Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Постановка задачи управления технологическими процессами сельскохозяйственного производства с учетом риска возникновения чрезвычайных ситуаций 8
1.1. Проблема возникновения чрезвычайных ситуаций в сельскохозяйственном производстве 8
1.2. Анализ проблемы управления технологическим процессом в растениеводстве 11
1.3. Принципы управления технологическим процессом сельскохозяйственного производства с позиций адаптивно-ландшафтного земледелия 13
1.4. Влияние антропогенной деятельности на состояние компонентов агроландшафта 18
1.5. Информационные системы управления технологическим процессом .22
1.6. Постановка задачи управления технологическим процессом с учетом риска возникновения чрезвычайной ситуации 27
ГЛАВА 2. Объект и методы исследований 38
2.1. Характеристика объекта исследований 38
2.2. Методика полевых и лабораторных исследований 42
2.3. Методические аспекты применения имитационных моделей ...47
ГЛАВА 3. Информационное обеспечение системы управления 53
3.1. Агроэкологический мониторинг 53
3.2. Описание и модификация модели агроценоза 61
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований и реализация задачи управления 81
4.1. Идентификация параметров блока "эффетивные осадки" в модели агроценоза 81
4.2. Использование модели агроценоза для расчета продуктивности и выноса биогенных элементов в грунтовые воды 90
4.3 Комплексная оценка экологического состояния агроландшафта 108
4.4. Реализация задачи управления технологическим процессом с учетом риска возникновения чрезвычайной ситуации 121
Заключение 141
Общие выводы 146
Литература 148
- Принципы управления технологическим процессом сельскохозяйственного производства с позиций адаптивно-ландшафтного земледелия
- Постановка задачи управления технологическим процессом с учетом риска возникновения чрезвычайной ситуации
- Методические аспекты применения имитационных моделей
- Использование модели агроценоза для расчета продуктивности и выноса биогенных элементов в грунтовые воды
Введение к работе
Актуальность исследований. Современное экологическое состояние сельскохозяйственного земельного фонда России можно оценить как критическое, обусловленное усилением процессов деградации почв, что представляет реальную угрозу продовольственной, а значит и национальной безопасности страны. Деградация почв является прямым результатом деструктивной трансформации ландшафта, изменения направленности и интенсивности потоков веществ и энергии в процессе замещения природных фитоценозов агроценозами. При деградации ландшафта происходит разрушение его структуры, снижается или утрачивается способность к самовосстановлению и воспроизводству ресурсов. Прогрессирующее развитие процессов деградации агроландшафтов приводит к нарушению естественых биологических циклов, снижению плодородия, загрязнению почв и сельскохозяйственной продукции токсичными веществами (Г.А. Романенко, И.П. Айдаров, А.И. Голованов, Н.В. Комов, В.И. Кирюшин, А.П. Щербаков, В.М. Володин).
Антропогенная деятельность является одним из самых мощных факторов, влияющих на экологическое состояние агроландшафтов. Почвенный покров сельскохозяйственных угодий России к настоящему времени практически весь трансформирован и подвержен различным видам деградации. Высокая распаханность, низкая облесенность и обводненность пахотных земель, неухоженность сенокосов и пастбищ, низкая культура земледелия привели к потере агроландшафтами и почвой присущих им свойств саморегуляции и устойчивости.
В настоящее время большинство ученых и специалистов-практиков приходят к выводу, что развитие сельскохозяйственного производства не должно идти в направлении "покорения" природы, а базироваться на принципах и законах ее строения и функционирования. Практика "революционных наскоков" на природу постепенно уступает место действиям, предполагающим эволюционное управление технологическим процессом сельскохозяйственного производства на уровне агроландшафта с учетом особенностей систем земледелия (И.П. Айдаров, А.А.Жученко, В.А. Крвда, И.В. Усков, Б.Б. Шумаков). В этой связи управление технологическим процессом производства необходимо строить на принципах адаптивно-ландшафтного земледелия с учетом складывающейся экологической ситуации, не допуская возникновения необратимых негативных процессов. Актуальность исследований в области создания принципиально новых информационных систем управления технологиями растениеводства, ориентированных не только на получение заданных объемов продук- ции, но и на сохранение и повышение плодородия почв, поддержание благоприятного состояние агроландшафта, обусловлена жесткими экологическими требованиями и экономическими ограничениями, предъявляемыми к современному сельскохозяйственному производству.
