Размещено на http://www.allbest.ru/

Українська академія аграрних наук

Інститут гідротехніки і меліорації

УДК 551.4: 631.63

МЕТОДИ УПРАВЛІННЯ ПРОДУКТИВНІСТЮ ТА ЕКОЛОГІЧНОЮ

СТІЙКІСТЮ ОСУШУВАНИХ ЗЕМЕЛЬ ЗА ДАНИМИ МОНІТОРИНГУ

06.01.02 - сільськогосподарські меліорації

(сільськогосподарські науки)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора сільськогосподарських наук

Мошинський Віктор Степанович

Київ- 2003



Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Українському державному університеті водного господарства та природокористування (УДУВГП) Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор сільськогосподарських наук, професор Вознюк Степан Тихонович, Український державний університет водного господарства та природокористування, професор кафедри агрохімії ґрунтознавства і землеробства.

Офіційні опоненти: доктор сільськогосподарських наук, професор Слюсар Іван Тимофійович, Інститут землеробства Української Академії аграрних наук, завідувач лабораторії землеробства на осушуваних землях;

доктор сільськогосподарських наук, професор Гринченко Тимур Олександрович, Харківський державний педагогічний університет ім. Г.С. Сковороди, завідувач кафедри ботаніки;

доктор сільськогосподарських наук, професор Меєровський Анатолій Семенович, Республіканське унітарне підприємство „Білоруський науково-дослідний інститут меліорації і луківництва” НАН Білорусі, заступник директора.

Провідна установа: Національний аграрний університет, м. Київ, вул. Героїв Оборони, 15

Захист відбудеться 26 листопада о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.362.01 при Інституті гідротехніки і меліорації УААН за адресою: 03022, м. Київ-22, вул. Васильківська, 37.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту гідротехніки і меліорації УААН за адресою: 03022, м. Київ-22, вул. Васильківська, 37.

Автореферат розіслано 28 травня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, с.н.с. Т.І. Топольнік



АНОТАЦІЯ

Мошинський В.С. Методи управління продуктивністю та екологічною стійкістю осушуваних земель за даними моніторингу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора сільськогосподарських наук за спеціальністю 06.01.02 - сільськогосподарські меліорації (сільськогосподарські науки). - Інститут гідротехніки і меліорації УААН, Київ, 2003. землеробство меліоративний врожай екологічний

У дисертації наведено результати теоретичного узагальнення і нового вирішення наукової проблеми управління продуктивністю та екологічною стійкістю осушуваних земель за даними моніторингових спостережень, спрямованого на підвищення продуктивності осушуваних земель, істотне зниження споживання водних та матеріальних ресурсів, підвищення екологічної безпеки землеробства на осушуваних землях, ефективне використання даних еколого-меліоративного моніторингу. Отримані наукові результати розвивають теорію оцінки стану природно-техногенних систем, теорію програмування і прогнозування врожаїв на осушуваних землях, а також теорію стійкості природно-техногенних систем. Пропонуються нові методи оцінки, прогнозування і управління екологічною стійкістю ОЗ на основі вперше створених, теоретично і експериментально обґрунтованих імітаційних математичних моделей, сумісних з даними ЕММ та інших підсистем екологічного моніторингу. Дані розробки з достатнім рівнем ефективності використані для раціонального управління осушуваними землями сільськогосподарського призначення, а також: оцінки еколого-меліоративного стану, прогнозування врожаїв, бонітування ґрунтів, оцінки і прогнозування екологічної стійкості ОЗ і річкових басейнів, в навчальному процесі.

Ключові слова: осушувані землі, осушувальна система, моніторинг, модель, урожайність, стан, оцінка, прогноз, стійкість, управління.



АННОТАЦИЯ

Мошинский В.С. Методы управления продуктивностью и экологической устойчивостью осушаемых земель по данным мониторинга. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук по специальности 06.01.02 - сельскохозяйственные мелиорации (сельскохозяйственные науки). - Институт гидротехники и мелиорации УААН, Киев, 2003.

В диссертации приведены результаты теоретического обобщения и нового решения проблемы управления продуктивностью и экологической устойчивостью осушаемых земель (ОЗ) по данным мониторинговых наблюдений, направленного на повышение продуктивности осушаемых земель, существенное снижение потребления водных и материальных ресурсов, повышение экологической безопасности земледелия на осушаемых землях, эффективное использование данных эколого-мелиоративного мониторинга (ЭММ).

Сложные природно-климатические условия гумидной зоны Украины обусловливают необходимость ведения и совершенствования эколого-мелиоративного мониторинга с целью разработки и применения для целей рационального управления методов системного математического моделирования процессов накопления биомассы, а также факторов экологической стабильности осушаемых и прилегающих к ним земель. В связи с этим на основании базовых законов земледелия и экологии, концепции геосистемы, с использованием системного подхода, теории меры, методов математической статистики, данных мониторинговых наблюдений в системе ЭММ разработаны новые методы и технологии рационального управления ОЗ на базе имитационных математических моделей продуктивности и оценки эколого-мелиоративного состояния осушаемых земель (ПОСОЗ) и оценки экологической устойчивости осушаемых земель (ОСОЗ).

На основании теоретических и эмпирических данных разработаны блоки модели ПОСОЗ (используемой в качестве базового блока модели ОСОЗ), описывающие толерантность сельскохозяйственных культур к факторам среды, совокупное действие факторов жизни растений, продуктивность отдельных укосов кормовых культур, потери при уборке урожая, обоснован оптимальный набор показателей ЭММ. В ходе специальных полевых, мониторинговых и аналитико-теоретических исследований установлено: 1) продуктивность ОЗ зависит от их эколого-мелиоративного состояния и является ведущим критерием при оценке, прогнозировании и управлении осушаемыми землями, 2) количественные значения меры влияния факторов и почвенных условий формирования урожая сельскохозяйственных культур на ОЗ различны и изменяются в зависимости от проводимых мероприятий во времени и пространстве, 3) различные сельскохозяйственные культуры имеют различную и постоянную меру участия эффекта совокупного действия факторов жизни в общем процессе формирования урожая, 4) совокупное действие факторов продуктивности с достаточной для практики точностью может быть описано математически, 5) базовым климатическим показателем для ОЗ является сумма активных температур воздуха выше 10°С, изменение и влияние которого может быть описано разработанными эмпирическими зависимостями, 6) концентрация ионов почвенного раствора, содержание питательных веществ и органического вещества в некоторых осушаемых почвах, содержание радионуклидов в отдельных водотоках имеют временные тренды установленного вида и формы, 7) форма и степень экологической устойчивости ОЗ и речных бассейнов управляемы и математически описываемы.

