CC BY
57
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ АГРОЭКОСИСТЕМЫ В ЦЕЛЯХ ПРИНЯТИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
К.А. Тезик, Е.И. Глушкова, B.C. Коптев
В статье представлены результаты исследования агроэкосистемы и на их основе предложены оптимальные решения по определению количества вносимых минеральных и органических удобрений. Данные рекомендации позволяют одновременно добиться устойчивой урожайности сельскохозяйственных культур севооборота, высокой рентабельности производства и сохранения содержания гумуса в почве.
Ключевые слова: агроэкосистема, оптимальные решения, минеральные и органические удобрения, урожайность, севооборот, гумус, почва.
Важнейшей задачей принятия рациональных технологических решений в земледелии является определение количества вносимых минеральных и органических удобрений с целью достижения показателей эффективности агроэкосистем (урожайности культур, рентабельности сельскохозяйственного производства, качества продукции, плодородия почвы).
Анализ литературы [1,2,3,4] показывает, что применяемые для этой цели методы расчета и модели агропроцессов (балансовые методы, регрессионные модели, имитационные модели) имеют частный узконаправленный характер.
Это проявляется в том, что агрономические и экологические задачи решаются отдельно, без учета их взаимосвязи в рамках единого технологического процесса. Кроме того, фактор погодных условий учитывается недостаточно полно. Как правило, рекомендации по внесению удобрений разрабатываются исходя из средних типовых погодных условий. Потребности практики определяю! необходимость одновременного достижения устойчивой урожайности культур севооборота при различных погодных условиях, высокой рентабельности сельскохозяйственного производства и сохранения плодородия почвы. Вышеприведенные рассуждения определяют необходимость разработки комплексных моделей, включающих следующие элементы:
Сведения об авторах
Гезик Константин Анатольевич, доцент кафедры «Информационные системы» Курского института социального образования, тел. (4712) 53-45-18.
Глушкова Елена Игоревна, старший преподаватель кафедры «Информационные системы» Курскою института социального образования.
Коптев Вячеслав Сергеевич, кандидат экономических наук, доцент кафедры «Предпринимательство» Курской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора И.И. Иванова
1) базы данных >рожайносги культур, плодородия почвы, погодных условий;
2) регрессионные модели урожайности культур и плодородия почвы;
3) экономико-математические модели рентабельности сельскохозяйственного производства;
4) имитационные модели, описывающие чередование кульгур севооборота и погодные условия.
Такая модель была разработана на основе результатов многолетних полевых опытов, изучающих влияние минеральных и органических удобрений на урожайность культур севооборота и содержание гумуса в почве. При этом рассматривался следующий десяти пол ь-ный севооборот: вико-овес, озимая пшеница, сахарная свекла, ячмень, клевер, озимая пшеница, сахарная свекла, горох, озимая рожь, кукуруза.
В качестве примера фрагмента модели приведем модель урожайности сахарной свеклы, выполненную по активному полнофакторному плану эксперимента 3*3*2:
У. = 34.32-х.+ 59.88 х~ + 23.27• + 21.52• х? -
1 1 2 ’ 3 1 (1)
- 24,82-х^-2.52-Х|Х0 -0,03-Х| Х, -12,79 х2 хз +
+ 333,88.
где У | - урожайность сахарной свеклы (ц/га), Х|- фактор погодных условий, выраженный через гидротермический коэффициент за вегетационные периоды культур, х2, х3 - факторы минеральных и органических удобрений (в дозах). Три уровня по фактору XI соответствуют трем типам погодных условий (жаркая, средняя, холодная погода), по фактору х2 - 0, 1, 2 дозам минеральных удобрений, х3 — 0,1 дозам органических удобрений. Одна доза удобрений означает внесение 22 кг д. в. азота, 15 кг д. в. фосфора, 26 кг д. в. калия, 4 т навоза на 1 га в среднем по культурам.
Также разработана регрессионная модель плодородия почвы, отражающая зависимость изменения содержания гумуса в почве за период ротации от количества вносимых удобрений: АУГ = 0,127 • х2 +0,396 • х3 - 0,090 • х2 • ,
•х3-0,622
На основе регрессионной модели плодородия почвы были рассчитаны варианты внесения удобрений, стабилизирующих гумус. Некоторые из них представлены в таблице 1.
Результаты расчета показывают, что при высоких дозах минеральных удобрений (х2 > 3,2) в пределах исследуемого факторного пространства не представляется возможным подобрать количество органических удобрений х3 <, 2,0, приводящее к стабилизации гумуса. Это можно объяснить тем, что минеральные удобрения снижают количество микроорганизмов в почве, участвующих в разложении органических остатков и образовании гумуса.
