Нилов Н.

КЛАССИЧЕСКИЙ ФИТОМОНИТОРИНГ:
ПОНЯТИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ
Н. Нилов
Лаборатория Физиологии и Фитомониторинга,
Институт Винограда и Вина «Магарач», Республика Крым
CLASSICAL PHYTOMONITORING:
THE MEANING AND WAYS OF DEVELOPMENT
N. Nilov
The laboratory of physiology and phytomonitoring,
Institute of Grape and Vine «Magarach», Republic Krum
Краткий обзор истории развития фитомониторинга. Фитомониторинг
(ФМ, непрерывное долговременное слежение одновременно за несколькими
процессами в целом растении и условиями окружающей среды с помощью
системы
неповреждающих
датчиков)
исторически
возник
как
инструментальный раздел биокибернетики растений. В 50-х годах прошлого
столетия ленинградский ученый В.Г.Карманов начал оригинальный цикл
исследований, посвященный изучению возможностей автоматической
регистрации различных физиологических процессов, протекающих в
интактном растении, и созданию на этой основе автоматичеких систем
управления жизнедеятельностью растений [1]. Для этих целей было
разработано большое количество разнообразных миниатюрных датчиков,
позволяющих получать информацию о функциональном состоянии растений
без их повреждения [2].
Дальнейшее развитие этого направления привело к созданию
методологии фитомониторинга, которую проф. О.О.Лялин, Агрофизический
Институт (АФИ) в 1993 году провозгласил как новую методологию
физиологии растений [3]. Сам термин «фитомониторинг» был предложен в
1987 ведущим научным сотрудником лаб. биокибернетики растений (АФИ)
С.С.Радченко [4]. Не смотря на то, что методология фитомониторинга
оформилась в конце 80-х годов в АФИ, первое научное подразделение,
включившее в свое название термин «фитомониторинг» (лаборатория
физиологии растений и фитомониторинга), было организовано в ин-те
Виноградарства и Виноделия «Магарач» (Крым, Ялта) в 1993 году. К этому
времени в институте уже бы накоплен большой опыт того, что автор
предлагает называть «классическим фитомониторингом» (см. ниже) и
осознана исключительная плодотворность фитомониторного подхода в
виноградарстве [5].
Действительно, в современном виноградарстве, при описании
существенных для виноградаря и винодела процессов, часто используются не
адекватные методы и знаковые средства, как правило, заимствованные из
других областей знаний. В результате возникает разрыв между научным
описанием явления и возможностью использования его в технологиях
возделывания винограда. Так, многие методы оценки функционального
состояния растений часто не могут успешно применяться на практике из-за
повреждения объекта исследования, запаздывания получения информации,
экономических соображений и проч. ФМ позволяет во многих случаях
преодолеть этот разрыв[6].
В настоящее время ФМ, как новая методология физиологии растений,
получил всеобщее признание. Курсы ФМ читаются во многих известных
университетах (Львовский, Санкт-Петербургский, Уральский и др.). Термин
стал общепринятым в научных кругах не только СНГ, но и Австралии,
Голландии, Израиля, США, Чили и др. стран.
Однако, приобретя
популярность, данный термин утратил свой первоначальный смысл. Так,
практически любое наблюдение за растением (вплоть до созерцания) с
применением любой методики оценки его состояния, стали тоже относить к
фитомониторингу.
Тенденции развития фитомониторинга. Необходимо отметить, что
ФМ часто рассматривают и как раздел биокибернетики или биофизики
растений, и как новую методологию физиологии растений, и как
информационную технологию в растениеводстве (6,7,8,9,). По мнению
автора, последнее объясняется тем, что основная тенденция развития ФМ,
берущего свое начало в биокибернетике, ведет через создание новой
методологии физиологии и биофизики растений далее к биосемиотике и
построению принципиально новых информационных технологий в области
сельского хозяйства вообще и виноградарства в частности. Именно
возможность
создания
в
рамках
методологии
ФМ
удобного
информационного канала позволяет развивать новый, более эффективный
тип коммуникаций в системе человек-растение, растение-растение, растениеавтомат и создавать новые информационные технологии в растениеводстве.