Предлагаются новые методы оценки, прогнозирования и управления продуктивностью и экологической устойчивостью ОЗ сельскохозяйственного назначения с использованием данных наблюдений за состоянием почв и вод в системе ЭММ. Управление производится путем разработки с помощью машинного экспериментирования комплекса сельскохозяйственных, мелиоративных и природоохранных мероприятий и их последующей реализации. В качестве главных критериев цели используются: урожайность, форма и степень экологической устойчивости.

Данные разработки с достаточным уровнем эффективности использованы для рационального управления осушаемыми землями сельскохозяйственного назначения, а также: оценки эколого-мелиоративного состояния и эффективности использования ОЗ, прогнозирования урожаев, бонитировки почв, экспертизы проектов строительства и реконструкции осушительных систем, оценки и прогнозирования экологической устойчивости ОЗ и речных бассейнов, в учебном процессе. Внедрение разработанных методов позволяет повысить эффективность растениеводства и уровень использования природных ресурсов на ОЗ Украины на 30-60 %.

Ключевые слова: осушаемые земли, осушительная система, мониторинг, модель, урожайность, состояние, оценка, прогноз, устойчивость, управление.



SUMMARY

Moshynsky V. Methods of monitoring based management of drained lands productivity and ecological stability. - Manuscript.

Thesis for the scientific degree of the Doctor of agricultural science by the specialty 06.01.02 - agricultural reclamation (agricultural science). - Research Institute of Hydraulic Engineering and Land Reclamation UAAS, Kiev, 2003.

In the dissertation results of theoretical generalization and the new decision of a problem of monitoring based management of drained lands productivity and ecological stability are given. Developed decisions directed on increasing of the drained lands productivity, essential decreasing of water and material resources consumption, ecological safety of agriculture on the drained lands increasing, an effective using of the ecological-meliorative monitoring data.

New methods of an estimation, forecasting and management of productivity and ecological stability of the drained lands on the basis of the first time created, theoretically and experimentally proved, imitating mathematical models compatible to the data of ecological-meliorative monitoring and other subsystems of ecological monitoring are offered. The given developments with a sufficient level of efficiency are used for rational management of the drained agricultural lands, and also: estimation of a ecological-meliorative status and drained lands use efficiency, yields forecasting, soil assessment, estimation and forecasting of drained lands and river basins ecological stability, in educational process.

Key words: drained lands, drainage system, monitoring, model, productivity, status, estimation, forecasting, stability, management.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Важливою складовою аграрного потенціалу України є землі з регульованим водним режимом. Осушувані землі є базою сільськогосподарського виробництва в північних і північно-західних регіонах України, і тому розробка комплексних методів оцінки їхнього стану, його прогнозування та оптимального управління ним є однією з найбільш актуальних проблем сільськогосподарської науки і практики сьогодення на шляху вирішення завдання підвищення продуктивності осушуваних земель в умовах ресурсозбереження та забезпечення екологічної безпеки. Недосконалість сучасних методів управління продуктивністю осушуваних земель, відсутність методів управління їхньою екологічною стійкістю висувають на перший план проблему розробки методів та методики управління процесами вирощування сільськогосподарських культур і ведення природоохоронної діяльності на осушуваних землях.

Контрольною та інформаційно-дорадчою основою сільськогосподарських, меліоративних та природоохоронних заходів є система еколого-меліоративного моніторингу осушуваних земель і моніторингу вод Держводгоспу України, яка входить до загальної системи екологічного моніторингу (СЕМ “Україна”, Постанова Кабінету Міністрів України №785 від 20.08.93). Вирішення поставленої наукової проблеми дасть змогу застосовувати дані еколого-меліоративного моніторингу для наукового та інформаційного супроводу сільського господарства і природокористування в гумідній зоні України.

Актуальність обраної теми зумовлена необхідністю виконання Указу президента України № 670/98 “Про заходи щодо державної підтримки водогосподарсько-меліоративного комплексу” (від 23.06.98), закону України “Про підтримку сільськогосподарських товаровиробників” (від 01.09.99), Постанови Верховної Ради України №1390-XIV “Про концепцію розвитку водного господарства України” (від 14.01.2000), Закону України про Загальнодержавну програму розвитку водного господарства, реалізації “Комплексної Програми розвитку меліорації земель та поліпшення екологічного стану зрошуваних та осушуваних угідь у 2001-2005 роках і прогноз до 2010 року” (схвалено постановою Кабінету Міністрів України № 1704 від 16.11.2000), у яких сформульовано основні проблеми та завдання щодо розвитку меліорацій в Україні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано за період з 1995 по 2002 р. згідно з тематичними планами науково-дослідних робіт Українського державного університету водного господарства та природокористування за участю автора як відповідального виконавця держбюджетної та договірної тематики за програмами Державного комітету по водному господарству, Міністерства освіти і науки України, а саме: тема Т-162 “Розробка ВНД “Екологічно-оптимальні режими меліорованих ґрунтів гумідної зони України”, 2001 р., № державної реєстрації 0101U005460; тема І-2 “Розробити наукові принципи та методичні рекомендації з оптимізації природно-меліоративних режимів сільськогосподарських угідь гумідної зони України”, 2001 р., № державної реєстрації 0101U001892 та програмою робіт Рівненської гідрогеолого-меліоративної експедиції.

Мета і завдання досліджень. Головна мета досліджень полягає у розробці наукових і практичних методів оцінки, прогнозування і на їхній основі раціонального управління продуктивністю та екологічною стійкістю осушуваних земель України за даними еколого-меліоративного моніторингу для потреб ведення ефективного та екологічно безпечного землеробства.

