Содержание к диссертации
Введение
I. Теоретические и методологические предпосылки использования теории самоорганизации для моделирования калийного режима в системе «почварастение» 9
1.1. Теория самоорганизации как возможный методологический подход к созданию моделей природных систем 9
1.2. Самоорганизация режима калия в системе «почва-растение» 19
II. Методика проведения исследований и обобщения экспериментальных данных для калибровки и апробации моделей 39
III. Концепция самоорганизации калийного режима почвы и ее и практическое использование 49
3.1. Модель трансформации форм калия в почве и ее качественный анализ 50
3.2. Устойчивые стационарные содержания форм калия в почве и их количественная оценка на примере черноземов 67
3.3. Прогноз многолетних изменений подвижных форм калия в почвах 83
3.4. Способ снижения перехода радиоцезия в продукцию растениеводства на основе использования эффекта блокирования 96
3.5. Количественная оценка процессов фиксации и высвобождения калия при вегетации сельскохозяйственных культур 106
IV. Моделирование влияния калийных удобрений на рост сельскохозяйственных культур и изменение форм почвенного калия 123
4.1. Модель калийного режима в системе «почва-растение» 123
4.2. Апробация модели по данным многолетних полевых экспериментов 140
4.3. Компьютерная программа для моделирования влияния калийных удобрений на рост сельскохозяйственных культур и изменение форм почвенного калия в агроландшафте 153
.V. Научно-методические подходы к регулированию плодородия почв по соотношению между подвижными формами фосфора и калия 159
5.1. Модель взаимодействия доступных форм фосфора и калия при формировании урожая сельскохозяйственных культур 160
5.2. Оценка оптимального соотношения подвижных фосфора и калия по результатам многолетних полевых опытов (на примере черноземов) 170
5.3. Способ регулирования плодородия почв по соотношению между подвижными формами
фосфора и калия 176
5.4. Система агрохимических приемов управления плодородием почв по содержанию подвижных форм фосфора и калия 190
5.5. Группировка почв Курской области по соотношению подвижных форм фосфора и
калия 198
VI. Моделирование системы удобрения на ландшафтной основе 221
6.1. Принципы и методические подходы построения систем удобрения в севообороте на ландшафтной основе 221
6.2. Модель систем удобрения в агроландшафте 243
6.3. Автоматизированная система управления плодородием почв и продуктивностью сельскохозяйственных культур (АСУПП) для персональных компьютеров 254
Выводы 259
Литература 264
Приложения 294
- Теория самоорганизации как возможный методологический подход к созданию моделей природных систем
- Методика проведения исследований и обобщения экспериментальных данных для калибровки и апробации моделей
- Модель трансформации форм калия в почве и ее качественный анализ
- Модель калийного режима в системе «почва-растение»
- Модель взаимодействия доступных форм фосфора и калия при формировании урожая сельскохозяйственных культур
Введение к работе
Важным условием эффективного управления агроэкосистемой на ландшафтно-экологической основе является использование ее адекватной математической модели, составными частями которой являются модели режимов основных питательных элементов, в том числе режим калия. Роль этого режима в оптимизации минерального питания культур проявляется все более отчетливо по мере интенсификации сельскохозяйственного производства, причем даже на таких богатых в отношении калия почвах, какими являются черноземы (Лигум СТ., 1978, Прокошев В.В., 1984, Ми-неев ВТ., 1986, Державин Л.М., 1987).
Усилиями наших и зарубежных ученых (Пчелкин В.У., 1966, Горбунов Н.И., 1978, Ониани ОТ., 1981, Соколова Т.А., 1980, Прокошев В.В., 1984, Шафран С.А., 1984 и др,Arnold P.W., 1962, 1970, Diest А., 1978, Sparks D.L., 1980, 1987, Tributh Н., 1981, 1987, Mengel К., Kirkby Е.А., 1985 и др.) накоплен значительный экспериментальный и теоретический материал в отношении трансформации калия в системе «почва-растение». Это делает особенно актуальным разработку моделей, которые позволяют представить эту информацию в форме математических уравнений и создать на их основе вычислительные алгоритмы и программы по прогнозированию изменений режима калия в агроэкосистеме в различных внешних условиях. Современные информационные технологии делают такие программы доступными для широкого научного и практического использования. С их помощью появляется возможность заменить дорогостоящие натурные эксперименты проведением вычислительных экспериментов и существенно упростить управление режимом калия в агроэкосистемах. Посредством моделирования можно не только математически описывать уже известные положения, но также устанавливать новые теоретические зако- номерности, предлагать на их основе новые методы и приемы регулирования агроэкосистем,
Основной целью работы являлась разработка общей концепции моделирования режима калия в системе «почва-растение» на основе фундаментальных законов природы и теории самоорганизации и способов практического использования моделей для управления минеральным питанием культур в агроландшафте.
