Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

База почвенно-агроэкологических знаний по управлению плодородием дерново-подзолистых почв при возделывании озимой пшеницы

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "База почвенно-агроэкологических знаний по управлению плодородием дерново-подзолистых почв при возделывании озимой пшеницы"

, л »г.о Г'Г" 1 П. •

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК ПОЧВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ИМ. В.В.ДОКУЧАЕВА

На правах рукописи

Г Р II а К О I В Д Н Я 1 Л ВИТАЛЬЕВНА

база птвЕшо - лгроэютптсшх ашшяй по

УПРАВЛЕНИЮ ¿МЩОГОДШ! ДЕИЮЕОЧЩЗОЯИСТЫХ

¡та яря всщЕливАят озимш? шешщ

Специальность дз,дй,27 - почвоведение

Автореферат диссертации на сойс-кание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

МОСКВА- 1994

Работа выполнена в лаборатории диагностик г.л:^:;;;.-.- поче я лаборатории почвенной информатики Почвенного ин-та им.В.В.Докучаев

Научные руководители: доктор сельскохозяйственных наук, профессор В.А.РОЖКОВ кандидат биологических наук М.А.Г0И1К0ВА

Официальные оппоненты.' доктог сельскохозййстве! кандидат сельскохозяйственных наук Я.Т.КИРИКОЙ

доктог сельскохозайстбеннвх наук . Й.Й.Соколов

Ведущая организация: Московская сельскохозяйственная академия им.К.А.Тимирязева

Защита состоится

в /О га.с£А

в актовом зале Почвенного института им.В.В.Докучаева на заседали Специалиаированного Совета при Почвенном институте им.В.В.Докучаев С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Почвенного института им. В. В. Докучаева.

Адрес:

109017,Москва,Пыжевский пер.7, Почвенный ин-т им.В.В.Докучав!

Автореферат разослан " П.

Ученый секретарь Специализированного Совета, кандидат биологических наук

И. Н. ЛЮБИМОВ/

Актуальност. Возрождение института частной собственности на землю, децентрализация управления в аграрной секторе- создали предпосылки для расширения крута лиц, самостоятельно хозяйствующее на земле, а ориентация на экономические механизмы управления при ужесточении природоохранительного .законодательства обусловили повышение заинтересованности производителей сельскохозяйственной продукции в рациональном использовании почвенных ресурсов, применении в земледелии методов агробиологического управления (Рогов и др.,1984, Шишов и др. ,1985; Каштанов,1933-, Щербаков,Володин, 1993). Эти же социально-экономические процессы обусловили необходимость и перспективность массового тиражирования научного анания в области агропочвоведения в активной форме современных "безбумажных" информационных технологий (Глушков,1984; Г.Поспелов,1989), что предполагает разработку элементов автоматизированной (компыотеризрован-ной) системы агроэкологического управления на методологической основе моделирования плодородия (Шишов и др.,1987; Фрид, 1990).

Цель работы - построение комплексной модели управления плодородием, реализующей принципы агроэкологического подхода, и представление этой модели в виде базы почвенно-агроэкологических знаний автоматизированной системы, специализированной по управлению плодородием дерново-подзолистых почв при возделывании озимой пшеницы с ориентацией на урожайность порядка 45..50 ц/га и выше.

В ходе работы решены следующие задачи:

- проанализированы ключевые понятия и сформулированы принципы построения комплексной модели управления плодородием, охватывающие основные аспекты практической реализации агроэкологического подхода на уровне хозяйственных долей;

- разработан сценарий управления, положенный в основу структуризации и последующей формализации в виде моделей тлодородия почвенно-агроэкологических знаний, необходимых и достаточных для решения практических задач управления плодородием дерново-позолистых почв при возделывании озимой пшеницы;

- модели плодородия представлены в нотации программно-инструментального комплекса поддержки баз знаний и реализованы в действующей экспертной системе ДЕМЕТРА (по имени Богини Плодородия), которая апробирована в условиях конкретного хозяйства.

Экспертными системами (ЭС) называются автоматизированные информационные системы, ориентированные на решение задач преимущест-

венно невычислительного характера и в которых с помощью специальных формализмов представляются индивидуальные знания высококвалифицированных специалистов - экспертов.

Объект исследования - дерново-подводпстые почвы естественно-дренируемых покровно-суглинистых моренных равнин южно-таежной зоны российского Нечерноземья, рассматриваемые с точки зрения управления плодородием в контексте вопросов возделывания озимой пшеницы, как ведущей зерновой культуры указанного региона.

Основные методы исследований - концептуальное и прикладное моделирование системы управления плодородием в интерпретации агроэ-кологического подхода, развиваемого в Почвенном ин-те им.В.В.Докучаева. Поскольку разрабатываемые модели представлялись в виде базы энанга (ЕЗ) конкретной ЗС, то на завершающем этапе моделирования использовались методология и технология "инженерии знаний". Последняя, наряду с проблемами структуризации и формализации знаний предметной области, включает вопросы "приобретения" знаний из различных источников и объединения их в единой системе на основе заранее сформулированных концепции и принципов. Во многих случаях необходимые знания отсутствуют в опубликованном виде. Часто эти эвристические знания не могут быть четко и однозначно сформулированы и объяснены самими специалистами. Именно эти личные знания эксперта составляют "золотой фонд" специализированной экспертной системы (Хейес Рот и др.,1987).

Бри построении базы почвенно-агрозкологических знании использовались как общедоступные источники (монографии, научная периодика, отчеты, справочники), так и индивидуальные знания экспертов, привлекаемых в качестве консультантов.. Модели, построенные по литературным источникам, и формализованные нами высказывания экспертов-консультантов проверялись на экспериментальном материале.

Яа защиту выносится комплексная модель управления плодородием дерново-подзолистых почв, формализозанная в Сазе почвенно-агроэко-логических знаний ЭС ДЕМЕТРА, а также ряд индивидуальных моделей плодородия, разработанных или усовершенствованных автором.

Научная новизна. Разработана комплексная модель управления плодородием дерново-подзолистых почв, которая впервые реализована в виде БЗ действующей ЭС. БЗ воплощает согласованные на основе аг-роэкологической концепции управления плодородием опыт и знания ведущих специалистов в области агропочвоведения.

Практическая значимость состоит в том, что разработанная ЭС ориентирована на использование в хозяйствах и позволяет производителю сельскохозяйственной продукции принимать управленческие решения, опираясь на знания и опыт ведущее специалистов. Рекомендации, вырабатываемые ЭС, учитывают специфику почвенно-экологических условий, значения агрофизических, агрохимических показателей плодородия каждого поля и отвечают природоохранным критериям, в том числе, требованиям воспроизводства плодородия.

Апробация. Работа выполнялась в 1988 - 1992 гг. по плану Почвенного ин-та им.В.В.Докучаева. Основные положения и результаты докладывались на Всесоюзном совещании "Почвенно-растительная диагностика питания, величины и качества урожая с.-х. культур" в г.Омске в 1989 г.; Всесоюзной школе молодых ученых "Использование математического моделирования и вычислительной техники в исследовании процессов в АПК" в 1989 г.; конференциях Молодых Ученых в Почвенном институте им.В.Б.Докучаева в 1988, 19В9, 1990 годах.

Структура работ. Диссертация состоит из введения, трех разделов, выводов; изложена на ... страницах машинописного текста, содержит ... рисунков, ... таблиц. Библиографический список содержит наименований.

2. АГРОЭКОЛОГШЕСКМЯ ПОДХОД И СОВРЕМЕННАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ В УПРАВЛЕНИЙ ПЛОДОРОДИЕМ

2.1. Информационное обеспечение управления плодородием

В основе управления, под которым понимается целенаправленное воздействие на объект, лежит информация о состоянии объекта и самой системы управления, целях и критериях управления, различных ограничениях, результатах реализации управляющих воздействий. В системе управления выделяются: собственно объект управления, блок информационного обеспечения принятия решений и блок реализации.

В центре нашего внимания находится информационная подсистема. Ее составной частью являются средства организации и анализа данных, предназначенные для выработки рекомендаций по осуществлению управления. Успехи в области компьютеризации решения задач невычислительного характера, доступность широкому кругу пользователей технических средств - ЭВМ сделало возможным становление новой информационной технологии (Глушков,1984; Г.Поспелов, 1989), внедрение в различные сферы деятельности экспертных систем, в том числе и в предметной области управления плодородием (Рожков, Зекин, 1985; Прохоров и др. Д989)..