Завдання досліджень:

- визначити пріоритетні завдання наукових досліджень у галузі управління еколого-меліоративним станом осушуваних земель;

- визначити комплексний критерій оцінки меліоративного стану осушуваних земель, встановивши наявність та ступінь зв'язку між урожайністю сільськогосподарських культур та меліоративним станом осушуваних земель;

- вдосконалити метод системного математичного моделювання процесу формування біомаси врожаю на осушуваних землях;

- розробити методи та методику раціонального управління продуктивністю осушуваних земель за допомогою сільськогосподарських меліоративних та природоохоронних заходів на основі прогнозного імітаційного математичного моделювання і його комп'ютерної реалізації;

- встановити оптимальний набір показників для потреб контролю еколого-меліоративного стану та ранжувати їх з точки зору потреб управління;

- виконати комплекс натурних спостережень, лабораторних та аналітичних досліджень для ідентифікації математичних моделей і перевірки їхньої адекватності;

- розробити методи і методику оцінки, прогнозування та управління екологічною стійкістю меліорованих агрогеосистем локального і регіонального територіального рівня;

- розробити практичні рекомендації щодо підвищення продуктивності та екологічної стійкості осушуваних земель України за рахунок збільшення ефективності реалізації раціональних управлінських заходів на основі застосування даних моніторингових спостережень.

Об'єктом досліджень є осушувані землі сільськогосподарського призначення.

Предметом досліджень є методи управління продуктивністю та екологічною стійкістю осушуваних земель, що реалізуються на основі моніторингових даних.

Методи досліджень. Для розробки методів оцінки, прогнозування і управління продуктивністю та екологічною стійкістю осушуваних земель застосовуються методи загальної теорії систем, основні методи системного аналізу та математичного моделювання; імітаційне моделювання реалізується через розв'язання за допомогою чисельних методів системи алгебраїчних рівнянь, сформульованих на основі динамічної теорії міри, основних законів землеробства і екології; при встановленні набору змінних та ідентифікації параметрів моделі продуктивності та оцінки стану осушуваних земель застосовувалися методи математичної статистики і теорії імовірностей, ітераційні методи, методи теорії вимірювань, експертного оцінювання, теорії дослідження операцій і теорії графів; у процесі верифікації та застосування математичних моделей використовувалися методи математичного моделювання і машинного експериментування на ЕОМ. Обробка емпіричного матеріалу і результатів моделювання здійснювалася за математико-статистичними методами із застосуванням кореляційного аналізу, лінійного та нелінійного регресійного аналізів.

Основними джерелами інформації при проведенні досліджень були матеріали власних натурних досліджень, польових та лабораторних моніторингових спостережень гідрогеолого-меліоративної та гідрометеорологічної служб західного регіону України, опубліковані наукові та офіційні статистичні матеріали.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукові результати, отримані автором, розвивають теорію кількісної оцінки стану природно-техногенних систем, теорію програмування і прогнозування врожаїв на осушуваних землях, а також теорію стійкості природно-техногенних систем на основі вперше створених, теоретично і експериментально обґрунтованих імітаційних математичних моделей, сумісних з даними еколого-меліоративного моніторингу та даними інших підсистем екологічного моніторингу України.

На захист виносяться запропоновані особисто автором такі наукові положення та наукові результати:

- вперше створено наукову концепцію застосування даних моніторингових спостережень для оцінки, прогнозування і управління еколого-меліоративним станом осушуваних земель, що реалізується шляхом моделювання рівня урожайності сільськогосподарських культур на основі врахування встановлених закономірностей зміни у просторі та часі міри впливу регульованих природних і меліоративних режимів на продуктивність осушуваних земель;

- вперше на основі динамічної теорії міри розроблено математичну модель для розрахунку і прогнозування продуктивності сільськогосподарських земель. У рамках даної моделі обґрунтовано оптимальний набір показників моніторингу осушуваних земель, розроблено новий вид функції, яка описує закон толерантності рослин і при цьому відрізняється від відомих аналогів вищою варіабельністю форми кривої, а також вищою надійністю апроксимації експериментальних даних;

- вперше для осушуваних сільськогосподарських земель математично описано механізм сукупної дії факторів та умов життя рослин на формування фітомаси врожаю. Встановлено, що сукупна дія факторів та умов життя має різний урожайний ефект у різних сільськогосподарських культур;

- вперше створено концепцію застосування даних моніторингових спостережень для оцінки, прогнозування та управління екологічною стійкістю осушуваних земель і басейнових територіальних систем, яка розвиває теорію стійкості геосистем на основі поєднання принципу продуктивності геосистеми та концепції екологічної ніші, створено математичну модель для визначення, прогнозування і управління формою та ступенем екологічної стійкості меліорованих земель;

- запровадженням методів імітаційного математичного моделювання осушуваних земель як цілісної системи, вдосконалено наявні методи оцінки та прогнозування еколого-меліоративного стану осушуваних земель, побудовані на принципах порівняння фактичних та нормативних значень часткових показників;

- вдосконалено наукові принципи бонітування осушуваних ґрунтів за рахунок врахуванням змінності міри впливу окремих показників родючості та застосування відомого закону толерантності, описаного з допомогою розробленої математичної моделі;

- встановлено форму і вид емпіричних залежностей для гумідної зони України, які описують часові тренди: суми активних температур повітря, концентрації іонів ґрунтового розчину, вмісту основних поживних речовин та органічної речовини у деяких видах ґрунтів, вмісту радіонуклідів у окремих водотоках.

