CC BY
16
РАЗДЕЛ 1. ЭКОЛОГИЯ АГРОСИСТЕМ
Обзорная статья УДК 636.2
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЗОТА - ИНДИКАТОР ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО
ПРЕДПРИЯТИЯ
Эдуард Вадимович Васильев1 [email protected], https://orcid.org/0000-0002-5910-5793 Наталья Павловна Козлова , [email protected], https://orcid.org/0000-0003-0880-44IX
12 „
' Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
Аннотация. Разработка и реализация научно обоснованной стратегии управления азотом с целью минимизации нагрузки на окружающую среду при максимуме экономического и социального эффекта является актуальной задачей для российских условий. Цель исследования - оценить перспективы применения показателя «эффективность использования азота (NUE)» при экологической оценке сельхозпредприятия. В настоящее время не существует единой, стандартной методики расчета NUE. Для применения и оценки результатов расчета балансов питательных веществ требуется различать границы описываемого объекта, учтенные входные и выходные потоки системы, а также временные рамки. В качестве оцениваемой системы может рассматриваться отдельное поле, ферма, технология или элемент технологии, водосбор, регион, страна, планета, а также полностью или частично продовольственная цепочка от производителя до потребителя. По результатам расчётов баланса азота на уровне поля в Ленинградской области значение NUE составило 34%. В одиннадцати муниципальных районах области среднее значение NUE составило 59%. Четыре района с NUE от 1 до 37% были определены как «горячие точки». По результатам расчета баланса на уровне сельскохозяйственного предприятия молочного направления (farm-gate balance) NUE изменялась за 5 лет от 21 до 78% благодаря снижению количества вносимых минеральных удобрений. Выполненный обзор работ по применению метода баланса и показателя «эффективность использования азота» при анализе потоков азота в системах производства продовольствия разного уровня показал перспективность их использования при определении путей снижения негативного воздействия сельхозпроизводства на все среды - воздух, воду и почву, и при мониторинге реализации природоохранных мероприятий. Практическим результатом дальнейших исследований может стать разработка рекомендаций по расчету балансов питательных веществ сельскохозяйственного предприятия и применению их для экологической оценки.
Ключевые слова: сельскохозяйственное производство, эффективность использования азота, азотный баланс, экологическая оценка
Для цитирования. Васильев Э.В., Козлова Н.П. Эффективность использования азота - индикатор экологического воздействия на окружающую среду сельскохозяйственного предприятия // АгроЭкоИнженерия. 2023. №. 2(115). С. 4-23
Review article
Universal Decimal Code УДК 636.2
NITROGEN USE EFFICIENCY AS AN ENVIRONMENTAL IMPACT INDICATOR OF
AN AGRICULTURAL ENTERPRISE
Eduard V. Vasilev1H, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-5910-5793 Natalia P. Kozlova2, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-0880-44IX
I 2
' Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia.
Abstract. An important task in Russian conditions is to develop and put in place a science-based nitrogen management strategy aimed to cut the environmental load with the greatest economic and social effect. The purpose of the study was to estimate the application prospects of the nitrogen use efficiency (NUE) indicator in the environmental assessment of an agricultural enterprise. Currently, there is no single, standard methodology for calculating NUE. To apply and evaluate the results of nutrient balance calculations, the boundaries of the described object, the considered input and output flows in the system, as well as the time frame need to be distinguished. The system being considered can be a single field, farm, technology or technology element, watershed, region, country, and planet, or the whole or part of the food chain from producer to consumer. According to the results of the nitrogen balance calculation, the NUE at the field level for the Leningrad Region was 34%. In eleven municipal districts of the region, the average NUE was 59%. Four districts with NUEs between 1 and 37% were identified as "hot spots". According to the calculation results of the balance at the level of a large-scale dairy farm (farm-gate balance), NUE changed from 21 to 78% over 5 years due to smaller amount of mineral fertilizers applied. The performed review of research associated with the balance method and the nitrogen use efficiency indicator in the analysis of nitrogen flows in food production systems of different levels showed their promise in finding the ways to reduce the negative impact of agricultural production on all environments - air, water and soil, and in monitoring the introduced environmental protection measures. A practical output of further research can be the recommendations for calculation of nutrient balances of the agricultural enterprise and their application for environmental assessment.
Key words: agricultural production, nitrogen use efficiency, nitrogen balance, environmental assessment
For citation: Vasilev E. V., Kozlova N. P. Nitrogen use efficiency as an environmental impact indicator of an agricultural enterprise. AgroEcoEngineering. 2023;2(115): 4-23.(In Russ.)
Введение
Азот (N) необходим для жизни, входит в состав белков и нуклеиновых кислот всех живых существ. Вода и N являются двумя основными ограничивающими факторами в сельском хозяйстве для обеспечения устойчивого производства продуктов питания. N, входящий в состав белков урожая, попадает в корм животных, и, наконец, попадает в тарелки потребителя после путешествия по продовольственной цепочке [1,2]. К сожалению, только часть азота, поступающего на пахотные земли или пастбища в виде минеральных и органических удобрений, и биологической фиксации попадают в организм человека. Остальная часть может быть потеряна по пути и попадает в окружающую среду, вызывая существенные негативные воздействия [3]. В последние десятилетия интенсификация систем земледелия и систем животноводства привела к изменению потоков питательных веществ. Так, применение концентрированных кормов в интенсивном животноводстве привело к увеличению зависимости от ресурсов вне фермы и отделению животноводства от растениеводства [4, 5]. Основным источником поступления в окружающую среду азотосодержащих соединений из животноводства являются системы сбора, хранения и использования навоза. В атмосферу выделяется загрязняющие газы - аммиак (NH3), окись азота NO и парниковый газ - закись азота (N2O). К выбросам, происходящим в растениеводстве, относятся выбросы N2O от обрабатываемых почв.
Проблеме азота, его эффективному использованию и снижению его негативного воздействия на окружающую среду уделяется большое внимание в научном сообществе; действует ряд международных проектов [3]. ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ (далее ИАЭП), является одним из 60 партнеров проекта INMS (Towards the Establishment of an International Nitrogen Management System (INMS) - Создание международной системы управления азотом (https://www.inms.intemational). Результатом проекта должна стать запланированная к выходу в 2023 году книга «Международная оценка азота» (International Nitrogen Assessment), которая обобщит основные выводы проекта по системам управления азотом. В рамках международной азотной инициативы (International Nitrogen Initiative - INI) (https://initrogen.org/), имеющей свои отделения на всех континентах, регулярно, начиная с 2009 года, проводятся международные конференции. ИАЭП принимал участие в конференциях INI в 2021и 2022 годах [6,7].
