CC BY
107
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОЧВЕННОГО ПЛОДОРОДИЯ
О.Г. Пахомя, Л.М. Татаринцев
До сих пор нет цельной и непротиворечивой теории управления почвенным плодородием, логично объединяющей решение этой глобальной задачи в пространстве и во времени, на стратегическом, оперативном и тактическом уровнях, хотя в России принята программа «Плодородие», а в Алтайском крае разработана под руководством Л.М. Бурлаковой «Концепция рационального использования земель сельскохозяйственного назначения в современных условиях». Между огромным научным потенциалом теоретического почвоведения и его реализацией в сфере практики (зональные системы земледелия, мелиоративные проекты и т.п.) обнаруживается явный пробел. Выходом из сложившейся ситуации является моделирование плодородия почвы, которое позволит устранить эти диспропорции и тем самым поднять управление почвенным плодородием на уровень, отвечающий требованиям современности.
Основная функция модели заключается в том, что она содержит сведения о характеристиках объекта, существенных для решения конкретной задачи. При моделировании плодородия почв необходимо помнить, что к модели нельзя предъявлять требования, абсолютно точно отражающие все стороны моделируемого объекта или процесса. Модель выступает как промежуточное звено между объектом и исследователем, а само моделирование - как одна из последовательных фаз познания по схеме «объект -модель - теория» (Шишов и др., 1991). Конечной целью такого подхода к моделированию состоит в том, чтобы глубже понять и количественно отразить функционирование почвы как открытой многокомпонентной динамической системы, исходя из сведений о ее составляющих.
Сущность модельных исследований предполагает абсолютно точное толкование понятий и определений. Почвоведение -большей частью описательная наука, отсюда в нём присутствуют слабая формализа-
ция знаний, разночтения многих понятий и терминов, субъективизм в их трактовке и т.п. Всё это осложняет внедрение модельных принципов в почвоведение и сопоставление предлагаемых моделей. Поэтому на каждом из этапов необходимо соблюдение ряда общих подходов и правил. При постановке задачи решающее значение приобретают вид плодородия (потенциальное или эффективное), тип агроценоза, технологический уровень, размер участка и т.п.
При моделировании почвенного плодородия широко используются информационно-логические модели. Информационные модели, реализуемые на ЭВМ, весьма многочисленны и включают, в частности, банки данных, автоматизированные системы управления (АСУ) и информационно-поисковые системы. В общем для них типичны сравнительно несложные алгоритмы, возможность сортировки больших массивов данных и узкая специализация. Последнее обстоятельство стимулировало создание модели плодородия чернозёмов Алтайского Приобья в системе агроценоза (Бурлакова, 1975, 1984), под кормовые культуры (Рассыпнов, 1993). Агрофизическая модель плодородия алтайских чернозёмов создана Л.М. Татаринцевым (1993). Широкое развитие исследований в этом направлении стало причиной становления почвенной информатики как нового раздела почвоведения. Основные положения теоретического и практического плана подробно изложены в ряде изданий (Рожков, 1989; Фрид, 1986).
В информационно-логической модели для решения комплексных проблем выделяются следующие стадии: фундаментальных исследований; теоретико-прикладных исследований; практических разработок; производственного испытания и внедрения; эксплуатации на практике. К настоящему времени в науке существует сложившаяся общая последовательность разработки моделей, в которой выделяются следующие этапы: 1) постановка задачи;
2) построение модели; 3) отыскание решения; 4) верификация (проверка): 5) её практическое использование.
Основой системы моделей служат модели состояния, отражающие в параметрической форме совокупность структурнофункциональных свойств какой-либо почвы, соотнесённую с фактическим или заданным уровнем плодородия (концепция базовых моделей). Эти модели могут выражать прошлое, ретроспективное, текущее или будущее (желаемое, ожидаемое или планируемое) состояние почв. Большинство разрабатываемых в конце XX столетия моделей относятся к этому классу, причём доминируют те из них, которые характеризуют оптимальные сочетания параметров плодородия («эталоны») соответствующих почв (Модели плодородия ..., 1982). Модели состояния служат базой для построения моделей прогноза и управления.
