Теоретические основы и методология управления агротехнологиями в системах земледелия

На рубеже грядущего тысячелетия человечество переживает период своего развития, который вполне можно характеризовать как ускоренный переход к качественно новому уровню, т. е. революционный. В основе этого глобального явления лежат три главных взаимосвязанных, обусловленных развитием цивилизации фактора.

1) Объективное техногенное развитие цивилизации приводит к все более кардинальным изменениям в природе, ставящим под угрозу само существование цивилизации. Усилившееся в последние годы осознание этой угрозы заставляет мировую общественную мысль искать пути избежания возможной глобальной экологической катастрофы. Так появилось понятие устойчивого, безопасного развития, предполагающее определенные, порой жесткие, ограничения в отношениях человека с природой. В качестве следующей эволюционной ступени цивилизации предполагается экологическое развитие и экохозяйство (B.C. Голубев, 1995). Это в определенной степени возврат к первоначальной ступени хозяйствования человечества, но на более высоком, управляемом уровне.

2) На качественно новый уровень развития переходит в последние годы и наука. Происходит отказ от безраздельного господства аналитического толкования сущности наукиона все больше акцентирует внимание на синтетические, интегральные, методологические принципы в своей деятельности. Усиливается роль системологического принципа целостного рассмотрения объектов и явлений, что также представляется как возврат к истокам науки на более высоком уровне. Как результат, происходит все большее понимание целостности человечества и природы.

3) Велика роль в ускорении цивилизации достижения инженерной технологии. Ускоренное развитие микропроцессорной техники дает возможность ставить задачу о глобальной информатизации, которая, вкупе с непрерывно и ускоренно растущей потребностью человечества в информационной продукции, определяет необходимость создания нового информационного общества.

Таким образом, определяющими понятиями развития человечества в современную эпоху являются экологическое, информационное, целостное общество.

Утвердившееся в последние годы понятие об устойчивом и безопасном развитии прежде всего предполагает согласование имеющей существенное отношение к окружающей среде какой бы то ни было деятельности человека с тем, как на это отреагирует природа. Это означает глобальную постановку задачи выполнения требований системного подхода.

К проблеме безопасного, устойчивого развития человечества самое непосредственное отношение имеет такая важная область его деятельности, как сельское хозяйство. При этом речь идет не только о продуктовой безопасности, но и экологической. К сожалению, именно аграрная наука традиционно находится в числе отстающих как в своем развитии, так и в деле использования достижений других наук. Между тем становится реальностью кризисное состояние агроресурсов на планете.

Производство сельскохозяйственной продукции требует вложения все большей антропогенной энергии. Несбалансированная техногенная нагрузка в агроэкосистему способствует ускоренному ее разрушению. Сегодня состояние агроресурсов России не соответствует требованиям экологической безопасности.

Практика последних 10−15 лет показала неэффективность попыток решения комплексной проблемы, вызванной вышеприведенными положениями, с помощью традиционных научных подходов. Разработанные и внедрявшиеся в производство отдельные, даже передовые технологии (индустриальные, интенсивные, почвозащитные и др.), методы (программирования урожая, моделирования плодородия почвы и продукционного процесса) не дали ожидаемого эффекта. Появилась необходимость в новой методологии, основанной на новом мировоззрении.

В качестве нового методологического подхода, интегрирующего все прогрессивные методы и технологии под принципом целостного рассмотрения объектов, выступает ландшафтная система земледелия. Технологические аспекты этой системы разрабатываются при этом под принципом адаптивности предпринимаемых человеком мер к существующим природным условиям.

Современное состояние аграрного сектора экономики характеризуется ускоренным углублением диалектического противоречия между производительными силами и производственными отношениями. Мировая аграрная наука усиленно ищет пути разрешения этого противоречия, в результате меняются общепринятые нормы и критерии оценки эффективности производства, а так же приоритеты, определяющие направленность материально-технического потока в отрасль.

В мировой аграрной экономике в последнее время уже практикуется смещение центра инвестиций от экономических к экологическим приоритетам. Однако, как показала практика, регулирование одними лишь финансово-экономическими рычагами в такой сложной отрасли, как аграрная, не дает должного эффекта. Определяющее значение приобретает проблема не столько куда, сколько как вложить материальные средства. Решение этой задачи требует новой методологии, методики организации хозяйства и нового мышления.

На пороге грядущего третьего тысячелетия вполне рельефно просматривается завершение полного цикла диалектического развития по спирали. В науке в целом это смещение центра от аналитического подхода (что и было собственно научной атрибутикой) к синтетическому. В области хозяйствования человека это возврат к экохозяйству, пройдя следующие ступени:

1) Первобытное хозяйство (неосознанное экохозяйство).

2) Экстенсивное.

3) Интенсивное.

4) Экологическое.

Возврат к экохозяйству, разумеется, возможно только на почве строго научного управления, современная действительность не оставляет человеку другого пути.

Вся история земледелия связана одной главной проблемой — попыткой управления формированием урожая сельскохозяйственных культур. С течением времени совершенствовались средства производства, оказывалось все более эффективное воздействие на растения и создаваемые растительные сообщества, но методы, с которыми человек пытался направлять процесс формирования урожая, оставались принципиально неизменными.

Управление процессом формирования урожая, строго говоря, возможно только на основе достижений кибернетики и информатики. Любое другое производство основывается на принципах управления хотя бы с элементами кибернетики, иначе и невозможно осуществлять процесс. В земледелии же специфика объекта производства предопределяет во-первых способность к самостоятельному развитию процесса, а во-вторых слабую эффективность направленных на улучшение процесса мероприятий. Все это определяет особую значимость разработки систем управления агротехнологиями.