Цель исследований - разработка принципиальной схемы управления технологиями выращивания сельскохозяйственных культур и создание информационных инструментальных средств, позволяющих учитывать экологического состояние составляющих агроландшафта, особенности агротехнологий и природных процессов, для выработки адекватных управляющих воздействий, не допускающих развития деградации почв и возникновения чрезвычайных ситуаций.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи: выявление причин деградации почвенного покрова и условий возникновения чрезвычайных экологических ситуаций в процессе сельскохозяйственного производства; анализ существующих систем управления агротехнологиями и постановка задачи управления процессами производства продукции растениеводства на основе использования современных информационных технологий и инструментальных средств; постановка экспериментальных исследований и оценка влияния антропогенной нагрузки на процессы водного и солевого обмена в системе "почва-растение-атмосфера" при выращивании многолетних трав в условиях орошения; изучение и анализ модели почвенного плодородия и имитационной модели агроценоза; модификация водного блока модели агроценоза по результатам натурных исследований; разработка принципов комплексной оценки экологического состояния агроландшафта для идентификации условий возникновения чрезвычайной ситуации; разработка структурной схемы управления технологическим процессом производства продукции растениеводства при орошении с учетом экологического состояния агроландшафта, величины антропогенной нагрузки и результатов прогноза условий возникновения чрезвычайной ситуации; создание принципиальной схемы реализации информационной технологии управления процессом выращивания сельскохозяйственных культур с использованием оптимизационной задачи, имитационной и статистической моделей и данных агроэкологического мониторинга'.
Научная новизна исследований заключается в разработке новых информационных технологий и инструментария для управления процессом производства растениеводческой продукции, ориентированных на использование моделей почв и агроценоза, данных агроэкологического мониторинга, что позволяет создать условия для получения заданных объемов продукции, предупредить необратимую деградацию почвенного покрова и предотвратить негативное воздействие сельскохозяйственного производства на окружающую среду.
Впервые предложено использовать имитационную модель агроценоза для анализа экологического состояния элементов агроландшафта, включая почвы, грунтовые и поверхностные воды. Модифицирован водный блок модели агроценоза, позволяющий оценить поступление влаги в почву с осадками и при дождевании в зависимости от их интенсивности и продолжительности. По результатам натурных исследований получена зависимость скорости впитывания от исходной, влажности почвы, продолжительности и интенсивности дождя, а также от состояния травостоя.
Разработан метод комплексной оценки экологического состояния почвы и открытых водных систем и риска возникновения чрезвычайной ситуации, базирующийся на использовании статистической модели почвенного плодородия и данных агроэкологического мониторинга.
Реализована новая принципиальная схема управления технологическим процессом на примере выращивания многолетних трав на серых лесных почвах при орошении с учетом экологических и экономических требований и ограничений.
Практическая значимость работы состоит в том, что предложен новый подход и инструментарий, обеспечивающий специалистов-аграриев необходимой информацией для принятия рациональных решений по управлению технологическим процессом выращивания сельскохозяйственных культур, предотвращению необратимой деградации почв и риска возникновения чрезвычайных экологических ситуаций. Реализация предложенной схемы управления позволила разработать оптимальный режим орошения, обеспечивающий снижение антропогенной нагрузки и продление срока эксплуатации орошаемых земель.
