Оптимизация применения агрохимических средств с использованием информационных технологий и математического моделирования (1098311), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Обобщение имеющихся экспериментальных сведений позволит решать задачи разработки моделей продуктивности культур, а также оптимизации, оценки и сертификации агротехнологий на их основе. Сертификация технологий растениеводства - процедура, посредством которой независимая от разработчика и потребителя организация удостоверяет в установленной действующим законодательством форме, что разработанная технология соответствует условиям, требованиям экологической безопасности и может быть использована для получения запланированного урожая высокого качества. ВИУА им. Д.Н. Прянишникова разработан проект Системы сертификации новых технологий производства продукции растениеводства, в рамках которой осуществляется содействие товаропроизводителям в компетентном выборе технологий производства, контроле безопасности применяемых технологий для окружающей среды, жизни и здоровья человека, подтверждение заявленных разработчиком характеристик технологий их реальным значениям, повышение конкурентоспособности технологий и содействие их использованию на внутреннем и внешнем рынках (Веселовский и др., 2001; Иванов и др., 2001). Госстандартом России подготовлена Концепция сертификации новых технологий производства продукции растениеводства, ориентированная на защиту прав товаропроизводителей разработчиков технологий. В соответствие с ней, основу службы по разработке технологий возделывания сельскохозяйственных культур или их блоков должны составить опытные учреждения и другие организации, накопившие опыт обеспечения хозяйств достоверной технологической информацией.
Совместным Приказом Министерства сельского хозяйства Российской Федерации и Россельхозакадемии № 423 / 19 от 27 апреля 2001 года определены меры по совершенствованию деятельности Географической сети опытов с удобрениями и другими агрохимическими средствами. Предусмотрено создание постоянно действующей информационной базы данных длительных опытов на федеральном и региональном уровнях (пункт 3), а также распространение информации о технологиях получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур (пункт 5). Вопросы совершенствования методики опытного дела и использования информационных технологий в агрохимических исследованиях рассматривались на российских и международных конференциях: “Полевые эксперименты для устойчивого землепользования” (Санкт-Петербург, 1999), “Современные проблемы опытного дела” (Санкт-Петербург, 2000), Всероссийском координационном совещании учреждений Географической сети опытов с удобрениями и другими агрохимическими средствами (Москва, 2001) “Роль полевых экспериментов в переходе к устойчивому сельскому хозяйству” (Санкт-Петербург, 2001) и других. Большая методическая работа в данной области проводится Ассоциацией содействия полевым экспериментам и исследованиям (АСПЭИ), а также Международной организацией механизации полевых экспериментов и исследований (IAMFE).
На основании анализа проведённых исследований можно сделать вывод, что решение комплекса проблем, возникающих при использовании результатов полевых опытов с удобрениями и другими агрохимическими средствами для разработки моделей продуктивности культур, оптимизации и совершенствования агротехнологий возможно только на основе методологии системного подхода и современных информационных технологий. В связи с этим, поставлены следующие задачи исследования:
1. Оценить степень представительности и информационной ёмкости полевых экспериментов на основании характеристик почвенно-климатических условий их проведения, а также факторных планов.
2. Апробировать алгоритм поэтапного выбора данных полевых опытов для построения моделей продуктивности сельскохозяйственных культур.
3. С использованием разработанных моделей провести сравнительную оценку эффективности рекомендуемых для дерново-подзолистых почв Нечернозёмной зоны систем использования агрохимических средств в годы с различными метеорологическими условиями.
4. Создать единую комплексную автоматизированную систему обработки данных полевых опытов с удобрениями и методику её использования для оптимизации применения средств химизации земледелия и сертификации агротехнологий.
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИСЛЕДОВАНИЯ
2.1. Полевые опыты с удобрениями и другими агрохимическими
средствами на дерново-подзолистых почвах
Объектами исследования являлись полевые эксперименты Географической сети опытов с удобрениями и другими агрохимическими средствами (Геосети), проведённые научно-исследовательскими и проектными организациями, вузами, региональными сортоиспытательными и селекционными станциями под методическим руководством Всероссийского института удобрений и агропочвоведения им. Д.Н. Прянишникова (ВИУА) в период с 1953 по 1984 годы.
Порядок выбора земельных участков для закладки опытов, проведения уравнительных и рекогнисцировочных посевов, определения размера посевных и учётных делянок, подбора культур и проектирования севооборотов, построения факторных планов экспериментов, учёта их результатов и составления отчётной документации определен действующими на момент выполнения исследований Методическими указаниями по проведению исследований в длительных опытах с удобрениями, другими руководящими документами (Методика…, 1967; Методика…, 1988; Методические… ч. 1., 1986; Методические… ч. 2., 1986; Методические…, 1969; Методические…, 1975; Методические…, 1976; Методические…, 1981; Методические…, 1985).