В определении понятия системы земледелия необходимо различать двойственность существа предмета. Первое определение отражает исторически сложившуюся форму хозяйствования, являющейся продуктом взаимодействия производительных сил и производственных отношений. Это известные системы земледелия, как подсечно-огневая, переложная, технологическая, интенсивная, адаптивно-ландшафтная.

Второе определение основывается на функциональных началах. Здесь система воспринимается как проект организации и управления производством. Это так называемые научно-обоснованные системы земледелия. Поставив во главу угла системность, зональную систему земледелия можно определить в этом плане как проект системной организации земледельческого производства. Разработка методологических основ управления аг-ротехнологиями в системах земледелия представляет главную цель настоящей работы.

Выполнение этой работы стало возможным благодаря бескорыстной помощи учителя, научного консультанта, героя социалистического труда, академика РАСХН И. С. Шатилова. Автор искренне благодарен также ученым Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева: профессорам В. Г. Лошакову, Г. И. Баздыреву, В. И. Филатову, Ю. Б. Коновалову, H.H. Третьякову, Л. И. Зотовуиз других научных учреждений A.M. Лыкову, A.C. Образцову, В. Ф. Ладонину, А. П. Иофинову, И.К. Хаби-рову, М. Б. Амирову, Э. Л. Наппельбауму, чьи бескорыстные советы и замечания оказали автору неоценимую помощь.

Автор признателен сотрудникам отдела земледелия Башкирского НИИСХ за помощь и поддержку при выполнении этой работы.

Обзор литературы.

Проблема управления технологическим процессом в растениеводстве разрабатывалась в пределах ряда методов и подходов. Впервые она конкретно была поставлена как метод программирования урожая (И.С. Шатилов, 1970; А. Ф. Иванов, A.A. Климов, Г. Е. Листопад и др., 1975; A.A. Зи-ганшин, JI.P. Шарифуллин, 1974; И. С. Шатилов, А. Ф. Чудновский, 1980; A.C. Образцов, В. М. Ковалев, Ю. П. Добрачев и др., 1980). В 1980;е годы метод программированного выращивания урожаев получил дальнейшее развитие применительно к орошаемому земледелию и интенсивным технологиям (И.С. Шатилов, А. И. Столяров и др., 1986; В. М. Ковалев, 1987; М. К. Каюмов, 1988; Н. Р. Бахтизин, К. Б. Магафуров, 1988 и др.).

Проблемы воздействия на агроценозы в целях управления формированием урожая обсуждались в работах A.A. Жученко, А. Д. Урсул (1983) — А. И. Брежнева, 1986; В. Ф. Ладонина (1990), А. И. Брежнева, P.A. Полуэк-това (1990) и др. В последующем разрабатываемая методика становится базой для адаптивных технологий (A.A. Жученко, 1990; 1998; А. Д. Урсул, 1987), которые должны составить технологическую основу перспективных ландшафтных систем земледелия.

Научно-методическая концепция проблем управления агротехноло-гиями связывается с такими понятиями, как система, системные методы, математическое моделирование (Д.Б. Циприс, В. В. Матвеев, И. Н. Юшин, Е. Г. Ильина, Е. В. Шамрова, 1985; И. М. Михайленко, 1987; В. А. Платонов, 1987; П. Т. Ржавский, 1989; A.A. Шевченко, Г. М. Рыжов, В. Г. Лапа, Ю. Н. Кравченко, 1989; А. С. Образцов, 1990; A.M. Лыков, 1993; А. И. Пупонин, Г. И. Баздырев, A.M. Лыков и др., 1995).

Большой интерес к тому, что связано с понятием система, стало проявляться в области аграрных наук в последние 10−15 лет. В общих чертах это явление, несколько ранее охватившее мир науки, инженерии и практики, определено Г. П. Щедровицким (1974) как системное движение. Результат этого движения расценивается как «системная революция» (P.JI. Акофф, 1971).

Беспрецедентные масштабы научно-технической революции во многом обязаны системному подходу, который по мнению И. В. Блауберга и Э. Г. Юдина (1973) характеризует новый стиль и новые методы научного мышления. По утверждению Г. П. Щедровицкого (1981) «системный подход является одним из важнейших моментов современного методологического мышления и современной методологической работы, без него методология сегодня не может ни сложиться, ни существовать» .

По мнению Д. М. Гвишиани (1972) и Б. В. Гнеденко и др. (1971) системные представления, понятия и методы анализа имеют важное значение в развитии и совершенствовании существующих частных наук и практики. Это положение, очевидно, полностью относится и к земледелию, как науке и как практике.

Страшное отставание России от развитых стран в производстве продукции на душу населения и на единицу площади при неимоверных энергозатратах (в десятки раз) в первую очередь объясняется бессистемностью (A.A. Никонов, 1991). По его мнению отставание аграрной науки России началось с 20-х годов текущего столетия, до этого шедшей в ногу с мировой и не уступающей другим наукам в применении системных методов. В настоящее время, вследствие несистемности в развитии аграрных наук, когда фундаментальные работы занимают в общем объеме исследований всего 4%, проектно-технологические — 8 и остальные 88% - прикладные, результаты исследований имеют крайне низкую эффективность.

