Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема эффективного управления технологиями выращивания сельскохозяйственных культур путем создания оптимальных условий для получения гарантированного урожая при рациональном использовании ресурсов в последние годы становится все более актуальной.
В первую «зеленую революцию» (60...70-е оду хх веКа) были созданы новые высокопродуктивные сорта сельскохозяйственных культур и разработаны интенсивные технологии их выращивания, включающие орошение, применение высоких доз минеральных удобрений и различных ядохимикатов. Однако, наряду с увеличением объемов продукции растениеводства, интенсивные технологии способствовали развитию негативных процессов в ландшафтах, таких как вторичное засоление почв, загрязнение открытых водных систем и грунтовых вод биогенными веществами и пестицидами, снижение видового разнообразия растений и животных и др., что привело к ухудшению общей экологической ситуации.
В последние годы активно развиваются информационные технологии управления процессами выращивания урожая, базирующиеся на использовании оптимальных параметров факторов, влияющих на продуктивность сельскохозяйственных культур. Исследование таких сложных биологических процессов, в ходе которых участвуют и взаимодействуют многие факторы, весьма трудоемкая задача, поэтому существенное значение приобретает методологическое обеспечение планирования и постановки экспериментов по изучению влияния факторов внешней среды на рост и развитие растений с цепью определения их оптимальных значений и сочетаний.
Изучение взаимодействия и взаимного влияния большого числа управляемых технологических и неуправляемых экологических факторов, определяющих как продуктивность, так и качественный состав биомассы растений и хозяйственно полезных органов, возможно лишь при постановке многофакторнсго эксперимента, адекватной методической основой которого может служить математическая теория планированного эксперимента. Однако методологическая основа постановки и проведения вегетационных и полевых опытов с использованием метода математического планирования эксперимента разработана недостаточно.
В этой связи актуальной является разработка теоретических основ и методологии постановки экспериментов по определению оптимальных значений {и сочетаний) факторов, влияющих продуктивность, и создание интегрированной информационной системы управления технологическим процессом выращивания сельскохозяйственных культур при орошении.
Цели и задачи исследований. Целью исследований является повышение эффективности орошаемого земледелия на основе теоретических подходов и методических принципов формирования информационного базиса, обеспечивающего эффективное
проектирование сортовых технологий и информационно-советующих систем управления процессом выращивания сельскохозяйственных культур.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи:
анализ достижений науки в области методического обеспечения планирования и постановки полевых и вегетационных опытов по изучению влияния комплекса факторов жизни растений на продуктивность и качество урожая;
разработать комплекс приемов и процедур, реализующих метод математического планирования эксперимента при постановке полевых и вегетационных опытов и включающих выбор плана опыта, определение шага исследуемых факторов, анализ моделей и идентификацию их параметров;
провести серию полевых и вегетационных опытов, по результатам которых разработать статистические модели, отражающие количественные зависимости между изучаемым» агроэкологическими факторами, параметрами продуктивности и качеством урожая;
провести серию численных экспериментов по. изучению качественных и количественных характеристик статистических моделей и оценить адекватность их функционирования;
на основании анализа моделей выявить основные закономерности влияния комплекса агромелиоративных факторов на продуктивность сельскохозяйственных культур и качество урожая и определить пути оптимизации технологических параметров в зависимости от агроэкологических и производственных условий;
разработать интегрированную информационно-советующую систему управления технологическим процессом выращивания сельскохозяйственных культур на основе сопряженного использования аігоритмов планирования агрокомплексе и динамических моделей растений;
- оценить эффективность использования интегрированной информационно-
советующей системы для решения практических задач выращивания сельскохозяйствен
ных культур на орошаемых землях.
Объектом исследования являются агроценозы и технологии выращивания селъ-скохоэяйственных культур. Предмет исследования - процесс формирования урожая на орошаемых землях под воздействием агроэкологических факторов.
Методика исследований. Теоретической и методологической основой выполненных исследований являются классические труды В.И. Вернадского, В.В, Докучаева, А.Н. Костикова, КА Тимирязева, Н.И. Вавилова, Д.Н. Прянишникова, работы ДА. Сабинина, А.А. Курсанова, Н.С. Петинова. И.С. Шатилова, В.В. Налимова, Б.Б. Шумакова, 8.С. Ше-вепухи и других отечественных и зарубежных ученых, В исследованиях использовались разработки в области моделирования сложных агроэкологических систем и проектирования технологий управления процессом формирования урожая (Р,А. Полуэктов, О.Д, Сиротенко, Ю.П. Добрачев, В.В. Шабанов и др.).
Научная новизна исследований состоит в разработке теоретических основ и методологии постановки многофакторных полевых и вегетационных опытов по изучению влияния различных факторов на урожайность и качество продукции, впервые реализующих теорию математического планирования эксперимента в сельскохозяйственных исследованиях, а также в разработке принципиально нового подхода к управлению технологическим процессом выращивания сельскохозяйственных культур на орошаемых землях, отличающегося тем, что оперативное принятие технологических решений базируется на результатах совместного (комплексного) использования динамических моделей роста и развития растений и алгоритмов планирования агрокомплексе.
В процессе решения поставленной проблемы получены следующие результаты, которые содержат научную новизну и выносятся на защиту.
-
Информационно-методический комплекс приемов и процедур, использующий метод планирования эксперимента для постановки полевых и впервые - для постановки вегетационных опытов, позволяющий изучить влияние совокупности агромелиоративных факторов и их взаимного влияния на урожайность и качество сельскохозяйственной продукции.
