Оптимизация применения агрохимических средств с использованием информационных технологий и математического моделирования, страница 6

Блок информации об исполнителях полевых опытов содержит полные и сокращённые названия организаций, выполнивших исследования, почтовые адреса, фамилии и должности руководителей опытов.

Рисунок 3.1. Основные виды информации в АИС “Геосеть-2000”

Описание полевого опыта в системе состоит из общей части и тематических разделов. В общей части указывается организация - исполнитель, полное наименование опыта, год открытия, код темы исследований по Универсальной десятичной классификации (УДК), фамилии исполнителей, место проведения опыта и его стоимость. Обозначение научного направления полевого исследования включает изучение агроэкологических характеристик сортов и культур, проектирование систем применения агрохимических средств, обработки почвы, мелиоративных мероприятий, защиты почв от эрозии. При необходимости, приводятся дополнительные сведения - характеристики доз, способов и сроков внесения удобрений. Характеристика средств защиты растений включает виды и товарные марки гербицидов, фунгицидов, инсектицидов, ретардантов и баковых смесей.

Для сокращённого обозначения полевых опытов в системе используются коды вида “а-б-в-г”, где:

а - сокращённое название организации, выполнившей исследование;

б - вид полевого опыта в соответствие с ОСТ 10106-87 “Опыты полевые с удобрениями. Порядок проведения” (Опыты…, 1987) и ОСТ 4623-74 “Полевые опыты с удобрениями в системе Государственной агрохимической службы СССР” (Полевые…, 1974): КС ‑ краткосрочный опыт, СТ - стационарный, ПР - производственный, ДМ ‑ демонстрационный;

в - номер эксперимента в информационном банке АИС “Геосеть-2000”;

г ‑ порядковый номер опыта, выполненного организацией.

Например, обозначение “ЦОС ВИУА-СТ-32-8” расшифровывается как: ЦОС ВИУА - Центральная опытная станция ВИУА им. Д.Н. Прянишникова;
СТ - опыт стационарный; 32 - номер эксперимента в информационный банке; 8 ‑ порядковый номер опыта, проведённого ЦОС ВИУА.

Описание методики полевого опыта включает число полей, повторность, посевную и учётную площадь делянок, способ их расположения на опытном поле (систематическое, рендомизированное, методом блоков, расщеплённых делянок или другое).

Характеристика географического положения полевого опыта включает долготу, широту и высоту над уровнем моря. Климатические условия характеризуются среднегодовой температурой воздуха, суммой активных температур более 10 ˚С за вегетационный период, температурой самого холодного и наиболее тёплого месяцев, годовой суммой осадков, коэффициентом увлажнения, высотой снежного покрова, длиной вегетационного периода, а также суммарным поступлением солнечной радиации за год.

В системе реализован справочник по агроклиматическому районированию России, стран СНГ и Балтии (Шашко, 1985). Код агроклиматического районирования имеет вид “а‑б-в”, где а - цифровое обозначение агроклиматического пояса, б - зоны; в - провинции.

Характеристика почвенных условий включает название почвы согласно Классификации почв России 1997 г. (Классификация…, 1997), бонитировочную оценку и оценку эрозионного состояния. Приводится история опытного поля до закладки эксперимента. Код почвенной классификации в АИС “Геосеть-2000” составлен из цифровых обозначений ствола, отдела, типа, подтипа, рода, вида, разновидности и разряда (всего - 8 значений). Указывается способ регулирования водного режима.

Рельеф местности характеризуется направлением экспозиции склона (без уклона, северная, северо-восточная, восточная, юго-восточная, южная, юго-западная, западная, северо-западная), формой (простая выпуклая, простая вогнутая, сложная), величиной уклона (выровненный - от 0 до 2 град., пологий - от 3 до 5 град., покатый - от 5 до 10 град., покато-крутой, от 11 до 15 град., крутой - 16 град. и более), а также положением в долинном ландшафте (водораздел, верхняя, средняя или нижняя часть склона).

Описание географического положения опыта включает название природной зоны, почвенно-географической провинции и административно-территориального образования. В АИС “Геосеть-2000” ведется учёт наличия картографических материалов по полевым опытам: топографических и почвенных карт района исследований, а также картограмм структуры почвенного покрова и агрохимических свойств почвы на опытном поле.

Для средств химизации земледелия в опыте указывается название и товарная марка, содержание действующего вещества. Эти сведения приводятся за каждый год исследований. Для минеральных и органических удобрений приводится химический состав - процентное содержание азота, фосфора, калия и других элементов минерального питания.