В исследовании использованы данные 62 полевых опытов Географической сети в Нечернозёмной зоне России, Белоруссии и Украины, представленные в открытых научных публикациях (приложение 1). Компьютерная обработка сведений проведена с использованием Автоматизированной информационной системы (АИС) “Геосеть-2000”, разработанной на Факультете почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова совместно с ВИУА им. Д.Н. Прянишникова, возглавляющим Научно-методический центр Россельхозакадемии по агрохимии и агрохимическому обслуживанию.
С целью определения возможностей практического использования данных полевых опытов, проведена инвентаризация исследований в Геосети. Из числа представленных в публикациях полевых экспериментов на дерново-подзолистых почвах 42 проведены в России, 19 - в Белоруссии, 1 - на Украине.
Схемами большинства опытов предусмотрено изучение действия парных и тройных сочетаний агрохимических средств на фонах с различными исходными показателями почвенного плодородия. Такие эксперименты широко проводились на начальном этапе исследований в Геосети. С начала 70-х годов в Геосети закладываются многофакторные полевые опыты, позволяющие количественно изучить зависимость продуктивности культур от доз и сочетаний азота, фосфора и калия в составе удобрений. По данным проведённой инвентаризации, на дерново-подзолистых почвах экспериментов с числом вариантов менее 5 - 5, от 6 до 10 вариантов - 14, от 11 до 15 вариантов - 20, от 16 до 20 вариантов - 10, более 21 вариантов ‑ 14 (схемами некоторых опытов предусмотрены резервные варианты без применения удобрений). В рассмотренной выборке 10 экспериментов имеют период наблюдения менее 4 лет, 35 - от 4 до 8, 11 - от 9 до 12, 6 - более 12 лет (характеристика длительности наблюдений приведена по разности между последним годом, за который имеются опубликованные данные и годом закладки эксперимента).
В 54 опытах из рассмотренной выборки учётная площадь делянки не превышает 100 м2. Отношение посевной и учётной площадей колеблется от 1,4
до 2,8. В 24 опытах посевная площадь делянки составляет от 100 до 200 м2, при этом учётная площадь в 5 и более раз меньше посевной - от 20 до 50 м2. Форма делянок в большинстве опытов Геосети - прямоугольная, с отношением длин сторон от 2:1 до 5:1. В сочетании с рендомизированным размещением делянок на опытном поле это позволяет нейтрализовать влияние случайной изменчивости почвенных свойств в пространстве (Зимин, 2001; Mohamed, 1991; Gill, 1993) на урожай культур и повышает точность полевого эксперимента.
Погодные условия за время наблюдений охарактеризованы с привлечением результатов метеорологических наблюдений в системе учреждений Роскомгидромета. Использованы данные следующих метеостанций (номера полевых опытов сооответствуют приложению 1):
1. Москва, ВДНХ, 1972 - 1982 гг. - для опытов № 54, 55 и 56 Факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова;
2. Смоленск, АМСГ, 1967 - 1979 гг. - для опыта № 25 Смоленского филиала ВИУА им. Д.Н. Прянишникова;
3. Минск, АМСГ, 1953 - 1979 гг. - для опытов № 5, 6, 8, 9 и 10 Белорусского научно-исследовательского института земледелия;
4. Михнево, 1960 - 1984 гг. - для опытов № 39, 40, 33 и 57 Центральной опытной станции ВИУА им. Д.Н. Прянишникова;
5. Гродно, 1961 - 1979 гг. - для опыта № 19 Гродненской государственной сельскохозяйственной опытной станции;
6. Торжок, АГРО, 1962 - 1969 гг. - для опыта № 47 Всероссийского научно-исследовательского института льна;
7. Тверь, АМСГ, 1968 - 1980 гг. - для опыта № 48 Всероссийского научно-исследовательского института мелиорированных земель.
Верификация моделей продуктивности культур в разработанной АИС “Геосеть-2000” проведена с использованием опубликованных данных длительных экспериментов Географической сети, краткосрочных опытов Государственной агрохимической службы, Центрального института агрохимического обслуживания сельского хозяйства (ЦИНАО) и Научно-исследовательского института удобрений и инсектофунгицидов (НИИУИФ). В исследовании также использованы сведения о ландшафтно-экологических условиях проведения опытов, результаты почвенного и агроклиматического районирования, статистические материалы Госкомстата и Минсельхоза РФ, а также фондовая (по согласованию) информация.
