засоренность посевов, урожайность и качество продукции (производственный полевой опыт);

– разработка практических рекомендаций по поддержанию почвенного плодородия, обеспечивающих оптимизацию фитосанитарного состояния посевов (засоренность), высокие урожаи и качество овощной продукции при минимальных затратах на выращивание, а также возможности экологических способов ведения отрасли.

Методология и методы исследований. В качестве методов исследования использовали классические способы биоанализа. В лабораторных условиях получены водные экстракты надземных частей сорных растений. Производственные испытания проведены к КФХ «Башмаков С.А.» Прокопьевского района Кемеровской области.

Результаты исследований докладывались на всероссийских и международных научно-практических конференциях (РИНЦ), представлены в следующих публикациях (в журналах, рекомендованных ВАК):

1. ЕгушоваЕ.А. Yield and quality of root crops using organic technology/ Е.А. Егушова, О.В. Анохина // International agricultural journal. – 2020. – Vol.63. – № 6. – P.225-232.

2. Анохина О.В. Влияние предшественников на засоренность посевов корнеплодов при применении органической технологии / О.В. Анохина, Е.А. Егушова, Д.Е. Старикова // Успехи современного естествознания. – 2020. – № 12. – С. 7-11.

3. Егушова Е.А. Влияние предшественника на урожайность свёклы столовой в условиях лесостепи Кемеровской области / Е.А. Егушова, Д.Е. Старикова // V Всероссийская (национальная) научная конференция «Роль аграрной науки в устойчивом развитии сельских территорий». – 2020. – С. 34-36.

3. Старикова Д.Е. К вопросу о развитии органического земледелия / Д.Е. Старикова, Е.А. Егушова // XVII Международная научно-практическая конференция «Пища.Экология. Качество». – 2020. – С.618-620.

4. Анохина О.В. Влияние предшественника на урожайность картофеля в условиях Кемеровской области / О.В. Анохина, А.В. Седун // XIX Международная научно-практическая конференция «Современные тенденции сельскохозяйственного производства в мировой экономике». – 2020. – С. 254-258.

6. Старикова Д.Е. Влияние предшественников на урожайность моркови сорта Шантанэ 2461 / Д.Е. Старикова, Е.А. Егушова // XIX Международная научно-практическая конференция «Современные тенденции сельскохозяйственного производства в мировой экономике». – 2020. – С. 358-361.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Все живое на земле взаимосвязано. Для теоретического и практического земледелия основным вопросом является взаимодействие растений с окружающей средой.Сообщество культурных растений, посаженных человеком, и сорных растений, произрастающих спонтанно представляют собой агрофитоценоз. Сорные растения, как компонент агрофитоценоза, являются неотъемлемой его частью. Полностью избавиться от сорных растений невозможно, так как уничтожение компонента агрофитоценоза ведет к нарушению системы взаимодействий внутри ценоза, что прогнозирует его трансформацию, которая предполагает разрушение целостности и неоправданные затраты на восстановление первоначальных связей.

Впервые четкое понятие влияние растений на среду было сформировано швейцарским ботаником А. Деконделем, как необходимость чередования сельскохозяйственных культур в практике земледелия. Термин «аллелопатия» (от греч. аllelon – взаимно и pathos – страдание) был введен в 1937 году австрийским физиологом растений Гансом Молишом[21].

В процессе своей жизнедеятельности растения выделяют в окружающую среду различные органические соединения, обладающие физиологической активностью.Таким образом вокруг растения формируется «защитная среда» из биохимически активных соединений, оказывающая как положительное, так и отрицательное воздействие на соседние растения. Обычно одно растение является донором, выделяющим биологически активные вещества, а другое акцептором, которое подвергается воздействию данных веществ.Вещества, выделяемые растением-донором, могут иметь газообразную форму или растворяться в водных системах. В связи с этим для аллелопатии наибольший интерес представляют газообразные и водорастворимые вещества[2, 5].

Компоненты растительных сообществ отличаются широким разнообразием, в следствие чего они могут иметь различные формы взаимоотношений и оказывать как прямое, так и косвенное воздействие друг на друга.К одной из таких форм взаимоотношений в растительных биоценозах относитсяаллелопатия.Она представляет собой круговорот физиологически активных вешеств (колинов),регулирующих внешние и внутренние взаимодействия, обновление, возобновление и смену растительного покрова в биогеоценозе. В качестве растений-доноров в агрофитоценозе могут выступать как культурные, так и сорные растения. Аллелопатический эффект зависит от химического соединения, выделяемого аллелопатическим агентом в среду[4].

Сорные растения в небольшом количестве оказывают положительный эффект на аллелопатический и общий биологический режим почвы, способствуя развитию микроорганизмов и почвенной фауны, таким образом стимулируя разложения растительных остатков. В процессе разложения растительных остатков в почву выделяются различные соединения, обладающие ингибирующим и стимулирующим воздействием.

В Ставропольском государственном аграрном университете в лабораторных условиях изучали аллелопатическую активность вытяжек сорных растений осота полевого (Sonchus arvensis L.), вьюнка полевого(Сonvolvulus arvensis L.), плевела опьяняющего (Lolium temulentum L.), овсюга обыкновенного (Avena fatua L.) и почву из их ризосферы. Семена озимой пшеницы сорта Зерноградка 9 использовали в качестве тест-объекта.

Учеными установлено, что наибольшую аллелопатическую активность по отношению к тестируемому объекту проявлялLolium temulentum L., в частностиего экстракты, полученные из надземной части, под воздействием которых лабораторная всхожесть семян пшеницы снижалась на 36 % по сравнению с контрольным образцом.Экстракт из надземной части Avena fatua L.снижал лабораторную всхожесть семян пшеницы на 28%. Однако на почве, взятой из ризосферы, всхожесть семян тест-объекта уменьшилась всего на 7 % по сравнению с контролем. Сonvolvulus arvensis L.проявлялнаименьшую аллелопатическую активность. Экстракт из корней Сonvolvulus arvensis L.снижал всхожесть семян пшеницы всего на 2 %.

Водорастворимые ингибиторы прорастания семян у Sonchus arvensis L. концентрируются в надземной части растения, что способствует значительному снижению всхожести семян, но при этом экстракты из корней и почва из ризосферы уменьшаливсхожесть семян тест-объекта на 5% и 8% соответственно.

В результате проведенных экспериментов ученые отмечают наибольшую аллелопатическую активность у экстрактов, полученных из надземной части сорных растений. Ингибирующая активность водорастворимых вытяжек физиологически активных веществ из корней и почвы ризосферы проявилась в меньшей степени[14, 15].

Известно, что аллелопатическая активность многих культурных растений достаточно высока. В процессе роста и развития они выделяют через корневую систему в почву биологические ингибиторы, которые способны существенно угнетать рост и развитие последующих в севообороте растений.

Д.Н. Балеевым, М.И. Ивановой (2011) выявлено, что представитель семейства сельдерейные – растения корневого сельдерея, обладаютзначительной аллелопатической активностью. Доля нормально развитых проростков тестовых культур (редис и салат) была в пределах 1,2 и 0%. В результате проведенных исследований, отмечено, что растения петрушки корневой также являются аллелопатически агрессивной культурой. Процент нормально развитых проростков редиса составлял 2,3%, салата – 3,7%.

Авторы отмечают, что на результаты исследований существенное влияниеможет оказывать специфика тестовой культуры. Растения сельдерея корневого в возрасте трех месяцев сильно угнетали салат, доля проростков выше 10 см непревышала 2,4%. Однако при использовании в качестве тестовой культуры редиса процент нормальных проростков был существенно выше – 36,1%. По мнению исследователей, сильная аллелопатическая активность этих культур связана с эфирными маслами, которые выделяются при их выращивании.

Учеными в различных исследованиях установлено, что в зависимости от тестовой культуры капуста относится к культурам, обладающим слабой (салат –77%) или средней (редис –60,2%) аллелопатической активностью, а корневой сельдерей и петрушка являются аллелопатически агрессивными культурами. При возделывании этих культур возможно развитие почвенного утомления, что необходимо учитывать при использовании их в качестве предшественника.

Аллелопатия является мощным природным фактором жизни растений, что и определяет актуальность изучения этого явления.

Бухаровым А.Ф. (2011) показана роль аллелопатического влияния овощных сельдерейных культур на прорастание семян редиса, салата, кресс-салата и горчицы сизой. В результате исследований выявлено, что под влиянием экстракта из семян сельдерея корневого тест-объекты: японская капуста и горчица сизая снижали всхожесть семян незначительно соответственно на 1,0 и 4,0% в среднем. Наиболее активно, на вытяжку из семян сельдерея корневого реагировал кресс-салат, при этом прорастания семян за годы исследований не отмечено.

Невысокую аллелопатическую активность проявляли семена укропа. Экстракт из семян петрушки корневой умеренно снижал всхожесть семян редиса, салата (на 9,0-12,0%), пастернакза годы исследований показал стабильное угнетение прорастания семян тест-культур. Наибольшее угнетение отмечено на семенах японской капусты, где процент прорастания составил 86,0%, что ниже контроля на 12,0%.

Ученые из Ставропольского ГАУ изучали аллелопатическое влияние растительных остатков озимой пшеницы на энергию прорастания, всхожесть, и темпы роста проростков озимого рапса. В исследованиях концентрация настоя из растительных остатков озимой пшеницы в растворе составляла 0, 25, 50, 75 и 100%.

На третий день при определении энергии прорастания семян наблюдалось сильное (от 34 до 43%) ингибирование процесса прорастания семян озимого рапса при всех изученных концентрациях настоя из растительных остатков озимой пшеницы. На 7-й день всхожесть семян рапса под воздействием настоя снизилась на 64-80%, что соответствует очень сильному аллелопатическому воздействию, такая же тенденция отмечена и на 11-й день наблюдений.

Также на 11-й день нормальное развитие проростков наблюдалось и при концентрации настоя 25%, при более высокой концентрации настоя растительных остатков озимой пшеницы практически полностью подавлялось развитие проростков озимого рапса. Авторы делают вывод, что при концентрации настоя растительных остатков озимой пшеницы 25% и выше наблюдается очень сильное аллелопатическое ингибирующее влияние на прорастание семян, рост корешка и развитие проростков озимого рапса.

Растительные остатки озимой пшеницы сдерживали также первоначальный рост проростков и корней озимого рапса. На 7-й день на контроле и 5-процентной концентрации настоя практически все проростки образовали семядольные листочки зелёного цвета с длиной стебелька 37,0 и 35,3 мм, длиной корешка 22,3 и 27,8 мм. Таким образом, растительные остатки озимой пшеницы ингибируют прорастание семян и первоначальный рост проростков озимого рапса при любом количестве их присутствия в растворе питательной среды. Слабое аллелопатическое воздействие начинает проявляться при концентрации настоя 5 и 10%, при концентрации 20% и выше проявляется сильное и очень сильное воздействие[6].

К химическим агентам, проявляющималлелопатическое действие относятся: фенольные соединения, продукты белкового распада, спирты, альдегиды, органические кислоты,оксикарбоновые кислоты, метаболиты микроорганизмов, антибиотики, терпены и другие жирорастворимые вещества.

На прорастание и рост культурных растений могут влиять семена сорных растений. В процессе борьбы с сорной растительностью важную роль играют знания закономерностей химического взаимодействия растений.Данные познания позволяют спрогнозировать их численность и снизить использование средств химической защиты культурных растений.

Г.Ш. Турсумбекова изучала аллелопатическое воздействие 10 видов вытяжек сорных растений на всхожесть семян и морфометрические показатели проростков зерновых культур. В качестве тест-культуриспользовались семена и проростки зерновых культур – озимой ржи, яровой пшеницы, овса, ячменя [20].

В процессе исследования установлено, что максимальный ингибирующийэффект проявляют вытяжки из мари белой и ярутки полевой. Максимальное ингибирование прорастания семян овса зафиксировано при использованиивытяжки мари белой (количество проросших семян – 8,6 % от контроля), минимальное ингибирование прорастания семян вытяжкой этого же сорняка наблюдалось у яровой пшеницы. Вытяжка из ярутки полевой сильнее всего ингибировала прорастание семян яровой пшеницы, меньше всего – озимой ржи.

Наименьшим аллелопатическим действием на прорастание исследуемых зерновых культур обладала вытяжка, полученная из надземной части звездчатки средней.В процессе её использования прорастание семян варьировалось от 64,7 до 83,0 %. Максимальное снижение длины зародышевого корешка отмечено при использовании вытяжки ярутки полевой от 31,2 % (яровая пшеница) до 50,0 % (озимая рожь). Наименее устойчивыми к ингибирующему воздействию вытяжек из сорных растений оказались семена овса и яровой пшеницы, а наиболее устойчивыми – семена озимой ржи.

Несмотря на значительное количество исследований, связанных с анализом влияния растительных вытяжек и экстрактов на взаимоотношения в процессе роста с другими растениями в агробиоценозах, данный процесс не раскрыт полностью. Также в практике сельскохозяйственного производства вопросам аллелопатии уделяется недостаточное внимание и открываются новыеперспективы исследований.

Изучение реакции овощных культур на выбор предшественника является актуальной задачей.

2 УСЛОВИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Объекты исследований, место проведения и методики исследований

Работа состояла из 2 этапов: лабораторные исследования и производственный полевой опыт.

1 этап лабораторных исследований включал изучение взаимовлияния семян овощных культур и сорных растений на начальных этапах онтогенеза;

2 этап лабораторных исследований включал изучение аллелопатической активности послеуборочных растительных остатков яровой пшеницы и картофеля на посевные качества и первоначальный рост проростков овощных культур.

Экспериментальные исследования проведены в лаборатории кафедры агрономии, селекции и семеноводства.

Объектами исследования являлись семена овощных культур – моркови (сорт Шантанэ 2461 и Самсон), свеклы (сорт Детройт и гибрид БороF1). И вытяжки следующих видов сорных растений: Amaranthus retroflexus L., Capsellabursa-pastorisMedic., SonсhusarvensisL.Внешний види химический состав сорных растений представленына рисунках1-13.

Рисунок 1 –Amaranthus retroflexus L. (щирица запрокинутая)

Amaranthus retroflexus L. – однолетник, часто встречающееся растение (рисунок 1) со стержневым корнем, произрастающее из семян. Плодовитость одного растения может достигать 5000 семян, которые сохраняют всхожесть до 40 лет. Семена покрыты твёрдой оболочкой. Обладают периодом покоя и в год созревания не прорастают. На следующий год семена начинают прорастать весной, когда температура поднимается выше 20°С, особенно много всходов растения появляется в начале лета. Наилучшая всхожесть семян наблюдается с поверхности почвы или при глубине залегания около 0,5 см. Механические повреждения оболочки семени повышают его способность к прорастанию. При заделке глубже 5 см семена щирицы, запрокинутой всходов не дают. Цветет в июне-сентябре, плодоносит в июле-октябре. В год созревания семена почти не прорастают. Amaranthus retroflexus L. запрокинутая относится к сорным растениям.

В листьях растения Amaranthus retroflexus L. содержится вещество амарантин (рисунок 2), состоящее из агликона бетанидина и углеводной части, имеет красно-фиолетовый цвет. Амарантин принимает участие в окислительно-восстановительных реакциях фотосинтеза.

Рисунок 2 – Структурная формула амарантина содержащегося в листьях Amaranthus retroflexus L

Известно, что продукты свободнорадикальных реакций вызывают нарушение работы биологических мембран, за счет развития процессов перекисного окисления мембранных липидов [8].Амарантин ингибируюет развитие свободнорадикальных состояний. Вегетативные органы Amaranthus retroflexus L. содержат вещество лиофилизат. В исследованиях А.Н. Журавскойустановлено, что лиофилизатконцентрации раствора 1 % и 2% активизирует систему антиоксидантной защиты клеток. Но использование 4% раствора лиофилизата приводит к снижению всхожести зерна и средней массы сухого проростка [9].

В листьях Amaranthus retroflexus L. содержится фермент кислая фосфатаза (рисунок 3), который расщепляет фосфорную кислоту и помогает растениям получать из нее фосфор. Её активность зависит от развития растений и их взаимодействия с микроорганизмами-симбионтами, а также от кислотности почвы. Если среда кислая, «работает» кислая фосфатаза, а при пониженной кислотности «включается» щелочная фосфатаза [46]. Согласно исследованиям Д.К. Чернышука максимальное количество форм фермента отмечается в листьях щирицы в генеративный и сенильный периоды[27].

Рисунок 3 – Кислые фосфатазы, содержащаяся в листьях щирицы запрокинутой

А.Н. Журавская[8] установила, что семена щирицы запрокинутой содержат от 6 до 17 % масла, в котором содержится антиоксидант сквален. Скваленотносится к углеводородам тритерпенового ряда природного происхождения (рисунок 4). Молекулы сквалена связывают и обезвреживают токсические вещества, свободные радикалы, канцерогены и другие вредные соединения, которые могут разрушать клеточную мембрану и проникать внутрь клетки [16].

Рисунок 4– Структурная формула сквалена в семенах

Amaranthus retroflexus L

В исследованиях Н.В. Чекалиной приведены данные о том, что биологически активные вещества, содержащиеся в семенах щирицы запрокинутой оказывают ингибирующее влияние на рост и развитие семян культурных растений [26].

Пастушьясумка(Capsella Bursa-Pastoris Medic)

Пастушья сумка (рисунок 5) зимующий однолетник со стержневой корневой системой и ветвистым стеблем высотой до 40 см. Всходы появляются марте-мае, а также в августе-октябре, летнее – осенние перезимовывают. Цветет с середины апреля до осени. Пастушья сумка обладает высокой семенной продуктивностью – на одном растении может созревать от 40 тыс. до 70 тыс. семян. Жизнеспособность семян сохраняется до 35 лет, семена прорастают с глубины не более 2-3 см.

Рисунок5 –Capsella Bursa-Pastoris Medic (пастушьясумка)

В качестве защиты посевов и очистки полей от злостного сорняка, которым является пастушья сумка, в сельском хозяйстве используется прием биофумигации. Механизм дейстия биофумигации можно объяснить распадом глюкозинолатов на серосодержащие соединения – тиоцианы. Глюкозинолаты – это биологически активные вещества, которые выделяются в почву в период роста рапса, ингибируя прорастание семян и вегетативных органов размножения сорняков. ИсследователемВасильевым (2014) установлено, что, зеленая масса крестоцветных культур, заделываемая в почву, подавляет рост пастушьей сумки в пахотном слое почвы.

Пастушья сумка считается фитотоксичным растением. В ней содержатся глюкозинолаты и мирозиназа (рисунок 6,7), которые разрушают гликозиды в более биологически токсичные соединения – тиоцианаты и нитрилы. Являясь представителем семейства Brassicaceae, пастушья сумка содержит изотиоцианаты (рисунок 8), которые обладают фунгитоксическим, инсектицидным, нематицидным и фитотоксическим свойствами [54].

Рисунок 6– Структурная формула глюкозинолата

Рисунок 7 – Структурная формула мирозиназы

Рисунок 8 – Структурная формула изотиоцианатов

Рисунок 9– SonсhusarvensisL. (осот полевой)

Многолетний корнеотпрысковый сорняк (рисунок 9) со стержневым корнем, углубляющимся в почву до 100 см, горизонтальные длинные очень хрупкие корни дают большое количество придаточных почек. Стебли голые, прямые и ветвистые. Размножается семенами и вегетативно (одно растение даёт до 20 тыс. семян). Засоряет посевы всех сельскохозяйственных культур.

У SonсhusarvensisL. обнаружены водорастворимые ингибиторы прорастания семян, которые концентрируются в надземной части, поэтому можно сказать, что свежепоступившая в почву биомасса этого сорного растения вызывает ингибирование всхожести семян культурного растения примерно на 8% по сравнению с контролем. В дальнейшем снижаются рост, масса растений и развитие корешков. Ситуация меняется, если высевать семена культурных растений в почву, где растительные остатки SonсhusarvensisL. минерализовались в течении 30 суток. Так, В.Н. Передериевой с соавторамиустановлено, что разложившаяся биомасса этого сорняка благотворно влияет на всхожесть культурных растений, повышая её на 3%, т.е. разложившиеся остатки проявляют ростстимулирующие эффекты [14, 15].

Осот полевой содержит такие элементы, как кадмий и бор. Кроме того, это растение является нитрофильным растением, т.е. поглощающим азот в больших количествах[19].

Исходя из этого можно объяснить каким образом SonсhusarvensisL. оказывает ингибирующее влияние на культурные растения. Являясь нитрофилом, он лишает всходы азота, так как именно во время роста и развития молодые растения особенно нуждаются в этом элементе.

Исследование иностранных ученых Li [44] и Gomaa[38]показало, что водный SonсhusarvensisL. проявляет ингибирующее действие на всхожесть растений как других, так и собственного семейства. Проявляемый водным экстрактом, аллелопатический эффект зависит от его концентрации. Скорость прорастания семян снижалась параллельно с увеличением концентрации экстракта. Такое действие экстракта SonсhusarvensisL. связано с уменьшением клеточного деления проростков, так как фенольные аллелохимические вещества могут ингибировать деление клеток и изменять ультраструктуру клеток.

Спектрофотометрическим анализом, исследователем Gomaa[38] подтверждено наличие в растении SonсhusarvensisL.фенолов, флавоноидов (рисунок 10), дубильных веществ, сапонинов и алкалоидов (рисунок 11). Обнаруженные соединения оказывают влияние на рост многих растений [41]. Такие вещества, как сесквитерпены, флавоноиды, терпены (рисунок 12), алкалоиды, в том числе флавоноиды проявляют сильную фитотоксичность [51].Ниже приводятся химические соединения содержащиеся в растения SonсhusarvensisL.

Рисунок10 – Структурная формула флавоноидов содержащиеся в

SonсhusarvensisL.

Рисунок 11– Структурная формула алкалоидов содержащиеся в

SonсhusarvensisL.

Рисунок 12 – Структурная формулатерпенов содержащиеся в

SonсhusarvensisL.

Содержание этих веществ в тканях осота объясняет ингибирующий эффект, проявляемый осотом. Кроме того, свойства, тормозящие рост других растений осотом, объясняется с высвобождением фенольных соединений [37,57].

Результаты рассмотренных исследований однозначно утверждают о содержании в SonсhusarvensisL. аллелохимических веществ, в особенности, в больших количествах растение содержит фенолы (рисунок 13). Высокий уровень вторичных метаболитов у данного вида может усиливать его аллелопатический потенциал [45].

Рисунок 13 – Структурная формула фенолов содержащаяся в

Sonсhusarvensis

Обычно для изучения эффектов аллелопатических соединений проводятся лабораторные исследования. В лабораторных исследованиях нами взяты семена овощных культур 100 шт. (морковь), 50 шт. (свекла), которые проращивали в чашках Петри на фильтровальной бумаге, увлажненной водной вытяжками вегетативных органов сорных растений(Amaranthus retroflexus, CapsellaBursa-Pastoris иSonсhusarvensis). Проращивание семян проводилипри температуре 20-22°С. Контрольные образцы семян проращивалина фильтровальной бумаге, увлажненной дистиллированной водой. Опыты проводили в 4-х кратной повторности. Лабораторную всхожесть и энергию прорастания семян определяли согласно ГОСТ 12038-84.

Экстрагирование физиологически активных веществ проводили по методике А.М. Гродзинского [3]. Для этого измельчали корни и надземную часть (стебли + листья + соцветия) сорняков и настаивали в течение 24 часов при комнатной температуре в соотношениях навески и воды 1:20 (5 г сорняков на 100 мл воды) и 1:10 (10 г сорняков на 100 мл воды) (рисунок 14).

Рисунок 14 – Измельченная масса сорных растений

Аллелопатическую активность послеуборочных растительных остатков определяли методом А.П. Стаценко. Данный метод заключается в проращивание в чашках Петри семян изучаемого вида растений с последующим вычислением процента всхожести как косвенного показателя степени аллелопатического воздействия: сильная – всхожесть семян менее 50%; средняя – от 50-75%; слабая – от 75% и выше [18].

В качестве послеуборочных растительных остатков были взяты растительные остатки яровой мягкой пшеницы и картофеля.Содержание аллелохимикатов в растительных остатках яровой пшеницы и картофеля приводится на рисунках 15-16.

Аллелохимические соединения, содержащиеся в яровой пшенице, переходят в почву вследствие эксудации из корней, разложения растительных остатков и вымывания из растений водой. Растение яровой пшеницы, как и последующие его растительные остатки, содержит фенолы, которые являются наиболее распространенными водорастворимыми аллелохимическими соединениями. Они играют важную во взаимодействиях растений между собой [33, 34]. Проведенные научные исследования показывают, что фенольные соединения, попадая в почву, сорбируются, детоксифицируются или превращаются в более простые формы. СогласноY.S.Lam[43] фенолы могут подавлять рост сорняков, за счет влияния на поглощение питательных веществ. Кроме этого есть данные, где утверждается, что фенолы могут служить источником углерода для микробов.

В наших опытах в качестве предшественников для овощных культур (моркови и свеклы) рассмотрены аллелопатическая активность яровой пшеницы и картофеля. Аллелопатическая активность пшеницы приписывается гидроксамовой кислоте и родственным соединениям, а также фенольным кислотам. Гидроксамовая кислота (рисунок 15) играет важную роль в севооборотах, обладает гербицидной активность. Это очень выгодно для создания природных гербицидов.

Рисунок 15– Структурная формула гидроксамовой кислоты содержащейся в растениях яровой пшеницы

В растениях пшеницы обнаружены бензоксазиноны, которые обладают сильным гербицидным действием (рисунок 16).

Рисунок 16– Структурная формула бензоксазинона содержащегося в растениях пшеницы

Таким образом на основе научной литературы можно сделать вывод, что растительные остатки яровой пшеницы содержат аллелохимикалии, которые обладают аллелопатической активностью.

В экстрактах листьев картофеля содержатся гликоалкалоиды, фенолы и флавоноиды. Гликоалкалоиды – основная группа биоактивных соединений видов Solanum и являются производными соланидина (агликона). Высокий уровень гликоалкалоидов в листьях – первая линия защиты от патогенов и травоядных животных. Обнаружено, что экстракты, полученные из листьев дикого картофеля, оказывают сильный ингибирующий эффект на рост и развитие проростков культурных растений. Но, экстракты из листьев культурного картофеля не проявили никаких подавляющих свойств по отношению к культурным растениям. Это объясняется содержанием в листьях картофеля гликоалкалоидов. По данным Sołtys-Kalina, (2019) вызывает интерес то, что флавоноиды и фенолы могут подавлять фитотоксическое воздействие гликоалколоидов. Исследования Е.Ф. Семеновой подтверждают, что картофель, в качестве предшественника, проявляет слабые ингибирующие свойства.

Содержание в картофеле высокотоксичные соединения, такие как терпены (состоящие полностью из углерода и водорода и включающие растительные летучие вещества – гликозиды, каротиноиды и стеролы); фенольные соединения (с общим признаком наличия одного или нескольких фенольных колец и включающие фенольные кислоты, кумарины, флавоноиды, дубильные вещества и лигнин), а также азотсодержащие соединения (алколоиды, глюкозинолаты и др.).

В свою очередь, алколоиды являются распространенными биологически активными соединениями растений из семейства пасленовых, в том числе картофеля. Алкалоиды — это физиологически активные соединения, которые проявляют от стимулирующего (наркотического) до токсического эффекта как на живых существ, так и на растения. Картофель содержит два вида гликоалколоида: α-соланин и α-хаконин – это природные пестициды (рисунок 17, 18). Известно, что гликоалколоиды в вегетативных частях картофеля образуется в качестве защитной реакции против патогенов и насекомых.

Рисунок 17– Структурная формула α-хаконина

Рисунок 18 – Структурная формула α-соланина

Другие предполагаемые аллелохимические вещества в картофеле – пальмитиновая кислота, этиловый эфир линолевой кислоты могут подавлять рост сорняков. Полевые исследования показали, что заделка растительных остатков в почве угнетает рост сорных растений, в то время как на контрольном участке без заделки остатков картофеля рост сорняков прогрессировал. Ученые предполагают, что такой эффект связан с содержанием в остатках растений картофеля фенольных соединений, таких как хлорогеновая кислота, кофейная кислота и кумаринов.

На третьем этапе научных исследований по изучению аллелопатии былпоставлен производственный полевой опыт в КФХ «Башмаков С.А.» Прокопьевского района, Кемеровской области.