2.2. Агроэкологическая концепция управления плодородием

В агропочвоведенш в качестве объекта управления выступает плодородие (ГОСТ 27593-83 "Почва"; Фрид, 1985, 1990). Субстантивному носителю плодородия - почве, присушд горизонтальная анизотропия свойств, что позволяет говорить о плодородии как свойстве почвенного покрова и о природно-хозяйственном (производственном) объекте управления (Фридланд, 1972, 1977). Это почвенный покров участка, поля. Очевидно, что в общем случае природно-хозяйственный объект управления плодородием может быть неоднородным в почвенном отношении. Концепция агроэкологического управления постулирует приоритет учета почвенно-экологических особенностей ландшафта при организации территории и о единых позиций рассматривает основные регулируемые и регулирующие факторы оптимизации управления (Ши-шов,Дурманов,1985; Шишов,Карманов,Дурманов,1987; Сорокина, 1987; Прохорова,1989).

Цель агроэкологического управления определяется как "простое или расширенное воспроизводство плодородия почв при получении урожаев заданного качества в объеме, обусловленном гидротермическими условиями года и применяемой технологией возделывания сельскохозяйственных культур, при соблюдении ряда ограничений природоохранного характера" (Прохорова, 1989).

Для последующей формализации необходимо конкретизировать цель управления в понятиях, допускающих возможность количественной оценки. Адекватным этому мы считаем понятие "рационального уровня" (Карманов, 1982; Прохорова, 1982,1989) агрономически значимых свойств почвы. Достижение и поддержание на рациональном уровне содержания (запасов) элементов питания в почве, других агрономически значимых ее показателей может рассматриваться как вполне формализуемая цель агроэкологического управления.

Совокупность значений комплекса агрономически значимых показателей, аттестованных в качестве рациональных уровней, может быть предствалена в форме "комплексной модели обеспеченности" (по Фриду, 1985, 1990) , характеризующей стабилизированный уровень плодородия , на достижение и поддержание которого ориентируется ■система управления. Такая модель включается в комплексную модель управления плодородием, в которой, помимо этого, соответствующим образом представляется текущее состояние объекта управления, описания путей достижения объектом "желаемого" состояния (цели), критерии оценки эффективности управления.

2.3. Принципы построения комплексной модели управления

плодородием и ее реализации в базе знаний ЭС Сформулированные в работе принципы построения комплексной модели управления плодородием представляют нашу интерпретацию агроэ-кологического подхода в рамках решаемых нами задач. Эти принципы опираются на общие предпосылки агроэкологической концепции управления, факты, установленные различными исследователями в полевых и лабораторных экспериментах, рекомендации инженерии знаний.

С методических позиций важным представляется принцип, обозначенный наш, как принцип "концептуального прототипа", в соответствие о которым в качестве основы построения БЗ формулируется (или выбирается из существующих) прототип комплексной модели управления, реализующий основные положения агроэкологического подхода и структура которого допускает возможность развития, уточнения и частичной трансформации за счет добавления фактов и правил, взятых из других источников. Знания структурировались в форме таблично заданной функции или исчерпывающей классификации перечисления как наиболее удобных для последующей формализации и включения в виде "правил продукции" в БЗ. В ряде случаев была использована возможность формализации моделей в форме аналитической функции.

3. КОМПЛЕКСНАЯ МОДЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ ПЛОДОРОДИЕМ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ В СЕВООБОРОТАХ С ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЕЙ ' 3.1. Концептуальный прототип комплексной модели управления В основу базы почвенно-агроэкологических знаний положена разработанная нами комплексная модель управления плодородием дерново-подзолистых почв, являющаяся развитием экспертно-описательной модели плодородия, предложенной З.А.Прохоровой (1982,1989).

В качестве объекта упрашююя мы рассматриваем производственный участок, не обязательно однородный в почвенном отношении. Цель управления мы конкретизировали следующим образом:. это доведение и последующее поддержание агрономически значимых показателей почвенных свойств на рациональном уровне (ведущий критерий), специфичном для различных почвенно-ахологических условий. При достижении рационального уровня и применении экологически допустимой и экономически окупаемой агротехники, лимитирующими продуктивность сельскохозяйственных культур факторами остаются только гидротермические, воздействие которых то разному проявляются на различных компонентах СИЛ.

Рисуно» 1. Зпеиеитл счтарп ршмм нлач упр»п1им пяояврвлмгн • X Центр»

Следуя рекомендациям по проектированию БЗ (Хейео-Рот и др., 1987), структуру комплексной модели управления мы представили в виде "сценария управления" (рис. 1) с указанием взаимосвязей и последовательности решения задач управления.

3.2. Формализация задачи агрозкалогической оценки хозяйственных полей

Цель агрозкшюгической оценки - определение взаимного соответствия почвенно-экологических условий рассматриваемой территории и требований, которые предъявляются сельскохозяйственными культурами и технологиями их возделывания.

С формальной точки зрения процедуру оценки можно рассматривать как совокупность двух субпроцедур: идентификация-интерпретация. Идентификация ' заключается в сопоставлении значений определенного комплекса показателей с нормативами, т.е. отнесении почвенно-агро-экологической ситуации на поле к одному из классов, интерпретированных с агроэкологической точки зрения.

В соответствии с принятым концептуальным прототипом агроэкологической оценки хозяйственных полей (Сорокина, 1980,1983,1986) в качестве объектов оценки выступает СПП поля или ее компоненты. При этом учитывается комплекс собственно эдафических, технологических, оС5Г£-природоохранных критериев (рис.2).

В характеритике СПП рассматриваются и интерпретируются с агро-экологической точки зрения три аспекта: почвенно-компонентный сос-

Рисуем Ь Хрктерв» агромолотчкжо! «щнк» »мнЬгтмкмик пом!

тав, форш мево- и микрорельефа, гранулометрический состав почво-образувдих и подстилающих пород.

Нормативная база агроэколюгической оценил хозяйственных полей по компонентному составу СПП заполнялась на основании анализа литературных источников и результатов опроса экспертов.

В качестве компонентов СПП рассматриваются почвенные разности, которые в принятой номенклатуре имеют три основания классификации: (1) мощность оподзоленной толщи; (2) степень увлажнения; (3) эро-дировааность. Учитывая возможности палевой диагностики, в этой классификации можно реально выделить 21 таксон, каждый из которых

был охарактеризован рядом экспертов в шестибальной шкале о точки зрения вышеперечисленных агроэкологических критериев.

О - почвенно-агроэкологическме показатели не лимитируют урожай - и условия обработки почвы;

5 - почвенно-агроэкологические показатели оцениваемого местообитания по сравнению со всеми прочими в максимальной степени влияют на условия обработки и потерю урожая, как в средние по гидротермическим условиям годы, так и в экстремальные;

1,2,3,4 - промежуточные градации, интерпретируемые экспертами на основании своего личного опыта.

Аналогичным образом были оценены требования культур и применимость (допустимость) технологий их возделывания к местообитанию, что позволило построить нормативную таблицу агроэкологичеокой интерпретации почвенных компонентов СПП (табл. 1-А).

На современных крупномасштабных почвенных картах в качестве самостоятельных контуров выделяют не отдельные почвенные разности, а их комбинации. Если на уровне комбинаций не учитывать глубину оподзоленности и степень эродированности, то в состав комбинаций могут входить в различных соотношениях почвенные разности, кодируемые как Пд, Пдзр, Пдог, Пдг. Из четырех элементов, сгруппированных по одному, двум, трем и четырем в различной последвательности можно получить 64 комбинации.

Учитывая существунлщй опыт классификации почвенных комбинаций 'рассматриваемого региона (Шубина, 1975; Ильина, 1972,1980,1983; Сорокина, 1983, 1985; Сорокина,Шубина,1984; и др.) и приняв ряд допущений относительно возможности однотипной интерпретации эдафи-ческой роли СПП о различным компонентным составом, мы рассматриваем 13 интерпретационных групп СПП (табл. 2). Количественная характеристика компонентного состава используется в качестве правила диагностики СПП оцениваемой территории относительно этих групп, нормативы по агроэкологичеокой интерпретации (табл. 1-Б) которых построены по схеме, аналогичной интерпретации отдельных почвенных разностей.

