Способ биоиндикации агроэкосистемы свекловичного поля
METHOD OF BIOINDICATION OF THE AGROECOSYSTEM OF THE SUGAR BEET FIELD

Изобретение предназначено для использования в области экологии, сельского хозяйства, научно-образовательной сфере.
В настоящее время экосистемы во всем мире сталкиваются с беспрецедентным уровнем антропогенного воздействия, приводящего их к критическому состоянию. Мониторинг экосистем является необходимым шагом к выявлению причин происходящих процессов. Для получения полной картины текущего состояния экосистемы необходима информация о всех переменных среды, что практически невозможно из-за их огромной размерности. Благодаря тому, что в статистическом смысле переменные состояния обычно коррелированны между собой, то есть одни экологические переменные косвенно зависят от других, становится возможной биоиндикация.
Биоиндикацией называют оценку экологического состояния окружающей среды, экологических факторов и их динамики при помощи признаков и свойств самих экосистем, их биоты. Для этих целей составлены и пополняются списки  индикаторных организмов – биоиндикаторов, по наличию которых, степени их развития, изменению морфологических, структурно-функциональных и других характеристик судят о состоянии экосистемы [Неверова О.А., Еремеева Н.И. Опыт использования биоиндикаторов в оценке загрязнения окружающей среды: аналитический обзор. Экология. Серия аналитических обзоров мировой литературы. 2006. № 80. С. 1-88].
Несмотря на то, что агроэкосистемы характеризуются относительно упрощенной структурой и обедненным видовым составом (что обеспечивает повышенную урожайность культивируемых растений), разработка методов оценки их состояния не менее актуальна. Считается, что наиболее приемлемыми для использования в качестве биоиндикаторов являются многолетние древесные растения или древовидные кустарники. Имеется так же опыт, свидетельствующий о возможности оценки состояния агроэкосистемы по целенаправленно выращиваемым для хозяйственных целей растениям [Радионов А.С., Сердюкова А.В., Шумилов Ю.В. Использование растительно-овощных биоиндикаторов для локально-региональных экологических оценок. XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2014. № 5 (21). С. 123-129].
Состояние окружающей среды формируется под влиянием различных условий и факторов, обусловленных природными процессами и хозяйственной деятельностью человека. Экологические факторы – это свойства среды обитания, определяющие условия метаболизма организма и экосистемы в целом. Экологические факторы могут быть абиотическими, биотическими и антропогенными. Важнейшим антропогенным фактором для агроэкосистем является внесение азотных удобрений.
Оценка количества внесенного в почву азота важна как для обеспечения продуктивности возделываемых сельскохозяйственных культур, так и экологичности  среды. Избыток азота является мощным дестабилизирующим фактором метаболизма в системах почва-растение, вызывая израстание или полегание растений, нитратно-нитритные токсикозы, загрязнение почв, продукции и грунтовых вод нитратами и нитритами, канцерогенными нитрозоаминами. У переудобренных азотом растений, что нередко наблюдается на практике, снижается иммунитет, и они больше повреждаются грибковыми заболеваниями и всевозможными вредителями. Недостаток азотного питания негативно сказывается на урожайности культур и качестве продукции, прежде всего обеспеченности ее белком, незаменимыми аминокислотами, многими витаминами, другими биологически активными веществами (каротиноидами, флавоноидами, ферментами).
Важное значение имеет и экономическая сторона применения азотных удобрений, поскольку стоимость их приобретения, транспортировки и внесения в настоящее время составляет до 30-40% от себестоимости продукции растениеводства. Качество получаемой сельскохозяйственной продукции так же является важным экономическим критерием.
Одной из самых распространенных овощных культур открытого грунта является столовая свекла. Выявлено влияние отдельных химических элементов в составе удобрений на ботанические характеристики свеклы. Азот оказывает выраженное влияние на рост и физиолого-химические показатели урожая свеклы. Оптимальная доза удобрений будет различной для различных условий окружающей среды [Kadam V.D., Shinde S.J., Syed S.J. 2018. Effect of different spacing and fertilizer levels on growth parameter and quality parameters of beetroot (Beta vulgaris L.). Journal of Pharmacognosy and Phytochemistry. 7(5): 2845-2848].
Таким образом, индикация содержания азота в агроэкосистеме свекловичного поля является актуальной.