В задачи исследований входило:
Обосновать использование теории самоорганизации в качестве возможного методологического подхода к моделированию калийного режима почв в системе «почва-растение».
Создать математическую модель калийного режима почвы как самоорганизующейся системы, которая позволит разработать: методические подходы к определению устойчивых стационарных содержаний форм калия в почве и дать их количественную оценку для черноземных почв; метод прогноза многолетней динамики обменных форм калия в почве и апробировать его на данных многолетних полевых опытов на черноземах; методические подходы к количественной оценке динамических изменений форм почвенного калия в процессе вегетации растений и апробировать их в лабораторных и вегетационных условиях; способ снижения перехода радиоцезия в продукцию растениеводства как апробацию проявления саморегулирующей способности калийного режима почв.
3. Создать полуэмпирическую модель и компьютерную программу для прогнозирования действия калийных удобрений на режим калия в сие- теме «почва-растение» и провести ее апробацию в условиях различных аг-роландшафтов.
4. Разработать методические подходы к регулированию сбалансиро ванности плодородия почв по фосфору и калию на основе фундаменталь ных законов земледелия: создать модель взаимодействия доступных форм фосфора и калия в почвах; установить оптимальные соотношения подвижных форм фосфора и калия для ведущих культур ЦЧЗ; разработать способ регулирования плодородия почв по фосфору и калию и систему агрохимических приемов для его реализации; провести группировку районов Курской области по соотношению подвижных форм фосфора и калия в пахотных почвах и определить районы, нуждающиеся в его оптимизации.
5. Разработать модель системы удобрения в агроландшафте и авто матизированную систему ее реализации для условий ЦЧЗ.
В результате проведенных исследований разработана концепция стационарного состояния калийного режима почвы, на основе которой: проведена количественная оценка уровней устойчивых стационарных состояний калия в черноземных почвах; обоснованы методы прогноза изменений форм калия в почве при многолетней динамике и в процессе вегетации, а также проведена их апробация; разработан новый способ оценки фиксирующей способности почвы по показателю фиксации-высвобождения (А.с.№ 4050956/30 -15); -разработан новый способ снижения перехода радиоцезия в продукцию растениеводства на основе эффекта блокирования цезия ионами калия; -разработана модель динамических изменений обменных и фиксированных форм калия в почве.
Впервые разработана модель отклика почвы и сельскохозяйственных культур на калийные удобрения, на основе которой возможны разработки нормативов и практических рекомендаций по использованию калийных удобрений в условиях различных агроландшафтов и погодных условий. Созданная на основе модели компьютерная программа помещена на страничку Internet по адресу .
Разработана модель взаимодействия подвижных форм фосфора и калия при формировании урожая сельскохозяйственных культур, с использованием которой впервые: - получены функциональные зависимости урожайности от содержания подвижных форм фосфора и калия в почве и определены оптимальные соотношения подвижных форм фосфора и калия для основных культур ЦЧЗ; -предложены способ регулирования плодородия почв по фосфору и калию по лимитирующему элементу минерального питания; -проведена группировка районов Курской области по соотношению подвижных фосфора и калия и определены районы, нуждающиеся в его оптимизации.
Для условий ЦЧЗ разработана модель системы удобрения в агро-ландшафте и на ее основе создана автоматизированная система ее проектирования.
В диссертационной работе дается теоретическое и экспериментальное обоснование: -концепции самоорганизации калийного режима почвы, как методологической основы его моделирования в системе «почва-растение».
8-научно-методическим подходам к регулированию и прогнозированию уровней содержания подвижных форм калия в почвах; модели режима калия в системе «почва-растение и компьютерной программы для ее реализации; модели системы удобрения в агроландшафтах и автоматизированной системы на ее основе.
Практическая значимость данной работы обусловлена тем, что одна из разработанных моделей «Модель отклика почвы и растений на калийные удобрения» широко используется для моделирования действия калийных удобрений на разных почвах, а также в обучающем процессе. Она доступна для пользователей в интерактивном режиме через сеть Internet. На основе другой модели, системы удобрения в агроландшафте, создана автоматизированная система по проектированию программ управления плодородием почв и систем удобрения, которая внедрена в Белгородском Центре агрохимобслуживания. Начиная с 1994 года с ее помощью осуществляется расчет проектов и программ повышения плодородия почв для хозяйств Белгородской области.
