«Умные поля» и экономически-экологический баланс. Интервью об агроэкологии с заведующим кафедрой экологии Тимирязевской академии Иваном Васеневым

Вместе с «умными домами» в мире начали появляться и «умные поля» ― системы, подсказывающие агрономам, что лучше посадить в этом году, какой погоды стоит ждать и что применять из удобрений. В России созданием таких систем занимаются на кафедре экологии РГАУ — МСХА им. К.А. Тимирязева.

Почему результаты многолетних климатических наблюдений перестают быть актуальными? В чем заключаются проблемы баланса экологии и экономики в земледелии? Насколько перспективны системы поддержки принятия решений в агротехнологиях? Об этом ― в интервью с заведующим кафедрой экологии Тимирязевской академии, доктором биологических наук, профессором Иваном Ивановичем Васеневым.

― С одной стороны, сельское хозяйство ― это наука, максимально приближенная к природе. С другой стороны, одновременно с этим последствия сельскохозяйственной деятельности негативно влияют на экологию и климат. Какие наиболее актуальные вопросы сегодня стоят перед учеными в решении этой задачи?

― Именно этими вопросами и занимается агроэкология. Одним из ключевых центров развития этой науки стала кафедра экологии РГАУ — МСХА им. К.А. Тимирязева, открытая в 1990 г. Создание этой кафедры было неслучайным: обстоятельства начали требовать агроэкологического обеспечения устойчивого и рентабельного получения больших объемов качественного и разнообразного питания.

Еще 30–40 лет назад в мире голодали и систематически недоедали (не получали функционально полноценного питания) не 700–800 млн человек, как сегодня, а гораздо больше, в том числе в некоторых регионах России и странах СНГ. Поэтому возникла необходимость в проведении поэтапной и грамотной интенсификации сельского хозяйства таким образом, чтобы не навредить ни растениям, ни животным, ни себе. В последние 30 лет стали более понятны и осознаны проблемы глобального изменения климата, возникшие вследствие ускоряющегося увеличения объемов производства не только промышленности, но и сельского хозяйства с неизбежным ростом производства, а также потребления энергии и их суммарного негативного воздействия на окружающую среду.

В субботу, 8 июля, закончилась X Московская международная летняя экологическая школа (MOSES). Мы рассматривали в том числе и вопросы изменения климата. В замечательной презентации нобелевского лауреата Риккардо Валентини, с которым мы работаем с 2011 г., на основе международных материалов было показано, что 37% парниковых газов поступают в атмосферу из сельского хозяйства. Не только с полей, но и с предприятий по переработке сельскохозяйственной продукции и производству удобрений, средств защиты растений и сельскохозяйственных машин.

Мы сеем и высаживаем сельскохозяйственные культуры для того, чтобы забрать полученную продукцию, тем самым обедняя вещественный состав полевых или садовых агроэкосистем. Затем стараемся компенсировать затраченные ресурсы природы, но в большинстве случаев вернуть можем только несколько важнейших элементов. К известной триаде «азот, фосфор и калий» сегодня часто добавляется и сера, которую значительно раньше, чем в России, начали применять в Германии и Нидерландах. Нас длительное время выручали более богатые почвы и менее интенсивное ведение сельского хозяйства.

Агроэкология занимается балансом между экологическими и экономическими проблемами и интересами. Это не только вопросы загрязнения, но и максимальное использование потенциала наших почв и агроэкосистем, который мы пока в среднем реализуем менее чем на 50%. Для сравнения: в Нидерландах и Китае этот потенциал, как правило, используется на 90% с лишним. 

― С чем связана такая разница? И в каких областях мы недостаточно эффективно соблюдаем экономически-экологический баланс сельского хозяйства?

― Богатства России ― это ее земли и почвы. Около половины из них ― многолетняя мерзлота, на которой могут существовать только пастбища для оленей. Но другая половина пригодна для ведения сельского хозяйства: в период Советского Союза на одного гражданина был рассчитан один гектар пашни. Сегодня эти территории примерно в полтора раза меньше, но и это огромные площади.

При таких размерах и многообразии мы не можем применять унифицированные агротехнологии. От этого страдало, например, сильно развитое сельское хозяйство СССР: нашим детальным системам севооборота европейские коллеги могли только завидовать, но стремление к администрированию и унификации, применение одной и той же технологии на разных почвах активизировало деградационные процессы и снижало эффективность применяемых зональных агротехнологий, удобрений, средств защиты растений.

Поэтому большие территории ― и наше благо, и наша проблема. Надо заставлять себя учитывать детальные особенности отдельных земельных участков, даже если они находятся в рамках одного поля, площадь которого может быть и 100 га, и больше. В Европе в силу меньших площадей эта работа ведется активнее: средний размер их фермерских хозяйств, как правило, не более 30–50 га.

