Крупный научный проект фундаментальных исследований
«Актуальные научные задачи стратегии адаптации потенциала землепользования России в современных условиях беспрецедентных вызовов (экономический кризис, изменения климата, кризис глобальных тенденций природопользования)»
Крупный научный проект фундаментальных исследований «Актуальные научные задачи стратегии адаптации потенциала землепользования России в современных условиях беспрецедентных вызовов (экономический кризис, изменения климата, кризис глобальных тенденций природопользования)» выполнялся в 2020-2023 гг. по приоритетным направлениям научно-технологического развития подпрограммы «Фундаментальные научные исследования для долгосрочного развития и обеспечения конкурентоспособности общества и государства» государственной программы Российской Федерации «Научно-технологическое развитие Российской Федерации» по Соглашению с Минобрнауки России №075-15-2020-805 от 02.10.2020 г.
Руководитель проекта – А.Л. Иванов, академик РАН, д.б.н., директор ФГБНУ ФИЦ «Почвенный институт им. В.В. Докучаева».
Ответственный исполнитель проекта – Д.Н. Козлов, к.г.н., ведущий научный сотрудник, первый заместитель директора ФГБНУ ФИЦ «Почвенный институт им. В.В. Докучаева».
К реализации проекта привлечены ведущие научные и научно-образовательные учреждения России (Соглашение о создании Консорциума от 25 мая 2020 г. №1/2020):
- Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный исследовательский центр «Почвенный институт имени В.В. Докучаева» (ФИЦ «Почвенный институт им. В.В. Докучаева» – головная организация Консорциума, получатель субсидии);
- Федеральное государственное учреждение «Федеральный исследовательский центр «Информатика и управление» Российской академии наук» (ИУ РАН);
- Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Агрофизический научно-исследовательский институт» (АФИ);
- Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр «Немчиновка» (ФИЦ «Немчиновка»);
- Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии имени Д.Н. Прянишникова» (ВНИИ Агрохимии);
- Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Чеченский государственный университет имени Ахмата Абдулхамидовича Кадырова" (ФГБОУ ВО "Чеченский государственный университет им. А.А. Кадырова").
- ФГБНУ «Федеральный научный селекционно-технологический центр садоводства и питомниководства» (ФНЦ Садоводства)
Современное сельское хозяйство – область приложения междисциплинарных знаний естественных, общественных и точных наук с выраженным трендом на интеграцию и формализацию знаний. Стандартизация и интеграция экспертных знаний требует специальных методических разработок в составе научно-производственных коллабораций. Состав научного консорциума полностью соответствует этой потребности. В числе исполнителей проекта признанные лидеры в физиологии, скрининга и селекции зерновых и плодово-ягодных культур (ФИЦ Немчиновка, ФНЦ Садоводства и АФИ), агрометеорологии и климатологии (АФИ и ФИЦ Почвенный институт), агропочвоведения ландшафтоведения (ФИЦ Почвенный институт и АФИ) и интеграции разнородных данных и построения информационных систем (ФИЦ ИУ РАН). В реализации проекта приняли участие более 150 научных работников, в том числе на заключительном этапе в 2023 году – 114 работников, из них 51% в возрасте до 39 лет.
Цель, научная новизна и практическая значимость проекта
Целью проекта являлась разработка и пилотно-натурная реализация мобилизационного комплекса мер рациональной трансформации сельскохозяйственного землепользования Российской Федерации в условиях беспрецедентных вызовов глобального масштаба и дефицита ресурсов. Комплекс мер включает научно-методическое обеспечение междисциплинарных задач оптимизации социально-экономических и экологических функций агроландшафтов с использованием имитационных моделей природных и природно-хозяйственных процессов, биотехнологий адаптивной селекции растений, автоматизации и стандартизации процедур оценки и мониторинга агроэкологических условий в пространстве и времени и согласования с ними требований сельскохозяйственных культур и возможностей современных агротехнологий с учетом действующих производственных и экологических ограничений.
Впервые на основе междисциплинарного согласования методов оценки агропроизводственного потенциала земель, экологических требований культур и возможностей агротехнологий различного уровня интенсивности разработана уникальная методология устойчивой интенсификации сельскохозяйственного землепользования, включая новые принципы управления социально-экономическими и экологическими функциями агроландшафтов с использованием эмпирических и имитационных моделей природных и природно-хозяйственных процессов, стандартизации процедур оценки и прогноза погодно-климатических рисков, биотехнологий адаптивной селекции растений и стандартизации процедур оценки и мониторинга агроэкологических условий в пространстве и времени и согласования с ними требований культур и агротехнологий с учетом действующих производственных и экологических ограничений.
Научно-методические результаты использованы при разработке прототипа уникальной научно-технической продукции – интеллектуальной системы локального планирования землепользования и агротехнологий («Умное землепользование») и цифровой платформы поддержки принятия оперативных решений в землепользовании и земледелии.