Земледелие как наука является связующим звеном на стыке фундаментальных и прикладных дисциплин. Но земледелие не может всецело нести функции научного обеспечения систем земледелия. Объединение ряда наук под задачу системной организации производства растениеводства требует соответствующих теоретических и методологических разработок.

В работе Н. Ф. Бондаренко и др. (1982) в частности отмечается, что «.чрезвычайно важным моментом является создание соответствующей теории управления», причем проведение такой работы в полном объеме считается авторами «делом будущего». Программированное выращивание урожаев, по мнению авторов, представляет собой автоматизированную систему принятия решений в области земледелия, теория и методы которой полностью относятся к кибернетике (И.С. Шатилов, А. Ф. Чудновский, 1980). «Программирование — это управление формированием урожайности на основе оптимизации факторов жизни применительно к каждому полю и сорту» (И.С. Шатилов, 1990). Поскольку речь идет об управлении (формированием урожая или земледельческим производством), напрашивается понятие агрокибернетика.

Почти во всех работах, в той или иной степени посвященных проблеме управления процессом производства в земледелии, методика проектирования (программирования урожая, моделирования продукционного процесса, моделирования плодородия почвы и т. д.) состоит из следующих этапов: концептуальная модель — определение принципиальной схемы взаимодействий между составляющими блоками — формализация взаимодействий и процессов — идентификация модели (моделей) — внедрение (И.С. Шатилов, А. Ф. Чудновский, 1980; О. Д. Сиротенко, 1981; Н. Ф. Бондаренко и др., 1982; А. Н. Полевой, 1983; А. И. Брежнев, 1986; P.A. Феддес, 1986; Г. Кант, 1987; В. А. Платонов, 1987; О. Д. Сиротенко, Е. В. Абашина, Ш. А.

Шаахмедов, 1987; И. М. Михайленко, 1987; В. А, Семенов, 1988; А. И. Брежнев, P.A. Полуэктов, 1990; С.Н. Baker, R.B. Curry, 1976; С. Belmans, I.J. Wesseling, R.A. Feddes, 1981; Peter Kundler, Karl-Otto Wenkel, Bernd Grafe, 1989 и др.).

По современным представлениям программирование понимается как разработка методов (или комплекса мероприятий), рассчитанных на целенаправленное формирование планируемого урожая (И.С. Шатилов, А. И. Столяров, 1986, A.C. Образцов, 1990). В то же время авторы указывают на два этапа: планирование конкретного агрокомплекса под заданный урожай и оперативное управление формированием урожая в зависимости от складывающихся погодных условий. В работах, посвященных управлению продуктивностью посева, принятие агротехнологических решений обосновывается на математических моделях, учитывающих солнечную радиацию, влагообеспеченность, тепло и минеральное питание (А.И. Брежнев, 1986, А. И. Брежнев, P.A. Полуэктов, 1990; В. Ф. Мальцев, 1991).

В настоящее время в агрономических исследованиях применяются самые разные модели, начиная от статических моделей некоторого идеала, кончая весьма сложными динамическими имитационными. Согласно одному из принципов системологии Б. С. Флейшмана (1982) теория должна состоять из простейших моделей систем нарастающей сложности. Формальная сложность модели не должна соответствовать неформальной сложности системы, а грубая модель более сложной системы может быть предпочтительнее более точной модели более простой системы.

Наиболее простые статические модели обычно применяются для оценки ресурсных показателей. К ним относятся модели, отражающие оптимальные уровни факторов почвенного плодородия, агрометеорологических факторов, агроприемов. При разработке этих моделей могут применяться аналоговый или регрессионный подходы.

Почвенные модели, основанные на некоторых эталонных аналогах приводятся в работах В. П. Егорова, 1987; М. И. Смеяна, 1989; А. Ш. Ишемъярова, 1990. Рассчитанные по регрессионным зависимостям у И. М. Стребкова, 1989; А. Ш. Ишемъярова, 1990; В. В. Топтыгина, 1993).

Регрессионные модели широко применяются в агрометеорологии для прогноза урожайности по обеспеченности влагой и другими факторами (З.А. Шостак, 1987; А. Я. Экба, Л. Г. Каплан, Р. Г. Закинян, 1992; М. В. Бродский, В. В. Костюков, 1992; L. Gratani, Е. Florentino, M. Moriconi, M.F. Grescente., A. Guerrini, 1989; Lan Cordery, Andrew G. Graham, 1989; Jan Benetin, 1983). С помощью регрессионных зависимостей оцениваются оптимальность доз удобрений и моделируются показатели минерального питания (И.И. Глаголева, 1984; Т. И. Иванова, 1989; В. И. Файнзильбер, Е. А. Матвеенко, 1990; Н. Л. Рашкович, 1995 и др.).

Одновременно разрабатываются более сложные статические и динамические имитационные модели по тем же проблемам: комплексного статического (для определения урожайности, плодородия почв и доз удобрений, A.C. Образцов, 1990), динамического для программирования урожаев (О.Д. Сиротенко, Е. В. Абашина, Ш. А. Шаахмедов, 1987), динамического моделирования в агрометеорологии (А.Н. Полевой, Т. Н. Хохленко, 1993).

Особое место занимают модели, основанные на динамике энерго-массообмена в системах почва-растение, почва-растение-атмосфера (Н.Ф. Бондаренко и др., 1980; P.A. Полуэктов, Ю. А. Пых, И. А. Швытов, 1980; О. Д. Сиротенко, 1981;Е. П. Галямин и др., 1982; В. Г. Чупринин, 1981, 1982; H.A. Кан, В. Г. Чупринин, 1982; P.A. Полуэктов и др., 1989 Е. Е. Кан, H.A. Кан, 1991).