Почва опытного участка – чернозем оподзоленный среднемощный среднегумусный среднесуглинистый, с содержанием гумуса в пахотном слое – 6,7%, обменного калия 130 мг/кг, подвижного фосфора 147 мг/кг почвы, рН_сол – 6,2.

Посев моркови проводили 3 мая, посев свеклы 15 мая, повторность опыта – трехкратная, площадь одной опытной делянки 24 м², учетная площадь 21 м². Морковь и свеклу высевали с междурядьями 70 см, семена моркови заделывали на глубину 1-2 см, свеклы 3-4 см. Норма высева моркови – 4 кг/га, свеклы – 10 кг/га.

Посев овощных культурпроводили по двум распространённым в Кемеровской области предшественникам – яровая пшеница и картофель.

Обработка почвы включала по зерновым предшественникам: осенью – культивацию глубину на 10-12 см, весной – ранне-весеннеее боронование (штригельная борона AS 1200 1М)и предпосевная культивация под свёклу КТП-8 на глубину 5-6 см, по пропашному предшественникупредпосадочное фрезерование Амак на глубину 12-15 см, прикатывание с последующим посевом изучаемых культур.

В период вегетации культур проводили фенологические наблюдения.Урожайность корнеплодов собирали отдельно по повторностям и сортировали на товарные и нетоварные корнеплоды [13]. Нетоварные корнеплоды взвешивали отдельно от товарных. При уборке по каждой повторности нетоварные корнеплоды сортировали на мелкие, искривленные, пораженные вредителями (морковная муха), разветвленные и треснувшие. Далее вычисляли среднюю массу корнеплодов и процент товарного урожая. Товарные корнеплоды взвешивали по каждому сорту и находили средний вес одного корнеплода. Содержание сухого вещества определяли в корнеплодах по ГОСТ 31640-2012, массовую долю сырой золы по ГОСТ 26226-95, массовую долю каротина по ГОСТ 8756.22-80, сахаристость по ГОСТ ISO 2173-2013.

Статистическая обработка экспериментальных данных проводилась однофакторным дисперсионным анализом.

Метеорологические условия 2020 г. были близки к среднемноголетним показателям, наблюдался небольшой избыток влаги в июле и первой половине августа, осадков выпало выше нормы на 15% и 30%, соответственно (рисунок 19). Температура была выше нормы на 3,7^оС в мае и на 2,5^оС в августе, остальные месяцы были близки к средним многолетним показателям.

Рисунок 19 – Метеорологические условия вегетационного периода, 2020 г.

В целом условия увлажнения за вегетационный период 2020 года были благоприятными для роста и развития корнеплодов, ГТК составил 1,26.

2.2 Характеристика объектов исследования

Характеристика сортов моркови

Шантанэ 2461 –сортсреднеспелый, продолжительность вегетационного периода от всходов до технической спелости составляет 105-115 дней. Розетка листьев полустоячая. Окраска поверхности, сердцевины и мякоти корнеплода – оранжевая. Корнеплод конический, тупоконечный, длиной 15 см, диаметром 5-6 см, массой 80-250г. Корнеплод полностью погружен в почву. Вкусовые качества высокие. Сорт характеризуется устойчивостью к цветушности. Рекомендован для потребления в свежем виде и переработки. Урожайность 2,0-4,0 кг/м².

Самсон – среднеспелый сорт, достигает технической зрелости через 110-120 дней после появления всходов. Используется в пищу, начиная со стадии пучковой (молочной) спелости, наступающей после 50-го дня вегетации. Растения мощные, листовая розетка полураскидистого типа. Листья среднерассеченные, длинные, зеленые, слегка опушенные. Созревшие корнеплоды расположены на уровне почвы (головки не выступают над поверхностью грунта). Корнеплоды среднего и крупного размера: длиной до 18-22 см, массой 120-150 г, с отчетливо шероховатой поверхностью. Вкусовые качества хорошие, дегустационная оценка – 4-5 баллов. Урожайность с 1 м² – 5-8 кг. Корнеплоды используются для потребления в свежем виде, промышленной и домашней переработки, хранения. За счет хорошей лежкости у моркови данного сорта после 6 месяцев хранения остается 86,7% плодов товарного качества.

Характеристика свёклы столовой

Детройт – среднеспелый сорт, период от всходов до технической зрелости составляет 82-97 дней; созревание происходит дружно, урожайность товарной продукции составляет 362-692 ц/га, что выше стандарта Бордо 237 на 10- 88 ц/га; выход товарной продукции находится на уровне стандарта– 82-91%; свекла обладает устойчивостью к цветушности и стрелкованию. Корнеплод небольшой, округлой формы. Масса – 111-212 грамм. Кожица гладкая, красная. Мякоть плотная и нежная, не содержит жёстких волокон, тёмно-красного цвета, без кольцеватости. Вкусовые качества хорошие. В 100 г овоща содержится: сухих веществ 17,6- 20,4%, общего сахара 12,3-14,2%.

Боро F 1– среднеспелый гибрид столовой свеклы со сроком вегетации 110-115 дней. Розетка листьев небольшая, прямостоячая, хорошо развита. Корнеплоды округлой формы диаметром 8-10 см, могут достигать 110-210 грамм. Мякоть свеклы ярко-красного цвета без колец, кожура темная и гладкая. Средняя урожайность сорта 60-80 т/га.

3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Изучение аллелопатического взаимодействия семян овощных культур и сорных растений на начальных этапах онтогенеза

В растительных сообществах между растениями происходят различные внутри- и межвидовые конкуренции за ресурсы и территорию. Ярким примером конкурентных взаимоотношений является аллелопатия, которая выражается в выделении аллелохимических веществ одними растениями для подавления роста и развития других. Например, многие виды сорняков выделяют различные аллелохимикалии, которые проявляют ингибирующий эффект на прорастание семян и развитие культурных растений. Сорные растения угнетающе действуют не только на развивающиеся растения, но и на растущие семена.

В нашем исследовании мы изучали аллелопатическое влияние сорных растений на прорастание семян моркови. Водные экстракты изучаемых сорных растений значительно повлияли на показатели на показатели энергии прорастания и лабораторной всхожести семян. Максимальным ингибирующим действием обладали водные вытяжки из пастушьей сумки (Capsellabursa-pastorisMedic.) и осота полевого (SonсhusarvensisL.), при соотношении растительного сырья и воды 1:10 (табл.1).

Таблица 1 – Аллелопатическое влияние вытяжки сорных растений на энергию прорастания и всхожесть семян моркови

Продолжение таблицы 1

Наибольшее подавление прорастания семян моркови наблюдалось у сорта Самсон водной вытяжкой пастушьей сумки (Capsellabursa-pastorisMedic.)при соотношении растительного сырья и воды 1:10. Установлено, что количество проросших семян на 46% ниже контроля (рисунок 20).

Рисунок 20 – Семена моркови Самсон, обработанные водной вытяжкой из CapsellaBursa-Pastoris (1:10) (3-й день проращивания)

Существенное снижение всхожести семян моркови нами отмечено при действии водной вытяжки пастушьей сумки (Capsellabursa-pastorisMedic.) и осота полевого (SonсhusarvensisL.)при соотношении растительного сырья и воды 1:20 на 26,5% у сорта Шантанэ 2461, и на 33% у сорта Самсон, по сравнению с контролем (рисунок 21).

Рисунок21 – Семена моркови Шантанэ 2461 (7-й день проращивания)

Наименьшее аллелопатическое влияние оказала вытяжка щирицы запрокинутой (AmaranthusretroflexusL.) – прорастание семян моркови варьировало от 68 % до 76,5% у сорта Шантанэ 2461 и от 48 % до 66,5% у сорта Самсон (рисунок 22).

Рисунок 22 – Семена моркови Самсон, обработанные водной вытяжкой из AmaranthusretroflexusL. (1:20) (3-й день проращивания)

Таким образом, согласно оценке аллелопатической активности [18] сильной степенью аллелопатического воздействия на семена моркови обоих сортов обладают водные вытяжки пастушьей сумки (Capsellabursa-pastorisMedic.)и осота полевого (SonсhusarvensisL.) при соотношении 1:20 (рисунок 23). Среднюю степень воздействия оказали водные вытяжки из щирицы запрокинутой (AmaranthusretroflexusL.) при соотношении 1:10 на сорт Шантанэ 2461 и при соотношении 1:20 на сорт Самсон. Слабую аллелопатическую активность проявила водная вытяжка щирицы запрокинутой (AmaranthusretroflexusL.) при соотношении 1:20 в отношении семян моркови сорта Шантанэ 2461.

Рисунок 23 – Семена моркови Шантанэ 2461, обработанные водной вытяжкой из SonсhusarvensisL. (1:20) (3-й день проращивания)

Проведенные научные исследования позволили выявить, что наибольшему ингибирующему действию от водных вытяжек сорных растений были подвержены семена моркови сорта Самсон.

Таким образом, изученные ответные реакции прорастающих семян сортов моркови на обработку водными вытяжками из растительных остатков сорных растений щирицы запрокинутой, осота полевого и пастушьей сумки выявлено отрицательное воздействие на энергию прорастания и лабораторную всхожесть семян овощных культур – моркови и свеклы. Отмечена сортовая специфичность моркови на обработку растительных остатков сорных растений.

При изучении аллелопатического влияния водных вытяжек сорных растений на прорастание семян свеклы выявлено, что экстракты в меньшей степени снижали показатели энергии прорастания и лабораторной всхожести семян свеклы, по сравнению с морковью (табл. 2).

Таблица 2 – Аллелопатическое влияние вытяжки сорных растений на всхожесть семян свеклы

Среднею аллелопатическую активность проявила водная вытяжка щирицы запрокинутой (AmaranthusretroflexusL.) при соотношении 1 :20, всхожесть семян свеклы составила 71,5% у сорта Детройт (что практически на уровне контроля) и 65,0% у Боро F1 (рисунок 24-25).

Рисунок 24 – Семена свеклы Боро F1 (7-й день проращивания)

Рисунок 25 – Семена свеклы Детройт, обработанные водной вытяжкой из AmaranthusretroflexusL. (1:10) (7-й день проращивания)

Водная вытяжка из щирицы запрокинутой (AmaranthusretroflexusL.) при соотношении 1:10 снизила прорастание семян свеклы на 11,5% у сорта Детройт (рисунок 24) и на 14% у гибрида Боро F1 (рисунок 23).

Средней аллелопатической активностью по отношению к семенам свеклы обладали вытяжки осота полевого (SonсhusarvensisL.)при соотношении 1:20 и 1:10. Прорастание семян варьировало в пределах от 50,5 % до 65,0% по сортам (рисунок 26).

Рисунок 26 – Семена свеклы Детройт, обработанные водной вытяжкой из SonсhusarvensisL. (1:10) (7-й день проращивания)

Значительное угнетение прорастания семян свеклы отмечено вытяжкой пастушьей сумки (Capsellabursa-pastorisMedic.), где процент проросших семян составил от 42,0 до 47,0% (сорт Детройт) и от 38,0 до 43,5% (Боро F1) (рисунок 27).

Рисунок 27 – Семена свеклы Боро F1, обработанные водной вытяжкой изCapsellaBursa-PastorisMedic (1:10) (3-й день проращивания)

Таким образом, исследования по изучению влияния водных вытяжек сорных растений на прорастание семян свеклы показали среднюю степень аллелопатического воздействия из щирицы запрокинутой (AmaranthusretroflexusL.) и осота полевого (SonсhusarvensisL.), и сильное проявление аллелопатической активности пастушьей сумки (Capsellabursa-pastorisMedic.), всхожесть семян свеклы составила менее 50%.

На основании лабораторных научных экспериментов выявлена сортовая и видовая специфичность ответных реакций на обработку водной вытяжкой растительных остатков сорных растений семян моркови и свеклы. Наблюдается ингибирующее действие водных вытяжек остатков сорных растений на рост и развитие изучаемых культур.

Выявленная нами аллелопатическая активность водных экстрактов сорных растений является малой частью ингибирующих свойств соединений, которые содержатся в сорняках и выделяемых путем водной экстракции.

Содержащиеся в водных экстрактах вторичные метаболиты были исследованы на семенах свёклы и моркови в естественных условиях. Установлено, что вторичные метаболиты проявляют ингибирующий эффект на рост семян исследуемых растений, что может быть объяснено действием водорастворимых веществ: алкалоидов, фенолов, кумаринов, терпеноидов, флавоноидов, гликозидов и фенолкарбоновых кислот. Поэтому, нами было решено установить подавляющую способность надземной части предшествующих культур на прорастание и рост свёклы и моркови. В нашем исследовании предшественниками являлись картофель и пшеница яровая.

3.2 Изучение аллелопатической активности послеуборочных растительных остатков сельскохозяйственных культур на посевные качества и первоначальный рост проростков овощных культур

Остатки культурных растений такие, как корневые остатки, солома, ботва являются одним из важнейших источников физиологически активных веществ, поступающих в почву. По мнению А.М. Гродзинского, 50% выращенного урожая биомассы культурных растений возвращается в почву. Научными исследованиями установлено, чтоаллелохимикалии задерживают или ускоряют развитие семян, изменяют или преодолевают состояние их покоя, воздействуют на прорастание семян и формирование органов проростка. Аллелопатическая активность растений нередко коррелирует со способностью к почвоутомлению [50].

Проведенные научные исследования позволили установить, что наибольшее ингибирующее действие на семена моркови оказывали вытяжки из послеуборочных остатков яровой пшеницы, при соотношении растительного сырья и воды 1:10 (табл.3).

Таблица 3 – Аллелопатическое влияние послеуборочных остатков на всхожесть семян моркови

На 7-й день проращивания в водной вытяжке при соотношении растительного сырья и воды 1:10 наблюдается снижение процента проросших семян моркови на 6% у сорта Шантанэ 2461 и на 9% у сорта Самсон, по сравнению с контролем.

Меньшее аллелопатическое влияние оказала вытяжка из послеуборочных остатков картофеля – прорастание семян моркови варьировало от 70 % до 74,5% у сорта Шантанэ 2461, и от 70 % до 73 % у сорта Самсон.

Таким образом, согласно оценке аллелопатической активности [18]вышеуказанные водные вытяжкирастительных остатков яровой пшеницы и картофеля оказывали среднее ингибирующее влияние на всхожесть семян моркови.

Невысокую аллелопатическую активность проявила вытяжка из послеуборочных остатков картофеля при соотношении 1:20, всхожесть семян свеклы составила 72,5% у сорта Детройт (табл.4). Водная вытяжка из остатков яровой пшеницы при соотношении 1:20 снизил прорастание семян свеклы на 7% у сорта Детройт и на 5% у гибрида Боро F1.

Таблица 4 – Аллелопатическое влияние послеуборочных остатков на всхожесть семян свеклы

Проращивание семян свеклы в водных вытяжках послеуборочных остатков яровой пшеницы и картофеля при соотношении 1:10 приводит к снижению всхожести на 9 % и 6 %, соответственно у обоих сортов овощных культур.

Исследования по изучению влияния водных вытяжек послеуборочных остатковна прорастание семян свеклы показали среднюю степень аллелопатического воздействия, всхожесть семян свеклы составила от 63 % до 72,5%.

Химические вещества, которые выделяются из надземной части яровой пшеницы и картофеля обладают ингибирующими свойствами на прорастание семян моркови и свеклы. Нами отмечено, что большее ингибирующее влияние на прорастание семян, изучаемых культу, оказывает вытяжка из яровой пшеницы.

Таким образом, вещества фенольной и терпеноидной природы, флавоноиды, алколоиды, хлорогеновая, кофейная кислоты, кумарины и др. вещества содержащиеся в растительных остатках яровой пшеницы и картофеля оказывают в основном ингибирующее действие. Наиболее вероятный путь торможения ростовых процессов заключается в неспецифическом ингибировании общего метаболизма функционирующих клеток прорастающих семян овощных культур под действием аллелопатических веществ растительных остатков яровой пшеницы и картофеля.

3.3 Фазы роста и развития корнеплодов

В год посева отмечают следующие фазы развития корнеплодов: образование всходов – появление на поверхности почвы проростков и развертывание семядольных листьев. Далее отмечают образование первой – третьей пары настоящих листьев. В эту фазу развития проводят важный прием ухода за посевами корнеплодов – букетировку растений.

В дальнейшем появление новых листьев приводит к смыканию их в междурядьях, эту фазу называют фазой смыкания листьев в междурядьях.

К концу вегетации сомкнувшиеся листья корнеплодов как бы размыкаются, обнажая междурядья. На первом году жизни растений эта последняя фаза развития корнеплодов называется фазой размыкания листьев в междурядьях или техническая спелость.

Техническая спелость корнеплодов первого года жизни – состояние затухания жизненных процессов в конце вегетации, признаками которой являются: интенсивное отмирание старых листьев, снижение темпов нарастания корнеплода и накопления сахара, уменьшение количества воды в корнеплодах, изменение химического состава листьев и корнеплодов, миграция веществ из листьев в корнеплод.

Наблюдения за фенологическими фазами роста и развития корнеплодов и за продолжительностью межфазных периодов растений представлены в таблицах 5, 6, 7, 8.

Таблица 5 – Даты наступления фенологических фаз моркови

В первый период вегетации отличий по наступлению фаз развития моркови по обоим сортам не наблюдалось. Всходы появились 30 мая, образование настоящих листьев у сорта Шантанэ 2461 отмечено 11 июня по обоим предшественникам, у сорта Самсон фаза наступила на 5 суток позже (рисунок 28).

Фаза смыкания рядков у сортов раньше наступила по предшественнику картофель – 20 июля, по зерновому предшественнику растения моркови вступили в эту фазу на 10 суток позже (рисунок 29).

Рисунок 28 – Всходы моркови

Рисунок 29–Смыкание рядков

Фаза размыкания рядков раньше всех отмечена у сорта Шантанэ 2461 по предшественнику картофель 10 сентября, на 5 суток позже фаза отмечена у сорта Самсон по обоим предшественникам и у сорта Шантанэ 2461 по яровой пшенице.

Таблица 6 – Межфазные периоды роста и развития моркови, суток

Посев моркови проведен 3 мая, всходы появились через 26 суток. Межфазный период от всходов до образования настоящих листьев у сорта Шантанэ 2461 по обоим предшественникам 11 суток, у сорта Самсон он продолжался до 16 суток. Период от образования настоящих листьев до смыкания рядков, когда происходит интенсивное формирование корнеплодов, варьировал от 33 до 48 суток по сортам. Вегетационный период составил 105 суток по зерновому предшественнику у обоих сортов моркови, по предшественнику картофель у сорта Самсон – 104, у сорта Шантанэ 2461 – 100 суток.

У свеклы по сортам практически не было отличий по датам наступления фаз роста и развития (таблица 7). Всходы у сорта Детройт отмечены 2 июня по обоим предшественникам, фаза образования настоящих листьев отмечена 16 июня. Фаза смыкания рядков раньше наступила по предшественнику картофель 20 июля, по зерновому предшественнику – 3 августа. Аналогичная картина по датам наступления фаз роста и развития свеклы наблюдали и у гибрида Боро F1.

Таблица 7 – Даты наступления фенологических фаз свёклы

Посев свеклы проведен 15 мая, всходы появились достаточно быстро через 17 суток. Межфазный период от всходов до образования настоящих листьев у сортов свеклы по обоим предшественникам продолжался 14 суток (таблица 16). Период от образования настоящих листьев(рисунок 30) до смыкания рядков (рисунок 31) варьировал от 33 суток по предшественнику картофель до 47 суток по зерновому предшественнику. Вегетационный период по картофелю у обоих сортов свеклы составил 102 суток, по зерновому предшественнику 103 суток.

Рисунок30 – Образование настоящих листьев

Рисунок 31 – Смыкание рядков

Таблица 8 – Межфазные периоды роста и развития свёклы, суток

3.4 Влияние предшественников на засоренность посевов корнеплодов

Севооборот является одним из главных факторов, определяющих фитосанитарное состояние посевов, относясь к числу наиболее эффективных и экологически безопасных методов защиты, так как способствует конкурентоспособности различных культур.

Для изучения динамики количественного состава сорняков анализы проводили в два периода вегетации корнеплодов: всходы и смыкание рядков.

За вегетационный период 2020 года в посевах моркови и свеклы выявлено 9 видов сорных растений из 7 семейств (таблица 9). В агроценозе преобладали малолетние сорняки: щирица запрокинутая, пастушья сумка, горец почечуйный, лебеда раскидистая, щетинник сизый, просо куриное, составлявшие 76,9- 97,1% от общего количества в посевах моркови и 80,0 – 97,1% в посевах свеклы. Из многолетних сорняков встречались: пырей ползучий, осот полевой и вьюнок полевой (рисунки 32, 33).

Таблица9 – Флористический состав сорняков в посевах моркови и свеклы

Рисунок32 – Засорённость в фазу всходов моркови (предшественник — картофель)

Рисунок33 – Засорённость в фазу всходов моркови (предшественник – яровая пшеница)

Массовые всходы малолетних сорных растений обычно появляются одновременно с всходами корнеплодов. В посевах моркови и свеклы из малолетних доминировали сорняками из семейства мятликовые (Poaceae). Их плотность достигала в посевах моркови по предшественнику картофель – 25 шт./м², по яровой пшенице 14 шт./м²(рисунок 33). В посевах свеклы численность сорняков варьировала от 20 шт./м²– предшественник картофель, до 12 шт./м² по зерновому предшественнику (рисунок 34).

а) б)

Рисунок 34 – Численность сорняков в посевах моркови по предшественнику картофель (а) и яровая пшеница (б)

Многолетние сорняки представлены двумя биологическими группами – корнеотпрысковые и корневищные. По предшественнику картофель отмечено по одному сорняку в посевах моркови и свеклы. По предшественнику яровая пшеница в посевах моркови выявлено 6 шт./м²многолетних сорных растений, в посевах свеклы – 5 шт./м², преобладал вьюнок полевой (рисунок 35).

а) б)

Рисунок 35 – Численность сорняков в посевах свёклы по предшественнику картофель (а) и яровая пшеница (б)

В фазу всходов на посевах моркови насчитывалось всего 35 шт./м² сорняков (по картофелю) и 26 шт./м² (по яровой пшенице). В посевах свеклы численность сорняков составила 29 шт./м² по пропашному предшественнику и 20 шт./м² по зерновому предшественнику (таблица 10).

Ввиду слабой конкурентоспособности корнеплодов к сорнякам необходимо содержать посевы чистыми от сорных растений вплоть до уборки урожая. Для исключения потерь урожая за сезон проводили 3 ручные прополки.

Таблица10 – Влияние предшественников на численность сорняков в посевах моркови, шт./м²

Ко времени уборки урожая засоренность моркови не превышала 7 шт./м² по картофелю и 14 шт./м² – по яровой пшенице. В посевах свеклы также наименьшая засоренность отмечена по пропашному предшественнику – 5 шт./м², по яровой пшенице насчитывалось к уборке сорняков 11 шт./м² (таблица 11).

Таблица11 – Влияние предшественников на численность сорняков в посевах свеклы, шт./м²

Таким образом, на количество сорных растений оказали влияние химические вещества которые остаются в растительных остатках после уборки того или иного предшественника. Установлено, что в посевах моркови посеянного по предшественнику картофель, не обнаружено изученного нами сорняка как осот полевой. В посевах свеклы его численность составляла – 1 шт./м^2.. По предшественнику яровая пшеница осота полевого насчитывалось 1-2 шт./м². По предшественнику картофель не обнаружено сорняка пастушьей сумки, по яровой пшеницы 3 шт./м².

Количество малолетних сорняков было больше при посеве моркови и свеклы по предшественнику картофель. По предшественнику яровая пшеница в посевах моркови и свеклы превышало численность многолетних.

Следовательно, изученные ответные реакции овощных культур моркови и свеклы на агрохимикалии выделенные яровой пщеницей и картофелем показывают, что при посеве овощных культур необходимо проводить учет сорных растений их видовой состав и не проводить посев этих культур по предшественнику яровая пшеница. Необходимо отметить, что обработка почвы, также могла повлиять на накопление сорный растений в посевах моркови и свеклы.

3.5 Урожайность и товарные качества корнеплодов

Урожайность(рисунок 36) и товарные качества сортов моркови приведены в таблице 12. Урожайность возделываемых в КФХ «Башмаков С.А.» в 2020 году сортов моркови составила у сорта Шантанэ 2461 от 14,3 т/га (предшественник зерновые) до 35,1 т/га (предшественник картофель). У сорта Самсон урожайность варьировала от 20,0 т/га (предшественник зерновые) до 32,4 т/га (предшественник картофель). Следовательно, обработка почвы, а также растительные остаткисохраняющиеся после зерновых и пропашным культур влияют на урожайность овощных культур.

Таблица 12 – Урожайность, товарные качества сортов моркови столовой

НСР₀₅ 1,27

Рисунок 36– Урожай моркови (предшественник — картофель)

Масса корнеплодов у сортов (117-187 г) была оптимальной для реализации в торговую сеть. Товарность сортов моркови колебалась от 54,3 до 85,5%. Выход товарных корнеплодов был выше у сорта Самсон по зерновому предшественнику. Низкий выход товарных корнеплодов наблюдался у сорта Шантанэ 2461 – 69,9% и у сорта Самсон – 54,3% по зерновому предшественнику, при этом основную часть нетоварной фракции у Шантанэ 2461 составляют мелкие корнеплоды, а у сорта Самсон – поврежденные вредителями и искривленные.

По результатам 2020 года при применении органической технологии в условиях КФХ «Башмаков С.А.» рекомендуем выращивать сорт моркови Шантанэ 2461 по предшественнику картофель. Урожайность и товарные качества сортов свеклы показаны в таблице 13. В наших исследованиях урожайность корнеплодов свеклы была наибольшей по предшественнику картофель 34,3 т/га (сорт Детройт) и 31,4 т/га (Боро F1). Размещение свеклы по зерновому предшественнику привело к формированию низкой урожайности 17,3 т/га (сорт Дейтройт) и 11,1 т/га (Боро F1).

У изучаемых нами сортов в 2020 году товарность составила 64,0- 83,1%. Высокий выход товарной продукции был получен у сорта Детройт (83,1%) по предшественнику картофель, товарность гибрида Боро F1(рисунок 37) составила 77,4%. По зерновому предшественнику товарная урожайность свеклы была ниже – 70% (сорт Детройт) и 64,0% (Боро F1).

Рисунок 37– Гибрид Боро F1 по предшественнику картофель

В урожае гибридаБоро F1 (предшественник – зерновые) больший процент нетоварных корнеплодов составили мелкие (23,8%) и треснутые (12,2%); у сорта Детройт мелкие (18,2%), разветвленные (8,5%) и треснувшие (3,3%); у сорта Детройт (предшественник– картофель) отсутствовали искривленные корнеплоды, а разветвленные и мелкие составили наименьшее количество (по 2,5%), треснувшие (6,5%), поврежденные (5,4%) обеспечив тем самым самую высокую товарность.

Таблица13 – Урожайность и товарные качества сортов свёклы столовой

НСР₀₅ 1,17

Таким образом, возделываемые по предшественнику картофель сорта свеклы столовой в условия лесостепи Кемеровской области, сформировали высокий урожай и стандартные по форме и размеру корнеплоды, чем по предшественнику яровая пшеница.

Следовательно, мы рекомендуем для получения высоких урожаев, высевать в нашей зоне овощные культуры по пропашному предшественнику картофель, чем по зерновому предшественнику яровая пшеница.

Важное значение при выращивании моркови имеет качество получаемой продукции. Содержание сухого вещества у сортов столовой моркови наибольшее отмечено по предшественнику картофель у сорта Шантанэ 2461 – 16,6% и у сорта Самсон 15,4% (таблица 14).

Таблица 14 – Качество корнеплодов моркови

Показатель сахаристости по предшественникам варьировала от 11,8 до 14,9%, наблюдалась положительная тенденция в накоплении сахара при выращивании моркови сорта Самсон по предшественнику яровая пшеница. По содержанию каротина лучшие показатели отметили у сорта Шантанэ 2461 4,49 мг/100 г по зерновому предшественнику.

Предшественники свеклы столовой не оказали существенного влияния на содержание сухого вещества в корнеплодах (таблица 15).

Таблица 15 – Качество корнеплодов столовой свеклы

Незначительное повышение сухого вещества отмечали при размещении по яровой пшенице свеклы сорта Детройт – 15,8%. Сахаристость варьировала от 10,3% у сорта Детройт (предшественник картофель) до 13,2% у Боро F1 (предшественник яровая пшеница). Содержание сырой золы наибольшее показал гибрид Боро F1 по предшественнику картофель – 10,2%.