-
Комплекс многофакторных статистических моделей для отображения воздействия технологических факторов (дозы минеральных удобрений, засоленность почвы, густота посева и дифференцированная по фазам развития растений влажность почвы) на урожайность и качество урожая кормовых и зерновых культур.
-
Методика расчета оптимальных значений управляемых технологических факторов под планируемую урожайность сельскохозяйственных культур, позволяющая оценить допустимые пределы дефицита одного из факторов и возможность его компенсации за счет других факторов.
-
Интегрированная информационно-советующая система управпения технологическим процессом выращивания сельскохозяйственных культур на орошаемых землях, которая отличается от известных тем, что включает в себя оперативно взаимодействующие подсистемы основанные на динамических моделях роста и развития растений и алгоритмах формирования контрольно-технологических карт возделывания культур при орошении.
Достоверность научных результатов. Разработанная методология, комплекс моделей и процедур базируются на фундаментальных положениях ряда научных дисциплин, включая физиологию и биохимию растений, земледелие и мелиорацию, математическую статистику и теорию математического планирования эксперимента. Результаты подтверждаются данными полевых, вегетационных и опытно-производственных опытов, а также численными экспериментами на моделях.
Практическая значимость результатов исследований. Результаты исследований могут быть использованы научно-исследовательскими проектными-технологическими и производственными организациями мелиоративного и сельскохозяйственного профиля при разработке сортовых технологий выращивания сельскохозяйственных культур, про-
вотировании агрокомплексе и систем управления технологическим процессом выращивания различных культур на орошаемых землях.
Реализация результатов исследований. Основные результаты исследований
были использованы: при внедрении программированных технологий выращивания сель
скохозяйственных культур на мелиорируемых землях в хозяйствах Московской области;
при выращивании на орошаемых землях озимой пшеницы и кукурузы на зерно в НПО
«Элита» (Крымская обл.); в проекте реконструкции оросительной системы «Цаган-
Толгой» (Монголия) для обоснования системы удобрений сельскохозяйственных культур.
Апробации работы. Основные положения и результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на научных конференциях и съездах: 3-м съезде Всесо
юзного общества генетиков и селекционеров (Иркутск, 1977); 13-м Международном кон
грессе по луговодству (Лейпциг, 1977), 3-й Научно-производственной конференции по
программированию урожайности (Москва, 1987), 4-Й зональной Научно-
производственной конференции «Биологическое разнообразие и интродукция растений» (Санкт-Петербург, 1999), Международной научной конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений» (Минск, 1999), Юбилейной научной конференции, посвященной 75-тиЮ ВНИИГиМ, «Современные проблемы мелиорации и пути их решения» (Москва, 1999); 1-й Международной научной конференции «Деградация почвенного покрова и проблемы агроландшафтного земледелия» (Ставрополь, 2001, 2002); 2-й международной конференции «Экологические проблемы мелиорации» (Москва, 2002), Международной научно-практической конференции «Модели и технологии оптимизации земледелия» ( Курск, 2003). Новизна полученных результатов подтверждена авторским свидетельством Ns 1554818,
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 39 печатных работах, в том числе е центральных журналах «Физиология растений», «Агрохимия», «Доклады БАСХНИЛ», «Сельскохозяйственная биология», «Химия в сельском хозяйстве», «Физиология и биохимия культурных растений», «Аграрная наука» и е трудах институтов: Целиноградский СХИ, ВНИИ кормов, ВНИИГиМ, методических рекомендациях и др. Структура и объем работы. Объем диссертации составляет 277 стр., включая введение, 5 глав, выводы, список литературы и приложение. Диссертация содержит 122 стр. основного текста, 51 рисунка, 55 таблицы, библиография включает 519 наименований. В приложении приведены документы, подтверждающие внедрение результатов исследований, а также другие вспомогательные материалы.
В диссертации изложены результаты исследований, выполненных лично автором, под его руководством и при его непосредственном участии за период с 1972 по 1981г. во ВНИИ кормов и с 1983 по 2002гг. в ГНУ ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова. Исследования выполнялись в составе работ по решению важнейших научно-технических проблем в области мелиорации и орошаемого земледелия: «Разработать теоретические основы и практические методы программирования и прогнозирования урожая кормовых трав и качества кормов с применением математического моделирования»; «Разработать и усо-
верше нствовать приемы получения высоких урожаев многолетних трав на пойменных землях лесной и лесостепной зон»; «Разработать системы интенсивного производства кормов на пахотных землях ло зонам страны, гарантирующие получения с 1 га 5-7 тыс. кормовых единиц без орошения и 12-20 тыс. кормовых единиц при орошении»; «Программирование урожая на орошаемых землях» (раздел «Комплексное регулирование факторов жизни растений») и "Высокоэффективные процессы производства продовольствия* по программам «Плодородие почв» и «Мелиорация»,
Автор выражает благодарность за помои» в работе над диссертацией научному консультанту, главному научному сотруднику, доктору технических наук ЮЛ. Добрачеву, а также коллегам Х.К. Худяковой, Г.И. Лопухиной, ДА Шариковой, Н.Ю. Горячевой, АРІ. Живлоеу, О.А. Гетьману, Н.А. Кузнецовой, С.А. Звборовскому. АС. Карзанову, АС. Образцов/, В.М. Ковалеву, В.П.Иванову, ВМКириллиной, ТИ.Колесник, АП.Чехоеу, Н.П.Демченко, Т.В. Максименко, В.И.Нахаевой, Н,3. Шамсутдиноау, Ю.В. Бапнокину, Н.А. Мясоедову, И.Н. Цымбаленко, Д. Еден-баєву, Г.Н. Виноградовой, ПЛ Прусаковой, принимавшим активное участие на всех этапах представленной многолетней работы.