Применяемые в области систем земледелия модели, кроме методического, имеют различие и по уровню моделируемой системы. Математические модели используются для имитации и углубленного изучения отдельных физиологических процессов, например, фотосинтетической деятельности сельскохозяйственных культур (И.С. Шатилов, H.A. Полев, А. Д. Силин и др., 1987), минерального питания (Е.В. Абашина, 1982; И. С. Шатилов, А. Г. Замараев, А. Д. Силин, 1987; Н. Л. Рашкович, 1995; J. Wolf, С.Т. de Wit, В.Н. Janssen, DJ. Lathwell, 1987).

Значительны успехи в моделировании отдельных блоков агроэкоси-стемы, например почвенного (A.C. Фрид, 1988; В. А. Рожков, C.B. Рожко-ва, 1989, 1993), водного (О.Д. Сиротенко, 1981; В. Ф. Абаимов, 1985; J.M. Robinson, K.G. Hubbard, 1990).

В последние годы больше внимания стало уделяться к вопросам моделирования на уровне более крупных систем: агроценозов (Э.Г. Попов, A.B. Таланов, В. К. Курец, 1988; H.A. Кан, 1989; П. М. Хомяков, 1991), экологических систем (P.A. Полуэктов, Ю. А. Пых, И. А. Швытов, 1980; Э.Дж. Райкил мл., 1987; М. М. Тимофеев, 1989), агроландшафтов и систем земледелия (М.К. Пружин, 1986, 1987; А. И. Южаков, 1989; А.Н., Каштанов, А. П. Щербаков, 1993; А. И. Пупонин, Г. И. Баздырев, A.M. Лыков и др., 1995), сельскохозяйственного предприятия (F.M. Andreasen, Е. Fredenslund, 1993; J.T. Ritchie, 1987).

Имеются сообщения о разработках методологичеких вопросов моделирования в области агрономических наук и земледелия (Э.Г. Попов, A.B. Таланов, В. К. Курец, 1988; Н. Тодорова, В Валев, 1989; Л. И. Шишов и др., 1988; 1991; Г. А. Булаткин, 1989; В. А. Рассыпнов, 1990; A.A. Никонов, 1991; А. Д. Силин, 1992; A.C. Фрид, 1993; В. И. Савич, 1994; И.И. Свентиц-кий, 1995; J.T. Ritchie, 1987; H. Krug, 1988; Sushil Pandey, Jock R. Anderson, 1991).

Bo всех работах, посвященных изучению или конструированию различных систем, проблемам управления и моделирования объектов и процессов значительное внимание уделяется вопросам информационного обеспечения систем.

В литературе само понятие информации определяется неоднозначно. По утверждение А. П. Ершова (1986) информация является философской категорией и важнейшим атрибутом материи, отражающим ее структуру. A.A. Дородницын (1986) считает, что под информацией в кибернетике может считаться «любая совокупность сигналов, воздействий или сведений» с которыми оперирует некоторая система. По мнению же В.А. Рож-кова и C.B. Рожковой (1989) не всякие данные могут являться информацией: «данные становятся информацией только по функциям системы» .

Различные знания, характеристики, нормативы и т. д. являются информацией только в сочетании с управлением (Л.П. Крайзмер, 1985; В. Г. Афанасьев, 1986). Предмет теории информации напрямую связывают с системами управления (A.M. Гатаулин, Г. В. Гаврилов, Т. М. Сорокина и др., 1990). Следовательно, подготовка данных (сбор, оценка, преобразование и т. д.) проводится с целью приведения их в пригодную для целей использования в процессе управления форму.

Система информационного обеспечения применительно к программированному выращиванию урожаев разработана в агрофизическом институте и названа «агромониторингом» (Е.Е.Жуковский, C.B. Нерпин, P.A. Полуэктов, 1979; P.A. Полуэктов, Е. Е. Жуковский, 1980). Основными специальными источниками в дополнение к штатным (гидрометслужбы, аг-рохимслужбы, службы защиты растений и т. д.) в агромониторингах являются экспериментальные полигоны, описанные в работах Н.Ф. Бондарен-ко, Е. Е. Жуковского, М. К. Каюмова (1978) — И. С. Шатилова и др., (1976) — М. К. Пружина (1987) — И. С. Шатилова (1990). Экспериментальный полигон позволяет получать взаимосвязанные во времени и в пространстве информации по различным интересующим параметрам (агрофизическим, агрохимическим, метеорологическим и т. д.).

Данные полигонов представляют чрезвычайную ценность для автоматизированной системы управления (АСУ) технологическими процессами. Однако создание и эксплуатация экспериментальных полигонов весьма дорогостоящее мероприятие, что делает невозможной их повсеместную организацию. Реальный путь информационного насыщения систем земледелия пока заключается в эффективном использовании экспериментальных данных ряда наук и дисциплин, а так же штатных служб и производства (А.Ф. Сафонов, 1993).

Оригинальный подход к информационному обеспечению моделей продукционного процесса разработали P.A. Полуэктов, и др. (1989), который предусматривает проведение полевых опытов с учетом возможности использования их данных не только как новой информации, но и для идентификации имитационных моделей. Методика использования унифицированных данных для создания и проверки адекватности моделей разработана В. А. Рассыпновым (1990).