На основе имитационной модели, проведено прогнозирование средней за длительный период времени урожайности и рентабельности производства сельскохозяйственных культур, а также статистической частоты попадания урожайности культур в диапазоны высоких, средних и низких урожаев. Выбраны следующие диапазоны средних урожаев для наиболее важных сельскохозяйственных культур для сахарной свеклы 300 - 380 ц/га, для озимой пшеницы, озимой ржи 32 - 40 ц/га. Высокими и низкими считаются те урожаи, которые находятся соответственно выше и ниже диапазона средних урожаев.
Некоторые результаты прогнозов урожайности и рентабельности производства для наиболее важных сельскохозяйственных культур представлены в таблицах 2 и 3.
По результатам прогнозов проведем анализ влияния минеральных и органических удобрений на среднюю урожайность наиболее важных культур севооборота.
Таблица 1 - Варианты внесения удобрений, стабилизирующие гумус
X: (в дозах) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3,2
х5 (в лозах) 1,571 1,59! 1,618 1,653 1,704 1,781 1,9%
Таблица 2 -Средние урожайности и рентабельности сельскохозяйственных культур
Культура Минеральные удобрения (в дозах) Органические удобрения (в дозах) Средняя урожайность (ц/га) Средняя рентабельность (%)
Озимая пшеница 0 1,571 32,3 99,4
Озимая пшеница 1 1,618 37,4 109,5
Озимая пшеница 2 1,704 40,6 109,7
Озимая пшеница 3 1,913 41,9 102,5
Сахарная свекла 0 1,571 347 103
Сахарная свекла 1 1,618 394 105,9
Сахарная свекла 2 1,704 411 95,1
Сахарная свекла 3 1,913 393 70,6
Озимая рожь 0 1,571 33 74,1
Озимая рожь 1 1,618 38,2 83,5
Озимая рожь 2 1,704 40,8 81,4
Озимая рожь 3 1,913 40,4 69,4
Таблица 3 -Статистические частоты высоких, средних и низких урожаев
Культура Диапазон минеральных удобрений (в дозах) Статистические частоты урожаев (%):
Высоких Средних Низких
Озимая пшеница 0-0,1 0 80 20
Озимая пшеница 0,2-1,3 0 100 0
Озимая пшеница 1,4-1,5 45 55 0
Озимая пшеница 1,6-3,2 65 35 0
Сахарная свекла 0-0,9 35 65 0
Сахарная свекла 1,0-1,3 70 30 0
Сахарная свекла 1,4-3,0 100 0 0
Сахарная свекла 3,1-3,2 35 65 0
Озимая рожь 0-0,5 0 60 40
Озимая рожь 0,6-0,7 10 50 40
Озимая рожь 0,8-3,2 60 40 0
Культура - сахарная свекла. Зависимость средней урожайности сахарной свеклы (У|Ср) от количества вносимых минеральных удобрений показывает, что при варианте без минеральных удобрений будет наиболее низкая урожайность сахарной свеклы - 347 ц.
По мере увеличения количества вносимых минеральных удобрений наблюдается рост урожайности сахарной свеклы. Сначала урожайность растет довольно быстро: прибавка урожая составляет примерно 5 - 6 ц на 0,1 дозы минеральных удобрений. Затем скорость роста урожайности постепенно снижается и при внесении двух доз минеральных удобрений наблюдается максимум урожайности сахарной свеклы 411 ц В дальнейшем начинается снижение уровня урожайности и при максимальном количестве внесения минеральных удобрений (3,2 дозы) -урожайность свеклы равна 383 ц
Культура - озимая пшеница. Зависимость средней урожайности озимой пшеницы (У2ср) от количества вносимых минеральных удобрений показывает, что при увеличении количества вносимых минеральных удобрений урожайность озимой пшеницы возрастет от 32,3 до 42 ц. По мере увеличения количества вносимых минеральных удобрений урожайность озимой пшеницы растет сначала более быстро: прибавка урожая составляет 0,5-0,6 ц на каждую 0,1 дозы минеральных удобрений, а затем скорость увеличения урожая понижается и вблизи максимальной дозы минеральных удобрений (3,2 дозы) урожайность практически входит в режим стабилизации. Таким образом, для достижения максимальной урожайности озимой пшеницы (42 ц/га) в среднем следует рекомен-
довать максимальную дозу внесения минеральных удобрений, то есть 3,2 дозы.
Культура - озимая рожь. Зависимость средней урожайности озимой ржи (У3ср) от количества вносимых минеральных удобрений отражает рост урожайности озимой ржи от 33 ц без минеральных удобрений до 41 ц при 2,4 дозы внесения минеральных удобрений. Далее мы видим постепенное снижение урожая. При внесении максимальною количества минеральных удобрений прогнозируемая средняя урожайность озимой ржи 39,9 ц.
Для ячменя и гороха зависимости урожайности культур от количества вносимых минеральных удобрений представим в виде графиков на рисунках 1,2.
