Оптимизация применения агрохимических средств с использованием информационных технологий и математического моделирования

- 39 -

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. М.В. ЛОМОНОСОВА

ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

ВСЕРОССИЙСКИЙ ИНСТИТУТ УДОБРЕНИЙ И АГРОПОЧВОВЕДЕНИЯ им. Д.Н. ПРЯНИШНИКОВА

на правах рукописи

Искандарян Рубен Александрович

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРИМЕНЕНИЯ АГРОХИМИЧЕСКИХ СРЕДСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И
МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 06.01.04 − агрохимия

Диссертация

на соискание учёной степени

кандидата биологических наук

Научный руководитель:

кандидат биологических наук,

доктор технических наук,

профессор Хомяков Д.М.

Москва - 2001 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ
ТЕХНО­ЛОГИЙ И МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ОБОБЩЕНИИ РЕЗУЛЬ­ТАТОВ ПОЛЕВЫХ ОПЫТОВ И ОПТИМИЗАЦИИ ПРИМЕНЕНИЯ АГРО­ХИ­МИЧЕСКИХ СРЕДСТВ 7

1.1. Влияние климатических и погодных условий на продуктивность сельскохозяйственных культур в Нечерно­зёмной зоне 7

1.2. Агрохимические свойства дерново-подзолистых почв и
тенденции их изменения 13

1.3. Влияние агрохимических средств на продуктивность сельско­хозяйственных культур 16

1.4. Использование результатов полевых опытов с
удобрениями и другими агрохимическими средствами при оптимизации и совершенство­вании агротехнологий 23

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИСЛЕДОВАНИЯ 32

2.1. Полевые опыты с удобрениями и другими агрохимическими средствами на дерново-подзолистых почвах 32

2.2. Автоматизированные средства сбора, хранения и статистического анализа данных агрохимических полевых опытов 35

2.3. Методы статистического анализа данных полевых опытов и прогнозирования продуктивности сельскохозяйственных
культур 36

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ СБОРА, ХРАНЕНИЯ И ОБОБЩЕНИЯ ДАННЫХ ПОЛЕВЫХ ОПЫТОВ С УДОБРЕНИЯМИ И ДРУГИМИ АГРОХИМИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ 37

ГЛАВА 4. СОЗДАНИЕ АЛГОРИТМА ПОЭТАПНОЙ ОБРАБОТКИ И ОЦЕНКИ ДАННЫХ ПОЛЕВЫХ ОПЫТОВ 42

ГЛАВА 5. ПОЭТАПНОЕ ПОСТРОЕНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ МОДЕЛЕЙ ПРОДУКТИВНОСТИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР 61

5.1. Выделение групп лет наблюдений в полевых опытах по состоянию погодных условий 61

5.2. Построение моделей продуктивности сельскохозяйст-
венных культур 70

5.3. Оценка и оптимизация систем применения агрохимических средств 98

ГЛАВА 6. АЛГОРИТМ ПОЭТАПНОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ПОЛЕВЫХ ОПЫТОВ В АИС “ГЕОСЕТЬ-2000” И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ПОЛЕВОГО ОПЫТНОГО ДЕЛА 89

ВЫВОДЫ 94

ЛИТЕРАТУРА 96

ПРИЛОЖЕНИЯ 121

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. При разработке агротехнологий необходимо учитывать совместное влияние почвенных, агрометеорологических и других факторов на эффективность удобрений. Поставленная задача может быть решена только с привлечением данных как длительных, так и краткосрочных полевых опытов, проведённых по различным методикам в широком диапазоне природных условий (Федосеев, 1985; Державин, 1992; Хомяков, 1999; Сычёв, 2000 и др.). Возникает необходимость количественной оценки действия удобрений на продуктивность культур с использованием математического моделирования, при учёте требований к системам применения агрохимических средств в современной эколого-экономической ситуации в земледелии России.

Получение новых сведений о закономерностях строения и функционирования агроэкологических систем требует совершенствования методики опытного дела, планирования и координации исследований (Минеев, 1983). Эту задачу следует решать на основании системного подхода и современных информационных технологий (Семёнов, 2000; Милащенко, 2001 и др.).

Оптимизация применения агрохимических средств - важное направление совершенствования технологий возделывания сельскохозяйственных культур. Необходимым источником сведений по данному вопросу служат результаты полевых экспериментов с удобрениями и другими агрохимическими средствами, проводимые научно-исследовательскими и проектными организациями, центрами Государственной агрохимической службы, Центральным институтом агрохимического обслуживания (ЦИНАО), Научно-исследовательским институтом удобрений и инсектофунгицидов (НИИУИФ), вузами, региональными сортоиспытательными и селекционными станциями. Большую ценность представляют результаты исследований в Географической сети опытов с удобрениями и другими агрохимическими средствами (Методические…, 1986; Полуэктов, 2000 и др.).

