Расчет доз минеральных удобрений

На этом этапе программа учтет ваши планы по внесению органики, а также много другой информации. Занесенные в паспорт поля данные о предшественнике, возделываемой культуре и планируемом урожае помогут ей правильно определить требования к почве. Будут учтены такие показатели как процент содержания гумуса, толщина гумусового слоя, кислотность, объемная масса почвы, содержание азота, фосфора и калия. На результат расчета повлияют даже сведения о внесении удобрений в прошлые годы. Отберите по правилам образцы почвы, проведите анализы, и ваши данные из паспорта поля будут включены в расчет. Если программа не обнаружит в паспорте какой-нибудь характеристики, она подставит вместо нее ту, которая характерна в среднем для почвы данного типа в вашем регионе.

СЦЕНАРИЙ ВАШИХ ДЕЙСТВИЙ, ПРЕДЛАГАЕМЫЙ ПРОГРАММОЙ :

      Программа сначала предлагает выбрать условия тепло - влагообеспеченности, затем открывается меню задач.

       После выбора задачи «РАСЧЕТ ПОТРЕБНОСТИ В МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЯХ», программа предлагает перейти в нужный банк.

   Выделите в выбранном банке поля, для которых нужно сделать расчеты, и программа выдаст результаты расчета по ним с учетом рекомендованных и занесенных в паспорт поля доз органических удобрений.

    Принцип расчета необходимых доз минеральных удобрений заключается в компенсации дефицита элементов питания в почве, определяемого как полный вынос растениями (отчуждаемой частью и растительными остатками) минус основные статьи прихода. К таким статьям относятся:
- поступление NPK из растительных остатков культуры-предшественника и органических удобрений (текущего года и прошлых лет);
- внесенные ранее в текущем году минеральные удобрения, а также последействие фосфорных и калийных удобрений, внесенных в прошлые годы.
      Разница между выносом и этими статьями поступления макроэлементов и есть исходная потребность поля в каждом элементе питания.
       Далее рассчитанная потребность поля корректируется в зависимости от того, в какую сторону и насколько фактическое содержание NPK в почве отличается от оптимального значения его для данного типа почвы. Если фактическое содержание элементов ниже оптимального, то доза внесения удобрений увеличивается так, чтобы не только возместить вынос, но и повысить содержание элементов питания в почве. Если выше, то доза уменьшается, чтобы не допустить токсичности продукции и избыточных производственных затрат.
          Затем потребность в фосфорных и калийных удобрениях корректируется в зависимости от рН почвы, а азотных – в зависимости от запасов гумуса.
        Если содержание гумуса ниже оптимального для данного типа почвы, то потребность в азоте увеличивается настолько, чтобы обеспечить потребности процесса гумификации, планируемого для восстановления запасов гумуса.
     Наконец, для окончательного определения общих доз внесения N, P и K к полученным величинам добавляются возможные потери питательных веществ из удобрений в условиях выбранного варианта погоды (газообразные потери и вымывание – азотных, переход в труднодоступные формы фосфорных и калийных).

Далее рассчитанные общие потребности поля в NPK предварительно распределяются по видам внесений в соответствии с их процентными соотношениями, действующими в зоне применения.

Затем учитываются технологически обусловленные ограничения снизу и сверху на дозу каждого внесения.

При этом учитываются ограничения на разовые внесения, с одной стороны, не допускающие превышения экологически обоснованных максимальных значений, а с другой стороны, исключающие экономически нецелесообразные малые разовые дозы. Дозы всех внесений округляются до 5кг/га.

В результате расчета пользователь получает для одного или нескольких вариантов погоды рекомендации по внесению азота, фосфора и калия в действующем веществе по следующим видам внесения: основному + предпосевному (в сумме), припосевному, двум вегетационным подкормкам.