При отсутствии в хозяйстве почвенной карты, отражающей- СПП полей, для агроэкологичеокой оценки могут быть использованы литоло-го-геоморфологические показатели. Нормативная база агроэкшюгичес-кой оценки хозяйственных полей по литодого-ггоморфологичесгаш показателям заполнялась на основании формализации эмпирических пра-

Tatnaw 1. йгрмммтчккм «дота пркгодаоств почини« комонсктев СГЛ Нечериоаевм под вееделываиае основяю групп с.-«, иупьтур.

Таблица Z. Основные nun« СЛП мкровно-сугаввасты» вореинш равняв а количественна» характеристика их ммоневткого состава.

Почаешм оаявав •ооаые ■могоиетнае кукуруеа.

раеееств в паеааца еериоам кцтиелв трав» подсолнечник

группы СЛП

№ 1 0 1/a I/at 0 1/aa

Мог Uta 1/r» г/a« l/«i 1/гев

fiftlr Via 1/bar г/ws 1/ta 2/iBTt

Пд2 0 0 0 0 0

Пд2ог 1/ta . 0 1/16 1/ta- 0

IWr e/ta* 1/íar г/бв- 1/ta Vitt

Пд 3 1/í 0 0 0 0

А (Wer i/ta 0 Vit 1/ta 0

tWr У ta 1/tor Veri 1/ta Vir

Пдв 1/6. 0 s/> 0 0

tlwer 1/ta l/PÍ l/i* 1/ta 0

(liwr 2/ta Vrít г/tri 1/ta 2/ÍBT

IWpl 0 0 l/ae 0 1/at

пцзрг 1/a I/i» Vu 1/a г/ае

ПдЗрЗ г/а <• Va 2/ae 1/a г/ае

ПдЗр1ог 1/ta 1/rt 2/ta 1/ta 1/er»

плэргог Via 1/r» г/ta 1/ta 2/er*

üöfitr г/ta 2/rta г/ta 1/ta 2/егв

ПйЗр1г г/ta 1/ríia 2/бете 1/ta Ven

H$>2r г/ta г/rita Viert 1/ta Ven

ЯвЗрЗг г/и* 2,'ríea Vitre 1/ta Ven

I i/i 1/a l/ae 0 l/ae

И 1/aí 1/a l/ae 0 l/ae

III l/aa 1/atr 2/аве 1/ta 2/аве

!» I/ta 1/ar 1/вг 0 1/вг

V 1/íar» Uar l/asre 0 1/авге

п 2/a«p 2/aer г/aere 1/aa г/.are

S m J/tr» 1/вг 1/вг 0 1/вг

V!U г/(етж m«- г/бвг 1/ta Uwe

П У ter» г/iísr Viisre 1/ta. 2/авте

t г/írt l/ísc via- 1/ÍI 1/вг»

П 2/SBTX l/ítr Vier l/d i/евг

ni г/ctn г/вьшг 2А<вге 1/ta 2/а$вге

Ш! l/Sx 1/ír 1/ta 0 1/г

5р*иечаяве1

0 - рекоиендуетг» > воедешванж (нет ограничена!) ÍÉanny 0,1)

1 - рекеееклуетс« « воедепыван» с учете» ограничена! (баллы 2,3> г - не рекояендуется к воедешванаа йамш

' Ограничена«

а) - мнет недостаток почвенио! mar« il - метаю виижааве • ti - boiboihu «е(лаголрттше водм-*аевческве * мехко-неханические свойства пахотного слов г) - рамоерееецнаа готовность почв к обработке f) - ееенсжно усиление ароеив

il - оонохкы ие&пагопроттп каление при верееавмхе о асе асе

Группы cm Качественаав характеристика структур аечвешиге лехрова

Пд ПдЗр перетвлахиекте

ЛдпЛдог Пдг

i Деркоао-подеолистые, дифференцированные по водности оподюлениой топни ) 75 < 15 ( 10 -

и Дерново-подмпасти с участие« зроАироеанных почв ) (Л 15-30 ( 10 -

ni Дерново-пммлвгпи со еначатепыши участке» эродирован*« почв > 50 ) 30 ( 10 -

i« Дерноее-пшолистые с участаев лереувпаменшх почв ) 60 ( 15 10-25 ( 10

» Дерново-подмлвстые с участиеа эродированных в переувлажненных почв ) 50 15 - 30 10-25 ( 10

ÍI Деркоее-яолмлятае с участиеа переувлажненных и се еначителыяи участке» эродированных почв > ПдЗр ) 30 10-25 ( 10

Vil Дерном-яодилмтое с участиеа ennuie переувлааненных почв ) 60 ( 15 10-25 ) 10

«III Дерново-йодеолистые с участиеи ородиро-ванных и сальне переувлажненных по« ) 50 13-30 10-25 > 10

II Дериово-лодмяистъе со еначитепыши участаев »радированных и с участиеи енпьно переуелаакенкых почв > ПдЭр ) 30 10-25 ) 10

I Аериова~л«1Д>сластие со еначмтепыам участкеи переувлажненных почв ) 60 ( 15 ) 25 -

л Аерново-лодюлистые с участкее эродированных в со мачитепыша участнен переувпахкекных почв 1 50 15-30 ) 25 -

III Дерново-подеопистне се екачктепьхш участиея »родкроеанных к переуелашеишп почв 1 ЛдЭр в ( ПичЛдо ) 30 1 25 -

IUI йллввиапыше овчеы - - - -

вил, сформулированных экспертами (д.с~х.н.З.А.Прохоровой, д.с-х.н.К.И.Сараниным, к.с-х.н. Е.Н.Саввиновой, д.с-х.н. В.Н.Шеп-туховым) или взятых из литературных источников (Константинов, 1967,1974,1978; Широбокова, 1972; Саранин,1975; Ремесло,1977; Федосеев, 1979, 1985: CDDOKHHa. 1983: Сопокина,Осетров, 1984).

расехатриваитсв

Элементы мезорельефа по двум основаниям классификации (форма, угод наклона) и отрицательные формы микрорельефа по трем основаниям (проточность-замкнутость, глубина вреза, протяженность). Градации с незначительными изменениями, неизбежными ввиду необходимости согласования, заимствованы из работ (Сорокина,1980,1983; Сорокина,Шубина, 1984; Микалаускас,1987 и др.). Строение почвенного профиля характеризуется группировкой по двум основаниям: (1) мощность покровного суглинка; (2) гранулометрических состав и генезис подстилающих пород.

Методика заполнения нормативной базы (табл.3) аналогична использованной при интерпретации почвенно-компонентного состава ИГО. В итоговой нормативной таблице для пяти групп сельскохозяйственных культур оценено 84 класса местообитаний, различающихся по упомянутым здесь литолого-геоморфологическим показателям.

С методических позиций необходимо отметить, что структура нормативной базы агроэкологической оценки определяет и структуру 'большинства прочих нормативов, поскольку в ней отражается один из ооновных принципов агроэкологического подхода - принцип "экологического соответсвтия", который декларирует необходимость учета особенностей СПП полей и требований растений к местообитанию, для обеспечения возделывания сельскохозяйственных культур в условиях, к которым они приспособлены.

Нормативная база по дополнительной обработке почвы. В зоне дерново-подзолистых почв с неблагоприятным для возделывания сельскохозяйственных культур распределением осадков по сезонам и перераспределением поступающей с осадками влаги по поверхности поля в связи с неоднородностью мезо- и микрорельефа эффективны приемы специальной агромелиоративной обработки почвы, которые направлены на регулирование водновоэдушного режима. В числе таких приемов рассматриваются: углубление пахотного и рыхление подпахотного Горизонтов, кротование, щедеваниё, кассетная (Козловский,Прохорова, 1977) вспашка.