Проблема снижения негативного воздействия соединений азота на окружающую среду включена в ряд международных договоров и конвенций. Россия представляет ежегодные отчеты по выбросам аммиака в Конвенцию о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния Европейской Экономической комиссии ООН - один из важных международных договоров по контролю загрязнения воздушной среды, ратифицированных Россией (http//www.unece.org). Ежегодный кадастр выбросов парниковых газов Россия представляет в соответствии с требованиями Киотского протокола.
Целевая Группа по химически активному азоту Рабочей группы по стратегиям и обзору Конвенции - Task Force on Reactive Nitrogen (TFRN) (http://www.clrtap-tfrn.org) создана в 2008 году для разработки технической и научной информации и решений для обоснования политики в области снижения загрязнения воздуха азотом в контексте азотного цикла. Документы1234, разработанные в рамках TFRN, на русском языке выложены на сайте ЕЭК ООН.
1Руководящий документ по предотвращению и сокращению выбросов аммиака из сельскохозяйственных источников URL: https://unece.org/DAM/env/documents/2013/air/eb/ECE_EB.AIR_120_RUS.pdf
6
Часть документов, разработанных TFRN, опубликована в виде книг [8,9]. Рекомендации по ограничению выбросов, содержащиеся в документах TFRN, во многом совпадают с требованиями и рекомендациями других международных организаций, например ХЕЛКОМ [10]. В России требования к уровню выбросов загрязняющих и парниковых газов регламентируются российскими нормативными документами -Руководящими документами (РД), наилучшими доступными технологиями (НДТ).
Одним из ключевых при разработке мер по снижению негативного воздействия с/х производства является вопрос выбора и согласования критериев оценки воздействия объектов на окружающую среду. В соответствии с [11] насчитывают до 120 экологические показателей (индикаторов) - описательных (Descriptive indicators - DPSIR) и индикаторов отслеживания (Tracking indicators), которые используются для предоставления информации об экологических проблемах, поддержки разработки политики путем определения ключевых факторов, оказывающих давление на окружающую среду, отслеживания последствий ответных мер политики. Выбираемые для оценки критерии и показатели должны быть доступны [12,13] для понимания и интерпретации, иметь возможности сопоставимости, измерения и формализации.
Данная обзорная статья посвящена широко применяемому в научном сообществе индикатору - эффективности использования азота NUE (nitrogen use efficiency) и способам его определения и применения. Цель исследования - оценить перспективы использования показателя «эффективность использования азота» в качестве индикатора при экологической оценке и определении путей снижения негативного воздействия сельхозпроизводства на окружающую среду.
Материалы и методы
Для оценки результатов трансформации питательных веществ используется различная терминология в зависимости от применяемых моделей для описания процессов и задач. Показатель NUE, описывающий величину преобразования азота N, используемых ресурсов или образующихся отходов относится к группе индикаторов отслеживания по классификации [11].
В качестве оцениваемой системы может рассматриваться отдельное поле, ферма, технология или элемент технологии, водосбор, регион, страна, страны, а также полностью или частично продовольственная цепочка от производителя до потребителя.
Балансы питательных веществ отслеживают массу питательных веществ, добавляемых NBX или удаляемых Nbbix из рассматриваемой системы. Под потерями понимают соотношение количества питательных веществ, в данном случае, азота на входе NBX и на выходе Nbmx рассматриваемого объекта:
Nnom = 2 N вх — Ц N вых, кг N Как экологический показатель используется термин избыток азота, Nto6 (Nsurplus)
2Рамочный кодекс надлежащей сельскохозяйственной практики Европейской экономической комиссии Организации Объединенных Наций по сокращению выбросов аммиака. URL: https://unece.org/DAM/env/documents/2015/AIR/EB/ECE EB.AIR 129 RUSS.pdf 3Руководящий документ по национальным балансам азота URL: https://unece.org/DAM/env/documents/2013/air/eb/ECE_EB.AIR_119_RUS.pdf ^Руководящий документ по комплексному устойчивому управлению азотом URL: https://unece.org/sites/default/files/2021 -08/ECE_EB.AIR_149-2104922R.pdf
Y.N ex - Y, N вых .
N =---—, кг N/га
Площадь слугодт,i
Коэффициент эффективности использования азота NUE обычно определяется в виде дроби как безразмерная величина:
N U Е = ^ , либо в процентах: N U Е = ^ ■ 1 0 0, %.
Nex
Во многих публикациях по исследованию потоков питательных веществ при производстве сельскохозяйственной продукции содержится визуальное представление процессов в виде рисунков и схем. На рис.1 показана концептуальная схема из обзорной статьи, иллюстрирующая движущие силы, материальные потоки и воздействия, возникающие и влияющие на различных уровнях (поле, ферма, водосбор и государство), выполненной в рамках крупного проекта [14].
Рис. 1. Концептуальная схема систем потребления и производства сельскохозяйственной
продукции [14] Fig.1 Conceptual diagram of animal food systems [14]
В настоящее время не существует единой методики расчета NUE. Для применения и оценки опубликованных результатов расчета балансов требуется различать границы описываемого объекта, учтенные входные и выходные потоки системы, а также временные рамки.
Баланс азота на уровне поля
Для расчетов балансов на уровне поля широко применяется методика, разработанная ФАО (Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН) и ОЭСР (Организация Экономического Сотрудничества и Развития) [12,13]. Эта методика рассматривает основные показатели растениеводства, характеристика животноводства, косвенно учитывается в значениях азота в составе навоза и помета, вносимых в почву. Структура баланса, представленная на рис. 2, практически совпадает со структурой баланса российской методики [15].
Рис. 2. Составляющие азотного баланса на поверхности почвы сельхозугодий [9] Fig.2. Components of nitrogen balance on the farmland soil surface [9]
В настоящее время при анализе потоков азота на самых разных уровнях широко применяется предложенное в [16,17] графическое изображение составляющих эффективности использования азота NUE (рис.3).
