Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В АГРОМЕТЕОРО-
ЛОГИИ
1.1. Агроэкосистема "картофель-вредитель-среда обитания" как объект математического моделирования 14
1.1.1. Системный подход к исследованию агроэкосистемы
1.1.2. Метеорологические и почвенные условия, определяющие динамику формирования урожая картофеля 18
1.1.3. Влияние метеорологических и почвенных факторов на развитие вредителей картофеля 25
1.2. Математические модели продуктивности агроэко-систем 30
1.3. Использование модели "Погода-урожай" (ВНИИСХМ) для прогноза урожая картофеля в Ленинградской области 34
1.4. Модели динамики численности популяций вредных насекомых в агроэкосистемах 41
1.5. Выбор структуры модели агроэко системы "картофель-вредитель-среда обитания " 46
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КІИМАТА ПОЧВЫ
КАРТОФЕЛЬНОГО ПОЛЯ 50
2.1. Модель динамики влажности почвенного профиля в почвах различного механического состава и сложения при различных условиях влагообеспе-ченности 50
2.2. Моделирование влияния на влагообмен изменений плотности почвы в складывающейся метеорологической обстановке 68
2.3. Математическое описание температурного режима почвы 74
2.4. Модель учета антропогенных воздействий на формирование климата почвы 78
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МИКРОКІИМАТА В РАСТИ
ТЕЛЬНОМ ПОКРОВЕ КАРТОФЕЛЬНОГО ПОЛЯ 83
3.1. Радиационный режим растительного покрова . 83
3.2. Впагоперенос в растительном покрове 92
3.3. Температурный режим растительного покрова . 95
ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ БИОТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ АГРОЭКОСИ-СТЕШ КАРТОФЕЛЬ-КОЛОРАЦСКИЙ ОТ-СРВДА ОБИТАНИЯ 100
4.1. Модель динамики биомассы картофельного растения 100
4.2. Модель динамики численности и возрастной структуры популяции колорадского жука - основного вредителя картофеля ИЗ
4.2.1. Модель динамики численности популяции колорадского жука при равномерном разбиении структуры популяции по возрастам
4.2.2. Модель динамики численности популяции вредителя с неравномерным распределением особей по возрастам 121
ГЛАВА 5. РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛИ АГРОЭКОСИСТЕМЫ НА ЭШ.-ПОСТАНОВКА И ПРОВЕДЕНИЕ ЧИСЛЕННЫХ ЭКСПЕРИ МЕНТОВ 132
5.1. Алгоритмическая и программная реализация модели агроэкосистемы "картофель-колорадский жук-среда обитания" на ЭВМ 132
5.2. Идентификация параметров модели и её агрометеорологическое обеспечение 136
5.3. Имитационные эксперименты на ЭВМ и анализ результатов моделирования 149
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 165
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 169
ПРИЛОЖЕНИЯ 194
- Агроэкосистема "картофель-вредитель-среда обитания" как объект математического моделирования
- Модель динамики влажности почвенного профиля в почвах различного механического состава и сложения при различных условиях влагообеспе-ченности
- Радиационный режим растительного покрова
- Модель динамики биомассы картофельного растения
- Алгоритмическая и программная реализация модели агроэкосистемы "картофель-колорадский жук-среда обитания" на ЭВМ
class1 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В АГРОМЕТЕОРО-
ЛОГИИ class1
Агроэкосистема "картофель-вредитель-среда обитания" как объект математического моделирования
В агробиоценозе картофельного поля осуществляются сложные межвидовые взаимодействия на разных трофических уровнях. Культурное растение (в данном случае картофель) служит основным продуцентом. Формирование урожая картофеля обусловлено условиями среды обитания. Популяции вредителей, среди которых мы выделяем колорадского жука, являются первичными консументами, а интродуцированные искусственно и естественные враги вредных видов - вторичными консументами. Поэтому для оценки вредоносности колорадского жука, т.е. меры воздействия вредителя на растение с учетом ответной реакции растения на повреждение [бб, 165 J , необходимо рассматривать функционирование всех компонентов агроэкосистемы и их взаимосвязь. Формирование урожая, динамика развития колорадского жука и энтомофагов существенно зависят от почвенно-климатических факторов, которые в ряде случаев могут иметь определяющее значение.