Промежуточные результаты балансов по полям  фиксируются в подпрограмме «БАЛАНСЫ NРК, ГУМУСА», их можно просмотреть и распечатать :

     Итак, установлена общая потребность в минеральных удобрениях и схема их внесения. Следуя расчету, рекомендованные дозы внесены до посева и этот факт занесен в паспорт поля.

  Не забывайте ежегодно фиксировать в паспортах полей дозы фактического внесения минеральных удобрений, так как в этом случае программа «АГРОМОНИТОРИНГ» сохраняет данные истории их внесения в группе показателей «ВНЕСЕНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ В ПРОШЛЫЕ ГОДЫ»

   Однако жизнь вносит свои поправки. Вдруг перед посевом может измениться погода и ее прогноз на будущее, или получен анализ почвы, уточняющий данные по ее обеспеченности питательными веществами. Такая корректировка планов предусмотрена в программе. Проведите расчет режима удобрения повторно. Новые данные приведут к изменению рекомендаций на будущие сроки внесения. При этом в расчетах будут учтены ранее внесенные удобрения.

        Например, скорректировать дозы припосевного внесения и подкормок можно перед посевом, выбрав задачу "Расчет норм припосевного внесения и подкормок". При этом программа учтет фактические дозы основного + предпосевного внесения, если данные о нем занесены в паспорт поля.

При необходимости непосредственно перед подкормками можно уточнить ранее полученные рекомендации, выбрав задачу "Расчет  норм подкормок". В этой задаче учитываются фактические дозы основного + предпосевного и припосевного внесений, если данные о них имеются в паспорте поля. 

       В программе есть дополнительная возможность – использования результатов растительной диагностики. Если в банк полей занесены результаты растительной диагностики обеспеченности NPK, то они будут использованы вместо балансового расчета при корректировке вегетационных подкормок

Перерасчет рекомендаций стоит сделать и в том случае, если в предыдущие сроки внесения вам не удалось внести столько, сколько советовала программа. Занесите в паспорт поля именно фактически внесенные дозы, и получите скорректированные рекомендации на оставшиеся сроки.

Питание по расчету

   Оценив потенциал продуктивности полей и откорректировав в паспорте поля плановую урожайность сельхозкультур с учетом прогноза, сделанного экспертной системой, можно приступать к планированию режима удобрений.

      Итак, с чего же начинает эту работу подпрограмма «Система применения удобрений»?

У природы нет плохой погоды 

    Прежде всего, она попросит вас выбрать условия тепло- и влагообеспеченности поля для будущего расчета. Предсказать погоду в деталях – неблагодарное занятие, однако неплохо сбываются прогнозы, выдаваемые метеорологами в самых общих чертах: жарко – холодно, дожди – засуха и т.п. Примерно в таких терминах нужно выбрать ожидаемые условия из меню, предложенного программой.

      Обозначения здесь простые: минус – недостаточная обеспеченность, ноль – средняя, плюс - хорошая. Для чего нужен этот выбор? Об этом мы рассказывали в сообщениях, посвященных превращениям почвенной органики и азота. Температура и влажность почвы – важные факторы жизнедеятельности почвенных микроорганизмов. Недостаток или избыток тепла и влаги могут не только изменить скорости отдельных почвенных процессов, но и радикально изменить их направление. Поэтому выбор обеспеченности поля теплом и влагой обязательно повлияет на динамику питательных веществ, а следовательно и на потребность поля в удобрениях. Чтобы убедиться в этом, достаточно проделать расчеты для одного и того же поля, отличающиеся только прогнозом тепла и влаги. 

      Для неорошаемого поля сочетание уровней тепла и влаги может быть любым. А вот на поливе выбранная влагообеспеченность всегда должна быть хорошей. Именно так программа учитывает специфику орошаемого земледелия.

Агрохимические рецепты шаг за шагом

Заказав погоду, переходим к задачам по планированию режима удобрений. Начинать нужно с расчета потребности в органических удобрениях, чтобы в последующих расчетах доз минеральных удобрений учесть поступление NPK из уже внесенных органических удобрений.