Основные положения, выносимые на защиту. метод комплексной оценки экологического состояния агроландшафта и риска возникновения чрезвычайной ситуации, базирующийся на использовании статистической модели почвенного плодородия и данных агроэкологического мониторинга; зависимость скорости впитывания дождя от его интенсивности и продолжительности, состояния почвы и растительного покрова; режим орошения многолетних трав, обеспечивающий допустимую антропогенную нагрузку на агроландшафт и плановый срок эксплуатации орошаемых земель; принципиальная схема управления технологическим процессом выращивания сельскохозяйственных культур, основанная на использовании статистической модели почвенного плодородия и имитационной модели агроценоза, позволяющая реализовать технологический режим производства, обеспечивающий получение заданных объемов продукции и предотвращение негативного влияния сельскохозяйственного производства на состояние агроландшафта.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на ежегодных научно-практических конференциях МГУ природообустройства (2000-2002), на I международной конференции "Деградация почвенного покрова и проблемы агро-ландшафтного земледелия" в г. Ставрополе (2001 г.), на международной конференции "Экологические проблемы мелиорации" посвященной 115-летию со дня рождения А.Н.Костякова и др.
Реализация результатов исследования. Производственная проверка схемы управления и внедрение оптимального режима орошения проводилось в 2001 г. в учхозе "Стенькино" Рязанского р-на на площади 30 га. Предложенный режим орошения (оросительная норма не превысила 2000 м3//га) позволил получить урожайность трав не ниже, чем в случае применения зональных режимов орошения (оросительные нормы от 2500 до 3000 м3//га).
Результаты исследований были использованы в учебном процессе при проведении занятий по курсу "Безопасность жизнедеятельности" в Московском государственном университете природообустройства.
Публикации. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, опубликованы в 11 печатных работах.
Объем работы. Диссертация содержит 159 стр. основного текста, 41 рисунок, 35 таблиц и состоит из введения 4-х глав основного текста, заключения, выводов; библиография включает 163 наименований источников отечественной и зарубежной литературы.
Принципы управления технологическим процессом сельскохозяйственного производства с позиций адаптивно-ландшафтного земледелия
В земледелии, как показывает практика последних лет, на первый план выдвигается проблема долговременного и эффективного использования природных ресурсов и, в первую очередь, почвенного плодородия сельскохозяйственных угодий с целью обеспечения устойчивого экономически целесообразного производства сельскохозяйственной продукций. Ситуация, связанная с низкой эффективностью использования минеральных удобрений, сельскохозяйственной техники и водных ресурсов, стимулировала появление большого количества исследований по проблеме программирования урожаев и определила необходимость создания систем управления процессом формирования урожая [38, 84].
Теория программирования урожаев сельскохозяйственных культур, оперируя такими категориями, как потенциальный урожай (ПУ), действительно возможный урожай (ДВУ) и производственный урожай, позволяет на основе анализа радиационного, теплового, водного и пищевого режимов посева оценить потенциальные возможности получения урожаев сельскохозяйственных культур в конкретных поч-венно-климатических условиях [74, 136]. Однако при этом антропогенная нагрузка на агроландшафт не учитывается. Почва рассматривалась, по существу, в качестве пористой твердофазной среды, для которой пищевой и влажностный режим могут быть обеспечены средствами химизации и мелиорации.
Опыт земледелия в СССР в 80-х годах прошлого века показал, что повсеместное использовании интенсивных технологий выращивания урожая ведет к прогрессивно возрастающим затратам на сельскохозяйственное производство и вместе с ростом урожайности (кратковременным) наблюдается угрожающее ухудшение состояния природной среды, утрата почвенного плодородия [73, 144].
Внимание исследователей различного профиля знаний было сосредоточено на изучении вопросов комплексного регулирования факторов жизни растений [14, 61, 99, 140] как основы создания интенсивных технологий выращивания сельскохозяйственных культур. К сожалению, в этих исследованиях экологические аспекты сельскохозяйственного использования земель не принимались во внимание, фактор интенсификации технологических процессов не соизмерялся с "экологической емкостью" агроландшафта. Результатом такого подхода к интенсификации технологий явилось возрастание колебаний урожайности (одновременно с ее ростом), массовые проявления деградации почв, особенно орошаемых черноземов [146].