Рис.3. Схема взаимосвязи составляющих баланса азота на уровне поля сельхозпредприятия,
построенная на основе подходов из [16,17] Fig. 3. Interrelation scheme of nitrogen balance components at the field level of an agricultural
enterprise, designed on approaches from [16, 17]
На схеме в координатах №ход (ось ординат) и №ыход (ось абсцисс), рассматриваются возможные сочетания Nro6 и NUE. На схемах [16] верхнюю границу желаемого NUE принимают равной 90%, для простоты изображения на нашей схеме приняли равной 100%
• Все точки на линии АБ (это диагональ) соответствуют случаю, когда №ход = №ыход, NUE=100%, нет потерь. Все, что влево от этой линии, NUE>100%, Nro6 <0, т.е получили с урожаем больше азота, чем внесли (значит, N взято из почвы, опасность истощения)
• Все точки на линии АВ соответствуют NUE = 50%; считается, что это приемлемый уровень эффективности использования азота
• Отрезок ВГ=БВ - это потери, Nro6 (Surplus)
• Линия ДЕ - по всей линии одинаковое значение Nro6
• Значение АЖ - желаемый, рентабельный урожай (минимальная эффективность)
• Область КБДЛ - диапазон, в котором NUE, урожай, и Nro6 находятся в допустимых пределах.
• Линия АИ - внесенный азот; превышение этой дозы приводит к увеличению риска потерь выше допустимого диапазона
Баланс « вход - в ыход» по азоту, « баланс у ворот хозяйст ва» (farm-gate balance) Для экологической оценки сельхозпредприятия кроме балансов на уровне почвы [12,13] применяется баланс всего предприятия (farm-gate balance) [9]. С целью унификации расчетов международной группой ученых (http://www.eunep.com) разработана Методика (руководящий документ) оценки NUE на уровне фермы [17]. В документе содержатся справочные материалы для использования по умолчанию, в том числе, такие как усредненные значения содержания азота во входных и выходных составляющих балансов. В документе определен перечень входных и выходных потоков farm-gate balance (см таблицу 1), который должен уточняться в зависимости от типа предприятия (растениеводческое, животноводческое, смешанного типа).
Таблица 1. Составляющие входов и выходов баланса N хозяйства (farm-gate balance) Table 1. N-inputs and N-outputs in the farm-gate balance
Азот в составе входных потоков Азот в составе выходных потоков
Минерал ъ н ыг е удо брения Продукт ыг растениевод ства, проданн ыге
Покупныге корма Животн ыге, проданн ыге
Покупныге животн ыге р к ж н , р нн е (молоко, мясо, яйцо, шерст ъ)
Покупная подстилка (солома, опилки) Навоз, помет, проданн ыгй
Семена покупн ыге
Покупн ыг е органические уд о брения
Биологическая фиксация азота
Атмосферное осаждение
Nroô и NUE зависят от специализации хозяйства и климатических условий (см. таблицу 2). Поэтому целевые уровни Nro6 и NUE должны рассматриваться и оцениваться в региональном контексте.
Таблица 2. Диапазон изменения значений Nro6 и NUE по данным TFRN [9] Table 2. Variation range of N surplus and NUE values according to TFRN [9]
Показатель Тип сельскохозяйственного предприятия
Растениевод ческие Животноводческие Смешанного типа
Нет экспорта навоза Весь навоз экспортируется
NUE 0,6 - 1,0 0,4 - 0,6 0,8 - 0,95 0,5 - 0,6
0 - 50 кг N/га 0 - 1000 кг N/га 0 - 200 кг N/га
Результаты и обсуждение
Расчет баланса питательных веществ на уровне страны, региона или отдельного предприятия используется как инструмент для оценки эффективности использования питательных веществ и, соответственно, нагрузки на окружающую среду.
Результаты расчетов балансов азота (№х, №ых, Nro6) для ведущих развитых стран по методике [12] в виде таблиц Exœl ежегодно размещаются в открытом доступе на сайте ОЭСР в базе данных агроэкологических показателей сельского хозяйства. На рисунке 4 представлены построенные по этим данным графики изменения составляющих входа и выхода балансов, №зб и NUE за 1990 - 2019 годы для Российской Федерации. На графики Nизб и NUE для сравнения дополнительно нанесены значения этих показателей для стран ЕС и Финляндии.
a) a) 11
б) Ь)
100
и
я
я год
м
-Баланс на гектар Российская Федерация
-Баланс на гектар ЕС
— Баланс на гектар Финляндия
в) с)
г) d)
Рис. 4 Агроэкологические показатели сельскохозяйственного сектора Российской Федерации, по данным базы агроэкологических показателей ОЭСР5 а) составляющие входа баланса по азоту; б) составляющие выхода по азоту; в) баланс (избыток азота), кг^га; г) сффективность использования азота, NUE Fig. 4. Agroecological indicators of the agricultural sector of the Russian Federation from the related OECD database: a) N-inputs; b) N-outputs; c) N surplus, kgN/ha; d) NUE
Как видно из графиков, динамика всех показателей составляющих баланса соответствует изменениям в экономике страны за эти годы. Значения составляющих входа баланса (азот минеральных удобрений, азот вносимого на поля навоза и помета) резко уменьшились с начала 1990 года с постепенным ростом в последние годы. Значения составляющих выхода - производство кормовых культур находилось примерно на одном уровне, а производство зерновых изменялось с изменением климатических условий. Значение избытка азота, менее 10 кг^га, в целом в среднем по стране ниже в сравнении с данными ЕС и Финляндии и ниже рекомендуемых пределов 80 кг^га [10]. Значение NUE до 0,8 в среднем по стране выше, чем в европейских странах; что свидетельствует об опасности истощения почвы. Такой вывод совпадает с результатами расчета балансов [18] по российской методике [15]. При рассмотрении этих результатов следует учесть, что приведенные данные относятся ко всей стране; для принятия конкретных решений по управлению потоками питательных веществ необходимо провести аналогичный анализ на региональном уровне.
В ряде европейских стран и в Японии ведутся работы по созданию национальных бюджетов азота в соответствии с подходами документа TFRN для всех отраслей экономики страны, в том числе и сельскохозяйственного сектора. Результаты анализа потоков азота на национальном уровне позволили ученым Германии [19] сформулировать глобальную цель экологической политики страны - до 2030 года на треть снизить потери азота.