Модели прогноза эволюции почв при антропогенном воздействии становятся обязательным элементом любых крупномасштабных плановых разработок.
Модели управления плодородием подразделяются на модели окультуривания, коренных мелиораций, рекультивации, оперативного управления на поле, оптимизации размещения культур. Эти направления решают общую задачу управления специфическими технологическими средствами. Они отличаются также по радикальности изменений фундаментальных почвенных свойств и режимов и по временной динамике этих изменений. Очевидно, что модели управления плодородием почв можно разделить на две группы. В первую группу войдут модели, с помощью которых осуществляется управление плодородием уже существующих объектов (почв). Управляющее воздействие обеспечивает функционирование системы без существенных изменений её структурно-функциональных характеристик. Во вторую группу объединяются модели, целью которых является управление вновь созданными системами, т.е. вначале создаётся объект управления с определёнными качественными характеристиками, а затем осуществляется его выведение на заданный уровень.
На первом этапе моделирования достигается формализованное описание свойств и состояния систем. На следующем этапе акцент делается на поведение системы во времени, прогнозировании её изменений (модель прогноза агрогенной эволюции почв). На третьем этапе разрабатываются модели управления системами (модель воспроизводства плодородия почв).
•Важнейшим этапом при моделировании почвенного плодородия является выделение (выбор) объектов моделирования. Моделирование может осуществляться на различном иерархическом уровне (от региона или зоны до контура или ноля). Принято считать, что целесообразнее всего начинать с разработки региональных моделей. Под региональной моделью плодородия почв понимается (Шишов и др., 1991) территориальный эталон почвы или группы близких по свойствам почв. Этот эталон характеризуется регионапьными почвенно-климатическими особенностями и состоит из взаимосвязанных блоков. Содержание последних раскрывается набором показателей состава, свойств и режимов почвы; оценки почвенного плодородия и агроклимата, а также мероприятия агромелиоративного комплекса.
Наиболее распространены региональные модели, имеющие высокую степень обобщённости информации о почвах. В них нет детализации по мелким таксонам почв, не учитывается гетерогенность структуры почвенного покрова (СПП). В ряде случаев может быть оправданной модель почвенного плодородия на уровне типов и подтипов, тогда как в других ситуациях необходимо дифференцировать модели по более мелким таксонам. Вопрос о таксономическом уровне модели плодородия нужно решать в каждом индивидуальном случае, основываясь, прежде всего, на агрономической значимости различий (Зайдельман, 1985). Ван Кёлен (Van Keulen, 1986) предлагает при разработке моделей плодородия учитывать признаки эродированности, мощность гумусового слоя и другие, считая, что такая детализация объектов моделирования повышает адресность и конструктивность моделей плодородия.
Исследования (Татаринцев В Л., 1998, 2004; Татаринцев Л.М. и др. 2001) показывают,. что более дробная дифференциация почвенного фонда, является объективной необходимостью для его рационального использования. Только таким путём возможно преодоление последствий шаблонного подхода, многолетних традиций необоснованной стандартизации мелиоративных мероприятий, технологий возделывания сельскохозяйственных культур в пределах обширных зон Алтайского края и других регионов России.
Известно, что реализация потенциального плодородия почв зависит также от биологических и технологических особенностей возделывания культур. Отсюда следует, что при выборе объектов локальных моделей плодородия обязателен учёт специфики агроценозов и принимаемой технологии. Столь же очевидна необходимость учёта в локальных моделях плодородия неодинаковой требовательности культур к отдельным питательным элементам, реакции среды, физическим свойствам почвы и породы. При этом чем выше уровень урожайности, тем большее число почвенных факторов приходится включать в модель плодородия почвы (МПП). Именно локальные МПП, жёстко привязанные к ограниченной территории с однородными почвенными условиями, к определённым наборам возделываемых культур и технологическим системам, являются эффективной базой для научного управления почвенным плодородием па уровне поля.