В настоящее время уровень развития информационных технологий позволяет реализовать научно-методические наработки в виде цифровых платформ управления агропромышленным комплексом на разных уровнях его организации. Это касается как автоматизированного сбора и обобщения природно-агрономических и производственных показателей, так и оперативного анализа лимитирующих факторов и угроз для выработки предупредительных мер реагирования в соответствии с целевой функцией. Прототипы таких платформ (ExactFarming, Cropio, SkyScout и др.) позволяют проводить мониторинг состояния посевов, документирование, прогнозирование и планирование сельскохозяйственных операций на уровне предприятия. Хотя функциональность таких информационных систем постоянно расширяется, в настоящее время они не обладают должной полнотой.
Разрабатываемые в рамках крупного научного проекта платформы решают задачи по формализации модели управления продукционным процессом от возрастающего числа параметров, меняющихся во времени и пространстве, механизмов устойчивого управления агроландшафтом, контроля природных процессов и воспроизводства почвенного плодородия в условиях изменения климата и антропогенеза. Таким образом обеспечивается интеграция наук сельскохозяйственного профиля, что отчасти компенсирует снижение координации исследований центров отечественной науки после начала ее реформирования.
Конечные потребители разработок – сельхозпроизводители, а также органы управления АПК. Качественный рост объективности и оперативности управленческих процессов повлечет за собой повышение эффективности сельского хозяйства в интересах продовольственной и экологической безопасности России, трансформацию системы земельного надзора, нормативно-правового регулирования земельных отношений, финансово-кредитной политики и рынка страхования. Внедрение интеллектуальной системы и цифровой платформы будет сопровождаться развитием материально-технической и информационной инфраструктуры АПК, сформирует новые требования к квалификации специалистов, что, в свою очередь, потребует модернизации образовательных программ аграрных вузов и программ повышения квалификации.
Научно-технический уровень результатов превосходит зарубежные достижения в области комплексной оценки земель, высокоэффективного фенотипирования растений на повышенную устойчивость к стрессовым условиям и скрининга генотипов с хозяйственно ценными признаками, схемы пересчета результатов сезонного и краткосрочного прогнозирования состояния атмосферы в характеристики опасных агрометеорологических явлений, а также новых индикаторов экологических и социально-экономических функций почв в составе многофункционального агроэкологического мониторинга земель сельскохозяйственного назначения.
Результаты работ первого этапа [ИКРБС №222012500046-4]:
1.1. На основе анализа достижений научно-технического прогресса в области информационных технологий сбора и анализа разнородных данных о состоянии посевов, земель и рынков, методов селекции растений, агроэкологической оценки земель, паспортизации экологических требований и средообразующего потенциала растений, новых индикаторов состояния почв, прогнозов агроклиматических изменений и погодных рисков показаны проблемы сельскохозяйственного землепользования РФ и актуальные задачи его научно-методического обеспечения;
1.2. Проведен критический анализ отечественного и зарубежного опыта учета почвенно-земельных ресурсов в системе сельскохозяйственного землепользования и кадастровой оценки. Показана важность и необходимость агроэкологической оценки в системе комплексной оценки земель. Разномасштабный учет производительной способности земель связан с учетом факторов, лимитирующих вегетацию сельскохозяйственных культур и условия их возделывания, на основе результатов почвенно-ландшафтного картографирования;
1.3. Проведено обоснование методов и созданы алгоритмы в псевдокоде прогнозов неблагоприятных метеоусловий (заморозки, перезимовка, засуха), получения необходимых исходных данных и их усвоения в составе прогнозных моделей;
1.4. Разработана структура базы данных входных параметров, их перечень, форматы в отношении инфологического описания почвы, пространственных данных, природных условий, землепользования, погодных условий, земельных ресурсов сельскохозяйственных предприятий, планирования посевов, описания культу;
1.5. Предложена структура биологических характеристик, экологических требований и средообразующего влияния сортов зерновых и плодовых культур, потенциала их урожайности при экстенсивных, нормальных и интенсивных технологиях возделывания. Приведено описание биологических особенностей, экологических требований, средообразующего потенциала зерновых и плодовых культур, структура их агроэкологического паспорта;
1.6. Обоснован широкий ряд количественных показателей различных составляющих экологических и социально-экономических функций почв как компонента биосферы и фундаментальной основы сельскохозяйственного производства. Приведен исчерпывающий обзор индикаторов почвенных функций (опорной, гидрологической, органо-аккумулятивной, биоресурсной, барьерной и др.), предложены новые индикаторы с учетом современных возможностей приборной базы;
1.7. Показана надежность долговременных прогнозов роста температур воздуха в глобальном масштабе и для территории России при одновременной низкой достоверности прогнозов аномалий температур на конкретное десятилетие и ненадежности прогнозов осадков. Обоснована стратегия адаптации земледелия в условиях аридизации климата и снижения неопределенности прогнозов погодно-климатических рисков с учетом ландшафтно обусловленных особенностей мезо- и микроклимата в системе почвенно-сельскохозяйственного районирования страны.
Результаты работ второго этапа [ИКРБС №222052400031-7]:
2.1. Разработана уникальная методология территориальной оптимизации сельскохозяйственного землепользования на основе согласования комплексной оценки агропроизводственного потенциала земель, экологических требований культур и региональных возможностей агротехнологий различного уровня интенсивности.
