Концептуальная модель прогноза прибавки урожайности озимой пшеницы по показателям агрохимической характеристики почвы при применении фосфорных удобрений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Концептуальная модель прогноза прибавки урожайности озимой пшеницы по показателям агрохимической характеристики почвы при применении фосфорных удобрений

В современном земледелии при незначительном объеме применения удобрений формирование урожаев сельскохозяйственных культур осуществляется, прежде всего, за счет запасов питательных веществ почвы. В связи с этим безусловный интерес представляет оценка влияния агрохимических свойств почвы на продуктивность культур, эффективность удобрений. Свойства почвы, как известно, оказывают различное - положительное или дестабилизирующее - влияние на эффективность удобрений [1, 2, 3]. Именно поэтому важно выявить не только действие отдельных агрохимических свойств, но и их совокупное влияние на изменчивость прибавки урожайности культур от удобрений.

Реальное представление о действии комплекса факторов на результативный признак можно получить на основе математического моделирования их взаимосвязей [1, 4, 5]. Такие исследования, оценивающие связь между количеством внесенных удобрений, уровнем плодородия почвы и другими факторами роста, прямо или косвенно влияющими на величину урожая, начиная с 60-70-х годов прошлого века, проводятся в нашей стране и за рубежом [6].

Использование методов математической статистики для описания влияния вариации агрохимических свойств почвы на эффективность минеральных удобрений создаёт предпосылки для характеристики изменчивости величины прибавки урожайности сельскохозяйственных культур в зависимости от уровня обеспеченности элементами минерального питания растений, доз удобрений. Описание связи факториальных признаков и результативного признака проводилось, как правило, с помощью математических моделей различной сложности. Обычно эти модели представляют собой регрессионные уравнения различного типа. Чаще всего для анализа связи использовали линейную множественную функцию:

У = а₀ + а₁Х₁ + а₂Х₂ + … +а_nХ_n У

или полином:

У = а₀ + а₁Х₁ + а₂Х₂ + … +а_nХ_n + а₁₁Х₁Х₂ + а₁₂Х₁Х₃+ … +а₂₁Х₁² + а₂₂Х₂^2.

Приведенные уравнения регрессии нуждаются в совершенствовании с позиции интерпретации результатов опытных исследований, так как их можно применять только в пределах полученных экспериментальных данных. Использование указанных моделей не обеспечивает возможности имитировать совокупность свойств почвы в их динамическом состоянии и отражать возможные изменения результативного признака под влиянием изменяющихся факторов внешней среды, например, агрохимической характеристики почв.

Интересное решение проблемы создания динамической модели предлагает Т.Н. Кулаковская [7]. По её мнению, «в отношении почвенной среды на данном этапе можно создать лишь интегральную модель, отражающую оптимальное сочетание свойств этой системы и указывающую главные пути их достижения». В своей модели она приводит оптимальные показатели агрохимических свойств почвы при возделывании сельскохозяйственных культур на дерново-подзолистых почвах. Безусловно, что использование только оптимальных показателей ограничивает возможность применения этой модели. В реальных условиях приходится учитывать конкретную агрохимическую ситуацию. На наш взгляд, это возможно тогда, когда в основу будет взята концепция, отражающая совокупность взаимосвязей в системе «почва - растение - средство химизации».

В этом случае стохастическая модель прогноза эффективности удобрений позволит представить общую картину перспективной динамики количественных характеристик изменчивости прибавок урожайности в зависимости от вариации показателей агрохимической ситуации. Одной из возможностей оценки воздействия факторов, оказывающих существенное влияние на формирование прибавки урожайности в системе «почва - растение - удобрение», является использование предложенного Т.Н. Кулаковской [6] метода комплексной оценки влияния вариации значений показателей агрохимической характеристики почвы на эффективность удобрений путем выражения их в относительных величинах. В этом случае доля участия каждого из агрохимических факторов в формировании прибавки урожайности выражается в процентах или в виде коэффициентов. Такой подход не изменяет характера изучаемых связей, заметно упрощает расчеты и позволяет оценивать вклад каждого из изучаемых факторов в формирование прибавки урожайности.

В связи с этим целью работы является разработка и обоснование концептуальной модели, предусматривающей возможность учета влияния факторов системы «почва - растение - удобрение» в их динамическом состоянии и обеспечивающей возможность получения максимального прироста урожайности сельскохозяйственных культур от фосфорных удобрений за счет оптимизации минерального питания и доз фосфора.

В опытах Географической сети опытов с удобрениями и Агрохимической службы России информация по агрохимической характеристике почв, в основном, представлена данными по реакции почвенной среды, содержанию подвижных форм фосфора и калия в почве. По остальным показателям она нередко фрагментарна, что ограничивает возможность ее использования для выполнения поставленных целей. Поэтому исследования проводились с использованием указанного минимума агрохимических свойств почвы.