Практичне значення одержаних результатів:

Наукові результати досліджень та розроблені на їхній основі алгоритми і програмне забезпечення моделей для потреб раціонального управління продуктивністю та екологічною стійкістю осушуваних земель на практиці можуть застосовуватися сільськогосподарськими виробниками, установами Мінагрополітики, Облводгоспами, управліннями меліоративних систем, гідрогеолого-меліоративними експедиціями, партіями та іншими установами, що проводять моніторингові спостереження, органами Держкомзему, органами Мінекології для потреб:

- оперативного раціонального управління процесом формування врожаю на осушуваних землях та програмування врожаїв сільськогосподарських культур;

- короткотермінового та середньотермінового прогнозування врожаїв з метою розробки оптимальних управлінських рішень щодо ресурсно та екологічно оптимального проектування сільськогосподарських, агромеліоративних, експлуатаційних та природоохоронних заходів на осушуваних землях;

- оцінки рівня ефективності роботи осушувальних систем та ефективності використання осушуваних земель за ретроспективними даними моніторингу;

- оцінки еколого-меліоративного стану осушуваних земель та його прогнозування з метою раціонального управління еколого-меліоративною ситуацією;

- проведення експертизи проектів будівництва і реконструкції осушувальних систем, господарських проектів у межах річкових басейнів та інших територіальних систем;

- проведення бонітування осушуваних ґрунтів для потреб ефективного землевпорядкування в умовах реформування земельних відносин і аграрного сектора економіки;

Розроблені концепції, методи, методики, алгоритми та комп'ютерні програми пройшли виробничу апробацію в чотирьох фермерських господарствах, в управліннях меліоративних систем Рівненської області, Рівненському Облводгоспі, у Рівненській та Чернігівській ГГМ експедиціях на загальній площі 155 тис. га. Впровадження одержаних результатів дозволило у 1,3-1,6 раза збільшити ефективність сільськогосподарського використання осушуваних земель, підвищити рівень використання природних ресурсів на осушуваних землях України.

Одержані наукові результати використані при розробці та виробничій перевірці двох методичних вказівок і відомчих будівельних норм (ВБН 33-5.5-01-97), затверджених і введених у дію в системі Держводгоспу України.

З метою підвищення рівня підготовки інженерно-технічних кадрів у галузі сільськогосподарських меліорацій, екології та агропромислового комплексу України наукові результати впроваджені у навчальний процес і використовуються при викладанні курсів “Меліоративне ґрунтознавство”, “Меліоративне землеробство”, “Програмування врожаїв”, “Ландшафтна екологія” для студентів спеціальностей “Гідромеліорація”, “Екологія та охорона навколишнього середовища”, “Агрохімія і ґрунтознавство”.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційну роботу виконано особисто Мошинським В.С. Автором особисто розроблено і сформульовано всі основні наукові положення дисертаційної роботи, виконано їхню перевірку в польових умовах, розроблено алгоритми і комп'ютерні програми, перевірено ефективність їхнього застосування. Автор брав безпосередню участь в організації та здійсненні моніторингових досліджень на території Рівненської області за період з 1987 по 2002 рр.

У процесі проведення наукових досліджень автор співпрацював зі своїми науковими консультантами і наставниками - д.т.н., проф. Алексєєвським В.Є., д.с.-г.н., проф. Вознюком С.Т., д.с.-г.н., проф. Клименком М.О., д.с.-г.н., проф. Лико Д.В., д.геогр.н., проф. Будзом М.Д, д.т.н., проф. Рокочинським А.М., колегами - к.т.н. Цвєтовою О.В., к.т.н. Топольнік Т.І., к.т.н. Козловським Б.І., к.геогр.н. Білоусом Й.М та ін., аспірантами Сасюк З.К., Гладовською Т.М. У спільних наукових, науково-методичних та навчально-методичних публікаціях відображено ступінь участі кожного зі співавторів.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, включені до дисертації, пройшли апробацію на вузівських, всеукраїнських та міжнародних конференціях (Київ, 1995 (4 конференції), 1996 (2 конференції); Рівне, 1995-2002; Харків, 2000, 2002; Мінськ, 1998, 2000; Варшава, 2000; Бидгощ, 2001, Варшава 2002), на VI з'їзді Українського товариства ґрунтознавців і агрохіміків (Умань, 2002), на науково-технічних радах Львівської (1994-1995) та Рівненської ГГМ експедицій (1995-2002), технічній раді Рівненського УМС, на координаційних нарадах Держводгоспу України з проблем еколого-меліоративного моніторингу (1995-1999).

Публікації. Матеріали досліджень, наведені в дисертації, опубліковано в 45 друкованих працях (з яких 23 одноосібно), у тому числі 1 монографії, 7 брошурах, з яких 2 ВНД і 2 галузеві методичні вказівки, 27 статтях у наукових фахових виданнях, з яких 16 одноосібно.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків.

Роботу викладено на 360 сторінках машинописного тексту, в тому числі 280 сторінок основного тексту, ілюстровано 68 таблицями і 49 рисунками. У додатках наведено 9 таблиць на 9 сторінках і картографічний матеріал на 4 сторінках. Список використаних літературних джерел вітчизняних та зарубіжних авторів складається з 444 назв на 39 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

1. Проблема управління станом осушуваних земель на основі його контролю, оцінки і прогнозування

Сучасні економічні та екологічні проблеми сільського господарства України висувають на перший план досліджень розробку наукових методів економічно та екологічно обґрунтованого раціонального управління продуктивністю богарних та меліорованих земель з дотриманням вимог екологічної безпеки. Осушувальні системи України дають змогу вирощувати сільськогосподарські культури, створюючи для них близькі до оптимальних умови за будь-якого сполучення природнокліматичних факторів. Осушувані землі (ОЗ) потребують дбайливого господарського ставлення, раціонального управління та охорони.

Специфічні природнокліматичні умови гумідної зони України зумовлюють необхідність ведення еколого-меліоративного моніторингу з метою розробки та застосування методів математичного моделювання процесів формування врожаю на осушуваних землях і факторів екологічної стабільності меліорованих земель.