2.2. Разработан и реализован оригинальный алгоритм формирования региональных регистров агротехнологий четырех уровней интенсивности на примере возделывания зерновых и зернобобовых культур Среднерусской провинции южно-таежно-лесной зоны. Алгоритм включает: 1) разработку базовой технологии возделывания целевой культуры экстенсивного – нормального – интенсивного и точного уровня для плакорной группы земель с наиболее благоприятными условиями; 2) разработку технологических модулей (технологических адаптеров) для агроэкологических групп и видов земель с выраженным действием лимитирующих факторов произрастания сельскохозяйственных культур и условий их возделывания (эрозионных, переувлажненных, литогенных и др.); 3) оценку продуктивности и эффективности производства (себестоимости) единицы сельскохозяйственной продукции (руб./га) по каждому пакету агротехнологий с учетом совокупных затрат.
2.3. На основе анализа современных подходов и программных средств математического моделирования обоснована почвенно-гидрологическая модель Hydrus-1D в качестве основы сценарных прогнозов водного режима почв, разработан и реализован в псевдокоде алгоритм прогнозирования необходимости регулирования водного режима.
2.4. Разработан алгоритм выбора оптимальных экологически безопасных видов, доз, способов и сроков применения удобрений с учетом агроэкологических особенностей земель и потребностей культур.
2.5. Разработан алгоритм прогнозирования урожайности сельскохозяйственных культур как компонента цифровой платформы поддержки принятия решений в землепользовании и земледелии.
2.6. Разработаны новые методы оперативного сбора данных о параметрах воздуха, почв и посевов на основе наземных и дистанционных информационно-измерительных систем.
2.7. Разработаны новые неинвазивные методы экспресс-оценки состояния растений в задачах высокоэффективного фенотипирования на повышенную устойчивость к стрессовым условиям и скрининга генотипов с хозяйственно ценными признаками. Разработана методология скрининга и создания локально-адаптивных сортов и гибридов зерновых и овощных культур на основе комплекса методов оценки взаимодействия генотип-среда в условиях имитационного моделирования на базе регулируемой и/или полевой агроэкосистем. Сформирован реестр сортов зерновых и зернобобовых культур, районированных в Центральном Нечерноземье. Разработана методика локализации ассортимента плодовых и ягодных культур на примере локально-адаптивной модели интенсивного сорта яблони для ведущих регионов плодоводства России – Центрального, Центрально-Черноземного и Северо-Кавказского.
2.8. Разработаны методы оценки погодных рисков и изменчивости климата в адаптивно-ландшафтном земледелии. Метод описания изменчивости агроклиматических показателей включает расчет базовых и интегральных характеристик тепло- влагообеспеченности по историческим рядам наблюдательной сети Росгидромета, их нелинейное спектральное разложение на долгопериодные изменения климата и межгодовую изменчивость макропогоды с последующим экспертно-визуальным и численным анализом среднегодовых показателей и их сезонного хода.
2.9. В целях апробации и доработки научно-методических результатов проекта проведен сбор и систематизация разнородных данных о пространственной структуре модельных участков (данные кадастра, границы угодий, опытных участков, их почвенно-топографические условия), а также о сезонной и многолетней динамике агротехнических и агроэкологических условий и результатах научно-производственной деятельности институтов – участников Консорциума (история полей и опытных делянок, метеонаблюдения, условия и результаты опытов и др.).
2.10. Завершено обоснование широкого ряда индикаторов экологических и социально-экономических функций почв как компонента биосферы и фундаментальной основы сельскохозяйственного производства. Предложены новые индикаторы гидрологической, опорной, биоресурсной, барьерной, органо-аккумулятивной, фитосанитарной и питательной функций почв с учетом современных возможностей приборной базы. Обоснована блок-схема связей между функциями почв и подходы к их использованию в системе агроэкологической оценки земель и агроэкологического мониторинга.
Результаты работ третьего этапа [ИКРБС №223031000091-9]:
3.1. Проведено тестирование и доработка ранее разработанных методов, подходов, алгоритмов на тестовых участках. В составе новых методов оперативного сбора данных о параметрах почв и посевов для тестового участка ФНЦ Садоводства (Московская обл.) подтверждена возможность оперативной характеристики рельефа и состояния многолетних насаждений по данным воздушного лазерного сканирования. Для тестового участка Меньковской опытной станции АФИ (Ленинградская обл.) подтверждена надежность и энергоэффективность наземной измерительной IoT-системы оперативного сбора данных о параметрах воздуха, почв и посевов. Доработана аппаратная и программная архитектура сенсорных узлов за счет оптимизации размещения компонентов. Подтверждена эффективность использования фотокамеры с широкоформатным объективом в составе беспроводной сенсорной сети IoT-мониторинга посевов в задачах краудсорсинговых технологий сбора данных. Для данных многолетних опытов Меньковской опытной станции АФИ (Ленинградская обл.) и агрополигона Губино ВНИИМЗ (Тверская обл.) подтверждена эффективность алгоритма прогнозирования необходимого и экологически безопасного количества, типа удобрений и сроков их внесения для решения задач планирования системы питания и севооборота в аналитической системе поддержки принятия агрономических решений.