ВЫВОДЫ

1. Аллелопатический ингибирующий эффект вторичных метаболитов водных вытяжек, полученных из надземных органов сорных растений на энергию прорастания и всхожесть семян овощных культур зависел от вида сорняка, концентрации водных вытяжек полученных из частей сорных растений и сортов моркови и свеклы.

Сильной степенью аллелопатического воздействия на семена моркови обоих сортов обладают водные вытяжки полученые из Capsellabursa-pastoris и Sonсhusarvensis. Среднюю степень воздействия оказали вытяжки из AmaranthusretroflexusL. (1:10) на сорт Шантанэ 2461 и (1:20) на сорт Самсон. Слабую аллелопатическую активность проявила вытяжка Amaranthusretroflexus (1:20) в отношении семян моркови сорта Шантанэ 2461. В целом наибольшему ингибирующему действию от аллелохимкалий полученных из водных вытяжек сорных растений были подвержены семена моркови сорта Самсон.

2. Влияния вторичных соединений водных вытяжек сорных растений на прорастание семян свеклы двух сортов показали среднюю степень аллелопатического воздействия Amaranthusretroflexus и Sonсhusarvensis, и сильное проявление аллелопатической активности из наземной части Capsellabursa-pastoris, всхожесть семян свеклы составила менее 50%. Влияние вторичных метаболитов водных растворов из сорных растений зависело от соотношения надземной части сорных растений и воды (1:10 и 1:20).

3. По силе воздействия на семена моркови и свеклы водных вытяжек растительных остатков сорных растений можно распределить следующим образом: Capsellabursa-pastoris, Sonсhusarvensis и Amaranthusretroflexus, растительных остатков предшественников: яровая пшеницы, картофель.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

При органическом возделывании овощных культур рекомендуется:

— возделывать свёклу и морковь после пропашной культуры – картофеля, так как система обработки почвы после картофеля, способствует глубокой заделки семян сорных растений и они не прорастают. Остающиеся в почве после картофеля растительные остатки повышают урожайность и товарные качества овощных культур.

— заделывать растительные остатки картофеля в почву. В растительных остатках картофеля содержатся ингибирующие аллелохимические вещества (пальмитиновая кислота, этиловый эфир линолевой кислоты, хлорогеновая и кофейная кислоты и кумарины), которые угнетающе действуют на рост и развитие изученных многолетних сорняков: пастушья сумка, щирица запрокинутая и осот полевой.

Список используемой литературы

Реферат

Отчет 47 с., 6 рис., 14 табл., 40 источников.

АМАРАНТ, ТЕХНОЛОГИЯ, НОРМА ВЫСЕВА, ШИРИНА ПОСЕВА, ПРОДУКТИВНОСТЬ, КОРМОВАЯ ЦЕННОСТЬ.

Объектами исследований являлись сорта амаранта Янтарь, Кинес, Гигант, Воронежский, Универсал, Кизлярец.

Целью настоящей работы являлась разработка оптимальной технологии возделывания амаранта на зерно в условиях Западно-Сибирской лесостепи (Кемеровская область).

В процессе выполнения НИР были проведены следующие работы: проведен анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме; изучена коллекция сортообразцов амаранта отечественной селекции по комплексу морфологических, биологических и хозяйственно ценных признаков; изучена динамика роста и развития амаранта при различных способах и нормах высева; определена зависимость продуктивности и кормовой ценности различных сортов амаранта от изучаемых агротехнических приёмов; определена динамика нарастания площади листьев, величину чистой продуктивности фотосинтеза в посевах амаранта; выявлены наиболее высокопродуктивные сорта амаранта зернового направления в условиях Кемеровской области.

В результате исследований разработан регламент возделывания амаранта на зерно в условиях западносибирской лесостепи Кемеровской области (Приложение А). Апробация элементов технологии возделывания амаранта была проведена в производственных условиях ЗАО «Ударник полей» Промышленновского района Кемеровской области.

Термины и определения

Почва – самый поверхностный слой суши земного шара, возникший в результате изменения горных пород под воздействием живых и мертвых организмов (растительности, животных, микроорганизмов), солнечного тепла и атмосферных осадков.

Гидротермический коэффициент (ГТК) – показатель увлажнённости территории; Определяется отношением суммы осадков (r) в мм за период со среднесуточными температурами воздуха выше 10 °С к сумме температур (∑t) за это же время, уменьшенной в 10 раз.

Посев (посадка) – размещение семян, зерновок, клубней или рассады по площади поля на определенную глубину с учетом обеспечения растений оптимальной площадью питания.

Глубина посева – расстояние от поверхности почвы до нижней части высеваемых семян. Оптимальная глубина посева та, при которой обеспечивается наибольшая полнота всходов равномерных и неослабленных.

Норма высева – количество всхожих семян или их масса с учетом посевной годности, высеваемых на 1 га, обеспечивающая нормальные по густоте всходы и хорошую урожайность. Выражается числом всхожих семян (млн, тыс. шт.) и массой семян (кг, ц) на 1 га.

Период вегетации (вегетационный период) – время, в течение которого возможен рост растений. Начиная от прорастания семян или, например, распускания почек, заканчивая образованием семян или прекращением роста вегетативных органов растения.

Фотосинтетический потенциал посева – величина, характеризующая возможность использования посевами с.-х. культур солнечной радиации для фотосинтеза в течение вегетации.

Выживаемость растений – отношение числа сохранившихся к уборке растений к числу проросших на единице площади семян, выраженное в процентах.

Нормативные ссылки

1. ГОСТ 31640-2012 Корма. Методы определения содержания сухого вещества.
2. ГОСТ 13496.4-93 Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Методы определения содержания азота и сырого протеина.
3. ГОСТ 13496.15-97 Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Методы определения содержания сырого жира.
4. ГОСТ 26226-95 Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Методы определения сырой золы.
5. ГОСТ 26483-85 Почвы. Приготовление солевой вытяжки и определение ее pH по методу Цинао.
6. ГОСТ 26213-91 Почвы. Методы определения органического вещества.
7. ГОСТ 26107-84 Почвы. Методы определения общего азота.
8. ГОСТ26490-85 Почвы. Определение подвижной серы по методу Цинао.
9. ГОСТ Р 54650-2011 Почвы. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Кирсанова в модификации Цинао.

Введение

До недавнего времени массовое внедрение амаранта в сельское хозяйство не получило должной поддержки и распространения. Являясь в настоящее время универсальной культурой с повышенным содержанием белка, сбалансированного по незаменимым аминокислотам, биологически активных веществ, пектина, масел, обладая высокой биологической продуктивностью, экологической пластичностью, амарант входит в число растений, наиболее перспективных для интродукции на новых территориях, в том числе и в Западной Сибири, а также для получения из него пищевых продуктов лечебно-профилактического назначения (И.А. Чернов, П.Ф. Кононков, В.К. Гинс 1997 г.).

Анализ научно-технической литературы показал, что подбор адаптивных сортов, изучение биологии и агротехнологии зернового амаранта применительно к условиям Кемеровской области не проводились. В отдельных работах изучены элементы технологии возделывания амаранта для улучшения качества кормов (А.Г. Яртиев 1990 г.; Т Дубоносов, Т. Гусева 1991 г.; М.И. Ярошевич 1992 г., Ю.А. Победнов 1997 г.; М.В. Артемов, В.М. Первушин,В.А. Курицкая, И.И. Гульшина 1998 г.).

Амарант превосходит все традиционные зерновые и зернобобовые культуры по сбору белка, аминокислот, витаминов с единицы посевной площади, количеству макро- и микроэлементов, содержит большее количество биологически активных веществ и соединений. По химическому составу амарант является очень ценным растением. Продукты его переработки находят применение в самых разных отраслях: в хлебопекарном и кондитерском производстве, в мясо-молочной и масложировой отраслях промышленности, в производстве продуктов детского питания, диетических и лечебно-профилактических продуктов, в комбикормовой промышленности, в кормопроизводстве и др. Белок амаранта превосходит по качеству белок сои и других культур, а масло используется в пищевой промышленности, медицине, фармацевтике [1]. Актуальность возделывания культуры в регионе бесспорна, однако недостаточная изученность биологии и технологии новых сортов препятствует ее внедрению в производство. Нет рекомендаций по срокам посева, нормам высева, срокам уборки. Нет сведений по влиянию экологических условий выращивания (лесостепь Кузбасса) на посевные качества и урожайные свойства новых сортов амаранта. В литературе приводятся данные о нормах высева от 0,28 до 2,94 кг/га при разной ширине междурядий: 12, 15, 45, 60 и 70 см [2]. Считают, что семена амаранта, выращенные даже при относительно благоприятных условиях, имеют низкую полевую всхожесть (часто 20-30 %), и для обеспечения нормальной густоты всходов с самого начала вегетации рекомендуется некоторое загущение посевов, поэтому предлагается в 4-5 раз увеличивать норму высева. В исследованиях Г.А. Лященко в лесостепи ЦЧР [3] наибольшая масса и урожай семян с одного растения получены при густоте 25 шт./м². По мнению других авторов, оптимальной густотой стояния зернового амаранта является 20-30 шт./м² (на фуражных посевах – 70-150 шт./м²), а лучшим способом посева считается широкорядный, с междурядьями 45 см.

Опубликована статья «Перспективы возделывания амаранта и его использование в народном хозяйстве» в соавторстве с О.Б. Константиновой и И.М. Кансиговым (Инновационный конвент: Кузбасс: образование, наука, инновации (г. Кемерово, 14.12.2018).

Результатом интеллектуальной деятельности по данной тематике исследований стало ноу-хау (Состав смеси для инкрустирования и дражирования семян амаранта).

Готовится к публикации в 10-м номере 2019 г. журнала Вестник Алтайского государственного аграрного университета статья «Оценка (анализ) гидротермических условий Кузнецкой лесостепи для возделывания амаранта на зерно. Авторы М.А. Пазин и О.Б. Константинова.

В рамках исследования было подготовлено выступление студентки Илькевич К.В. с докладом «Разработка технологии возделывания нетрадиционных кормовых культур в Кузбассе» на конкурсе молодёжных инновационных проектов Умник 2019 (финал г. Кемерово, 29.11.2019).

По тематике исследований проведен доклад «Оценка гидротермических условий Кузнецкой лесостепи для возделывания амаранта на зерно» на XVIII Международной научно-практической конференции «Современные тенденции сельскохозяйственного производства в мировой экономике» (г. Кемерово, 03.12.19).

Результатом экспериментальной разработки явился регламент возделывания амаранта на зерно в условиях западносибирской лесостепи (Кемеровская область).

1 Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках НИР

В последние годы в связи с интенсивным развитием животноводства возрос интерес к амаранту метельчатому, как к одной из перспективных, нетрадиционных кормовых культур, обладающих высокой урожайностью и питательной ценностью (Казарин В.Ф., 2012, Казарина А.В., 2015).

Амарант метельчатый относится к семейству амарантовые – однолетнее крупное травянистое растение с густой колосовидно-метельчатой формой соцветия и мелкими цветами. Растение может достигать в высоту до 2,5 м, имеет прямой или ветвистый стебель, облиственный до основания широким «мясистым» листом. Вес одного растения может достигать до 8 кг, а стебель в комлевой части – 5 см. По питательной ценности амарант метельчатый в сравнении с традиционными бобовыми и зерновыми сельскохозяйственными культурами отличается более высоким содержанием белка и хорошо сбалансированным аминокислотным составом (Кононков П.Ф., Гинс В.К., Гинс М.С., 1999).

Амарант ценится и за кормовые достоинства. Его зерно и зеленая масса по содержанию белка, аминокислот, витаминов, макро- и микроэлементов, биологически активных веществ превосходят многие другие кормовые культуры. Выход белка с 1 га в среднем составляет около 200 кг. Содержание общего количества белка в семенах различных видов амаранта изменяется от 13,7 до 17,8 %. В 100 г зеленой массы – 7,2-16 к. ед., в 1 кормовой единице содержится 137-292 г переваримого протеина (Шилов В. Н., 2015)

Амарант как кормовую культуру положительно характеризует невысокое содержание клетчатки (16- 20%), концентрация водорастворимых сахаров (6,4-7,2%), пектина (9,5-11,3% на сухую массу). Наличие в больших количествах витамина С и каротина делает корм из амаранта особенно ценным, что благотворно сказывается на росте и продуктивности скота и птицы (Чернов, И.А., 1992).

Кормовые виды амаранта могут давать до 400-500 ц/га кормовой массы, которая используется не только на зеленый корм свиньям, птице, крупному рогатому скоту, но и для приготовления силоса и сенажа. На 1 кормовую единицу в кормах из амаранта приходится 137-292 г переваримого протеина (Богомолов, В.А., 2001).

Введение амаранта в рацион животных позволяет повысить коэффициент использования малоценных белков злаков и других культур в 1,5-2,0 раза, благодаря высокому содержанию белка, сбалансированного по аминокислотному составу. Содержание аминокислот в 1 кг сухого вещества вегетативной массы составляет от 81,5 до 148,0 г, а содержание лизина – 7,1-7,15 г, что в два раза больше, чем у пшеницы и 2,4 раза, чем у кукурузы.

Амарант для корма крупнорогатого скота и свиней используется в смеси с другими сельскохозяйственными культурами, например с кукурузой, так и в чистом виде (Кашеваров, Н.И., 1986). Силос из амаранта в 5 раз дешевле, чем из кукурузы.

Несмотря на высокую ценность амаранта, площади посевов этой культуры в России составляют порядка 50 тыс. га. Одна из причин слабого интереса производителей к амаранту – отсутствие качественных семян, специальной техники для посева и, самое главное, гербицидов, разрешенных к применению на этой культуре (Саратовский Л.И., 2010).

Важная биологическая особенность амаранта – его экологическая пластичность, которая проявляется в приспособленности к разным почвенно-климатическим условиям. Широкие испытания амаранта в нашей стране показали, что его можно возделывать во всех почвенно-климатических зонах, кроме севера, где сумма активных температур больше 10 ^оС составляет за вегетационный период меньше 1000 ^оС.

Амарант теплолюбивая культура, лучшим сроком посева является 2–3-я декада мая. Это позволяет снизить популяции яровых ранних и зимующих двудольных сорных видов, но способствует развитию яровых поздних сорняков.

Амарант – засухоустойчивое растение, потребность в воде у него в 2–2,5 раза меньше, чем у бобовых и злаковых культур. Он отличается отзывчивостью на приемы агротехники, адаптивностью к различным почвенно-климатическим условиям, устойчивостью к вредителям и болезням, интенсивным ростом, небольшой нормой высева семян, высокой продуктивностью и высоким коэффициентом размножения (Гинс М.С., Гинс В.К., Торрес Миньо К.Х., 2015).

Одним из основных условий получения высокой урожайности амаранта, в зависимости от производственных целей, для которых осуществляется посев. Культура из-за своих агробиологических особенностей очень требовательна к зоне питания, что задаёт высокие требования к равномерному продольному распределению семян и растений в рядке при посеве. Так, при возделывании амаранта на зелёную массу расстояние между семенами должно быть 20-22 мм, а при возделывании на зерно – соответственно 40-45 мм (Артамонов Е.И., 2013).

В условиях Нижнего Поволжья Асташов А.Н., Родина Т.В., Багдалова А.З. (2017) исследовали влияние способа посева (широкорядный – ширина междурядий 0,7 м) на урожайность зеленой массы амаранта сорта Полет. В опыте изучали нормы высева амаранта: 200, 250, 300 тыс. шт./га. С целью выдержки нормы высева семена амаранта смешивали с балластом (суперфосфат) в соотношении 1:10. При норме высева 250 тыс. шт./га получены максимальные показатели по урожайности зеленой массы амаранта (35,91 т/га), количеству сухой биомассы (9,03 т/га), содержанию протеина (18,7%).

Исследованиями Бекузаровой С.А., Гасиева В.И. (2017), проведенными в условиях предгорий Центрального Кавказа установлено, что самая низкая полевая всхожесть наблюдалась при рядовом способе посева, в широкорядных посевах с нормой высева семян до 1,0 млн. шт./га всхожесть была максимальной – 66,4%. Наиболее высокую урожайность зеленой массы амаранта сформировали рядовые (15 см) посевы с нормой высева 2 млн. шт./га и широкорядные (45 см) с нормой 1 млн. шт./га. Наибольшую урожайность семян обеспечил вариант широкорядного способа посева (45 см) с нормой высева 0,5 млн. шт./га (1,34 т/га), тогда как на рядовых посевах урожайность семян снизилась на 0,78-0,9 т/га соответственно.

Результаты проведенных исследований в 2013-2015 гг. в степной зоне ЦЧР показали, что в зависимости от способов посева (обычный рядовой и широкорядный) и норм высева (1 и 2 кг/га) лучшая сохранность растений к уборке была отмечена при норме высева 1 кг/га у сорта Воронежский, а при норме высева 2 кг/га – у сорта Гигант при обычном рядовом способе посева. В фазе созревания облиственность растений амаранта уменьшается, что способствует более раннему созреванию семян. На вариантах сплошного рядового и широкорядного посева при разных нормах высева урожайность семян была высокой – до 2,5 т/га (сорт Гигант, в среднем за три года) против 1,7 т/га у стандарта. Показано, что скороспелый сорт Воронежский можно выращивать на семена как при обычном рядовом, так и при широкорядном способах посева с нормой высева 2 кг/га, а для высокорослых сортов Универсал и Гигант лучшим способом посева на семена является широкорядный с нормой высева 1 кг/га. Лучшие показатели энергии прорастания и всхожести семян отмечены у сорта Воронежский (Саратовский Л.И., Ващенко Т.Г., Федотов В.А., Казазян В.В., 2018).

Гудковской Н.Б. (2018) в условиях Левобережной Лесостепи Украины проанализированы динамика накопления сухого вещества в биомассе растений и изменение индекса листовой поверхности растений амаранта в зависимости от сроков посева разных сортов амаранта. Высевали амарант в четыре срока, начиная со второй–третьей декады апреля при достижении температуры почвы +12 ^оС на глубине заделки семян (3 см) и далее через каждые две недели. Предшественник – пшеница яровая. Установлено, что индекс листовой поверхности составляет 2-11 в зависимости от фазы развития, сроков посева и сортовых особенностей растений. Накопление сухого вещества у растений увеличивается к концу вегетации и составляет у сорта Ультра 29,5 % -34,2 %, у сорта Студенческий — 30,0 % -34,6 % в зависимости от сроков посева.

В условиях предгорной зоны РСО-Алания Икоевой Л.П., Хаевой О.Э., Бацазовой Т.М. (2017) изучены динамика роста и развития амаранта при различных сроках посева и нормах высева. Установлено, что при сроке посева в третьей декаде мая фотосинтетический потенциал (ФП) в посевах амаранта в 2,3-2,4 раза больше, чем в посевах контроля (суданская трава). При посеве в первой декаде июня величина данного показателя снижалась на 2,0-1,8 раза. Чистая продуктивность (ЧП) фотосинтеза в посевах контроля выше в 2,3-2,9 раза, в результате чего, в этой культуре накапливалось большее количество сухого вещества по сравнению с растениями амаранта. В период уборки на зеленую массу суданская трава в среднем содержала 28,7-29,6 % сухого вещества, а амарант — 16,5-17,4 %. Коэффициент использования ФАР на суданской траве 1,4-1,3 %, против 0,8-1,0 % у амаранта. Выявлено, что наибольшую урожайность зеленой массы амаранта получено с нормой высева 300 всхожих семян/м² при посеве в третьей декаде мая (34,66 т/га), против 30,21 т/га. При этом вариант с нормой высева 200 всхожих семян/на м² в первой декаде июня оказался продуктивнее (29,96 т/га), чем при посеве в конце мая (28,53 т/га).

Исследования, проведенные в 2000-2004 гг. на опытном поле Дальневосточного ГАУ показали, что растения амаранта сорта Чергинский достигали полной фазы созревания семян только при сроке посева 30 мая. При посеве более поздние сроки с 10 по 30 июня семена в метелках амаранта формируются, но полностью не вызревают. При посеве с 10 июля по 10 августа амарант соцветий не образует. В среднем за годы исследований наиболее высокую урожайность зеленой массы амарант метельчатый обеспечивает при посеве 30 мая – 38,7 т/га, но в зависимости от условий года она изменяется от 22,8 до 52,0 т/га (Епифанцев В.В., Ахалбедашвили Д.В., 2018).

Исследованиями, проведенными в Самарской области было установлено, что норма высева может составлять 0,1-0,9 кг/га и зависит от установленной ширины междурядий, а глубина заделки семян – 1-1,5 см. Для точного или пунктирного посева всхожесть семян должна составлять не менее 92%. При возделывании амаранта на различные цели рекомендуется применять широкорядный способ посева с пунктирным размещением семян (Артамонов Е.И., 2017).

Яппаровым А.Х., Черновым И.А., Дегтяревой И.А., Яппаровым (2015) разработан способ возделывания амаранта, который предполагает внесение в почву непосредственно перед посевом наноструктурной водно-фосфоритной суспензии, состоящей из наночастиц с размерами менее 100 нм и получаемой из природных фосфоритов, из расчета 1,0-2,0 кг на 1 га посевной площади. Данный способ позволяет усилить нитрогеназную активность амаранта в процессе роста и сократить вегетационный период при сохранении прежнего уровня урожайности данной культуры.

Известен способ возделывания амаранта в условиях орошаемого земледелия. Вегетационные поливы осуществляют капельным и мелкодисперсным дождеванием с учетом запрограммированной продуктивности зеленой массы и зерна. Такая технология позволит повысить продуктивность при одновременном снижении удельных затрат и получении высокобелкового корня на безгербицидной основе (Колганов А.В., Салдаев А.М., Шульц И.А. и др., 2000).

В Кубанском ГАУ разработан способ посева семян амаранта предварительно покрытых оболочкой каждого отдельного семени полимерным гидрогелем, на основе водорастворимого производного полисахарида и поликарбоновой кислоты. Семена поштучно вводят в каждую оболочку в процессе посева. Предложенный способ позволяет повысить качество посевного материала (Куцеев В.В., Голицын А.С., Артюхин Д.А., 2017).

Для повышения продуктивности растений амаранта Бекузаровой С.А. с соавторами (2017), предложен способ предпосевной обработки семян амаранта. Способ заключается в замачивании семян в 0,1 % водном растворе никандры физалисовидной в течение 2-3 часов, после чего влажные семена обволакивают в измельченной цеолитсодержащей глине – аланит, насыщенной раствором йодистого калия в течение 8-10 часов.

Разработан способ позволяющий повысить равномерность высева, всхожесть, урожайность, качественные показатели зеленой массы. Способ включает замачивание семян амаранта в смеси водных растворов 0,2% гумата калия с 0,1-0,2% ПАБК в течение 3-6 часов, последующее обволакивание их в болтушке ирлита с 0,1 % водным раствором селенита натрия при соотношении 1:3 (Бекузарова С.А., Абаев А.А., Гасиев В.И, Абиева Т.С., 2016).

Бурдун А.М., Куцеев В.В, Кремянский Ф.В. (2008) предложили способ посева семян амаранта, покрытых оболочкой из смеси наполнителя с добавлением мелкодиспергированных зародышей семян яровой мягкой пшеницы сорта Спектр в соотношении 5:1 и гербицида 2-4Д в соотношении 0,00001 % к массе смеси наполнителя с мелкодиспергированными зародышами семян. Диаметр оболочки доводят до размера, равного 5±1 мм. Способ позволяет снизить затраты семян амаранта при посеве и повысить урожайность семян и зеленой массы амаранта. В качестве наполнителя используют мучной клейстер с добавлением цеолитсодержащей глины и эффективных микроорганизмов.

Зуевой Е.А, Слугиновой Н.И. (2016) изучено влияние предпосевной обработки семян амаранта метельчатого регуляторами роста Эпин Экстра и Циркон на урожайность и качество листовой массы сорта Валентина. Исследованиями установлено, что применение регуляторов роста обусловило повышение полевой всхожести и сохранности растений по сравнению с контролем на 1,6-3,2 % и 0,5-1,4 % соответственно, площади листьев на 19,6 %. Максимальный урожай листовой массы амаранта 14,49 т/га, наибольшее количество протеина — 26,47 %, что на 4,1 % превышает контроль, получен в варианте с предпосевной обработкой цирконом 10-3.

Доказана эффективность предпосевной обработки семян препаратами Гумат К/Na с микроэлементами, Силиплант, что обусловило повышение полевой всхожести и сохранности растений на 1,7-2,8 % и 1,4-2,1 % соответственно. Урожайность листостебельной массы составила 13,82 т/га, содержание сырого протеина в зеленой массе в пределах 26,11-28,21 %. Лучшим оказался вариант с предпосевной обработкой семян препаратом Гумат К/Na с микроэлементами (Зуева Е.А., 2015).

Слонов Л.Х., Шугушева Л.Х., Слонов Т.Л. (2016) при возделывании амаранта в предгорной зоне Кабардино-Балкарской Республики установили, что при внесении в почву азoта, фосфора и калия по 90 кг действующего вещества на гектар посева величина зеленой биомассы возрастает до 1345 ц/га, семян – до 19,16 ц/га, а при сочетании внесения в почву минеральных (N45P65K30) удобрений с органическим (навоз 20т/га) урожай биомассы увеличивается еще выше и достигает 1673 ц/га, а семян – до 22,4 ц/га.

В условиях лесостепной зоны РСО–Алания на черноземе выщелоченном доказано положительное влияние на урожайность амаранта сорта Шунтук применение в качестве удобрения цеолита местного происхождения и спиртовой зерновой барды. Усиление ростовых процессов под действием изучаемых удобрений приводило к формированию более высокой урожайности по сравнению с контролем. Условно чистый доход составил 450-4640 руб./га при рентабельности от 42,9 до 634,7 % (Дзанагов С.Х., Сиукаева Ф.Т., Дзанагов Т.С., 2019).

Биологической особенностью амаранта является то, что в течение 3-4 недель после посева он растет медленно и сильно угнетается сорняками. Многолетними исследованиями Наумова М.О. с соавторами (2019) доказана целесообразность системного применения гербицидов в посевах амаранта метельчатого при разработке залежных земель. Установлено достоверное влияние совместного применения гербицидов на снижение засоренности посевов малолетними и многолетними однодольными сорными растениями. Максимальная урожайность зерна амаранта получена при совместном применении Торнадо 500 (4 л/га) и Миура (1,2 л/га). Совместное применение гербицидов способствовало увеличению сбора протеина и крахмала с урожаем зерна амаранта с единицы площади.

Проводятся исследования совместного применения гербицида Миура и органоминерального удобрения Агровит-кор марки А на посевах амаранта метельчатого. Установлено, что обработка гербицидами влияет на снижение засоренности посевов малолетними и многолетними однодольными сорными растениями. Внекорневые подкормки препаратом Агровит-кор марки А способствуют сдерживанию развития двудольных растений по фонам применения гербицида. Максимальная урожайность зеленой массы амаранта получена при совместном применении Миуры (0,8 л/га) и Агровит-кор марки А, а также способствует увеличению сбора протеина и сахара в зеленой массе амаранта с единицы площади Наумов М.О., Бочкарев Д.В., Бочкарев В.Д., Письмарова С.А., 2018).

Продуктивность растений зависит от биохимических процессов, интенсивности использования растительными культурами солнечной энергии для фотосинтеза в течение вегетационного периода. От эффективности фотосинтеза в значительной степени зависит развитие растений, которое определяет качество работы ассимилирующего аппарата. Формирование нового листового аппарата у амаранта, в отличие от других полевых культур, продолжается до конца вегетационного периода. Цугкиевым Б.Г., Чкареули Л.В.(2019) установлено, что фитоценозы 19 различных по происхождению образцов амаранта метельчатого в фазе цветения формируют максимальную ассимилирующую площадь — от 45,22 (К-51) до 119,51 (К48) тыс.м²/га, а в фазе созревания семян — от 94,24 (К-81) до 238 (К-48) тыс.м²/га. Общая сумма фотосинтетического потенциала варьировала от 1276,02 (К-25) до максимального значения (К-64) 3708,43 млн.м²сут./га Исследования проведенные в предгорной зоне РСО-Алания показали, что изучаемые коллекционные образцы амаранта метельчатого характеризуются высококачественными показателями листостебельной массы, фотосинтетической деятельностью агроценоза исследуемых образцов амаранта, питательностью биомассы.