Иными словами, ФМ на практике показал свою способность стать
методологической базой построения информационных технологий в
селекции
и
растениеводстве,
своеобразным
«новым
языком
растениеводства». В русле развития основной тенденции ФМ (формирования
новых информационных технологий) мы естественным образом наблюдаем,
совершенствование инструментальной части ФМ (Hardware: датчики,
информационно-измерительные системы, телеметрическая связь и проч.) и
алгоритмической и программной части (Software). Существует, однако,
некоторая область ФМ, где
развитие hardware
уже не является
принципиальным. Образно говоря, в некотором сегменте ФМ появились свои
«циркуль» и «линейка», и хотя их тоже можно усовершенствовать, главное
уже не эти инструменты, а алгоритмы построения. Этот явно
сформировавшийся сегмент ФМ автор и предлагает назвать «классическим
фитомониторингом».
Классический фитомониторинг. Представляется очевидным, что даже
в условиях научного эксперимента практически невозможно подвергнуть
мониторингу все физиологические процессы, протекающие в растении. В
связи с этим при построении информационных технологий возникает
необходимость определения некоторого минимального набора наиболее
информативных
параметров,
которые
могут
достаточно
полно
характеризовать функциональное состояние растений, выступать в качестве
маркеров их функционального статуса. Набор таких базовых
физиологических показателей, поддающихся непрерывной автоматической
регистрации, был предложен в 1987 О.О.Лялиным, С.С.Радченко и В.Г.
Кармановым [4]. Это триада: ксилемный поток, тургор, рост.
Многолетние исследования В.Г. Карманова и его школы привели к
созданию небольшой группы датчиков, позволяющих судить о данных
физиологических показателях. Это датчики микроизменений размеров
различных органов растений (диаметра стебля, ствола, толщины листа и т.д.),
позволяющие судить о росте и тургоре, а так же датчики – индикаторы
водного потока (в черешках листа, стеблях, стволах и т.д.), позволяющие
судить о динамике водного потока в этих органах. Собственно,
неповреждающий, длительный, непрерывный мониторинг за изменением
физиологических параметров растений при помощи этих датчиков и
датчиков температуры различных органов растения (в основном листьев) и
привело к возникновению термина «фитомониторинг».
За прошедшие более 50 лет фитомониторный подход, основанный на
регистрации вышеприведенных параметров параллельно с такими
параметрами среды, как приходящая радиация, скорость ветра, температура и
влажность почвы и воздуха, показал свою эффективность и плодотворность в
различных областях селекции и растениеводства (6, 7, 8, 9, 10). Объясняется
это обстоятельство тем, что указанные 10 параметров достаточно полно
описывают рост, водный режим растений и причины изменения динамики
роста и водного обмена. Рост и водный режим растения при этом выступают
как естественные маркеры его функционального состояния.
В результате многолетних исследований группой фитомониторинга
ИВиВ «Магарач» было установлено, что мониторинг вышеперечисленных 10
базовых параметров является необходимой и в большинстве случаев
достаточной при оперативной коррекции существующих технологий
возделывания винограда. Каждая совокупность регистраций этих параметров
(обычно в течение суток и более) может быть рассмотрена как описание
функционального состояния растения в ценозе или как сигналы о
функциональном состоянии, генерируемые самим растением. Последнее
обстоятельство позволяет включать растения в управление продукционным
процессом по принципу обратной связи. Таким образом, фитомониторинг,
позволяющий отслеживать данные 10 параметров, – это не просто
совокупность случайных датчиков, а глубоко продуманная и хорошо
апробированная система регистрации ограниченного числа параметров в
целях слежения за изменениями функционального состояния растений и
условиями их обитания. В связи с этим фитомониторинг такого типа
предлагается называть классическими.
В заключении продолжим аналогию между выделением КФМ из ФМ и
выделением класса задач на построение в евклидовой геометрии. Напомним,
что со времен античной Греции в геометрии принято ограничиваться только
двумя инструментами: циркулем и односторонней линейкой без делений.