Особливістю осушуваних сільськогосподарських угідь, яка відносить їх до складних систем, є наявність природної та антропогенної (техногенної) складових у внутрішній структурі. Осушуваним землям притаманні два аспекти і два наслідки їхнього існування: 1) сільськогосподарсько-економічний (у тому числі меліоративний), 2) природоохоронний (природно-системний). Метою нашого господарювання на осушуваних землях є створення такого їхнього стану, який відповідав би вимогам задоволення потреб у сільськогосподарській продукції за умови підтримання сталого і сприятливого розвитку природних підсистем. Така мета відповідала б концепції “сталого розвитку” (Sustainable Development), декларованої ООН наприкінці 80-х років минулого століття. Досягненню даної мети слугує одна з провідних підсистем державного моніторингу - відомча мережа еколого-меліоративного моніторингу (ЕММ) меліорованих земель України в рамках Держводгоспу України та державна система моніторингу вод у рамках Міністерства екології та природних ресурсів України, які з 1988 року діють на осушуваних землях України (рис. 1) завдяки науковим та практичним зусиллям В.Є. Алексєєвського, С.А. Балюка, Й.М. Білоуса, А.І. Бондаря, М.О. Клименка, П.І. Коваленка, П.І. Ковальчука, Б.І. Козловського, В.В. Лелявського, Б.С. Маслова, В.В. Медведєва, І.В. Мінаєва, І.Ю. Насєдкіна, Л.В. Подзіної, М.І. Ромащенка, Г.П. Рябцевої, О.В. Скрипника, Т.І. Топольнік, Р.С. Трускавецького, О.В. Цвєтової, А.В. Яцика та ін. Реалізацію зазначених підсистем здійснює гідрогеолого-меліоративна служба Держводгоспу України.

Моніторингові дослідження нині є основним джерелом інформації для розробки сільськогосподарських та екологічних управлінських заходів. Основною невирішеною проблемою моніторингу осушуваних земель та моніторингу вод є відсутність наукових методів інтерпретації даних для потреб практичного їх застосування у сільськогосподарській та природоохоронній управлінській практиці.

На сьогодні відсутні надійні методи оцінки, прогнозування стану та управління осушуваними землями за даними еколого-меліоративного моніторингу (ЕММ). Необхідна розробка принципово нових методів на базі інформаційних технологій та математичних моделей, які б давали можливість: враховувати причинно-наслідкові зв'язки; дію основних законів землеробства; розраховувати значення урожайності; оцінювати стан ОЗ в цілому; прогнозувати майбутні стани; здійснювати раціональне управління тощо.

Основою управління процесами формування врожаю з дотриманням екологічної рівноваги на осушуваних землях є застосування методів математичного моделювання на базі об'єктивної моніторингової інформації про фактичний стан осушуваних земель. Наявні методи і моделі не відповідають: критеріям складності та штучності структури, врахування сукупної дії змінних, відповідності завданням і базам даних ЕММ, а також завданням моделювання продуктивності окремих укосів, оцінки стану сільськогосподарських та прилеглих угідь, оцінки екологічної стійкості. Тому для потреб управління потребують розробки модель продуктивності та оцінки стану осушуваних земель (ПОСОЗ), а також модель екологічної стійкості ОЗ та природно-техногенних систем (ОСОЗ).

2. Принципи побудови моделей продуктивності та екологічної стійкості осушуваних земель для потреб управління

З наукових принципів моделювання природно-техногенних систем випливає, що розроблювані математичні моделі типологічно повинні належати до інтегральних, генетичних, типу “сірого ящика”, динамічних, причинно-наслідкових, лінійних, нестаціонарних, детерміновано-стохастичних імітаційних моделей з розподіленими параметрами.

Властивості осушуваних земель збігаються з набором властивостей географічних систем (геосистем), що зумовлює концептуальну можливість застосування положень і методів сучасного ландшафтознавства і ландшафтної екології, зокрема концепції антропізованої геосистеми (агрогеосистеми), для опису ОЗ з метою раціонального управління їхною продуктивністю та екологічною стійкістю.

За розробленою класифікацією методів оцінки стійкості геосистем, розроблених у працях Д.Л. Арманда, А. Бучека, К.Б. Гальперна, М.Д. Гродзинського, К.Н. Дьяконова, К.Де Фонсеки, Я. Зоневельда, В.В. Куликова, Р.С. Левонтіна, Р. МакАртура, Р. Мея, Б.М. Міркіна, Г. Оріанса, А. Ріхлінга, М. Ружички, В.А. Свєтлосанова, М. Тернера, А. Токколіні, В.Д. Федорова, П.Г. Шищенка та ін. та аналізом їхніх властивостей доведено, що розроблювана математична модель оцінки, прогнозування і управління екологічною стійкістю осушуваних земель повинна описувати стійкість ОЗ на підставі визначення їхньої фітопродуктивності як базової емерджентної властивості та застосування методів порівняння, в основі яких лежить концепція екологічної ніші. На підставі аналізу властивостей агрогеосистеми встановлено, що принцип дії моделей, які розробляються, має базуватися на сільськогосподарських та екологічних законах толерантності, сукупної дії факторів, стійкості природних систем, квантитативної компенсації у функціях геосистем, закономірностях втрат врожаю.

3. Формулювання моделі продуктивності та оцінки стану осушуваних земель України

Комплексний аналіз відповідності показників ЕММ вимогам до критерію стану показав, що у контексті проблеми досліджень найбільш екологічно та економічно виправданим є використання як основного комплексного критерію стану агрогеосистеми показника інтенсивності продукування нею рослинної біомаси або, іншими словами, фітопродуктивності агрогеосистем. Оскільки доведено залежність рівня урожайності сільськогосподарських культур на осушуваних землях від їхнього меліоративного стану, контроль та керування меліоративним станом осушуваних земель України є першочерговим завданням при веденні сільського господарства та здійсненні природоохоронних заходів на меліорованих землях.

Визначення на основі системного підходу набору компонентів та системотворних зв'язків між ними дає змогу формалізувати об'єкт моделювання. Величина урожайності на ОЗ функціонально залежить від чотирьох аргументів. Цю залежність у загальному неявному вигляді можна зобразити у вигляді функціоналу де - урожайність (фітопродуктивність) оцінюваної системи; - потенційна ґрунтова родючість і ґрунтові умови; - рівень інсоляції; - тепловий режим атмосфери і ґрунту; - ботанічні, морфологічні та біологічні особливості рослини (культури, сорту, гібриду) або рослинної асоціації.