При разработке МПП важную роль играет информационное обеспечение. На современном этапе приходится использовать фактические данные, которые первоначально не предназначались для построения МПП. Иногда приходится оперировать данными, которые безнадёжно устарели, поскольку объект моделирования изменил свои фактические данные при антропогенном воздействии. В подавляющем большинстве случаев цельная информационная база отсутствует,
В основе формализованного описания сложных систем лежит выбор главных переменных величии, отражающих состояние объекта. Построение модели преследу-
ет своей целью, прежде всего, нахождение наименьшего числа из существующих факторов, определяющих основные черты исследуемого объекта, а затем составление максимально простого его математического описания. Как правило, в большинстве предложенных МПП (Бурлакова, 1975, 1984: Рассыпное, 1993 и др.) наиболее детально разработан агрохимический блок и слабее - агрофизический блок показателей (Грашко, 1985; Greenwood, 1983; Lin Evetl, 1993 и др.). В каждом блоке есть перечень определенных почвенных показателей, которые считаются наиболее информативными при оценке плодородия. Многочисленные показатели, названные первичными, обнаружили информационную ограниченность (Роде, 1971). Более того они не являются первичными, их просто легче измерить. В то же время первые, фундаментальные характеристики почв трудно-измеримы, кроме того, недостаточно изучены их количественные связи с плодородием.
Ряд специалистов в области моделирования почвенного плодородия (И.И, Карманов, А.С. Фрид, Л Л. Шишов и др.) считают, что к числу фундаментальных свойств почв принадлежит минералогический состав, содержание и структура органического вещества почвы, которые в значительной степени определяют водный, воздушный, пищевой и тепловой режимы почвы. Многочисленные параметры этих режимов обычно измеряют и используют в моделях. В связи с построением моделей плодородия, необходимо иметь также характеристики почв, которые непосредственно отражают контакт растений с окружающей средой и почвой.
Библиографический список
1. Бурлакова Л.М, Элементы плодородия чернозёмов Алтайского Приобья и их оценка в системе господствующего агроценоза: Авто-реф. дис. докт. с.-х. наук. Новосибирск, 1975. 32 с.
2. Бурлакова Л.М. Плодородие алтайских чернозёмов в системе агроценоза, Новосибирск: Наука, 1984. 199 с.
3. Модели плодородия почв и методы их разработки. М., 1982. 301 с.
4. Рассыпной В.А. Почвенно-климатические факторы урожайности и моделирование эффективного плодородия в агроценозах. Дис. докт. биол. наук. Новосибирск, 1993. 320 с.
5. Роде A.A. Система методов исследования в почвоведении. Новосибирск: Наука СО. 1971.91с.
6. Рожков В.А. Почвенная информатика. М.: Агропромиздат, 19S9.222 с.
7. Татаринцев B.J1. Гранулометрический состав и его влияние на физическое состояние пахотных почв: Дис. канд. с.-х. наук. Барнаул. 1998. 185 с.
8. Татаринцев B.JT. Структура гранулометрического состава почвы и её физическое состояние. Барнаул: Изд-во АГАУ. 2004. 150 с.
9. Татаринцев Л.М. Физическое состояние основных пахотных почв юго-востока Западной Сибири: Дис. докт. биол. наук. Новосибирск, 1993. 368 с.
10. Татаринцев Л.М.. Татаринцев В.Л., Каблова Н.Ю. Структуры гранулометрического состава и их влияние на засоление почв Алтайской Кулунды. Барнаул; Изд-во АГАУ. 2003. 123 с.
11. Шишов Л.Л., Дурманов Д.Н., Карманов ИМ. и др. Теоретические основы и пути регулирования плодородия почв. М.: Агропромиздат, 1991. 304 с.
устройство для измерения уровня ЖИДКОСТИ
Г,В. Поляев, В,А. Цымбалист
Данное устройство может быть применено для измерения уровня жидкости в ёмкостях, а также измерения уровня грунтовых вод (рис.).
Рис. Схема устройства уровнемера