5 OECD.Stat. URL: https://stats.oecd.org/
Наибольшее количество исследований по оценке потоков питательных веществ и азота в нашей стране относится к системам растениеводства [20,21]. На практике в агрономии метод баланса питательных веществ, внесенных в почву и полученных с урожаем, применяется для расчета доз внесения удобрений для получения желаемого урожая. В работе Кудеярова В.Н. [18] проанализирован баланс питательных элементов (азота, фосфора и калия) в земледелии России за 25-летний период (1992-2016 гг.). Баланс рассчитан на основании данных валовых урожаев сельскохозяйственных культур, выноса ими из почв питательных веществ и внесенных количеств минеральных и органических удобрений. В расчет принимали основную и побочную продукцию сельскохозяйственных культур и пожнивные остатки. Расчеты выполнены в соответствии с методикой [15]. За 25-летний период в земледелии России вынос азота, фосфора и калия с урожаем сельскохозяйственных культур превысил внесение этих элементов со всеми видами удобрений в 3 раза, что свидетельствует о том, что в сельскохозяйственном производстве в значительной степени не реализуется почвенно-климатический потенциал.
Апробация метода применения NUE для почвенно-климатических условий России представлена в [22]. На основе баз данных длительных и краткосрочных опытов с удобрениями автором проведено исследование эффективности использования азота (NUE) озимой пшеницей. Предложенная система индикаторов азотного питания растений и ее графическая форма представления позволила одновременно оценить способ ведения сельскохозяйственного производства по трем важным параметрам: эффективности использования азота, величине урожайности и влиянию на окружающую среду. Показано, что неблагоприятные последствия могут быть вызваны как слишком низкими, так и слишком высокими дозами внесения азота.
Агрогеохимические подходы при определении необходимых направлений исследований по эффективности использования азота представлены в [23]. Показано, что массовое использование промышленных азотных удобрений удвоило потоки N в его глобальном биогеохимическом цикле. Показано, что необходимо снизить потери азота при выращивании сельскохозяйственных культур, обеспечивая при этом его достаточные ресурсы для продовольственной безопасности. Рассмотрены современные достижения и проблемы, связанные с эффективностью использования азота в сельском хозяйстве и определением возможностей исследований в области агрогеохимии азота, его почвенного цикла и агрономии для достижения устойчивого использования N в сельском хозяйстве. В [24] рассмотрены биологические приемы повышения эффективности использования азота, которые могут рассматриваться как улучшенные методы ведения сельского хозяйства, которые синхронизируют потребность в азоте сельскохозяйственных культур с доступностью его в почве. Селекция сельскохозяйственных культур, нацеленная на физиологические процессы в корнях и побегах, вероятно, увеличит поглощение азота и использование его почвенных форм, в то время как селекция, направленная на увеличение эффективности биологической фиксации азота бобовыми культурами, повысит общую эффективность системы.
В [25] рассмотрены плюсы и минусы различных методов определения NUE в исследованиях по растениеводству. Авторы считают, что будущие индикаторы NUE должны учитывать более широкий диапазон форм азота почвы, реакцию на состояние N почвы, соответствие доступного азота и потребности растений в азоте. Исследователи должны
стремиться сочетать агрономические показатели с показателями функционирования экосистем [14] .
NUE как индикатор широко применяется в различных задачах на самых разных уровнях с целью оценить или определить способы его улучшения. В [26] предлагается при анализе эффективности использования азота оценивать 5 систем управления азотом: система Почва-Растение, система Животноводство, система Животноводство-Растениеводство, Агро-Продовольственная система и Экосистема. Отмечается, что приоритеты улучшения управления азотом различаются между странами; например, повышение эффективности системы земледелия в Китае, корректировка структуры сельскохозяйственных культур в Нидерландах, сокращение потерь продовольствия в США, а также снижение потерь при хранении сельскохозяйственных культур и увеличение общего производственного потенциала в африканских странах.
Больше всего публикаций по NUE связано исследованиями в растениеводстве. Так [27,28] посвящены расчету азотного баланса на глобальном и национальном уровне для растениеводства. В [29, 30] рассмотрены различные типы ферм и обосновываются меры для улучшения сельскохозяйственного производства в Европейских странах. В [31] рассматривается азотный бюджет и эффективность использования азота в районе водосбора озера Виктория. Исследования, ведущиеся в Индии и Китае по улучшению NUE и Nизб при производстве зерна [32] показывают, что NUE может быть увеличен за счет совершенствования технологий и за счет снижения нормы азота в удобрениях без значительного снижения урожайности сельскохозяйственных культур, что позволяет дать рекомендации правительствам для разработки соответствующей политики.
Обзор литературы показывает, что большинство работ проводятся на уровне научных исследований. Реализация предложений осложняется трудностями получения исходных данных для расчёта балансов, существенной погрешностью результатов. Так, в [9] отмечается, что балансы «вход - выход» по азоту используются в научных исследованиях в течение уже более 100 лет; однако опыта использования балансов «вход - выход» по азоту как инструмента снижения выбросов NH3 накоплено существенно меньше. Составление балансов «вход - выход» по азоту на уровне хозяйства требует знаний бухгалтерского учета в целом и знаний по поступлению азота и его выходу с продукцией. Имеющийся опыт показывает, что эти балансы хорошо понятны фермерам, и поэтому могут свободно использоваться при обмене информацией и для сравнения разных предприятий и их показателей. Это особенно важно, потому что улучшение баланса N позволяет фермерам сократить затраты на закупку минеральных удобрений. В ряде европейских стран (Германия, Дания, Швейцария) предусмотрена отчетность фермеров по балансам питательных веществ.
В последние годы российские исследователи стали проявлять интерес к использованию NUE в качестве экологического индикатора в растениеводстве [23, 22, 24]. Результаты апробации в ИАЭП методов расчета азотного баланса всего предприятия, farmgate balance в животноводстве, показали целесообразность применения показателя эффективности использования питательных веществ как обобщающего при сравнительной оценке технологий. Динамика изменения этого показателя в комплексе с другими агроэкологическими показателями может использоваться для оценки результативности внедрения на предприятии НДТ. Расчеты балансов на уровне поля отдельных хозяйств, административных районов и всей Ленинградской области [33] применили в ИАЭП для обоснования централизованной системы управления обращением с навозом животных и
птицы. Значения NUE по результатам расчётов баланса на уровне поля по Ленинградской области составило 34%. В одиннадцати муниципальных районах средние значение NUE составило 59%. Четыре района были определены как «горячие точки» - с NUE от 1 до 37%. NUE по результатам расчета «farm-gate balance» молочного предприятия изменялась от 21 до 78% из-за изменения количества вносимых минеральных удобрений. В [7] показатель «эффективность использования азота», как индикатор потенциала снижения потерь и выбросов в окружающую среду определялся для всех производственных секторов молочных ферм. Полученные результаты анализа балансов азота сельхозпредприятия предназначены для мониторинга, оценки и управления экологическими показателями животноводства на разных уровнях.