Подтверждена состоятельность методики оценки региональной изменчивости климата и прогнозирования погодных рисков на примере сезонного прогноза атмосферных засух и весенних заморозков. Для Тверской области за период 1961-2021 гг. показан рост средней температуры воздуха и сумм активных температур, более ранние переходы температуры воздуха весной через 0, 5, 10 и 15°С, уменьшение коэффициента увлажнения Шашко и увеличение биоклиматического потенциала.
В результате параметризации и тестирования алгоритма прогнозирования урожайности культур на посевах мягкой яровой пшеницы сорта «Злата» Меньковской опытной станции АФИ (Ленинградская обл.), агрополигона Губино ВНИИМЗ (Тверская область) и опытно-производственных полей ФИЦ «Немчиновка» (Московская обл.) подтверждены прогнозы урожайности с среднеквадратической ошибкой (RMSE) прогноза – 1,43 ц га-1. С целью внедрения алгоритма в систему «Умное землепользование» разработан программный интерфейс алгоритма на языке Python. Алгоритм прогнозирования урожайности культур обеспечивает прогноз накопления биомассы культур, подбор оптимального режима орошения для задач управления водными ресурсами, изучение влияния климатических изменений на продуктивность сельскохозяйственных культур.
На опытном полигоне ФИЦ «Немчиновка» в пятипольном севообороте «вико-овсяная смесь – озимая пшеница – яровая пшеницы – горох – яровой ячмень» в 2022 году подтверждена планируемая урожайность зерновых и зернобобовых культур Центрального Нечерноземья для трех уровней интенсивности агротехнологий – нормальном, интенсивном и точном.
Региональный регистр агротехнологий Центрального Нечерноземья дополнен агротехнологиями возделывания яблони и картофеля.
На тестовом участке ФНЦ Садоводства доработаны методы оперативной диагностики многолетних насаждений в интенсивном промышленном саду яблони с использованием полевого спектрорадиометра SR-6500.
3.2. Разработано программное обеспечение для системы «Умное землепользование» – интеллектуальной системы планирования землепользования и агротехнологий на локальном уровне в методологии комплексной оценки земель. Система поддерживает регистрацию, аутентификацию и авторизацию пользователей; загрузку, хранение, визуализацию данных реестра агроэкологических групп и видов земель, реестра сортов, регистра агротехнологий; управление проектами определения структуры землепользования для конкретных хозяйств; загрузку, хранение, визуализацию границ полей хозяйства и их основных характеристик, результатов почвенно-ландшафтного картографирования, включая агроэкологическую типологию земель; проектирование, хранение, визуализацию структуры землепользования (выбор для различных видов земель хозяйства оптимальных культур и необходимого уровня технологий для получения оптимальных урожайности и прибыли).
3.3. В результате работ п.3.3 ПГ разработана цифровая платформа поддержки принятия оперативных решений в землепользовании и земледелии, инвентаризации почвенных ресурсов на основании применения разнообразных моделей, использующих данные о климате, почве, состоянии посевов. Платформа поддерживает регистрацию, аутентификацию и авторизацию пользователей; загрузку, выгрузку, хранение, редактирование и визуализацию полей хозяйства и их основных характеристик (название, площадь); управление группами полей, объединенными в проекты; оперативное программное подключение модулей, реализующих функции анализа, контроля и прогноза различных внешних условий и аспектов сельскохозяйственной деятельности путем эксплуатации реализованных на внешних ресурсах агроэкологических моделей, доступных в виде сервисов OpenFAAS. К платформе подключены модели прогнозирования атмосферных засух, заморозков и урожайности сельскохозяйственных культур.
3.4. Разработана методология программного интерфейса оптимизации агрономических решений в условиях дефицита ресурсов, включающая описание: 1) архитектуры информационно-аналитической системы, 2) взаимодействия компонентов аналитической системы через абстракцию данных, планировщик задач и метамодели вычисления конкретного свойства с учетом исходных данных, вычислительных затратах и точности расчетов, 3) схемы взаимодействия ядра системы, моделей и источников данных в задачах оптимизации агрономических решений – максимизация рентабельности системы питания в севооборотах с учетом влияния погодных рисков и оценка последствий вывода земель из оборота и введения монокультуры.
Поведена программная инкорпорация моделей баз данных реестра сортов, реестра агроэкологических групп и видов земель и регистра агротехнологий в систему «Умное землепользование», включая программную реализацию на языке SQL логических моделей реестров; загрузки данных в реестры; программную реализацию графического интерфейса пользователя для визуализации реестров на языке Kotlin; программную реализацию сервисов доступа к данным реестров в виде запросов и процедур языка SQL, функций языка Kotlin и методов языка Java.
3.5. Выполнена демонстрация функциональных возможностей разработок и результатов проекта на тестовых участках в части картографирования свойств почв на основе спутниковых данных на уровне поля; мониторинга плодовых насаждений с использованием воздушной БПЛА-съемки; реализации сервисов прогнозов атмосферных засух и заморозков в составе цифровой платформы поддержки принятия оперативных решений в землепользовании и земледелии; прогнозирования необходимости регулирования водного режима почв. Сервисное обеспечение и нормативной базы разработок и результатов проекта в отношении разработано в отношении сервисов прогнозирования урожайности культур и интеллектуальной системы локального планирования землепользования и агротехнологий.