Выявленные нами [9] особенности корреляционных связей в системе «почва - растение - удобрения» могут быть использованы как теоретическое обоснование для корректного описания количественной изменчивости прибавки урожайности озимой пшеницы от внесения фосфорных удобрений под влиянием агрохимических факторов почвенного плодородия. Корректный прогноз изменчивости прибавки урожайности озимой пшеницы от фосфорных удобрений с учетом конкретной агрохимической ситуации возможен, по нашему мнению, лишь при использовании такой последовательности расчета, которая позволяет учесть все рассмотренные выше особенности корреляционных связей в системе «почва - растение - удобрения».

В общем виде такую последовательность (модель) с учетом особенностей влияния агрохимических свойств почвы на эффективность фосфорных удобрений под озимую пшеницу можно представить в виде аппроксимационного алгоритма в следующей алгебраической форме:

фосфорный удобрение урожайность пшеница

У = (А / Рп - В) + (А - В_*рН) + (b_{1 *} Ру - b_2* Ру ²) - для дерново-подзолистых и серых лесных почв,

У = (А / Рп - В) + (b_{1 *} Ру - b_2* Ру ²) - для черноземов оподзоленных, черноземов типичных и обыкновенных,

где: У - прибавка урожайности, ц/га,

А и В-параметры уравнения,

Рп - содержание подвижных фосфатов в почве, мг/кг Р₂О₅,

Ру - дозы фосфорных удобрений, кг/га Р₂О₅,

рН - реакция почвенной среды,

b₁ и b₂ - коэффициенты регрессии.

Особенностью предлагаемой концептуальной модели и ее отличием от уравнения регрессии интегральной модели является то, что имеется реальная возможность оценивать влияние динамики количественных характеристик агрохимических свойств почвы на эффективность удобрений при различном их сочетании. Если фактические значения факторов отклоняются от оптимума, то в последовательности расчета предусмотрено, чтобы их результатирующее воздействие было пропорционально сумме всех исследуемых функций влияния, включающих лимитирующие факторы. В случае, когда эти факторы количественно находятся в благоприятном сочетании и соответствуют оптимуму, то возможно прогнозирование потенциальной прибавки от фосфорных удобрений.

Верификация концептуальной модели позволяет определить долю участия рН почвы, обеспеченности почвы подвижными формами фосфора, доз фосфорных удобрений и их взаимодействия в формировании прибавки урожайности озимой пшеницы.

Последовательность расчета с учетом особенностей корреляционных связей в системе «почва - удобрения - растение» показана на примере прогноза прибавки урожайности озимой пшеницы при возделывании ее на дерново-подзолистых почвах.

Отправной точкой в расчетах является тенденция наблюдаемых значений результативного признака, в данном случае, прибавки урожайности озимой пшеницы от фосфорных удобрений, группироваться вокруг центра распределения частот. В наших выборках это та величина, которая встречается наиболее часто (мода). В выборке, характеризующей эффективность фосфорных удобрений на дерново-подзолистых почвах, она составила 7,6 ц/га. Принимая указанную величину прибавки урожайности, в соответствии с предлагаемым Т.Н. Кулаковской методом комплексной оценки взаимодействия факторов, за 100%, можно рассчитать относительный вклад того или иного фактора. Формула расчета имеет следующий вид:

ОВ_Ф1 = Ю _Ф1 ·100 / У (Ю _Ф1 + Ю _Ф2 + Ю _Ф3),

где: ОВ - относительный вклад фактора,

%; Ю - корреляционное отношение;

Ф1, …, Ф3 - изучаемые факторы.

Количественный вклад изучаемых факторов определяется по величинам их относительного вклада и прибавке урожайности по формуле:

КВ = П_*ОВ,

где: КВ - количественный вклад фактора, ц/га;

П - прибавка урожайности, ц/га.

Расчеты для характеристики относительного и количественного вклада в формирование прибавки урожайности выполняются отдельно по каждому фактору системы и сводятся в таблицу (табл. 1).

Таблица 1. Факторы модели и их вклад в формирование прибавки урожайности озимой пшеницы

Следующим этапом является оценка изменчивости величины вклада в формирование прибавки урожайности таких факторов, как рН почвы, и обеспеченность её подвижными формами фосфора. Для этого в соответствии с аппроксимационным алгоритмом выводятся уравнения регрессии отдельно по каждому фактору. В данном случае уравнения имеют вид гиперболы:

У = 4,887 - 16,132/Х - для реакции почвенной среды;

У = 9,322/Х - 0,367 - для обеспеченности почвы подвижными формами фосфора.

По уравнениям регрессии рассчитывается вклад факторов в формирование прибавки урожайности. Результаты расчетов приведены в таблице 2.

Таблица 2. Количественный вклад степени кислотности почвы и ее обеспеченности подвижными формами фосфора в формировании прибавки урожайности озимой пшеницы

Далее производится оценка влияния вариации реакции почвенной среды, содержания подвижного фосфора в почве на изменчивость вклада доз фосфора в формирование прибавки урожайности. В связи с тем, что зависимость между дозами фосфора и величиной прибавки урожайности хорошо иллюстрируется кривой типа параболы, алгоритм расчета может быть представлен фрагментом уравнения квадратической параболы:

КВ_Д = а _* Д_ф - b _*Д_ф²,

где: КВ_Д - количественный вклад фактора при том или другом уровне его значений, ц/га;

а и b - коэффициенты;

Д_ф - доза фосфора, кг/га.