Выводы
Проведенный обзор работ по применению метода баланса и показателя «эффективность использования азота» при анализе потоков азота в системах производства продовольствия разного уровня показал перспективность их использования при определении путей снижения негативного воздействия сельхозпроизводства на все среды - воздух, воду и почву, и при мониторинге реализации природоохранных мер.
В условиях России использование показателей баланса азота для экологической оценки на уровне хозяйства является актуальным для сельхозпроизводителей в условиях ужесточения природоохранного законодательства и внедрения системы НДТ. Согласно результатам исследования, для комплексной экологической оценки сельхозпредприятия, более четкого понимания негативного воздействий на почву, требуется анализ «баланса у ворот хозяйства, farm-gate N balance» и баланса азота на уровне поля. При этом необходимо оценивать, как значение NUE, так и Nизб.
Направлением дальнейших междисциплинарных исследований должно стать применение комплексного подхода при обосновании мер повышения эффективности использования питательных веществ, совершенствования технологий, организационной структуры системы управления азотом всей продовольственной цепочки.
Практическим результатом работ на первом этапе может стать разработка рекомендаций по расчету балансов питательных веществ сельскохозяйственного предприятия и применению их для экологической оценки.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Westhoek H., Lesschen J.P., Leip A., Rood T., Wagner S., De Marco A., Murphy-Bokern D., Palliere C., Howard C.M. Nitrogen on the Table: The influence of food choices on nitrogen emissions and the European environment. (European Nitrogen Assessment special report on nitrogen and food). Edinburgh: Centre for Ecology and Hydrology; 2015. 69 p. URL: https://edepot.wur.nl/368693
2. Galloway J. N., Leach A. M., Bleeker A., Erisman J. W. A chronology of human understanding of the nitrogen cycle // Phil. Trans. Royal Soc. B. 2013. Vol. 368(1621). Art. 20130120. https://doi.org/10.1098/rstb.2013.0120
3.Sutton M.A., Howard C.M., Erisman J.W., Billen G., Bleeker A., Grennfelt P., van Grinsven H., Grizetti B. The European Nitrogen Assessment: Sources, Effects and Policy Perspectives. Cambridge, UK: Cambridge University Press; 2011. 664 p. URL: http://www.nine-esf.org/node/360/ENA-Book.html
4. Naylor R., Steinfeld H., Falcon W., Galloway J. et al. Losing the links between livestock and land // Science. 2005. Vol. 310(5754). P. 1621-1622. https://doi.org/10.1126/science.1117856
5. Garrett R. D., Ryschawy J., Bell L. W., et al. Drivers of decoupling and recoupling of crop and livestock systems at farm and territorial scales // Ecology&Society. 2020. Vol. 25(1). Art. 24. https://doi.org/10.5751/ES-11412-250124
6. Брюханов А.Ю., Козлова Н.П., Васильев Э.В., ШалавинаЕ.В. Азот и цели устойчивого развития сельского хозяйства // АгроЭкоИнженерия. 2022. №2(111). C. 3-13. https://doi.org/10.24412/2713-2641-2022-2111-3-13
7. Briukhanov A., Vasilev E., Kozlova N., Shalavina E. Integrated approach to estimation of nitrogen use efficiency in intensive dairy husbandry at farm level in the North-West Russia. In: Lassaletta Coto L., Sanz-Cobena A., Pinsard C., Garde S. (Eds.) Proceedings of the XXI International Nitrogen Workshop Halving nitrogen waste by 2030 (24-28 October 2022, Madrid, Spain). 2022. P. 318. (In Eng.) URL: https://nworkshop.org/wp-content/uploads/2022/10/Abstract_Book_XXI_N_workshop_v221023.pdf
8. Sutton M. A., Howard C. M., Maso, K. E., et al. (Eds.) Nitrogen Opportunities for Agriculture, Food & Environment. UNECE Guidance Document on Integrated Sustainable Nitrogen Management. Edinburgh, UK: UK Centre for Ecology & Hydrology; 2022. URL: https://unece.org/sites/default/files/2022-11/UNECE NitroQpps%20red.pdf
9. Сокращение выбросов аммиака: меры и действия. Рекомендации Целевой группы по химически активному азоту ЕЭК ООН (под ред. Bittman S., Dedina M., Howard C.M., Oenema O., Sutton M.A.) Эдинбург, Великобритания: Центр экологии и гидрологии. 2014. 116 с. URL: https://www.clrtap-tfrn.org/sites/clrtap-tfrn.org/files/documents/AGD%20-%20russian.pdf
10. HELCOM Recommendation 28E/4. Annex III "Criteria and Measures Concerning the Prevention of Pollution from Land-Based Sources" to Convention on the Protection of the Marine Environment of the Baltic Sea Area, 1992. URL: https://helcom.fi/about-us/conventi on/annexes-to-the-convention-2/annex-iii/ (accessed 21.03.2023).
11. Smeets E., Weterings R. Environmental indicators: typology and overview. Technical report No 25. The Netherlands: TNO Centre for Strategy, Technology and Policy; 1999. 19 p. URL: https://www.eea.europa.eu/publications/TEC25
12. Gross nitrogen balances. Handbook. OECD and EUROSTAT. 2007. 24 p. URL: https://stats.oecd.org/wbos/fileview2.aspx?IDFile=fc286b6c-c339-48e6-8620-a4c28f3a1c25
13 Nutrients Budgets - Methodology and Handbook. Version 1.02. Luxembourg: Eurostat and OECD. 2013. 112 p. URL:
https://ec.europa.eu/eurostat/documents/2393397/2518760/Nutrient Budgets Handbook %28CPS A AE 109%29 corrected3.pdf/4a3647de-da73-4d23-b94b-e2b23844dc31
14. Sharara M., Kolesch R. K., Cortus E. L., Larson R. A., Classen J.J., Janni K.A. Аddressing nutrient imbalances in animal agriculture systems // Journal of the ASABE; 2022. Vol. 65(2). P. 235-249, https://doi.org/10.13031/ja.14661
15. Сычев В.Г. др. Методические указания по определению баланса питательных веществ азота, фосфора, калия, гумуса, кальция. М. : ЦИНАО, 2000. 40 с.
16. Oenema O., Brentrup F., Lammel J., Bascou P., Billen G., Dobermann A., Erisman J.W., Garnett T., Hammel M., Haniotis T. et al. Nitrogen Use Efficiency (NUE) - An Indicator for the Utilization of Nitrogen in Agriculture and Food Systems. EU Nitrogen Expert Panel. Wageningen, The Netherlands: Wageningen University. 2015. 47 p.