Использование результатов полевых экспериментов в решении научных и практических задач агрохимии и земледелия связано со многими нерешенными проблемами. Централизованная обработка результатов полевых опытов в полном объёме не ведётся. Нуждается в развитии методология агроэкологического прогнозирования и интерпретации его результатов. Требуют совершенствования методы совместного использования данных краткосрочных и длительных агрономических экспериментов, способы учёта различий в методиках исследования и факторных планах при обобщении результатов полевых опытов, проведенных в неодинаковых почвенных, климатических и агрометеорологических условиях. Это сдерживает развитие опытного дела, моделирования и агрохимической науки в целом.

Цель работы. Создание единой автоматизированной системы обработки (хранения, накопления, оценки, обмена и использования) результатов полевых опытов с удобрениями и другими агрохимическими средствами, включающей модели продуктивности сельскохозяйственных культур. Разработка методики оптимизации применения агрохимических средств с использованием информационных технологий и математического моделирования.

Научная новизна работы. Разработана принципиально новая информационная технология использования результатов длительных и краткосрочных опытов для оптимизации применения агрохимических средств, учитывающая особенности почвенно-экологической обстановки и динамики метеорологических условий. Предложен алгоритм выбора представительных экспериментов с наибольшей информационной ёмкостью для поэтапного построения статистических имитационных моделей продуктивности агроценозов. Реализована процедура выделения групп лет по погодным условиям вегетационного периода, позволяющая дифференцированно оценить влияние удобрений на урожай с учётом показателей почвенного плодородия и условий возделывания культур.

Практическая значимость. Создана Автоматизированная информационная система по полевым опытам с удобрениями и другими агрохимическими средствами (АИС) “Геосеть-2000” и методика её применения. Она может быть использована в качестве стандартного средства хранения, накопления, оценки, обмена и использования данных полевых опытов. Сформировано единое информационное пространство агрохимических исследований для опытных учреждений России, стран СНГ и ЕС. Разработана система моделей продуктивности культур на дерново-подзолистых почвах Нечернозёмной зоны. Она позволяет оптимизировать применение агрохимических средств, пути обеспечения воспроизводства плодородия почв и осуществлять сертификацию агротехнологий.

ГЛАВА 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНО­ЛОГИЙ И МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ОБОБЩЕНИИ РЕЗУЛЬ­ТАТОВ ПОЛЕВЫХ ОПЫТОВ И ОПТИМИЗАЦИИ ПРИМЕНЕНИЯ АГРО­ХИ­МИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

1.1. Влияние климатических и погодных условий на продуктивность сельскохозяйственных культур в Нечернозёмной зоне

Нечернозёмная зона Российской Федерации включает 29 областей и республик Северного, Северо-западного, Центрального и Уральского экономических районов. В соответствие с “Агроклиматическим районированием СССР” (Шашко, 1985), на её территории выделены пять провинций: Европейская среднетаёжная, Прибалтийская южнотаёжно-лесная, Среднерусская южнотаёжно-лесная, Среднерусская лесостепная и Предуральская лесостепная.

Степень континентальности климата в Нечернозёмной зоне возрастает в направлении с северо-запада на юго-восток. Самый холодный месяц в году - январь или февраль, наиболее теплый - июль. В Прибалтийской южнотаёжно-лесной провинции, расположенной на северо-западе зоны, средняя температура воздуха в феврале изменяется от -2,0 до ‑11,0 ˚С, в июле - от +15,4 до +17,8 ˚С. В Предуральской лесостепной провинции на юго-востоке зоны диапазон колебаний температуры воздуха шире - от ‑13,5 до ‑16,4 ˚С - в феврале и от +15,4 до +17,8 ˚С - в июле. Обеспеченность теплом за вегетационный период, характеризуемая суммой средних дневных температур воздуха выше +10 ˚С (активных температур по Г.Т. Селянинову) с апреля по октябрь, возрастает с 1250-1650 ˚С в Европейской среднетаёжной провинции до 2000-2800 ˚С в Среднерусской лесостепной. Годовая сумма осадков наибольшая в Прибалтийской южнотаёжно-лесной провинции - от 500 до 800 мм, наименьшая в Предуральской лесостепной - от 400 до 600 мм. Коэффициент увлажнения (отношение суммы осадков к испарению) изменяется в различные годы в диапазоне от 0,99 до 1,33 ед. на северо-западе и от 0,66 до 1,10 ед. на юго-востоке (Федосеев, 1985; Шашко, 1985).

