Математичне моделювання урожайності сільськогосподарських культур на солонцевих ґрунтах

 

Відомо, що модель оцінки ґрунтової родючості вважається адекватною лише тоді коли теоретичні дослідження, які побудовано на підставі логічних уявлень і припущень, підтверджуються аналізом експериментальних даних і математичним описом процесів і результатів. Застосування математичних методів і інтерпретацій у ґрунтових дослідженнях посилює елемент їх об’єктивності і дозволяє підвищити вирішення задач ґрунтознавства, особливо, якщо йдеться про різноманітність кількісних оцінок ґрунтових характеристик [15,22,24,48,62,82].

Величина врожаю будь-яких сільськогосподарських культур залежить від властивостей ґрунту, кліматичних умов попереднього і поточного року, рельєфу місцевості і цілого комплексу агротехнічних чинників (культури-попередники, обробіток ґрунту, добрива, якість насіння, сорт рослин і т.і.) [48,62,117].

Кількісну оцінку впливу різних чинників на урожай можна визначити двома способами: перший з використанням принципу єдиної різниці, другий з використанням математичних методів, перш за все методів математичної статистики. Перший шлях практично неможливий у зв’язку з великою різноманітністю природних чинників. Вплив кожного з них вимагає великого числа спостережень. Другий шлях виявляється можливим при використанні методів багатофакторних кореляцій і регресій [65,66,83,118,269].

Моделювання досліджуваної системи (врожай-природні умови) здійснювалося у декілька етапів, що являють собою чергування кількісного і якісного аналізу вихідної інформації.

Початковий етап моделювання передбачав визначення розміру вибіркової сукупності. Загальновідомо, що адекватність математичної моделі істотно пов’язана з кількістю досліджуваних показників вибірки, а саме – при збільшенні об’єму вибірки зростає об’єктивність одержаних даних. Об’єктом моделювання слугували природні умови (ґрунтові і кліматичні) формування врожаю сільськогосподарських культур на плантажованих ґрунтах.

Прагнучи отримати максимально достовірні результати для створення моделі продуктивності плантажованих ґрунтів ми використали наступні агрокліматичні та ґрунтові показники. З агрокліматичних показників вивчалися температура повітря, кількість атмосферних опадів та запаси продуктивної вологи в кореневмісному шарі ґрунтів за усі роки проведення досліджень. З ґрунтових показників вивчалися вміст загальних та токсичних солей, карбонатів кальцію, загального гумусу, валові та рухомі форми поживних елементів, активність іонів кальцію та натрію, гранулометричний та мікроагрегатний склад, щільність складення, структурно-агрегатний склад. До моделі залучалися ґрунтові показники шарів ґрунту 0-30 см, 30-40 см, 40-60 см. Таким чином загальна вибірка становила 122 показника для кожного з досліджуваних варіантів (плантаж та контроль).

З метою виявлення ролі ґрунтових характеристик та агрокліматичних критеріїв у формуванні врожаю, було застосовано декілька методів статистико-математичного аналізу, а саме: кореляційний, окремо парних кореляцій, факторний та багатофакторний кореляційно-регресійний із створенням моделей залежності урожайності основних сільськогосподарських культур і досліджуваних властивостей.

Розрахунки коефіцієнтів кореляції між врожаєм культур, ґрунтовими і кліматичними показниками було проведено за всіма показниками (Додаток Б).

Детальна статистична обробка даних дозволяє не тільки простежити залежності між врожаєм, ґрунтовими показниками та погодними умовами, а й кількісно визначити долю впливу кожного окремого показника (або їх сукупності) у формуванні величини врожаю. Це, в свою чергу створює можливість для розробки більш загальних математичних моделей та визначення динаміки змін впливу окремих показників за різних природно-антропогенних умов [15,22,24,48,62,117,118,129,221,238,240].

Основним недоліком існуючих методичних підходів є відсутність оцінки чистого дольового внеску кожного критерію у загальну роботу чинників ґрунтової родючості. Вирішити це питання, а також встановити величину очікуваного врожаю при фіксованих значеннях показників та простежити характер змін продуктивності ґрунтів за умов варіацій декількох чинників, можливо при застосуванні складних методів математичного аналізу і статистичного моделювання [24].