Другим видом влияния на систему извне является управление, осуществляемое либо по заранее разработанному плану, либо оперативно на основе данных о ходе процессов в агроэкосистемы. Под управлением мы понимаем любые агротехнические и защитные мероприятия, направленные на изменение характеристик агроэкосистемы. Оценивая эффективность агротехнических и защитных мероприятий в агробиоценозе, мы сталкиваемся с системой, в которой имеется большое количество взаимодействующих элементов, объединенных в подсистемы различных уровней. Функционирование каждой из подсистем подчинено конкретной цели. В системе предполагается осуществление управления, направленного на оптимизацию априорно выбранного функционала, значение которого зависит от состояния всей системы в целом. Система взаимодействует с внешней средой и функционирует в условиях случайных факторов. В соответствии с определением Бусленко [зз] , перечисленные признаки позволяют охарактеризовать описываемую систему как сложную.
Изучению сложных систем наиболее адекватно соответствуют методы системного анализа и имитационного моделирования. Системный анализ позволяет выявить общесистемные проблемы, обоснованно расчленить систему на взаимодействие элементы, выделить в системе главные процессы. Решение о том, какие процессы будут включены в модель и насколько детально они будут описаны, зависит от целей моделирования, требований к точности модели, полноты информации о моделируемых процессах и её доступности, от технических возможностей имеющейся в распоряжении разработчика ЭВМ и других объективных факторов. Имитируя на ЭВМ поведение системы в условиях, близких к реальным, можно практически реализовать любую программу исследования объекта.
class2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КІИМАТА ПОЧВЫ
КАРТОФЕЛЬНОГО ПОЛЯ class2
Модель динамики влажности почвенного профиля в почвах различного механического состава и сложения при различных условиях влагообеспе-ченности
Под климатом почвы в агрометеорологии понимается режим температуры и влажности почвы, меняющийся под влиянием климатических условий и антропогенных воздействий. При этом в значительной степени климат почвы определяется ее физическими и химическими свойствами [32, 93, 163J . Отметим, что применение термина "климат" в данном случае условно и не служит синонимом многолетнего режима погоды [93] .
В жизни растений климат почвы играет очень важную роль. Кроме того, он является одним из важнейших факторов, формирующих климат приземного слоя воздуха. Это свойство проявляется во влиянии подстилающей поверхности как климатообразующего фактора [32, 54, 93} Подстилающая поверхность непосредственно поглощает и отражает прямую и рассеянную в атмосфере солнечную радиацию и излучает длинноволновую. Здесь осуществляются процессы испарения, конденсации и т.д. Если растительный покров сомкнутый, то толщина деятельного слоя равна высоте растительного покрова. Если растительный покров отсутствует, то подстилающей поверхностью является поверхность почвы. При несомкнутом растительном покрове деятельной поверхностью являются и поверхность почвы, и растительный покров. На картофельном поле последняя ситуация реализуется до момента смыкания рядков.
В имитационных моделях продуктивности агроэкосистемы выбор математического описания процесса влагопереноса в почвенной толще определяет в конечном счете эффективность использования в практических целях всей модели продукционного процесса, поскольку влага - один из ведущих факторов жизнедеятельности растений.
В задачах математического описания влагообмена в почвах часто используются зависимости водно-физических характеристик почв и почвогрунтов от физических свойств почвы [47, 48, 98, 99, 116J . Учёт этих свойств при моделировании процесса влагопереноса расширяет область практического применения создаваемых моделей. Возникает возможность количественного учета влияния различных агротехнических мероприятий, изменяющих свойства почвы, на влаг о- и теплообмен, на водно-воздушный режим, а, следовательно, и на весь продукционный процесс в целом. Это особенно важно для пропашных культур, в частности, для картофеля, технология возделывания которых предусматривает серии специальных обработок в течение вегетационного периода.
Нами предлагается математическая модель динамики влаги в почвенном профиле с учетом таких физических характеристик почвы, как удельная поверхность І и плотность Sb и изменения этих характеристик во времени под влиянием увлажнения, иссушения и механических обработок.
class3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МИКРОКІИМАТА В РАСТИ
ТЕЛЬНОМ ПОКРОВЕ КАРТОФЕЛЬНОГО ПОЛЯ class3
Радиационный режим растительного покрова
Жизнедеятельность картофельного растения, как и других сельскохозяйственных культур, находится в тесной зависимости от климата приземного слоя воздуха, т.е. от атмосферных условий, существующих непосредственно над почвой (в слое высотой 1,5 - 2 м). Как показано в работах [56, 93], мелкомас-штабность приземного слоя затрудняет экспериментальное получение количественных характеристик микроклимата в посеве и к настоящему времени широкое распространение получили различные математические модели микроклимата, которыми можно воспользоваться при разработке математического описания процессов энерго- и массообмена в агроэкосистемы.