Рекомендации по проведению мелиоративных обработок в общем виде могут быть даны на основании анализа состава почвенного покрова

topai Лпахорныв участи», помп» CMiow

укяаа it«» 2-» градусов

КШрорЫЬМ .. ■ м вираам проточим никнут«

nt><wo(.gaaiiM. ШШ.С1Г иск иорснмб сугяимк лт.суг Ив" мсо* "с 2» идейный сутан» пок.суг "¡l¡r 1ИС0Г нвмишЛ сутмиок

нупьтуоа и» 1-2» с г« (ln- H* с г» мг-з* 1-2« tin l-üt с г» 1-Ö1 с г* (1а 1-£н с 2н

мшая иешии Ш . * ш « 0 Z/a i г/< > « 1/в « • 0 1/а 0 0 2/а i • 2/6 » s 1/в ж 2/4 i 1/а 1/6 « 1/а 6 г/s в i 2/6 а а 2/6 а <

ярит иршшв ш ■ ш 0 i п 1/а 6 « 1/6 • 1/. t/i 1/а 0 0 2/а 6 в г 2/а * г 2/а а г 2/6 Г а 1/а г/s i р г/6 i 2/6 г в 2/6 в р г/б в р

картомяь. • . 1/» i 1/а 0 о, г/s « г/4 • 1/6 « 1/. 1/а 0 0 2/а 6 а о г 2/а а Г 2/а 2/6 в Г 1/а 2/6 • г/6 > г/6 в г г/б в р 2/6 в

«нотамга», траш . ß. 1/» 0 0 í/i ■ i i/e > t 0 0 1/а 0 0 1/а « 0 0 1/6 I 1/а » 0 1/а 6 ■ 1/6 в 1/6 1

кукуруи, пэдсошечнж 0 0 0 0 1/а 6 ■ г/» ( • 1/6 г/а г 0 0 1/> г г/а 6 > Г 2/в Г 2/а 1/6 > Г 0 0 1/< i 2/6 в р 2/6 в р 1/6 а

Примчан«! 0 - репамядувка к одмпиааню 1мт имаккх ограничен«!) i 1 - щпуамтся к имелием» («имтс» ограничен««! ¡ 2-й рвммвдуетя « воивлшмш («ка-ятмыm огршкчсшп);

1) - МШП1Н недостаток почато! «лаг* 6) - nimm кмекакаа

t) - шиш кобвагопротим вммгмпачкт « шшиншчкш Motero памтиор» cnoa

r) - paiHiepmtwa» готовность почщ к обработке <> - uniin уплмм ipctii

i) - штиш неблагоприятна аапення при перешовм nocet»

участка. Однако, для более точных рекомендации необходима дополнительная информация, в частности по морфометрическим параметрам рельефа, гранулометрическому составу и плотности пахотного и подпахотного горизонтов (Сорочкин,1982,1984; Сорочкин,Шептухов,1981). При разработке нормативов в качестве экспертов-консультантов были привлечены д.с-х.н. В.М.Сорочкин, к.с-х.н..И.В.Кузнецова, д.с-х.н. В.Н.Шептухов, д.с.-х.н.П.М.Сапожников, д.с-х.н. З.А.Прохорова.

Нормативная база построения севооборотов с учетом почвен-но-акологических условий хозяйственных полей трансформирует задачу определения пригодности поля под озимую пшеницу, в задачу определения пригодности поля под конкретный вид севооборота или его звено с дальнейшим уточнением их состава.

При построении раздела БЗ, ориентированного на решение обсуждаемой задачи, мы воспользоваись консультациями д.с-х.н. К.И.Сара-нина относительно оптимального состава звеньев различных видов севооборотов. Соответствующие нормативы используются при выборе звена севооборота для конкре!ного поля, исходя из перечня культур, допустимость возделывания которых оценена на основании результатов решения предыдущей задачи.

3.3. формализация задачи известкования

В качестве концептуального прототипа была принята модель управления почвенной кислотностью, предложенная А.Н.Небольсиным '(1979.1983,1987), которая представляет собой набор нормативных таблиц и включает следующие показатели:

- дозы извести, необходимые для доведения рН почвы от исходного до оптимального уровня в зависимости от содержания гумуса и гранулометрического состава почвы;

- оптимальное значение рН для почв различного гранулометрического состава и с различным содержанием гумуса.

В ходе исследования этой модели нами установлено, что в интервале варьирования рН дерново-подзолистых почв она оттаивает зависимость дозы извести от текущего значения рН в виде гиперболической функции, а сочетание факторов "гранулометрический состав" и "содержание гумуса" мелиорируемого олоя целесообразно заменить на фактор "величина активной удельной поверхности твердой фазы почвы" (Сапожников,Прохоров,Гришко,1991).

Существенным моментом во взаимосвязи рН_ор! с комплексом других агрохимических показателей является его корреляция с содержа-

нием в почве подвижного фосфора. В литературных источниках факт смещения уровня рН_ор1 в зону более низких значений при увеличении содержаения в почве подвижных фосфатов констатируется на качественном уровне с использованием терминов "низкое", "повышенное", "высокое" содержание подвижных фосфатов и иллюстрируется экспериментальными данными в объеме, недостаточном для непосредственного построения количественной модели. Поэтому, используя эти сведения, мы составили гипотетическую табличную модель градаций содержания подвижных фосфатов в почвах различных СПП. Для каждой из этих градаций методами статистической обработки эмпирических и экспертных оценок сдвигов рН_ор1 были получены гипотетические модели, описывающие зависимость величины рН_ор1 от величины удельной поверхности:

без учета градаций Р205 : рН_ор1 - 5Л9+(0.988*1СГ-4)*3"2 для градации "низкое" : рН_ор1 - 4.77+(0.882*10/ч-0б)*5~3 для градации "повышенное": рН_ор1 - 4.56+(0.621*1СГ-08)*5"3 для градации "высокое": рН_ор1 - 4.58+(0.438*1СГ-06) *5~3

Приведенные модели нуждаются в более весомом обосновании, однако, с точки зрения методики увязки в едином комплексе моделей плодородия различных аспектов состояния объекта управления, мы посчитали допустимым их включение в базу знаний в целях последующей апробации и возможной корректировки.

Нами получена итоговая полуэмпирическая зависимость (" - пок-затель степени):

ЬО + Ы*рН + рН_ор1

Д----------------------- 1 где

Ь2*5*рН + ЬЗ*(Б~3) Д - доза извести (т/га),

рН - исходное значение рН солевой вытяжки (КС1) Э - удельная поверхность твердой фазы почвы (м2/г) рН_орЬ - оптимальное для почвы с данной Б значение рН ЬО,М,Ь2,ЬЗ - эмпирические коэффициенты

Предлагаемая нами модель известкования позволяет учесть, помимо фактора кислотности, смещение pH_opt в более кислую сторону при увеличении содержания подвижных фосфатов дифференцированно для почв различных СПП.

В работе также рассматриваются альтерноативные способы регулирования кислотности путем корректировки доз фосфорных и органических удобрений в зависимостьи от текущего значения рН, содержа-

ния токсичных форм Ре, Мп и А1, подвижных фосфатов, величины активной удельной поверхности мелиорируемого горизонта. Нормативная база альтернативного регулирования кислотности представлена в виде исчерпывающей классификации перечисления учитываемых в модели показателей и их градаций.

3.4. Формализация задачи внесения органических удобрений в севооборотах с озимой пшеницей

Принятая нами структура нормативов по внесению органических удобрений представляет собой исчерпывающую классификацию перечисления следующих показателей и их градаций:

- структура почвенного покрова хозяйственного поля;

- степень агрегированное™ почвы;

- вид севооборота, число полей в ротации, число полей с пропашными культурами, парозанимающая культура;

- сведения о внесении органических удобрений;

- содержание подвижных фосфатов в почве;

- состояние предшественника.

Для каждого из полученных классов (более, чем 430) по данным литературных источников (Михайлов, 1967; Кауричев и др.,1971, 1972; Сапожников, Корнилов,1977; Ганжара,19ЭЗ; Жуков,1983; Васильев, Филиппова, 1988; и др.) и на основании консультаций д.с-х.н. З.А.Прохоровой составлены рекомендации по срокам и дозам внесения 'органических удобрений. При заполнении нормативных таблиц мы орие-нировались на следующие общие правила:

- в органо-минеральной системе удобрения внесение навоза направлено, главным образом, на обеспечение благоприятных структурно-механических, водно-физических и физико-химических свойств почв;

- сведения о внесении органических удобрений в обязательном порядке учитываются при назначении доз минеральных удобрений;

- органические удобрения вносятся однократно или дробно из расчета на всю ротацию севооборота и о учетом специфики реакции на них различных культур;

- рекомендуемые дозы и сроки внесения органических удобрений должны отвечать санитарным нормам, т.е. должны обеспечивать экологическую чистоту окружающей среды и способствовать получению качественной продукции растениводства.