Проблема управления технологическим процессом выращивания сельскохозяйственных культур базируется на основных положениях и принципах интенсивно развивающейся в последние десятилетия науки управления сложными динамическими системами. Поэтому ряд теоретических положений и методических подходов, используемых при разработке автоматизированных систем управления технологическими процессами выращивания урожая сельскохозяйственных культур заимствованы из общей и частных теорий управления. В частности, для эффективного управления такой системой как агроценоз, знание переменных состояния этой системы (в режиме реального времени) на момент принятия решений оказывается недостаточным, поэтому возникает необходимость создания динамической модели объекта управления [103, 118].
Попытки создания оптимальных технологии выращивания сельскохозяйственных культур предпринимаются многими исследователями; только за последние 10-15 лет разработаны и изданы десятки методик по оптимальному возделыванию различных сельскохозяйственных культур. Однако даже лучшие из этих методик, в которых детально регламентирован процесс разработки технологических карт, в значительной мере условны (особенно для богары), поскольку ориентированы на средние метеоусловия и, в основном, на усредненные показатели почвенного плодородия.
Постановка задачи управления технологическим процессом с учетом риска возникновения чрезвычайной ситуации
Отдельные негативные и побочные последствия хозяйственной деятельности оказывают сдерживающее влияние на рост объемов сельскохозяйственной продукции. На локальном уровне (агроценоз, севооборот, хозяйство) эта взаимозависимость приводит к необходимости планирования и реализации на территории аг-роландшафта специальных почвозащитных, мелиоративных и других экологически значимых производственных мероприятий, выходящих за рамки штатных технологических операций, составляющих производственный цикл и, следовательно, требующих дополнительных ресурсных затрат.
Подобные внеплановые эколого-производственные ситуации будем называть чрезвычайными, поскольку они не регламентируются в хозяйственных планах по времени возникновения. Ликвидация их последствий выходит за рамки основной производственной деятельности хозяйства. Поэтому проблема рационального использования природных ресурсов агроландшафта, предотвращения их деградации и загрязнения привлекает в настоящее время пристальное внимание как отечественных, так и зарубежных ученых и специалистов - экологов, аграриев, почвоведов. Особое значение она приобретает на стадии планирования крупномасштабных проектов, связанных с изменением характера землепользования, мелиорацией, внедрением интенсивных технологий; способных вызывать значительные изменения в состоянии окружающей природной среды.
При подготовке такого рода проектов, в том числе при планировании технологии выращивания сельскохозяйственных культур, необходимы всесторонний анализ и оценка возможных последствий осуществляемых мероприятий и, в частности, влияния технологических операций на процессы деградации почв; такой анализ должен основываться на всей совокупности знаний о современном состоянии природных и технических систем, закономерностях эволюции почв и трансформации агроландшафтов.
Современные представления об управлении технологическим процессом выращивания сельскохозяйственных культур (управление продуктивностью агроцено-за, системой "почва-растение-атмосфера"), предполагают использование большого объема информации об экологической обстановке в агроландшафте, состоянии почв, природных вод и, кроме того, данных о посевах, гидрологических условиях и др. Для этого необходимо специальное математическое и техническое обеспечение, позволяющее непрерывно регистрировать состояние объекта управления и принимать решения об управляющих воздействиях для создания наилучших условий развития агроценоза и получение требуемого урожая. Наиболее перспективный инструментарий - микропроцессорные мониторинговые системы, имитационные и ин 29
формационные модели почв, агроценозов, экологических систем и природно-территориальных комплексов, а также интерактивные информационные системы принятия решений [34, 98, 110, 114].
Оценка экологической ситуации в геосистеме любого уровня строится на данных мониторинговых систем, т.е. путем последовательной оценки состояния почв, грунтовых вод, открытых водных систем, а также природных экосистем и агроценозов (продуктивность качественный состав, разнообразие). Изменение ситуации и чрезвычайное экологическое положение может возникать при загрязнении воды, почв, воздуха в результате экзогенных поступлений промышленных выбросов, природных катаклизмов - наводнения, бури (ветровая эрозия и др), а также в результате воздействия факторов сельскохозяйственного производства (большие площади монокультур, вредители, большие дозы удобрений, ядохимикатов, подтопления территории, эвтрофикации водоемов и др.). Риск возникновения чрезвычайной ситуации связан с устойчивостью агроландшафта и интенсивностью производства.