17. Oenema O., Brentrup F., Lammel J., Bascou P., Billen G., Dobermann A., Erisman J.W., Garnett T., Hammel M., Haniotis T. et al. Nitrogen Use Efficiency (NUE) - Guidance Document for Assessing NUE at Farm Level. EU Nitrogen Expert Panel. Wageningen, The Netherlands: Wageningen University. 2016. 49 p.
18. Кудеяров В.Н. Баланс азота, фосфора и калия в земледелии России // Агрохимия. 2018. № 10. С. 3-11. https://doi.org/10.1134/S0002188118100101
19. Geupel M., Heldstab J., Schappi B., Reutimann J., Bach M., HauBermann U., Knoll L., Klement L., Breuer L. A National Nitrogen Target for Germany // Sustainability. 2021. Vol.13, Art.1121. https://doi.org/10.3390/su13031121
20. Завалин А.А., Соколов О.А. Потоки азота в агроэкосистеме: от идей Д.Н. Прянишникова до наших дней. М.: ВНИИА, 2016. 596 с.
21. Lukin S.M. Nitrogen loss when using organic and mineral fertilizers on soddy podzolic sandy-loam soil in Central Russia. In: Sutton M.A. et al. (eds.) Just Enough Nitrogen. Springer Cham. 2020: 173-185. https://doi.org/10.1007/978-3-030-58065-0 12
22. Романенков В. А., Беличенко М. В., Рухович О. В., Никитина Л. В., Иванова О. И. Эффективность использования азота в длительных и краткосрочных опытах агрохимслужбы и геосети Российской Федерации // Агрохимия. 2020. № 12. С. 28-37. https://doi.org/10.31857/S0002188120120091
23. Башкин В. Н. Повышение эффективности использования азота: проблемы и пути решения. Сообщение 1. Агрогеохимические подходы // Агрохимия. 2022. № 7. С. 82-96. https://doi.org/10.31857/S0002188122070031
24. Башкин В.Н., Галиулина Р.А. Повышение эффективности использования азота: проблемы и пути решения. Сообщение 2. Биологические подходы // Агрохимия. 2022. № 10. С. 84-96, https://doi.org/10.31857/S0002188122090034
25. Congreves K.A., Otchere O., Ferland D., Farzadfar S., Williams S., Arcand M.M. Nitrogen use efficiency definitions of today and tomorrow // Front. Plant Sci. 2021. Vol. 12. Art. 637108. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.637108
26. Li T., Zhang X., Zhong Y., Davidson E. A., Dou Z., Zhang W. et al. A hierarchical framework for unpacking the nitrogen challenge // Earth's Future. 2022. Vol. 10. Art. e2022EF002870. https://doi. org/10.1029/2022EF002870
27. Xin Zhang, Zhi Quan, Tan Zou, Tingyu Li, Lassaletta L., Davidson E. A. Nitrogen use efficiency in cropping systems and beyond. In: Lassaletta L., Sanz-Cobeña A., Pinsard C., Garde S. (Eds.) Halving nitrogen waste by 2030. Proceedings of the XXI International Nitrogen Workshop (24-28 October 2022, Madrid). Madrid, Spain: School of Agricultural, Food and Biosystems Engineering - Universidad Politécnica de Madrid. 2022 P. 112
28. Zhan X., Zou T., Lassaletta L. et al. Quantification of global and national nitrogen budgets for crop production // Nature Food, 2021. Vol. 2(7). P. 529-540. https://doi .org/10.1038/s43016-021 -00318-5
29. Quemada M., Lassaletta L., Jensen L.S. et al. Exploring nitrogen indicators of farm performance among farm types across several European case studies // Agric. Syst. 2020. Vol. 177. Art. 102689. https://doi.org/10.1016/j.agsy.2019.102689
30. Hutchings N.J., Soerensen P., Cordovil C. M.d.S., Leip A., Amon B. Measures to increase the nitrogen use efficiency of European agricultural production // Global Food Security. 2020. Vol. 26. Art. 100381 https://doi.org/10.1016/j.gfs.2020.100381
31. Ntinyari W., Gweyi-Onyango J., Giweta M., Mutegi J., Mochoge B., Nziguheba G., Masso C. Nitrogen budgets and nitrogen use efficiency as agricultural performance indicators in Lake Victoria basin // Frontiers in Sustainable Food Systems Sec. Agroecology and Ecosystem Services 2022. Vol. 6. https://doi.org/10.3389/fsufs.2022.1023579
32. Sapkota T. B., Bijay-Singh, Takele R. Improving nitrogen use efficiency and reducing nitrogen surplus through best fertilizer nitrogen management in cereal production: The case of India and China // Advances in Agronomy. 2023. Vol. 178 P. 233294 https://doi.org/10.1016/bs.agron.2022.11.006
33. Briukhanov A., Vasilev E., Kozlova N., Shalavina E. Assessment of nitrogen flows at farm and regional level when developing the manure management system for large-scale livestock enterprises in North-West Russia // Sustainability. 2021. Vol. 13(12). Art. 6614 https://doi.org/10.3390/su13126614
REFERENCES
1. Westhoek H., Lesschen J.P., Leip A., Rood T., Wagner S., De Marco A., Murphy-Bokern D., Palliere C., Howard C.M. Nitrogen on the Table: The influence of food choices on nitrogen emissions and the European environment. (European Nitrogen Assessment special report on nitrogen and food). Edinburgh: Centre for Ecology and Hydrology. 2015. 69 p. URL: https://edepot.wur.nl/368693
2. Galloway J. N., Leach A. M., Bleeker A., Erisman J. W. A chronology of human understanding of the nitrogen cycle. Phil. Trans. Royal Soc. B, 2013; 368(1621). Art. 20130120. DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2013.0120
3.Sutton M.A., Howard C.M., Erisman J.W., Billen G., Bleeker A., Grennfelt P., van Grinsven H., Grizetti B. The European Nitrogen Assessment: Sources, Effects and Policy Perspectives. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2011. 664 p. URL: http://www.nine-esf.org/node/360/ENA-Book.html