Методические подходы к прогнозу изменения плодородия и регулированию плодородия почв по соотношению между подвижными формами фосфора и калия могут использоваться в агрохимической практике при разработке систем удобрения и окультуривании почв в отношении фосфора и калия, а также экологическими службами для прогноза деградации почвы в отношении калия.
Автор выражает искреннюю благодарность Чуяну Г.А., Гринвуду Д.Д., Сулиме А.Ф., Дмитриевой Г. А., а также всем сотрудникам Лаборатории агрохимии ВНИИЗ и ЗПЭ за сотрудничество и помощь, оказанную при проведении научных исследований и подготовке диссертации.
Теория самоорганизации как возможный методологический подход к созданию моделей природных систем
Теория самоорганизации в последнее время привлекает к себе очень широкий интерес специалистов в самых различных областях знаний: математиков, физиков, биологов, почвоведов, экологов, инженеров, экономистов (Эйген М., 1976, Томпсон Дж. М.Т., 1985, Арнольд В.И., 1990, Мартынов А.С. и др., 1994). Вопросами упорядочения и самоорганизации в живой и неживой природе занимается сейчас целое научное направление, которое получило название «синергетика» (от греч. synergos - вместе действующий) (Хакен Г., 1980).
Прежде всего такой интерес обусловлен тем, что теория самоорганизации имеет универсальный объект анализа - термодинамически открытые системы, обменивающиеся как веществом, так и энергией с окружающей средой. Ас такими системами специалисты сталкиваются во многих отраслях знаний.
В отличие от адиабатических (где не происходит обмена веществом и энергией) и закрытых (где происходит только обмен энергией) систем, которые подчиняются законам классической термодинамики, ее первому и второму началу, открытые системы описываются закономерностями неравновесной термодинамики (Николис Г., Пригожин И., 1979). Основное концептуальное различие, определяющее закономерности функционирования этих систем состоит в том, что закрытые системы стремятся к равновесному состоянию, которое характеризуется минимальной энергией и максимальной энтропией, а открытые системы стремятся к устойчивому состоянию, характеризующемуся минимальным производством энтропии.
Если открытая система находится вдали от термодинамического равновесия, является существенно нелинейной (то есть реакция на внешнее воздействие не пропорциональна этому воздействию и регулирование системы происходит не только за счет положительных, но и отрицательных обратных связей) и непрерывно подпитывается за счет поступления энергии извне, то в соответствии законами неравновесной термодинамики она неизбежно будет саморегулирующейся. Характерной особенностью такой системы является наличие стационарного состояния с минимальным производством энтропии.
Как правило природные системы имеют устойчивые стационарные состояния, которые характеризуются тем, что если система подвергается каким-либо возмущающим воздействиям, то направленность процессов и потоков в ней становится такой, чтобы вернуть ее к стационарному состоянию. Если внешнее возмущающее воздействие значительно, то происходит потеря устойчивости, и возможна «катастрофа» - переход системы в некоторое новое стационарное состояние. Наиболее полно это свойство систем изучается в теории катастроф, которая имеет широкий спектр приложений в прикладной механике (Арнольд В.И., 1972, Томпсон Дж.М.Т., 1985).
Идеи синергетики позволяют глубоко исследовать динамические свойства открытых систем, их эволюцию, появление упорядоченных сложных структур из менее упорядоченных и более простых, понять сам процесс самоорганизации - спонтанное возникновение пространственно временных структур в системе при ее переходе от равновесных условий к сильно неравновесным (Гапонов-Грехов А.В., Рабинович М.И., 1981).
В последнее время теории самоорганизации и устойчивости систем стали также широко привлекаться для анализа таких сложных систем как «почва» и «почва-растение». Почва является открытой системой со множеством положительных и отрицательных обратных связей, которые обуславливают нелинейность ее отклика на внешние воздействия. Кроме этого, функционирование почвенных процессов поддерживается поступлением солнечной энергии, что обеспечивает их неравновесные состояния вдали от термодинамического равновесия. Таким образом, почвенные системы, как и большинство природных систем, способны к саморегуляции и поддержанию некоторых стационарных состояний почвенных режимов. Аналогичные утверждения справедливы и в отношении агроэкосистемы в целом.
