Принципи і перспективи оцінки та управління станом ґрунтового покриву

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет водного господарства та природокористування

ПРИНЦИПИ І ПЕРСПЕКТИВИ ОЦІНКИ ТА УПРАВЛІННЯ СТАНОМ ҐРУНТОВОГО ПОКРИВУ

Мошинський В.C, д.с.-г.н., проф.

Анотація

Наводяться теоретичні принципи оцінки стану ґрунтів та обґрунтування розробки комплексної системи оцінки та управління станом ґрунтів з позицій природно-системного підходу.

Annotation

In article the soil state assessment theoretical principles are given, natural system approaches to development of appreciation-management system for the soils are grounded.

Виклад основного матеріалу

Виходячи з теоретичних засад сучасного ґрунтознавства та інших природничих наук, ґрунт є специфічним природним утворенням і, безсумнівно, системним об'єктом. Неважко встановити, що на ґрунт, як і на інші природні системи, поширюються основні закони та аксіоми загальної теорії систем, а саме: закон збереження, закон причинно-наслідкових обмежень, закон ієрархії цілей, закон ієрархії систем, а також аксіоми генеральної мети, зовнішньої постановки мети та виконання дій. З іншого боку, тривалі та всебічні дослідження ґрунтового покриву Землі [3,6,23] дали змогу встановити загальність системно-концептуальної будови і властивостей не лише ґрунту як географічного компоненту, але й інших систем вищого та нижчого рангів. Нині є всі підстави стверджувати, що ґрунт внаслідок специфічних умов його формування, розташування і функціонального використання є однією з найбільш складних, просторових, цілісних, емерджентних, відкритих, стохастичних, погано описуваних тощо природно-техногенних систем, що змушує нас до постійного пошуку нових методів контролю, оцінки та управління ґрунтом на основі застосування системного підходу [2].

Оцінка як процес інтерпретації даних польових, лабораторних і дистанційних вимірювань станів деякої природної або природно-техногенної системи [2,8] є однією з основних наукових процедур у багатьох природничих науках. Найбільшого розвитку застосування оцінки як процедури та як результату логічних і математичних викладок набуло в науках про Землю, серед яких на першому плані: сільськогосподарські науки, географічні та біологічні науки [1,3,4,5,7,8,10,13,16,18,21,23 та ін.]. Досі не існує загальновизнаних і надійно обґрунтованих загальних методів оцінки стану природно-техногенних систем для потреб управління, не меншою проблемою є розробка таких методів для ґрунтових систем.

У спробі систематизувати наявні методи оцінки і, таким чином, перейти до нових напрямів аналізу, синтезу та практичного управління необхідно зазначити, що згідно з класичними уявленнями [5,7,8,13,19,20] станом ґрунту є точка у - вимірному просторі її змінних (характеристик, фазових координат), і описується - значеннями цих змінних. Таким чином динамічна геосистема графічно може бути описана її фазовою траєкторією (фазовою діаграмою). Фазова траєкторія визначається зміною в часі фазових координат системи. З іншого боку [9,10,16,21,23] для причинно-наслідкової системи, якою власне і є ґрунт, стан розглядається як її внутрішня властивість, частина теперішнього і минулого системи, необхідна для визначення теперішніх і майбутніх значень виходу (виходів) системи. Наявність двох аспектів розуміння стану системи обумовило різні підходи до його оцінки. природний ґрунт сільськогосподарський система

Найпростішим та найчастіше застосовуваним методом оцінки природних систем та їхніх підсистем, які перебувають у сільськогосподарському використанні (агроценозів, агрогеосистем, ґрунтів тощо), є метод порівняння значень окремих показників (характеристик) з їх нормативними величинами, що визначають оптимальні, допустимі та недопустимі інтервали. Після проведення порівняння виконують наукове узагальнення отриманих результатів. Такий підхід застосовано у роботах [1,3,6,7,13], а також у більшості нормативних актів України та зарубіжжя, серед яких слід відзначити такі документи: 1) Земельний та Водний кодекси України, 2) ВБН 33-5.5-01-97 (осушувані землі), 3) ДСТУ 27 30-94 якість питної води для зрошення, 4) Методика моніторингу земель, що перебувають у кризовому стані (ННЦ ім. Соколовського), 5) Акт про державну інспецію охорони природи / Dz. U Nr 77 (Польща), 6) Закон про міри (Польща), 7) “Право водне” (Польща), 8) федеральні санітарні правила, норми і гігієнічні нормативи (СанПин)(Російська Федерація), 9) методики оцінки впливу людського втручання на середовище (EIA)(США) [21], 10) методика оцінки водних ресурсів (WRAM)(США) [20], 11) система оцінки заболочених земель (WES)(США) [21] та багато інших.