Об'єктом моделювання є поліцентрична, поліструктурна система, що складається з п'яти складних елементів різної природи, які взаємодіють між собою і з оточенням - людиною. Отже, маємо абстрактну природно-техногенну систему, що являє собою територіально цілісний набір природних географічних компонентів у межах агрогеосистем певного територіального рівня, які знаходяться під постійним впливом інженерних споруд водорегулювання і виконують соціальну функцію виробництва сільськогосподарської продукції.

Враховуючи властивості модельованої системи, як основний оператор (функціонал , вимірюваний і обмежений на деякій обмеженій множині точок з мірою) моделі ПОСОЗ, може бути застосовано функціонал міри у вигляді інтегральної суми Лебега або у динамічній формі після введення часової змінної.

Базові оператори моделі сформульовано у вигляді функціоналів міри Лебега для дискретної функції мети: де - екологічно забезпечена (створена в умовах конкретного сполучення екологічних факторів) корисна фітомаса (урожай), т/га; - біологічна продуктивність (визначається потенційними продуктивними можливостями агрофітоценозу, або природного фітоценозу), т/га; і - вагові коефіцієнти, що визначають міру участі сукупної дії факторів у формуванні екологічно забезпеченого врожаю, причому; - коефіцієнт відносної продуктивності укосу (тільки для багатоукісних трав) за емпіричною формулою типу (10) де - порядковий номер укосу,; - параметри, що залежать від рівня ґрунтових вод на ОЗ; - продуктивність з позицій міри; - продуктивність з позицій сукупної дії факторів; - часткові значення урожайності; - вагові коефіцієнти факторів продуктивності.

Урожайний ефект від сукупної дії чинників розраховується за емпіричною залежністю типу (10)

Елемент є складною підсистемою системи. Тому фітопродуктивність (урожайність) забезпечена ґрунтовою родючістю і ґрунтовими умовами згідно з де - урожайність за - м ґрунтовим показником, т/га,; - вагові коефіцієнти ґрунтових показників (змінних).

Оскільки часткові значення фітопродуктивності є величинами, залежними не тільки від моментальних значень змінних і, а й від попередньої динаміки цих змінних в межах досліджуваної системи впродовж поточного періоду вегетації, то ці величини визначаються з врахуванням передісторії росту і розвитку фітоценозу за залежністю де - фітопродуктивність (урожайність), розрахована для - ї змінної на - му кроці дискретизації моделі; - вагові коефіцієнти - го кроку дискретизації моделі, що визначається для кожної сільськогосподарської культури або виду рослинності залежно від фази розвитку; - кількість кроків дискретизації моделі де - значення - ї змінної на - му кроці дискретизації моделі; - параметри функції толерантності для -ї змінної (для енергетичних змінних визначені на кінець вегетації); - параметр фазового положення оптимуму - ї енергетичної змінної на - му кроці дискретизації за залежніст де - параметр фазового положення оптимуму функції толерантності -ї змінної (для енергетичних змінних визначений на кінець вегетації); - оптимальне значення -ї енергетичної змінної на кінець вегетації; - оптимальне значення -ї енергетичної змінної на - му кроці дискретизації, розраховане за субмоделлю ходу оптимальних значень енергетичних змінних; - поправочні коефіцієнти на ступінь враження посівів стресовими умовами відповідно: заморозками, несприятливими умовами літньо-осіннього етапу вегетації та перезимівлі (для озимих), поляганням (для зернових), градом, посухами, а також на ступінь несприятливої дії хвороб, шкідників і бур'янів; - кількість стресових пошкоджень за вегетацію внаслідок заморозків, полягання (для зернових), граду, посух.

На основі фундаментального закону толерантності (мінімуму, оптимуму і максимуму) Шелфорда та досвіду математичного моделювання сільськогосподарських систем та фітоценозів розроблено новий вид сигмоїдальної функції, придатної для опису толерантності рослин та рослинних асоціацій до дії внутрішніх та зовнішніх чинників виду

- параметр швидкості зростання функції,; - параметр швидкості спадання функції на інтервалі або параметр пошкодження,; - параметр положення оптимуму змінної,; - параметр пристосованості рослини до дії змінної,. Переваги моделі: 1) дає змогу надійно апроксимувати експериментальні дані, 2) всі параметри фізично інтерпретуються, 3) врахований негативний вплив перевищення оптимуму, 4) графік функції не проходить через початок координат, 5) модельовані значення не можуть перевищити біологічного максимуму даного виду, сорту, фітоценозу, культури, 6) простота, яка дає можливість застосовувати для моделювання стандартне програмне забезпечення.

Подальші дослідження показали, що залежність (10) може успішно застосовуватися для опису не тільки продукційного процесу, але й багатьох інших стохастичних природних процесів та закономірностей і зокрема: 1) залежність між об'ємом сухої речовини в біомасі багатоукісних трав і порядковим номером укосу, 2) хід оптимальних значень суми активних температур повітря (вищих від 10єС) в онтогенезі, 3) середній багаторічний хід суми активних температур повітря (вищих від 10єС) за період вегетації, 4) залежність коефіцієнта сукупної дії від відносного показника взаємодії факторів продуктивності.

Серйозною проблемою моделювання продукційних процесів у природно-техногенних системах є наявність кумулятивного ефекту від сукупної дії факторів життя рослин. За даними літературних та фондових джерел нами розроблена субмодель, яка дає змогу достатнім для практики ЕММ та використання ОЗ рівнем адекватності імітувати кумулятивний ефект від дії необмеженої кількості змінних, що визначають стан ОЗ. З метою досягнення порівнюваності значень фізично і математично різнорідних змінних моделі, значення змінних та критерію мети виражені у відносному вигляді стосовно оптимальних значень змінних та максимальних значень продуктивності (). Для опису кумулятивного ефекту застосовано відносний показник взаємодії факторів продуктивності, середнє геометричне відносних відхилень значень змінних від локальних оптимумів: де - значення локального оптимуму - змінної на - му кроці дискретизації загальної моделі, , де - кількість змінних, що враховуються на - му кроці дискретизації; - фактичне значення - змінної на - му кроці дискретизації. Середнє геометричне відносних відхилень дає змогу врахувати таку важливу закономірність продукційних процесів: продуктивність прямує до нуля, якщо величина хоча б одного з факторів прямує до нуля. Остаточно урожайний ефект від сукупної дії чинників розраховується за залежністю (5).