Задачу управления технологиями сельскохозяйственного производства с учетом риска возникновения чрезвычайной ситуации представим следующим образом. Для интегральных показателей состояния агроландшафта или его элементов зададим области их существования. Тогда с помощью таких обобщенных (интегральных) показателей можно описать динамику системы [98]. Обозначим вектор внешних воздействий через и, вектор интегральных состояний системы (вектор системообразующих факторов) - х, конечное число состояний системы через N, так что каждое состояние имеет свой номер п = 1, 2, ..., N. Каждое состояние однозначно характеризуется набором векторов Хп, так что хп є Хп , где верхний индекс (і) означает номер системообразующего фактора, а нижний - номер состояния. Поясним это на примере, пусть при і = 5, х5 - содержание подвижного азота в почве, а п = 1 - состояние в зимний период, тогда Х51 - диапазон содержания азота в почве в зимний период. Тогда ХП - представляет собой таблицу, в клетках которой записаны интервалы значений. Эта таблица будет иметь N строк по числу состояний и і столбцов по числу системообразующих факторов. Матричного типа модели разрабатываются почвоведами; в моделях в виде таблицы представлены характеристики эталонов почвенного плодородия для разного типа почв и их состояний [111]. Вектор х в модели изменяется дискретно, что зависит от временного интервала мониторинга, например, раз в год, и по новым значениям хп матрицы ХП оценивается состояние системы.
В экологической оценке состояния агроландшафта нами предлагается использовать основные показатели эталонного и допустимого состояния почв, дополненного некоторыми интегральными показателями состояния агроландшафта (продуктивность агроэкосистем, уровень и минерализация грунтовых вод, содержание в почве тяжелых металлов, загрязнение открытых водных систем биогенными веществами и др.).
Значения элементов вектора х, будут изменяться во времени, причем эти изменения зависят от состояния системы в предыдущий момент времени xt, внешних воздействий ut, и состояния системы, охарактеризованного номером п. Тогда динамику состояния системы в единичный временной шаг представим уравнением: Xt+i =A(xt, nt, ut); (1.1)
где A - некоторый оператор перехода состояния системы по фактору х , при этом х„ є Хп Если в результате очередного перехода по регистрируемым (фактическим) значениям вектора состояния х найдется, хотя бы один системообразующий фактор х t+At , такой что его значение не попадает в диапазон эталонных (допусти-мых)значений, то переход системы в новое состояние будем оценивать как сопровождающийся чрезвычайной ситуацией. В этом случае, кроме плановых воздействий (агротехнических, мелиоративных и других мероприятий), влияние которых учитывается вектором ut, формируется новое воздействие, направленное на ликвидацию создавшегося положения и, кроме того, разрабатывается новый агротехнологи-ческий комплекс, предусматривающий снижение антропогенной нагрузки на агро-экосистему.. Уровень снижения антропогенный нагрузки оценивается по динамике продуктивности агроценозов.
Методические аспекты применения имитационных моделей
Прогностические возможности имитационных моделей агроценозов позволяют использовать их в системах управления технологическими процессами сельскохозяйственного производства и в системах мониторинга состояния природной среды. Для расчета водного баланса почвы, величины транспирации и эвапорации, ин-фильтрационного и поверхностного стока и по участкам территории с различным видом землепользования (пашня, пастбище, лес), а также для прогнозирования продуктивности агроценоза и выноса в грунтовые воды биогенных элементов использовалась имитационная модель фитоценоза "АМПРА", разработанная во ВНИИГиМ Ю.П. Добрачевым [34, 40].
Модель "АМПРА" (Авторегуляторная Модель Почва-Растение-Атмосфера) состоит из двух блоков: блока, описывающего состояние среды и, в частности, эпюры влажности почво-грунтов в зоне аэрации; блока, описывающего рост и развитие растений в зависимости от радиационного, теплового и водного режима. [40].