Статистичне моделювання складається з математичної формалізації закономірностей у вигляді абстрактних математичних аналогів, що інформаційно відображають поведінку реальної системи. Створена при цьому математична модель є системою математичних співвідношень і знакових логічних виразів, які імітують поведінку реальної системи у змінному середовищі. Оскільки строго математично відобразити усе різноманіття умов, чинників і взаємозв’язків природного оригіналу майже неможливо, закономірності поведінки системи виражають за допомогою найістотніших рис реальних об’єктів, процесів і явищ [221,240].

Розробку регресійних моделей великої розмірності (122 показники) пов’язано з такою методологічною складністю, як небезпека колінеарності та мультиколінеарності факторів (кореляція між парами або декількома факторами одночасно). Система «ґрунт-урожай», як частина біогеоценозу під антропогенним впливом, на практиці нараховує декілька десятків показників і кілька сотень об’єктів. Останні тісно пов’язані між собою множинними кореляційними залежностями, що не дозволяє виокремити вплив окремого показника на результативну ознаку. Це сприяє появі помилкових кореляцій і приховуванню інших зв’язків[78].

Математично обґрунтоване уникнення подібної плутанини досягається обробкою даних методом факторного аналізу, який спроможній вирішувати задачі великої розмірності. У цьому випадку використання регресійного аналізу при мультиколінеарних зв’язках між початковими змінними вважається коректним і досить ефективним. Перехід до системи агрегованих показників (факторів) дозволяє стиснути початкову інформацію (скорочення векторного простору) до певних розмірів, при яких зберігаються істотні риси початкового простору. При цьому, із даних витягаються найбільш істотні зв’язки, а другорядні і випадкові відкидаються [78]. Сама класифікація здійснюється вже не за вихідними ознаками, а за їх лінійною комбінацією, тобто інтегрованими показниками – факторами, кількість яких є значно меншою [78]. Метод дозволяє виявити «грубі помилки» у вибірці і досить точно визначити оцінки досліджених параметрів.

Після проведення факторного аналізу за всіма досліджуваними показниками було виділено 5 факторних груп сукупний відсоток векторних навантажень урожаю яких складає 70 %. Таким чином було виявлено достовірно наявні залежності. Інші 30 % факторного навантаження урожаю знаходяться в більш глибинних зв’язках, які, як правило, виражені у криволінійній формі, а тому не здатні проявляти свій вплив без додаткової трансформації даних.

Виявлені 5 факторних груп, у таблиці факторного аналізу було розміщено за зменшенням рівня навантаження на визначальний показник. Величини векторів факторного навантаження виражено у вигляді коефіцієнтів детермінації.

Першою за порядком слідування виявилася факторна група, сумарний вплив чинників якої на формування величини врожаю сільськогосподарських культур складає 37,4 %. Визначальну роль тут відіграють з агрокліматичних показників опади у вегетаційний період (коефіцієнт детермінації R²= 0,8 – 0,6), запаси продуктивної вологи у березні – серпні (R²= 0,5- 0,6) з ґрунтових - вміст токсичних солей (R²= 0,2- 0,4) та запаси гумусу у шарі 0-60 см (R²= 0,4- 0,6).

Другою є факторна група з долею впливу 15,4 %. Визначальну роль тут також відіграють з агрокліматичних показників опади у вегетаційний період (коефіцієнт детермінації R²= 0,5 – 0,7), запаси продуктивної вологи у березні – серпні (R²= 0,5- 0,6) з ґрунтових - вміст токсичних солей (R²= 0,2- 0,4) та запаси гумусу у шарі 0-60 см (R²= 0,4- 0,6), вміст рухомих поживних речовин (R²= 0,2- 0,3).

Основна маса ґрунтових показників виявилася у третій групі, сумарний вплив якої у формуванні величини врожаю складає 10%. Основний вплив тут чинять, вміст валових і рухомих форм поживних речовин, вміст гумусу, агрофізичні властивості (щільність складення, гранулометричний склад), активність натрію та кальцію, водорозчинні солі.