4. Naylor R., Steinfeld H., Falcon W., Galloway J. et al. Losing the links between livestock and land. Science. 2005; 310(5754): 1621-1622. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1117856
5. Garrett R. D., Ryschawy J., Bell L. W., et al. Drivers of decoupling and recoupling of crop and livestock systems at farm and territorial scales. Ecology&Society. 2020; 25(1). Art. 24. https://doi.org/10.5751/ES-11412-250124
6 Briukhanov A. Yu., Vasilev E.V., Kozlova N.P., Shalavina E.V. Nitrogen and sustainable development goals for agriculture. AgroEkoInzheneriya = AgroEcoEngineering. 2022; 2(111): 3-13 (In Russ.) https://doi.org/10.24412/2713-2641-2022-2111-3-13
7. Briukhanov A., Vasilev E., Kozlova N., Shalavina E. Integrated approach to estimation of nitrogen use efficiency in intensive dairy husbandry at farm level in the North-West Russia. In: Lassaletta Coto L., Sanz-Cobena A., Pinsard C., Garde S. (Eds.) Proc. XXI Int. Nitrogen Workshop Halving nitrogen waste by 2030 (24-28 October 2022, Madrid, Spain). 2022: 318. (In Eng.) URL: https://nworkshop.org/wp-
content/uploads/2022/10/Abstract_Book_XXI_N_workshop_v221023.pdf
8. Oenema O., Winiwarter W., Bittman S., Durand P., Kevin Hicks W., Kozlova N., Medinets S., Vasilev E., Sutton M. A. Chapter III: Principles of integrated sustainable nitrogen management. In: Sutton M. A., Howard C. M., Maso, K. E., et al. (Eds.) Nitrogen Opportunities for Agriculture, Food & Environment. UNECE Guidance Document on Integrated Sustainable
Nitrogen Management. Edinburgh, UK: UK Centre for Ecology & Hydrology. 2022: 43-55. URL: https://unece.org/sites/default/files/2022-11/UNECE Nitro0pps%20red.pdf
9 Bittman S.. Dedina M., Howard C.M., Oenema O., Sutton M.A. (Eds.) Options for Ammonia Mitigation: Guidance from the UNECE Task Force on Reactive Nitrogen; Edinburgh, UK: UK Centre for Ecology & Hydrology, 2014; 82 p. URL: https://www.clrtap-tfrn.org/sites/clrtap-tfrn.org/files/documents/AGD%20-%20russian.pdf
10. HELCOM Recommendation 28E/4. Annex III "Criteria and Measures Concerning the Prevention of Pollution from Land-Based Sources" to Convention on the Protection of the Marine Environment of the Baltic Sea Area, 1992. URL: https://helcom.fi/about-us/conventi on/annexes-to-the-convention-2/annex-iii/ (accessed 21.03.2023).
11. Smeets E., Weterings R. Environmental indicators: typology and overview. Technical report No 25. The Netherlands: TNO Centre for Strategy, Technology and Policy.1999. 19 p. URL: https://www.eea.europa.eu/publications/TEC25
12. Gross nitrogen balances. Handbook. OECD and EUROSTAT. 2007. 24 p. URL: https://stats.oecd.org/wbos/fileview2.aspx?IDFile=fc286b6c-c339-48e6-8620-a4c28f3a1c25
13. Nutrients Budgets - Methodology and Handbook. Version 1.02. Luxembourg: Eurostat and OECD. 2013. 112 p. URL:
https://ec.europa.eu/eurostat/documents/2393397/2518760/Nutrient_Budgets_Handbook_%28CP S A_AE_109%29_corrected3.pdf/4a3647de-da73-4d23-b94b-e2b23844dc31
14. Sharara M., Kolesch R. K., Cortus E. L., Larson R. A., Classen J. J., Janni K.A. Addressing nutrient imbalances in animal agriculture systems. Journal of the ASABE. 2022; 65(2): 235-249. https://doi.org/10.13031/ja.14661
15 Sychev V.G. et al. Guidelines for determining the balance of nutrients such as nitrogen, phosphorus, potassium, humus, calcium]. Moscow : TsINAO Publ., 2000. 40 p. (In Russ.)
16. Oenema O., Brentrup F., Lammel J., Bascou P., Billen G., Dobermann A., Erisman J.W., Garnett T., Hammel M., Haniotis T. et al. Nitrogen Use Efficiency (NUE) - An Indicator for the Utilization of Nitrogen in Agriculture and Food Systems. EU Nitrogen Expert Panel. Wageningen, The Netherlands: Wageningen University. 2015. 47 p.
17. Oenema O., Brentrup F., Lammel J., Bascou P., Billen G., Dobermann A., Erisman J.W., Garnett T., Hammel M., Haniotis T. et al. Nitrogen Use Efficiency (NUE) - Guidance Document for Assessing NUE at Farm Level. EU Nitrogen Expert Panel. Wageningen, The Netherlands: Wageningen University. 2016. 49 p.
18. Kudeyarov V.N. The balance of nitrogen, phosphorus and potassium in agriculture of Russia. Agrokhimiya. 2018; 10: 3-11. (In Russ.) DOI: https://doi.org/10.1134/S0002188118100101
19. Geupel M., Heldstab J., Schäppi B., Reutimann J., Bach M., Häußermann U., Knoll L., Klement L., Breuer L. A National Nitrogen Target for Germany. Sustainability. 2021;13, Art.1121. https://doi.org/10.3390/su13031121
20. Zavalin A.A., Sokolov O.A. Nitrogen fluxes in the agroecosystem: from the ideas of D.N. Pryanishnikov to the present day. Moscow: VNIIA, 2016. 596 p. (In Russ.)
21. Lukin S.M. Nitrogen loss when using organic and mineral fertilizers on soddy podzolic sandy-loam soil in Central Russia. In: Sutton M.A. et al. (eds.) Just Enough Nitrogen. Springer Cham. 2020: 173-185. (In Eng.) https://doi.org/10.1007/978-3-030-58065-0 12
22. Romanenkov V. A., Belichenko M. V., Rukhovich O. V., Nikitina L. V., Ivanova O. I. Nitrogen use efficiency in long-term and short-term experiments in the Russian Federation.