Сегодня, в начале XXI в., мы живем в условиях глобальных ускоряющихся изменений климата. В результате мы не можем эффективно использовать данные многолетних метеорологических наблюдений, которых раньше было достаточно. Сопоставляя с ними данные за последние десять лет, можно увидеть существенные агроэкологические различия. Например, устойчиво поднимаются среднегодовые температуры и повышается сезонный приход фотосинтетически активной радиации (ФАР). Подтвердились и наши прогнозы восьмилетней давности относительно роста годового количества осадков.

В результате увеличивается агроклиматический потенциал и создаются потенциально более благоприятные условия для повышения урожайности. Но, к сожалению, это касается не только культурных растений, а в том числе и сорняков, насекомых-вредителей, болезней… Например, далеко на восток и север ушел колорадский жук, хотя еще 50 лет назад его не было в основной части России. Появляются ранее нехарактерные для территорий болезни растений. Планируя возделывать культуру или сорт, неоптимальный для конкретной территории, в новых агроэкологических условиях, сельхозпроизводители обрекают себя на излишние затраты. Появление сорняков и болезней, на которые производитель не рассчитывал, влекут за собой серьезные экологические и агроэкологические издержки. Опоздав с обработкой поля пестицидами, приходится применять их повышенные дозы.

Мы нередко используем традиционные системы севооборотов, высеваем и высаживаем культуры и сорта, используем технику и удобрения в не совсем подходящих для них агроклиматических условиях, зональные границы которых сместились за последние 25–30 лет на 150–200 км на север и северо-восток страны. Мы используем созданные специалистами по агроклиматологии 50 лет назад системы природно-сельскохозяйственного и почвенно-географического районирования, основанные на массовых статистических данных того периода. Но условия изменились — и традиционные методы оценки начинают отставать от реальности.

Сегодня при планировании очередного сельскохозяйственного года нельзя опираться только на среднегодовые климатические показатели. Так, по данным нашей Метеорологической обсерватории им. В.А. Михельсона, из трех лет с 2013 г. по 2015 г. только в один год годовое количество осадков было равно среднемноголетнему. В остальные два количество осадков было или больше на 35%, или меньше на 34% его среднемноголетнего значения.

Поэтому на территории каждого региона страны у нас, как правило, есть десятки районированных сортов основных культур, и встает вопрос, что лучше высаживать в конкретном хозяйстве на конкретном поле в условиях конкретного года.

Впервые в конце 1990-х гг. мы разработали систему поддержки принятия решений и начали использовать ее в учебном процессе. Через семь лет после начала этого проекта ко мне подошел коллега, занимающийся со студентами практической работой, и сказал, что система начала ошибаться. Когда мы стали разбираться, то выяснили, что появившиеся за эти годы более продуктивные сорта и более совершенные технологии и техника позволили более эффективно использовать агроэкологический потенциал земель и оптимизировать сроки проведения агротехнологических операций. Созданные ранее агроэкологические модели требовалось адаптировать, что мы и сделали.

Такие системы поддержки принятия решения ― это инструмент, позволяющий сельхозпроизводителям на вариативной основе рассчитать возможные варианты и риски. Находя через геоинформационную систему местоположение своих земель, они должны легко получать данные о среднем количестве осадков, о температуре, о вероятности климатических отклонений на своей территории. С учетом этой информации производитель может более обосновано выбирать тот или иной вариант культуры или сорта и рассчитывать возможную урожайность. Затем нужно оценить, каких элементов питания не хватает в почве на данную урожайность, и рассчитать затраты, требуемые на повышение содержания доступных для растений элементов питания. Из всего этого складывается более уверенно прогнозируемая рентабельность сельскохозяйственного производства.

― Такие системы уже активно используются?

― Системы поддержки принятия решений давно широко применяются в промышленности, особенно в оборонной. Сегодня их активно внедряют в банковскую и транспортную сферы, в системы сводного планирования и управления крупных сельскохозяйственных холдингов.

К сожалению, в области сельского хозяйства России из-за высокого территориального, климатического и почвенно-агроэкологического разнообразия они внедряются не так быстро. Подобные системы с дифференциацией на культуру и штат больше распространены в США и в Европе. Там из-за меньших площадей регионов и полей значительно сокращается пространственная изменчивость основных агроэкологических параметров и регулярно обновляется более детальная агроклиматическая и агроэкологическая информация.