3.6. Разработана методология управления технологическим прогрессом в сельскохозяйственном землепользовании в условиях дефицита ресурсов и беспрецедентных вызовов глобального масштаба, в том числе –определены характеристики «цифровых технологий» в парадигме нового технологического уклада сельского хозяйства, проведено обоснование и оценка мер законодательного регулирования, разработаны теоретико-методологические положения для создания методики оценки уровня цифровой зрелости информационно-аналитических систем, определения их экономической эффективности для комплексного управления ресурсами в сельскохозяйственном землепользовании.
3.7. На основе обобщения данных Государственных сортоиспытаний, Россельхозцентра и экспериментальных данных научно-исследовательских организаций и сельскохозяйственных предприятий созданный на втором этапе проекта в 2021 году реестр сортов зерновых и зернобобовых культур Центрального региона расширен агроэкологическими паспортами сортов: 1) зерновых и зернобобовых культур селекции ФНЦ «Немчиновка» для Северо-Западного, Волго-Вятского и Центрально-Черноземного регионов; 2) озимой пшеницы Северного Кавказа; 3) плодовых культур (яблони) Центрального региона и Северного Кавказа.
Реестр сортов предназначен для оптимизации землепользования и проектирования наукоемких агротехнологий в сочетании с реестром групп и видов земель и регионального регистра агротехнологий в составе интеллектуальной системы локального планирования землепользования и агротехнологий.
3.8. Разработана концепция многофункционального агроэкологического наземного мониторинга, включая систему шкал и критериев оценки опасности и риска изменения почвенных ресурсов, степени деградации почв, а также локальные базы нормативных агрохимических, физических, химических, физико-химических, минералогических и микроморфологических данных для управления плодородием почв и эффективного контроля их экологического состояния.
3.9. Разработана методология системы испытаний, сертификации и освоения агротехнологий на основе сертификации систем качества международных стандартов ИСО серии 9000.
3.10. Разработана система комплексной неинвазивной экспресс-оценки качества и продукционного потенциала посевного материала и физиологического состояния вегетирующих растений с использованием каскада современных высокоточных физических методов. Данная система позволяет оперативно оценить качество посевного материала, выявить на ранних стадиях ухудшение состояния вегетирующих растений, возникновение дефицита основных элементов питания у зерновых и овощных культур, что позволяет оперативно корректировать применяемые агротехнологии и оптимизировать условия роста сельскохозяйственных культур, снизить экономические затраты.
3.11. На основе знаний и опыта о физическом моделировании агроэкосистем в регулируемых условиях, о закономерностях и механизмах взаимодействия растений со средой обитания в полностью регулируемых условиях впервые разработан и охарактеризован прототип уникальной научно-технологической инфраструктуры в регулируемых условиях для реализации: системы «сорт-технология» по созданию новых локально адаптированных форм, линий, сортов сельскохозяйственных культур, по отработке технологий направленного улучшения стрессоустойчивости растений и получения растительной продукции высокого качества с заданными функциональными характеристиками.
Результаты работ четвертого этапа [ИКРБС №223031000091-9]:
4.1. Разработаны методы исследования и механизмы формирования внутреннего российского рынка минеральных удобрений, выявлены особенности его функционирования на современном этапе и обозначены основные тенденции его развития. Определена потребность в минеральных удобрениях для формирования урожайности сельскохозяйственных культур по федеральным округам и России в целом, представлено научное обоснование потребности сельскохозяйственного производства в минеральных удобрениях, оценена потребность страны в минеральных удобрениях до 2030 г. Разработан комплекс мероприятий, реализация которых позволит стимулировать внутренний спрос на удобрения со стороны аграриев для обеспечения продовольственной безопасности России и высокого уровня энерго и ресурсэффективности сельского хозяйства.
4.2. Обоснована необходимость совершенствования рентных отношений в сельскохозяйственном землепользовании России, разработаны методы и инструменты их регулирования. По результатам исследования изложены теоретические основы земельной ренты и экономического регулирования рентных отношений; тенденции развития отношений земельной собственности и современная практика регулирования рентных отношений; разработаны методы и механизмы экономического регулирования рентных отношений в сельскохозяйственном землепользовании России. Подтверждена необходимость регулирования сельскохозяйственного землепользования на современном этапе развития земельных отношений в стране посредством земельных платежей, в основу которых следует положить земельную ренту. Результаты исследования предназначены для совершенствования аграрных земельных отношений между их участниками на основе классификации рентообразующих сельских территорий субъектов Российской Федерации и определения предельных числовых значений земельных платежей.
4.3. Сформированы реестры агроэкологических видов земель Центрального Черноземья (Белгородская область) и Центрального Нечерноземья (Тульская, Московская, Тверская области). Региональное разнообразие агроэкологических условий систематизировано в виде упорядоченного списка единиц ландшафтно-экологической классификации особенностей рельефа, почвообразующих пород и почв, определяющих потенциальную урожайность зерновых культур при трех уровнях агротехнологий – экстенсивном, нормальном и интенсивном. Реестры земель используются совместно с реестром сортов и регистром агротехнологий в системе комплексной оценки земель и локального планирования сельскохозяйственного землепользования и агротехнологий.