Известен способ биоиндикации, при котором производят сбор растений и формирование проб растительного материала на исследуемой и контрольной территории; испытание полученных проб (измерение pH и TDS); анализ и сравнение результатов испытаний [Глинянова И.Ю., Фомичев В.Т. Способ оценки экологического состояния территории. Пат. РФ № 2735034. Опубл. 27.10.2020. Бюл. №30]. Недостатком способа является необходимость проведения части операций в лаборатории, применения лабораторных приборов и оборудования, привлечения квалифицированного персонала.
Распространенным приемом, позволяющем получить более достоверные результаты по сравнению с использованием для анализа непосредственно измеряемых величин (первичных показателей), является использование отношения двух измеряемых величин как синтетического показателя.
При этом в качестве синтетического показателя может быть взято отношение двух величин одинаковой физической природы. Тогда размерность этого показателя составляет относительные единицы. Примером тому является способ биоиндикации, в соответствии с которым определяют коэффициенты отражения листьев тестового растения на определенных длинах волн, находят отношения этих коэффициентов. Состояние окружающей среды определяют по величине отклонения найденных значений от эталона [Андреева А.В. и др. Способ оценки экологического состояния окружающей среды. Пат. РФ № 2410670. Опубл. 27.01.2011. Бюл. №3].
В качестве синтетического показателя может быть взято отношение двух величин различной физической природы, но измеренных в относительных единицах. Размерность этого показателя так же составляет относительные единицы. Примером тому является способ оценки азотного питания растений, позволяющий оценить экологическое состояние агроэкосистемы, при котором одновременно измеряют степень пропускания листом оптического излучения, степень флуоресценции хлорофилла под действием этого излучения, находят отношение измеренных величин, по которому судят о содержании азота [Александров М.Т. и др. Способ экспресс - диагностики азотного питания растений. Пат. РФ №2381644. Опубл. 20.02.2010. Бюл. №5].
В качестве синтетического показателя может быть взято отношение двух величин различной физической природы, каждая из которых имеет свои единицы измерения. Примером тому является способ биоиндикации, в соответствии с которым на контрольном и пробном участках одновременно берут образцы произрастающих растений, определяют показатели, характеризующие процессы ассимиляции (количество хлорофилла, мг) и диссимиляции (активность каталазы, оцениваемой по количеству выделившегося кислорода куб.см.), находят отношение этих показателей. Размерность полученного синтетического показателя составляет мг/куб.см. Сравнивая полученные данные, судят о степени антропогенного влияния [Судаков В.Г. и др. Способ оценки экологического состояния агробиоценоза в зоне антропогенного влияния. Пат. РФ № 2314349. Опубл. 10.01.2008. Бюл. №1].
Общим недостатком таких технических решений является необходимость применения специализированного лабораторного оборудования для измерения величин различной физической природы, что усложняет проведение биоиндикации.
Востребованным подходом для экологического мониторинга объектов окружающей среды является использование компьютерной морфо-цветометрии, позволяющей исследовать форму и цвет – важнейшие показатели биологических объектов [Gutiérrez-Gamboa G. et all. 2021. Leaf morpho-colorimetric characterization of different grapevine varieties through changes on plant water status. Horticulturae 7(9) 315]. Морфо-цветометрия позволяет получить целый набор отдельных величин (первичных показателей), из которых возможно комбинирование синтетического показателя, в наибольшей характеризующего влияние экологических условий на биоту.
Наиболее близким к заявляемому способу биоиндикации является способ оценки уровня антропогенной нагрузки по амплитуде реакции показателей листовых пластинок, вычисляемой как отношение соответствующих величин для территорий с низкой и высокой степенью воздействия.
Согласно способу, в предварительных измерениях производят сбор растительного материала на территориях, различающихся по априорно известным уровням действия экологического фактора; измеряют морфо-цветовые параметры листьев, в число которых входят  площадь, сложность формы, интенсивность зеленого, градиенты интенсивности, а так же показатели градиента и асимметрии параметров для половин листа; находят значения амплитуды реакции каждого параметра на антропогенное воздействие; сравнивают найденные значения и выбирают наиболее чувствительный морфо-цветовой параметр, амплитуда реакции у которого на антропогенное воздействие максимальна; в основных измерениях при биоиндикации агроэкосистемы используют найденный параметр [Кулик К. Н., Исаков А. С., Новочадов В. В. Новые возможности анализа листовых пластинок деревьев-биоиндикаторов в оценке состояния окружающей среды в условиях аридной зоны. Известия НВ АУК. 2021. 1 (61). 25-36].
В прототипе для фитоценозов с различным состоянием атмосферного воздуха и почвы, было найдено, что для тополя черного (Populus nigra) наиболее чувствительным (наибольшая амплитуда реакции) оказался показатель асимметрии сложности формы, а для лоха узколистного (Elaeagnus angustifolia) – показатель флуктуирующей асимметриии.
