Введение к работе
Актуальность проблемы. Мелиоративные мероприятия проводятся для целенаправленного улучшения гидрологических, почвенных и агроклиматических условий на землях, в первую очередь, сельскохозяйственного назначения. Целью этих мероприятий является повышение эффективности использования земельных и водных ресурсов для получения высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур и, прежде всего, продукции растениеводства. С точки зрения сельхозпроизводителей, критерием качества и надежности проектирования, строительства и эксплуатации инженерно-мелиоративных систем является урожай. Развитие научных основ в этой области связано с именами таких ученых как В.В. Докучаев, П.А. Костычев, А.Н. Костяков, Н.Н. Павловский, И.А. Шаров, С.Ф. Аверьянов, И.П. Айдаров, А.И. Голованов. Поэтому наибольший интерес представляет рост и развитие сельскохозяйственных растений (продукционный процесс) на конкретном поле. Соответствующие технологии информационного обеспечения процесса принятия решений требуют оценки качества и количества растениеводческой продукции, что невозможно без использования моделирования, для чего используются динамические имитационные модели агроэкосистем. При этом, несоответствие моделей процессам, протекающим на полях, приводит к потере всех преимуществ управления с использованием современных информационных технологий, непродуктивному использованию ресурсов и развитию экологически неблагоприятных процессов. В настоящее время не подлежит сомнению, что решение проблем природообустройства, связанных с повышением эффективности сельскохозяйственного производства, сохранением и повышением плодородия почв может быть достигнуто только на основе геосистемного, ландшафтного подхода к вопросам обоснования систем земледелия и мелиорации. Такой подход требует использования технологий географических информационных систем (ГИС). Поэтому задача по интеграции моделей продукционного процесса агроэкосистем и ГИС-технологий является актуальной. Также можно констатировать, что работами основателей агрофизики и их последователей – А.Ф.Иоффе, Н.А.Качинского, А.Д.Воронина, А.М.Глобуса, Ф.Р.Зайдельмана, В.В.Медведева, Е.В.Шеина, В.В.Терлеева, Menning P., Vereecken H., и др. показано, что водно-физические свойства почвы определяют интенсивность и величину продукционного процесса, ширину оптимума условий для роста и развития агрокультур, а почвы - непосредственный и часто единственный объект мелиорации. При этом, остается актуальной задача по разработке методов получения, анализа и использования количественной информации о пространственном распределении водно-физических свойств почв. Эти задачи тесно связаны с разработками новых технологий точного адаптивно-ландшафтного земледелия. Новые технологии земледелия требуют учета распределения водно-физических свойств почв в пространстве, в том числе, и при моделировании роста и развития сельскохозяйственных растений. В этой связи, учет пространственной вариабельности водно-физических свойств почв в таких моделях является актуальным направлением их развития и совершенствования. Таким образом, тема диссертации является актуальной.
Цель исследований. Цель работы - разработка методов и геоинформационных технологий для совершенствования модели роста и развития сельскохозяйственных растений путем учета пространственной вариабельности водно-физических свойств почв агроэкосистем.
Задачи исследований:
1. Анализ использования информационных технологий, применяемых при обосновании агромелиоративных мероприятий и управлении продукционным процессом в агроэкосистемах.
2. Выявление возможностей и ограничений, используемых в модели роста и развития сельскохозяйственных растений (продукционного процесса агрокультур). Выбор алгоритмов оценки водно-физических параметров почв и их пространственного распределения на сельскохозяйственном поле, а также интеграция их в среду ГИС.
3. Усовершенствование алгоритмов оценки водно-физических параметров почв и их пространственного распределения на сельскохозяйственном поле с учетом интеграции их в среду ГИС.
4. Разработка методики интеграции ГИС и модели продукционного процесса для учета пространственной вариабельности водно-физических свойств почв агроэкосистем.
5. Применение разработанных подходов к созданию методики прогнозирования урожайности зерновых культур на основе учета пространственной вариабельности водно-физических свойств почв на примере природно-хозяйственных условий Ленинградской области.
Объектом исследования являются сельскохозяйственные угодья, рассматриваемые как компоненты агромелиоративного комплекса.