Специфика аграрного сектора экономики предопределяет большую ее зависимость от метеорологических условий. В области растениеводства не меньшее значение имеет минеральное питание. Несмотря на то, что эти два наиболее важных фактора изучались в подавляющем большинстве агрономических исследований, применение их результатов в целях управления процессом производства представляет немалую проблему.

Агрометеорологические аспекты принятия управляющих решений в земледелии разработаны в ряде работ (А.Ф. Чудновский, Е. Е. Жуковский, Д. Х. Беленкий, 1976; Е. С. Уланова, 1975, 1993; П. Г. Кабанов, 1975; Е. Е. Жуковский, А. Ф. Чудновский, 1978; Ю. А. Хваленский, 1971; А. П. Федосеев, 1979, 1985; Е. Е. Жуковский, 1980, 1981; А. Н. Полевой, 1983; А.П.

Федосеев, Е. Е. Жуковский, 1983; Б. И. Сазонов, JI.A. Артеменко, 1987; М. Г. Лубнин, 1989; А. Н. Полевой, Т. Н. Хохленко, 1993; А.Е. Baquet, A.N. Halter, F.S. Conklin, 1976; J.R. Anderson, J.L. Dillon, J.B. Hardaker, 1977; L. Kuchar, 1989; Dietrich Schulzke, 1988 и др.).

Привлекает внимание монография Е. Е. Жуковского (1981), посвященная теории и методам построения оптимальных стратегий принятия управляющих решений на основе существующей системы гидрометеорологического обеспечения. Трудно не согласиться с автором в том, что еще имеются большие ресурсы в использовании существующей метеорологической информации. Особенно подробно разработана в упомянутой работе методика принятия решений при альтернативных прогнозах погоды.

В настоящее время, как за рубежом, так и у нас в стране, достигнуты значительные успехи в области моделирования процессов, связанных с минеральным питанием растений (В.Г. Чупринин, 1981, 1982; Е.В. Аба-шина, 1982; Е. П. Галямин и др., 1982; H.A. Кан, В. Г. Чупринин, 1982; A.A. Тятлинова, В. Г. Липник, 1986; Е. Е. Кан, H.A. Кан, 1991, Р. Willigen de, G.G. Neetson, 1985 и др.). Однако, многие из моделей не в состоянии удовлетворительно выполнять задачи управления плодородием почвы и формированием урожая.

Имитационные модели, описывающие поведение (трансформацию, перемещения) минеральных веществ в почве, весьма эффективные при выполнении познавательных задач, малопригодны в целях управления. Здесь, по меньшей мере на обозримое будущее, более полезны будут эмпирические, статистические и полуэмпирические модели, приводимые, например, в работах И. С. Шатилова, А. Г. Замараева, А. Д. Силина и др., 1987; Н. Л. Рашкович, 1995; G.H.M. Thornley, 1978 и др.

В качестве основного, интегрального показателя плодородия почвы многие исследователи принимают содержание гумуса (В.П. Егоров, 1987;

А.Ш. Ишемъяров, 1990; A.C. Морозова, 1993 и др.). В некоторых работах наравне с гумусом важным показателем плодородия называется содержание в почве доступного фосфора (для черноземов, каштановых почв и сероземов Казахстана — А. И. Иорганский, С. Б. Кенекбаев (1989) — для дерново — подзолистых почв — Н. В. Войтович, (1995). В качестве основного, определяющего базовую урожайность, показателя на серых лесных и дерновоподзолистых почвах В. А. Синявский (1989) называет обеспеченность подвижным фосфором. В его опытах урожайность тесно коррелировала с Р2О5 почвы (г = 0,88). На подвижный фосфор почвы, как на основной показатель плодородия обращают внимание Л. П. Панин и др. (1988) — В. Г. Минеев и Л. А. Лебедева (1990), Б. С. Носко (1990), А. И. Тютюнников (1991), J. Wolf, С.Т. de Wit, В.Н. Janssen, D.J. Lathwell (1987).

В опытах Б. С. Носко (1988) для повышения Р205 почвы на 1 мг/100 г расходовалось в зависимости от типа почвы от 80 до 140 кг/га фосфорных удобрений, на разных почвах Казахстана эти показатели составили в зависимости от выноса 50.200 кг/га (P.M. Бильдебаева, Т. Джаланкузов, З. А. Дильдабекова (1988), на серой лесной почве Свердловской области — 110, на черноземе — 85 кг/га (Ю.Л. Байкин, 1989). Заметное повышение Р2О5 почвы при систематическом внесении фосфорных удобрений в норме 45 кг/га отмечено А.Р. Schwab, С.Е. Owensby, S. Kulyingyong (1990) до глубины 0.60 см. В опытах В. И. Никитишена и др. (1994) при внесении высоких норм азотных удобрений отмечалось их последействие в размере 8. 14%.

Огромный экспериментальный материал, накопленный в прикладных исследованиях, создает немалые предпосылки и одновременно требует соответствующего его преобразования в целях использования в управляющих системах.

Проблема управления агротехнологией с помощью информационно-советующих систем получила значительное развитие в течение последнего десятилетия (Д.Б. Циприс и др., 1985; И. Б. Усков, 1986; А. И. Брежнев, 1986; П. Т. Ржавский, 1989а, 19 896- Л. В. Арутюнова и др., 1991; A.C. Фрид, 1993; G. Haumann, 1987; Peter Kundler, Karl-Otto Wenkel, Bernd Grafe, 1989; F.M. Andreasen, E. Fredenslund, 1993).