При этом предметом геометрических задач на построение являлись не сами
циркуль и линейка, а то, что мы сейчас назвали бы алгоритмами построения.
Некоторые задачи не могли быть решены при использовании только этих
инструментов (задача о квадратуре круга, например). Но это не вело к
пересмотрению «инструментальной номенклатуры» геометрии. Что дало это
инструментальное ограничение в геометрии? Это отдельная тема. На мой
взгляд, бурное развитие «софта». Из вышесказанного следует, что предметом
КФМ
аналогично
является
посторенние
алгоритмов
оценки
функционального состояния растений и управления продукционным
процессом с использованием своих, исторически выделившихся, «циркуля и
линейки». Например, как при помощи только КФМ построить алгоритм
автоматического управления орошением винограда сорта Мускат Белый, в
результате которого качество его приближалось бы к качеству винограда
этого сорта в Крыму у Красного Камня, лучшего десертного вина в мире.
Список литературы:
1. Карманов В.Г. Приложение автоматики и кибернетики к
растениеводству. ДАН СССР, 1959, том 128, №1.
2. Чудновский А.Ф., Карманов В.Г., Савин В.Н., Рябова Е.П.
Кибернетика в сельском хозяйстве. Изд-во «Колос», Ленинград , 1965, 152 с.
3. Лялин О.О. Транспортные функции корня интактного растения.
Физиология растений. Т 40, Вып. 5. 1993. С. 811-820.
4. Лялин О.О., Радченко С.С., Карманов В.Г. Проблемы
фитомониторинга на современном этапе. Физические методы и средства
получения информации в агромониторинге. Сборник научных трудов. 1987,
Ленинград, 30-35.
5. Нилов Н.Г. Опыт применения методологии фитомониторинга в
виноградарстве.// Биофизика растений и фитомониторинг. Сб.научных
трудов, Ленинград.1990.-c.140-150.
6. Нилов Н.Г. Методические и технологические возможности
использования
фитомонитора
«АМ-Крым-1»
в
виноградарстве.
«Виноградарство I Виноробство», Мiжвiдомчий науковий збiрник № 42, с.1224, ННЦ «IBIB iм В.Е. Таiрова», Одесса 2005
7. Nilov N., Ton Y. 1996. Phytomonitoring and irrigation of vineyards.
Phytomonitoring International Bulletin 2, 3-7.
8. Ермаков Е.И., Мелещенко С.Н., Радченко С.С. Фитомониторинг.
Современные проблемы и перспективы. С-х биология, 2002, №3. С.25 – 35.
9. Ton Y, Nilov N ,Kopyt M Phytomonitoring: the new information
technology for improving crop production. Acta Horticulture 562, 2001.
10. Новак В., Осмоловская Н. Фитомониторинг в физиологии растений:
организация, устройство и возможности. Физиология растений. Т.44, №1,
1997. с.138-145.
Резюме
В статье дается понятие «классического фитомониторинга» (КФМ), как
частного
случая
фитомониторинга,
ограниченного
непрерывным
долговременным слежением за 10 базовыми параметрами: 4 параметрами
растений и 6 параметрами среды: ксилемным потоком, тургором, ростом,
температурой листа, приходящей радиацией, скоростью ветра, температурой
и влажностью почвы и воздуха. Предметом КФМ предложено рассматривать
построение физиологических алгоритмов оценки функционального
состояния растений и алгоритмов управления продукционным процессом.
Высказывается предположение, что основная тенденция развития КФМ ведет
к построению новых информационных технологий в сельском хозяйстве.
Summary
The definition of the classic phytomonitoring (CPM) as a particular issue of
phytomonitoring (PM) restricted by continuous long-term10 basic parameters
monitoring is given: 4 plant related parameters and 6 environmental parameters:
sap flow rate, turgor, grows, leaf temperature, incident radiation, wind speed, soil
temperature, soil moisture, air humidity and air temperature. The physiological
algorithms of evaluation of the functional state of the plants, and productional
process management algorithms considered the target of CPM. The main tendency
of the development of the CPM leads to the creation of the new information
technologies in agriculture.