Сельскохозяйственные культуры обозначаются единым образом с использованием классификатора Главного вычислительного центра (ГВЦ) Минсельхоза России. В нём приведены четырёхзначные цифровые коды стандартизованных названий сельскохозяйственных культур. Дополнительно указывается полное название культуры и сорта в соответствие с документацией полевого эксперимента. Описание варианта опыта включает фон по уровню почвенного плодородия или элементам технологии возделывания, порядковый номер и условное буквенно-цифровое обозначение.

Использованные при составлении информационного банка литературные источники указываются согласно ГОСТ 7.1-84 “Библиографическое описание документа. Общие требования и правила составления” (Библиографическое…, 1984).

Результаты учёта полевых опытов в системе “Геосеть-2000” представлены сведениями о применении средств химизации земледелия, показателях агрохимических и агрофизических свойств почвы, характеристиках урожая и качества продукции, проведении агротехнологических мероприятий и наблюдении за состоянием посевов, а также данными метеорологических наблюдений.

Система предоставляет возможность работы со справочной информацией о методах исследований в Геосети. Для стандартизованных методов химического анализа почв, растений и удобрений приводятся главные метрологические характеристики: суммарная погрешность, внутрилабораторная и межлабораторная воспроизводимость. В системе реализован справочный банк, содержащий шкалы обеспеченности почв России и стран СНГ подвижными фосфатами, обменным калием, гумусом, градации показателей кислотности и гранулометрического состава, принятые Государственной агрохимической службой.

В АИС “Геосеть-2000” присутствует модуль статистического анализа данных и моделирования. В нём проводится оценка выборочных характеристик: среднего, дисперсии, стандартного отклонения; вычисляются доверительные интервалы для заданного пользователем уровня значимости. Реализованный в системе модуль дисперсионного анализа позволяет сравнить значения средних по вариантам опыта.

В блоке составления документации полевых экспериментов осуществляется составление Паспортов полевых опытов и других видов отчётной документации в соответствие с формами документации, принятыми ВИУА им. Д.Н. Прянишникова. Возможно сохранение сведений на диске и вывод документов на печать.

С помощью АИС “Геосеть-2000” впервые организован обмен данными полевых опытов с использованием Общероссийского классификатора единиц измерения (Общероссийский…, 1994) и Международного словаря - классификатора терминов для агрономических полевых опытов (Dekkers, 1998; Scheepens, Dekkers, 1997). Обеспечивается взаимосвязь с распространёнными пакетами статистического анализа данных - Microsoft Excel 98, Statistica 5.5 и другими. Поддерживается широко используемый Ротамстедской опытной станцией, Вагенингенским аграрным университетом и другими ведущими научно-исследовательскими опытными учреждениями Европейского Союза формат представления данных SFD (Kristensen, Gudmand-Hoeyer, 1993; Flensted-Jensen, Dindorp, 1995). В результате решается задача создания единого информационного пространства агрохимических исследований для России, стран СНГ и ЕС.

ГЛАВА 4. СОЗДАНИЕ АЛГОРИТМА ПОЭТАПНОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ПОЛЕВЫХ ОПЫТОВ

Обобщение результатов большого числа полевых опытов Геосети, проведенных в различных почвенно-климатических условиях по неодинаковым факторным планам связано с выбором экспериментов, удовлетворяющих требованиям типичности и информационной ёмкости (Доспехов, 1985; Методические… ч. 1, 1986; Семёнов, 2000 и др.).

При характеристике условий проведения полевых опытов возникает необходимость в количественной оценке агроэкологических факторов, влияющих на продуктивность культур и эффективность агрохимических средств. К ним относятся показатели почвенного плодородия, агроклиматические и агрометеорологические величины, другие комплексные характеристики состояния окружающей природной среды. Решение поставленной задачи связано с использованием системного подхода и статистических методов. Существующие подходы к формализованной количественной оценки условий проведения агрохимических полевых опытов можно разделить на две группы.

Первая группа методов основана на использовании почвенного, агроклиматического или комплексного ландшафтно-экологического районирования территории, с последующим выделением полевых опытов, проведенных в наиболее типичных условиях. Методы данной группы наиболее полно используют экспертные знания о закономерностях динамики агроэкосистем. С их помощью проведено обобщение результатов краткосрочных опытов Госагрохимслужбы в России и странах СНГ (Державин, 1992), Европейском Союзе, США и Канаде (Минеев и др., 1993; An ecological..., 1997; Isherwood, 1998; IFA…, 2000 и др.).