Коэффициенты а и b определяют по максимуму функции изучаемого фактора и его доли в формировании прибавки урожайности:

b = КВ_Д/ Д²

а = b _* 2_* Д

Результаты расчетов для удобства использования сведены в таблицу (табл. 3).

Таблица 3. Вклад доз фосфора в формирование прибавки урожайности при разных значениях рН и Р₂О₅, ц/га

Аналогичные расчеты, с учетом выявленных особенностей корреляционных связей в системе «почва - растение - удобрения» проведены при анализе материалов по эффективности фосфорных удобрений при возделывании озимой пшеницы на серых лесных почвах (табл. 4), на черноземах выщелоченных и оподзоленных, типичных и обыкновенных (табл. 5).

Таблица 4. Прогноз прибавки урожайности озимой пшеницы от фосфорных удобрений на дерново-подзолистых и серых лесных почвах

Таблица 5. Прогноз прибавки урожайности озимой пшеницы от фосфорных удобрений на черноземах выщелоченных и оподзоленных, типичных и обыкновенных

На основе приведенных данных можно констатировать возможность прогнозирования влияния как отдельных агрохимических свойств почвы, так и их комплекса на эффективность фосфорных удобрений. А это, свою очередь, позволяет представить общую картину перспективной динамики количественных характеристик изменчивости прибавок урожайности от удобрений при вариации агрохимической ситуации и обеспечивает потенциальную возможность теоретически обосновать положение о том, что прогнозируемая прибавка урожайности является следствием изменения условий минерального питания и влияния удобрений. Такой подход является одним из первых примеров комплексного анализа, систематизации и обобщения информации в системе «почва - растение - удобрение» при применении фосфорных удобрений.

Анализ материалов таблиц позволяет отметить и такой принципиальный момент: эти данные можно рассматривать как нормативные показатели, представляющие прогноз изменчивости прибавки урожайности озимой пшеницы в зависимости от комплекса агрохимических свойств почвы. В этом их значимость и актуальность. При этом очень важным достоинством предлагаемых нормативов, в отличие от разработанных ранее, является то, что они привязаны к конкретным типам почв и дифференцированы по их агрохимическим свойствам. Поэтому прогноз прибавки урожайности по предлагаемой модели может быть использован для оценки эффективности фосфорных удобрений, для определения их экономической эффективности при любой агрохимической ситуации применительно к конкретному полю, участку.

Разработанная концептуальная модель эффективности фосфорных удобрений в системе «почва - удобрения - растение» позволяет получить количественные статистически достоверные оценки влияния факторов системы на формирование прибавки урожайности. Так, при возделывании озимой пшеницы на черноземах можно констатировать ведущую роль в формировании прибавки урожайности обеспеченности почв подвижным фосфором и доз фосфора. На дерново-подзолистых и серых лесных почвах, кроме указанных факторов, проявляется существенное влияние реакции почвенной среды.

Достоинством концептуальной модели является также и то, что она обеспечивает возможность перейти от общепринятой, не учитывающей изменчивость агрохимических факторов почвенного плодородия, характеристики эффективности доз удобрений, к конкретизации оптимального сочетания доз фосфора и условий минерального питания, при которой возможно получение потенциальной для данного типа почвы прибавки урожайности. Прогноз изменчивости прибавки урожайности в зависимости от комплекса агрохимических свойств почвы может быть использован при разработке научно обоснованных рекомендаций, обеспечивающих совершенствование технологий применения удобрений и одновременно сохранение оптимального агроэкологического состояния земель. В этом практическое значение разработанной модели применения фосфорных удобрений.

Список использованных источников

фосфорный удобрение урожайность пшеница

1. Липкина Г.С. Связь урожая сельскохозяйственных культур с агрохимическими свойствами почв и удобрениями. Обзорная информация. МСХ СССР. Всесоюзный научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по сельскому хозяйству. М., 1975. 42 с.

2. Семенов В.А. Взаимосвязь между содержанием гумуса и другими свойствами почвы - факторами урожая. - Почвоведение, 1992, №11. С. 68-80.

3. Сычев В.Г. Тенденции изменения агрохимических показателей плодородия почв Европейской части России. Под ред. В.Г. Минеева. М.: ЦИНАО, 2000. 187 с.

4. Налимов Н.Н. Теория эксперимента. М.: Изд-во «Наука», 1976. 207 с.

5. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. М., 1981. 491 с.

6. Литвак Ш.И. Системный подход к агрохимическим исследованиям. М.: Агропромиздат. 1990. 220 с.

7. Кулаковская Т.Н. Оптимизация агрохимической системы почвенного питания растений. М.: Агропромиздат. 1990. 219 с.

8. Кулаковская Т.Н. Почвенно-агрохимические основы получения высоких урожаев. - Минск.: Ураджай, 1978. 272 с.

9. Прошкин В.А. Оценка тесноты и достоверности связи прибавки урожайности озимой пшеницы и агрохимических свойств почвы // АгроЭкоИнфо. - №2. - 2010. - http://www.agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2010/2/st_12.doc.

Размещено на Allbest.ru