Методика проведения исследований и обобщения экспериментальных данных для калибровки и апробации моделей
Калибровка и апробация разрабатываемых моделей отклика почвы и растений на калийные удобрения, а также разработка новых методов оценки калийного режима почв проводилась с использованием экспериментальных данных, полученных в полевых, микрополевых, вегетационных и лабораторных исследования, а также по результатам обобщения данных многолетних полевых опытов на черноземах. Лабораторные исследования проводились с целью:
-количественной оценки нового агрохимического параметра (фиксации -высвобождения В), предложенного на основе модели трансформации форм калия в почве для характеристики констант скоростей фиксации и высвобождения калия;
- создания заданных уровней обеспеченности почв по калию;
-оценки почвенных и растительных параметров модели для калибровки модели отклика почвы и растений на калийные удобрения.
1. Количественную оценку нового параметра В, характеризующего соотношение констант фиксации и высвобождения, можно дать, рассматривая процесс высвобождения калия, или, наоборот, его фиксацию (Karpinets Т.V., 1992).
Для определения параметра фиксации-высвобождения В предложен новый метод его оценки (А.С. N 4050956/30 -15), который предполагает проведение двух последовательных экстракций обменных форм калия одним из известных методов (например, для черноземов и серых лесных почв удобно использовать методы Чирикова-0.5н СН3СООН, или Масловой - 1н CH3COONH4). После первой экстракции образец почвы высушивается на фильтре до воздушно сухого состояния, и в нем проводится повторное определение обменных форм с использованием того же метода. Если исходное содержание обменного калия равно Ко, а содержание обменных форм после второй экстракции К1, параметр В можно вычислить по формуле (Karpinets T.V., 1992): В = (Ко-К1)/Ко (2.1)
Другим возможным подходом к оценке параметра фиксации-высвобождения В являются эксперименты с добавлением в почву известного количества калия с использованием формулы: Кр = Ко + В ЛК, (2.2)
Зная исходное содержание обменного калия в почве(Ко) и равновесное (Кр), после добавления известного количества калия (ЛК), по этим трем показателям можно рассчитать параметр В: В = (Кр-Ко)/ДК (2.3)
Значения этого параметра, определяемые первым и вторым методом, будут близки в том случае, если состояние почвы близко к стационарному (раздел 3.2) и будут отличаться, если почва значительно истощена в отношение калия или, напротив, имеет высокий, искусственно созданный уровень обменных форм этого элемента.
В лабораторных опытах определение показателя фиксации-высвобождения проводилось как методом добавления известных количеств калия, с использованием формулы (2.3), так и посредством повторных экстракций, в соответствии с формулой (2.1).
2. Для создания заданных уровней калия в лабораторных условиях использовалась почва, чернозем типичный среднесуглинистыи, которая имела следующие агрохимические показатели плодородия: содержание гумуса 5.41%, сумма поглощенных оснований 27.4 мг-экв/100г, рН 5.04, гидролитическая кислотность 6.58 мг-экв/ЮОг, исходное содержание подвижных форм калия (по Чирикову) 4.8 мгКгО/ЮОги обменных форм (по Масловой) 13.0 мг К20/100г.
Модель трансформации форм калия в почве и ее качественный анализ
Модель калийного режима в системе «почва-растение»
Основным условием использования теории самоорганизации для анализа сложных систем, и калийного режима в частности, является построение адекватных их математических моделей.
В соответствии с современными представлениями, изложенными в главе I, калийный режим в почве представляет собой сложный многоструктурный процесс и может в первом приближении рассматриваться как совокупность сопряженных последовательных и параллельных реакций между формами почвенного калия, для которых справедливы законы физической химии.
В качестве приближенной схемы, отражающей основные закономерности превращения форм калия в почве, предлагается рассмотреть последовательность реакций, приведенных на рис. 3.1.1 (D.L. Sparks, 1987), как в наибольшей степени удовлетворяющих уже известным экспериментальным данным и теоретическим закономерностям.
Рассмотрим каждый из четырех процессов, включенных в данную схему, более детально с точки зрения их возможных механизмов, скорости протекания и математического описания.
1, Выветривание калийсодержащш почвенных минералов. Известно (W.H. Huang et all, 1968, НИ. Горбунов, 1978, СТ. Rich, 1972), что в результате этого процесса минеральные формы почвенного калия, связанные ковалентно в кристаллических решетках слюд и полевых шпатов, удаляются из них в обмен на другие гидратированные катионы, что приводит к трансформации минералов в более выветрелые формы. Константа скорости этого процесса имеет довольно высокое значение, поэтому минеральный калий слабо доступен растениям. Хотя в почвах со слабовыветрелым скелетом, с высоким содержанием калиевых полевых шпатов и слюд, а также в процессе эрозии, высвобождение калия из минеральных форм может быть значительным (D.D.Oelsligle et all, 1975, D.L. Sparks, 1980). Еще более медленно идет обратный процесс кристаллизации минералов в более выветрелые формы (N.J. Volk, 1933, Н.И. Горбунов, 1978), поэтому в приведенной схеме он не учитывается.
