Благодаря прорывам в биотехнологии, моделировании и точном земледелии ученые разрабатывают инструменты и системы, которые повышают устойчивость растений на всех этапах.
Необычно мягкая зима, за которой последовала влажная весна, сделала прошлый год одним из худших за десятилетие для производителей сои в Пенсильвании. Проблема была не в сое, а в слизнях. Вредители пережили теплую зиму и отложили вторую партию яиц, и весной 2024 года вылупилось вдвое больше слизней, чем годом ранее. Слизни съели так много всходов, что некоторым фермерам пришлось пересеивать поля целых три раза.
«Вы увидите прогноз погоды, и это будет погода, к которой мы не привыкли. Неопределенность все чаще становится неотъемлемой частью сельского хозяйства. Таков мир, с которым мы сталкиваемся последние несколько лет», — говорит Пол Эскер, профессор эпидемиологии и патологии полевых культур в Колледже сельскохозяйственных наук Университета Пенсильвании. Он возглавляет коллектив исследователей, который входит в растущую группу ученых из Университета штата Пенсильвания по разработке инновационных решений защиты растений.
«Как университет, получивший статус сельскохозяйственного образовательного учреждения, наша миссия состоит в том, чтобы решать проблемы, с которыми ежедневно сталкиваются фермеры, и предлагать реальные решения для улучшения обслуживания жителей Пенсильвании. Наши исследователи разрабатывают технологии, которые помогут фермерам повысить урожайность, защитить наши природные ресурсы и оставаться устойчивыми в меняющемся мире», — сказал Трой Отт, декан Колледжа сельскохозяйственных наук имени Питера и Энн Томброс.
Команда разработала Open Crop Manager — веб-платформу и мобильное приложение, которые позволяют фермерам, консультантам и специалистам по распространению сельскохозяйственных знаний документировать и отслеживать состояние посевов, а также проводить полевые наблюдения с пространственной и временной точностью. Затем данные используются в системах машинного обучения и прогнозного моделирования для расчета того, как болезни и вредители могут повлиять на урожайность.
Эскер отметил, что сложные модели анализируют сельскохозяйственные данные по нескольким штатам, помогая фермерам принимать более обоснованные решения по управлению посевами, борьбе с вредителями и распределению ресурсов. Платформа бесплатна и финансируется товарными советами. Она призвана помогать фермерам, а также предоставлять исследователям и политикам масштабные данные о сельскохозяйственных тенденциях и потенциальных рисках для продовольственного снабжения страны.
«Наша идея заключается в том, чтобы расширить возможности фермеров, вернув им доступ к имеющимся данным», — сказал Эскер, который также является одним из первых стипендиатов программы Land Grant Research Impact Fellows этого колледжа.
Благодаря сочетанию разведывательных визитов и записей, составленных фермерами, команда за три года собрала около 13 000 уникальных отчетов в 10 штатах. Эти отчеты представляют собой исчерпывающую информацию о состоянии посевов с течением времени, предоставляя ценные сведения о сорняках, вредителях, болезнях и ущербе, наносимом дикими животными, такими как олени и сурки.
«Фермеры могут видеть эти сводные данные из разных регионов, что помогает им сравнивать свои методы и условия с другими. Мы учимся у фермеров тому, что работает эффективно, а затем разрабатываем технологии, чтобы лучше их поддерживать. Во многом это обусловлено тем, что мы прислушиваемся к фермерам и думаем о том, как мы можем наилучшим образом помочь им, предоставляя основанные на данных аналитические выводы», — сказал Эскер.
Он добавил, что Open Crop Manager может помочь фермерам оценить окупаемость инвестиций в обработку семян, гербициды, инсектициды и фунгициды, что в конечном итоге повлияет на их прибыль и позволит сократить ненужное использование пестицидов. Эскер пояснил, что модели накладывают спутниковые снимки и прогнозы погоды для предсказания изменений в сельскохозяйственных условиях, а это значит, что фермеры могут использовать платформу для оптимизации производства сельскохозяйственных культур, а также получать ранние предупреждения о потенциальных проблемах.