4.4. На основе обобщения результатов экологических испытаний сортов полевых культур и технологий их возделывания в ФИЦ «Немчиновка», а также данных Государственных сортоиспытаний и Россельхозцентра завершено создание реестра сортов и гибридов основных полевых культур Центрального региона Нечерноземной зоны (зерновые и зернобобовые культуры, многолетние и однолетние бобовые и злаковые травы и травосмеси, кукуруза на силос, рапс озимый и яровой). Для наиболее распространенных сортов и гибридов этих культур представлены их характеристики в соответствии с предложенной ранее моделью агроэкологического паспорта. Реестр сортов предназначен для использования в составе интеллектуальной системы локального планирования землепользования и агротехнологий (система «Умное землепользование») в сочетании с реестром видов земель и региональным регистром агротехнологий.
4.5. Регистр агротехнологий возделывания зерновых и зернобобовых культур Среднерусской провинции южно-таежно-лесной зоны (результат работ п.2.2 ПГ) уточнен результатами агрономических опытов последних лет и расширен с учетом разнообразия видов земель Центрального региона Нечерноземной зоны (включены виды земель Тверской и Тульской областей). Реестр дополнен региональными агротехнологиями возделывания многолетних и однолетних трав и травосмесей, кукурузы на силос, озимого и ярового рапса, картофеля. Для почвенно-климатических условий предгорно-равнинной части Чеченской Республики разработан регистр агротехнологий возделывания косточковых, семечковых культур и винограда. Регистр агротехнологий включает формализованное описание звеньев, блоков и операций базовых технологий и технологических модулей возделывания сельскохозяйственных культур с указанием условий их применения и технологических требований при реализации биологического потенциала сорта экстенсивного, нормального и интенсивного уровня. Условия применения каждого технологического модуля включают указание целевого вида земель, для которого он предназначен. Регистры агротехнологий используются совместно с реестром видов земель и реестром сортов в системе комплексной оценки земель и локального планирования сельскохозяйственного землепользования и агротехнологий.
4.6. Разработан метод, позволяющий бесконтактно получать информацию об основных параметрах плодородия пахотных почв (дерново-подзолистых, серых лесных и черноземов) на основе спектральной отражательной способности их поверхности, измеренной в полевых условиях. В большинстве случаев по измерениям в пределах одного поля лучше детектируется содержание органического вещества и рН солевой вытяжки, хуже – содержание подвижного фосфора и общего азота. Точность и состав информативных признаков прогнозных моделей различаются между отдельными полями и зависят от особенностей освещения, состояния открытой поверхности (влажность, наличие корки и трещин, шероховатость поверхности). Информативность моделей существенно снижается при объединении в одну выборку данных по типам почв с разных сельскохозяйственных полей или при совместном анализе всех данных с разными почвами.
4.7. Доработаны технология сбора и алгоритм усвоения данных оперативного IoT-мониторинга параметров воздуха, почв и посевов для цифровой платформы поддержки принятия оперативных решений в землепользовании и земледелии. Доработана аппаратная и программная архитектура сенсорных узлов за счет оптимизации размещения компонентов, повышения надежности и энергоэффективности электрической схемы. Обновлено программное обеспечение для централизованной системы сбора данных, удаленного управления и опроса устройств наземной измерительной беспроводной сенсорной сети IoT-мониторинга, сервера, управляющих модулей сенсорных узлов и периферийных устройств, контроллеров узлов и датчиков.
4.8. Разработан пользовательский интерфейс и алгоритм оценки и управления рисками деградации земель от водной эрозии для интеллектуальной системы локального планирования землепользования и агротехнологий. Функциональные возможности сервиса позволяют адресно (для каждого поля) выявлять эрозионно-опасные участки и моделировать риски деградации почв от эрозии в зависимости от используемых технологий земледелия и почвозащитных мероприятий (ротации культур в севообороте, противоэрозионных мероприятий, залужения и др.).
4.9. Разработан пользовательский интерфейс и алгоритм прогнозного картографирования урожайности сельскохозяйственных культур для цифровой платформы поддержки принятия оперативных решений в землепользовании и земледелии. Сервис позволяет получить сезонный прогноз биологической урожайности посевов в пределах поля с использованием сочетания имитационной модели роста и развития сельскохозяйственных культур, прогнозных аномалий климатических характеристик вегетационного сезона, моделирования энерго- и массообмена системы «почва-растение-приземный слой атмосферы» на основе данных дистанционного зондирования Земли и наземных подспутниковых измерений. Функциональные возможности показаны на примере трех тестовых участках в Московской, Тверской и Ленинградской областях.