Больше внимания исследователи стали уделять теоретическим, методологическим вопросам управления агротехнологией (В.А. Платонов, 1987; A.A. Шевченко и др., 1989; В. Ф. Ладонин, 1990; Н. В. Яшутин, 1990; Martin Smukalski, Peter Kundler, Jutta Rogasik, 1988; T.W. Miller, 1992).

Вопросы формирования урожая зерна, помимо огромного количества исследований по упрощенным схемам агроприем — урожай и экофакторурожай, изучались в временном, онтогенетическом плане (Ф.М. Куперман, 1997; B.C. Шевелуха, 1980; и др.), в ценотическом (С.А. Муравьев, 1973 и др.). И в настоящее время практически известно, когда и как происходит формирование семенной продуктивности растений и посевов, а так же реакция на способы воздействия.

Системность и системный подход к решению проблем и задач не могут быть сведены к системному мышлению. Последнее относится к области организации мыследеятельности и может иметь практический выход к обоснованию решений через логическое мышление. Но не может человек удержать в памяти великое множество различной информации для того, чтобы учесть всевозможные последствия принимаемого решения. По мнению A.C. Образцова (1990) «Традиционные методы принятия решений на основе практического опыта, интуиции и несложных расчетов,., более или менее приемлемы при управлении несложными процессами,.», но не для современного сельскохозяйственного производства. Системный подход к принятию решений может быть осуществлен только с помощью соответствующей системы.

В работе A.M. Лыкова (1993) в качестве проекта, по которому осуществляется управление агротехнологиями, названа система земледелия, которая «.основана на современных знаниях агрономических наук,.в них используют представление системного анализа, общей теории систем». Аналогичной точки зрения придерживается А. Ф. Сафонов (1993). Таким образом, управляющая агротехнологиями система базируется на проектах зональных систем земледелия и является дальнейшим развитием их применительно к современным достижениям системологии, информатики и кибернетики.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

Разработка методологических основ и методики разработки проектов управления агротехнологиями в системах земледелия представляет главную цель настоящей работы. В задачу исследований входит: 1) Анализ современного состояния системологии, кибернетики и информатики с точки зрения использования их достижений в земледелии. 2) Разработка теоретических основ агрокибернетики. 3) Системный анализ современного состояния проблем управления агротехнологиями. 4) Системный анализ проблем информационного обеспечения управляющих систем. 5) Разработка концептуальной модели проекта систем управления агротехнологиями.

Сообразно с поставленной целью и задачами, работа выполняется на трех уровнях научных исследований: 1) Общеметодологические исследования. 2) Прикладные аналитические работы и их системный анализ. 3) Методика проектирования систем управления.

В качестве отправной точки в методике теоретических исследований постулируется то, что система земледелия принимается как проект системного ведения производства. При этом существующее определение систем земледелия рассматривается как классификация форм агрохозяйства, отражающих исторически сложившиеся уровни производительных сил и производственных отношений. Таким образом, складывающееся на нынешнем этапе ландшафтное земледелие — является формой ведения агрохозяйства так же, как и имевшее место в прошлом переложноесистема же управления агротехнологиями в земледелии рассматривается как метод и проект, представляющий собой развитие методологии проектирования зональных систем земледелия.

Прикладные полевые и лабораторные исследования проводились по общепринятой, а в некоторых случаях по оригинальной методике. Экспериментальные работы главным образом были нацелены на восполнение информационного пробела в двух блоках: агрометеорологии и агрохимии, на примере которых мы посчитали возможным отрабатывать системотехнику и информатику систем управления в земледелии.

Анализ агрометеорологического блока информаций проводился по данным станций гидрометеослужбы и территориально-хронологически соответствующим данным урожайностей статуправлений.

Статистическая обработка цифровых материалов проводилась на персональном компьютере по оригинальным программам, составленным автором (копии программ прилагаются на дискетах). При составлении программ в качестве алгоритмов использованы методики, приводимые в общепринятых в агрономических и биологических исследованиях руководствах (В.Н. Перегудов, 1965; Б. А. Доспехов, 1973, 1979; Г. Н. Зайцев, 1984 и др.).

Полевые опыты проводились в стационарных условиях. В 1973. 1982 годах в Стерлитамакском ОПХ Башкирского НИИ земледелия и селекции полевых культур в пятипольном экспериментальном севообороте, имеющем схему: горох (занятый пар), озимая рожь, яровая пшеница, кукуруза на зеленую массу, ячмень. В 1983. 1997 годах в Чишминском ОПХ, схема севооборота: черный пар, озимое тритикале, яровая пшеница, горох, гречиха (с 1991 года ячмень). С 1996 года вместо озимого тритикале высевается озимая пшеница.

Многолетние опыты в 1973. 1982 годах включали следующие варианты: 1) Делянки первого порядка: 1. Без полива. 2. Орошение дождеванием из расчета поддержания 0.60 см слоя почвы в пределах не ниже 60.70% наименьшей влагоемкости. 2) Делянки второго порядка: 1. Без удобрений. 2. Рекомендуемые нормы удобрений. 3. Удобрения на планируемый урожай 30 ц/га. 4. Удобрения на план 40 ц/га. 5. Удобрения на план 50 ц/га. В 1983.1985 годах изучались вопросы последействия расчетных норм минеральных удобрений по вариантам: 1) Контроль. 2) Удобрения на план 50 ц/га. Удобрения на план 60 ц/га.