- 15 -

3.S. Формализация задачи внесения минеральных удобрений под озимую пшеницу

Внесение минеральных удобрений проводится с целью компенсации дефицита между потребностями растений в элементах минерального питания в конкретные фазы развития и возможностями почвы предоставить эти элементы в количествах, необходимых для формирования гид-ротермически обеспеченного урожая.

Концептуальным прототипом послужила система минерального удобрения, разработанная З.А.Прохоровой (1982, 1989), дополнения нами блоком оптимизации минерального питания сельскохозяйственных культур на основе оперативной почвенной и растительной диагностики (Магницкий,1972; Церлинг,1978,1990; Церлинг,Горшкова, 1983; Горшкова, 1976, 1985; Ельников,1985,1987; И др).

Задача основного внесения минеральных удобрений решается на основе почвенной диагностики обеспеченности планируемого урожая элементами минерального питания с учетом необходимости достижения или поддержания значений агрохимических показателей потенциального плодородия на рациональном уровне.

Для основных компонентов СПП рассматриваемого региона количественные значения ряда агрохимических показателей (содержание гумуса, рН, содержание подвижных фосфатов и доступного калия), аттестованные в качестве рационального уровня, установлены методом экспертной оценки взаимосвязей в системе "почва - растение - удобрение -погода".

В систему нормативов включены установленные экспертным путем предельно допустимые дозы N:90(120), Р:120, К:180 для этапа доведения и N: 120, Р.-100, К: 100 для этапа поддержания содержания фосфора и калия на рациональном уровне, а также рекомендуемые дозы фосфорных и калийных удобрений для различных почвенно-экологичес-ких условий в зависимости от содержания этих элементов в почве. Рекомендуемые дозы назначаются для групп СПП в зависимости от элементов мезорельефа, на которых они формируются.

По микроэлементам были использованы традиционные в агрохимии градации обеспеченности дерново-подзолистых почв в зависимости от гранулометрического состава без дифференциации для различных поч-венно-экологических условий. Заполнение нормативной базы проведено поработай (Собачкин,1987; Анспок, 1990). Корректировка нормативов проводилась на основе консультаций М.А.Горшковой.

На основании анализа и обобщения сведений, приводимых в работах (Пейве,1967; Магницкий,1972; Ринькис,Рамане,1979; Цер-

- 1В -

линг.Горшкова, 1933; Горшкова, 1985,1986; Анспок, 1990 и др.), а также по результатам консультаций с к=ь.н, М.А.Горшковой мы назначили дозы внесения микроэлементов для градаций их содержания в почве "низкое" и "очень низкое".

Внекорневая подкормка азотом и микроэлементами рассматривается как средство оперативного управления сбалансированностью минерального питания посевов. Задача решается по данным растительной и почвенной диагностики.

В нзбор показателей назначения доз ззота входят: содержание подвижных форм азота в почве, содержание общего азота в растениях, качественная характеристка состояния посевов. С учетом влияния на эффективность подкормок гидротермических условий в этот набор включены соответствующие показатели по каждому сроку внесения удобрений.

Вне зависимости от методов анализа приняты четыре качественные градации по содержанию элементов питания в растении: очень ' низкое, низкое, оптимальное, высокое. При содержание микроэлементов в растении на оптимальном уровне вопрос о регулировании не ставится. При содержании на уровне "низкое" и "очень низкое" назначаются соответствующие дозы подкормок.

Таким образом, в ходе формализации задач управления плодородием, включенных в сценарии управления, был определен состав показателей плодородия по каждому блоку комплексной модели управления, взаимосвязи блоков через комплекс показателей, непосредственно оценеваемых в поле или по результатам анализов почвенных и растительных образцов, а также расчетных параметров модели управления, характеризующих либо состав и свойства объектов управления, либо набор и интенсивность управляющих воздействий.

• Итоговая структура комплексной модели управления плодородием дерново-подзолистых почв (рис. 3-а,3-б) представляет собой детализированный сценарий управления и непосредственно используется программными средствами поддержки базы знаний в качестве системы "метазнаний" о последовательности и ресурсах решения включенных в сценарий задач.

3-«. Структура блоха агроэмолвгическвй оценки хмяЯстшных деле! а конллмскей подели упазепеимя шмрояма мряои-Авдзолистых почв при воадепывании о«миой пкииии, рвалмвванмьЙ • БЗ X ДОСТРА

4. ТЕСТИРОВАНИЕ БАЗЫ ЗНАНИЙ И ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ

ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ ДЕМЕТРА Вразделе обсуждаются результаты тестирования БЗ ЭС ДЕМЕТРА на основе экспериментальнеых данных, полученных нами в производственных условиях тестового хозяйства - совхоза "Истринский", расположенном в западной части Московской области в 50 км от Москвы. Приводится характеристика почвенно-агрозкологических ресурсов хозяйства и условий производства по состоянию на 1989 - 1990 годы.

4.1. Проблемы оценивания базы знаний и работоспособности

экспертной системы В оценивании различают два аспекта: технический и содержательный. Первый состоит в апробации программно-инструментальных средств поддержки БЗ, второй - тестирование самой БЗ. В ходе разработки

Paqnmr 3-i. Crpnrryp« (mm 'mcmnw', 'мкмм цгшачкиш ую>6р«и«1\ 'ochimoi mtctm* пмралыаа y/wÉp««»!", 'вояшркк« потоп ■ инкроммкт»«»' ■ ммвккая! ими fipunf*« птдеродаж дермпо-Амтлисли пвч» пр> шмлиыин о timo» менпщ, рмлмоннт! • ВЗ ЭС ДВЕТРА

ЭС ДЕМЕТРА было апробировано несколько програмынс>-инструменталышх средств поддержки ЕЗ. Это программный комплекс ПЭКС, раэработаный в лаборатории почвенной информатики Почвенного ин-та им.В.В.Докучаева (разработчик - А.Г.Зенин); программный комплекс ЭКРАН (Институт Проблем Информатики); программный комплекс ЭКО (Институт Системных Исследований). Все эти программно-инструментальные средства поддержки ЕЗ имеют свои положительные и неудовлетворительные стороны, по соотношению которых в приложении к рассматриваемой нами предметной области и был выбран программно-инструментальный комплекс ЭКО..

Оценивание работоспособности ЭС требует некоторого эталона, с которым могут сравниваться вырабатываемые рекомендации. На два возможных пути достижения соглашения о выборе эталона указывается в методической монографии (Хейес-Рот и др.,1987), это:

- то, что является правильным ответом для эксперта или группы экспертов, располагающих той же информацией, что и система;

- то, что в конце концов оказывается правильным ответом, подтвержденным результатами активного эксперимента, проводимого в со- . ответствии с рекомендациями ЭС.

Мы предлагаем третий вариант соглашения о эталоне сравнения, суть которого состоит в следующем. Нормативную базу ЭС можно рассматривать как информационное пространство, аналогичное информационному пространству данных активного эксперимента. Если при анализе данных того и другого вида, например статистическими методами, совпадают основные результаты, то это можно интерпретировать как адекватное отражение в нормативной базе реальной ситуации.

Так, для тестирования модели агроэкологнческой сценки хозяйственных полей, описывающей характер ограничений по размещению культур, был привлечен метод дисперсионного анализа, результаты которого можно сопоставить с результатами аналогичной обработки' экспериментальных данных. В качестве факторов использовались коды культур, форм мезо- и микрорельефа, типа литолого-стратиграфичес-кого строения профиля, а в качестве отклика - бальная оценка (0,1,2) каждого вида местообитания и наличие (О, 1) ограничений по критериям: недостаток почвенной влаги (нпв), избыток почвенной влаги и вероятность вымокания (изб), неблагоприятные агрофизические свойства пахотного горизонта (агф), разновременная готовновть

Таблица 4. Результаты дисперсионного анализа модели агроэколо-гичесной опенки нестооьмтаний

Факторы и их взаинодействия Доля влияния' О) «акторов на оценку

Обвая оценка Оиенка по отдельным критериям

нпв изб аг+ гот уэр зии

Я Культура £0-25 10-18 - - 1в-22 27-33 35-40

Б Мезорельеф 12-1в — 20-55 20-24 — 15-19 —

В Микрорепье* - — 23-£6 24-28 13-1в — -

Г Строение профиля 37-43 32-40 36-42 33-37 — - 11-14

Й * Б — — — — — 22-25 12-15

Я * В - - — — 18-23 18-22 12-15

Я * Г - — — — — — 16-20

Б * В - — — — — 9-12

Б * Г - 12-16 10-и — — — —

В * Г 15-21 10-12 - 12-16 12-15 12-17 -

к обработкам различных частей участка (гот), возможное усиления эрозии (уэр), неблагоприятные условия перезимовки озимых и трав (зим). .