4.10. Создан пользовательский интерфейс и алгоритм параметризации биологических свойств и экологических требований сельскохозяйственных культур на основе результатов сортоиспытаний и мониторинга опытно-производственных посевов. Этапы алгоритма: 1) сбор полевых данных о параметрах роста и развития посевов сорта в контрастных почвенно-климатических условиях и/или в контрастные по погодным условиям годы; 2) сбор данных о метеорологических, почвенных и агрономических условиях развития посевов; 3) индивидуальная для каждого сорта калибровка имитационной модели роста и развития посевов для достижения максимального соответствия между модельными и наблюдаемыми данными; 4) сценарное моделирование (прогнозирование) реакции сортовых посевов на изменения условий их развития; 5) интерпретация параметров имитационной модели и результатов сценарного моделирования в качестве биологических свойств и экологических требований сорта. Алгоритм апробирован на примере биологических свойств и экологических требований четырех сортов яровой пшеницы (Злата, Любава, Лиза, Агата) в опытно-производственных посевах ФГБНУ ФИЦ «Немчиновка» за 2011-2020 гг. с использованием имитационной модели роста и развития посевов AquaCrop, разработанная отделом земельных и водных ресурсов Продовольственной и сельскохозяйственной организацией ООН для оценки влияния условий окружающей среды и управления на продуктивность культур.
4.11. Созданы пользовательский и программный интерфейсы и алгоритм многопараметрической оптимизации сортимента возделываемых культур для минимизации погодных рисков. В качестве альтернативы подбора сортов сельскохозяйственных культур на основе недостоверных метеопрогнозов реализован инструмент диверсификации сортимента и площадей посевов сельскохозяйственной культуры, обеспечивающий баланс между ожидаемой рентабельностью и экономической устойчивостью сельхозпроизводства при любых погодных рисках и их сочетаниях. Веб-интерфейс сервиса позволяет интерактивно корректировать параметры модели и дает графическое представление результатов оптимизации агрономических решений и их экономической оценки. Для тестирования модели наряду с реальными сортами (работы п.4.4 ПГ) использованы виртуальные (идеальные) сорта, что позволяет использовать разработанный сервис в задачах семеноводства и селекции сортов, устойчивых к региональным погодным рискам. В качестве оптимизационной функции агрономического решения могут использоваться – максимизация чистого дохода, минимизация финансовых затрат или иных ресурсов в условиях их дефицита, максимизация выхода урожая или гарантированное обеспечение плановых показателей при переходе к экономике мобилизационного типа.
4.12. Для информативных индикаторов наиболее значимых экологических функций почв – биоресурсной (углерод микробной биомассы, численность дождевых червей, численность копий генов бактерий); органоаккумулятивной (общий органический углерод, углерод микробной биомассы, микробное (базальное) дыхание и скорость разложения субстрата); питательной (кислотность, содержание подвижного фосфора, содержание обменного калия, обеспеченность азотом, содержание мезо- и микроэлементов, химические способности почв, обеспеченность органическим веществом, гранулометрический состав); гидрологической (равновесная плотность, общая пористость, коэффициент фильтрации, наименьшая влагоемкость) разработаны: 1) порядок усвоения индивидуальных либо массовых результатов их измерений в составе цифровой платформы поддержки принятия оперативных решений в землепользовании и земледелии; 2) пользовательский интерфейс, обеспечивающий наглядное сравнение значений индикаторов с региональными шкалами их оптимальных диапазонов, сопоставление множественных значений в пространстве и/или во времени и формирование отчетов.
4.13. Осуществлена разработка научно-технических основ оптимизации взаимодействия генотип-среда в интенсивной светокультуре. Усовершенствована методология ускоренной селекции растений для условий интенсивной светокультуры с различным спектральным составом светового потока на примере редиса (Raphanus sativus L.) и разработаны рекомендации по оптимизации световой среды для выращивания его корнеплодов.
4.14. Проведена демонстрация функциональных возможностей локального планирования землепользования и агротехнологий (системы «Умное землепользование») на тестовом участке Тульский НИИСХ – филиале ФИЦ «Немчиновка». Показаны возможности агроэкологической группировки земель хозяйства на основе результатов почвенно-ландшафтного и агрохимического обследования, возможности загрузки и визуализации посевных площадей, реестра сортов, регионального регистра агротехнологий; разработки севооборотов с учетом агроэкологических особенностей земель и агротехнологий целевого уровня планируемой урожайности или себестоимости конечной продукции.
Публикации по результатам выполнения проекта (2020-2023 гг.):
- Савин И.Ю., Виндекер Г.В. Некоторые особенности использования оптических свойств поверхности почв для определения их влажности // Почвоведение, 2021, №7, с. 806–814
- Kiryushin, V.I., Dubachinskaya, N.N. & Yurova, A.Y. Comprehensive Assessment of Agricultural Land by the Example of the Southern Urals Eurasian Soil Science. 2021. Т. 54. С. 1721.
- Nikitin, D.A., Semenov, M.V., Chernov, T.I. et al. Microbiological Indicators of Soil Ecological Functions: A Review Eurasian Soil Science. 2021. Т. 55. С. 221.
- Egorova K. V. et al. QTL Analysis of the Content of Some Bioactive Compounds in Brassica rapa L. Grown under Light Culture Conditions // Horticulturae. 2021. Т. 7. № 12. С. 583.
- Devyatkin D., Otmakhova Y. Methods for Mid-Term Forecasting of Crop Export and Production // Applied Sciences. 2021. Т. 11. № 22. С. 10973.