Вторая группа методов использует для характеристики природных условий интегральные показатели - бонитировочные оценки, почвенно-экологические индексы, характеристики уровня плодородия, комплексные агроклиматические и агрометеорологические величины. Их построение осуществляется экспертным путём или с помощью статистического метода факторного анализа. Типичными признают опыты, характеристики почвенных и агрометеорологических условий в которых ближе всего к средним для региона (Федосеев, 1985; Стребков, 1989; Уланова, 1990 и др.; Rossiter, 1996). Аналогичный подход используется в фитоценологии для оценки условий окружающей природной среды, влияющих на развитие естественных растительных сообществ (Миркин и др., 2001).

Сравнение возможностей предложенных подходов и опыта их применения позволяет сделать вывод о существовании ряда нерешенных проблем. Отсутствует единая методика построения интегральных показателей состояния агроэкосистем. Предложенные в почвоведении, агрохимии и смежных науках подходы к их конструированию существенно различаются (Прохорова, Фрид, 1993). Показатели, используемые для оценки продуктивности естественных биоэкосистем не всегда тесно коррелируют с величиной урожая сельскохозяйственных культур в агроэкосистемах. Необходима дифференцированная разработка системы показателей почвенного плодородия для различных природных зон и ландшафтных регионов (Моделирование…, 2000). В почвоведении и агрохимии для классификационного разделения объектов используются статистические методы классификации и кластерного анализа, требующие дополнительной экспертной обработки (Рожков, 1993).

Предлагаемая методика типизации условий проведения полевых опытов основана на использовании обобщенных (комплексных) показателей сходства экспериментальных объектов и групповой классификации многомерных описаний почвенных и агрометеорологических условий проведения опытов.

Пусть O = {O₁, O₂,…, O_n} - полевые опыты (исследуемые объекты), среди которых необходимо выделить m групп наиболее типичных (m ≤ n). Каждый объект O_i, i = 1, 2, … n, характеризуется значением многомерного признака X_i:

X_i = {x_i⁽¹⁾, x_i⁽²⁾, … , x_i^(p)} (4.1)

где составляющие вектора {x_i⁽¹⁾, x_i⁽²⁾, … x_i^(p)} - средние значения показателей почвенного плодородия до закладки опыта и агроклиматические характеристики территории.

Сущность задачи классификации состоит в разделении исходной совокупности объектов O на непустые группы (классы), на основании распределения элементов приз­нака X. Число классов заранее m неизвестно и подлежит определению в процессе классификации.

В математической статистике распространены два основных подхода к решению данной задачи (Айвазян и др., 1989; Уланова, Забелин, 1990; Айвазян, Мхитарян, 1998). Параметрические методы основаны на представлении функции плотности вероятности каждого из рассматриваемых признаков в виде смеси распределений (чаще всего, нормальных). Одномодальные фрагменты совместной функции распределения соответствуют классификационным типам. На практике требование нормального распределения признаков выполняется редко. Поэтому в почвенных и агрохимических исследованиях используются непараметрические методы, не зависящие от априорных предположений о характере функции распределения признаков, включая кластерный анализ.

В качестве меры степени сходства классифицируемых объектов почвенно-агрохимических исследованиях широко используется взвешенное евклидово расстояние d_E:

(4.2)

Здесь O_i и O_j - различные экспериментальные объекты, характеризуемые p - мерными признаками X_i и X_j (i=1, 2, … n; j=1, 2, …n; ), w_k - весовые коэффициенты, зависящие от степени чувствительности внешнего свойства системы, например, продуктивности агроценоза к изменению факторов, характеризуемых элементами признака X.

В настоящем исследовании взвешенное евклидово расстояние d_E использовано в качестве обобщенной характеристики сходства почвенно-климатических условий при оценке типичности условий проведения экспериментов.

При типизации полевых опытов по условиям их проведения целесообразно использовать обобщённые показатели состояния агроклиматических условий за вегетационный период. В связи с тем, что сроки вегетации яровых и озимых культур не совпадают, для обобщенной характеристики агроклиматических условий лет вычислены значения гидротермического коэффициента за апрель - октябрь: ГТК _IV-X (здесь и далее подстрочные римские цифры обозначают месяцы, за которые вычислен показатель)._. Наряду с ГТК при оценке агроклиматических условий использованы годовые суммы осадков -  r _I-XII, а также активные температуры  t _{ак. IV‑X} выше + 10 ˚С за апрель - октябрь.