2 Объекты и методы исследований

2.1 Объекты исследований, место проведения и методики исследований

Полевые опыты были проведены на полях ЗАО «Ударник полей» Промышленновского района Кемеровской области, лабораторные – в научно-исследовательской лаборатории «Агроэкология» Кузбасской государственной сельскохозяйственной академии.

Климат Кемеровской области резко континентальный. Зима холодная и продолжительная, лето короткое и теплое. Продолжительность безморозного периода длится от 100 дней на севере области до 120 дней на юге Кузнецкой котловины. Располагаясь в умеренном поясе северного полушария, территория Кемеровской области получает за год сравнительно большое количество солнечного тепла.

Продолжительность светового дня в Кемеровской области возрастает от 6 часов 57 минут в середине декабря до 17 часов 37 минут в середине июня. Важным климатообразующим фактором является атмосферная циркуляция, которая зависит от рельефа местности, удаленности ее от морей и океанов. Движение воздушных масс сопровождается изменением погоды в этом районе: давления атмосферы, температуры, влажности воздуха и характера облачности. Воздушные массы постоянно предопределяют тип климата. Кемеровская область располагается на стыке крупных климатических областей (Западносибирской, Восточносибирской, Среднеазиатской и Центральноазиатской), обусловливающих циркуляцию этих воздушных масс. Перемещение воздуха с запада на восток определяет циклоническую погоду – влажную и прохладную летом и влажную слабоморозную зимой. Движение арктических и континентальных воздушных масс со свойственной им сухостью в меридиональном направлении (с севера на юг) формируют ясную антициклональную погоду с сухим жарким летом и суровой малоснежной зимой.

Общей характерной чертой климата Кемеровской области является его континентальность, то есть резкие колебания температуры воздуха по временам года, в течение месяца и даже суток. Наиболее характерны такие колебания для лесостепи и тайги, несколько меньше они в горах. Так, среднегодовая температура воздуха в целом по нашей области колеблется от – 1,4 °С до +1,0 °С. По отдельным населенным пунктам среднегодовая температура воздуха равна: Гурьевск +0,4 °С, Новокузнецк +0,8, Ленинск-Кузнецкий +0,2 °С, Мариинск – 0 °С. Наиболее высокие температуры воздуха в области достигают летом -+35-38 °С, а самые низкие зимой доходят на юге до -54 °С, на севере до – 57 °С. Годовая амплитуда колебаний температур превышает 90 °С. Показательна разница в средних месячных температурах января и июля: г. Мариинск -18,1 °С и +18,4 °С, г. Тайга -19,1 °С и +17,8 °С, г. Гурьевск -17,8 °С и +18,7 °С, г. Кемерово -19,2 °С и +18,6 °С и с. Усть-Кабырза -21,6 °С и +17,1 °С.

В Кемеровской области наблюдается неравномерность в количестве выпадения осадков. По главному хребту и западным склонам Кузнецкого Алатау атмосферных осадков выпадает за год больше 1000 мм, а на высоких участках гор — даже до 1800 мм. Это один из самых увлажненных районов Сибири. В южной лесостепи осадков выпадает около 350 мм, а на восточных склонах Кузнецкого Алатау и того меньше. Среднегодовое количество осадков на Кузнецкой котловине составляет 400-500 мм. Общее количество дней с осадками достаточно велико, за последние 50 лет в г. Тайге в среднем за один год их было 185, в г. Мариинске -171 и в г. Новокузнецке — 162 дня.

В лесостепной зоне почти ежегодно держатся длительные периоды без дождей, как правило, в конце мая-июне, но иногда этот период продолжается до середины июля. В отдельные годы дожди не выпадают в течение 20, а порою и 40 дней.

Первый снег выпадает во второй половине сентября, но он сохраняется недолго. Величина снежного покрова на территории нашей области весьма неодинакова, как по высоте и структуре, так и по времени его образования. Устойчивей снежный покров в Кузнецком Алатау и Горной Шории ложится в двадцатых числах октября, а в наиболее высоких их местах несколько раньше — в середине октября. В Кузнецкой котловине постоянный снежный покров образуется в начале ноября.

Высота снежного покрова зависит от количества осадков, рельефа и растительности. Так, в защищенных местах северной лесостепи мощность снежного покрова в середине марта (перед началом таяния) достигает 50 сантиметров, в южной лесостепи – около 40 см, в равнинной тайге-80-120 см, а в горной тайге – 200-250 см. В горных и речных долинах, в оврагах и балках высота снежного покрова достигает 300 см.

В лесостепи на открытых местах толщина снега устанавливается на высоте травянистого покрова. На открытых местах, без растительности, снежный покров неустойчив: в течение зимы он неоднократно выдувается сильными ветрами. На таких участках образуются плотные дюны из снежно-земляной пыли. Высота снежного покрова здесь не превышает 10-15 см, он растаивает с наступлением первых мартовских оттепелей. Относительно ровный и устойчивый снежный покров в открытой лесостепи образуется в зоне полезащитных лесных полос.

Объектом исследований являются зерновой амарант. Изучали шесть сортов амаранта зернового и универсального направления (Янтарь, Кинес, Гигант, Воронежский, Универсал, Кизлярец) российской селекции. Исследования проводили по общепринятым методикам и ГОСТам. На основе анализа зерна амаранта, биоэнергетической эффективности, рекомендованы сорта, которые могли быть использованы для возделывания в Кемеровской области.

2.2 Характеристика объектов исследования

Нами была изучена коллекция сортов амаранта различного направления, включенных в Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию, по ряду ценных хозяйственно-биологических признаков. В частности, принималось во внимание содержание жира и сквалена в зерне, вегетационный период, урожайность зерна и зеленой массы.

Ниже дается краткая характеристика сортов, которые были использованы в исследованиях. В скобках приводится оригинатор данного сорта.

Сорт амаранта ЯНТАРЬ (ФГБНУ Федеральный Алтайский научный центр агробиотехнологий).

Стебли прямостоячие, высотой 150-200 см, сочные. Кустистость слабая. Листья овально-продолговатые, сочные. Соцветие – метелка, прямостоячая, средней плотности. Окраска колосков серо-зелено-бордовая. Семена светло-желтые, пленчатость средняя. Средняя урожайность сухого вещества – 104,7 ц/га, семян 16,0 ц/га, выше стандарта на 14,5 и 2,4 ц/га соответственно. Вегетационный период от всходов до созревания семян – 106 дней. Рекомендуется для использования на корм и пищевые цели.

Сорт амаранта КИНЕС (ФГБНУ Поволжский НИИ селекции и семеноводства им. П.Н. Константинова).

Стебель гофрированный, зелёный, бетацианиновая окраска основания отсутствует. Листья с цельным краем, зелёные, пятно отсутствует, бетацианиновая окраска черешка отсутствует. Соцветие амарантового типа, индетерминантное, средней густоты, вертикальное или слабонаклоненное, жёлтое, длинное. Семена белые, дисковидные, эндосперм мучнистый. Масса 1000 семян низкая (0,71 г). Урожайность зелёной массы составила 72,1 т/га, выход сухого вещества 17,3 т/га, урожай семян в среднем равен 3 т/га. Содержание сырого протеина в фазу цветения достигает 18,4 %. Высота растений достигает 170 см. Продолжительность периода от всходов до первого укоса 60-62 дня, от всходов до созревания 82-89 дней. Травостой пригоден для использования на зелёный корм и в качестве сырья для изготовления силоса и обезвоженных кормов.

Сорт амаранта ГИГАНТ (ООО «РУССКАЯ ОЛИВА»).

Стебель гофрированный, зеленый, бетациониновая окраска основания имеется. Лист светло-зеленый, пятно отсутствует, бетациониновая окраска черешка отсутствует. Соцветие клубочковидное, индетерминантное, зеленое, средней плотности, длиной 36-42 см. семена дисковидные, белые, эндосперм стекловидный. Масса 1000 семян 0,6-0,8 г. Средняя урожайность сухого вещества 98,3 ц/га, семян – 21,7 ц/га. Содержание жира в семенах 7,9 %. Вегетационный период от всходов до созревания 115-127 дней. Высота растений 165-190 см.

Сорт амаранта ВОРОНЕЖСКИЙ (ООО «РУССКАЯ ОЛИВА»).

Стебель гофрированный, зеленый, бетацианиновая окраска основания отсутствует. Лист зеленый, пятно отсутствует, бетацианиновая окраска черешка отсутствует. Соцветие амарантового типа, детерминантное, зеленое, плотное, длиной 28-35 см. семена шаровидные, белые, эндосперм мучнистый. Масса 1000 семян 0,6-0,8 г. средняя урожайность зеленой массы 259 цга, семян 20,9 ц/га. Содержание жира в семенах 6,8 %. Вегетационный период от всходов до созревания 95-104 дня. Высота растений 96-100 см. На зерно. Мало з/массы.

Сорт амаранта УНИВЕРСАЛ. (ИП Саратовский Леонид Иванович). Стебель гофрированный, желтый, бетацианиновая окраска основания имеется. Листья с цельным краем, светло-зеленые, пятно отсутствует, бетацианиновая окраска черешка средняя. Соцветие амарантового типа, индетерминантное, средней густоты, вертикальное или слабонаклоненное, коричневое, средней длины. Семена белые, дисковидные, эндосперм стекловидный. Масса 1000 семян 0,73-0,75 г. Урожайность зеленой массы до 791 ц/га, сухого вещества – 130,3 ц/га, семян – до 27 ц/га. Содержание жира в семенах 8,0 %. Вегетационный период от всходов до первого укоса 43-60 дней, до созревания семян – 119-125 дней. Засухоустойчивый. Облиственность 36,4 %. Высота растений до 200 см.

Сорт амаранта КИЗЛЯРЕЦ (ФГБНУ «Федеральный научный центр овощеводства» (ВНИИССОК).

Растение высотой 117-161 см. Стебель ребристый. Кустистость слабая. Лист яйцевидно-эллиптический, светло-зеленый. Соцветие – метелка, амарантовой формы, прямая, средней плотности, желто-зеленая, при созревании – красная. Семена округлые, светло-желтые. Средняя урожайность сухого вещества – 77,2 ц/га, выше стандарта на 31,9 ц/га. Вегетационный период от всходов до уборки на корм – 57-72 дня, на семена – 80-114 дней. Семена можно использовать на пищевые цели.

Основные агрохимические показатели почвы определяли общепринятыми методами: массовая доля нитратного азота ГОСТ 26951-86, массовая доля подвижной серы ГОСТ 26490-85, массовая доля общего азота ГОСТ 26107-84, массовая доля органического вещества ГОСТ 26213-91, массовая доля обменного калия и подвижного фосфора ГОСТ Р 54650-2011, рН солевой суспензии ГОСТ 26483-85. Для определения массовой доли сырой золы, жира, сырого протеина, сухого вещества в растениях амаранта руководствовались соответственно ГОСТами 26226-95, 13496.15-97, 13496.4-93,31640-2012. Фенологические наблюдения проводили по методике Госсортоиспытания сельскохозяйственных культур [4].

2.3 Схема опыта и условия проведения исследований

Исследования проводили в открытой части лесостепной зоны Кемеровской области, условия 2019 года которой характеризуются как засушливые: – сумма активных температур составила 2030 °С; количество осадков за период вегетации 248 мм, ГТК варьировал в течение вегетации от 0,8 до 2,6 (таблица 1).

Таблица 1 – Агроклиматические показатели, 2019 г. (Промышленновский район)

Рисунок 1 – Температурный режим периода вегетации, ^оС, 2019 г. (пгт. Промышленная)

Повторность в опытах трёхкратная, общая площадь делянки 110 м², учетная площадь 100 м². Почва опытного участка представлена типичным среднегумусным черноземом тяжелосуглинистого гранулометрического состава. Содержание нитратного азота в пахотном слое низкое от 7,1 до 8,3 мг; подвижного фосфора – 47-92 мг и обменного калия – 78-100 мг на кг почвы — низкое (по Чирикову). Реакция почвенного раствора нейтральная – 6,1. Содержание органического вещества высокое – 10,7 % (таблица 2). Срок посева 31 мая сеялкой «Клён-4,5». Схема посева: рядовой с шириной междурядий 15 см и широкорядный – с 45 см. Норма высева: 1 и 2 кг на гектар.

Таблица 2 – Агрохимическое обследование опытного участка

Содержание влаги в метровом слое на начало сева – 152 мм, в пахотном слое – 62 мм, что характеризуется как хорошее. Влажность почвы 25и 26 % соответственно. Перед уборкой запас продуктивной влаги в пахотном слое существенно не изменился (таблица 3).

Таблица 3 – Влажность и запас продуктивной влаги в почве на начало сева (25 мая) и перед уборкой (16 сентября), 2019 г

Трёхфакторный опыт закладывали согласно существующим методикам [5], по схеме, представленной в таблице 4

Ряд исследователей [6, 7] рекомендуют проводить посев амаранта после установления устойчивой погоды, без риска возвратных заморозков, когда почва прогреется на глубину посева до 10-12 ^оС.

Таблица 4 – Схема проведения опыта

Семена амаранта рекомендуется заделывать в почву неглубоко (1-2 см) из-за небольшого размера. Достаточно привести пример массы 1000 семян, которая составляет в большинстве случаев 0,6-0,9 г. От глубины посева зависит всхожесть и в конечном итоге урожайность амаранта [8]. К уборке в посеве выживает такое количество растений, которое может быть обеспечено влагой, элементами питания и другими факторами жизни [9].

Норма высева амаранта изучались многими исследователями в различных регионах страны. Большинство приходят к выводу о количестве семян на 1 га 1-2 млн, в зависимости от цели использования амаранта: на зеленую массу или зерно. Весовая норма соответствует данному коэффициенту высева 1-2 кг [10, 11, 12].

3 Результаты исследований

3.1 Фенологические наблюдения за фазами роста и развития амаранта

Полевая всхожесть оказалась достаточно низкой и колебалась по вариантам опыта от 35 до 78 %, при этом она мало зависела от нормы высева и ширины междурядий.

Значительное влияние на полевую всхожесть оказывает температура воздуха. Исследованиями Тарасовой И.Н. (2012) установлено, что минимальная температура для прорастания семян амаранта +10-12 ^оС, всхожесть при такой температуре 49-76 %. С увеличением температуры до +25-30 ^оС, всхожесть семян достигает 97-100 %. Средняя температура воздуха первых 2-х декад июня 2019 г. составила соответственно 15,4 и 16,2 ^оС. Таким образом, можно говорить, что для 100 %-ой всхожести тепла в период всходов оказалось недостаточно.

Всходы у амаранта в зависимости от сорта появлялись на 7-10-й день после посева, цветение – на 56-63-й день, налив семян – на 79-80-й день после посева. Фаза цветения проходила у всех сортов примерно в одни и те же сроки. Все исследуемые сорта созревали в конце сентября — начале октября (таблица 5 и рисунок 2). Наиболее скороспелым является сорт Воронежский и Кизлярец с продолжительностью вегетационного периода 108-110 дней. Это свидетельствует о перспективности использования данных сортов при выращивании на зерно в Кузнецкой лесостепной зоне.

Одним из главных количественных признаков растений это высота.

В рядовых, более загущенных, посевах, высота растений была выше на 5-8 см, чем в широкорядных. На рост растений амаранта оказывали влияние климатические условия, нормы и способы посева.

В зависимости от способа посева и нормы высева изменялась густота всходов (таблица 6).

Таблица 5 – Показатели роста и развития сортов амаранта, 2019 г.

Рисунок 2 – Продолжительность межфазных периодов сортов амаранта

Так, при норме высева 1 кг/га при рядовом посеве число всходов составило от 33,3 (сорт Кизлярец) до 72 шт./м² (сорт Янтарь). При норме высева 2 кг/га число всходов было значительно больше и составило опять же у сорта Янтарь 144 шт./м2 и у сорта Кизлярец – 86 шт./м2, при широкорядном способе посева наибольшее количество всходов у сортов Янтарь и Воронежский.

Таблица 6 – Число взошедших и выживших растений амаранта

Необходимо отметить увеличение выживаемости растений на рядовых посевах в вариантах с большей нормой высева, что связано на наш взгляд с лучшими условиями роста во время вегетации – влагообеспеченностью, меньшим количеством сорняков. У всех шести сортов отмечено превышение процента сохранившихся к уборке растений при норме высева 2 кг, над аналогичным показателем при высеве 1 кг/га. Лучшая сохранность растений к уборке относительно числа высеянных отмечена на варианте с нормой высева 1 кг/га у сорта Воронежский (54,0 %), а при норме высева 2 кг/га у сорта Кинес – 94 % при рядовом способе посева.

Преимущество нормы высева 2 кг/га над нормой в 1 кг по выжившим растениям сохранилось и на широкорядных посевах.

Степень засоренности посевов амаранта по вариантам опыта сильно варьировала от 43 до 74 шт./м² (таблица 7).

В среднем наименьшее количество сорняков отмечалось в варианте рядового посева и нормой высева 2,0 кг/га – 43 шт./м² с массой 60 г/м², наибольшее – в варианте широкорядного посева с нормой высева 1 кг/га – 74 шт./м² с массой 101 г/м², соответственно.

Таблица 7 – Влияние способов и норм посева на засоренность посевов амаранта

Сорные растения в значительной степени снижают урожай амаранта в начальные фазы развития, так как этот период он слабо конкурируют с сорняками. В посевах встречались следующие сорные растения: однолетние – просо куриное, овсюг, марь белая, подмаренник цепкий; многолетние – пырей ползучий, вьюнок полевой, осоты, полевица тонкая и др. Значительно превышающие экономический порог вредоносности (таблица 8).

Таблица 8 – Видовой состав сорной растительности в посевах амаранта в период всходов

3.2 Расчет продуктивности фотосинтетической деятельности

Наблюдения за формированием листовой поверхности амаранта показали, что с увеличением норм высева семян возрастала разница в ассимиляционной поверхности. Объясняется это, прежде всего тем, что формирование биомассы тесно связано с процессом фотосинтеза.

Максимальная площадь листьев приходится на период созревания семян. В рядовых и широкорядных посевах наибольшую площадь листьев формирует вариант с нормой высева 2 кг/га (таблица 9).

Наибольшую площадь листовой поверхности на рядовых и широкорядных посевах сформировали сорта кормового назначения Гигант и Универсал.

Таблица 9 – Фотосинтетическая деятельность агроценоза амаранта в зависимости от норм и способов посева

Фотосинтетический потенциал (ФП) это показатель, который используется для оценки состояния посевов. Он представляет собой сумму суточных показателей площади листьев за определенный период на единице площади. Таким межфазным периодом в наших исследованиях стал момент от цветения до созревания.

Наибольшей величины фотосинтетический потенциал достигал в широкорядных посевах при максимальной норме высева семян. В зависимости от сорта ФП колебался от 0,92 до 1,08 млн м² в сутки на 1 га (таблица 10).

Таблица 10 – Площадь листьев и фотосинтетический потенциал амаранта

Благодаря наибольшему фотосинтетическому потенциалу, накопленному к моменту созревания, отмечена высокая урожайность зеленой массы при различных способов посева и нормах высева у кормового сорта Гигант. Также нужно отметить сорт Кинес, у которого урожайность зеленой массы при норме 2 кг/га значительно превысила соответствующий показатель при высеве 1 кг/га (таблица 11). Определяющим фактором здесь выступила высокая выживаемость растений при данной норме высева.

По урожайности зерна амаранта выделяются на фоне других сортов на рядовых посевах с нормой 1 кг: Воронежский, Гигант (соответственно 1,14 и 1,12 т/га), с нормой 2 кг: Воронежский, Кинес (по 1,19 т/га). При широкорядном способе посева и нормой 1 кг наиболее урожайный сорт Воронежский (1,21 т/га); при норме 2 кг/га – Янтарь (1,32 т/га), Воронежский (1,27), Универсал (1,25) (таблица 11).

Таблица 11 – Урожайность зеленой массы и семян амаранта, т/га

Таблица 12 – Продуктивность амаранта в зависимости от нормы и способа высева, т/га

При средней урожайности зерна амаранта на рядовых посевах 0,96 т/га максимум урожайности, достоверно превышающий НСР_05, отмечен у сортов Воронежский (1,17) и Гигант (1,04). На широкорядных посевах средняя урожайность по 6 сортам составила 1,03 т/га. Урожайность трёх сортов по данному показателю находись примерно на одном уровне: Янтарь, Воронежский, Универсал (рисунок 3). Самая низкая отмечена у сорта Кизлярец – 0,9 т/га.

Рисунок 3 – Урожайность зерна амаранта в зависимости от сорта и нормы высева, т/га

От уровня зеленой массы зависит выход сухого вещества, протеина, кормовых единиц и т.д. Исследованиями установлено, что достоверная прибавка биомассы растений амаранта, за исключением сорта зернового направления Воронежский, получена на широкорядных 45 см посевах (рисунок 4). Наибольшая урожайность отмечена у сорта Гигант и Кинес, соответственно 34 и 33 т/га.

Рисунок 4 – Урожайность зеленой массы амаранта в зависимости от сорта и нормы высева, т/га

Максимальная массовая доля сухого вещества в зеленой массе амаранта отмечена у сорта Воронежский -21,2 %. Также по этому показателю можно выделить сорта Янтарь (20,2) и Гигант (20,8). По содержанию сырого протеина выделяется сорта Янтарь и Универсал, 17,7 и 17,5 % соответственно. Массовая доля жира у исследуемых сортов находилась на уровне 2,5 %. На этом фоне выделяется сорт Кизлярец с долей 2,8 %. Превышение по содержанию сырой золы отмечено у сортов Универсал и Кинес (22,4-22,5 %) (таблица 13).

Таблица 13 –Качество зеленой массы сортов амаранта в зависимости от сорта, %

Рассматривая фактор схемы посевов, нужно отметить, что из четырёх показателей, приведенных в таблице 13, только содержание сырого протеина существенно изменилось в зависимости от ширины посева. Широкорядный посев (45см) амаранта сформировал растения с превышением протеина на 17% относительно рядовых. На остальные показатели качества зеленой массы изменение схемы посева не оказывало существенного влияния (рисунок 5).

Рисунок 5 – Качество зеленой массы амаранта в зависимости от ширины посевов, %

Выход питательных веществ зеленой массы с 1 га зависит, при прочих равных условиях, от урожая и процентного содержания. Как отмечалось выше, наиболее урожайными сортами были на рядовых и широкорядных посевах Гигант с нормами высева 1-2 кг/га и Кинес с нормой 2 кг/га. По выходу сухого вещества с 1 га на рядовых и широкорядных посевах существенным содержанием отличается сорт Гигант. По протеину на рядовых посевах — сорт Универсал (0,8 т), широкорядных – Янтарь (1,2 т). Выход сырого жира находился примерно на одном уровне. Сырой золы больше содержалось на посевах с шириной междурядья 15 см у сорта Гигант (1,18 т), а на посевах с шириной 45 см- сорта Универсал (1,24 т) (таблица 14).

Таблица 14 – Выход питательных веществ в зависимости от сорта и ширины междурядий, т/га

Нормы высева амаранта на выход питательных веществ влияют незначительно. Более заметно эти показатели варьируют при изменении схемы высева. Причем наблюдается тенденция повышения сбора питательных веществ с единицы площади с увеличением ширины междурядий с 15 до 45 см (рисунок 6).

Рисунок 6 – Выход питательных веществ в зависимости от ширины междурядий, т/га

Как видно из рисунка 6, по всем показателям широкорядные посевы обеспечивают большую продуктивность с единицы площади.

Заключение

1. Качество зеленой массы амаранта зависело от биологических особенностей сортов и от агротехники возделывания, в частности ширины междурядий. По содержанию сухого вещества в зеленой массе выделяются сорта Гигант (19,9-21,8%), Воронежский (21,0-21,3%); по сырому протеину на рядовых посевах –Универсал (22,9%), на широкорядных – Янтарь (21,1%), Кизлярец (20,1%); по сырому жиру на рядовых посевах стоит отметить сорт Кизлярец (2,9%); по сырой золе на рядовых посевах сорта Универсал (23,5%), Янтарь (20,5%), на широкорядных – сорта Уиверсал (21,4%) и Кизлярец (20,6%).

2. Максимальная площадь листьев и фотосинтетический потенциал формируется в фазу созревания амаранта. На рядовых и широкорядных посевах у сортов Гигант и Универсал отмечена наибольшая площадь листовой поверхности 23,67-26,45 тыс. м²/га, а также высокий ФП-1,01-1,12 млн м²/га сут., за исключением широкорядных посевов с нормой 2 кг. На данном варианте сорта формировали примерно равный фотосинтетический потенциал;

3. Широкорядные посевы (45 см) с нормой высева 2 кг/га формировали наиболее высокую урожайность зеленой массы и зерна. Причём норма высева, как один из факторов, в значительной степени, чем ширина междурядий, влияла на продуктивность посевов амаранта. По зерновой продуктивности необходимо отметить сорта Воронежский (1,14-1,27 т/га), Универсал (0,98-1,25), Гигант (0,96-1,16). По зеленой массе на рядовых посевах с нормой высева 1-2 кг – сорт Гигант (32,72-33,94 т/га), с нормой 2 кг – Кинес (32,76), Универсал (30,46); на широкорядных посевах с нормой высева 1-2 кг сорт Гигант (32,15-33,96), с нормой 2 кг – сорта Кинес, Универсал (соответственно 33,41 и 31,72 т/га).