Математическая структура модели сформирована в виде комплекса теоретических, полуэмпирических и эмпирических уравнений, полученных на основе многочисленных полевых экспериментов и теоретических положений экологической физиологии растений. Функциональная структура модели является отражением современных научных представлений о физиологических, морфологических, трофических аспектах и архитектоники развивающегося растения. Блок-схема модели представлена на рисунке 2.5.
Расчеты продуктивности фитоценозов и динамических характеристик состояния внешней среды выполняются с использованием информации, характеризующей агрофизические и агрохимические свойства почв и непрерывного ряда суточных значений метеоэлементов регистрируемых автоматической метеостанцией. Методической основой численных экспериментов с использованием имитационной модели является теория постановки сценарных исследований природных систем, предполагающая не только количественный, но и качественный анализ получаемых решений, использование продолжительных временных интервалов и больших временных рядов информации, а также проведение испытаний в широком диапазоне внешних условий.
Учитывая, что любая модель не может быть точной копией реального объекта, а есть лишь приближенное отражение уровня наших знаний о нем, естественно ожидать, что вряд ли сразу можно построить эффективную модель (или систему моделей) для решения в достаточно полном объеме такой сложной задачи, какой является исследование процессов взаимодействия хозяйственной деятельности и природной среды в агроландшафте. Вместе с тем в настоящее время имеется достаточно много примеров удачного использования математических моделей в задачах рационального природопользования, учитывающих особенности промышленного и сельскохозяйственного производства [8, 29, 40].
В процессе построения комплексной модели, как правило, выявляются основные информационные потребности специалистов различных дисциплин, раскрываются в содержательном плане взаимосвязи между различными аспектами изучаемой проблемы [115, 163]. Таким образом, модель выступает в качестве интегрирующей части на всех этапах решения поставленной задачи.
Рассмотрим традиционные методические этапы, необходимые при разработки имитационной модели сложной системы [102, 117]:
-словесное описание системы, ее границ и тех целей, на достижение которых ориентируется модель;
-точная постановка задачи: выбор переменных, определение взаимосвязей между ними;
-построение алгоритма функционирования системы и соответствующей компьютерной программы;
-испытание модели путем многократной прогонки на компьютере, анализ результатов моделирования.
Каждый из этих этапов имеет свои особенности и его выполнение целесообразно осуществлять в указанной выше последовательности. При моделировании процессов взаимосвязи хозяйственной деятельности и окружающей среды основной целью должна быть оценка его последствий и в первую очередь — оценка опасности загрязнения элементов агроландшафта (почв, подземных и поверхностных вод), а также оценка ущерба связанного с деградацией почв от чрезмерной антропогенной нагрузки на агроландшафт. Говоря об опасности загрязнения окружающей среды, деградации почв, разрушении природных экосистем и негативной трансформации агроландшафта целесообразно рассматривать эти вопросы на трех масштабных уровнях: локальном, региональном и глобальном: Так, резкие, опасные повышения концентраций загрязняющих веществ могут наблюдаться в местах, локализованных вблизи источников и, как правило, в тех средах, которые непосредственно загрязняются.
Однако в региональном и глобальном масштабах обязательно следует учитывать возможность вторичного загрязнения вследствие миграции загрязняющих веществ из одной среды в другую. Здесь возникают ситуации, когда опасность выбросов определяется не столько загрязнением той среды, куда непосредственно происходит выброс, сколько вторичным загрязнением других сред (при миграции и химических превращениях загрязнителя) [18]. Моделирование крупномасштабного загрязнения в некоторых случаях можно значительно упростить, обратив внимание именно на процесс перехода загрязняющих веществ из одной среды в другую.
Эти глобальные модели включают в себя небольшое число параметров и лишь такие из них, порядок величины которых или достаточно надежно известен, или может быть определен экспериментально. По-видимому, такой подход в определенном смысле более плодотворен, чем учет многочисленных связей, если нет возможности дать для их описания соответствующие количественные оценки.
Использование модели агроценоза для расчета продуктивности и выноса биогенных элементов в грунтовые воды
Использование динамической модели агроценоза в мониторинговых исследованиях, направленных на анализ и прогнозирование экологической ситуации в агро-ландшафте, прежде всего, открывает новые возможности для анализа процессов, связанных с водным режимом агроценоза, затрагивающим в той или иной мере деградацию почв и загрязнение окружающей среды при сельскохозяйственном использовании земель.