Как следует из результатов дисперсионного анализа (табл.4), интерпретационная модель в целом удовлетворительно отражает основные эмпирические правила оценки местообитания и согласуется с общей формулировкой основных принципов построения комплексной модели управления, а именно принципа соответствия почвенно-экологических характеристик местообитания требованиям возделываемой культуры..

4.2. Проверка адекватности базовой концепции управления

Возможность использования разработанной базы почвенно-агроэко-логических знаний в конкретном хозяйстве может быть определена по результатам оценки соответствия базовой концепции управления плодородием условиям этого конкретного хозяйства. Суть оценки состоит в выявлении доли влияния упоминающихся в концепции факторов на величину урожая, получаемого на полях хозяйства.

Для условий совхоза "Истринский" в выборку для статистической обработки Еключены данные учета урожая на пробных площадках, располагавшихся на хозяйственных полях по профилям-трансектам, пересекающим основные элементы мезорельефа полей (табл.5). Одновременно проводился отбор почвенных образцов пахотного и подпахотного горизонтов, фиксировались преобладающие на площадках формы микрорельефа.

Taínmia 5. йгрожашесхяг птааатев» щчз шпйствеиш nonti coixoia Истринский, turna в 1383 - 1390 r omoí пннииек . (осргвненше личенкя по вадгленщм на почвенно! карте контурах в пргдела* участков)

Ноиер поли Контур ка почв, кгрге ricoiasb контура ÍÍ пол«) rteTop (cal Плотность (г/снЗ) Пах ПсяЯа* глина * Гуяус i рНсоп ГК кзк/кг Обнеикые (нэк/кг) U Hq Cojw¡»amtt доступ««* »ñusno» пиганм (пг/кг) Ypoiaí u/ra ncp=i

КО5 К20 С» Со т Но 2п

гз Г« г Пд от Пят ЙЯ ОГ ЙАГ 30 10 10 35 15 25-27 22-25 18-22 25-27 25-27 1.36 1.52 1.48 1.44 1.5S 1.50 1.40 1.48 1.40 1.48 26.6 34.1 39.7 30.3 35.4 1.80 2.10 3.00 2.45 2.60 6.4В 6.20 4.99 5.33 5.18 11.4 14.0 33.3 25. £ £4.3 88.0 35.0 83.0 11.0 59.3 £0.0 74.0 18.0 66.0 9.0 297 550 604 433 452 124 104 163 211 223 О.Э 1.6 2.Э 4.0 6.2 0.12 0.37 0.42 0.22 0.28' 41.8 83,8 87.8 66.4 74.6 0.053 0.050 0.074 0.062 0.068 0.95 0.95 1.65 2.10 2.21 32.2 27.1 17.1 41.7 42.4

¥> Пя2 ПяЗр" Пя от Пдг 60 а 5 10 18-22 16-20 22-25 18-22 1.38 1.53 1.50 1.ЭЭ 1.41 1.44 1.47 1.43 33,2 за.2 зб.4 39.4 1.70 1.10 2.00 2.40 5,00 5.74 5.21 4.35 16.5 18.0 £0.0 41.1 £2.0 16.0 141.1 22.0 78,8 18.0 80,0 16.0 376 330 402 487 176 140 184 143 2.3 9.0 1.7 2.9 0.30 0.34 0,25 0.58 34.6 47.5 31.6 66.8 0.035 0.055 0.04В 0.074 3.18 1.97 2.41 2.25 38.2 30.5 31.7 14.2

64 ЙД.ОГ 100 25-27 1.52 1.56 26.5 3.60 5.45 45.5 86.0 12.0 2470 367 4.2 1.20 83.1 0.052 3.31 38.3

es Пя 1 Лд» го so 30 22-25 25-27 25-27 1.33 1,62 1.36 1.44 1.42 1.50 32.1 40.2 38.4 1.60 2.25 2.60 5.66 5.38 4.03 за. 4 33,0 69.6 77.5 16.0 57,0 13.0 68.0 14.0 375 535 1285 106 146 161 6.8 5.5 4.0 0.12 0.24 0.87 57.5 76.5 84.3 0.067 0.060 0.045 2.78 1.78 1.73 30.8 30.0 22.1

67 ПяЗ " Пд 2 ílfl.or ЙЛ.ОГ 10 30 10 50 16-20 20-й 22-25 25-27 1.52 1.66 1.38 1.56 1.49 1.56 1.47 1.56 45.3 37.8 32.8 28.5 1.05 2. СО 2.80 3.40 5.48 6.48 5,ео 6.40 18.1 12.3 26.4 18.8 88.6 24.2 121.0 34.0 75.2 12.6 64.0 10.0 223 439 U80 1210 156 32 283 313 5.4 Í'. 8 6.0 0.78 0.38 0.76 0.70 37.2 47.2 100.2 84.4 0.042 0.072 0.076 0.042 1.33 1.76 1.80 1.74 18.8 34.8 17.4 40.7

БЗ Пя 1 Пя2 Пя ог Пят 20 65 10 5 18-22 20-22 22-25 20-22 1.41 1.К 1.43 1.43 1.48 1.44 1,45 1.52 38.0 35.3 37.9 38,7 1.40 1.65 2.10 2.85 5.72 4.47 4.22 4.02 24. В 32.4 58.6 75.3 95.5 10.6 85.7 25.9 89.5 18.5 72.2 14.7 394 526 485 558 176 261 241 257 0.5 1.2 0.7 0.5 0.10 0.05 0.20 0.10 23.5 25.2 31.2 44.7 0.040 0.051 0.045 0.044 1.47 1.88 1.41 1.37 24.5 34.9 26.7 17.5

90 ад " Пд 2 Пд ог (Vr £0 60 15 5 18-20 22-25 22-25 18-22 1.58 1.64 1.32 1.44 1.42 1.46 1.48 1.52 42.4 38.4 36.0 39.2 1.10 1.80 2.00 3.50 6.20 6.23 6.47 5.87 14.9 16.6 17.5 24.8 51.3 21.3 94.3 19.8 114.8 15.7 95.1 13.4 £00 467 786 1905 289 106 113 211 9.0 0.5 0.4 0.2 0.30 0.32 0.25 0.20 42.7 30.9 32.4 35.7 0.045 0.025 0.045 0.040 0.97 0.9Э 1.14 1.26 31.2 45.7 36.9 26.0

113 Пд 2 Пл_ог íVsr 85 10 5 22-25 20-22 1В-20 1.38 1.46 1.34 1.40 1.52 1.58 38.2 35.2 37.4 2.00 1.60 2.60 5.90 5.80 4.54 28.4 35.0 58.6 68.' 4 19.0 72.2 15.0 42.5 7.7 944 835 1254 274 244 382 1.5 2.0 0.6 0.20 0.41 0.60 78.8 83.4 113.8 0.053 0.050 0.045 2.05 1.85 2.56 46.7 39.8 28.5

Г»6л«1 6. Ре»»лктаты корртииокиого акали» сип уроЫности о|«яо< пмниш с лочмиио-агромлогичкким условиями попей совхова'йстрииский' (уровень значиности 0.3 н аше)

Группировки Уром* и/га Зиачины* коЭмкиионтк корреляции величины урожая г лоназатоляия с»с4сто