Четверта факторна група впливає на величину врожаю на 4,25 %. Тут головний вплив чинять продуктивна волога, опади, вміст токсичних солей, увібрані катіони.

Остання факторна група з долею впливу 2,09% складається з таких показників як продуктивна волога та опади у зимові місяці, мікроагрегатний склад, структурно-агрегатний склад, вміст водорозчинних солей, співвідношення водорозчинного кальцію до натрію та ін.

Статистичні моделі дають можливість встановити кількісні зв’язки окремих факторів з урожайністю сільськогосподарських культур. Регресійні зв’язки дозволяють інтерпретувати окремі результати для конкретних умов, в яких проводився дослід. Якщо умови змінюються по відношенню до експериментальних, то регресійні моделі втрачають свою достовірність. Тому більш надійними є моделі динаміко-статистичні та динамічні, що розробляються на основі диференціальних рівнянь. Ці моделі враховують процеси в динаміці і є більш адекватними до природних явищ. Проте, для визначення взаємодії ґрунтових та агрокліматичних показників і їх впливу на врожайність сільськогосподарських культур на плантажованих ґрунтах доцільно використовувати еліптичну модель. Її перевага полягає у тому, що вона визначає взаємодію усіх чинників за аналогом математичних дій з векторами [129,130].

Модель має вигляд:

 

,

 

де, Y_M, A_i, a_i, b_i - параметри моделі, що розраховуються методами нелінійного програмування за критерієм мінімуму залишкової дисперсії;

Y – прогнозний урожай;

Y_M – максимально можливий урожай при фактичних погодних умовах та рівнях родючості грунту;

A_i – складова частина максимального врожаю, яка формується завдяки і-того виду показника;

a_i – початковий рівень і-го показника, що впливає на урожай;

b_i – оптимальний рівень і-того показника, який забезпечує максимальний врожай;

х_і - фактичний рівень і-того показника

m – кількість показників.

Кінцевий вигляд моделі родючості плантажованих солонцевих ґрунтів є результатом багатофакторного кореляційно-регресійного аналізу. До моделі було залучено лише ті показники, які мають найвагоміший вплив на величину врожаю, саме ті які було виділено в результаті факторного аналізу.

На основі отриманої моделі зв’язку продуктивності плантажованих ґрунтів солонцевих ґрунтів з кліматичними та ґрунтовими властивостям було побудовано графік. (рис. 5.4). Як видно з рисунку, стадійність змін основних ґрунтових властивостей чітко відображається на формуванні величини врожаю. Найбільші прибавки врожаю простежуються перші 15-20 років післядії, що відповідає найбільшій інтенсивності змін основних властивостей досліджуваних ґрунтів. У подальшому відбувається деяка стабілізація основних властивостей, і, як наслідок, стабілізація прибавок урожаю. Поступове зростання врожайності основних сільськогосподарських культур на 25-30 рік вказує на утворення нових ґрунтів, що забезпечують стабільну прибавку врожаїв сільськогосподарських культур.

Розроблена модель дозволяє прогнозувати врожайність основних сільськогосподарських культур на плантажованих ґрунтах півдня України та визначати динаміку змін впливу окремих показників.

 

Рис. 5.4. Модель урожайності сільськогосподарських культур на плантажованих солонцевих грунтах

 

Коротко підсумовуючи наведену у цьому підрозділі інформацію слід відмітити наступне:

1. Сукупний відсоток впливу досліджуваних агрокліматичних грунтових показників на формування величини врожаю на плантажованих ґрунтах складає 70 %.

2. Стадійність змін основних ґрунтових властивостей чітко відображається на формуванні величини врожаю. Найбільші прибавки врожаю простежуються перші 10-13 років післядії, у подальшому відбувається деяка стабілізація основних властивостей. Поступове зростання врожайності основних сільськогосподарських культур на 25-30 рік вказує на утворення нових ґрунтів, що забезпечують стабільну прибавку врожаїв сільськогосподарських культур на плантажованих ґрунтах.