РАСЧЕТ ПОТРЕБНОСТИ СЕВООБОРОТА В ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЯХ

      Как же рассчитать вывоз органики на поля? Делают это в расчете на планируемый севооборот. Ведь каждая культура по-своему обогащает почву пожнивными и корневыми остатками, истощает фонды гумуса и доступных элементов питания. Поэтому при расчете дозы органики нужно исходить из потребностей севооборота, учитывая последовательность чередования культур. Укажите последовательность чередования культур в паспортах полей, задайте в них вид доступных вам органических удобрений - и программа рассчитает, сколько нужно внести именно этой органики для достижения вашей цели.
   Из открывшегося меню следует выбрать банк паспортов полей и выделить поля севооборота, для которых нужно провести расчет. 

 

      Какие же цели может ставить перед собой хороший хозяин? Первая из них - не допустить снижения интегрального плодородия почвы, то есть уменьшения фондов гумуса и элементов минерального питания. А значит, удобрений нужно внести столько, чтобы их гумификация компенсировала неизбежные в земледелии потери органического вещества почвы. Вот программа и просчитает для каждой культуры все процессы, описанные в сообщении "Плодородие в деталях", подбирая правильный ответ.

     Она рассчитает естественный баланс гумуса за год (от осени до осени): гумификацию растительных остатков минус разложение гумуса почвы, и найдет правильный ответ для каждого поля и культуры. Если баланс положительный – органические удобрения не требуются. Если баланс отрицательный - программа подберет такое количество органики, гумификация которой компенсирует годовую потерю гумуса         

     При расчете учитываются: особенности разложения гумуса разных почв; коэффициенты гумификации растительных остатков и органических удобрений; выбранные пользователем условия тепло - влагообеспеченности года. 

        По желанию пользователь может повысить уровень своей цели: заказать расчет необходимой органики с таким условием, чтобы ежегодно уровень гумуса не только сохранялся, но даже и повышался бы на определенный процен (например, на 0.01% – 0.02%).

      Промежуточные результаты балансовых расчетов фиксируются в подпрограмме «БАЛАНСЫ NРК, ГУМУСА» (Рис.24) и их можно просмотреть на экране монитора или распечатать.
     Рассчитанная общая для севооборота потребность в органике распределяется под культуры севооборота в соответствии с агрономическими рекомендациями. 

      Полученную дозу нужно занести в паспорта соответствующих полей, и можно приступать к следующей задаче – расчету норм внесения минеральных удобрений.

Потенциал поля

    В сообщении "Плодородие в деталях" мы рассказывали о некоторых деталях сложной системы процессов, формирующих общий фон минерального питания растений. Далеко не все известные науке пути превращения питательных веществ нашли отражение в нем. Однако даже из них понятно, что рассчитать оптимальный режим удобрения на основе описанных представлений далеко не просто. Посмотрим, как это делает подпрограмма «Система применения удобрений» в составе компьютерного комплекса (ИССО) «AgLora»".
    Для практического расчета режима удобрений сельскохозяйственных культур необходимы две вещи: математическая модель и исходная информация о поле. В предыдущем сообщении "Плодородие в деталях" на примере превращений органического вещества и азота было показано, насколько детальные представления учитываются в модели пищевого режима поля. Поэтому хорошая модель содержит множество формул и коэффициентов, построенных на основании теории и опытных данных. Чем сложнее модель, тем полнее учтет она факторы плодородия почвы. Создать надежную модель – дело ученых.
        В свою очередь "пища" для самой модели – исходная информация о поле. Это уже забота агронома. С ее помощью рассчитываемому режиму удобрения придается индивидуальность. Введете средние по району исходные данные – получите такой же усредненный, обезличенный результат. Не пожалеете труда для добывания информации по конкретному полю – модель рассчитает рекомендации по удобрению именно для него. Какая же информация нужна для расчетов и где она должна храниться? Весь состав необходимых данных предусмотрен в паспорте поля, о котором шла речь в сообщении "Компьютерная паспортизация полей" .
   Перечень задач, которые решает подпрограмма «Система применения удобрений», охватывает основные приемы управления плодородием. В таком же порядке обычно они решаются и на практике.