Кислотность йграмзичккн

Основам* Злевенты п К ■ и иакро- аикро-

Вся выборка - 27 32 10 31 рН(.42),1Ы-.М) У1(-.60),Гу»(-.55) - -

Хоз.поля 25 40 и и 67 89 90 113 5 1 3 3 3 33 9 31 12 за 27 6 33 ¡5 29 8 36 13 35 15 26 зэ 24 45 28 36 42 рН(-.Вб) Гн((-.90),НпК99) рНС.93) Гк(-.96) рнш> Ни(-.85) рН(.94> рН(.98!,Ил!-.99) УК-.76) VII-.81) Yl.Y2t-.g7) Са(-.81) «(.81) Р1-.90) Р,К(-.в9) Со(-.99),*о(.90) Со(-.Э7),Ко,С«(.93) Ъ|(0.93),Х>(.17> Ао(.99),Ы.87)

риле Плакоры ВЫПСХЛОЙ) ВогСкпоны ВисПонна 11 7 5 36 7 2« В £5 7 Зв 11 19 34 30 23 Кп<-.7г) рН(.91),Гк(-.90> У1(-.59),»«|Гл(.58) Гун (.82) Гун (-.7« У2(-.791,И1Гл(-.751 Р1.58) Р<-.76),Ив(.7г) си(.в9).ио(.ег) 1п(-.67> Сц(.вО)

эпс П*1»ПяЗр Пяг+ад Пдог»Пяг йл»йй<>г 6 10 7 4 31 6 39 В 19 3 « 3 17 20 15 в Гк(.74) рН(.81),Гк(-.91) У11-.71) У1(-.«3) уг(-.м) Р,К(.83) Р(.67>,Са(.81) Си (.70), К» Ш) Си(.89),Ы-.911

> У1,У2 - плотности шотнога к подпахотного гормоито!

Комплекс показателей, характеризующих СПП полей, составили коды форм мезо- и микрорельефа, почвенной разности. Фактор "кислотность" оценивался по значениям: рН, гидролитической кислотности, содержанию обменных Са и Ме, подвижного Мп. Комплекс показателей агрофизического состояния почв составили: содержание гумуса, гранулометрический состав, плотность сложения пахотного и подпахотного горизонтов. Содержание элементов минерального питания: Р,К,Си,Со,Мо,гп.

Связь величины урожайности озимой пшеницы с показателями агрономически значимых свойств почвы оценивалась по данным корреляционного анализа (табл.6). Для всей выборки в целом значимыми оказались коэффициенты корреляции величины урожайности с плотностью сложения пахотного горизонта, содержанием гумуса, гидролитической кислотностью и значением рН,

Раздельный учет урожая по группам площадок снижает дисперсию величины урожая по сравнению о выборкой в целом, иллюстрирует неоднозначность связи величины урожая с содержанием гумуса и подвижных фосфатов на различных почвах, позволяет выявить другие детали во взаимосвязи рассматриваемых показателей.

Таким образом, базовая концепция управления плодородием'получила подтверждение в условиях конкретного хозяйства, т.е. на фоне обеспеченности растений элементами минерального питания за счет

внесения удобрений (Ы.Р.К) основными лимитирующими факторами оказываются почвенно-геоморфологические и агрофизические, определяющее водно-воздушный режим конкретных местообитаний; значимы также и факторы, определяющие доступность растениям элементов питания: фактор почвенной кислотности и содержание в почве микроэлементов. Именно на регулирование этих факторов должна Сыть ориентирована система управления плодородием.

4.3. Реаультат решения аадач управления плодородием средствами ЭС ДЕМЕТРА

В ходе тестирования включенные в сценарий задачи управления плодородием решались для 8 хозяйственных полей общей площадью около 350 га, в границах которых выделено 28 почвенно-геоморфологи-ческих контуров, отнесенных к 7 из 13 интерпретационных групп СПП.

По результатам агробиологической оценки хозяйственных полей можно заключить, что существующие хозяйственные поля организованы без возможного учета почвенно-экологических условий и в агрономическом отношении неоднородные (табл. 7). Ряд участков не пригодны для возделывания озимой пшеницы по различным критериям. Для различных почвенно-экологических ситуаций ЭС рекомендует различные наборы сельскохозяйственных культур и указывает на возможные неблагоприятные эффекты, связанные с технологией их возделывания.

Мы не ставили перед собой задачи всеоСъемливающего охвата проблемы дополнительных агромелиоративных обработок. Реализованная в БЗ модель позволяет обратить внимание пользователя на данную проблему. К ее решению он может вернуться дополнительно.

Отметим возможность выделения задачи известкования в самостоятельную расчетную программу, что связано с достаточно высокой степенью формализации алгоритма ее решения.

Рекомендации по известковании) можно сгруппировать следующим образом:

A) Известкование не требуется, поскольку "текущее" значение рН превышает нижнюю границу оптимального уровня.

Е) Текущее значение рН ниже оптимального уровня, но проблема регулирования кислотности может быть решена в данный год за счет альтернативных известкованию приемов: внесение фосфорных или органических удобрений.

B) Текущее значение рН ниже оптимального и при сложившемся соотношении показателей, определяющих оптимальный интервал рН, а так-

Лоле Исходные данные Рааулатати аиенка

♦орна релье*а Лнтолог. строение профиля Класс ст Соотноаеняе компонент Ограничения аомеливаиия с/« культур

Каао-Са Л«ро- йл ПдЗр ПщкчМ- ВД" от про карт сап вктр

а Б 50 14 гг г! Ложб ГшЬ Зал Ло»6 Зал СС-псс ПС-псс СС-лсс СС-ал СС-м и И «и 1Ш ПИ 20..40 ( 10 -20.. 40 1 10 -< 20 10..30 ) 10 100 100 1:0,ж 1и 21а,е 2|а,г 0 1)6,1 11Г 1)В 2:а,г 0 2:6,1 211.г 2|(,а,г 1|(,г 1|1,ж гш 21* 21д г ¡я о г-.* гш гщ г<я о

40 г 7 г 15 Лмб По 14 Зап Зап СС-псс СС-псс СС-псс СС-псс II т н «I 20..40 ( 10 1 40 <10 ( 20 10..30 ( 10 ) 40 10..30 ( 10 1]«,ж 1 >■ 2|а,е 2ц,г 0 2|* 2:а,г 2м 2» 0 1:4,1 2:6,0, Г 1:6,а,г 1|( 114,1 2:а 21(,а,г 2и,г,а 2«,г,а 0

и гг на П,СГ|-ап XIII 100 2:п 2м 2:д 2:д 0

и г 15 21 Л016 Лгаб Зал СС-осс ЛС-дсс СС-аеп и «I Ш1 . 20..40 ( 10 ) 40 10..30 ( 10 100 1:в,а 1ю 2и,а 2:в,г 0 21а 2|(,а,г 2и,г,а 2ч,г,е 4 21Я 2т 2|д 2» ф

67 7 5 10 гг № Ложб на Пшб СС-псс СС-псс ЛС-асс 1С-асп ш п IV XIII ) 40 I 10 20..40 ( 10 ( 20 10..30 < 10 100 2:1 2и,г 2и 2:г,е 0 0 1и 1и 2>а,г 0 1:6,а>» 11{,а 1|{,а 1:6, а 1:1, а 2:я 2:» 2>л 2:я 0

69 5 6 9 9 Лож& Лоаб Лгав Зал СС-»ст СС-«сс СС-псс СС-осс V II 11 VII 20..40 10.. 30 < 10 20..40 < 10 20..40 ( 10 ( 20 'О..ЭО ) 10 2:6,1,1 2и,о,г 2:а,«,г 2»,г 0 1и,« 1» 21а,< 2«, г 0 1:6,1 11г 1» 2:а,г 0 21«, I 2:6, г 2:6,1, г 1:6,г И 6, ж

» 1Э 6 2 и на Ложб Ложб Ш СС-псс СС-«сс СС-ист СС-псс III 11 V VI ) 40 (10 2а.40 ( 10 20..40 10.. 30 < 10 ) 40 10..30 < 10 2и 2и,г 2 ю 2|г,а 0 1>а,х 11а,г 2<а,< 2:е 0 1:а,в,« 2|а,а,г 2|а,а,г,а 2:а,е 11а,« 2и 2)(,е 2» . 21 а 0

из 5 . 10 Ложб ПОЙ на СС-псс СС-псс СС-псс II и IV 20..40 ( 10 20..40 » 10 ( 20 10..30 ( 10 0 1» 1» 21а,г 0 1и,1 1и,г 2|а,е 2:е 0 . • 1:6,«,а 1:4,а,г 11(,а,г 1:6,1 116,»

Примчат«

(а) - колы «ара аааарелыаа па примата! в ЕЭ кшсмшашв

Ихтагопчккаа страшп прмам Кчн капам групп с/« «упьтур

•ав - емкая паекша

гракуппптючкм! пнинс п одетый*«»» порок ара - прааые нрнооме а адаамттг

' састаа ПахГвр « ее гранупоастрачешаИ состав траосмса (вам-ааас)

С - пегха! сугпама нее - покроанмй сре<ии> сугпаноа карт - картмаяь -• СС - срам»! сугтшж як - днмаяалмы* срам»* су тот»« сан - ежлосшг праяааша («укург«,

1ЦСП - песка,суласа ист - аореинм! таили! сугяаам . аысамечаак) . .