Мы должны поэтапно разрабатывать системы поддержки принятия решений рамочного типа, которые подразумевают постепенную детализацию и конкретизацию содержащихся в них алгоритмов анализа и районированных нормативов оценки. Сначала на уровне регионов и внутренних агроэкологических районов, потом ― до уровня отдельных хозяйств. Эти системы должны учитывать множество факторов, вплоть до экспозиции и крутизны склона конкретного поля, влияющей на изменение поступающей ФАР. Изменение крутизны склона на один градус сопоставимо с перемещением в пространстве до 100 км на юг или на север. Возьмем, допустим, склон крутизной в 5° под Курском: при южной экспозиции он будет иметь приход ФАР, сопоставимый с Симферополем, а при северной ― с Москвой. То есть в первом случае можно устойчиво и рентабельно получать хорошие урожаи востребованной сегодня сои. На северных склонах сделать это не получится.

Мы всегда говорим студентам, что первоочередная задача агроэкологии — это оценка обеспеченного агроэкологическим потенциалом количества продукции требуемого на рынке качества. А требования к качеству продуктов питания постоянно растут: от этого зависят в том числе здоровье и функционирование человека, а значит, пусть и косвенно, но это экономические факторы. Уже давно в мире начали говорить о необходимости внедрения функциональных продуктов питания, дифференцированных для разных групп населения. Без базовых агроэкологических знаний здесь также не обойтись.

― Правильное питание должно начинаться с поля, на котором выращивается урожай?

― Именно так. Например, возьмем селен: он гораздо лучше усваивается организмом, если поступает с перепелиным яйцом от птицы, получившей корм с поля, где мы применяли селен как микроудобрение.

Кстати, перепелиный помет уже называют золотом, а его реализацию – сравнимой с прибылью от основной продукции. Это связано с особенностями прохождения корма по желудочному тракту птицы: в результате помет оказывается насыщен микроэлементами и биологически активными веществами. А вопросы, в каком случае добавлять эти вещества в почву при выращивании урожая, который позже пойдет на корм перепелам, в каких дозах и как это сделать безопасно, должна решать агроэкологическая наука на основе мониторинговых исследований, моделей и прогнозов.

В результате исследований мы должны давать рекомендации с гарантированной надежностью. То есть, если применять конкретную агротехнологию в конкретных условиях, урожай будет определенного объема с возможным отклонением, например, в 10%.

Такие гарантии важны для сельского хозяйства, так как позволяют производителям открыто оценивать затраты и их компенсацию в виде урожая. Заранее понимая объемы вложенных и полученных средств, можно заключать даже фьючерсные контракты в сфере сельского хозяйства, аналогичные сфере производства энергетических ресурсов.

Мы стараемся совмещать наши системы поддержки принятия решений с IoT-системами агроэкологического мониторинга. Многие знают об «интернете вещей» и «умных домах». А для сельского хозяйства нам нужно создать «умное поле», желательно с возможностью самостоятельного обновления определенных нормативов алгоритмов.

Меня восхитило, когда на Восточном экономическом форуме 2016 г. наш всемирно известный коллега из Италии Риккардо Валентини заглянул в смартфон и оценил сахаристость виноградной лозы, растущей в его хозяйстве более чем в 6 тыс. км от Владивостока.

― Недаром говорят, что современный агроном ― это человек не с граблями и лопатой, а с планшетом…

― Это человек с планшетом, при этом думающий и открытый к новым технологиям. В 2012 г. в Хельсинки проходил конгресс Европейского общества агрономов. Я был там впервые, и меня удивил состав. Только около трети участников были агрономами в традиционном понимании. Еще треть участников занималась системами поддержки принятия решений и последняя треть ― агроэкологическими моделями продукционного процесса.

Агроэкологическая модель позволяет прогнозировать полный цикл роста и развития растения с учетом глубины заделки зерна в почве, исходных и текущих по сезону условий влажности и температуры, содержания питательных веществ, а затем дифференцированно оценивать эти параметры на протяжении всего периода роста растения и формирования урожая. Создать эту модель не так просто, но, разработав ее, можно нормативно прогнозировать наилучший доступный эффект, оперативно меняя в ней виды и дозы удобрений.

Сегодня много говорят о том, что искусственный интеллект может заменить человека. В нашей науке жизнь постоянно подбрасывает столько вопросов, что без участия живого специалиста невозможно настроить даже существующие системы поддержки принятия решений. При создании систем и моделей агроэкология должна учитывать современные достижения химии и физики, материаловедения, машиностроения и возможности современных информационных технологий.

― Такие системы рассчитаны на долгосрочную перспективу развития сельского хозяйства? Насколько активно они внедряются в России, или пока это единичные случаи?

― В нашей научной команде работает лауреат Нобелевской премии мира 2007 г. в составе коллектива Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) Риккардо Валентини ― один из основателей знаменитой системы глобальной мониторинговой сети FLUXNET, которая включает в себя более 600 станций во всем мире.