У каждого поля свои особенности и потребности. Их много, и в разных сочетаниях они создают множество вариантов конкретной агротехнологии. Поэтому прежде чем принимать технологические решения по возделыванию сельскохозяйственных культур на конкретном поле нужно ответить на вопрос, - а какой же на нем можно вырастить урожай без применения удобрений (за счет естественного плодородия почвы) и какую прибавку можно получить при использовании удобрений. 

  С решения этих задач и рекомендуется начинать работу с подпрограммой «СИСТЕМА ПРИМЕНЕНИЯ УДОБРЕНИЙ». При выборе задачи оценки потенциальной урожайности поля программа предлагает выбрать нужный банк и поле, для которого она рассчитает:

· степень окультуренности поля,
· бонитировочный балл поля,
· потенциально возможную урожайность поля за счет естественного плодородия почвы,
· максимально возможную урожайность поля при применении органических и минеральных удобрений.

     При определении потенциональной урожайности поля (участка) программа рассчитывает индекс агрохимической окультуренности поля (Иокульт.), используя агрохимические характеристики почвы (кислотность, содержание подвижных форм фосфора и калия, гумуса), и коэффициент окультуренности почвы (Кокульт.), учитывающий нелинейный характер связи урожайности сельскохозяйственных культур с индексом агрохимической окультуренности. Далее определяется бонитировочный балл поля (Ббон.), исходя из оценочного балла почвенной разности (Боц.), коэффициента окультуренности и коэффициентов культуротехнического состояния поля (эродированности, заболоченности, заволуненности, контурности, закустаренности, климатических условий района). Действительно возможная урожайность поля (за счет естественного плодородия почвы) рассчитывается по данным окупаемости 1 балла поля продукцией выращиваемых культур. Между показателем балла пашни и долей урожая, получаемого за счет удобрений, существует определенная зависимость: чем выше эффективное плодородие почвы, тем ниже доля урожая, получаемая за счет удобрений. Так, при балле пашни равном 30 доля урожая, получаемая за счет удобрений, составляет 70—75%, а при 45 и более 60 — соответственно 55% и 35— 40% [6]. Эту зависимость можно выразить с достоверностью аппроксимации R²= 0,986 уравнением:

   Y = 1012,4*X-0,77 ,

            где У - доля урожая, получаемого за счет удобрений,

                  Х – балл поля.

Данное уравнение используется программой при расчете максимально возможной урожайности поля при применении органических и минеральных удобрений.

   Программа проводит аналогичные расчеты и по ряду других культур, предоставляя пользователю результаты оценки их потенциальной продуктивности на этом поле.

Весь состав необходимых для расчетов данных предусмотрен в паспорте поля (в группе показателей «ПОЧВА + БОНИТЕРОВКА».

При разработке алгоритма программы для решения этих задач использованы материалы исследований ДУП «Институт почвоведения и агрохимии НАН Б».

Оценив потенциал продуктивности полей и откорректировав в банке паспортов плановую урожайность сельскохозяйственных культур с учетом сделанного прогноза, можно приступать к планированию режима удобрений.

Плодородие в деталях

               
            Каждому земледельцу хорошо известна роль плодородия почвы в судьбе урожая. Но далеко не каждый задумывается над тем, как много сложных процессов определяют реальное плодородие конкретного земельного участка. Задуматься же полезно: многими из этих процессов можно управлять, поддерживая и повышая уровень плодородия почвы.

Растения берут из почвы питательные вещества – азот, фосфор, калий, а также в небольшом количестве микроэлементы. У каждой сельскохозяйственной культуры свои потребности в этих веществах. Формируя биомассу, растения выносят из почвы необходимые компоненты в нужных пропорциях. Не смогут вынести – не будет урожая. Попадет в биомассу избыточное количество питательных веществ – получится токсичная продукция. Поэтому и нужно следить за тем, чтобы количество питательных веществ в почве было оптимальным.

