Агрохимия Растениеводство 27 января 2021

Математика для полей

Математика для полей

Текст: Б. Г. Алиев, д-р техн. наук, проф.; З. Г. Алиев, проф.; К. М. Бабаева

Сельское хозяйство неразрывно связано с плодородием почвы, поддержание которого сегодня выступает актуальной проблемой. Борьба с опустыниванием территорий, обусловленным глобальными климатическими изменениями и отягощенным антропогенной нагрузкой, требует приложения разносторонних усилий, в частности привлечения средств математического моделирования.

Одни из задач сельскохозяйственного производства — рационально использовать почвенный покров и охранять его от негативных факторов. Как известно, при развитии эрозионных процессов независимо от их типа уносится наиболее развитый плодородный верхний аккумулятивный горизонт. Вместе с водными потоками и твердой фазой почв уходят питательные вещества с мелкодисперсной фракцией, и в зависимости от степени смытости ущерб, наносимый эрозией, может достигать значительных масштабов.

ГЛОБАЛЬНАЯ ПРОБЛЕМА

Климатические перемены, в основе которых лежит загрязнение окружающей среды, затрагивают различные сферы жизнедеятельности, в том числе аграрный сектор. Проблема трансформации климата в результате эмиссии парниковых газов рассматривается как один из важнейших вопросов, связанных с долгосрочным воздействием на окружающую среду. Исследовать ее нужно в совокупности с другими усугубляющими аспектами, выраженными, например, в человеческом факторе.

Глобальные изменения климата в сельском хозяйстве в первую очередь проявляются в деградации растительного и почвенного покровов. В совокупности с антропогенной деятельностью, а именно с уничтожением лесного массива, повышенной химизацией земледелия, нерациональным использованием угодий и ненормированным выпасом скота, деградация приводит к опустыниванию территории. При этом многочисленные площади подвергаются водной и ветровой эрозии. В целях преодоления указанных проблем специалистами было разработано математическое моделирование по трем точкам местности для наглядной демонстрации развития процесса опустынивания на конкретной территории. В рамках опыта был выбран полуостров Апшерон, расположенный в Республике Азербайджан на западном побережье Каспийского моря. В качестве точек на местности выступали населенные пункты Маштаги, Аляты и Сумгаит. Помимо создания модели были проанализированы все факторы — антропогенные и природные, влияющие на исследуемый процесс, для чего рассматривались основные критерии их взаимосвязи.

РАСШИРЕНИЕ ТЕРРИТОРИИ

В ходе исследования пустыня определенной площади объединяла множество участков, различающихся малой густотой растительности. Скорость изменения ее территории определялась по уравнению d×S/d×t = N + A, где N — природные явления, А — антропогенные факторы, W — пустыня, S — ее площадь. Также данная зона характеризовалась формулой W = {Ri[ρ < Pmin]}, где ρ — характеристика густоты растительного покрова, Ri — регион. Следует отметить, что задача, представленная первым выражением, имела определенные особенности. Так, трансформация опустыненной территории в результате природных явлений описывалась дифференциальными, алгебраическими и трансцендентными уравнениями. Изменения, происходящие из-за антропогенной деятельности, могли анализироваться только в терминах экспертных оценок, которые требовали применения методов математического моделирования.

Влияние природных условий на опустынивание выявлялось конкретным образом. Территория пустыни равнялась сумме площадей участков: SW = ΣSWi + Wi. С учетом этого первое выражение целесообразно рассматривалось в таком виде: d×SW/d×t = ΣNi + ΣAi, при Wi < W. Суммирование в правых частях уравнения велось по участкам опустынивания изучаемой территории. В свою очередь, деградация земель была связана с недостаточной влажностью почвы, дефицитом гумуса, развитием природной эрозии и дефляцией покрова. Немаловажное влияние оказывали антропогенные факторы, загрязнение окружающей среды и повышение среднемесячной температуры воздуха. По этой причине представляли интерес для специалистов построение и изучение основополагающей зависимости ρ = ξβg + gF + uβa + ηSg + 2Cg + μG + θΔ. В этом случае ξ, g, u, η, θ — эмпирические коэффициенты, которые должны были определяться для рассматриваемого региона, G — эрозия почвы, Δ — дефляция, βa — влажность атмосферного воздуха, Sg — интенсивность карбонатизации. Параметры этой модели можно легко идентифицировать методом множественной регрессии, при этом показатели ξ, u, η, λ образовывали вектор, который оценивался решением системы нормальных уравнений с использованием опытных данных ρ, βa, Т, β, Sg и d. Таким образом, дифференциальным выражением были описаны температура почвы и воздуха, эрозия, дефляция, густота растительного покрова, содержание гумуса и другие показатели. При математическом моделировании каждого из указанных процессов была дана оценка влияния опустынивания на исследуемый регион и выбраны параметры его восстановления.