2.2. Автоматизированные средства сбора, хранения и статистического анализа данных агрохимических полевых опытов
Ввод информации полевых опытов в ПЭВМ осуществлён с использованием сканирующего устройства и программы автоматизированного распознавания текста (OCR) Fine Reader версии 4.0.
Для обработки и хранения данных использован редактор текстов Microsoft Word 97, система управления базами данных (СУБД) Microsoft Access 97, а также разработанная автоматизированная информационная система (АИС) “Геосеть-2000”. Построение моделей продуктивности культур осуществлено с использованием программ статистического анализа Microsoft Excel 97 и Statistica 5.5 (Персон, т.1, 1998; Персон, т.2, 1998; STATISTICA…, 1999).
Стандартизованное кодирование показателей, по которым производился учёт результатов полевых опытов, проведено с привлечением Общероссийского классификатора единиц измерения - ОКЕИ (Общероссийский…, 1994), Международного словаря - классификатора терминов для агрономических полевых опытов ADDA (Dekkers, 1998; Scheepens, Dekkers, 1997), схеме агроклиматического районирования стран бывшего СССР (Шашко, 1985) и Классификации почв России (Классификация…, 1997). Работа с перечисленными ресурсами обеспечивается в АИС “Геосеть-2000”.
Графические материалы, иллюстрирующие функции отклика продуктивности культур на применение удобрений в зависимости от значения показателей почвенного плодородия и другие исследованные агроэкологические зависимости подготовлены с помощью прикладных программ Microsoft Excel 97 и Statistica 5.5.
2.3. Методы статистического анализа данных полевых опытов и прогнозирования продуктивности сельскохозяйственных культур
При статистическом анализе данных полевых опытов вычислялись выброчные характеристики величин: средние, дисперсии, стандартные отклонения и доверительные интервалы. Сравнение средних проводилось с помощью t‑критерия Стьюдента. Проверка статистических гипотез о соответствии эмпирического распределения случайных величин нормальному закону осуществлялась с помощью критерия Уилка-Шапиро (Айвазян, Мхитарян, 1998).
Для групповой классификации полевых опытов по агроклиматическим условиям проведения и состоянию почвенных условий на год закладки, использован статистический метод кластерного анализа. Мерой степени сходства объектов являлось евклидово расстояние, разбиение выборки на группы проведено с помощью метода “k средних”, реализованного в программе Statistica 5.5. Оценка информационной ёмкости экспериментов Геосети проведена на основе характеристик их факторных планов. Выделение типов лет по агрометеорологическим условиям вегетационного периода проведено на основе эмпирических функций плотности вероятности распределения гидротермических показателей (Айвазян и др., 1989).
Разработка математических моделей продуктивности культур осуществлена на основе методов корреляционного и регрессионного анализа данных. Параметры регрессионных зависимостей оценены в программе Statistica 5.5 с использованием метода наименьших квадратов - МНК (Айвазян и др., 1985).
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ СБОРА, ХРАНЕНИЯ И ОБОБЩЕНИЯ ДАННЫХ ПОЛЕВЫХ ОПЫТОВ С УДОБРЕНИЯМИ И ДРУГИМИ АГРОХИМИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ
Для компьютерной обработки результатов как краткосрочных, так и длительных полевых экспериментов разработана Автоматизированная информационная система по полевым опытам с удобрениями и другими агрохимическими средствами “Геосеть-2000”. Система реализована на ПЭВМ типа IBM PC с процессором “Intel Pentium”, под управлением реляционной системы управления базами данных (СУБД) Microsoft Access 98 для операционной системы Microsoft Windows 98.
АИС “Геосеть-2000” обеспечивает работу со всеми видами используемой опытными учреждениями документации - Паспортами полевых опытов, учётными картами, журналами агрометеорологических наблюдений и регистрации состояния посевов. Работа с системой осуществляется в режиме диалога. Доступ к информации обеспечивается посредством экранных меню. В работе используется до 16 Мб ОЗУ и 50 Мб дисковой памяти. Программные модули, насчитывающие свыше 10 тысяч операторов, написаны на языке программирования Visual Basic.
Сведения в системе разбиты на блоки (рисунок 3.1). Данные организованы с использованием реляционной модели, где каждая единица информации имеет одно место хранения и обновления. Благодаря этому, снижается время доступа к ним, сокращается объем занимаемой дисковой и оперативной памяти ПЭВМ, возрастает быстродействие программы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