Список использованных источников

1. Артамонов Е.И. Инновационные подходы в решении проблем современного общества: монография / Е.И. Артамонов, О.Ю. Ангел, О.К. Асекретов [и др.]. / под общ. ред. Г.Ю. Гуляева. Пенза: МЦНС «Наука и просвещение», 2017. – 280 с.
2. Артамонов Е.И. Повышение качества посева семян амаранта метельчатого совершенствованием технических средств и технологического процесса: дис. … кан. техн. наук: 05.20.01 / Артамонов Евгений Иванович. – Пенза, 2013. – 178 с.
3. Асташов А.Н. Эффективность выращивания амаранта для производства кормов в условиях Нижнего Поволжья / А.Н. Асташов, Т.В. Родина, А.З. Багдалова. // Таврический вестник аграрной науки. – 2017. – № 2 (10). – С. 39-44.
4. Бекузарова С.А. Амарант – универсальная культура / С.А. Бекузарова, И.Ю. Кузнецов, В.И. Гасиев. – Владикавказ: Colibri, 2014. – 180 с.
5. Бекузарова С.А. Влияние агротехники возделывания на продуктивность амаранта / С.А. Бекузарова, В.И. Гасиев. // Матер. Междунар. научн.-практ. конф. «Инновационные технологии в растениеводстве и экологии». – Владикавказ, 2017. – С. 102-104.
6. Пат. РФ № 2575043, МПК A01C1/00. Способ предпосевной обработки семян амаранта / Бекузарова С.А., Абаев А.А., Гасиев В.И, Абиева Т.С.; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Северо-Кавказский научно-исследовательский институт горного и предгорного сельского хозяйства». – № 2014145002/13; заявл. 06.11.2014; опубл. 10.02.2016.
7. Пат. РФ № 2618314, МПК A01C1/00. Способ предпосевной обработки семян амаранта / Бекузарова С.А., Бекмурзов А.Д., Дзобелова З.Т.; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Северо-осетинский государственный университет имени коста левановича хетагурова». – № 2015156997; заявл. 29.12.2015; опубл. 03.05.2017.
8. Богомолов, В.А. Биоэнергетическая ценность амаранта / В.А. Богомолов, В.Ф. Петракова // Кормопроизводство. – 2001. – № 11. – С. 18-19.
9. Пат. РФ № 2335112, МПК A01C1/00, A01C1/06. Способ посева амаранта / Бурдун А.М., Куцеев В.В, Кремянский Ф.В.; патентообладатель Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кубанский государственный аграрный университет. – № 2006146784/13; заявл. 26.12.2006; опубл. 10.10.2008.
10. Быков, А.И. Разработка элементов технологии возделывания амаранта метельчатого в условиях лесостепи Зауралья: автореф. дис. … канд. с.-х. наук: 06.01.09 / Быков Андрей Игоревич – Курган, 2009. – 20 с.
11. Гинс, М. С. Характеристика сортов амаранта селекции ВНИИССОК по устойчивости к пониженной температуре и дефициту влаги / М.С. Гинс, В.К. Гинс, К.Х. Торрес Миньо // Овощи России. – 2015. – №1(26). – С. 36-42.
12. Гудковская, Н.Б. Влияние сроков посева на динамику накопления сухого вещества у растений амаранта в левобережной лесостепи Украины / Н.Б. Гудковская // Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. – 2018. – № 3. – С. 72-77.
13. Дзанагов, С.Х. Влияние нетрадиционных удобрений на урожайность и структуру урожая амаранта на черноземе выщелоченном / С.Х. Дзанагов, Ф.Т. Сиукаева, Т.С. Дзанагов. // Известия Горского государственного аграрного университета. – 2019. – Т. 56. – № 2. – С. 7-12.
14. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки исследований): учебник для студентов высших сельскохозяйственных учебных заведений по агрономическим специальностям / Б.А. Доспехов. – 6-е изд., стер., перепеч. с 5-го изд. 1985 г. – Москва : Альянс, 2011. – 351 с.
15. Епифанцев, В.В. Величина урожайности зелёной массы амаранта при различных сроках посева в условиях Приамурья / В.В. Епифанцев, Д.В. Ахалбедашвили. // Проблемы и достижения современной науки. – 2018. – Т.1. – № 1 (5). – С.35-37.
16. Зуева, Е.А. Экологически безопасные приемы возделывания амаранта метельчатого / Е.А Зуева, Н.И. Слугинова. // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. – 2016. – № 4 (32). – С. 36-41.
17. Зуева Е.А. Влияние приемов возделывания на урожайность листовой массы амаранта // Сб. статей II Междунар. научн.-практ. конф. «Проблемы и мониторинг природных экосистем». – Пенза, 2015. – С. 63-66.
18. Икоева Л.П. Разработка элементов технологии возделывания амаранта в условиях предгорной зоны РСО-Алания / Л.П. Икоева, О.Э. Хаева, Т.М. Бацазова. // Известия Горского государственного аграрного университета. – 2017. – Т. 54. – № 3. – С. 19-24.
19. Казарин, В.Ф. Амарант – высокопластичная культура // Агро-Информ. – 2012. – № 7. – С. 18-20.
20. Казарина, А.В. Особенности агротехнологии возделывания амаранта в Самарском Заволжье / А.В. Казарина // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. – 2015. – № 4. – С. 7-11.
21. Кашеваров, Н.И. Способы посева и нормы высева амаранта / Н.И. Кашеваров, С.К. Хамцов, Н.Н. Кашеварова // Кормопроизводство. – 1993. – № 2. – С. 20-21.
22. Кашеваров, Н.И. Продуктивность смешанных посевов кукурузы с различными кормовыми культурами / Н.И. Кашеваров // Интенсификация полевого кормопроизводства в Сибири. – Новосибирск, 1986. – С. 123-132.
23. Пат. РФ № 2159029, МПК A01B79/02. Способ возделывания амаранта в условиях орошаемого земледелия / Колганов А.В., Салдаев А.М., Шульц И.А., Бородычева Е.И., Галда А.В., Бородычев В.В.; патентообладатель Колганов А.В., Салдаев А.М., Шульц И.А., Бородычева Е.И., Галда А.В., Бородычев В.В. – № 99118396/13; заявл. 25.08.1999; опубл. 20.11.2000.
24. Кононков, П.Ф. Амарант – перспективная культура ХХI века / П.Ф. Кононков, В.К. Гинс, М.С. Гинс. – М.: Изд-во РУДН, 1999. – 296 с.
25. Пат. РФ № 2612778, МПК A01C1/06. Способ посева амаранта / Куцеев В.В., Голицын А.С., Артюхин Д.А.; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет». – № 2016108188; заявл. 09.03.2016; опубл. 13.03.2017.
26. Лященко Г.А. Основные приемы агротехники зернового амаранта в лесостепи ЦЧР: автореф. дис. … канд. с.-х. наук: 06.01.09 / Г.А. Лященко. – Воронеж, 2007. – 22 с.
27. Методика государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур / Гос. комиссия по сортоиспытанию с.-х. культур при Мин. сел. хоз-ва СССР. – Вып. 2. Зерновые, крупяные, зернобобовые, кукуруза и кормовые культуры; под общ. ред. М.А. Федина. – Москва, 1989. – 195 с.
28. Наумов, М.О. Эффективность применения гербицида и органоминерального удобрения при возделывании амаранта / М.О. Наумов, Д.В. Бочкарев, В.Д. Бочкарев // Аграрный научный журнал. – 2018. – № 8. – С. 26-31.
29. Наумов, М.О. Эффективность системного применения гербицидов при возделывании амаранта на залежных землях / М.О. Наумов, Д.В. Бочкарев, А.Н. Никольский // Аграрный научный журнал. – 2019. – № 7. – С. 23-27.
30. Посметный, В.В. Хозяйственно ценные признаки и свойства амаранта в условиях КФХ «Майстренко» Обливского района Ростовской области / В.В. Посметный, В.Н. Еременко // Вестник Донского государственного университета. – 2014. – № 4(14). – С. 70-74.
31. Саратовский Л.И. Зерновой и кормовой амарант: монография / Л.И. Саратовский, А.Л. Саратовский; под ред. В.А. Федотова. – Воронеж: ФГБОУ ВПО Воронежский ГАУ, 2014. – 254 с.
32. Саратовский Л.И. Сроки и способы уборки семян амаранта / Л.И. Саратовский, В.А. Федотов, Е.А. Комаревцев // Растениеводство: научные итоги и перспективы: сб. науч. статей: отв. ред. В.А. Федотов. – Воронеж: ФГБОУ ВПО Воронежский ГАУ, 2013. – С. 129-133.
33. Саратовский, Л.И. Элементы сортовой технологии выращивания амаранта в степной зоне Центрального Черноземья / Л.И. Саратовский, Т.Г. Ващенко, В.А. Федотов, // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. – 2018. – № 1 (56). – С. 22-31.
34. Сбитнева, М.Н. Влияние сроков и способов посева на развитие, урожайность и качество амаранта на выщелоченных черноземах Мордовии: автореф. дис. … канд. с.-х. наук: 06.01.09 / Сбитнева Мария Николаевна. – Самара, 1996. – 19 с.
35. Слонов, Л.Х. Фотосинтетический аппарат и продуктивность амаранта — С4 группы растений / Л.Х. Слонов, Л.Х. Шугушева, Т.Л. Слонов. // Современные проблемы науки и образования. – 2016. – № 2. – 265-272.
36. Цугкиев Б.Г Фотосинтетический потенциал образцов амаранта, культивируемых в РСО-Алания / Б.Г. Цугкиев, Л.В. Чкареули. // Известия Горского государственного аграрного университета. – 2019. – Т. 56. – № 4. – С. 180-184.
37. Чернов, И.А. Амарант – перспективный источник кормового белка / И.А. Чернов // Вестник с.-х. науки. – 1992. – № 2. – С. 86.
38. Шевченко, Е.Н. Влияние способов посева, норм высева и глубины заделки семян на продуктивность амаранта багряного на черноземах Саратовского Правобережья: дис. … канд. с.-х. наук: 06.01.09 / Шевченко Екатерина Николаевна. – Саратов, 2000. – 156 с.
39. Шилов В.Н. Научное обоснование и технологические основы повышения продуктивности животных при использовании амаранта в качестве корма и биологически активной добавки: дис. … д-ра с.-х. наук: 06.02.08 / Шилов Валентин Николаевич. – Казань, 2015. – 379 с.
40. Патент РФ № 2543278, МПКA01G1/00, A01B 79/02, B82Y40/00. Способ возделывания культуры амаранта / Яппаров А.Х., Чернов И. А., Дегтярева И.А., Яппаров Д.А.; патентообладатель Государственное научное учреждение Татарский научно-исследовательский институт агрохимии и почвоведения Российской академии сельскохозяйственных наук. – 2012151771/13; заявл. 03.12.2012; опубл. 27.02.2015.

Приложения

Реферат

Отчет 143 с., 6 рис., 9 табл., 37 источников, 4 приложения.

ЦИФРОВАЯ ЭКОНОМИКА, ТРАНСФОРМАЦИЯ АПК, КАДРОВЫЙ ПОТЕНЦИАЛ, ИТ-СПЕЦИАЛИСТЫ ДЛЯ С/Х ОТРАСЛИ, ПОДГОТОВКА КАДРОВ ДЛЯ ЦИФРОВОГО С/Х

Объектом исследования является кадровый потенциал на этапе цифровизации АПК Кемеровской области.

Целью настоящей работы является применение результатов НИР в процессе разработки мероприятий по обеспечению трудовыми ресурсами отраслей АПК в условиях цифровизации экономики.

В процессе выполнения НИР были проведены следующие работы: проведен анализ литературы, других материалов, относящихся к разрабатываемой теме; проведен анализ кадрового потенциала ИТ-специалистов АПК, специалистов АПК, обладающих навыками работы с ИТ; проведен анализ рынка вакансий ИТ-специалистов АПК, специалистов АПК, обладающих навыками работы с ИТ; проведен анализ программ подготовки в аграрных вузах ИТ-специалистов АПК и специалистов, имеющих навыки работы с ИТ; проведен анализ инновационных способов обучения, применяемых в аграрных вузах России и центров подготовки специалистов; разработана концепции модернизации программ подготовки ИТ специалистов АПК; подготовлена к публикации 1 статья (сборник материалов XVIII Международной научно-практической конференции «Современные тенденции сельскохозяйственного производства в мировой экономике»).

На основе результатов исследования разработаны проекты образовательного стандарта «Цифровое сельское хозяйство» (Приложение А), ПООП «Цифровое сельское хозяйство» (Приложение Б), профессионального стандарта «Специалист в области цифрового сельского хозяйства» (Приложение В), разработана программа профессиональной переподготовки «Управление цифровой трансформацией сельского хозяйства» в объеме 250 часов (Приложение Г).

Термины и определения

Цифровая экономика – экономическая деятельность, основанная на цифровых технологиях и связанная с электронным бизнесом и электронной коммерцией, и производимых и сбываемых ими цифровыми товарами и услугами.

IT-специалисты – целое семейство профессий, требующих глубоких знаний в области информационных технологий.

Кадровый потенциал – общая характеристика персонала как одного из видов ресурсов, связанная с выполнением возложенных на него функций и достижением целей перспективного развития предприятия.

Научно-техническая революция – коренное качественное преобразование производительных сил, качественный скачок в структуре и динамике развития производительных сил.

Перечень сокращений и обозначений

АПК – агропромышленный комплекс

ГСМ – горюче-смазочные материалы

НИР – научно-исследовательская работа

ВУЗ – высшее учебное заведение

Введение

«К 2024 году 10 миллионов человек пройдут базовое обучение по программам повышения цифровой грамотности, в том числе обеспечивающее базовые навыки цифровой безопасности, цифровой гигиены. Важный аспект по этому направлению – это обучение государственных и муниципальных служащих работе с данными, цифровым навыкам, пройдут обучение более 100 тысяч человек». © Заместитель Председателя Правительства РФ М.А. Акимов

Расширение сфер применения цифровых технологий приводит к неизбежной трансформации общественной и социальной сферы. Развитие процесса цифровизации экономики меняет и образовательную среду как поставщика кадров, которые будут работать в условиях цифровой экономики. Кадровый потенциал является стратегическим ресурсом развития новой цифровой составляющей экономики. Несмотря на то, что в стратегии устойчивого развития сельских территорий и проекте концепции государственной кадровой политики приоритетным направлением обозначена модернизация и диверсификация экономики, тем не менее, отсутствует системное управление кадровым потенциалом в агропромышленном комплексе. Комплексная государственная кадровая политика для агропромышленного комплекса позволит решать проблемы инновационного развития и продовольственной безопасности.

В условиях развития современной экономики требования к трудовым ресурсам постоянно растут, образование и освоение новых знаний должно стать целью работников, а выявление структур и механизмов стимулирования основной задачей научных исследований и кадровой политики государства. Таким образом, роль профессиональных навыков и образования в формировании кадрового потенциала цифровой модели экономики приобретает все большую востребованность и актуальность, что влечет за собой потребность в специалистах, ориентированных на информацию как производственный ресурс.

Для достижения задач по технико-технологическому обновлению отрасли, диверсификации аграрной экономки, развитию экспортного потенциала представляется целесообразным исследовать характеристику наличия и качественного состояния кадрового потенциала трудовых ресурсов. Чтобы качественно управлять кадровым потенциалом в информационно-цифровой экономике необходимо определить по каким направлениям проводить мероприятия и наличие внутренних и внешних ограничений экономической системы агропромышленного производства при их реализации.

1 Текущее состояние исследований по теме НИР

1.1 Аналитический обзор по проблеме подготовки кадров для АПК в условиях формирования цифровой экономики

Инновационное развитие сельского хозяйства в России в современных условиях достигло высокого уровня и устойчивого роста. При этом имеются скрытые резервы, использование которых позволит дать новый импульс развитию АПК Российской Федерации в мире третьего тысячелетия. Один из них достижения цифровой экономики.

В настоящее время каждая страна при переходе к цифровой экономике в зависимости от уровня развития экономики, уровня образования, подготовленности нормативно-правовой базы, состояния и применяемых технологий разработки информационных систем делают упор на ту или иную стратегию цифровой трансформации для достижения положительных эффектов от этого.

В работе [1] Абдыров Т.Ш. и Турдалы А.Н. отмечают, что «ведущие страны с развитой аграрной сферой прошли своего рода «технологическую революцию». Опыт таких стран как США, Канада и Австралия свидетельствует, что информатизация производства, функционирования, управления и услуг в сельском хозяйстве при внедрении в отрасль цифровых технологий трансформирует модель оборота и электронной торговли сельскохозяйственной̆ продукции, стимулирует развитие промышленных парков, ускоряет распространение цифровых технических достижений, способствует экономическому развитию сельских районов благодаря их специфике. Внедрение цифровых технологий в сельское хозяйство государств-членов ЕАЭС уже происходит в двух основных направлениях: в системе государственного регулирования отрасли и технологическом перевооружении сельскохозяйственного производства. Цифровая трансформация является драйвером глобального, инклюзивного и устойчивого роста, источником широкого спектра синергетических экономических эффектов, способствующих достижению целей̆ ЕАЭС в направлении инновационного развития сельского хозяйства».

Цифровая экономика в сельском хозяйстве сможет обеспечить устойчивость развития сельского хозяйства, развитие аграрной науки, аграрного образования, соблюдение экологических норм.

Уже сегодня в некоторых российских агрокомплексах вполне успешно используются новые технологии ведения хозяйства, которые нисколько не уступают зарубежным. Подмосковье, например, использует реконструкцию ферм с внедрением новых технологий содержания, доения и кормления животных, а также внедрением сберегающего земледелия. Благодаря высоким технологиям стало возможно беспривязное содержание скота. Хозяйства Краснодарского края, Татарстана, Белгородской, Ростовской, Курской, Липецкой и других областей заметно преуспели в так называемом беспахотном земледелии, строят животноводческие комплексы высочайшего уровня.

Удалов А.А. рассуждая о развитии аграрной отрасли в работе [28] указывает на то, что оно «невозможно без цифровой трансформации экономики и качественного научного обеспечения. В связи с этим особенно важно развитие научных разработок с использованием цифровизации в области возделывания и выработки качественной и конкурентоспособной продукции с контролем географического расположения и происхождения сельскохозяйственной продукции. Кроме того, выведение агропромышленного комплекса нашей страны на интенсивный путь развития, налаживание выпуска высококачественной конкурентоспособной продукции на отечественных и мировых рынках может быть реализовано только на основе цифровой трансформации экономики сельского хозяйства и неразрывного взаимодействия сельхозтоваропроизводителей, научно-исследовательских организаций и государства».

Агропромышленному комплексу необходима стабильная поддержка государства, обеспечение молодыми кадрами. Очевидно, что инновации, открытия, идеи будут тогда, когда придут молодые сотрудники.

Как справедливо отмечено в работе [32] первоначально отрасль сельского хозяйства не была включена в число приоритетных отраслей по цифровизации. Программа «Цифровая экономика» утверждена Правительством Российской Федерации в июле 2017 года, ее выполнение рассчитано до 2024 года. В конце 2017 года Министерство сельского хозяйства РФ предложило создать государственную подпрограмму «Цифровое сельское хозяйство». В структуре министерства был создан Аналитический центр, занимающийся мониторингом состояния земель сельхозназначения, ведутся переговоры с Роскосмосом и Росгидрометом о создании единой базы снимков из космоса и климатических данных. В крупнейших аграрных ВУЗах открываются кафедры цифровизации сельского хозяйства, где будут готовить квалифицированные кадры в этой области. До конца 2018 года Минсельхоз рассчитывает утвердить на уровне правительства программу «Цифровое сельское хозяйство» для ее включения в программу «Цифровая экономика».

Вартанов М.Л. в работе [5], рассуждая о цифровом сельском хозяйстве, приходит к следующему выводу, что «на сегодняшний день присутствуют два главных аспекта использования цифровых технологий в сельском хозяйстве – повышение производительности и снижение потерь. Неэффективность агропроизводства по-прежнему зашкаливает: около 40 % продукции теряется на этапе от выращивания до переработки, еще 40 % – при переработке, хранении и транспортировке. При этом значительная часть потерь обусловлена природными условиями, но далеко не все. Считается, что в сельхозпроизводстве от человека зависит лишь 25-30 % результата. Многое определяет погода, но те 30 %, которые определяет человек, надо использовать полностью. И цифровое сельское хозяйство позволяет это сделать, однако большинство агрономов в силу возраста, опыта и образования, к сожалению, пока еще не готовы работать с информационными технологиями, а результат цифровизации в значительной степени зависит от той информации, которая вводится на полях».

По мнению Скворцова Е.А.: «переход организаций сельского хозяйства на цифровые, интеллектуальные системы и робототехнику вызван необходимостью ряда его изменений. Труд в сельском хозяйстве на основе традиционных технологий, как правило, лишен творческого содержания и требует больших физических усилий. Изменение состава трудовых ресурсов вследствие роста образовательного уровня и социальных ожиданий кадров нового поколения повышает требования к условиям и характеру труда. Дело в том, что сегодня людей не привлекает лишенный творческого подхода ручной труд в сельском хозяйстве, трансформацию претерпели сами представления о рабочем месте и содержании труда. Выход из указанного противоречия заключается в применении принципиально новых технических решений на основе робототехники, позволяющей освободить человека от однообразных физически тяжелых и лишенных интеллектуального содержания операций. Эти решения на основе робототехники в сельском хозяйстве позволяют повысить привлекательность отрасли для нового поколения кадров». [22]

В работе [12] отмечено, что «внедрение цифровых технологий невозможно без IT-специалистов, работающих в сельском хозяйстве, которых в нашей стране вдвое меньше, чем в странах с более высокими показателями развития аграрной сферы (рисунок 1)».

Рисунок 1 – Удельный вес IT-специалистов в сельском хозяйстве от общего количества работников, % [12]

«В России около 113 тысяч специалистов в области информационных технологий занято в агропромышленном комплексе, примерно на 1000 работающих приходится 1 работник со знанием информационно-коммуникационных технологий. Для того, чтобы достичь показатели развитых стран нам необходимо еще привлечь в отрасль не менее 90-100 тысяч IT-специалистов. IT-специалисты должны не только разбираться в информационной сфере, но и отлично знать сельское хозяйство, основные производственные процессы в животноводстве и растениеводстве, понимать какие задачи стоят перед аграриями, четко осознавать на решение какой проблемы направлен конкретный информационный ресурс. В связи с этим, важным становится подготовка за счет бюджетных ассигнований специалистов в области информационно-коммуникационных технологий в образовательных организациях высшего образования аграрного профиля. Для таких специалистов должна быть предусмотрена целевая подготовка в вузе, прохождение практики в хозяйствах, вставших на путь цифровизации с последующим трудоустройством. В рамках реализации программы «Цифровое сельское хозяйство» планируется к 2021 году создать в аграрных вузах, подведомственных Министерству сельского хозяйства РФ 54 центра компетенций, в задачи которых будет входит подготовка и переподготовка кадров сельскохозяйственных организаций в сфере цифровой экономики. Это позволит обучить специалистов хозяйств работе с цифровыми технологиями и продуктами. Кроме того, назрела необходимость зарождения в вузах научных школ по проблемам развития цифровых технологий в сфере АПК». [12]

Трухачев В.И. в исследовании [26] обращает внимание на то, что «переход на целевые установки нового технологического уклада, с которым связывают распространение цифровых технологий, требует решения целого комплекса проблем в вопросах подготовки кадров: устранение цифрового неравенства населения в регионах (особенно в сельской местности) и повышение доступности цифровых технологий; с появлением новых профессий необходима постоянная адаптация учебных программ к специфическим требованиям и особенностям формирования профессионального образования в агротехнологической, сельскохозяйственной, биотехнологической и других сферах отраслевой специфики; требуется связующее звено между системой образования и сферой использования цифровых технологий – перманентный и многосторонний мониторинг запросов рынка труда и последующего развития соответствующих компетенций у слушателей учебных заведений; в системе образования необходима большая гибкость и адаптивность – внедрение онлайн-обучения».

Таким образом можно сделать вывод о том, что вопросы кадрового обеспечения цифровизации сельского хозяйства остаются достаточно неизученными. В связи с этим интерес представляет исследование особенностей подготовки ИТ-специалистов для агропромышленного сектора и подготовки аграриев со сформированными ИТ-компетенциями.

1.2 Анализ рынка вакансий ИТ-специалистов АПК

Одним из сдерживающих развития цифровизации сельского хозяйства – «нехватка квалифицированных кадров в аграрном секторе, способных обеспечить внедрение и использование современных цифровых технологий. Главная сложность заключается в том, что у выпускников в области информационных технологий не хватает компетенций в области сельского хозяйства, а у аграриев IT-знаний» [12].

На основе мониторинга рынка вакансий составлен перечень требования к ИТ специалистам АПК:

— цифровое управление технологическими и производственными процессами в АПК;

— внедрение отраслевых автоматизированных систем в АПК;

— агрономический учет сельскохозяйственных угодий с применением геоинформационных технологий;

— мониторинг состояния сельскохозяйственных угодий с применением беспилотных летательных аппаратов;

— агроконсультирование в области новейших технологий на основе применения программно-аппаратных комплексов и программного обеспечения для сферы АПК;

— построение систем инвентаризации земельного фонда;

— создание электронных карт полей, интеграция с ГИС, системами земельного кадастра;

— мониторинг посевов при помощи беспилотных авиационных систем;

— контроль качества агротехнических мероприятий, построение агрономических карт;

— оперативное планирование и учет полевых работ с использованием систем навигации.

1.3 Анализ программ подготовки в аграрных вузах ИТ-специалистов АПК и специалистов, имеющих навыки работы с ИТ

В условиях цифровизации экономики сельского хозяйства на отраслевые ВУЗы ложиться ответственность в становлении студента как участника мирового цифрового пространства. Требуются специалисты готовые к работе в принципиально новых условиях, понимающие необходимость новых цифровых и информационных систем и возможностях, которые они предоставляют.

Раздел подготовки кадров для цифрового сельского хозяйства целесообразно рассматривать в разрезе воспроизводства кадрового потенциала. На основе данных раздела «Сведения об образовательной организации» официальных сайтов отраслевых ВУЗов АПК были проанализированы программы подготовки в аграрных вузах ИТ-специалистов. В настоящее время по укрупненной группе специальностей 09.00.00 Информатика и вычислительная техника обучающихся готовят 17 аграрных ВУЗов, из них только у 8 ВУЗов реализуются профили подготовки ИТ-специалистов для агропромышленного комплекса (таблица 1).

Таблица 1 – Перечень образовательных программ подготовки ИТ-специалистов для агропромышленного комплекса

Продолжение таблицы 1

Продолжение таблицы 1

Продолжение таблицы 1

Однако, анализируя учебные планы по направлениям подготовки укрупненной группы специальностей 09.00.00 Информатика и вычислительная техника, можно сделать вывод о том, что включенные в учебные планы дисциплины не обеспечивают формирование общепрофессиональных компетенций сельскохозяйственной отрасли таких, как ОПК-2 Способен использовать нормативные правовые акты и оформлять специальную документацию в профессиональной деятельности; ОПК-3 Способен создавать и поддерживать безопасные условия выполнения производственных процессов; ОПК-4 Способен реализовывать современные технологии и обосновывать их применение в профессиональной деятельности; ОПК-5 Способен участвовать в проведении экспериментальных исследований в профессиональной деятельности; ОПК-6 Способен использовать базовые знания экономики и определять экономическую эффективность в профессиональной деятельности. Это свидетельствует о дефицитах знаний о сельскохозяйственной отрасли у выпускников данных программ.

Анализ численности подготавливаемых кадров (таблица 2) подтверждает дефицит ИТ-специалистов в сельском хозяйстве. Лидерами в подготовке ИТ-специалистов для АПК являются ФГБОУ ВО Кубанский ГАУ, ФГБОУ ВО Пермская ГСХА, ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, ФГБОУ ВО Ставропольский ГАУ.

Таблица 2 – Численность подготавливаемых ИТ-специалистов для агропромышленного комплекса

Анализ образовательных программ по действующим образовательным стандартам по четырем укрупненным группам специальностей и направлений подготовки, которые определяют сельскохозяйственный профиль аграрных вузов (19.00.00 Промышленная экология и биотехнологии, 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство, 36.00.00 Ветеринария и зоотехния) выявил, что в образовательных программах и образовательных стандартах отсутствуют компетенции по формированию цифровой грамотности у обучающихся, существующие компетенции направлены только на формирование базовых знаний информационно-коммуникационных технологий (начального уровня цифровой грамотности).

В настоящее время в профильных ВУЗах ведется активная подготовка высоко квалифицированных специалистов для аграрного сектора. На основе анализа потребности рынка труда и по требованиям работодателей для формирования цифровой грамотности обучающихся в образовательные программы направлений подготовки / специальностей по укрупненным группам 19.00.00 Промышленная экология и биотехнологии, 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство, 36.00.00 Ветеринария и зоотехния включены дисциплины:

— WEB технологии и мировые информационные ресурсы;

— автоматизированные системы проектирования в землеустройстве и кадастр;

— географические информационные системы;

— геоинформационные системы;

— глобальные информационные ресурсы;

— инженерная и компьютерная графика;

— инновационные технологии в агрономии;

— инновационные технологии в сельском хозяйстве;

— информационно-аналитические технологии государственного и муниципального управления;

— информационное обеспечение автотранспорта;

— информационно-консультационная служба в агрономии;

— информационные технологии в защите растений;

— информационные технологии и системы в экономике АПК;

— компьютерная инженерная графика;

— компьютерное управление технологическими системами;

— математическое моделирование;

— методы принятия управленческих решений;

— моделирование автотранспортных процессов;

— обработка данных в системах транспортных и транспортно-технологических машинах и оборудовании;

— основы бережливого производства;

— предметно-ориентированные информационные системы;

— проектирование информационных систем;

— системы автоматизированного проектирования автомобилей и тракторов;

— современные информационные технологии в экономической науке и практике;

— современные способы племенного учета;

— точное земледелие

Повышение качества профессиональной подготовки студентов аграрного ВУЗа в области цифровых и информационных технологий, чему способствует внедрение в учебный процесс современных цифровых технологий и специального программного обеспечения.

Для подготовки высококвалифицированных специалистов для цифрового сельского хозяйства необходимо включение специального программного обеспечения, средств информационных и коммуникационных технологий в процесс изучения общепрофессиональных и специальных дисциплин сельскохозяйственной направленности таких как: «Селэкс. Молочный скот», «Селэкс. Мясной скот», «Кормовые рационы», «Картотека быков», «БУСП» (Быки – Управление СпермоПродукцией), «ОТТ», «ПлемУчет», «Автоматизация селекции в свиноводстве» (КП «АСС») и программный продукт «1С:Предприятие 8. Селекция в животноводстве. Свиноводство», «Помощник Коневода», «Агродозор», «ЦПС:АгроУправление», «Корм Оптима», «Геоаналитический центр управления АПК», «Учет субсидий для сельского хозяйства», «Личный кабинет с/х товаропроизводителя», «Свод промфинпланов сельскохозяйственных предприятий», «1С:Похозяйственный учет муниципального образования» «Похозяйственная книга», «Анализ показателей развития сельского хозяйства региона».

При этом методика обучения должна быть ориентирована на поиск путей и способов решения задач профессиональной направленности средствами, имеющими прикладное значение.