В 1986. 1996 годах проводились стационарные опыты с использованием микропестроты плодородия почвы. На поле яровой пшеницы выделялись малые делянки размером 2×5 м, ряд которых проходит через ложбину, имеющую различную степень смытости верхнего горизонта. Опыты проводились на неудобренном, удобренном в одинарных и двойных общепринятых нормах минеральных удобрений. На последующих культурах: горохе и гречихе (ячмене) изучалось последействие фонов питания в сочетании с микропестротой почвы.

В 1990. 1996 годах закладывались полевые долгосрочные опыты по изучению нормативов изменения содержания в пахотном слое почвы Р2О5 при применении возрастающих норм минеральных удобрений на трех фонах естественного плодородия: на смытой, слабосмытой и несмытой почвах. Нормы фосфорных удобрений составляли от 60 до 1080 кг/га в 1991. 1992 и от 60 до 360 кг/га в закладках 1993. 1994 годов. Размеры делянок 4×10 = 40 м². В эти же годы в другом стационаре изучались нормативы изменения содержания питательных элементов в почве при применении азотных, калийных и полных удобрений. Варианты следующие: контроль без удобрений, N60, N120, К6о, К120, NPK60, NPK120. Площадь делянок 4×20 = 80 м².

Краткосрочные полевые опыты проводились на различные темы. В 1975. 1977 годах изучалось формирование урожая яровой пшеницы под влиянием препарата тур. Схема опыта составлялась по методу расщепленных делянок.

Делянки первого порядка 1) естественное увлажнение, 2) орошение из расчета поддержания 0.60 см слоя почвы в пределах не ниже 60.70% НВ.

Делянки второго порядка 1) без удобрений, 2) удобрение на планируемый урожай 40 ц/га.

Делянки третьего порядка 1) без опрыскивания и 2) при опрыскивании посева раствором тура в фазу кущения яровой пшеницы.

Делянки четвертого порядка 1) посев намоченными водой в дозе 10 кг/т и 2) посев обработанными туром в дозе 4 кг/т хлорхолинхлорида + 6 л воды семенами. Повторность опытов 4-х кратная, площадь наименьших делянок 42 м².

В 1976.1978 годах изучалась эффективность физиологически активных веществ (гиббереллина и гетероауксина) на яровой пшенице. Методика состояла в посеве обработанными спиртовыми растворами гиббе-релловой и индолилуксусной кислот.

В 1977.1978 годах изучали влияние на всхожесть семян и урожайность яровой пшеницы ряда физических факторов (магнитное, электромагнитное, лазерное, тепловое облучение). Обработанные семена получали посылкой из существующих в то время различных центров по изучению отдельных видов облучения. Повторность в предыдущих двух опытах 4-х кратная, площадь делянок 43 м, способ расположения делянок — рен-домизированные повторности.

В 1979. 1982 годах проводили опыты по нормам высева озимой ржи в пределах 3.7 млн всхожих семян на га. Площадь делянок 100 м², повторность 4-х кратная, расположение делянок организованные повторности со смещением.

В 1983 году проводились опыты по определению выноса питательных веществ яровой пшеницей и сорным компонентом посева при дифференциации засоренности путем боронования и применения гербицидов на фоне различных доз минеральных удобрений. Делянки первого порядка составляют пять вариантов удобрения. Делянки второго порядка: без гербицида и обработка им посева в фазе кущения. Делянки третьего порядка: без боронования и при бороновании посева в начале фазы кущения. Площадь наименьших делянок 20 м, повторность 4-х кратная, способ размещения — расщепленные делянки.

В 1983. 1985 годах изучали эффективность внекорневой подкормки яровой пшеницы на различных фонах минерального питания. Площадь наименьших делянок (подкормка N30) составляет 10 м, повторность четырехкратная, схема опыта — расщепленные делянки.

В 1983.1985 годах исследовали водопотребление яровой пшеницы при дифференциации влагообеспеченности орошением и установкой за-сушников. Площадь учетных делянок 10 м, повторность 4-х кратная. Полив производили в фазе кущения из мобильного агрегата, засушники устанавливали после появления всходов из полиэтиленовой пленки на высоте 1,5 м над землей. Засушники закрывались только на время дождя.

В 1987. 1989 годах проводили опыты по изучению режима минерального питания гречихи при обеспечении этой замыкающей севооборот культуры последействием высоких норм удобрений, внесенных под предшественники. Размещение делянок методом рендомизированных повторений, размер делянок 4×29 м, учетная площадь 2,1×25 = 52 м, повторность 4-х кратная.

Учет и наблюдения проводились согласно рекомендациям НИИСХ Юго-Востока (1973), анализ почвенных и растительных образцов исполнены в центральной агрохимической лаборатории Башкирского НИИ земледелия по общепринятым методикам для черноземных почв.

Агротехника в полевых опытах, за исключением изучаемых факторов и приемов, придерживалась зональная. После уборки предшественника поле обрабатывалось дисковыми лущильниками, вспашка производилась через 15.20 дней. При необходимости применялась обработка гербицидами и инсектицидами. Учет урожайности зерновых культур проводилась прямым комбайнированием (в том числе и гороха) на Сампо 25 и Сампо 500 с последующим приведением к стандартной влажности и 100% чистоте. Гречиха подбиралась с валков, учет урожайности кукурузы путем взвешивания скошенной на мотокосилке зеленой массы.