«В некоторых долинах Пенсильвании фермеры могут использовать только одну единицу наземной техники, поэтому быстрый и эффективный обмен информацией становится крайне важным. Open Crop Manager позволяет фермерам быстро обмениваться сельскохозяйственной информацией и получать к ней доступ, чтобы более эффективно реагировать на местные проблемы. По сути, платформа преобразует разрозненные местные знания в исчерпывающую, полезную информацию для фермеров», — сказал он.
Использование естественных защитных механизмов
Для Сары Херманн, профессора и доцента кафедры экологии членистоногих и трофических взаимодействий, разработка передовых сельскохозяйственных технологий требует обращения к самой эволюции взаимоотношений хищник-жертва.
В ее лаборатории в Колледже сельскохозяйственных наук разработана инновационная технология борьбы с вредителями, использующая запах божьих коровок для отпугивания тли — сельскохозяйственных вредителей, ослабляющих растения, высасывая их сок и распространяя болезни. Собирая и анализируя летучие соединения, вырабатываемые божьими коровками, Херманн создала стратегию, которую она в шутку называет «запах божьей коровки». Когда тля обнаруживает этот запах, она меняет свое поведение, объяснила она, размножаясь меньше, питаясь меньше и избегая растений, где присутствует запах, что помогает защитить урожай без использования пестицидов.
«Это как если бы человек, подойдя к зданию, почувствовал запах дыма и подумал: „Хм, может быть, мне не стоит сюда идти. Это кажется опасным“, и поэтому мы меняем свое поведение. Тля делает нечто подобное. Она чувствует запах божьих коровок и решает, что, возможно, ей не стоит сюда идти», — пояснила Херманн.
В системе Херманн биологический контроль предполагает использование естественных взаимоотношений хищник-жертва между божьими коровками и тлей в интересах фермеров. Вместо физического введения божьих коровок в качестве метода биологического контроля, она распространяет запахи божьих коровок, чтобы манипулировать поведением тлей. По ее словам, такой подход использует естественные экологические взаимодействия для управления популяциями вредителей без химических пестицидов, обеспечивая устойчивую альтернативу в борьбе с вредителями.
«Я работаю в очень узкой области экологии насекомых, где изучают, как можно использовать страх быть съеденным или угрозу хищничества этих вредных насекомых для борьбы с вредителями. Мы обнаруживаем, что страх вызывает всевозможные изменения в поведении и физиологии, которые полезны для растений, которыми питаются тля», — сказала Херманн.
До сих пор ее команда сосредоточивалась на роде растений Brassica, к которому относятся такие популярные овощи, как брокколи, цветная капуста, листовая капуста, белокочанная капуста, кудрявая капуста и брюссельская капуста. Исследования показали, что стратегия «запаха божьей коровки» может сократить популяцию тли на растениях этого рода на 50% и более.
«Результаты очень многообещающие, но тля — это вредитель сотен сельскохозяйственных культур по всему миру. Теоретически, эту работу следует проверить на разных системах, чтобы выяснить, применима ли она и к другим растениям», — сказала ученый.
Херманн подала заявку на получение полного патента США на эту технологию и находится на стадии полевых испытаний в своей лаборатории. Она начала налаживать контакты с потенциальными партнерами в отрасли, включая предварительную встречу с многонациональной компанией по производству пестицидов и несколькими специализированными компаниями в области химической экологии, которые могут быть заинтересованы в разработке продукта для широкого применения.
В качестве первоначального рынка она ориентируется на небольшие, диверсифицированные фермерские хозяйства и садоводов-любителей, а также проводит исследования для подтверждения эффективности технологии в более крупных системах выращивания сельскохозяйственных культур. Она надеется, что в будущем продукт можно будет продавать через садовые центры, магазины сельскохозяйственных товаров и, возможно, крупные розничные сети, привлекая потребителей, заинтересованных в устойчивых методах садоводства и сокращении использования химических пестицидов.
«Его можно было бы позиционировать как экологически чистое средство борьбы с вредителями, не содержащее пестицидов, потому что это именно так и есть», — сказала Херманн.
Внедрение интеллектуальных решений в АПК
Разработать технологию — это одно, а внедрить её в практику фермерских хозяйств — совсем другое. В этом направлении работает Джон Уоллес — доцент кафедры гербологии и руководитель исследований по интеграции технологий точного земледелия в стратегии борьбы с сорняками.