Сквозная цифровая грамотность при подготовке кадров по образовательным программам высшего образования бакалавриата и магистратуры обеспечивается в рамках базовых дисциплин (рисунок 2):

— информатика;

— информационные технологии в профессиональной деятельности;

— информационные технологии в науке и производстве.

Рисунок 2 – Формирование сквозной цифровой грамотности по образовательным программам высшего образования бакалавриата и магистратуры

Сквозная цифровая грамотность обучающихся обеспечивается функционированием в ВУЗах электронной информационно-образовательной среды, основными компонентами которой являются модульная объектно-ориентированная динамическая образовательная среда «MOODLE» и программные средства автоматизации деятельности в учреждениях высшего профессионального образования «1С: Университет ПРОФ» и программными продуктами Лаборатории ММИС.

Кроме этого обучающимся предоставляется возможность самообразования с помощью таких ресурсов, как электронные библиотечные системы «Национальная электронная библиотека (НЭБ)», «Лань», «Znanium», «Polpred», порталы «Национальный Открытый Университет «ИНТУИТ», «Просветительский проект «Лекториум», «Агроэкологический атлас России и сопредельных стран», «Открытая система электронного образования «Универсариум», «WEB-Издательство мультимедийных интерактивных онлайн-курсов (МИОК)», «edX» и др.

При освоении образовательных программ для расширения полученных знаний для самообразования студентов возможно освоение следующих курсов:

• образовательной платформы Stepik:

— биотехнологии: генная инженерия;

— введение в гидропонику;

— введение в робототехнику;

— Молекулярная биология и генетика;

• образовательной платформы Лекториум:

— 2D+3D проектирование в AutoCAD;

— инженерное дело;

— методология диссертационного исследования;

• образовательной платформы Открытое образование:

— детали машин и основы конструирования;

— методы обработки навигационной измерительной информации;

— молекулярная генетика развития растений;

— основы мехатроники и робототехники;

— основы цифровой обработки сигналов;

— системы автоматизированного проектирования.

— теория механизмов и машин;

— управление мехатронными и робототехническими системами;

В части повышения цифровой грамотности при подготовке аспирантов в рамках освоения образовательных программ аспирантами предусмотрено изучение следующих информационных систем:

— Государственная информационная система в области ветеринарии ВетИС и ее компоненты;

— Функциональная подсистема «Электронный атлас земель сельскохозяйственного назначения» (ФП АЗСН);

— Федеральная государственная информационная систем учета и регистрации тракторов, самоходных машин и прицепов к ним (ФГИС УСМТ);

— Система мониторинга и прогнозирования продовольственной безопасности Российской Федерации (СМ ПБ);

— Система предоставления государственных услуг в электронном виде Министерства сельского хозяйства Российской Федерации (ПК «Электронные госуслуги);

— Автоматизированная информационная система реестров, регистров и нормативно-справочной информации (АИС НСИ);

— Информационная система планирования и контроля Государственной программы (ИС ПК ГП);

— Комплексная информационная система сбора и обработки бухгалтерской и специализированной отчетности сельскохозяйственных товаропроизводителей, формирования сводных отчетов, мониторинга, учета, контроля и анализа субсидий на поддержку агропромышленного комплекса (АИС «Субсидии АПК»);

— Центральная информационно-аналитическая система Системы государственного информационного обеспечения в сфере сельского хозяйства (ЦИАС СГИО СХ);

— Автоматизированная информационная система «Реестр федеральной собственности АПК» (РФС АПК);

— Единая Федеральная Информационная Система о Землях Сельскохозяйственного Назначения (ЕФИС ЗСН).

В процессе обучения аспиранты получают умения работать в удаленном доступе на различных информационных платформах и программах, интегрироваться в отечественное и международное информационное пространство, участвовать в грантах и конкурсах.

«Чтобы обеспечить подготовку кадров для цифрового сельского хозяйства необходимо преодолеть дефицит компетенций научно-педагогических кадров ВУЗов и, в первую очередь, речь идет об анализе больших данных, разработке мобильных приложений, анализе пространственных данных, дизайне механизмов и объектов сельскохозяйственного назначения [26]».

В связи с этим в ежегодный план повышения квалификации и профессиональной переподготовки научно-педагогических работников аграрных ВУЗов необходимо включать не только повышение квалификации по применению электронного обучения и дистанционных образовательных технологий в профессиональной деятельности преподавателя, но и повышение квалификации в области педагогических технологий и по профилям читаемых дисциплин в соответствии с требованиями работодателей и современного развития отрасли:

— Интернет вещей;

— Информационная безопасность;

— Продовольственная безопасность;

— Ресурсосберегающее земледелие;

— Робототехника;

— Технологии сберегающего земледелия и биотехнологий в сельхозпроизводстве и др.

В крупнейших аграрных вузах с 2018 года открыты кафедры цифровизации сельского хозяйства, где будут готовить квалифицированные кадры в этой области.

Таким образом, современная система аграрного образования должна сформировать у выпускника не только новую цифровую грамотность, базовые компетенции цифровой экономии, такие как системное и критическое мышление, разработка и реализация проектов, командная работа и лидерство, коммуникация, самоорганизация и саморазвитие; но и ИТ-компетенции для цифрового сельского хозяйства, например умение анализировать и обрабатывать базы данных, работа с Big data, применение цифровых технологий в профессиональной деятельности.

Рынок труда предъявляет новые требования к аграриям в условиях цифровой экономики:

— Агроконсультирование в области новейших технологий на основе применения программно-аппаратных комплексов и программного обеспечения для сферы АПК;

— Агрономический учет сельскохозяйственных угодий с применением геоинформационных технологий;

— Внедрение отраслевых автоматизированных систем в АПК;

— Контроль качества агротехнических мероприятий, построение агрономических карт;

— Мониторинг посевов при помощи беспилотных авиационных систем;

— Мониторинг состояния сельскохозяйственных угодий с применением беспилотных летательных аппаратов;

— Оперативное планирование и учет полевых работ с использованием систем навигации;

— Построение систем инвентаризации земельного фонда;

— Создание электронных карт полей, интеграция с ГИС, системами земельного кадастра;

— Цифровое управление технологическими и производственными процессами в АПК.

Низкие темпы перехода организаций сельского хозяйства на цифровые технологии объясняется тем, что данный процесс осуществляется бессистемно и имеются следующие проблемы: не разработаны учебные программы и перечень компетенций по подготовке специалистов, способных осваивать и использовать цифровые технологии. Дело в том, что использование цифровых технологий требует от обслуживающих кадров новых компетенций: «от инженеров – умения эксплуатировать, производить сервисное обслуживание и ремонт робототехники, от экономистов – умения определять целесообразность и рассчитывать экономическую эффективность внедрения робототехники, от зооинженеров – умения взаимодействовать с робототехникой для решения вопросов зоотехнического учета, от ветеринаров – умения использовать данные, полученные робототехникой, для принятия решений о лечении животных» [22]. В настоящее время обучение кадров основным навыкам использования цифровых технологий осуществляется, в основном, ее поставщиками.

По мнению экспертов, «не во всех бизнес-процессах, связанных с сельскохозяйственным производством, имеются одинаковые условия для цифровой трансформации. Существуют объективные особенности цифровизации производственных процессов в силу сложности их формализации, многофакторной обусловленности результата, высокого уровня неопределенности и зависимости от неуправляемых или малоуправляемых факторов – природно-климатических, биологических, социально-психологических и т. п.» [26]

Таким образом, формирование компетенций в области цифровой экономики по работе с цифровыми продуктами и технологиями в сельском хозяйстве, невозможно обеспечить в рамках существующих образовательных программ, реализуемых в аграрных ВУЗах. В связи с чем исполнителями НИР по теме «Определение потребностей агропромышленного комплекса в обеспечении трудовыми ресурсами в условиях формирования цифровой экономики. Проработка и обоснование мероприятий по формированию кадрового состава» предложен проект образовательного стандарта 35.03.12 Цифровое сельское хозяйство и ПООП 35.03.12 Цифровое сельское хозяйство.

В ходе исследования и анализа предложены формулировки профессиональных компетенций в области цифрового сельского хозяйства:

— Способность организовывать на предприятиях АПК высокопроизводительное использование и надежность роботизированных систем для производства, хранения, транспортировки и первичной переработки продукции растениеводства и животноводства;

— Способность разрабатывать адаптивно-ландшафтные системы земледелия для сельскохозяйственных предприятий с применением ГИС-технологий;

— Способность сопрягать и настраивать аппаратные и программные средства в составе информационных и автоматизированных систем в области цифрового сельского хозяйства, а также подключать и настраивать модули ЭВМ и периферийного оборудования;

— Способностью реализовывать процессы жизненного цикла информационных систем, программного обеспечения, сервисов информационных технологий в области цифрового сельского хозяйства;

— Способностью эффективно применять базовые цифровые и информационные технологии при решении прикладных задач, связанных с их развитием и использованием в профессиональной деятельности.

2 Анализ готовности специалистов к работе в режиме цифровизации на предприятиях сельского хозяйства (на примере Кемеровской области)

2.1 Анализ кадрового потенциала на этапе цифровизации АПК Кемеровской области

Кемеровская область вошла в число пилотных регионов по направлению «Цифровизация сельского хозяйства».

Очевидно, что стремительное внедрение цифровых технологий в сельское хозяйство потребует качественно нового уровня компетентности работников отрасли. Они должны уметь эффективно работать с информационными потоками и владеть современными средствами установления продуктивных связей в Интернете, использовать различные Интернет-сервисы и инструменты для изучения аналитических отчетов и обзоров, искать эффективные способы освоения новых ресурсов и рынков, оперативно контролируя состояние предприятия и взаимодействуя с различными партнерами и системами в сети для управления в режиме реального времени. Для этого необходимо непрерывное обучение и развитие работников отрасли на основе информационно-ориентированного подхода, актуальных прогрессивных методик обучения и современного инструментария. Для подготовки специалистов в области цифрового сельского хозяйства используют научный и педагогический потенциал учебных заведений Кузбасса.

Общее число работников в 2018 году сократилось на 12% по отношению к предыдущему году (таблица 3).

Таблица 3 – Среднегодовая численность занятых на предприятиях АПК Кемеровской области

В растениеводстве Кемеровской области отмечается кадровый стабильный рост: количество как основных так вспомогательных сотрудников увеличились на 20 % и 4 % соответственно. Данные изменения можно объяснить увеличением пахотных земель. Растениеводство на предприятиях АПК Кемеровской области имеет сезонных характер, этим и вызвано столь существенное количество вспомогательных сотрудников, более чем в два раза, по отношению к основным рабочим. Животноводство же имеет более стабильную сезонную численность, поскольку производственные процессы постоянны в разрезе года. В животноводстве всё же происходит незначительное уменьшение численности сотрудников, связано это с автоматизацией производственных процессов и снижением трудозатрат.

Основную долю в группе рабочих по возрасту занимают люди в возрасте 50-60 лет, это 27 % и 6,3 % возрасте старше 60 лет, что свидетельствует о достаточном риске что предприятия могут испытать кадровый «голод», в целом на обе этих группы приходиться треть всех сотрудников предприятий (таблица 4).

Таблица 4 – Качественный состав трудовых ресурсов АПК Кемеровской области за 2016-2018гг.

Практически половина кадрового состава приходится на возрастную категорию возрастом от 30-ти до 50-ти лет. И всего 16,8% – это молодые работники в возрасте 20-30 лет. Столь низкий процент возрастной категории молодых работников говорит о том, что предприятие очень слабо обеспечено молодыми и квалифицированными кадрами, имеющими опыт работы в сельском хозяйстве.

Третья часть из числа сотрудников по трудовому стажу занимают работающие на предприятии до 5 лет, Данная ситуация свидетельствует о «текучке кадров». Вызвано это может быть двумя факторами. Первый – низкая квалификация специалиста и его компетенции не соответствуют требованиям, вторая – не удовлетворённость работников предоставляемыми условиями труда. Несмотря на это на предприятиях присутствуют сотрудники со стажем работы более 20 лет.

Ситуацию по категориям образования в динамике за последние три года отображена в таблице 5.

Необходимо отметить незначительную долю работников, имеющих начальное образование (2,3-5 %), и высокую долю работников со средним образованием – 79 %. Предприятия АПК недостаточно обеспечена кадрами с начальным, средне специальным и высшем и образованием. Число работников с высшем образованием за последний год имеет тенденцию снижения на 26 %, это указывает на ещё одну проблему снижения удельного веса данной категории работников.

Таблица 5 – Состав кадров по образованию рабочих АПК Кемеровской области за 2016-2018гг.

Для более качественного анализа действующей ситуации на предприятиях АПК Кемеровской области, а так же для поиска эффективных решений на поставленные задачи, необходимо отразить результаты изменений в области увеличения требований к основным руководящим должностям и квалифицированным специалистам АПК Кемеровской области (таблица 6).

Таблица 6 – Актуальные требования к навыкам руководителей и квалифицированных специалистов АПК Кемеровской области

Продолжение таблицы 6

Из таблицы 6 можно увидеть, что уровень владения необходимыми навыками в большинстве случаев ниже среднего, это ещё раз указывает на острую необходимость изменения подхода к внедрению инновационных решений.

Таким образом, проблемы обеспеченности специалистами для работы в режиме цифровизации на предприятиях сельского хозяйства, можно систематизировать следующим образом, представленным в таблице7.

Таблица 7 – Основные проблемы обеспеченности специалистами для работы в режиме цифровизации на предприятиях сельского хозяйства

Сельскохозяйственное производство имеет свои специфические особенности, которые диктуют широкое применение цифровых технологий, как ни в какой другой сфере народного хозяйства, это:

— участие в технологическом процессе живых организмов, связь режимов работы технического оборудования с растениями, животными и людьми, что приводит к случайным изменениям диктующих параметров процесса производства и неопределенностям контроля и управления в объектах сельхозназначения;

— многообразие и сложность производственных процессов, обеспечиваемых цифровыми технологиями.

— распределенность контролируемых параметров по большой площади, случайный характер их природы.

— технологическое многообразие сельхозпроизводства и культур.

Результаты анализа показали, что только 20 % товаропроизводителей региона готовы к цифровизации своих бизнес-процессов, остальные же 80 % имеют слабый уровень развития человеческого потенциала и технических возможностей, связанных с цифровизацией, и нуждаются информационно-консультационной поддержке в области цифровизации бизнес-процессов в сфере АПК.

2.2 Прогноз изменения потребностей в кадрах в условиях трансформации отрасли

В рамках развития цифровой экономики происходит трансформация как самих отраслей, так и инструментов обеспечения их ресурсами, в том числе трудовыми.

При внедрении передовых технологий проектирования, производства и использования продукции формируются новые требования к квалификации специалистов, работающих в этих отраслях: технологии сквозного проектирования, современное лабораторное оборудование определяют новые требования к подготовке в рамках профессиональных компетенций. Например, компетенция инженера изготавливать чертежи деталей и устройств заменяется компетенцией проектирования оборудования в CAD/CAM системах, компетенции агронома по составлению технологических карт возделывания сельскохозяйственных культур дополняются требованием выполнять эти работы в системах управления предприятием.

Таким образом, наиболее вероятным вариантом развития программ подготовки и переподготовки видится изменение структуры компетенций как в них, так и в требованиях, предъявляемых рынком в процессе его трансформации.

Исследователи отмечают ожидание масштабной трансформации требований к специалистам, поскольку многие операции, которые не были затронуты предыдущими волнами внедрения цифровых технологий, в ближайшем будущем могут быть автоматизированы. Ключевой компетенцией, определяющей конкурентные преимущества компаний будущего, становится аналитика больших данных.

В целом, выделяются следующие тенденции:

— профессии, связанные с рутинным выполнением операций становятся менее востребованными;

— профессии быстрее исчезают с появлением и внедрением новых технологий;

— изменение профиля компетенций множества категорий персонала из-за создания новых инструментов работы (аналитики, менеджеры, маркетологи, операторы и др.);

— увеличение частоты появления новых профессий;

— формирование требований к гибкости работников;

— рост требований к «soft skills» – обладанию социальным и эмоциональным интеллектом;

— потребность в специалистах, обладающих «цифровой ловкостью» (digital dexterity) – умеющих использовать новые технологии в целях улучшения бизнес-результатов;

Исследователи ВШЭ отмечают, что российские вузы ежегодно выпускают около 25 тыс. ИТ-специалистов, из которых лишь 15 % готовы к немедленному трудоустройству. При этом, средний срок адаптации выпускника на рабочем месте составляет от 0,5 до 1 года.

Рисунок 3 – Вклад цифровизации в экономический рост (накопительным итогом с 2017 по 2030 г., %

Анализ эффектов внедрения прорывных технологий ведущими корпорациями показывает, что главным последствием автоматизации и роботизации является не уничтожение рабочих мест, а их обновление, таким образом, выдвигаются новые требования к специалистам. С этим связана необходимость адаптации выпускников к работе.

Рисунок 4 – Структура компетенций – прогноз изменений

С ростом проникновения цифровых технологий в жизнь человека меняется соотношение профессиональных компетенций и комплекса жестких, гибких и специальных цифровых компетенций: в настоящее время доля таких компетенций составляет не более 10 % у специальностей, не связанных с информационными технологиями непосредственно, к 2030 году прогнозируется преобразование профессиональных компетенций в цифровые до 80 %. Вслед за изменением структуры фактора роста ВВП меняется и соотношение компетенций.

2.3 Концепция модернизации развития кадрового потенциала

Важным тенденцией трансформации сельского хозяйства является изменение структуры посевных площадей. Анализ показал, что с 2000 по 2019 год значительно изменилась структура площадей, введены в оборот новые культуры (рисунки 5, 6).

Рисунок 5 – Структура земель с/х назначения в 2000 году, тыс. га.

Рисунок 6 – Структура земель с/х назначения в 2019 году, тыс. га.

Данные изменения потребовали не только применение новых технологий и методов, но и внедрение методов контроля за севооборотом со стороны органов государственной власти. Так как нарушения последовательности высадки растений негативно влияют на качество почвы.

Вместе с этим меняется и методы контроля посевов. Контроль посевов с помощью беспилотных летательных аппаратов (БЛА) позволяет точнее контролировать состояние посевов на больших полях, получать оперативную информацию с большого количества полей. Кроме того, оценка вегетации с применением индекса NDVI позволяет использовать системы точного земледелия для внесения удобрений и борьбы с вредителями и сорняками, тем самым снижая затраты на удобрения и пестициды.

Таблица 8 – Технологии земледелия

Изменилась и конъюнктура рынка – активно развиваются крупные агрохолдинги, инвестирующие в современное оборудование. Применение технологий увеличивает объем урожая при одновременном снижении себестоимости за счёт снижения расходов на ГСМ, удобрения, пестициды.

При этом отмечается острая нехватка кадров, умеющих использовать эти технологии на практике. Работодатели отмечают, что существующие работники не готовы к самостоятельному изучению и применению прогрессивных технологий, а ВУЗ не готовят молодых специалистов в этой сфере и не предлагают программы переподготовки кадров.

С другой стороны, меняется подходов органов гос. власти к субсидированию затрат сельхозпроизводителям. Действующие принципы погектарного субсидирования на практике приводят к тому, что аграрии держат большие посевные площади только для получения субсидий и не используют их по факту. Ряд областей, внедривших контроль за использованием посевных площадей при помощи методов дистанционного мониторинга, уже сократили объем выплат недобросовестным хозяйствам. Проведённый в Кемеровской области в 2019 году мониторинг земель сельхозназначения позволил привлечь к ответственности за нарушения и нецелевое использование 216 физических и юридических лиц на общую сумму 28 млн 241 тыс. рублей.

В рамках цифровой трансформации сельского хозяйства информационные системы интегрируются в единую платформу с системами контроля и оценки рисков в части ветеринарной безопасности и отслеживания сельскохозяйственной продукции, возможности сбыта на цифровых платформах и рынках как Российской федерации, так и международных, в том числе с применением цифровых или «безбумажных» технологий.

Реализация приоритетных направлений научно-технологического развития цифровых продуктов и технологий для сельского хозяйства не возможна без подготовки специалистов в области цифровых технологий в АПК. Подготовка должна включать изменения в существующие образовательные программы студентов, а также программы дополнительного профессионального образования для работников предприятий.

Создание системы непрерывной подготовки и переподготовки специалистов сельскохозяйственных предприятий в области цифровизации сельского хозяйства, является одной из приоритетных задач, поставленных Министерством сельского хозяйства РФ. В этой ситуации именно Агровузы должны создать систему образовательных программ и стать механизмом непрерывной подготовки и переподготовки высококвалифицированных кадров. При этом трансформация системы образования должна охватывать не только ВУЗы, но и сельхоз техникумы.

Тренды развития цифровых технологий в АПК позволяют сделать вывод, что в ходе реализации программ профессиональной подготовки и переподготовки кадров должны быть:

— сформированы знания, умения и навыков для получения достоверных сведений о существующих цифровых технологиях в области их применения;

— сформированы навыки работы с информационными технологиями, способствующие процессам цифровизации отрасли;

— сформированы знания специализированного программного обеспечения и средств автоматизации;

— совершенствованы профессиональные компетенций в сфере интеграции агропромышленного производства в смежные отрасли цифровой экономики для повышения производительности труда в сельском хозяйстве и максимизации прибыли предприятий отрасли;

— сформированы профессиональных компетенций в сфере создания, диспетчеризации и агрегации потоков данных для создания сквозных цепочек от производства сельскохозяйственной продукции до потребления с глубокой интеграцией в смежные отрасли цифровой экономики.

В рамках образовательного процесса необходимо предусмотреть изучение следующих вопросов:

— Актуальные вопросы цифровой трансформации сельского хозяйства (Внедрение цифровых технологий и платформенных решений в АПК):

— Цифровые технологии в управлении АПК;

— Цифровое землепользование и землеустройство. Цифровое картирование для АПК;

— Создание электронных карт полей, интеграция с ГИС, системами земельного кадастра.

— Системы инвентаризации земельного фонда;

— Мониторинг посевов при помощи беспилотных авиационных систем

— Контроль качества агротехнических мероприятий, построение агрономических карт;

— Оперативное планирование и учет полевых работ с использованием систем навигации;

— Умное сельскохозяйственное производство;

— Цифровые технологии в животноводстве, система оценки деградации пастбищ;

— Прогнозирование урожайности;

— Государственно-частное партнерство в цифровизации сельского хозяйства;

— Системы поддержки решений (DSS) в АПК;

— Приоритетные проекты научно-технологического развития цифровых продуктов и технологий для сельского хозяйства: «умное землепользование», «умное поле», «умная ферма», «умная теплица», «умный сад», «умное стадо»;

— Цифровизация товарных потоков и агропромышленного производства.

В рамках изучения специальных дисциплин должно быть предусмотрено изучение следующих информационных систем:

— Государственная информационная система в области ветеринарии ВетИС и ее компоненты;

— Функциональная подсистема «Электронный атлас земель сельскохозяйственного назначения» (ФП АЗСН);

— Федеральная государственная информационная систем учета и регистрации тракторов, самоходных машин и прицепов к ним (ФГИС УСМТ);

— Система мониторинга и прогнозирования продовольственной безопасности Российской Федерации (СМ ПБ);

— Система предоставления государственных услуг в электронном виде Министерства сельского хозяйства Российской Федерации (ПК «Электронные госуслуги»);

— Автоматизированная информационная система реестров, регистров и нормативно-справочной информации (АИС НСИ);

— Информационная система планирования и контроля Государственной программы (ИС ПК ГП);

— Комплексная информационная система сбора и обработки бухгалтерской и специализированной отчетности сельскохозяйственных товаропроизводителей, формирования сводных отчетов, мониторинга, учета, контроля и анализа субсидий на поддержку агропромышленного комплекса (АИС «Субсидии АПК»);

— Центральная информационно-аналитическая система Системы государственного информационного обеспечения в сфере сельского хозяйства (ЦИАС СГИО СХ);

— Автоматизированная информационная система «Реестр федеральной собственности АПК» (РФС АПК);

— Единая Федеральная Информационная Система о Землях Сельскохозяйственного Назначения (ЕФИС ЗСН).

— программных продуктов: «Агродозор», «ЦПС:АгроУправление», «Селекс», «Корм Оптима», «Геоаналитический центр управления АПК», «Учет субсидий для сельского хозяйства», «Личный кабинет с/х товаропроизводителя», «Свод промфинпланов сельскохозяйственных предприятий», «1С:Похозяйственный учет муниципального образования» «Похозяйственная книга», «Анализ показателей развития сельского хозяйства региона».

Данные навыки, знания и умения должны быть сформированы как у работников предприятий АПК, так и у государственных служащих.

Программа переподготовки должна включать современные педагогические технологии:

— Технологии «перевернутого класса»;

— Кейс технологии;

— Проектные методы обучения и проблемное обучение;

— Ролевых, деловых, и других видов обучающих игр;

Использование активных форм и методов преподавания: доклады в лекционном стиле с рассмотрением практических примеров, в том числе примеров из собственного профессионального/делового опыта лектора и участников семинара.

Исполнителями научно исследовательской работы представлена разработанная программа профессиональной переподготовки «Управление цифровой трансформацией сельского хозяйства» в качестве приложения к данному отчету.

На основе представленного анализа предложен план образовательных мероприятий по цифровой трансформации сельского хозяйства в разрезе Кемеровской области (таблица 9).

Таблица 9 – План образовательных мероприятий по цифровой трансформации сельского хозяйства

Продолжение таблицы 9

Продолжение таблицы 9

Заключение

Очевидной становится стратегическая роль кадрового потенциала в формировании цифровой составляющей системообразующих отраслей экономики, в частности агропромышленного комплекса. Цифровые технологии являются не только технологической базой для модернизации аграрного производства, а также основанием для непрерывного самосовершенствования и расширения знаний работников.

Создание цифровой инфраструктуры позволяет превращать информацию не только в ресурс для экономического роста, а также адаптивно использовать организаторскую активность трудовых ресурсов.

Использование трансформации с целью постоянного улучшения как принципа нового цифрового экономического уклада позволит не только перестроить взаимодействие агропроизводителей с потребителями и построить сквозные бизнес-процессы, а также расширить полномочия экономических субъектов при взаимодействии с внешней средой.

Цифровизация сельского хозяйства потребует не только обучения кадров, способных обслуживать технику и киберфизические устройства имеющих специальное техническое образование (не путать с программистами), но и разработки программ по привлечению новых специалистов.

Содействие в разработке и внедрению в систему высшего и среднего профессионального образования новых образовательных программ и стандартов обучения по инновационным технологиям цифрового земледелия (в т.ч. применение прямого посева, технологии точного земледелия, биотехнологии и т.д.), в курсы повышения квалификации кадров для АПК, обеспечение комплекса мер по трансферту знаний и распространения технологий сберегающего земледелия и биотехнологий в сельхозпроизводстве. Для осуществления подготовки специалистов в области цифрового сельского хозяйства необходимо использовать научный и педагогический потенциал учебных заведений.