Недостаток известного способа -  возможность его реализации исследована только для древесных растений, используется ограниченный набор морфо-цветовых параметров, не предусмотрен их анализ непосредственно на месте проведения измерений, отсутствует возможность удобного сохранения результатов с привязкой к месту проведения измерений, что особенно важно для агроэкосистем.
Задача, решаемая изобретением - повышение эффективности биоиндикации агроэкосистемы за счет использования в качестве тестовых растений, выращиваемых в агроэкосистеме.
Технический результат – повышение достоверности, точности, эффективности способа, сокращение трудоемкости и времени проведения биоиндикации.
Технический результат достигается тем, что в способе биоиндикации агроэкосистемы свекловичного поля, заключающимся в том, что на оцениваемом участке поля выбирают экземпляры растений свеклы, измеряют первичные морфо-цветовые параметры листьев, оценивают состояние агроэкосистемы на участке, согласно изобретению, морфо-цветовые параметры листьев получают путем фотографирования последних камерой смартфона, в качестве первичных морфо-цветовых параметров принимают площадь и среднее значение серого изображения второго в порядке их появления в розетке листа растений свеклы, вычисляют синтетический показатель как отношение первичных морфо-цветовых параметров, состояние агроэкосистемы на данном участке характеризуют уровнем внесенного азота, определяемого по предварительно найденному калибровочному уравнению, найденное значение вместе с файлами изображения листа и координатами данного участка поля в глобальной навигационной спутниковой системе сохраняют в облачном хранилище данных о биоиндикации агроэкосистемы.
В изобретении используется неизвестный ранее эффект – максимальная по сравнению с другими показателями чувствительность к дозе азотного удобрения для синтетического показателя, равному отношению площади второго листа свеклы к среднему значению серого для пикселей изображения. Этот эффект был обнаружен авторами в результате проведения научных исследований по выращиванию свеклы под различными дозами азотного удобрения и определения морфо-цветовых параметров ее листьев. Использование этого нового эффекта позволило достичь указанного технического результата изобретения. Важно отметить, что без проведения предварительных измерений невозможно обоснованно принять  какой либо морфо-цветовой показатель для биоиндикации, поскольку невозможно предположить, какова его чувствительность на изменение экологического состояния окружающей среды. Такой показатель должен быть выбран по результатам предварительного исследования многих показателей, по критерию его максимальной чувствительности. И уже затем он может быть использован в биоиндикации.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показаны амплитуды реакции на дозу внесенного азота по каждому морфо-цветовому показателю для второго листа свеклы в возрастном состоянии растений 40 дней после всходов; на фиг. 2 – зависимости между дозой внесенного азота N и значением синтетического показателя S=Area/Mean для растений свеклы в возрастных состояниях 20, 40 и 60 дней после всходов, полученные на этапе предварительных измерений.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
На участке свекловичного поля, где необходимо оценить состояние агроэкосистемы по азотному питанию растений, намечают здоровые без повреждений растения, с хорошими фитосанитарными показателями, однородные по внешним признакам, в количестве не менее трех. В специальном приложении для смартфона делают снимок второго листа растения свеклы известного возрастного состояния. Камеру располагают на линии, перпендикулярной плоскости листа. В соответствии с алгоритмом работы приложения, с учетом статистических повторностей, определяют площадь листа Area и среднее значение серого Mean (через R, G, B координаты цвета пикселей изображения листа). Приложение вычисляет значение синтетического показателя S и соответствующую ему дозу внесенного азота по уравнению, найденному ранее в результате исследований морфо-цветовых параметров листьев растений свеклы, данного возрастного состояния и выращенных под различными дозами азота. Полученные результаты (файлы изображений листьев, дозу азота, координаты участка проведения измерений) приложение сохраняет в облачном хранилище данных.
Пример. Весной 2022г. на опытном поле ИАЭП, до посева, внесли  органическое удобрение на делянки в различных дозах, от 0 до 160 кг/га азота. Почва дерново-подзолистая суглинистая окультуренная. Объектом для измерений были растения свеклы сорта  «Двусемянная ТСХА», в различных возрастных состояниях (с интервалом 20 дней после появления всходов). Измерения вели в пятикратной повторности. Предшественник – картофель в шестипольном органическом севообороте. Погодные условия этого времени года: температура чуть выше средней многолетней, осадки – ниже среднего. С учетом производимого полива, в целом условия для развития растений были благоприятные.