Проектные исследования проводились согласно разрабатываемой методологии. Технологические и статистические программы написаны автором для персонального компьютера IBM, на языке Qbasic в интерпретаторе. Отдельные блоки разрабатываемой системы внедрены в ряде районов Башкортостана (автоматизированного расчета технологической карты, расчета норм минеральных удобрений балансовым и нормативным методами, проект размещения сельскохозяйственных культур).

Методика разработки проектов системного земледелия и вышеперечисленные блоки системы приобретены производственно-инновационным предприятием «Агротехнология» для использования в проектной и внедренческой работах.

Область применения результатов исследований в методологическом плане научные учреждения, проектирующие системы земледелия, в практическом — все уровни организации земледельческого производства, начиная от областного до хозяйства и отделения (бригады).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И СИСТЕМАТИКА ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ.

Современное состояние отрасли растениеводства характеризуется серьезными противоречиями. С одной стороны остро встает проблема природной среды, а с другой всё обостряется проблема обеспечения растущего населения Земли продуктами питания. В этих условиях приходится решать противоположно направленные задачи: уменьшить антропогенную нагрузку на природу не имея возможности отказаться от интенсивных форм производства.

Интенсивное земледелие требует вовлечения в производство все возрастающих ресурсов. Эффективность повышенных фондов материально-технических ресурсов прямо зависит от организации производства и управления технологией.

К настоящему моменту резервы повышения продукции земледелия посредством простого увеличения количества применяемых удобрений, химических препаратов, оснащенности техникой и др., по существу экстенсивных путей, исчерпаны. Дальнейшее значительное продвижение вперед возможно только на основе системной организации производства, где каждый элемент процесса производства (природные факторы, материальные ресурсы, технологические факторы и т. д.) должны быть взаимоувязаны в одну единую систему.

Производственный процесс в земледелии, как ни в какой другой области, испытывает влияние нестабильных погодных условий, велико здесь и непостоянство организационно-хозяйственных факторов. Все это придает особую актуальность и значение системному подходу к технологиям, где каждое решение должно быть обосновано с учетом всех существенных последствий этого решения.

Система ведения сельского хозва.

Система земледелия.

Интенсивные технологии.

Система севооборотов Система удобрения Система обработки почвы и т. д.

СИСТЕМОЛОГИЯ '.

Рис. 4. Соподчиненность основных понятий систем управления в земледелии.

Проведенные теоретические исследования показывают, что методологической основой систем управления агротехнологиями является общая теория систем — системология. Управление в земледелии практически осуществляется посредством разработок, имеющих название «Системы земледелия», которые еще предстоит сделать действительно системными разработками.

Системы земледелия входят в общую систему ведения сельского хозяйства (рис.4). Одним из главных подсистем СЗ является система программированного выращивания урожаев. Кроме нее имеются еще три подсистемы: плодородия почв, размещения культур и охраны окружающей среды. Рис. 4 имеет чисто иллюстративную задачу, поэтому из каждой последующей группы иерархически подчиненных систем изображена только одна.

Рис. 5. Структура проекта системы земледелия.

Системы всех уровней базируются на общей теории систем — систе-мологии, что соответственно отражено на рисунке. Все системы нацелены на осуществление некоторого управления, следовательно имеют непосредственную связь с агрокибернетикой и математическим моделированием.

Блочно-модульная структура систем земледелия позволяет конструировать все основные подсистемы (модули) на одном и том же наборе блоков и решать различные задачи с использованием различных сочетаний конечного числа управляющих модулей и информационных блоков (рис.5). Модульная структура зональных систем земледелия разработана в Московской сельскохозяйственной академии (А.И. Пупонин, Г. И. Базды-рев, A.M. Лыков и др., 1995). В монографии приводится схема систем земледелия, содержащая четыре основных блока: агротехнический, мелиоративный, организационно-экономический и экологический. Эти блоки в свою очередь подразделяются на звенья систем земледелия (организации территории и севооборотов, обработки почвы, защиты растений, удобрения, мелиораций и т. д.), имеющим совокупный выход к результату, как получение «.программируемых, высококачественных, экономически целесообразных урожаев с соблюдением мероприятий по воспроизводству плодородия почвы и охране окружающей среды» .

Кроме того, в вышеназванной работе помещена разработанная авторами схема имитационной модели функционирования систем земледелия, имеющая также блочно-модульную структуру. В отличие от нашей, информационной системы управления, в схеме МСХА предусмотрены ресурсные потоки в материальный и природный блоки.

Каждый блок в структуре управляющей модели систем земледелия по рисунку 5 содержит информацию по определенной группе. Так, в блоке размещения сосредоточиваются данные по набору культур, приоритетная их оценка, ряды предпочтительности предшественников. Агрофизический блок содержит сведения по водно-физическим свойствам почв, нормативам изменений их под влиянием различных факторов и др.

Решение об управляющем воздействии, в частности на плодородие почвы, принимается в результате работы модули плодородия, опирающейся в свою очередь, на такие блоки, как агрофизический, агрохимический, гидромелиоративный и ландшафта.

Размещение культур решается по данным блоков размещения, агрофизического, агрохимического, гидромелиоративного # семеноводства и ландшафта. Как видно, четыре блока (агрофизический, агрохимический, гидромелиоративный и ландшафта) участвуют в решении задач как плодородия почв, так и размещения. Аналогичным образом принимаются и другие решения, число которых может быть любое, в зависимости от задач и научно-методических возможностей.