- Pishchik V., Mirskaya G, Chizhevskaya E, Chebotar V, Chakrabarty D. Nickel stress-tolerance in plant-bacterial associations // PeerJ. 2021. 9:e12230
- Кирюшин В. И. Система научно-инновационного обеспечения технологий адаптивно-ландшафтного земледелия // Земледелие. – 2022. – № 2. – С. 3-7. – DOI 10.24412/0044-3913-2022-2-3-7
- Kiryushin, V.I., Dubachinskaya, N.N. & Yurova, A.Y. Comprehensive Assessment of Agricultural Land by the Example of the Southern Urals Eurasian Soil Science. 2021. Т. 54. С. 1721. DOI: 10.1134/S1064229321110089
- Nikitin, D.A., Semenov, M.V., Chernov, T.I. et al. Microbiological Indicators of Soil Ecological Functions: A Review Eurasian Soil Science. 2021. Т. 55. С. 221. DOI: 10.1134/S1064229322020090
- Devyatkin D., Otmakhova Y. Methods for Mid-Term Forecasting of Crop Export and Production // Applied Sciences. 2021. Т. 11. № 22. С. 10973. DOI: 10.3390/app112210973
- Якушев В.П., Буре В.М., Митрофанова О.А., Митрофанов Е.П. Теоретические основы вероятностно-статистического прогнозирования неблагоприятных агрометеоусловий // Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2021. Т.17. Вып. 2. С. 174-182. DOI:10.21638/11701/spbu10.2021.207
- Egorova K. V. et al. QTL Analysis of the Content of Some Bioactive Compounds in Brassica rapa L. Grown under Light Culture Conditions // Horticulturae. 2021. Т. 7. № 12. С. 583. DOI: 10.3390/horticulturae7120583
- Kulikov I.M.; Burmenko J.V.; Svistunova N.Y.; Evdokimenko S.N.; Sazonov F.F.; Tumaeva T.A.; Konovalov S.N. Regionally Adapted Model of an Ideal Malus×domestica Borkh Apple Variety for Industrial-Scale Cultivation in European Russia // Agriculture 2022, 12, 2124 DOI: 10.3390/agriculture12122124
- Савин И.Ю., Блохин Ю.И. Об оптимизации размещения сети датчиков интернета вещей на пахотных угодьях // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2022;(110):22-50. DOI: 10.19047/0136-1694-2022-110-22-50
- Pishchik V., Mirskaya G, Chizhevskaya E, Chebotar V, Chakrabarty D. Nickel stress-tolerance in plant-bacterial associations // PeerJ. 2021. 9:e12230 DOI: 10.7717/peerj.12230
- Rusakov D.V., Kanash E.V. (2022): Spectral characteristics of leaves diffuse reflection in conditions of soil drought: a study of soft spring wheat cultivars of different drought resistance. Plant Soil Environ., 68: 137–145. DOI: 10.17221/483/2021-PSE
- Ivanov A, Ivanova Z. Efficiency of Precision Fertilization System in Grain-Grass Crop Rotation. Agriculture. 2022; 12(9):1381 DOI: 10.3390/agriculture1209138
- Савин И.Ю., Коновалов С.Н., Прудникова Е.Ю. [и др.] Возможности оценки состояния деревьев в яблоневом саду на основе данных дистанционного зондирования // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. – 2022. – Т. 19. – № 4. – С. 153-167. DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-4-153-167
- Брюхов Д.О., Ступников С.А. Логическая реляционная модель структур данных для решения задач в предметной области управления землепользованием // Информатика и ее применения. – 2022. – Т. 16. – № 4. – С. 93-98. DOI: 10.14357/19922264220414
- Nikitin DA, Ivanova EA, Semenov MV, Zhelezova AD, Ksenofontova NA, Tkhakakhova AK, Kholodov VA. Diversity, Ecological Characteristics and Identification of Some Problematic Phytopathogenic Fusarium in Soil: A Review // Diversity. 2023; 15(1):49 DOI: 10.3390/d15010049
- Прияткин Н.С., Архипов М.В., Щукина П.А., Мирская Г.В., Чесноков Ю.В. Оценка разнокачественности и скрытой дефектности семян пшеницы (Triticum aestivum L.) инструментальными физическими методами. Сельскохозяйственная биология, 2022, том 57, № 5, с. 911-920. DOI: 10.15389/agrobiology.2022.5.911rus
- Соломатин А.В., Новиков С.Ю., Гармаш Н.Ю., Политыко П.М., Гармаш Г.А. Влияние средств защиты растений на отзывчивость сортов зерновых культур при возделывании по технологиям разной степени интенсивности // Плодородие. – 2022. – №6. – С. 29-32. DOI: 10.25680/S19948603.2022.129.08
- Новиков С.Ю., Соломатин А.В., Гармаш Г.А. и др. Влияние температуры почвы и технологий возделывания на урожайность зерновых культур на дерново-подзолистых почвах Центрального Нечерноземья // Биосфера. – 2022. – Т. 14. – № 4. – С. 352-355.
- Шкуркин С.И. Особенности функционирования внутреннего рынка производства и потребления минеральных удобрений в Российской Федерации // АПК: экономика, управление. 2023. №12. С.48-55. https://doi.org/10.33305/2312-48.