Поскольку основной транспорт различных форм биогенных элементов в агро-ландшафте вызывается водными потоками, можно выделить два контура взаимосвязанных процессов, обусловливающих миграцию различных биогенных элементов - процессы круговорота веществ в агроценозе и цепочку гидрологических процессов, связывающих малый и большой геохимические циклы [17, 19, 95]. Совместное использование моделей гидрологических процессов с агроценотическими моделями позволяет выявить ряд существенных особенностей влияния сельскохозяйственного производства, а также осушительной и увлажнительной мелиорации на миграцию веществ в пределах ландшафта и загрязнение водотоков биогенными веществами.
Динамическая модель агроценоза позволяет определить ряд функций, используемых в цепи гидрологических моделей, в частности: перехват осадков растительностью, испарение с поверхности почвы (эвапорацию), вынос влаги в атмосферу из ненасыщенного почвенного слоя в результате транспирации, поглощение корнями растений влаги из ненасыщенной зоны, инфильтрационное питание насыщенной зоны, аккумуляцию питательных веществ в растительной биомассе и др. [40, 102,117].
Для анализа адекватности функционирования модифицированной модели агроценоза многолетних трав проведена серия полевых, лизиметрических и численных экспериментов для условий Рязанского р-на Рязанской области для серых лесных и подзолистых супесчаных почв (лизиметрические станции учхоза «Стенькино» и ОПХ «Полково» в 1995-2000 гг.). Основное внимание было уделено изучению водного обмена агроценоза и процессам миграции биогенных веществ.
Экспериментальные данные по водному обмену многолетних трав и яровой пшеницы получены в1996-1998 гг., поэтому основная часть численных экспериментов проводилась по агрометеоусловиям этих лет. Для формирования входного пакета агрометеорологической информации условий вегетационных периодов (май-сентябрь) 1996, 1997, 1998г.г. были использованы данные метеостанции г. Рязань, Мещерского филиала ВНИИГиМ и собственные регулярные наблюдения, проводимые на лизиметрической площадке в соответствии с рекомендациями гидрометеослужбы.
Анализ метеоусловий за периоды вегетации 1995-1998 гг. показал, что названные годы отличаются по тепловлагообеспеченности. Так, вегетационный период 1996 г. по сумме осадков был засушливым (Р=75%), 1997 г. - близким к норме (Р=50%), 1995 и 1998 г. - влажные (Р=25-30%). По теплообеспеченности 1996 г. является средне теплым, 1995 и 1997 г. - близкими к норме, 1998 г. -жарким.
Анализ метеоусловий показал, что периоды исследования охватили наиболее характерные и типичные климатические условия для данного региона по тепловлагообеспеченности. Среднедекадные значения метеоэлементов погодных условий вегетационных периодов 1996-1998 гг. представлены в табл.4.2, 4.3 и 4.4
По представленным метеорологическим условиям и почвенным условиям, соответствующим характеристикам лизиметра (глубина до водоупора 1,5 м) поставлена серия численных экспериментов с варьированием режима орошения и оросительной нормы. Результаты по динамике формирования урожая многолетних трав (динамика фотосинтеза, фотосинтетического потенциала, фенологического развития, нарастания площади листьев, водного статуса посева, влажности занятого корнями слоя почвы, продуктивности укосов и инфильтрационного обмена) без орошения и при орошении представлены на рис. 4.8-4.12.
Данные по урожайности многолетних трав, полученные в полевых опытах и в имитационных экспериментах в зависимости от оросительной нормы, представлены в табл. 4.5. Сравнение результатов расчета с фактическими данными показало, что реакция модели на режим орошения вполне адекватна - максимальная ошибка расчетов составляет около 10%.
Результаты определения составляющих водного обмена агроценоза многолетних трав на серых лесных почвах при орошении в лизиметрических и имитационных опытах представлены в табл. 4.6.