Результатом моделювання може бути величина “комірного” або екологічно забезпеченого врожаю сільськогосподарських культур (залежно від потреб моделювання). “Комірний” врожай визначаємо за залежністю, де - коефіцієнт втрат при збиранні (розраховується з врахуванням типу і марки збиральної техніки, термінів збирання, погодних умов періоду збирання тощо); - коефіцієнт втрат при транспортуванні продукції; - екологічно забезпечена урожайність; - час (днів), що минув від 20 квітня (дата середнього багаторічного переходу середніх добових температур повітря через 0є С) до -ї дати.

Зважаючи на викладене вище, нами на підставі розробленої структури математичної моделі ПОСОЗ (див. залежності (1-11)) розроблено алгоритм її роботи у вигляді блок-схеми, яку покладено в основу комп'ютерної програми реалізації моделі ПОСОЗ.

4. Ідентифікація моделі продуктивності та оцінки стану осушуваних земель України

У процесі ідентифікації моделі продуктивності та оцінки стану осушуваних земель визначено перелік кліматичних змінних моделі продуктивності та оцінки меліоративного стану осушуваних земель. Встановлено, що основним кліматичним показником для досліджуваної системи є сума активних температур повітря вищих від 10єС. Цей показник дає змогу з високою надійністю () визначати, за отриманими регіональними емпіричними моделями, інтенсивність надходження енергії до осушуваних агрогеосистем. Для забезпечення можливості статистичного моделювання середньої декадної температури ґрунту за даними про середню декадну температуру повітря, розроблено емпіричну модель, що має вигляд і високий рівень надійності:

Застосування системного підходу і методів теорії вимірювань дало змогу обґрунтувати оптимальний, з точки зору ведення ЕММ та потреб моделювання продуктивності, набір показників, до якого входять: 1) вміст органічної речовини (G) для мінеральних або зольність (Z) для торфових ґрунтів, 2) вміст рухомого фосфору (Р), 3) вміст обмінного калію (К), 4) запаси продуктивної вологи в розрахунковому шарі ґрунту (W), 5) рівень ґрунтових вод (h), 6) щільність ґрунту (d), 7) потужність гумусового горизонту (Н_г) для мінеральних, або мінералізованої товщі (Н_м) для торфових ґрунтів, 8) реакція (pH_KCl), 9) окисно-відновні умови (показник Eh).

Внаслідок використання енергетично-речовинного способу декомпозиції осушуваної агрогеосистеми за методом Черчмена-Акофа з теорії дослідження операцій, визначено бінарні відношення переваги: і встановлено значення вагових коефіцієнтів функціоналу: .

На основі аналізу графу саморегуляції, параметри фітопродуктивності, які формують оточення (середовище) зеленої рослини, можна описати бінарним співвідношенням переваги. За умовою, яка випливає з припущення, що сонячна радіація в природних системах є основним джерелом енергії для всіх теплових і хімічних процесів у ґрунті, розраховано значення вагових коефіцієнтів для кожного з параметрів фітопродуктивності (урожайності) у функціоналі, які описують рівень їхньої значущості (“силу”) у процесі саморегуляції модуля рослина - оточення:.

Оскільки система має чотири регулятивні входи, які розглядаються як зв'язки зовнішнього антропогенного фактора Л з внутрішніми елементами, необхідно встановити чисельні значення “ваги” компонентів з точки зору зовнішньої регуляції. В результаті статистичного аналізу виявилося, що прирости урожаю, отримані від застосування “сильних” і “слабких” заходів за тестами Фішера і Стьюдента суттєво відрізняються (,), що змушує нас відхилити гіпотезу про їхню належність до однієї генеральної сукупності та підтверджує принципову правильність прийнятого поділу заходів. З іншого боку, проведені тести Фішера показують досить високу односторонню імовірність спільності вибірок приростів, отриманих на торфових та мінеральних ґрунтах відповідно від слабких () та від сильних заходів (). Отже, є всі підстави для усереднення значень приростів, отриманих окремо від сильних та слабких заходів (управлінських альтернатив) незалежно від типу ґрунту для встановлення загальної переваги перших над другими. Експериментальні дані засвідчують чотириразову перевагу сильних заходів з точки зору міри управлінського впливу.

Маючи значення ваги для конкретної стратегії управління, розраховуємо змінні значення вагових коефіцієнтів. У випадку повного набору управлінських заходів.

Остаточні (усереднені) значення вагових коефіцієнтів для факторів продуктивності у випадку максимально повного набору управлінських заходів становлять.

Отже, регулятивні заходи безпосереднього впливу на елементи системи в чотири рази ефективніші від заходів опосередкованого впливу. Змінюючи значення змінних, а також набір і якість реалізації заходів, що здійснюються на ОЗ, ми змінюємо вагу кожного з параметрів фітопродуктивності і таким чином результат моделювання - величину фітопродуктивності (урожайності) в заданій точці.

Вперше отримані на ОЗ значення ваги окремих параметрів продуктивності свідчать про те, що майже наполовину обсяги врожаїв сільськогосподарських культур та продуктивність квазіприродних фітоценозів на осушуваних землях залежать від ґрунтових умов, отже, від меліоративного стану земель. Елемент “ґрунтова родючість і ґрунтові умови” є у 4,7 раза сильнішим, ніж “ботанічні та біологічні особливості”, у 2,7 раза сильнішим, ніж “забезпеченість рослин теплом”, а також у 1,6 раза сильнішим від елемента “забезпеченість рослин світлом”. На основі таких співвідношень можна стверджувати, що при веденні сільського господарства та здійсненні природоохоронних заходів на ОЗ найбільшу увагу слід приділяти регулюванню водного та інших ґрунтових режимів і формуванню сприятливої меліоративної (еколого-меліоративної) ситуації. Система ЕММ має бути скерована на збір фактичних даних переважно про стан ґрунтового покриву і територіальний контроль показників стану ґрунту для забезпечення можливості керування продуктивністю сільськогосподарських культур.