Предварительные исследования морфо-цветовых параметров вели в лаборатории. Изображения листьев растений свеклы, выращенных при различной внесенной дозе азота, получали с помощью сканера Benq S2W 5000E. Для определения масштаба изображения в поле снимка одновременно с фотографированием листа помещали черный квадрат известного размера. Обработку файлов изображений вели с помощью программы ImageJ для операционной системы Windows XP.
2
С файла изображения получали морфо-цветовые параметры листьев: площадь (Area, см), периметр (Perim., см), среднее значение серого (Mean, отн.ед.),  стандартное отклонение от среднего значения серого (StdDev, отн.ед.), ширину (Width, см) и высоту (Height, см) ограничивающего прямоугольника, степень близости к окружности (Circ., отн.ед.), большую (Major, см) и малую (Minor, см) оси эквивалентного эллипса, коэффициент формы (AR, отн.ед.), коэффициент округлости (Roundness, отн.ед.), компактность (Solidity, отн.ед.), наибольшее (Feret, см) и наименьшее (MinFeret, см) расстояния между любыми двумя точками вдоль границы листа, координаты R, G и B (отн.ед.) в цветовых каналах. В качестве показателя амплитуды реакции на дозу внесенного удобрения по каждому показателю использовали отношения соответствующих величин для делянок с максимальной дозой и контрольных.
2
Измерения провели для каждого листа растений свеклы в их различных возрастных состояниях. В примере приведены численные данные для возрастного состояния 40 дней после всходов. На фиг. 1 показаны амплитуды реакции на дозу внесенного азота по каждому морфо-цветовому показателю для второго листа растений свеклы в этом возрастном состоянии. Был выбран второй лист, поскольку именно для него наблюдались наибольшие амплитуды реакции. Наиболее чувствительным оказался показатель площади листа Area. Для увеличения амплитуды реакции вычислительными методами рационально использовать синтетический показатель, вычисляемый как отношение измеряемых морфо-цветовых параметров, при этом значение параметра в числителе должно увеличиваться с увеличением дозы азота, а в знаменателе – уменьшаться. Проанализировав амплитуды реакции каждого параметра для каждого листа свеклы, в качестве синтетического показателя приняли удовлетворяющее этому требованию отношение площади листа  Area к среднему значению серого Mean. Производя аппроксимацию связи величины дозы  (N, кг/га)и синтетического показателя (S, см/отн.ед.) для растений с различным возрастным состоянием (Т, дн) нашли калибровочное уравнение
2
N=-20,6*S-0,9*T+17,2*S*T-20,6  (r = 0.97).
Корреляционная связь между величиной переменных S и T дозой внесенного азота N достаточно высока. Полученное калибровочное уравнение позволяет определить внесенную при посеве дозу азота N по величинам  S и T  (фиг. 2).
2
При биоиндикации, в полевых условиях, на конкретном участке свекловичного поля с неизвестным состоянием азотного питания камерой смартфона Xiaomi  M1805D1SG в масштабе делали снимки второго листа у растений свеклы в возрастном состоянии 40 дней после всходов. Одновременно с помощью смартфона фиксировали координаты участка в глобальной навигационной спутниковой системе (59°39′20″ С.Ш. 30°23′4″ В.Д.). По изображению листа с помощью приложения для операционной системы Android получили средние значение параметров Area=17.63 см и Mean=87.20 отн.ед.
2
Значение синтетического коэффициента S=Area/Mean=0.20 см/отн.ед. Тогда в соответствии с найденным ранее калибровочным уравнением при T=40 дн доза внесенного при посеве удобрения азота на данном участке составляет N=-20,6*0.20-0,9*40+17,2*0.20*40-20,6=76,7 кг/га.
Найденную величину внесенного азота вместе с файлом изображения листа и координатами данного участка сохранили в облачном хранилище данных о биоиндикации агроэкосистемы.
Использование в качестве синтетического показателя отношения указанных первичных морфо-цветовых параметров повышает точность получаемых результатов. Характеристика состояние агроэкосистемы по уровню азотного питания повышает достоверность биоиндикации. Использование смартфона обеспечивает возможность определения морфо-цветовых параметров непосредственно на месте проведения исследований, допускает возможность применения различных алгоритмов программы для обработки результатов измерения, сохранения результатов в облачном хранилище данных с привязкой к месту измерения.
Использование способа позволяет помимо повышения эффективности биоиндикации агроэкосистемы, построить карты внесенных доз азота в различных точках поля.