Предметом исследования является продукционный процесс агроэкосистем на сельскохозяйственных полях.
Методология и методика исследований. Методологией исследований является системный подход, как направление общей методологии научного познания, в основе которого лежит рассмотрение изучаемых объектов как систем. Методика исследований основана на трудах отечественных и зарубежных ученых, информационных технологиях, фундаментальных положениях системного анализа и математического моделирования. В работе использованы современные инструментальные средства реализации информационных технологий, включая анализ и выбор математических моделей для оценки водно-физических свойств почв и продукционного процесса, верификация отдельных компонентов и системы в целом, а также разработка системы поддержки принятия решений на основе ГИС.
Научная гипотеза заключается в том, что использование геоинформационных технологий для совершенствования модели роста и развития сельскохозяйственных растений, на основе учета пространственной вариабельности водно-физических свойств почв агроэкосистем, позволит повысить обоснованность выбора агромелиоративных мероприятий и эффективность современных адаптивно-ландшафтных систем земледелия.
Научная новизна работы заключается в том, что решена задача по учету пространственной вариабельности водно-физических свойств почв в модели продукционного процесса сельскохозяйственных культур путем интеграции этой модели в среду ГИС.
На защиту выносятся следующие результаты:
1. Разработан метод учета пространственной вариабельности водно-физических свойств почв в модели роста и развития сельскохозяйственных растений.
2. Разработана методика интеграции ГИС и модели продукционного процесса.
3. Разработаны алгоритмы оценки водно-физических параметров почв и пространственного распределения их на сельскохозяйственном поле.
4. Разработаны методы информационного обеспечения системы поддержки агротехнологических решений, с учетом пространственной вариабельности водно-физических свойств почв, в модели роста и развития сельскохозяйственных растений.
5. Разработана методика прогнозирования урожайности зерновых культур на основе учета пространственной вариабельности водно-физических свойств почв на примере природно-хозяйственных условий Ленинградской области.
Теоретическая значимость работы состоит в том, что разработаны методика интеграции ГИС и модели продукционного процесса, а также собственно метод учета пространственной вариабельности водно-физических свойств почв в модели роста и развития сельскохозяйственных растений.
Практическая ценность работы определяется тем, что разработаны алгоритмы оценки водно-физических параметров почв и их пространственного распределения на сельскохозяйственном поле, а также методика прогнозирования урожайности зерновых культур на основе учета пространственной вариабельности водно-физических свойств почв на примере природно-хозяйственных условий Ленинградской области.
Личный вклад соискателя заключается в разработке научной гипотезы и программы исследований, теоретическом и методическом обосновании научных исследований, разработке методик математического моделирования и программной компьютерной реализации, моделировании и интерпретации полученных результатов.
Достоверность полученных результатов и основных выводов, сформулированных в диссертации, подтверждается использованием в разработках научно обоснованных и проверенных методов; большим объемом экспериментального и теоретического материала, обобщенного и проанализированного автором в работе; апробированными исходными положениями и математическими методами, принятыми в теоретических исследованиях; соответствием результатов, полученных на математической модели и на реальных объектах; апробацией на научно-технических и научно-практических конференциях.
Апробация. Материалы исследований рассматривались на конференциях: Второй международной научно-практической конференции «Измерения в современном мире» (Санкт-Петербург, 2009), Международной научно-практической конференции «Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2009, 2010, 2011), Координационном совещании Агрофизического института (Санкт-Петербург, 2010), Всероссийской конференции (с международным участием) "Математические модели и информационные технологии в сельскохозяйственной биологии: итоги и перспективы" (Санкт-Петербург, 2010), Международной научно-практической конференции «Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства и пути их решения» (Москва, 2011), VIII Международном молодежном экологическом форуме стран Балтийского региона "ЭКОБАЛТИКА 2011" (Санкт-Петербург, 2011), Международной научно-практической конференции "Роль мелиорации и водного хозяйства в инновационном развитии АПК" (Москва, 2012).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 10 печатных трудах, в том числе 4 в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Содержит 104 страницы машинописного текста, 3 таблицы и 39 рисунков. Список литературы включает 140 наименований, в том числе иностранные публикации и Интернет - источники.
