Тема на семинар по системному анализу на 31 марта 2023г. : МОДЕЛИРОВАНИЕ В АГРОЭКОЛОГИИ

 1. Особенности агроэкологических систем.  В агроэкологических исследованиях традиционно используются модели и их различные модификации, применяемые в общей экологии. Это обусловлено тем, что биотическая часть агроэкосистемы содержит все звенья, свойственные любым наземным экосистемам, а абиотическая часть среды обитания используется растениями и животными как «жизненное пространство» и как источник энергии и минеральных элементов. Вместе с тем агроэкосистемам присущи существенные особенности, выделяющие их в естественных экосистемах. Так, агроэкосистемы функционируют только в результате постоянного управляющего воздействия со стороны человека. Это обусловливает высокую степень специализации агроэкосистем и интенсивный уровень эксплуатации. В то же время необходимы значительные затраты материальных средств и энергии, направленные на поддержание соответствующей специализации и предотвращение перехода системы в состояние устойчивого экологического равновесия. В естественных экосистемах приспособленность видов друг к другу обеспечивает замкнутость циклов круговорота веществ. В агросистемах же  трофические и иные связи нарушены. Требуется регулярная подпитка агроэкосистем элементами питания. Упрощенный видовой состав агроэкосистем создает угрозу разбалансирования многих экологических процессов. Возникает необходимость восполнять биологическую обедненность введением севооборотов, обеспечивающих одновременное произрастание на одном поле ряда видов. Агроэкосистемы специфичны в отношении как круговорота веществ, так и происходящих энергетических процессов. Для них характерно значительное внешнее энергетическое воздействие в результате использования обрабатывающих машин и агрегатов. Исходя из особенностей функционирования агроэкосистем, для оптимального управления ими целесообразна и актуальна разработка специальных моделей, отражающих имеющиеся особенности. Наибольшее внимание уделяется вопросам моделирования продуктивности агроэкосистем. Это закономерно, поскольку решается ключевая функциональная задача – достичь увеличения объема полезной продукции высокого качества при имеющихся ресурсах и исключении негативных воздействий на окружающую среду. В тесной взаимосвязи с агросистемами находятся биологические и экологические системы, объединяющие направления, связанные с выращиванием посадочного материала в лесных питомниках для последующего лесовосстановления. 

2. Категории агроэкологических моделей Агроэкологические модели в соответствии со степенью их приближения к реальному объекту и представлениями, положенными в их основу, подразделяются на три категории. Эмпирические модели. Строятся только на базе опытных данных, которые относятся к определенному локальному объекту. Их нельзя распространять на другие объекты (поля). Теоретические модели. Основываются на математическом описании механизмов физиологических процессов, массо- и энергообмена в среде обитания растений и агроэкологических связей, соответствующим имеющимся знаниям об определенных процессах роста и развития растений. Модели этой категории довольно сложные. Их целесообразно использовать при разработке различных прикладных агроэкологических моделей. Полуэмпирические модели. Предназначены для принятия решений на различных временных уровнях и занимают промежуточное положение между эмпирическими и теоретическими моделями. В рассматриваемой категории моделей части системы, которые характеризуются не меняющимися в последующем параметрами, описываются эмперическими зависимостями. Для частей системы, параметры которых могут быть изменены для оптимизации процесса, используются теоретические зависимости. Если, например, в модели продуктивности посева рассматривается связь между приростом биомассы и транспирацией за вегетационный период, то используются эмпирические зависимости. Расчеты режимов тепла, влаги и света в этой же модели основываются на уравнениях массо- и энергообмена в среде обитания растений, параметры которых можно менять при поиске оптимальных решений. Применение рассмотренных категорий моделей взаимосвязано. 

3. Структура модели продуктивности Общая структура модели продуктивности агроэкосистемы содержит описание роста и развития растений, радиационного режима посева, водного и теплового режимов почвы и посева, минерального питания растений, экологических взаимодействий, влияния как контролируемых, так и неконтролируемых внешних воздействий. На основе этих характеристик оцениваются: массо- и энергообмен, происходящий в среде обитания растений и в самих растениях; совокупность биофизических и физиологических процессов в растительном покрове, определяющих прирост биомассы, рост и развитие отдельных органов растений и формирование конечного урожая; экологические взаимодействия выращиваемых культурных растений с сорняками и вредителями, болезнетворными микроорганизмами. Модели продукционного процесса носят динамический характер. Это значит, что в процессе моделирования рассчитываются во временном аспекте (от посева или посадки до уборки урожая зерновых или выкопки сеянцев) все характеристики и параметры системы почва – растение – приземный воздух. Следовательно, в результате расчетов можно получить определенные данные о нарастании сухой биомассы растений (как отдельных органов, так и посева в целом), об интенсивности увлажнения или иссушения почвы, о переносе, поглощении и трансформации минеральных веществ и органических соединений и др. При построении модели и работе с ней предполагается, что посев является горизонтально однородным, а все «перетоки» веществ в системе происходят в вертикальном направлении. Поэтому при динамическом моделировании рассчитывают вертикальные профили входящих в модель основных переменных, например профили влажности в почве и приземном воздухе, температура воздуха, листьев и почвы; нитратов в почве; биомассы корней и надземных органов растений и т.д. 

4. Балансовый и динамический характер моделей. Необходимость рассчитывать все приходные и расходные статьи для каждой субстанции определяет балансовый характер моделей продукционного процесса. Так, рассчитывая водный режим (водный блок), следует учитывать выпадение осадков (или полив, дождевание), перехват этих осадков надземными органами растений, возможное образование слоя свободной влаги на поверхности почвы, перемещение влаги по почвенным слоям, обмен с грунтовыми водами, поглощение воды корнями, ее движение по ксилеме, транспирацию и т.д. Аналогичным образом в модели замыкаются циклы круговорота по углероду, азоту и другим элементам. Однако, независимо от степени сложности модель не может дать ответ на все вопросы, возникающие при исследовании агроэкосистем. Поэтому целесообразно идти путем создания набора моделей, объединяемых общей идеей и решаемых на основе единого математического обеспечения. Наряду с рассмотренными вопросами, в агроэкологии применяется моделирование, связанное с оптимизацией ландшафта территории сельскохозяйственного назначения (или лесокультурного фонда), экологичности применяемых технологий, динамики антропогенных загрязнений агроэкосистем; производства экологически безопасной продукции (сельскохозяйственной и лесохозяйственной), систем рационального использования природно-ресурсного потенциала аграрного (лесохозяйственного) сектора, рациональной организации фермерских хозяйств, акционерных обществ, обществ с ограниченной ответственностью с учетом их специализации и требований экологической безопасности и др. Большая роль отводится полевому опыту. Его ориентирование должно быть направлено не на конечный результат, а на динамический подход к продукционному процессу