Список используемой литературы

1. Абдыров, Т.Ш. Сельское хозяйство ЕАЭС в условиях цифровой трансформации / Т.Ш. Абдыров, А. Н. Турдалы // Theoretical & Applied Science. — 2018. — № 5 (61). — С. 323-326.
2. Алексеева, Е.А. Цифровое сельское хозяйство и подготовка кадров новой формации для агропромышленного комплекса Красноярского края / Е.А. Алексеева, Т.Ф. Лефлер // В сборнике: Цифровое сельское хозяйство региона: основные задачи, перспективные направления и системные эффекты Сборник материалов международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию экономического факультета. — 2019. — С. 320-324.
3. Бобрышев, А.Н. Подготовка кадров для сельского хозяйства в условиях цифровой трансформации экономики: тенденции, перспективы и ограничения / А.Н. Бобрышев, Е.В. Хохлова, В.А. Ивашова // Проблемы и перспективы развития агропромышленного производства. — Пенза — 2018. — С. 83-97.
4. Валиев, А.Р. Опыт Казанского ГАУ в подготовке инженерных и научных кадров для цифрового сельского хозяйства / А.Р. Валиев, Б.Г. Зиганшин, А.В. Дмитриев // Инновации в сельском хозяйстве. — 2018. — № 4 (29). — С. 434-442.
5. Вартанова, М.Л. Перспективы цифровизации сельского хозяйства как приоритетного направления импортозамещения / М.Л. Вартанова, Е.В. Дробот // Экономические отношения. — 2018. — № 1. — С. 1-18.
6. Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013 – 2020 годы. [Электронный ресурс] – URL: http://www.mcx.ru/documents/document/show/22026.htm. (дата обращения: 12.04.2019).
7. Гриценко, Г.М. Стратегические направления развития сельских территорий региона аграрной специализации (на примере Алтайского края) / Г.М. Гриценко, М.В. Межина, О.А. Поволоцкая // Управленческие науки. — 2019. — Т. 9. — № 3. С. 6-16.
8. Иванов, В.В. Концептуальные основы цифровой трансформации АПК Волгоградской области / В.В. Иванов, А.С. Овчинников, О.В. Кочеткова // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. — 2019. — № 2 (54). — С. 18-25.
9. Иваньо, Я.М. Участники процесса цифровой трансформации сельского хозяйства региона и их функции / Я.М. Иваньо, М.Н. Полковская // В сборнике: Цифровые технологии и системы в сельском хозяйстве Материалы международной научно-практической конференции. — 2019. — С. 54-61.
10. Климова, С.П. Опыт Орловского ГАУ в подготовке кадров для цифрового сельского хозяйства / С.П. Климова / В сборнике: Биологизация и продовольственная безопасность — векторы развития современного АПК Материалы Международной научно-практической конференции. — 2019. — С. 75-85.
11. Климова, С.П. Субплатформа подготовка и переподготовка кадров для цифрового сельского хозяйства / С.П. Климова // В сборнике: Устойчивое и инновационное развитие в цифровую эпоху Материалы Международной научно-практической конференции. — 2019. — С. 209-216.
12. Корнилова, Л.М. Стимулирование инновационной активности сельскохозяйственных организаций основа цифровизации АПК / Л.М. Корнилова, Е.А. Иванов, П.А. Иванов // Инновационное развитие экономики. — 2018. — № 5 (47). — С. 52-58.
13. Лемешко, Т.Б. Новые кадры для цифрового сельского хозяйства / Т.Б. Лемешко // В сборнике: Социальные и технические сервисы: проблемы и пути развития сборник статей по материалам V Всероссийской научно-практической конференции. Нижегородский государственный педагогический университет им. К. Минина. — 2018. — С. 130-132.
14. Литвинов, Ф.И. Устойчивое социально-экономическое развития АПК в условиях вступления России в эпоху цифровой экономики / Ф.И. Литвинов // Экономика и социум: современные модели развития. — 2017. — № 15. — С. 91-99.
15. О стратегии научно-технического развития российской Федерации до 2030 года. Указ Президента РФ от 1 дек. 2016 г. № 642 [Электронный ресурс]. URL: http://docs.cntd.ru/document/420384257 (дата обращения 12.04.2019).
16. Об утверждении Федеральной научно-технической программы развития сельского хозяйства на 2017–2025 годы. Постановление Правительства Российской Федерации от 25 авг. 2017 г. № 996 [Электронный ресурс]. URL: http:// static.government.ru/media/files/EIQtiyxIORGXoTK7A9i497t yyLAmnIrs.pdf (дата обращения 12.04.2019).
17. Петров, А.М. Научно-образовательное сопровождение цифровой трансформации сельского хозяйства / А.М. Петров, А.З. Брумин, П.А. Ишкин // В сборнике: Инновации в системе высшего образования Сборник научных трудов Международной научно-методической конференции. Самарская государственная сельскохозяйственная академия. — 2018. — С. 180-183.
18. План мероприятий по реализации Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации. Расп. Правительства Российской Федерации от 24 июня 2017 г. № 1325-р [Электронный ресурс]. URL: http://static.government.ru/media/files/g5OvkCKBOKLEhAXjN94ogSBElV39ObPA.pdf (дата обращения 12.04.2019).
19. Плотников, А.В. Роль цифровой экономики для агропромышленного комплекса / А.В. Плотников // Московский экономический журнал. — 2019. — № 7. — С. 21.
20. Программа «Цифровая экономика Российской Федерации» утв. распоряжением Правительством РФ от 28 июля 2017 г. № 1632-р [Электронный ресурс]: (Пояснительная записка к предложению о реализации нового направления «Цифровое сельское хозяйство» федеральной программы «Цифровая экономика Российской Федерации» (Министерство сельского хозяйства РФ)) – Доступ из справочно-правовой системы «Консультант Плюс» (дата обращения: 12.12.2018).
21. Родимцев, С.А. О разработке концепции по развитию экспериментального цифрового опытного хозяйства, создаваемого на базе высшего образовательного учреждения / С.А. Родимцев //В сборнике: Инновации в образовании Материалы XI научно-практической конференции: в 2-х частях. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Орловский государственный аграрный университет имени Н.В. Парахина». — 2019. — С. 310-317.
22. Скворцов, Е.А. Переход сельского хозяйства к цифровым, интеллектуальным и роботизированным технологиям / Е.А. Скворцов, Е.Г. Скворцова, И.С. Санду // Экономика региона. — 2018. — Т. 14. — № 3. — С. 1014-1028.
23. Солодовник, А.И. Развитие кадрового потенциала АПК в условиях цифровой экономики / А.И. Солодовник, Е.И. Ловчикова // Экономика, труд, управление в сельском хозяйстве. — 2019. — № 8 (53). — С. 109-115.
24. Сорокина, Н.И. Анализ зарубежного опыта подготовки специалистов для цифровой экономики в сельском хозяйстве / Н.И. Сорокина, Р.И. Степанов // Аграрное образование и наука. — 2019. — № 4. — С. 8
25. Сорокина, Н.И. Возможности использования зарубежного опыта формирования цифровых компетенций при подготовке кадров для сельского хозяйства / Н.И. Сорокина, Р.И. Степанов // В сборнике: Теория и практика управления сельским хозяйством Материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 80-летию со дня рождения доктора экономических наук, профессора А. Л. Пустуева. — 2019. — С. 408-411.
26. Трухачев, В.И. О подготовке кадров для цифрового сельского хозяйства / В.И. Трухачев // Вестник российской сельскохозяйственной науки. — 2019. — № 2. — С. 15-19.
27. Трухачев, В.И. Проблемы кадрового обеспечения процесса модернизации сельского хозяйства в условиях цифровой экономики / В.И. Трухачев, И.Б. Манжосова // Экономика сельского хозяйства России. — 2018. — № 12. — С. 47-53.
28. Удалов, А.А. Развитие интеграционных процессов в условиях цифровой трансформации экономики сельского хозяйства / А.А. Удалов, З.В. Удалова // Инновации в сельском хозяйстве. – 2018. — № 4(29). – С. 392-399.
29. Указ Президента Российской Федерации от 9 мая 2017 г. № 203 «Стратегии развития информационного общества в Российской Федерации на 2017 — 2030 годы» [Электронный ресурс]. — URL: http:// www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/71570570. (дата обращения: 12.04.2019).
30. Указ Президента РФ от 07.05.2018 № 204 [Электронный ресурс] (ред. от 19.07.2018) «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года» – Доступ из справочно-правовой системы «Консультант Плюс» (дата обращения: 12.04.2019).
31. Фрумкин, Б.Е. Цифровизация сельского хозяйства: потенциал и проблемы / Б.Е. Фрумкин // В сборнике: Ломоносовские чтения-2018. Секция экономических наук. «Цифровая экономика: человек, технологии, институты». — 2018. — С. 248-253.
32. Цифровые технологии решения проблем продовольственной безопасности / И.Ф. Горлов, Г.В. Федотова, М.И. Сложенкина и др. // Аграрно-пищевые инновации. – 2018. — № 4(4). – С. 7-15.
33. Чернова, В.Ю. Стратегические приоритеты политики структурно- технологической модернизации в АПК / В.Ю. Чернова // Экономические и гуманитарные науки. — 2019. — № 1 (324). — С. 90-101.
34. Черняев, А.А. Тенденции развития цифровой экономики в сельском хозяйстве / А.А. Черняев, Р.Н. Муртазаева, Д.А. Гребнева // Научное обозрение: теория и практика. — 2019. — Т. 9. — № 5 (61). — С. 582-593.
35. Чупина, И.П. Подготовка кадров в области инновационных технологий в деятельности сельскохозяйственных предприятий / И.П. Чупина, Н.Б. Фатеева, Л.Н. Петрова // Аграрный вестник Урала. — 2019. — № 7 (186). — С. 96-100.
36. Шарипов, Ш.И. Цифровая трансформация сельского хозяйства: тенденции и пути стимулирования / Ш.И. Шарипов, Ч.М. Мутуев, З.М. Курбанов // Достижения науки и техники АПК. — 2019. — Т. 33. — № 11. — С. 88-90.
37. Шумакова, О.В. Цифровая региональная образовательная платформа: содержание и значение для развития отрасли / О.В. Шумакова, Т.Г. Мозжерина // Наука о человеке: гуманитарные исследования. — 2019. — № 3 (37). — С. 50-57.

Приложения

Реферат

Отчет 117 с., 18 табл., 33 рис., 326 источников, 1 приложение.

ЛЕЙКОЗ КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА, НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ, СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ ЖИВОТНЫЕ, ИЗМЕНЧИВОСТЬ, ЛАБОРАТОРНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛЕЙКОЗА, ТРАНСПЛАНТАЦИЯ ЭМБРИОНОВ, МЕРЫ БОРЬБЫ С ЛЕЙКОЗОМ, ПРОДУКТИВНОСТЬ

Настоящий проект, в рамках которого проводятся исследования, направлен на разработку биотехнологических методов ранней диагностики провируса лейкоза крупного рогатого скота с учетом географических и техногенных зон для геномного редактирования здорового поголовья крупного рогатого скота в России (для ликвидации лейкоза на животноводческих предприятиях Кемеровской области).

В процессе выполнения НИР были проведены следующие работы: проведен аналитический обзор современной научно-технической литературы, затрагивающей проблему; изучена наследственная детерминация устойчивости к вирусу лейкоза и генотипическое разнообразие в популяциях с учетом возраста и физиологического состояния КРС; определено и оценено влияние условий содержания на инфицированность и заболеваемость ВЛКРС; выявлена особенность полиморфизма гена ВЛКРС Кемеровской области, проведен анализ и оценка генетической структуры КРС по локусу гена вируса лейкоза; разработаны биотехнологические методы ранней диагностики провируса лейкоза КРС с учетом географических и техногенных зон для геномного редактирования здорового поголовья КРС; создана электронная база данных эпизоотической ситуации по лейкозу КРС в Кемеровской области.

На основе результатов исследования разработан регламент ранней диагностики провируса лейкоза крупного рогатого скота.

Термины и определения

Антигены – вещества, которые воспринимаются организмом как чужеродные и вызывают специфический иммунный ответ.

Антитела – специфические белки, иммуноглобулины, образующиеся в организме под воздействием антигена и обладающие свойством специфически с ним связываться и отличающиеся от обычных глобулинов наличием активного центра.

Бактериофаг – вирус бактерий, вызывающий лизис микробных клеток.

Биопроба (биологическая проба) – общее наименование методов исследования, основанных на заражении лабораторных животных или введении им биологических препаратов; применяется для диагностики инфекционных заболеваний, идентификации патогенных микроорганизмов и контроля исследуемого материала.

Вакцина – препарат из ослабленных живых или мертвых микроорганизмов, отдельных антигенных компонентов микробных клеток и продуктов жизнедеятельности этих организмов, применяемый для иммунизации человека и животных с профилактической или лечебной целями.

Вакцины живые – приготовленные из живых (ослабленных, аттенуированных) штаммов микроорганизмов.

Вирулентность – степень болезнетворности (патогенности) данного инфекционного агента (штамма микроба или вируса).

Вирус – неклеточная форма жизни, имеющая предельно упрощенную структуру — ДНК и/или РНК и оболочка — способная проникать в живую клетку и размножаться внутри нее.

Вирусемия – состояние, при котором вирусы находятся в крови.

Дифференциальная диагностика – способ диагностики, исключающий не подходящие по каким-либо фактам или симптомам заболевания, возможные у больного, что, в конечном счёте, должно свести диагноз к единственно вероятной болезни.

Иммуноглобулин – белок-глобулин, выполняющий функции антитела.

Колостральный иммунитет – иммунитет, передающийся с материнским молоком.

Ретровирусы – семейство РНК-содержащих вирусов.

Перечень сокращений и обозначений

ВЛКРС – вирус лейкоза крупного рогатого скота

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота

ИФА – Иммуноферментный анализ

РИД – реакция иммунодиффузии в геле агара

РИП – реакция иммунного прилипания

ПЦР – полимеразная цепная реакция

РСК – сложная серологическая реакция

ФГБУ – федеральное государственное бюджетное учреждение

ООО – общество с ограниченной ответственностью

КРС – крупный рогатый скот

МЭБ – Международное эпизоотическое бюро (Всемирная организация по охране здоровья животных)

ФИТЦ – флуоресцеин изотиоцианат гидроксиксантеновый краситель, флуорохром

1 Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках НИР

1.1 Причины возникновения лейкоза крупного рогатого скота, биологические свойства возбудителя.

Лейкоз крупного рогатого скота – хроническая злокачественная вирусная болезнь, которая характеризуется пролиферацией кроветворной и лимфоидной ткани (лимфоцитозом), формированием аномальных очагов кроветворения и нарушением формирования крови клеток крови (анаплазией), летальным исходом. При лейкозе КРС пролиферативные процессы преобладают над процессами нормальной дифференцировки клеток крови [71].

Этиологию лейкоза изучали ученые многих стран в течение многих десятилетий, и только лишь в 1969 г. J. Miller с группой ученых выявили вирус лейкоза крупного рогатого скота. Однако, следует заметить, что фундаментальное исследование лейкоза осуществили российские исследователи. В.П. Шишковым в 1988 г. была выдвинута вирусоиммуногеннная теория этиологии и патогенеза, которая до наших дней подтверждается многочисленными исследованиями отечественных и зарубежных ученых [8, 19, 44].

Некоторые исследователи [19] считают, что лейкоз КРС – неконтагиозная инфекция и, при абсолютном соблюдении ветеринарно-санитарных и зоогигиенических правил, возможно совместное содержание больных и здоровых животных.

Основной целью селекционеров всегда была высокая продуктивность коров, которая в результате увеличивалась в ущерб иммунитета животных. Увеличивая надои при скрещивании черно-пестрой, а также красной пород КРС, повысился и процент заболевания лейкозом. Чаще всего эти породы КРС заболевают лейкозом. У диких животных лейкоз поражает не более 5 процентов особей. В Россию лейкоз КРС мог попасть вместе завозом высокопродуктивного скота. Считается что в нашей стране возникновение лейкоза связано с завозом из Германии племенного скота на территории Западной Сибири, Калининградской, Московской, Ленинградской областей в 1940, 1945-1947 гг. [50]. В дальнейшем лейкоз в наших хозяйствах распространился повсеместно. Подтвердить научно эту гипотезу в 40-ые годы было невозможно, так как сам вирус был описан только в 1969 г. Официально лейкоз в СССР получил признание с 1965 г. Именно тогда появилась и официальная первая инструкция по борьбе с ним [150].

Лейкоз динамично захватывает первенство среди заразных заболеваний КРС – приблизительно 65,8 процентов (2016 г.) [24].

1.2 Биологические свойства возбудителя

Возбудителеь лейкоза крупного рогатого скота – РНК- содержащий вирус, семейства Retroviridae рода Deltaretrovirus, специфической особенностью ретровирусов является то, что в чаще всего они не порождают гибели зараженной клетки, а постоянно стимулируют её, побуждая к делению и активизации.

Рисунок 1 – Внешний вид вируса лейкоза КРС [50]

Основная мишень (рисунок 2 [50] ВЛКРС – В-лимфоцит. В-лимфоцит –предшественник плазматической клетки, которая формирует иммуноглобулины, защищающие организм от всевозможных антигенов, в т.ч. инфекционного характера.

Рисунок 2 – Вирус лейкоза крупного рогатого скота

Все ретровирусы, в т.ч. и ВЛКРС, имеют следующие характерные признаки и свойства (рисунок 3 [50]). Вирион – частица округлой формы; состоит из сердцевины (белок р24), внутренней белковой мембраны и наружной гликолипидной оболочки, на поверхности которой наблюдаются выступы (белок gp51 и gp30); в сердцевине сконцентрирован геном вируса в виде нити РНК, которая формирует комплекс, заключающийся из 2-х одинаковых субъединиц; в сердцевине сконцентрировано более десятка ферментов, в том числе обратная транскриптаза, которая осуществляет воспроизведение (репликация) вирусной РНК.

Присутствие двух биологических форм – вирусной (геном представлен РНК) и провирусной (геном представлен ДНК); подвержены нередким генетическим модификациям за счет рекомбинаций.

Рисунок 3 – Пример ретровируса

Стадии Репликация вируса (рисунок 4 [50]):

1) 1-я стадия — адсорбция через характерные рецепторы, процесс захвата внешнего материала клеткой, осуществляемый путём образования мембранных везикул (эндоцитоз) и сборка ДНК-провируса (2 нити) с применением обратной транскриптазы и РНК вируса;

2) 2-я стадия – перенос в ядро клетки-хозяина и объединение ДНК-провируса с клеточной ДНК;

3) 3-я стадия – синтез РНК вируса с применением клеточной РНК- полимеразы и ДНК-провируса в качестве матрицы (транскрипция).

Рисунок 4 – Репликация вируса

Ученые предполагали, что вирус лейкоза влияет только на В-лимфоциты, тем не менее было обнаружено, что при прямом контакте с зараженным крупным рогатым скотом или при заражении в эксперименте, вирус лейкоза КРС может заражать овец, коз, буйволов, кроликов, свиней, обезьян и человека.

Установлено что:

• у 74 процентов людей, работающих на фермах, неблагополучных по лейкозу обнаружены антитела к ВЛКРС;

• человек, имеющий контакт с инфицированным ВЛКРС мясом очень часто заболевает миелоидной лейкемией;

• между степенью заболеваемости крупного рогатого скота лейкозом и степенью заболеваемости человека острой лимфоидной лейкемией имеется прямая коррелятивная связь [стратегический продукт 2016].

По современной классификации этот возбудитель относится к подсемейству Gammaherpesvirinae семейству Retroviridae. Вирусы обладают тропизмом к В- или Т-лимфоцитам.

Обнаружена корреляция между обусловленными аллелями генов ГКГ и устойчивостью или восприимчивостью к болезням, в том числе и к лейкозу КРС [21]. Метод ДНК-типирования животных может быть применен для генотипирования быков – производителей по аллелям BoLA-DRB3 для того, чтобы уменьшить в популяциях КРС распространение аллелей, определяющих чувствительность к лейкозу [57]. Генетически предрасположен ВЛКРС скот черно-пестрой и красной степной пород, а устойчивыми к заболеванию являются животные симментальской, швицкой, красной горбатовской, ярославской и костромской пород [8, 42, 44, 51].

Изучению полиморфизма ВЛКРС в различных регионах России и за рубежом посвящено значительное количество публикаций [57, 10, 11, 21, 41, 140]. Сотрудниками Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной ветеринарии проведен анализ крови 169 серопозитивных нетелей, коров и телочек с разной степенью зараженности из в хозяйствах Камчатского края, Смоленской, Ростовской, Рязанской, Пензенской и Ярославской областей [10]. В результате анализа генетического разнообразия ВЛКРС обнаружены 4 генотипа возбудителя (1, 2, 4 и 7 генотипов). Возбудитель 1 генотипа был обнаружен в семи; 2 генотипа — в десяти; 4 генотипа – семидесяти девяти и 7 генотипа – пяти процентах проб. Причем выявлено, что генетический полиморфизм может сказываться на показателях исследований. В последнее время появились сообщения, в частности М.И. Гулюкина, Н.Г. Козыревой, Л.А. Ивановой и др. (2016), что имеющаяся филогенетическая классификация ВЛКРС увеличилась уже до 9 генотипов [10, 140]. Это определяет необходимость проработки имеющихся и разработки новых средств и методов диагностики лейкоза КРС с учетом новых данных о возбудителе инфекции.

Обобщенные сотрудниками ФГБУ «ВНИИЗЖ» данные о генетическом полиморфизме вируса лейкоза КРС, выделенного в разных регионах России на 01.07.2017, приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Данные о генетическом полиморфизме вируса лейкоза КРС на территории Российской Федерации [48]

Анализируя данные в таблицы 1 можно сделать вывод, что основная часть изолятов возбудителя лейкоза КРС относится к бельгийско-французской подгруппе, что соответствует 4 генотипу вируса. Характеристика генотипического разнообразия и молекулярно-генетической структуры ВЛКРС могут быть использованы при изучении эпизоотических особенностей (источника инфекции, механизмов и путей распространения возбудителя [30, 66].

1.3 Патогенез

Патогенез при лейкозе КРС обусловлен монотропизмом возбудителя к тканям органов кроветворения и состоянием иммунитета животного. Взаимодействие микро- и микроорганизма при лейкозах – это сложный процесс, который зависит от вирусных и клеточных генов, а также от состояния ферментной системы. Вирус лейкоза, находящийся в клетке, не порождает ее гибели (остается латентным), а приводит к срыву процесса созревания и дифференциации клеток кроветворных органов, что определяет диффузную инфильтрацию органов данными клетками или их злокачественное перерождение [8, 44].

Факторы, которые влияют на соотношение титра специфических антител и количества провируса в крови, пока неизвестны [21]. Огромную роль играет гликозилированный белок gp51, который кодируется геном env, содержащий конформационные и линейные эпитопы, на развитие иммунного ответа при лейкозе КРС. Их структура различается у вирусов, выделенных на различных территориях [68]. Ген env, поверхностный белок gp51, трансмембранный белок gp30 и гликопротеиды играют основную роль в морфогенезе вирионов.

Ретровирусы вызывают лейкемию в тех случаях, когда провирус подсоединяется к хромосомной ДНК поблизости значимых для клетки регуляторных генов (онкогенов). Объединение провирусной ДНК активизирует клеточные онкогены, повергая их к неуправляемому росту и размножению зараженных клеток костного мозга. Однако не всякая интеграция провируса завершаеется формированием клинически выраженной болезни. Однако любая интеграция в геном – это бессрочное инфицирование. Возможна передача провирусной формы по наследству. При исследованиях лейкоза человека, установлено, что при заболевании по меньшей мере одного из членов семьи, заболевание непременно проявится у детей, внуков или правнуков [50].

Имеются сообщения Н.З. Хазипова, Р.Р.Вафина, А.Ю. Шаевой (2013), G.C. Buehring, H.M. Shen, H.M. Jensen et al. (2014) о том, что изменение клеток при воздействии вируса лейкоза выражает действительный риск развития онкологических заболеваний людей [65, 78].

Итак, в чувствительный организм вирус лейкоза попадает в 2-х конфигурациях: инфекционной и провирусной (в виде ДНК инфицированного лимфоцита). При инфекционной – так как возбудитель обладает лимфотропностью, он за счет гликопротеида gp51 заражает В-лимфоцит нового обладателя, где сначала накапливается в цитоплазматических вакуолях, размножается путем почкования от цитоплазматических мембран, а затем встраивается в клеточную ДНК. При провирусной форме – сразу интегрирется в генетический аппарат клетки-хозяина [50].

Инфицированные лимфоциты могут передавать вирусный геном потомству во время размножения [50].

Пока вирус находится за пределами хромосомного аппарата клетки, заражение является скрытым (латентным), обнаруживается лишь только серологическими или вирусологическими исследованиями. При изменении генетической структуры латентная стадия переходит в гематологическую, а далее в клиническую, опухолевую форму болезни[50].

При лейкозе происходит нарушение нормального процесса роста клеток (пролиферация) и дифференциации лимфоидных клеток и их активности. При развитии патологического процесса наблюдают нарушения и стороны В-лимфоцитов, и стороны нейтрофилов, в которых начинают превалировать клетки со сниженной функциональной активностью [50].

У зараженных животных срывается гормональный статус, который играет существенную роль в адаптационно-компенсаторных механизмах. Таким образом, в патогенезе лейкоза доказано решающее этиологическое значение вируса лейкоза КРС при возникновении гемобластозов.

Установлена более сформулированная генетическая стабильность некоторых пород и линий животных к вирусу лейкоза КРС [44,57].

1.4 Эпизоотологические особенности лейкоза крупного рогатого скота

В представленном ниже материале из аналитического обзора ученых ВНИИЗЖ В.А. Мищенко, О.Н. Петровой, А.К. Караулова, А.В. Мищенко за 2018 г. [48] предложена оценка литературных данных по проблеме лейкоза крупного рогатого скота специалистов по трансграничным вирусным инфекциям и проведен анализ эпизоотической ситуации.

Инфекционный процесс при лейкозе крупного рогатого скота характеризуется стадийностью. В патогенезе лейкоза различают следующие стадии развития лейкоза:

*инкубационная – с момента заражения вирусом до появления антител к возбудителю);

*бессимптомная инфекция – от момента появления антител до обнаружения гематологических изменений;

*гематологическая –показателем которой является персистентный лимфоцитоз;

*стадия опухолевого проявления [3,53].

Крупный рогатый скот, зараженный вирусом лейкемии в течение длительного времени, иногда в течение всего периода использования, может быть бессимптомным носителем вируса, и только в 5-10 % случаев лейкемия возникает [10, 57]. Эти данные подтверждают ветеринары, которые отмечают наличие антител к вирусу лейкоза до окончания жизни коров, то есть в течение 3-7 лет лактации. Объяснение этих фактов было предоставлено некоторыми исследователями, которые сообщили, что бывший вирус, внедренный в геном клетки-хозяина, по-прежнему не может получить эффект специфических противовирусных антител и что он может действовать на протяжении всей жизни животного[8].

Источником инфекции являются больные животные на всех стадиях инфекционного процесса. Вирусы проникают в организм через кишечник или пенетрацию лимфоцитов в кишечнике, заражая лимфоциты, содержащие вирус лейкоза. Экспериментально установлено, что для заражения молочных коров вирусом лейкемии достаточно ввести в организм 2 500 инфицированных лейкоцитов. Для заражения животных достаточно 0,5 микро-крови (0,0005 мл), зараженной вирусом лейкемии [26]. Факторами передачи вируса являются: кровь, молоко и другие материалы, содержащие лимфоидные клетки животных, инфицированные вирусом лейкоза крупного рогатого скота.

Пути распространения и механизм передачи возбудителя лейкоза – в стадии эмбрионального развития (пренатальный период) и период после рождения (постнатальный период). Вирус лейкоза может передаться от матери плоду через плаценту (трансплацентарно) во второй половине стельности. Большинство исследователей считают, что внутриутробная передача вируса лейкоза не превышает 2-10 процентов. Некоторые ученые полагают, что лейкоз в чаще всего имеет вертикальный путь передачи [14, 19].

Другая часть исследователей утверждает, что вертикальный путь передачи вируса не оказывает значительного воздействия на эпизоотический процесс. А основным в эпизоотическом процессе при лейкозе является горизонтальный путь передачи возбудителя [8, 71, 28].

В то время как, в молоке и молозиве больных коров содержится вирус, инфекционное заболевание новорожденных телят в природных условиях передается не часто, по сравнению заражением при контакте. В зависимости от наличия антител в молозиве, колостральный иммунитет исчезает в течение 2-4 месяцев [39, 16]. При нарушении ветеринарно-санитарных норм лейкоз может распространяться ятрогенным путем [26]. Как один из факторов, распространения вируса лейкоза КРС, рассматривают повышенная чувствительность животных к инфекционным болезням, в частности к лейкозу, с повышением величины молочной продуктивности [19, 18]. Здоровые животные заражаются от инфицированных вирусом лейкоза коров (быков) при контакте в скотных дворах, выгульных площадках, на пастбищах, а также при несоблюдении правил асептики при зооветеринарных операциях (взятие крови, инокуляция лекарственных веществ, вакцин и сывороток, удаление рогов, мечение, искусственное осеменение, родовспоможение, ректальное исследование), скармливание необеззараженного сборного молока и т.д.) [26, 18].

Распространение и ущерб: лейкоз крупного рогатого скота распространен во многих станах мира, в том числе: в Российской Федерации, Австралии, Канаде, США, Болгарии, Хорватии, Эстонии, Латвии, Польше, Дании, Румынии, Украине, Казахстане и ряде других стран [4, 7, 20,17, 19, 24, 31, 42, 40, 58, 43, 123, 124, 70, 72, 86]. В США лейкоз не считается серьезным заболеванием. По официальным данным, 80 процентов всего поголовья крупного рогатого скота США заражено вирусом лейкоза, около 38 процентов хозяйств мясного и 84 процента хозяйств молочного скотоводства США неблагополучны по лейкозу [61].