 

РОЗДІЛ 6. Оцінювання придатності солонцевих ґрунтів для меліоративної плантажної оранки

 

У цьому розділі дисертаційної роботи на основі аналізу отриманих результатів та літературних матеріалів стосовно змін основних властивостей солонцевих ґрунтів під впливом меліоративної плантажної оранки, ми спробували удосконалити систему оцінювання придатності ґрунтів для проведення меліоративної плантажної оранки.

Правильний вибір земельної ділянки для проведення меліоративної плантажної оранки є запорукою довготривалої позитивної післядії цього меліоративного заходу на властивості ґрунтів та врожайність сільськогосподарських культур. Спосіб підвищення родючості солонцевих ґрунтів за допомогою меліоративної плантажної оранки описаний у численних рекомендаціях та інструкціях [210,211,228 та ін.]. Згідно загальноприйнятої системи оцінювання ґрунтів для проведення меліоративної плантажної оранки при виборі території оцінюють глибину залягання першого сольового горизонту, вміст у ньому загальних та токсичних солей, вміст увібраного натрію у солонцевому горизонті, глибину залягання та ступінь мінералізації підгрунтових вод, глибину залягання карбонатного горизонту, за якою, здебільшого і визначають придатність ґрунтів для меліоративної плантажної оранки та її глибину.

Врахування усіх вищеперелічених показників є обов’язковим з ряду причин. Так, близьке залягання (50 см) першого сольового горизонту з вмістом токсичних солей в ньому на рівні вище 0,1 % може викликати засолення верхнього шару ґрунту і спричинити токсичний вплив на вирощувані сільькогосподарські культури. Вміст увібраного натрію у солонцевому горизонті оптимально має бути на вищий за 3%, оскільки у зворотньому випадку, при вигортанні солонцевого горизонту може відбуватися осолонювання орного шару, і як наслідок, погіршення агрофізичних властивостей. Якщо підгрунтові води залягатимуть ближче 3 м від поверхні і вміст солей у них буде більше ніж 10 г/см³, у разі проведення меліоративної плантажної оранки відбуватиметься підтягування легкорозчинних солей, чому сприятиме рихле складення, і у тривалій післядії відбуватиметься відновлення солонцевого процесу[171,172 та ін.].

Основним показником оцінювання придатності ґрунтів для проведення меліоративної плантажної оранки, згідно існуючих систем оцінювання є глибина залягання меліораційних солей (гіпс, карбонат кальцію). Вони мають залягти не глибше 55 см, у такому разі при плантажуванні буде досягнуто залучення 5-10 см шару карбонатного горизонту до меліорованої товщі. З огляду на це визначають глибину оранки. Однак, науковими дослідженнями доведено, для того, щоб меліоративна плантажна оранка гарантовано забезпечувала довготривалу післядію, при виборі земельної ділянки не достатньо знати лише глибину залягання карбонатного горизонту. Доцільним є визначення також вмісту карбонатів кальцію у карбонатному горизонті, їх активності та якісного складу. Численні наукові дослідження з вивчення тривалості післядії меліоративної плантажної оранки дозволяють зробити висновок, що довготривала післядія цього меліоративного заходу простежується на тих ґрунтах, де при плантажуванні до орного шару було залучено 4-5 % карбонатів, за їх високої активності (10-12 мекв/л) [95,123,131]. За умови залучення меншої кількості карбонатів кальцію спостерігалося поступове їх вилуговування, що може прискорювати припинення позитивної післядії. Крім того, перед проведенням меліоративної плантажної оранки, необхідним є визначання якісного складу карбонатів кальцію, оскільки від якісного складу залежить розчинність карбонату. Так, залучення до орного шару карбонатних ґрунтоутворюючих порід не лесового генезису (мергелизовані червоно-бурі глини, приморські третинні глини та ін.) може викликати зворотній ефект і замість покращання властивостей спостерігається цементація орного шару.

Динамічний розвиток техногенезу обумовлює надходження значних кількостей важких металів (ВМ) техногенного, в тому числі й агрогенного походження у ґрунти. Особливо ця проблема актуальна для регіонів з посиленим техногенним навантаженням. Серед негативних наслідків такого впливу - імовірність накопичення важких металів, концентрація яких перевищує в карбонатному горизонті ГДК. А отже, при залученні таких горизонтів до обробітку існує імовірність забруднення ґрунтів і рослин. Тому при оцінюванні ґрунтів для проведення меліоративної плантажної оранки необхідно контролювати вміст рухомих форм важких металів у карбонаному горизонті [157].