Недавно он в партнерстве с компанией John Deere, получив грант от Пенсильванского совета по соевым бобам, изучал новую технологию See & Spray , которая позволяет целенаправленно применять гербициды только там, где присутствуют сорняки, используя компьютерное зрение и машинное обучение для точного нанесения гербицидов на сорняки в посевах кукурузы или сои. Предварительные результаты его исследований показывают, что эта технология может позволить сократить использование гербицидов на поле до 70%.
«Теперь у нас есть возможность применять гербициды только там, где на поле присутствуют сорняки, — сказал Уоллес. — Это может помочь фермеру достичь целей по борьбе с сорняками и уничтожению культурных растений, потенциально используя при этом значительно меньше гербицидов. Сокращение количества пестицидов приносит пользу окружающей среде — мы снижаем риск поверхностного и подземного стока — а также экономическую выгоду производителю за счет сокращения расходов на пестициды».
В рамках исследовательского сотрудничества с компанией John Deere он взаимодействует с первыми пользователями технологии, собирает данные с помощью полевых исследований и количественно оценивает, как меняется рентабельность инвестиций при различных сценариях управления. В настоящее время около 20 производителей в Пенсильвании используют эту технологию, и команда Уоллеса работает над пониманием ее преимуществ и ограничений в точном земледелии. По словам Уоллеса, исследователи стремятся сократить время обучения для первых пользователей и предоставить информацию другим производителям.
«Мы обеспечиваем связь между теми, кто первыми внедряет эту технологию, и производителями, которые еще не знакомы с ней или не знают о ней. Промышленность уже представила эту технологию, и наша задача — с помощью методов опроса начать количественно оценивать ее преимущества, компромиссы и ограничения, чтобы помочь фермерам принять правильное решение о том, подходит ли эта технология для их производственной системы», — сказал он.
Примеры инноваций в яблоневом саду
Для Лонг Хе, доцента кафедры сельскохозяйственной и биологической инженерии, внедрение и развитие сельскохозяйственных технологий носит особенно совместный характер, поскольку фермеры являются активными участниками всего процесса. Фермеры, с которыми работает Хе, не просто получают новые технологии, а являются равноправными членами инженерной команды.
Он разрабатывает роботизированные системы и сенсорные технологии для точного управления посевами. Среди его изобретений — технологии точного земледелия, позволяющие фермерам сажать, контролировать и собирать урожай с большей точностью и эффективностью. По его словам, интегрированные системы сочетают в себе искусственный интеллект, технологии машинного зрения и механические компоненты, помогая фермерам принимать более обоснованные решения по управлению посевами.
В его лаборатории разработана наземная технология машинного зрения для подсчета и мониторинга почек, цветов и плодов на деревьях. Команда изобрела роботизированные системы для механического прореживания плодов и цветочных почек в садах и открыла новый метод точного внесения химических реагентов для регулирования урожайности яблонь.
«Технологии могут помочь нам предоставлять информацию, помогать фермерам принимать решения на основе данных, с учетом специфических условий местности. У нас более непредсказуемые условия выращивания, и это отражается на урожае», — сказал он.
Текущий исследовательский проект включает в себя использование искусственного интеллекта для подсчета и мониторинга яблоневых почек, цветов и плодов на разных стадиях развития, а также разработку роботизированных систем, способных механически прореживать или удалять излишки плодов с помощью интегрированных технологий машинного зрения и механики. Цель, как он пояснил, состоит в том, чтобы помочь фермерам принимать более обоснованные решения и решить проблему нехватки рабочей силы в сельском хозяйстве.
«Мое образование связано с машиностроением, поэтому меня всегда интересовала разработка физических и механических систем для решения проблем. Сельское хозяйство — одна из важнейших отраслей, поэтому, если мы можем помочь в решении проблем сельского хозяйства, это одна из самых важных вещей, которые мы можем сделать», — сказал он.
Источник: Pennsylvania State University. Автор: Эдриенн Берард.
На заглавном фото: Пол Эскер, профессор эпидемиологии и патологии полевых культур в Колледже сельскохозяйственных наук, разработал Open Crop Manager — веб-платформу и мобильное приложение, позволяющее рассчитывать влияние болезней и вредителей на урожайность сельскохозяйственных культур. Автор фото: Майкл Хаутц / Университет штата Пенсильвания.