В 2014 г. мы с ним начали обсуждать датчики Crop Talker, а в 2019 г. работа первых прототипов этих датчиков была продемонстрирована на Дне поля России. С того момента прошло четыре года, и сегодня в работу по IoT-мониторингу идут сотни этих датчиков. Они позволяют корректировать модели, отражающие регионально и многолетне усредненные параметры, относительно условий конкретного поля и года.

В основе таких моделей и систем лежит агроэкологическая информация. Программные решения, передающие эту информацию, должны иметь рамочный характер и давать пользователю возможность донастройки системы согласно условиям его поля и года с учетом наблюдений этого пользователя и его опыта выращивания определенных сортов.

Для этого мы планируем вывести нашу систему в облачные интернет-технологии и открыть к ней широкий доступ при условии, что пользователи будут сообщать не только базовую информацию о местоположении и почвах своего хозяйства и поля, но и сведения о том, какие сорта были засеяны, какие использовались удобрения и средства защиты, какой урожай в итоге был получен. Совмещая эти данные с климатическими условиями конкретного года, обобщая данные разных регионов, система сможет сама себя подстраивать ― эта интеллектуальность выглядит очень перспективной. Но даже при самообучении системы специалисты будут регулярно ее проверять, анализировать и при необходимости поправлять.

Несколько лет назад к нам приходили представители одного агрохолдинга с предложениями покупки прототипа этих систем. Узнав, что их хозяйства находятся в регионах, в которых мы еще не работали, мы ответили, что готовы установить системы, но потребуется их настройка на местные условия. Тогда агрохолдинг отказался от сотрудничества, им был нужен немедленный результат.

Но сегодня, общаясь с коллегами, мы видим, что у аграриев появляется понимание того, что системам для начала полноценной работы на конкретном поле требуется два-три года. Это вселяет в меня здоровый оптимизм. Осознание того, что качественное программное обеспечение способно повысить эффективность затрат на все составляющие сельхозпроизводства и снизить экологические риски, приведет к тому, что разработки подобных систем будут финансироваться.

Уже сегодня на рынке появляется достаточно много подобных систем. Они способны накапливать материал, создавать базы данных и демонстрировать информацию пользователю. Но точность их прогнозирования оставляет желать лучшего. Когда мы начинаем уточнять, кто именно работает в таких компаниях, часто узнаем, что разработкой системы могут заниматься 15 программистов, пять экономистов и только один агроном по совместительству. Но при всей важности программных решений и детальных экономических расчетов в основе систем поддержки принятия решений в сельскохозяйственной сфере должны лежать именно агроэкологическая информация, ее системный анализ и грамотная прикладная интерпретация.

― Насколько эти разработки интересны молодежи? Вам хватает студентов и аспирантов?

― На первой неделе июля мы проводили X Московскую международную летнюю экологическую школу. Участие приняли ребята из 12 сильнейших университетов и институтов девяти регионов России и Беларуси, включая наших аспирантов из дальнего зарубежья. В процессе общения в ходе программы было заметно, что ребята действительно заинтересованы в том, чтобы дальше работать в этой области и заниматься IT-технологиями и созданием систем поддержки принятия решений в земледелии.

Я регулярно общаюсь с коллегами из аграрных университетов многих регионов России. Мне рассказывают, что в последние годы проблема с набором в бакалавриат по агроэкологии и агрономии исчезла, несмотря на то что раньше наша отрасль уступала другим, например медикам, в количестве абитуриентов. Сейчас ребята чувствуют свою востребованность на практике, где им реально предлагают высокотехнологичные и прилично оплачиваемые рабочие места, причем начиная уже со старших курсов бакалавриата.

Молодежь всегда открыта ко всему новому и информационно-технологичному. Я сам часто консультируюсь с молодыми коллегами по вопросам современного информационного обеспечения, работе с беспилотниками и датчиками. Они в свою очередь обращаются ко мне с другими вопросами. И этим всегда была сильна кафедра экологии Тимирязевской академии: у нас всегда работали и работают профессора, которым больше 70 и даже 80 лет. Молодежь к ним тянется, у студентов и аспирантов горят глаза, они с интересом работают на опытных полях и в лабораториях вместе со своими старшими коллегами.

И в системе высшего образования, и в научной сфере важно сохранять и формировать такие широкие и разнообразные по профильному и возрастному составу коллективы. Необходимо поддерживать связь и преемственность многолетнего опыта и знания самых современных технологий в рамках разновозрастных научных школ, а существующий багаж базовых и прикладных знаний в области сельского хозяйства и агроэкологии позволяет уверенно смотреть в их хорошее и продуктивное для России и всего мира будущее.