З метою достовірного визначення придатності ґрунтів для проведення меліоративної плантажної оранки, з метою забезпечення тривалої позитивної післядії нами було розроблено та введено в дію ДСТУ 5041 Якість ґрунту. Оцінювання придатності ґрунтів для проведення меліоративної плантажної оранки [261] та створено корисну модель „Системи оцінки придатності ґрунтів для проведення меліоративної плантажної оранки” (патент № 31969) [192]. Основні показники, за якими має проводитися оцінювання наведено у таблиці 6.1.

 

Таблиця 6.1

Показники придатності солонцевих ґрунтів для проведення меліоративної плантажної оранки

Показники	Параметри показника
Ступінь солонцюватості	вміст обмінного натрію більше 3% від ємності вбирання
Глибина залягання карбонатів кальцію, см	не глибше 55 см
Вміст карбонатів кальцію у шарі 40-60 см, %	не менше 5
Глибина залягання підгрунтових вод, м	глибше 3
Вміст солей в підгрунтових водах, г/дм3	не більше 10 (при глибині їх залягання 3-5 м)
Глибина залягання першого сольового горизонту, см	глибше оранки
Вміст токсичних солей у шарі 0-50 см, %	не більше порогу токсичності
Вміст важких металів (рухомі форми) у шарі 0-60 см (кадмій, свинець, ртуть)	нижче ГДК(з урахуванням фону)
Активність іонів кальцію в шарі 40-60 см	не менше 10 мекв/ дм3

Отже, при оцінюванні придатності ґрунтів для проведення меліоративної плантажної оранки з метою забезпечення тривалої позитивної післядії необхідно враховувати вміст карбонатів в карбонатному горизонті, їх активність і якісний склад. З метою попередження забруднення ґрунтів і рослинницької продукції важкими металами, необхідно контролювати їх вміст у карбонатному горизонті.

 

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведено результати комплексного вивчення агроперетворених ґрунтів солонцевих комплексів Сухого Степу України у зрошуваних та незрошуваних умовах, в результаті якого установлено закономірності розвитку ґрунтових процесів та визначено напрям їх еволюції. Показано, що одноразове проведення меліоративної плантажної оранки забезпечує позитивну післядію на властивості ґрунтів і продуктивність сільськогосподарських культур протягом 50 років і припинення її позитивної післядії не відмічено. Результатом довготривалої післядії меліоративної плантажної оранки є формування високопродуктивних, екологічно стійких агроперетворених ґрунтів, що не мають аналогів у природі.

1. В тривалій післядії меліоративної плантажної оранки солонцеві ґрунти набувають принципово нової будови і комплексу зовнішніх ознак сформованих генетичних горизонтів. При довготривалому постмеліоративному розвитку плантажованих солонців і темно-каштанових солонцюватих ґрунтів реставрація солонцевого процесу протягом 50 років не відбувається.

2. Установлено, що загальною закономірністю для плантажованих і неплантажованих солонцевих ґрунтів є процес розсолення ґрунтового профілю, однак інтенсивність цього процесу різна. У плантажованих ґрунтах в незрошуваних умовах найбільш інтенсивно процес розсолення протікає у перші 15 років післядії, у зрошуваних умовах – у перші 10 років. Розсолення вилучених зі зрошення плантажованих та неплантажованих солонцевих ґрунтів відбувається більш повільно.

3. Під впливом тривалої післядії меліоративної плантажної оранки та сільськогосподарського використання солонцевих ґрунтів розвиваються взаємопов’язані та взаємозалежні з процесами солеобміну зміни стану ГПК, що виражаються в зниженні абсолютного вмісту обмінних катіонів натрію, і підвищенні відносної кількості обмінного кальцію, що в цілому характеризує процес розсолонцювання ґрунтів.