- - и - аллаваалыон мая штр - «когояггмке трави (иеоер,

аст - апловаалым сума ишоаш, веаамм)

жу о учетов выоокого содержания подвижных форы марганца и аллши-ния, проблема регулирования почвенной кислотности может решиться только за счет извеоткования.

В ходе оценивания работоспособности ЭС мы не располагали возможностью выполнять рекомендации по извеоткованип. Поэтому на конечном результате (урожай и качество продукции) оказалось отклонение рН почвы от оптимального на одной из полей, а также ряде контуров других полей. ' ,

Задача внесения органических удобрений решается в целой для ротации севооборота. Рекомендации по полям не различаются. В отно-

пении общей цели оценивания работоспособности ЭС, по-видимому, Солее эффективным методом будет апробация модели в режиме .имитации различных ситуаций.

Результаты решения задачи предпосевного внесения минеральных удобрений свидетельствуют, что практически все обследованные участки характеризуются зафосфачиванием почвы, а в отдельных случаях и запотативанием. Поэтому ЭС рекомендовала внесение фосфорных удобрений "в рядки" в количестве 20 кг д.в./га., необходимом для обеспечения начального роста озимой пшеницы. Не было рекомендовано и внесение калийных удобрений на ряде участков. На одном из участков предложено отказаться от возделывания озимой пшеницы в текущем году ввиду сильного запогашивания. В качестве альтернативы предлагается возделывать калиофильные культуры - подсолнечник, кукуруза на силос (картофель не рекомендуется ввиду ограничений агроэколо-гического характера).

По содержанию микроэлементов оцениваемые поля относятся к категориям низкого или очень низкого содержания подвижных кобальта и молибдена. В соответствии с этим назначены дозы микроудобрений о. указанием возможного способа внесения. На трех участках зафиксировано низкое содержание подвижного цинка, и на пяти - низкое содержание подвижной меди. Для них также назначены соответствующие дозы микроудобрений.

В производственных условиях азот внесен в соответствии с принятой в хозяйстве технологической схемой - по 1/3 общей дозы, в основное внесение и каждую подкормку, т.е. по 40 кг/га. Микроэлементы не вносились.

. 4.4. Заключение по результатам тестирования Реализованная в БЗ ЭС ДЕМЕТРА комплексная модель управления плодородием (рис. 3) может рассматриваться как один из вариантов структуризации и формализации знаний в подсистеме информационного обеспечения управления. Положенная в основание модели концепция агроэкологического подхода позволяет предположить, что имеющиеся недостатки в знании о строении и функционировании объекта и системы управления будут компенсированы за счет общей ориентации на мягкие по отношению к природным компонентам агробиогеоценоэа средства управления и дифференцированных в зависимости от конкретных почвенно-экологических условий управляющих воздействий.

Полнота информации о текущем состоянии объекта управления обеспечивается использованием, широкого набора показателей плодородия при построении комплексной модели управления. Применение системы экспертного класса позволяет надеяться на то, что в условиях описания объекта управления по всему набору учитываемых показателей плодородия пользователь сможет оперировать всем информационным потоком, несмотря на его объем. При отсутствии каких-либо сведений о параметрах объекта управления - соответствующие рекомендации будут вырабатываться на имеющейся основе с минимальными погрешностями.

Рекомендации по применению различных агротехнических приемов в настоящее время можно получить и традиционным способом - по справочнику с учетом различных "поправочных" коэффициентов. Однако, в этом случае практический работник сельского хозяйства, не обладающей достаточной теоретической подготовкой и не имеющий соответствующего опыта работа, не может быть гарантирован от ошибок. В ЗС ДЕМЕТРА используются конкретные знания специалистов высокой квалификации с большим практическим опытом. Поэтому ошибки менее вероятны. Кроме того, знания по различным аспектам управления плодородием увязаны между собой, а сама ЭС более "дружелюбна" к пользователю, чем справочник или обычные расчетные программы и может использоваться непосредственно в Хозяйствах.

5. вывода

1. Главный итог работы состоит в том, что разработана оригинальная комплексная модель управления плодородием дерново-подзолистых почв при возделывании озимой пшеницу, реализующая принципы агроэкологического подхода. Она представлена в виде базы почвен-но-агроэкологических знаний, используемой в действующей экспертной системе по управлению плодородием.

База знаний включила знания по управлению плодородием, накопленные Российской школой агропочвоведения и апробирована в производственных условиях тестового хозяйства - совхоз "Истринский" Московской области.

2. Проведена типизация встречающихся в регионе исследования СПП относительно их "пригодности" под возделывание основных .сельскохозяйственных культур и возможного проявления отдельных лимитирующих факторов. Разработана система показателей и правил диагностики, необходимых и достаточных для идентификации почвенно-агроэ-кологической ситуации.

3. В ходе реализации комплексной модели управления плодородием в виде базы знаний экспертной системы:

- усовершенствована модель управления почвенной кислотностью путем известкования, внесения фосфорных и органических удобрений, учитывающая различия почв&нно-экологических условий хозяйственных полей и, помимо традиционных показателей качества мелиоранта и свойств мелиорируемого слоя (исходный и желаемый уровень рН, содержание гумуса, гранулометрический состав), учитывает содержание подвижного фосфора и токсичных форм марганца и железа;

• - формализована в виде исчерпывающей классификации перечисления показателей и их градаций модель управления агрофизическими параметрами пахотного горизонта на основе регулирования его гумусового состянш с учетом степени агрегированности почву, содержания в почве подвижных фосфатов и почвенно-экологических условий хозяйственных палей;

- разработана на основе понятия "рациональный уровень" модель оценки содержания элементов литания в почве (Р и К) с учетом особенностей рельефа и модель управления обеспеченностью элементами . питания посевов озимой пшеницы в различных почвенно-зкологических условиях;

- разработана модель азотного удобреня озимой пшеницы на основе системы показателей: содержание подвижных форм азота ч почве, содержание общего азота в растениях, качественная характеристика посевов, фаза развития озимой пшеницы, а так же набор показателей, характеризующих гидротермические особенности определенных периодов вегетации;

- реализована система нормативов и правил внесения микроэлементов минерального питания озимой пшеницы.

4. В ходе опытной эксплуатации ЭС ДЕМЕТРА продемонстрировала полезность методов и средств искусственного интеллекта в практической области, требующей не только логического рассуждения, но и немалого опыта. База знании системы отражает согласованное мнение коллектива экспертов, придерживающихся одной школы агропочвоведе-ния.

По материалам работы опубликовано:

1. Автоматизированная система диагностики почв в обосновании мелиоративных мероприятий. В сб.: "Принципы и методы экоинформати-ки". М.,1985. с.311-312, (в соавторстве).

2. Расчет нормы известкования по величине общей удельной поверхности твердой фазы и рН солевой вытяжки. Доклады ВАСХНЙЛ, N7, 1991, стр. 1-13. (в соавторстве).

3. Структура знаний в экспертной системе по управлению плодородием почв. В сб.: "Почвенное плодородие. Информационные системы, модели, методы исследования.", М., Почвенный ин-т им.В.В.Докучаева, 1992. стр.24-28.

4. Экспертная система по управлению плодородием дерново-подзолистых почв при возделывании озимой пшеницы". М., Почвенный ин-т. им.В.В.Докучаева, 1994, 150 стр., деп. рукопись N 41 ВС-94. (в соавторстве)