Очевидним є те, що не зважаючи на значну розповсюдженість і відносну простоту, даний спосіб оцінки має ряд суттєвих недоліків: 1) не враховує кумулятивного (синергетичного) ефекту від дії окремих характеристик, 2) не враховує дію показників, що знаходяться у критичному мінімумі, 3) результат оцінки може бути поданий тільки у відносних одиницях (балах, відсотках, долях одиниці), причому початок відліку і кінець шкали відношень, яка застосовується у даному випадку, є орієнтовними величинами через відсутність точних значень оптимуму і песимуму для кожної характеристики, 4) результати оцінки є малопридатними для подальшого практичного застосування, або потребують подальших логічних та математичних перетворень.З точки зору холістичних властивостей природно-техногенних систем більш надійними є методи визначення комплексних показників (Е. Харінгтон, 1965, Б.О. Нікітін, 1973, Б.А. Доспехов, 1976, Т.О. Гринченко, 1992, та ін. [7,9,10]). При їхньому застосуванні стан, або властивості антропізованих природних систем, як і у попередньому випадку, виражають у балах або у безрозмірних відносних показниках. Для їх розрахунку відносні часткові значення показників усереднюють, розраховують за деякою емпіричною залежністю або застосовують так звану функцію бажаності [7,8] виду , яка визначає залежність між значенням окремого показника і величиною комплексних показників, які на завершальному етапі оцінки усереднюються. Графік функції бажаності має симетричну куполоподібну форму і фактично є деякою алгебраїчною моделлю, аналогом функції толерантності. Отримані таким чином відносні показники часто корелюють з урожайністю сільськогосподарських культур, що свідчить про їхню досить високу надійність. Незважаючи на деякі переваги перед методом порівнянь, описані методи зберігають всі недоліки методу порівнянь, крім можливості врахування дії показників, що знаходяться у критичному мінімумі.

Як показує аналіз наукової літератури, а також наші дослідження [8,9] з питання оцінки стану ґрунтових систем з позицій виконання ними основної соціальної функції - продукування фітомаси урожаю [5,14,21], найбільш обґрунтованим нині є метод математичного моделювання станів агрогеосистем (зазвичай деяких їхніх підсистем і у першу чергу ґрунтів) та процесів, що у них відбуваються [8,10,11,12,14,]). За допомогою математичних моделей, як наприклад виду , де - продуктивність чи інший показник родючості, - значення окремих показників, що визначають стан системи, - час, можна безпосередньо визначати та прогнозувати урожайність сільськогосподарських культур на контрольованих землях, екологічний стан ґрунтів, рівень їх потенційної та ефективної родючості. У даному випадку критерієм оцінки стану є деяка суттєва характеристика (функція мети) оцінюваної системи, представлена у вигляді конкретного значення (дискретного, чи інтервалу) на виході з системи. Концептуально такий спосіб оцінки базується на постулаті, що “простір виходів” системи є відображенням «простору станів», який, у свою чергу, є відображенням «простору входів» системи [2,8,11,15,17,18,20,22].

Даний метод позбавлений вад перших двох, оскільки дає можливість враховувати причинно-наслідкові ланцюги у процесах функціонування оцінюваної ґрунтової системи, дію основних законів землеробства (закону мінімуму, оптимуму і максимуму, закону сукупної дії тощо), значення функції мети (наприклад урожайність) є зручними для користування та вжиття практичних управлінських заходів, математична модель дає змогу не тільки оцінити стан деякої системи (зазвичай ґрунту), як її внутрішню властивість, але й прогнозувати майбутні стани, а також здійснювати машинне експериментування з метою оптимізації станів оцінюваної природно-техногенної системи.

Як бачимо, останній підхід є найбільш теоретично обґрунтованим і прогресивним з точки зору науки. Що ж стосується практики то тут зберігають свою роль порівняно прості методи порівняння і здебільшого з причини складності процедури побудови математичних моделей систем взагалі, а функціональних моделей і поготів. Така ситуація склалася не через малу кількість даних про стан ґрунтів і зокрема моніторингових часових рядів, не через низький рівень вивченості ґрунтових процесів і явищ, а здебільшого з причини виникнення суттєвих труднощів при спробі формалізації природних процесів і систем, а тим більше при спробі їхнього математичного, бодай імітаційного опису як наслідок наведеного вище комплексу непростих властивостей природних систем.