4. Протягом тривалого періоду післядії меліоративної плантажної оранки формуються ґрунти, що помітно відрізняються від неплантажованих аналогів за вмістом, профільним розподілом і якісним складом гумусу. За вмістом гумусу в орному шарі на 30-50 рік післядії плантажовані ґрунти виходять на рівень неплантажованого варіанту. Профільний розподіл валового вмісту та рухомих форм поживних елементів у плантажованих солонцевих ґрунтах відповідає профільному розподілу гумусу. Розподіл елементів живлення на контрольному варіанті є типовим для досліджуваних ґрунтів. Рівень забезпеченості рухомими формами поживних речовин за досліджуваними варіантами істотно не відрізняється.

5. Плантажованим ґрунтам притаманний рівномірний розподіл мулистої фракції по профілю. Ілювіювання мулистих фракцій не спостерігається і формування солонцевих чи солонцюватих горизонтів не відновлюється. Елементарні частки мулистих фракцій ґрунтів плантажованого варіанту значною частиною агреговані, що свідчить про перехід мулу у мікроагрегати. В орному шарі плантажованих ґрунтів наявна тенденція до кращої оструктуреності, порівняно з контрольним варіантом, що підтверджується більшою кількістю агрономічно цінних агрегатів і вищим коефіцієнтом структурності. Руйнуючи солонцевий горизонт і перемішуючи його з карбонатною породою, плантажна оранка створює рихле складення протягом тривалого періоду післядії. Щільність складення меліорованого шару на 0,1-0,15 г/см³ нижча, ніж на контрольному (неплантажованому) варіанті.

6. Вміст рухомих форм ВМ у кореневмісному шарі усіх досліджуваних ґрунтів на рівні фонових і не досягає ГДК. Горизонт максимальної акумуляції рухомих форм усіх ВМ спостерігається на глибині більше 125-150 см, вміст важких металів тут знаходиться на рівні ГДК. Ґрунти характеризуються низьким вмістом мікроелементів. Вивчення валового хімічного складу ґрунтів не виявило істотної різниці за варіантами.

7. Покращання основних властивостей солонцевих ґрунтів під впливом меліоративної плантажної оранки сприяло збільшенню врожайності сільськогосподарських культур. В незрошуваних умовах прибавка врожаїв зернових культур на солонцях каштанових плантажованих на 50 рік післядії складає 20-25 %, у зрошуваних умовах 40-50 %. На 30-й рік післядії меліоративної плантажної оранки після вилучення ґрунтів зі зрошення слабомінералізованими водами приріст урожаю сільськогосподарських культур становить 10-12%.

8. Математична модель урожайності сільськогосподарських культур на плантажованих ґрунтах підтверджує етапи змін основних ґрунтових властивостей, що чітко позначаються на формуванні величини врожаю. Найбільші прибавки врожаю простежуються у перші 10-13 років післядії, що відповідає найбільшій інтенсивності змін основних властивостей досліджуваних ґрунтів. У подальшому відбувається деяка стабілізація основних властивостей, і стабілізація прибавок урожаю. Поступове зростання врожайності основних сільськогосподарських культур на 25-30 рік вказує на утворення агроперетворених ґрунтів, що забезпечують стабільну прибавку врожаїв сільськогосподарських культур.

9. При оцінюванні придатності ґрунтів для проведення меліоративної плантажної оранки з метою забезпечення тривалої позитивної післядії необхідно додатково враховувати вміст карбонатів кальцію у карбонатному горизонті та їх активність. З метою попередження забруднення ґрунтів і рослинницької продукції важкими металами, необхідно контролювати їх вміст у шарі 0-60 см.

10. Позитивна післядія меліоративної плантажної оранки на властивості ґрунтів Сухого Степу України та урожайність вирощуваних культур простежується протягом 50 років і припинення її не відмічається. Результатом довготривалої післядії меліоративної плантажної оранки є утворення агроперетворених ґрунтів, що не мають аналогів у природі за своїми морфологічними, агрофізичними, фізико-хімічними, хімічними властивостями. Утворені ґрунти здатні забезпечити високу продуктивність у агрокліматичних умовах досліджуваної зони.