Рисунок 1 - График урожайности ячменя
В рассмотренных зависимостях максимальная урожайность гороха 25,7 ц/га наблюдается при внесении двух доз минеральных удобрений, максимальная урожайность ячменя 38,8 ц/га при внесении 3,2 дозы минеральных удобрений.
Проведем анализ зависимости рентабельности производства сельскохозяйственных культур от количества вносимых минеральных удобрений.
Рисунок 2 - Г рафик урожайности гороха
Под сахарную свеклу, озимую пшеницу, озимую рожь вносятся минеральные удобрения. Поэтому их рентабельность растет только при небольших дозах минеральных удобрений, пока скорость роста урожая превосходит скорость роста затрат.
Затем постепенно происходит снижение экономической эффективности. При этом максимальная рентабельность производства сахарной свеклы (106,6% ) наблюдается при внесении 0,7 дозы минеральных удобрений, озимой пшеницы (110,7 % ) при внесении 1,5 дозы, озимой ржи (84% ) при внесении 1,3
дозы.
Зависимость средней рентабельности по всем культурам севооборота от количества вносимых минеральных удобрений показывает возрастание от 136,7 % без минеральных удобрений до 145,6 % при 1,5 дозах минеральных удобрений.
Затем начинается ее постепенное снижение до 134,2 % при внесении 3,2 дозы минеральных удобрений.
Во всех рассмотренных закономерностях количество органических удобрений связано с количеством минеральных удобрений закономерностью, обеспечивающей стабилизацию гумуса в почве.
На основе результатов прогнозов решены задачи принятия рациональных технологических решений, обеспечивающих максимальную экономическую эффективность эксплуатации агроэкосистемы при условии сохранения плодородия почвы. Рассмотрим некоторые рекомендации по внесению минеральных и органических удобрений.
Для достижения максимальной экономической эффективности сельскохозяйственного производства при устойчивой урожайности сахарной свеклы выше 300 ц/га, зерновых выше 32 ц/га требуется внесение 1,6 дозы минеральных удобрений, 1,66 дозы органических удоб-
рений. При этом достигается средняя по всем культурам рентабельность производства, равная 145,6%.
При расчете данного показателя рентабельность производства вико-овса, клевера, кукурузы (зеленая масса на силос ) рассчитывалась косвенно, через кормовые единицы.
Для достижения максимальной урожайности сахарной свеклы (411 ц/га) при устойчивой урожайности зерновых культур выше 32 ц/га и средней по всем культурам рентабельности выше 75 % требуется внесение 2 -х доз минеральных и 1,7 дозы органических удобрений.
Для достижения максимальной урожайности озимой пшеницы (41,5 ц/га) и озимой ржи (41 ц/га) при устойчивой урожайности сахарной свеклы выше 300 ц/га и средней по всем культурам рентабельности выше 75% требуется внесение 2,5 дозы минеральных и 1, 78 дозы органических удобрений.
Также решены задачи выбора рациональных технологических решений в целях обеспечения охраны окружающей среды.
Анализ специальной научной литературы [5] показывает, что применение высоких доз минеральных удобрений приводит к захрязнению сельскохозяйственной продукции, почвы, фунтовых вод нитратами, тяжелыми металлами и другими токсичными веществами. В связи с этим рассмотрены следующие критерии принятия решений:
- минимум внесения минеральных удобрений при ограничениях на устойчивую урожайность культур в зоне средних урожаев и сохранение гумуса в почве;
- достижение максимального роста гумуса в агроэкосистеме за счет внесения органических удобрений при исключении минеральных удобрений.
На основании решения первой задачи можно рекомендовать внесение 1,3 дозы минеральных удобрений и 1,637 дозы органических удобрений. Результат решения второй задачи -внесение двух доз органических удобрений, при этом достигается увеличение гумуса на 0,17 % за ротацию.
Таким образом, в результате проведенных исследований рассчитаны соотношения минеральных и органических удобрений, приводящие к стабилизации гумуса в почве, выполнен прогноз урожайности и рентабельности производства сельскохозяйственных культур, разработаны рациональные технологические решения.
Список использованных источников
1 Шатилов, И.С. Агрофизические, агрометеорологические основы программирования урожаев/И.С. Шатилов, А.Ф. Чудновский. - Л.: Гидрометсоиздат, 1980.-320 с.
2 Образцов, А.С. Системный метод: применение в земледелии / А.С. Образцов. - М.: Агропромиздат, 1990 - 303 с.
3 Доспехов, Б.А. Методика полевого опыта / Б.А. Доспехов. - М.: Аїропромиздат, 1985.-351 с.
4 Державин, Л.М. Вид и анализ производственной функции «урожай-удобрение» / Л.М. Державин, И.А. Рубанов //Агрохимия. 1975,-№4.-С. 124-130.
5 Черников, В.А. Агроэкология/ P.M. Алекса-хин, А.В. Голубев.- М.: Колос, 2000,- 536 с.