Agrokhimiya =Agrochemistry. 2020;12: 28-37 (In Russ.) https://doi.org/10.31857/S0002188120120091
23. Bashkin V. N. Improving the efficiency of nitrogen use: problems and solutions. Part 1. Agrogeochemical approaches. Agrokhimiya. 2022; 7: 82-96 (In Russ.) https://doi.org/10.31857/S0002188122070031
24. Bashkin V.N., Galiulina R.A. Improving the efficiency of nitrogen use: problems and solutions. Part 2. Biological approaches. Agrokhimiya. 2022; 10: 84-96 (In Russ.) https://doi.org/10.31857/S0002188122090034
25. Congreves K.A., Otchere O., Ferland D., Farzadfar S., Williams S., Arcand MM. Nitrogen use efficiency definitions of today and tomorrow. Front. Plant Sci. 2021; 12. Art. 637108. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.637108
26. Li T., Zhang X., Zhong Y., Davidson E. A., Dou Z., Zhang W. et al. A hierarchical framework for unpacking the nitrogen challenge. Earth's Future. 2022; 10. Art. e2022EF002870. https://doi. org/10.1029/2022EF002870
27. Xin Zhang, Zhi Quan, Tan Zou, Tingyu Li, Lassaletta L., Davidson E. A. Nitrogen use efficiency in cropping systems and beyond. In: Lassaletta L., Sanz-Cobeña A., Pinsard C., Garde S. (Eds.) Halving nitrogen waste by 2030. Proceedings of the XXI International Nitrogen Workshop (24-28 October 2022, Madrid). Madrid, Spain: School of Agricultural, Food and Biosystems Engineering - Universidad Politécnica de Madrid. 2022: 112.
28. Zhan X., Zou T., Lassaletta L. et al. Quantification of global and national nitrogen budgets for crop production. Nature Food, 2021; 2(7): 529-540. https://doi.org/10.1038/s43016-021-00318-5
29. Quemada M, Lassaletta L., Jensen L.S. et al. Exploring nitrogen indicators of farm performance among farm types across several European case studies. Agric. Syst. 2020; 177. Art. 102689. https://doi .org/10.1016/j.agsy.2019.102689
30. Hutchings N.J., Soerensen P., Cordovil C. M.d.S., Leip A., Amon B. Measures to increase the nitrogen use efficiency of European agricultural production. Global Food Security. 2020; 26. Art. 100381. https://doi.org/10.1016Zj.gfs.2020.100381
31. Ntinyari W., Gweyi-Onyango J., Giweta M., Mutegi J., Mochoge B., Nziguheba G., Masso C. Nitrogen budgets and nitrogen use efficiency as agricultural performance indicators in Lake Victoria basin. Frontiers in Sustainable Food Systems Sec. Agroecology and Ecosystem Services. 2022; 6. https://doi.org/10.3389/fsufs.2022.1023579
32. Sapkota T. B., Bijay-Singh, Takele R. Improving nitrogen use efficiency and reducing nitrogen surplus through best fertilizer nitrogen management in cereal production: The case of India and China. Advances in Agronomy. 2023; 178: 233-294 https://doi.org/10.1016/bs.agron.2022.11.006
33. Briukhanov A., Vasilev E., Kozlova N., Shalavina E. Assessment of nitrogen flows at farm and regional level when developing the manure management system for large-scale livestock enterprises in North-West Russia. Sustainability. 2021; 13(12). Art. 6614. https://doi.org/10.3390/su13126614
Об авторах
About the authors
Васильев Эдуард Вадимович
канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник отдела анализа и прогнозирования экологической устойчивости агроэкосистем Института агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиала ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, 196634 Россия, Санкт-Петербург, пос. Тярлево, Фильтровское ш. 3
https://orcid.org/0000-0002-5910-5793
Eduard V. Vasilev, Cand. Sc. (Engineering), leading researcher, Department of Analysis and Forecasting of Environmental Sustainability of Agroecosystems, Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of Federal Scientific Agroengineering Center VIM, 196634 Filtrovskoje Shosse, 3, Tiarlevo, Saint Petersburg, Russia
https://orcid.org/0000-0002-5910-5793
Козлова Наталия Павловна
канд. техн. наук; Института агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиала ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, 196634 Россия, Санкт-Петербург, пос. Тярлево, Фильтровское ш. 3
ОКСГО: 0000-0003 -0880-441Х
Заявленный вклад авторов
Э.В. Васильев - концептуализация, методология, руководство исследованием
Н.П. Козлова - создание черновика рукописи, создание окончательной версии (доработка) рукописи и ее редактирование, визуализация.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
Авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи к публикации
Natalia P.Kozlova Cand. Sc. (Engineering),
lead specialist, Advisory and Expert Department, Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of Federal Scientific Agroengineering Center VIM, 196634 Filtrovskoje Shosse, 3, Tiarlevo, Saint Petersburg, Russia
ORCID: 0000-0003-0880-441X
Authors'contribution
E.V. Vasilev - research concept, methodology, and guidance
N.P. Kozlova - drafting, editing, and shaping the final version (revision) of the manuscript, visualisation
Conflict of interests
The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this paper
All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.
Статья поступила в редакцию: 14.03.2023 Received: 14.03.2023
Одобрена после рецензирования: 13.05.2023 Approved after reviewing: 13.05.2023
Принята к публикации: 30.06.2023 Accepted for publication: 30.06.2023
Научная статья УДК 535.241.44
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДИКАТРИС ЯРКОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ЛИСТА РАСТЕНИЯ ПРИ ЭКОЛОГИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ
Елена Николаевна Ракутько1, [email protected],ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3536-9639.
Сергей Анатольевич Ракутько2н, [email protected],ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2454-4534.
о
Геннадий Валерьевич Медведев , [email protected]
12 „
, Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
3Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, Санкт-Петербург, Россия
Аннотация. Актуальной задачей в настоящее время становится создание новых и совершенствование существующих методов экологического мониторинга и комплексной оценки состояния окружающей среды. Особенностью экологического мониторинга является интегральность производимой оценки действия совокупности экологических факторов на общее состояние растений. Быстрая и объективная оценка состояния растения возможна по оптическим свойствам листа, в частности, яркости его поверхности. Эта величина характеризует отражательные свойства листа, зависящие от состояния растения и протекающих в нем биохимических процессов. Разработан лабораторный гониорефлектометр, обеспечивающий получение цифрового снимка листа при различных углах освещения и наблюдения. Целью работы является оценка возможности проведения мониторинга состояния окружающей среды по индикатрисам яркости поверхности листа растений. Произведен анализ схемы измерения яркости листа, размещаемого на цилиндрической поверхности. Показано, что при этом отдельные участки поверхности листа находятся в разных условиях освещения и наблюдения. Это позволяет извлечь информацию о яркости отдельных точек поверхности по цифровому снимку. Апробацию способа экологического мониторинга по индикатрисе отражения провели на примере листъев рассады огурца (Cucumis Sativus), выращенной под двумя разными спектрами. Полученная индикатриса дает возможность оценки состояния растений по средней величине доли
23