РЕЖИМ ПИТАНИЯ

Второй частью исследования стали практические эксперименты, направленные на изучение влияния бобово-злакового разнотравья и минеральных удобрений на улучшение качества почвы. Опыты проводились на зимних пастбищах Гобустана, и для характеристики земель были заложены разрезы в 300 м к западу от поселка Мараза на слабо- и среднесмытых серо-коричневых каштановых почвах. Работа осуществлялась на среднеэродированных площадях в трехкратной повторности на девяти вариантах. Первая делянка стала контрольной, на втором, третьем, четвертом и пятом участках высевались различные культуры — люцерна посевная, эспарцет закавказский, райграс пастбищный и овсяница луговая соответственно. На шестом и седьмом вариантах использовались смеси трав: люцерна с райграсом и овсяницей, эспарцет с райграсом и овсяницей. На восьмой и девятой делянках к смешанному посеву добавлялось удобрение N30P30K30, а также люцерна и эспарцет соответственно.

деградация земель

В ходе эксперимента были оценены особенности азотного режима угодий. Аммиачный азот на контроле без удобрений в мае достигал 36,49 мг/кг почвы, нитратная разновидность — 2,2 мг/кг. Однако под посевами люцерны содержание NH3–N в тот же период составило 43,1 мг/кг, N/NO3 — 3,8 мг/кг, то есть под травами концентрация обеих форм этого элемента увеличивалась, что свидетельствовало об усиленной жизнедеятельности микрофлоры. На участках со смешанным посевом и удобрениями показатели были еще выше. С наступлением летнего сезона, возрастанием температуры воздуха и иссушением климата, когда микробиологические процессы затухали, количество аммиачного и нитратного азота сокращалось. В июне и июле на контрольном варианте без туков содержание NH3–N равнялось 33,7 и 26,9 мг/кг, N/NO3 — 2,5 и 1,5 мг/кг соответственно. Подобная тенденция была характерна для всех опытных участков. В июле особенно заметным оказалось уменьшение концентрации обеих форм азота, поскольку в этот период нитрификационный процесс замедлялся. Данное явление наблюдалось летом и продолжалось до конца сентября, однако с октября влажность почвы увеличивалась, поэтому в осенний период все биохимические операции активизировались, в том числе возрастало содержание нитратов.

ПОПОЛНИТЬ ЗАПАСЫ

Как известно, дефицит полевой влаги отрицательно отражается на развитии растений во всех фазах вегетации, и наоборот, достаточное ее количество способствует нормальному росту сельскохозяйственных культур. С учетом данных фактов была изучена динамичность почвенной жидкости в различных вариантах опыта. На контрольном участке весной данный показатель составил 10,4%, однако под бобовыми травами и в смешанных посевах влажность увеличивалась и с внесением минеральных удобрений в мае достигала 17,2 и 16,9% соответственно.

опустынивание земель

Таким образом, на основе проведенных исследований специалистами были сделаны выводы. В частности оказалось, что почвы зимних пастбищ Гобустана подвержены эрозии. При этом засушливый климат региона в совокупности с загрязнением окружающей среды и антропогенными воздействиями, в том числе несоблюдением норм выпаса скота, приводит к деградации угодий и опустыниванию территории. Опыты, реализованные на эродированных обыкновенных каштановых участках, показали, что смешанные посевы многолетних трав с применением минеральных удобрений оказывали положительное влияние на воспроизводство земель. Внесение туков, увеличивая влажность почвы, создавало благоприятные условия для микробиологического синтеза: усиливало нитрификационные процессы, связанные с усвоением азотных соединений. Улучшение питательного режима положительно сказывалось на жизнедеятельности многолетних трав, что, в свою очередь, пополняло пахотный горизонт органическим материалом и восстанавливало плодородие, выступая методом борьбы с пастбищной эрозией и опустыниванием.

Популярные статьи