Застосування теорії вимірювань і теорії графів для встановлення співвідношень між факторами родючості та показниками стану осушуваних ґрунтів дало змогу обґрунтувати набір найбільш репрезентативних ґрунтових показників, ранжувати показники та параметризувати функціонал ґрунтової родючості (6), розрахувавши для нього вагові коефіцієнти

З точки зору вагомості ґрунтових показників (змінних) при описі родючості та стану ґрунтового покриву отримано такі значення вагових коефіцієнтів.

Згідно з оцінкою величини ваги ґрунтових показників за ступенем їхньої зовнішньої (антропогенної) регульованості, розраховано значення вагових коефіцієнтів у випадку максимально повного набору управлінських заходів зовнішнього (антропогенного) регулювання системи.

Остаточні середні значення вагових коефіцієнтів для змінних функціоналу ґрунтової родючості у випадку максимально повного набору управлінських заходів зовнішнього (антропогенного) регулювання системи становлять.

В реальних умовах функціонування осушуваних земель вагові коефіцієнти (оскільки) та їхні значення залежать від набору, часу виконання та якості агротехнічних, агрохімічних, агромеліоративних та ін. заходів. Такий набір заходів і їхня якість задаються користувачем на вході математичної моделі продуктивності та оцінки стану осушуваних земель.

Кількісний зв'язок між величиною евапотранспірації сільськогосподарських рослин та об'ємом продукованої фітомаси дає можливість застосувати значення біологічного коефіцієнта сумарного випаровування (де - величина евапотранспірації за деякий відрізок періоду вегетації, мм; - випаровуваність з поверхні ґрунту, позбавленого рослинності, мм) і таким чином параметризувати функціонал врахування передісторії розвитку рослин в онтогенезі (7) визначивши вагові коефіцієнти фенофаз розвитку основних сільськогосподарських культур. За фізичним змістом показує, у скільки разів евапотранспірація в даних ґрунтово-кліматичних умовах відрізняється від випаровуваності, характеризуючи здатність рослин регулювати транспірацію, отже, і ступінь потреби у факторах життя для накопичення фітомаси врожаю. Враховуючи значення для фаз розвитку даної сільськогосподарської культури, визначаємо ваговий коефіцієнт для - ї фази розвитку за залежністю.

Для визначення значень параметрів функції толерантності основних сільськогосподарських культур до змінних моделі ПОСОЗ застосовано ітераційні математичні методи (методи Ньютона та градієнтного спуску) з використанням програмного забезпечення Microsoft Excel. Шляхом пошуку максимальних значень кореляційного відношення, коефіцієнта кореляції, показника і середньоквадратичної похибки досягалася максимальна збіжність модельованих за залежністю (10) значень з експериментальними даними щодо урожайності сільськогосподарських культур. Отримані таким чином 2394 значення параметрів для 23 основних сільськогосподарських культур містяться у комп'ютерній базі даних ЕММ.

Ідентифікація субмоделі сукупної дії змінних полягає у визначенні виду та коефіцієнтів залежності між прийнятим відносним показником взаємодії факторів продуктивності (11) та фітопродуктивністю, що забезпечується сукупною дією змінних. Означене завдання виконано нами за допомогою кореляційного та регресійного аналізу експериментальних даних щодо сукупної дії факторів життя рослин, для чого використовувалися результати класичних експериментів з вивчення сукупної дії, отримані в умовах ОЗ або близьких до них: 1) дослід Вольні - 3 фактори (світло, вода, повне добриво), жито; 2) дослід НДС ім. Костичева - 2 фактори (вода, повне добриво), пшениця; 3) дослід Ротамстедської НДС (дослід Зеельхорста) - 2 фактори (вода, калій - поживні речовини), овес. Показано, що максимальну надійність апроксимації експериментальних значень забезпечує сигмоїдальна функція (10) (у параметризованому вигляді - залежність (5)). Аналогічно за даними літературних джерел параметризовано емпіричну модель продуктивності укосів для багатоукісних кормових культур (4).

На підставі аналізу експериментальних даних для потреб моделювання величини комірного врожаю розроблено принципи та алгоритм визначення коефіцієнта втрат врожаю при збиранні. Оскільки для більшості сортів зернових природне осипання зерна є основним шляхом втрат урожаю, а технічно та технологічно зумовлені втрати при застосуванні зношених зернозбиральних комбайнів можуть перевищувати сумарні втрати від природнокліматичних чинників, виникає необхідність розробки та впровадження в рамках ЕММ інформаційно-дорадчої системи супроводу та управління господарською діяльністю на осушуваних землях України.

В результаті чисельного експерименту в процесі калібрування моделі ПОСОЗ вперше встановлено, що сільськогосподарські культури мають різний ступінь участі закону сукупної дії у загальному процесі формування фітомаси врожаю; отримано відповідні значення вагових коефіцієнтів. Встановлено значення поправочних коефіцієнтів на ступінь ураження посівів стресовими умовами року.

5. Верифікація моделі продуктивності та оцінки стану осушуваних земель.

Перевірка адекватності математичної моделі полягає в порівнянні результатів, отриманих на виході моделі, з результатами, отриманими на виході оригіналу. Таке порівняння у нашому випадку виконується шляхом оцінки ступеня збіжності модельованих і експериментальних значень продуктивності осушуваних земель, внаслідок якого має бути прийняте рішення про адекватність моделі ПОСОЗ та можливість її застосування для практичних потреб управління. Для повної перевірки моделі необхідне проведення її верифікації у два етапи. Перший етап верифікації моделі ПОСОЗ проводився на “залежному матеріалі”, тобто на експериментальних даних, які використані у процесі ідентифікації математичної моделі. Другий етап реалізовувався за “незалежними” експериментальними даними, тобто даними, які не використовувалися при розробці та ідентифікації моделі.

...