Найбільш давніми і найпростішими є спроби побудови емпіричних і у першу чергу статистичних моделей на підставі математико-статистичних (переважно кореляційних і регресійних) методів (рис. 1, А) [7,14,20]. Навіть за наявності і за умови використання при їхній побудові довгих (30 і більше значень) рядів даних, такі моделі практично непридатні для вирішення питань оцінки стану ґрунтів та управління станом, хоча у трендовій формі можуть використовуватися для прогнозування майбутніх станів. Безумовно цінними з дослідницьких позицій але малопридатними з системно-управлінських позицій є розроблені та класифіковані А.С. Фрідом моделі процесів, оптимізації просторової структури земель, моделі програмування врожаїв та деякі інші [10,16]. Робилися цікаві спроби розробки моделей управління родючістю ґрунтів, але вони так і залишилися на концептуальному рівні [10].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Значною мірою коректнішим і кориснішим є інший підхід (рисунок, Б), при якому на підставі аналізу процесів і явищ розробляється і перевіряється деяка генетична (функціональна) модель ґрунтової системи в цілому чи її підсистеми, яка дає змогу описувати (як правило імітувати) поведінку реальної системи у різних умовах і за різного сполучення внутрішніх і зовнішніх факторів і бажано в умовах невизначеності, а отже в найбільш обґрунтований і найточніший спосіб оцінювати, прогнозувати та управляти змодельованими системами. Нажаль нині маємо дуже короткий перелік такого типу моделей, а особливо таких, які б були розроблені безпосередньо для вертикальних чи горизонтальних ґрунтових структур [2,4,5,7,8,11,12,17,21,22].

Тут конче необхідно зазначити, що традиційні для ґрунтознавства «моделі родючості» [3,6,16], основи, яких були закладені ще Висоцьким, Ковдою, Віленським, Куком та ін. взагалі не є моделями у загальнонауковому значенні, а є лишень збором деяких кількісних критеріїв та абстрактних індексів для оцінки шляхом порівняння. У класичному ґрунтознавстві використовуються також натурні моделі стосовно проведення лабораторних і польових дослідів, які є різновидом реальних моделей і є одним з методів дослідження ґрунтових процесів і явищ в умовах реального часу (див. рис. 1, А, блок «аналіз»). Перегляд наукових розробок у галузі математичного моделювання агрофітоценозів і ґрунтів та аналіз розроблених моделей показав, що у переліку змістовних прикладних і фундаментальних праць майже відсутні моделі, які стосуються продуктивності (як відображення родючості) та екологічної стійкості (за винятком робіт [4,5,8,21]) і зовсім відсутні розроблені моделі, які могли б працювати з даними моніторингу ґрунтів в умовах невизначеності.

До суттєвих недоліків наявних математичних моделей можна віднести:

1. високу складність структури і, відповідно, серйозні проблеми із застосуванням складних моделей; 2. високий ступінь штучності у побудові основного і додаткових операторів моделей мультиплікативного типу та неможливість врахування змінного у часі ступеня суттєвості окремих факторів; 3. неврахування ефекту сукупної дії факторів (у деяких моделях [4,11] врахування сукупної дії є лише декларативним); 4. невідповідність у більшості моделей складу та змісту вхідних змінних, а також способу їх введення проблемам сучасного землеробства; 5. неможливість застосування більшості моделей для оцінки стану сільськогосподарських угідь, природних та близьких до них угідь, раціонального управління станом, продуктивністю та екологічною стійкістю земель і ґрунтового покриву зокрема.

На підставі вищевикладеного можемо констатувати, що для об'єктивної оцінки і прогнозування стану, оптимального управління станом та екологічною стійкістю ґрунтів необхідна розробка спеціальних імітаційних математичних моделей, які за своїм змістом та структурою відповідали б вимогам до функціональних моделей, вимогам теперішньої економіки і природоохорони, пройшли спеціальну і виробничу перевірку, були б реалізовані у формі адекватного програмного продукту, сумісного з сучасними ГІС-технологіями. Простішим і рекомендованим нами шляхом є адаптація вже розроблених і апробованих моделей, як наприклад моделі осушуваних земель [8] та ін. до суто ґрунтових потреб і проблематики. Безумовно, поставлена задача є надзвичайно складною через типологічне і функціональне розмаїття природних систем і ґрунтів, проблеми адекватного опису систем і процесів, врешті решт, внаслідок складної суспільно-економічної ситуації в державі та суб'єктивних факторів але незважаючи на це цілком реалістичною. Спробуймо її розв'язати у найближчому майбутньому.