Распространенность вируса лейкоза на территории отдельных субъектов (регионов) и напряженность эпизоотической ситуации может оцениваться по степени инфицирования животных [3]. В таблице 2 приведены данные на 01.01.2014 г. об инфицированности вирусом лейкозом КРС в субъектах Российской Федерации.

Таблица 2 – Инфицированность стад вирусом лейкоза КРС в субъектах Российской Федерации [48]

В результаты эпизоотологического мониторинга неблагополучных по ВЛКРС хозяйств были сделаны выводы, что существенными причинами возникновения и распространения лейкоза в Ставропольском крае являются:

*отсутствие во многих хозяйствах производственной ветеринарной службы;

* передержка больного скота без должной изоляции;

*слабое финансовое положение многих хозяйств;

*отсутствие региональной программы борьбы с лейкозом КРС [1]. Ниже приведены сроки эксплуатации (лактации) здоровых коров и инфицированных вирусом лейкоза животных (таблица 3).

Таблица 3 – Характеристика сроков хозяйственного использования коров [48]

Характеристика воспроизводства инфицированных вирусом лейкоза коров представлена в таблице 4.

Таблица 4 – Характеристика воспроизводства инфицированных вирусом лейкоза коров (дней) [48]

В Российской Федерации треть поголовья крупного рогатого скота заражена лейкозом. В 2016 году лейкоз диагностировался в 68 субъектах Российской Федерации [15, 24]. Наибольший ущерб лейкоз наносит племенным хозяйствам, так как при проведении противоэпизоотических мероприятий происходит уничтожение генофонда пород [15, 42, 55].

Инфицированные вирусом лейкоза животные, по сравнению с интактными животными, имеют более короткий срок хозяйственного использования и меньшую (на 10-12,7 %) продуктивность, а также они более восприимчивы к инфекционным болезням и имеют нарушения воспроизводительной функции [1].

Профилактические вакцинации и паразитарные болезни существенно влияют на развитие инфекционного процесса при лейкозе. Нематодозы, цестодозы и пироплазмидозы, а также чрезмерная иммунизация скота против аденовироза, парагриппа-3, рота-, коронавирусной инфекции, вирусной диареи, колибактериоза и клебсиеллёза форсируют течение инфекционного процесса, а, следовательно, переход болезни из латентной (бессимптомной) стадии в гематологическую или даже клиническую стадию [50].

1.5 Биологическая безопасность молока и мяса

Ущерб, причиненный лейкозом крупного рогатого скота, — это не получение качественных молочных и мясных продуктов, преждевременный отбраковка и убой коров с лейкозом; убой быков-производителей, стоимость обеззараживания (пастеризации) молока, поскольку сырое молоко запрещено продавать, утилизация трупов больных животных, не поступление молодняка, утрата его воспроизводственной ценности и ограничение сбыта, перевод племенных животных в товарную категорию, стоимость проведения ветеринарных и ветеринарно-технических мероприятий и санитарно-гигиенических мероприятий, стоимость мер по борьбе с лейкозом.

У животных с лейкозом, с более короткий срок хозяйственного использования и минимальной (10-12,7 %) продуктивностью по сравнению с интактными, они более чувствительны к инфекционным заболеваниям и имеют репродуктивные нарушения [1].

Установлено, что молоко и мясо от больных лейкозом животных содержат метаболиты триптофана, лизина и других циклических аминокислот, имеющих выраженные канцерогенные свойства, и, следовательно, могут быть опасны для человека [32, 68, 26, 16]. М.И. Гулюкиным, Н.Г. Козыревой, Л.А. Ивановой и др. (2015) в эксперименте выявлена межвидовая передача ВЛКРС [35].

Имеющимися «Правилами профилактики и борьбы с лейкозом КРС» (1999) [47] предложено непременно выбраковывать и сдавать на убой больных лейкозом коров, из-за чего хозяйства несут значительные экономические потери. Сюда относятся: неполное использование продуктивных (молоко) и репродуктивных функции (приплод) из-за ранней выбраковки животных. При убое больных животных туши с пораженными органами утилизируют, что причиняет огромный ущерб производителям. Употребление мяса от больных лейкозом животных запрещено. При приемке на мясокомбинате животные, выбракованные из-за лейкоза КРС, оформляют как вынужденный убой. При ветеринарно-санитарной экспертизе туш все пораженные лимфатические узлы и внутренние органы утилизируют, а органы без поражений употребляют в зависимости от результатов бактериологического исследования. По результатам статистического учета мясоперерабатывающих предприятий стоимость продукции, полученной от больного лейкозом КРС и подвергнутой санитарной переработке, ниже в среднем на 25 % от стоимости продукции здоровых животных [60].

До настоящего времени социальная значимость вируса лейкоза крупного рогатого скота не доказана, но известно, что этот возбудитель и вирус Т-клеточного лейкоза человека входят в один и тот же род по существующей классификации вирусов. Эпизодов заражения человека вирусом лейкоза КРС не зафиксировано, тем не менее, возможность рекомбинации между вирусом лейкоза КРС и вирусом Т-клеточного лейкоза человека не исключена [11].

Особую актуальность в современных экологических условиях приобретают вопросы биологической безопасности и питательной ценности продуктов, в том числе и животного происхождения [26].

Обнаружено, что факторами передачи служат молоко и мясо инфицированных вирусом лейкоза животных содержащих вирус. Туши и молоко больных и инфицированных вирусом лейкоза животных имеют высокую степень обсеменённости микробами, а биохимические и органолептические показатели их имеют значительные отклонения от нормы, в том числе являются токсичными для человека.

Согласно «Правилам профилактики и борьбы с лейкозом КРС» (1999) [47] молоко от больных лейкозом животных запрещено для питания, молоко от коров-вирусоносителей разрешено к переработке после пастеризации, а туши инфицированных животных, при отсутствии видимых изменений, направляются на реализацию без ограничений.

Продукты больных лейкозом животных – молоко и мясо – содержат вредные метаболиты триптофана, лизина и других циклических аминокислот, обладающих выраженными канцерогенными свойствами, и, следовательно, являются экологически опасными для человека [68]. Однако в некоторых странах (США) среди скота мясных пород проблема ликвидации лейкоза не стоит так остро из-за коротких сроков откорма и последующего убоя животных [58]. До настоящего времени нет доказательств, что вирус лейкоза крупного рогатого скота причиняет вред здоровью человека [12], но… «…считается, что вирус лейкоза коров не вызывает лейкоза у человека, то есть обладает видовой специфичностью», – полагает доктор ветеринарных наук, ректор Казанской ГАВМ Р.Х. Равилов. – Хотя есть научные работы, говорящие об обратном. У больных лейкозом людей был найден провирус (остатки) лейкоза КРС. Однако большинство специалистов сейчас считают, что пить такое молоко после пастеризации можно. «У меня как потребителя страха нет. Но детям давать его все-таки не рекомендуется. Дам ли я такое молоко своему ребенку? Если у меня будет выбор, конечно, нет» [152].

У инфицированного и больного лейкозом крупного рогатого скота иммунный ответ на инактивированные противовирусные вакцины ниже, чем у здоровых коров. Это подтверждается и результатами эпизоотологических исследований, проведенных в 2010-2013 гг., заболевания ящуром многократно вакцинированных коров. Сотрудниками ФГБУ «ВНИИЗЖ» установлено, что в большинстве случаев эти животные были инфицированы вирусом лейкоза [48].

1.6 Течение, клинические признаки

Лейкоз характеризуется длительным латентным периодом (инкубационный период), в течение которого в крови обнаруживаются ВЛКРС и антитела. В случае самопроизвольной инфекции этот период длится от 2 до 6 лет. Инкубационный период (до изменения периферической крови) при экспериментальной инфекции у КРС составил 60-75 дней. Клинические проявления зависят от участия в патологическом процессе органов–лимфатических узлов, селезенки, сычужных ферментов, сердца, почек, половых органов и др. Инфекционный процесс лейкоза развивается медленно и незаметно. В развитии лейкозного процесса у крупного рогатого скота выделяют четыре стадии: доклиническую, начальную (доклиническую), расширенную (клиническую и гематологическую) и конечную или терминальную (онкологическую) стадии, которые сопровождают друг друга [44].

Предлейкозную стадию выявляют серологическими и вирусологическими исследованиями, при этом никаких гематологических изменений нет [46, 54]. При начальной стадии лейкоза отмечают количественные и качественные сдвиги в составе клеток крови: увеличивается число лейкоцитов, повышается процент лимфоцитов, появляются малодифференцированные, незрелые, разной величины, патологические формы клеток. Развернутая стадия характеризуется кроме гематологических сдвигов клиническими признаками: ухудшается общее состояние, снижаются удои, наблюдается истощение [60], ослабление работы сердца, часто обнаруживают увеличение лимфатических узлов (они безболезненны, подвижны, эластичны). Внутренние лимфатические узлы поражаются чаще поверхностных. При терминальной стадии инфекции болезнь развивается быстро, отмечается истощение кроветворных органов, сопровождающееся блокадой иммунной системы и гибелью животного. У молодняка (4-12 месяцев) ЭЛКРС встречается в 3 формах: мультицентрической (лимфосаркома), тимусной (опухолевидное разрастание в нижней части шеи) и кожной (кожный лейкоз), протекающей с развитием инфильтративных разрастаний в коже [151] (рисунок 5-9).

Конечная стадия – самая заметная. Именно на ней начинается снижение продуктивности и воспроизводительной функции [60], а в кроветворных органах и во внутренних органах (лимфатические узлы, селезенка, сычуг, сердце, почки и другие органы) заметны нарушения функционального состояния и появление злокачественных образований [150].

Рисунок 5 – Измененный лимфатический узел молочной	Рисунок 6 – Увеличение предлопаточного лимфатического узла у коровы
Рисунок 7 – Увеличение лимфатических узлов, отек в области подгрудка	Рисунок 8 – Лимфосаркома, экзофтальм
Рисунок 9 – Увеличение лимфатических узлов, отек в области межчелюстного пространства

1.7 Патологоанатомические изменения

При патологоанатомическом проведении исследования трупов животных, павших от лейкоза, обнаруживают увеличенные лимфатические узлы, особенно средостенные и брыжеечные, которые не спаяны между собой. Поверхность разреза их саловидная, рисунок строения немного или вообще отсутствует. Селезенка увеличена в размерах (от 48 до 100 см). На разрезе красного цвета, сочная, зернистая. Увеличенные фолликулы возвышаются над поверхностью разреза. Изменений в почках нет. Однако иногда выражена сероватая бугристость от 1 до 5 мм и более (рисунок 10).

Гистологическое исследование выявляет генерализованный диффузный лейкоз инфильтрат во всех органах кроветворения: костном мозге, селезенке, лимфатических узлах, а также в бляшках Пейера и изолированных фолликулах кишечника, печени, почек, сердца, легких [22].

В Российской Федерации система по диагностике, мерам борьбы и профилактики регламентирована «Правилами по профилактике и борьбе с лейкозом крупного рогатого скота» (1999) [47]. Диагностические исследования на лейкоз проводят серологическими, гематологическим, молекулярно-биологическим, клиническим, патоморфологическим методами и методом биопробы. Клинические признаки проявляются, как правило, к концу болезни, поэтому в диагностике заболевания они имеют лишь вспомогательное значение.

а	б	в

а – измененный лимфатический узел КРС, б – опухолевидные лейкозные разращения в сердце КРС, в – опухолевидные лейкозные разращения в почке КРС

Рисунок 10 – Патологоанатомическое исследование трупов животных

Животное считают больным лейкозом при наличии одного из следующих показателей:

*клинических признаков болезни,

*положительных результатов гематологических исследований,

*выявление у павшего (убитого) животного типичных патологоанатомических изменений,

*при положительном результате гистологического исследования патологического материала.

1.8 Серологический метод исследования

Основу прижизненной диагностики лейкоза крупного рогатого скота составляет серологический метод исследования – реакция диффузной преципитации (РДП), иначе называемая реакцией иммунодиффузии в геле агара (РИД), а также иммуноферментный анализ (ИФА). Из числа положительно реагирующих в РИД и ИФА животных (инфицированных ВЛКРС) с помощью гематологического метода выявляют больных (гематологически больных) лейкозом [50, 43].

Реакция иммунодиффузии (РИД). Сущность метода состоит в том, что в сыворотке крови животных обнаруживаются специфические преципитирующие антитела к антигенам ВЛКРС. Специфические антитела появляются в крови через 2-8 недель после заражения животного ВЛКРС и сохраняются в организме пожизненно, т. к. однажды проникнув в организм, вирус лейкоза его не покидает. Первое серологическое исследование крупного рогатого скота на лейкоз проводят в 6-месячном возрасте, а последующие через каждые 6 месяцев. В оздоравливаемых хозяйствах с уровнем инфицированности до 30%, молодняк и взрослый скот исследуют через каждые 3 месяца. При этом пробы крови для исследований берут не ранее чем через 30-45 суток после введения животным вакцин, аллергенов и противопаразитарных препаратов, а у стельных животных — за 30 суток до отела или через 30 суток после него. РИД является высокоспецифичным методом, но имеет один недостаток-низкий предел чувствительности, поэтому в РИД могут не обнаруживаться животные с низким титром противовирусных антител. Это состояние может быть на ранних стадиях инфекционного процесса или при иммунодефицитах (краткосрочных или длительных), вызванных применением вакцин, аллергенов,паразитарных инфекций, введением противопаразитарных препаратов или препаратов с иммуносупрессивным действием.) [50].

Иммуноферментный метод (ИФА). Суть метода заключается в том, что при использовании ферментативно-маркированных антител или антигенов в качестве индикатора такой реакции визуализируются антиген-антитело-иммунные комплексы. ИФА позволяет обнаружить антитела в количестве 10… В 100 раз меньше, чем может быть обнаружен Рид, т. е. чувствительность этого метода значительно превосходит метод иммунофузии. Исследование имеет два варианта-скрининг-тест и подтверждающий тест (VeriTest). Скрининговые тесты используются для крупномасштабных (скрининговых) исследований, а подтверждающие тесты используются для подтверждения положительных результатов, поскольку скрининговые тесты могут обнаруживать ложноположительных животных, у которых вырабатываются перекрестные реактивные антитела, связанные с другой (не лейкозной) патологией [150, 221].

Исходя из вышеизложенного, рекомендуется проводить серологические исследования в оздоровительных хозяйствах по следующему алгоритму.

Рисунок 11 – Алгоритм исследований на лейкоз с использованием ИФА [50]

Отрицательные результаты в РИД, должны быть перепроверены в скрининговом ИФА (с-ИФА), а отрицательные реакции крупного рогатого скота считаются свободными от VL (здоровыми). Животные с положительными реакциями в ИФА перепроверяются при подтверждении ИФА (п-ИФА), животные с отрицательными реакциями считаются коровами без ВЛ, а животные с положительными реакциями заражаются. ИФА может стать основным методом борьбы с эпидемической ситуацией в фермерских хозяйствах. Следует отметить, что при финансовой возможности вместо скрининга ИФА можно сразу использовать подтверждение ИФА (VeriTest), что сокращает количество необходимых анализов и упрощает алгоритм исследования [120, 225].

1.9 Гематологический метод исследования

Метод заключается в подсчете абсолютного количества лейкоцитов в единице объема крови (1 мкл) и относительного количества лимфоцитов в лейкоформуле. Результаты гематологических исследований оценивают по так называемому «лейкозному ключу» и морфологическому характеру клеток крови согласно «Методических указаний по диагностике лейкоза крупного рогатого скота» (2000) (таблица 5).

Таблица 5 – Количество лейкоцитов и лимфоцитов в 1 мкл крови крупного рогатого скота («лейкозный ключ»)

Согласно «Методических указаний по диагностике лейкоза крупного рогатого скота» (2000), если количество лейкоцитов в образце крови животного будет больше числа, указанного в графе 2 таблицы, а индекс абсолютного числа лимфоцитов будет находиться в пределах числа, указанного в графе 3 таблицы, то животное оценивается как подозрительное на лейкоз (±) и через 1-2 месяца проводится дальнейшее гематологическое исследование (определение лейкоцитарной формулы). Если диагноз подтвердится снова, они считаются больными. Если количество лейкоцитов и лимфоцитов в образце крови животного выше, чем указано в графах 2, 3 и 4, то животное оценивается как больное лейкозом (+).

Гематологическому исследованию подвергают животных, в сыворотке крови, которых серологическим методом (РИД, ИФА) обнаружены специфические антитела к ВЛКРС. Гематологические исследования позволяют выявлять больных животных, а также проводить дифференциальную диагностику форм и стадий болезни [50].

1.10 Полимеразная цепная реакция

Выявление вируса лейкоза крупного рогатого скота с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР). ВЛ крупного рогатого скота чаще всего встречается в копиях ДНК организма хозяина (экс-вирус), встроенных в геном клетки-хозяина. При небольшом количестве инфицированных клеток также редко образуются специфические антитела, что делает невозможным выявление инфицированных животных серологическими методами. Однако это делается молекулярно-биологическими методами, в частности методом полимеразной цепной реакции (ПЦР). Геномная ДНК, извлеченная из крови животных, использовалась для обнаружения протовируса с помощью ПЦР. В результате ПЦР определенные вирусоспецифические фрагменты выделенной ДНК амплифицируются (размножаются) в количестве, достаточном для ее визуального определения. Данный метод позволяет обнаружить вирусные фрагменты ДНК, извлеченные из 10 лимфоцитов инфицированных животных, а также фон балластной ДНК из 40 тысяч клеток. ПЦР может даже обнаружить деградированные нуклеиновые кислоты в следовых количествах. Таким образом, в отличие от серологических методов, позволяющих определить наличие возбудителя в организме по специфическим антителам, метод ПЦР непосредственно выявляет возбудителя. Метод ПЦР может быть использован как для диагностики лейкоза крупного рогатого скота, так и для серологических методов, а также для подтверждающих тестов [50]. Полимеразная цепная реакция ограничена высокими затратами на исследования [165].

Подводя итоги возможности конкретного метода лабораторной диагностики лейкоза, следует отметить, что гематологические методы (подсчет лимфоцитов) можно применять только через 1,5-2 дня после заражения; Рид (иммунофузионная реакция в геле) — через 4-8 недель после заражения; ИФА (иммуноанализ-ИФА-тест) — через 2-4 недели после заражения; ПЦР (молекулярно-биологический метод) — с первых дней после заражения [51,256, 291].

1.11 Биологическая проба

Обнаружение инфицированных животных методом биологической пробы. Метод основан на восприимчивости животных к гетерогенам типа BLV. Когда овцам или кроликам вводят лейкоциты крупного рогатого скота, инфицированные лейкозом, они развивают инфекцию, которая сопровождается специфическими осажденными антителами в крови, которые обнаруживаются через 14-30 дней после заражения иммунодиффузионной реакцией [50].

Серопозитивное животное считают больным лейкозом при обнаружении у него одного из следующих показателей:

— положительных результатов гематологических исследований на лейкоз;

— клинических признаков болезни;

— патологоанатомических изменений, характерных для лейкоза;

— положительного результата гистологического исследования патологического материала на лейкоз у павшего или убитого животного.

Если эти исследования проводятся до или после 30 дней, результаты гематологических исследований следует считать достоверными:

— отел;

— введение аллергенов (вакцины, сыворотки, антигельминтики и др.);

— проведение кровавых хирургических операций[141,188].

У животных в возрасте 6 месяцев, сыворотка которых дала положительную реакцию на избавление от лейкоза или ИФА, но не имела клинических и гематологических изменений, характерных для лейкоза, была оценена как бессимптомная инфекция ВЛКРС у животных. Это животное считается источником вируса лейкоза крупного рогатого скота и учитывается при организации противоолейкозных мероприятий.

Животные с гематологическими изменениями или клиническими признаками считаются больными животными [191].

Дифференциальная диагностика при лейкозе крупного рогатого скота должна учитывать ряд хронических инфекционных заболеваний крупного рогатого скота (актиномикоз, туберкулез, парасимпатия, бруцеллез), а также ряд неинфекционных заболеваний (гепатит, цирроз, амилоидодистрофия и другие заболевания печени) [62, 224].

1.12 Профилактика лейкоза

Согласно «Правил по профилактике и борьбе с лейкозом крупного рогатого скота» (1999) [47] общие мероприятия по профилактике лейкоза крупного рогатого скота включают в себя соблюдение ветеринарно-санитарных требований при содержании, кормлении и ветеринарном обслуживании животных. Продажу, сдачу на убой, выгон, размещение на пастбищах и все другие перемещения и перегруппировки животных, реализацию животноводческой продукции проводят только с разрешения ветеринарных специалистов. Осуществляют карантинирование в течение 30 дней вновь поступивших животных для проведения клинического осмотра, серологического и гематологического исследований.

Контроль за благополучием поголовья скота осуществляют на основании показателей послеубойной экспертизы на мясокомбинатах; данных экспертизы при внутрихозяйственном убое животных, вскрытиях трупов животных; результатов плановых серологических и гематологических исследований на лейкоз; результатов контрольного убоя животных с повышенным уровнем лимфоцитов в крови и патоморфологических исследований биоматериалов. Лечение крупного рогатого скота, больного лейкозом не разработано.

1.13 Анализ ветеринарной отчетности

Согласно «Правил по профилактике и борьбе с лейкозом крупного рогатого скота» (1999) хозяйства, в которых установлено заболевание животных лейкозом, объявляют неблагополучными и вводят в них комплекс ограничений, препятствующих распространению инфекции. Одновременно утверждают комплексный план оздоровления неблагополучного хозяйства, фермы, стада [47].

Согласно «Правил по профилактике и борьбе с лейкозом крупного рогатого скота» (1999) по результатам серологического исследования, полученным перед началом оздоровительных мероприятий, определяют различные варианты борьбы с лейкозом. Хозяйства, в том числе ЛПХ, считают оздоровленными после вывода всех больных и инфицированных животных и получения двух подряд, с интервалом 3 месяцев, отрицательных результатов при серологическом исследовании всего поголовья животных старше 6-месячного возраста, а также выполнения мер по санаций помещений и территории ферм [47].

Анализ ветеринарной отчетности по числу неблагополучных территорий и числу зараженных и заболевших лейкозом КРС животных за последние 14 лет свидетельствует о том, что помимо определенной тенденции на снижение числа зараженных и заболевших лейкозом КРС животных с 2010г. идет увеличение по числу выявленных неблагополучных районов.

Это привело к тому, что в 2013 году 69 регионов Российской Федерации оказались в невыгодном положении по отношению к этому заболеванию. Если брать неблагоприятные территории в случае субъектов, то большинство зараженных животных выявляются в Центральном федеральном округе (35 %), а также в Приволжском и Северо-Кавказском федеральных округах.

Если говорить о цифрах, то в Центральном федеральном округе в 2013 году. Болеют более 13 тыс. голов крупного рогатого скота (выявленные больные гематологически), в Приволжском федеральном округе-11 тыс. голов. В среднем по данным статистической ветеринарной отчетности, представленной Государственной ветеринарной службой Российской Федерации в 2013 году. По данным гематологии зарегистрировано около 40 тысяч больных животных [56].

В РФ по данным В. Борового, 2015 существуют субъекты, в которых за последние годы имеется тенденция на усиление числа серопозитивных и гематологических больных животных (Московская, Амурская, Брянская области, Забайкальский край, Республика Татарстан).

И.М. Донник, И.А. Шкуратова, А.Т. Татарчук и др. [2014] сообщают о том, что данные ветеринарной отчетности не воссоздают подлинной эпизоотической ситуации по лейкозу. Так, в некоторых регионах не проводятся диагностические исследования животных на лейкоз при присутствии показаний или не целиком захватывают животных в неблагополучных по лейкозу хозяйствах. Таким образом, на основании предоставленных данных по обнаружению неблагополучных пунктов, по мнению В. Борового [6] говорить об улучшении эпизоотической ситуации по лейкозу КРС в ближайшие 2-3 года не приходится.

Однако по данным того же автора В. Борового, 2015 [6] есть субъекты, которые добились определенных положительных результатов в борьбе с лейкозом, например, Ленинградская, Белгородская, Новгородская и др., где несомненно отмечается тенденция на уменьшение как количества проявляемых серопозитивных животных, так и численность гематологических больных.

Рассмотрение результатов ветеринарной статистики Государственного управления ветеринарии РФ свидетельствует на обширное распространение инфекции, порождаемой вирусом лейкоза крупного рогатого скота (ВЛКРС), во многих субъектах РФ.

Сложная эпидемическая ситуация с лейкозом крупного рогатого скота в этих регионах оказывает серьезное сдерживающее воздействие на животноводство, поэтому необходимо усилить борьбу с этим заболеванием.

В последние годы на основе результатов исследований различных заболеваний у крупного рогатого скота был опубликован ряд статей.

В то же время, несмотря на несомненные успехи в изучении атеросклеротического процесса этого инфекционного заболевания, исследования в этой области остаются недостаточными. Более полное знание эпидемического процесса может обеспечить разработку и внедрение научно обоснованной системы профилактики лейкозов и восстановления крупного рогатого скота с учетом напряженности эпидемической инфекции и региональных технических особенностей молочного скотоводства[49].

В ряде регионов России, таких как Вологодская, Ленинградская, Свердловская области, Республика Саха (Якутия) и Ханты-Мансийский автономный округ, при эффективной научной поддержке были достигнуты хорошие результаты, организованы и проведены научно-исследовательские работы.

2 Результаты проведенных исследований и их анализ

2.1 Определение и оценка влияния условий содержания на инфицированность и заболеваемость ВЛКРС

С целью изучения степени инфицирования и эффективности профилактических мероприятий изучены эпидемиологические особенности лейкоза крупного рогатого скота в Кемеровской области. Согласно O.В. Морозова (2015) с помощью диагностических тестов на лейкемию (РИД) выявила более 143 тысяч животных, несущих вирус за 7 лет, что составляет 7,7 % от общего числа. Самый высокий процент носителей ВЛКРС был обнаружен у телок до спаривания (14.31 %), самый низкий -у телок в возрасте 6-12 месяцев (9,7 %). Кроме того, за этот период было проведено 297 377 гематологических исследований, что привело к выявлению 4,625 животных на гематологической стадии заболевания, что в среднем составило 1,76±0,30 % от числа исследований.

Инфицированность крупного рогатого скота вирусом лейкоза по данным О.В. Морозовой (2015) в Кемеровской области за 2007-2013 годы равномерно понижается. Так, наибольшее число животных-вирусоносителей установлено в 2007 году (9,9 %), наименьшее — в 2013 году (5,6 %). В тоже время по данным гематологических исследований в Кемеровской области наблюдался рост количества больных животных с 2007 по 2011 год (от 1,5 % до 3,2 %) со значительным уменьшением их числа в 2012 и 2013 годах (соответственно: 1,0 и 1,4 %).

Несмотря на положительные изменения, анализ эпидемиологических данных в различных регионах Кемеровской области показал, что в регионе, где выявлены животные-носители ВЛКР, нет ни одного хозяйства.

В Крапивинском, Ижморском, Юргинском, Мариинском и Тяжинском районах за 7 лет уровень инфицирования ВЛКРС в среднем превышает 10 %. В Новокузнецком, Беловском, Ленинско-Кузнецком и Яшкинском районах, а также по результатам исследований Кемеровской МВЛ общая скорость передачи вируса у крупного рогатого скота за эти годы составила менее 5 %. Самый высокий уровень в Ижорском районе составил 26%, самый низкий-1,95% в Новокузнецком районе.

Средний процент выявленных на гематологической стадии заболевания за 7 лет был самым высоким в ленинско-Кузнецком (4,24 %), Беловском (3,8 %) и Юргинском (3,3 %) районах, самым низким в Мариинском (0,11 %), Ижморском (0,27 %) и Прокопьевском (0,57 %) районах.

Таким образом, анализ результатов серологических и гематологических исследований, проведенных в Кемеровской области в период с 2007 по 2013 год, показал, что, несмотря на снижение количества изолированных животных, несущих вирус, по данным О.В. Морозовой (2015), район лейкемии крупного рогатого скота. По данным статистической отчетности Управления ветеринарии Кемеровской области, была прослежена определенная динамика выделения РИД+ крупного рогатого скота (таблица 6).

Таблица 6 – Выделение РИД (+) крупного рогатого скота в Кемеровской области в зависимости от способа содержания (по всем районам области)

Продолжение таблицы 6

Продолжение таблицы 6