Климатическая зима в Нечернозёмной зоне начинается в ноябре и завершается в марте. Абсолютные минимумы температуры воздуха в Нечернозёмной зоне ниже -30 ˚С. Высота снежного покрова равна 30-60 см, при недостатке снега усиливается термическое повреждение посевов. В 10-15% лет постоянный снежный покров не устанавливается. Окончательный сход снега происходит во второй декаде апреля. Почва под снегом промерзает на глубину 0,7-1,5 м. Весна в Нечернозёмной зоне холодная и затяжная. Устойчивый переход средних температур через +5 ˚С отмечается в середине апреля, через +10 ˚С - в начале мая. Весной часты неблагоприятные погодные явления - заморозки и засухи. В неблагоприятные годы заморозки продолжаются до начала - середины июня, в благоприятные - прекращаются в последней декаде мая (Федосеев, 1985).

В Нечернозёмной зоне число дней с осадками в году - от 160 до 190. Средние запасы продуктивной влаги в почве равны 225-250 мм на суглинистых и глинистых почвах, 130-150 мм - на супесчаных. В первой декаде июня велика потребность растений во влаге. Весенне-летние засухи повторяются с периодичностью 3-4 года. В центре и на северо-западе Нечернозёмной зоны во второй декаде июля - первой августа с периодичностью 4-5 лет выпадают ливневые дожди (Агроклиматический…, 1967; Оптимальные…, 1984; Кулаковская, 1990 и др.).

Агроклиматические условия Нечернозёмной зоны позволяют возделывать большинство культурных растений умеренного пояса. Потенциальный урожай, лимитируемый гидротермическими условиями, составляет 70-130 ц зерновых единиц (зерн. ед.) / га, при коэффициенте использования фотосинтетически активной радиации (ФАР) равном 2‑3% (Тооминг, 1984; Каюмов, 1987). Максимальные урожаи сельскохозяйственных культур в опытах с новыми сортами при оптимальных значениях показателей почвенного плодородия и технологиях возделывания - на уровне 60-70 ц зерн. ед. / га (Характеристика…,  2000).

Погодные условия оказывают сильное влияние на продуктивность агроценозов. Об этом свидетельствует динамика производства зерна в масштабе страны. В экстремально засушливые 1998 и 1999 годы валовой сбор зерновых (в весе после доработки) составил 47,9 и 54,7 млн. т, соответственно, а в годы с благоприятными погодными условиями достиг: в 2000 - 65,4 и 2001 (прог­ноз) ‑ 82,5. Посевные площади изменились незначительно, объем используемых минеральных удобрений не превысил 1,2 - 1,4 млн. т действующего вещества -
д.в. (Производство..., 1999; FAOSTAT..., 2001) В 1955 - 1990 годы наблюдалась тенденция увеличения среднего урожая зерновых культур, характеризуемая линией тренда (рисунок 1.1).

Амплитуда колебания среднего урожая культур в 1975 ‑ 1988 годы при интенсивном применении средств химизации земледелия составляла 5,0 - 6,0 ц зерна / га (30 - 40 % от среднего значения). По данным российских
(Зоидзе, 1987, Николаев, 1994) и зарубежных агрометеорологов (Global..., 1994;
Bonan, 1996, Land..., 1997; Perspective..., 1997; Leemans, 1997; IFA..., 2000), усиление колебаний урожаев по годам на фоне интенсификации земледелия и увеличения применения агрохимических средств наблюдалось также в странах ЕС и США. На амплитуду колебания средних урожаев влияет изменение климата в северном полушарии, сопровождаемое повышением средней годовой температуры воздуха, учащением весенне-летних засух и других неблагоприятных метеорологических явлений (Маннеля и др., 1972; Сиротенко, 1991; Сиротенко, Абашина, 1994; Влияние.., 1998). Это подтверждает необходимость учёта сложившихся и ожидаемых метеорологических условий при оптимизации технологий возделывания культур и совершенствовании системы применения агрохимических средств.

Рисунок 1.1. Средний урожай зерновых культур в Российской Федерации
с 1955 по 2001 год и многолетняя тенденция (тренд) его изменения

Для оценки гидротермических условий вегетационного периода в агрометеорологии используются дневные, декадные, месячные и годовые средние температуры, суммы осадков, суммы активных температур, а также ряд комплексных показателей. Гидротермический коэффициент Г.Т. Селянинова (ГТК) предложен для характеристики условий увлажнения и теплообеспеченности вегетационного периода по природным зонам (Селянинов, 1958):