Література

1. Алексеевский В.Е., Скрипник О.В., Рябцева Г.П. и др. Оценка и контроль изменений в природных комплексах под влиянием осушения. К: УкрНИИГиМ, 1992. 255 с.

2. Брусиловский Б.Я. Теория систем и система теорий. К.: Вища школа, 1977. 190 с.

3. Вознюк С.Т., Криштоф В.Г. и др. Использование результатов анализов почв в целях повышения их плодородия и определения потребности в мелиорациях. К.: УМВК ВО, 1988.-с.123-131.

4. Галямин Е.П. Оптимизация оперативного распределения водных ресурсов в орошении. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. С. 61-288.

5. Гродзинский М.Д. Устойчивость геосистем: теоретический подход к анализу и методы количественной оценки // Изв. АН СССР, сер. Геогр. № 6. М.: Изд - во АН СССР, 1987. С.124-135.

6. Ковда В.В. Основы учения о почвах. М.: Наука, 1973. Т.1,2. 130 с.

7. Медведєв В.В., Чесняк Г.Я., Полупан М.І. та ін. Родючість ґрунтів, моніторинг та управління. К.: Урожай, 1992. С. 45-62.

8. Мошинський В.С. Методи управління продуктивністю та екологічною стійкістю осушуваних земель.-Рівне: НУВГП, 2005. 340 с.

9. Мошинський В.С. Наукові підходи до математичного моделювання продуктивності осушуваних земель України за даними еколого-меліоративного моніторингу // Вісник РДТУ, Вип. 3 (16). Рівне: Вид - во РДТУ, 2002.-С.80-89.

10. Надточій П.П., Гермашенко В.Г., Вольвач Ф.В. Екологія ґрунту та його забруднення. К.: Аграрна наука, 1998. С. 253-268.

11. Полевой А.Н. Прикладное моделирование и прогнозирование продуктивности посевов. Л.: гидрометеоиздат, 1988. 319 с.

12. Полуэктов Р.А. Динамические модели агроэкосистемы. Л.:Гидрометеоиздат, 1991. 312 с.

13. Ромащенко М.І., Драчинська Є.С., Шевченко А.М. Особливості методології оцінювання ґрунтового покриву в системах точного землеробства // Агрохімія і ґрунтознавство. 2002. Спец. вип. до VI з'їзду УТҐА, Книга 2. С.279-280.

14. Уланова Е.С. Методы агрометеорологических прогнозов. Л.: Гидрометеоиздат, 1959.280 с.

15. Франс Дж., Торнли Дж.Х.М. Математические модели в сельском хозяйстве. М.: Агропромиздат, 1987. 399 с.

16. Шишов Л.Л., Карманов И.И., Дурманов Д.Н. Критерии и модели плодородия почв. М.: Агропомиздат, 1987. 184 с.

17. Greenwood D. J., Wood J. T., Cleaver T. J. A dynamic model for the effects of soil and weather conditions on nitrogen response // J. Agric. Sci. 1974. v. 82, N 3. Р. 455-467.9.

18. Kolman R. Iloњciowe oreњlienie jakoњci.-Warszawa: PWN, 1973. 324 s.

19. Monsi M., Saeki T. Ober den Lichtfaktor in den Pflanzengesellschaften und seine Bedeutung fur die Stoffproduktion // Jap. J. Bot.-1953. N 14.-Р.22-52.

20. Ozga-Zieliсska M, Brzeziсski J. Hydrologia stosowana.-Warszawa: PWN, 1997. S. 88-126.

21. Richling A., Solon J. Ekologia krajobrazu.-Warszawa: PWN, 1998. С.117-148.

22. Shawcroft R.W., Lewon E.R, Alien L.H., Stewart D.W., Jensen S.E. The soil-plant-atmosphere model and some of its predict lions // Agric. Met. 1974. v. 14, N 1/2. Р.287-307.

23. Wild A. Soil and the environment: An introduction. Cambridge University Press: 1993. 365 р.

Размещено на Allbest.ru