Рис. 3.1.1. Схема трансформации форм калия в почве. Ksoi — калий почвенного раствора; Кехсп — калий обменный; Kfyed — калий необменный; kj , к2 - константы скоростей прямой и обратной реакции обмена между калием почвенного раствора и обменным: Ь , к4 — константы скоростей прямой и обратной реакции фиксации-высвобождения между необменными и обменными формами почвенного калия: Kmmemi - общий запас минеральных форм калия в почве; кттгга\ — скорость минерализации; k[eached — константа скорости выщелачивания; К input - поступление калия из окружающей среды и с растительными остатками; KUpta e - вынос калия растениями.
Модель взаимодействия доступных форм фосфора и калия при формировании урожая сельскохозяйственных культур
Для эффективного управления плодородием почв по содержанию подвижных форм фосфора и калия с учетом лимитирующего элемента важно иметь модель их взаимодействия при формировании урожайности сельскохозяйственных культур, на основе которой можно установить устойчивые функциональные связи урожайности с содержаниями подвижных форм этих элементов и определить их оптимальное соотношение в почве.
В настоящее время при разработке моделей плодородия почв, а также дифференцированных с учетом почвенного плодородия рекомендаций по внесению удобрений и определения оптимальных содержаний питательных элементов в почве в основном используют статистические связи между показателями плодородия и урожайностью сельскохозяйственных культур, полученные на основе анализа соответствующих экспериментальных данных (Богдевич И.М. и др. 1985, Огребков И.М., Кирикой Я.Т. и др., 1985, 1988, Шишов Л.Л. и др., 1987, Аникст Д.М. и др., 1988, Попова М.В., Сокорев Н.С., 161 1988, Сдобникова О.В. и др., 1988). Для описания этих связей предложены различные математические уравнения (Mitscherlich Е.А., 1909, Bray R.H. 1944, Hildreth C.G., 1957, Mombiela F. et al., 1981, Южаков А.И., 1988, Murugappan V., Kothandraraman G.V., 1989). Поскольку выбор математической модели для описания варьирования урожайности в большинстве случаев осуществляется чисто интуитивно, критериями выбора являются соответствие характера математической зависимости экспериментальным данным, а также теснота и достоверность связи между расчетными и фактическими значениями урожайности. Причинные связи между переменными при этом, однако, не вьывляются, и не учитываются фундаментальные закономерности воздействия факторов плодородия на урожайность, которые, собственно, и определяют характер ее связи с показателями плодородия.
Преимуществом математических связей, полученных на основе фундаментальных закономерностей, является то, что они всегда будут иметь функциональный характер, то есть коэффициенты математической модели фактически будут являться некоторыми почвенными параметрами, характеризующими заложенную в основу модели закономерность. В этом случае на основе статистической обработки данных в соответствии с разработанной «функциональной» моделью возможна также количественная оценка закономерностей воздействия факторов плодородия на урожайность.
Использование статистических моделей, включающих наиболее существенные устойчивые связи между исследуемыми факторами, которые отражают фундаментальные законы природы, позволяет также выяснить характерные черты моделируемой системы почва-растение, глубже понять ее свойства и выбрать наиболее оптимальную стратегию управления почвенным плодородием посредством внесения минеральных удобрений.
Общий подход к разработке эмпирических моделей подобного вида, с различными целями, развивался Greenwoood D.J. et all. (1984), Cox F.R. et all. (1981), Фридом A.C. (Фрид A.C., Прохорова 3.A., 1986, Прохорова 3.A., Фрид A.C. и др., 1989, Фрид А.С., 1990), и рядом других авторов. С использованием этого подхода, например, в последнем случае, показано, что нормативы внесения удобрений для повышения содержания подвижных фосфатов почвы должны зависеть от имеющегося их уровня, а также времени, необходимого для этого повышения .
С практической точки зрения представляет интерес выявление устойчивых функциональных связей урожайности с доступными формами фосфора и калия в почве. Содержание этих элементов в почве является наиболее устойчивым, с одной стороны, и поддается регулированию посредством запасного внесения минеральных удобрений, с другой (Постников А.В., Шафран С.А., 1980, Шафран С.А., 1984). Кроме этого, данные показатели дают наиболее тесную связь с урожайностью сельскохозяйственных культур (Постников А. В. и др., 1988) и являются основными, контролируемыми показателями для этих режимов в системе агрохимслужбы.