Решающее значение в формировании климата приземного слоя воздуха имеет радиационный обмен (поглощение, отражение, излучение) на подстилающей поверхности [93J. Этот процесс определяет регулирование температуры почвы и той температуры, которая сообщается путем турбулентного обмена расположенному над почвой воздуху и элементам фитомассы. Передача тепла от почвы воздуху вследствие молекулярной теплопроводности происходит в пределах очень тонкого слоя (толщиной менее I мм), поэтому этот процесс при расчетах температурного режима в растительном покрове не учитывается [9бЗ . Приведем соотношения, используемые нами для описасания радиационного режима в растительном покрове Ш.
В соответствии с предложением Г.В.Менжулина [96, 97 J будем рассматривать РП как двухфазную систему, состоящую из воздуха в межлистном пространстве и распределенных по высоте элементов фитомассы, которыми поглощается, рассеивается и отражается приходящая в РП радиация. В [l3J фитомасса называется источником (стоком) субстанции, поглощаемой или выделяемой в единице объема воздуха за единицу времени.
Модель динамики биомассы картофельного растения
В периоде роста картофеля обычно выделяют ряд характерных этапов (всходы, бутонизация, цветение, увядание ботвы) Г 71, 143J . На этапе от всходов до начала цветения картофель нуждается в своевременном проведении защитных мероприятий. В этот же период проводят и обработки почвы, поскольку в дальнейшем, с увеличением листового индекса, они невозможны. Наибольшая чувствительность картофеля к погодным и почвенным условиям отмечена на этапе от начала цветения до увядания ботвы [бЗ, 124, 173J . Этот факт хорошо иллюстрируется данными (табл.4.1. - 4.3), полученными нами по результатам наблюдений на опытном поле Бел НИИЗР в Пружанах (Брестская область). Более высокие урожаи клубней отмечены в тех случаях, когда величина гидротермического коэффициента (ГТК) в этот период больше единицы, но меньше двух. При ГТК 2 за период посадка-уборка урожай резко падает.
Длительность каждого этапа органогенеза и величина прироста биомассы в этот промежуток времени зависят, как отмечалось в разделе I, от сорта картофеля, погодных и почвенных условий (в первую очередь от температуры и влажности воздуха в растительном покрове и климата почвы) агротехники, а также длины светового дня. По данным таблиц 4.3 - 4.4 видно, что .более ранние всходы позволяют получить более высокий урожай.
Алгоритмическая и программная реализация модели агроэкосистемы "картофель-колорадский жук-среда обитания" на электронная вычислительная машина
Реализация на ЭВМ математической модели агроэкосистемы содержит ряд этапов. Основные из них:
1. Разработка математического описания отдельных блоков модели (описания блоков могут иметь разный уровень сложности).
2. Выбор численной схемы решения математической задачи в каждом отдельном блоке модели.
3. Выбор метода согласования блоков.
4. Ейбор метода генерации входных контролируемых и неконтролируемых воздействий (агротехника и погодные условия).
5. Выбор метода представления и средств отображения результатов моделирования.
6. Организация вычислительного процесса в целом.
Если первый этап разработчик модели выполняет, исходя из цели моделирования и выбора (или создания) математического описания, позволяющего эту цель достигнуть (главы 1-4 данной работы), то реализация последующих этапов существенно зависит от типа используемой ЭШ и ее операционной системы и математического обеспечения. Работа эта очень трудоемкая и занимает много времени, но, к сожалению, для разработчиков модели, она не представляет интереса для лиц, использующих (или желающих использовать) модель для численных экспериментов на ЭВМ.
Главное, что имеет значение для специалистов, использующих модель - время, затрачиваемое на проведение расчётов на ЭВМ, степень соответствия результатов, полученных с помощью модели, природным явлениям (точность прогнозов), а также степень сложности работы с моделью (т.е. метод сбора и представления входных данных и отображения результатов моделирования). Поэтому ограничимся изложением только необходимых (на наш взгляд, с точки зрения понимания работы модели) сведений.
Основные черты алгоритма для ЭВМ отражены на рис.5.1, где приведена принципиальная блок-схема функционирования имитационной модели агроэкосистемы картофель-вредитель-среда обитания. Переменные модели были охарактеризованы в предыдущих главах данной работы, посвященных разработке математического описания блоков модели.
Программа на ЭВМ СМ-4 написана на языке ФОРТРАН ІУ в рамках операционной системы РАФОС. Связь между блоками модели (передача информации) в подпрограммах осуществляется при помощи общей области памяти Соммой, которая разделена на пять именованных областей:
1. Общая область STfiTE для вектора состояния модели, размерностью 500 ячеек.
2. Общая область параметров модели РАЙ. (300 ячеек).
3. Область вспомогательных параметров HELP (300 ячеек).
4. Рабочая область \ЛШ/С (200 ячеек памяти).
5. Область для записи данных о погоде MODW (1300 ячеек).