Выращенный урожай обедняет почву. Но в то же время множество внутри почвенных механизмов работают на то, чтобы содержание элементов питания в почве восстанавливалось. Помогает этому внесение минеральных и органических удобрений.

Сколько же нужно удобрений? Современная агрохимия изучает в опытах разнообразные пути превращения веществ в почве, однако накопленные знания, как правило, мало пригодны для применения в производстве. Поэтому для практического планирования режима удобрения  агрономы пользуются простейшие формулами "выноса из почвы" и "выноса из удобрений", рассчитывая по ним необходимые дозы азота, фосфора и калия в действующем веществе. И это вполне понятно: вооружившись лишь калькулятором, ничего более сложного и не применишь.

Значительный шаг теоретической агрохимии в сторону производства оказался возможным лишь в 80-е годы, когда с помощью вычислительных машин ученые стали разрабатывать математические модели плодородия почвы. Компьютеры стали удобным инструментом обобщения массы конкретных представлений о почве. С их помощью без труда можно было рассчитать одновременный ход множества процессов по сотням формул. Используя математические модели, ученые научились имитировать на компьютере жизнь поля по дням и даже часам.

       Как же выглядит математическая модель почвы? Конечно же, не сотни формул представляют интерес для нашего читателя. А вот схему такой модели понять несложно. Посмотрим, например, как в модели почвы устроен блок органического вещества.

В почве существуют три основных формы органического вещества: гумус, растительные остатки и внесенные органические удобрения. Именно они, разлагаясь, являются источниками главных элементов питания растений – азота (N), фосфора (P) и калия (K), входящих в органические соединения. Разложением органики занимаются почвенные микроорганизмы, которые весьма чувствительны к температуре и влажности почвы. Поэтому зимой оно всегда идет очень медленно, а при прогревании почвы усиливается. Однако, при переувлажнении почвы микроорганизмам не хватает кислорода, и скорость разложения падает.

Кроме того, NPK в растительных остатках и органических удобрениях содержатся и в неорганической форме. Не меняя своей химической формы, они высвобождаются из органических компонентов по мере их механического разрушения.

Так пополняется фонд элементов минерального питания растений. А каковы же взаимопревращения самого органического вещества? Важнейшим естественным сырьем для образования гумуса являются растительные остатки культуры-предшественника. Интенсивность процесса гумификации зависит не только от температуры и влажности почвы, но и от вида растительных остатков. Например, остатки многолетних трав вносят вдвое больший вклад в гумус, чем сорго. "Качество" образующегося гумуса зависит от наличия в почве азота, фосфора и калия во время гумификации.

Неорганические NPK подвергаются иммобилизации, то есть включению в образующееся органическое вещество. Если их будет достаточно, то образовавшиеся гумусовые вещества (фульвокислоты и гуминовые кислоты) будут в дальнейшем в свою очередь хорошим источником элементов минерального питания растений и почвенных микроорганизмов. Именно на обогащение почвы гумусом направлена технология применения зеленых удобрений или сидератов: запашка специально выращенной молодой биомассы.

Однако наилучший вклад в гумус дают органические удобрения. Они тоже неравнозначны по скорости гумификации: например свиной бесподстилочный навоз менее выгоден, чем навоз КРС на соломенной подстилке. Органические удобрения, именно благодаря высокой гумифицируемости и обогащенности NPK, создают в почве не кратковременный, как минеральные удобрения, а стратегический фон плодородия.

Таково лишь в самых общих чертах хитросплетение процессов, формирующих размеры и качество фондов органического вещества почвы. Эти фонды – фундаментальная основа плодородия почвы. Однако растениям "ближе к телу" элементы минерального питания. Один из важнейших элементов – азот.

ПРЕВРАЩЕНИЯ АЗОТА В ПОЧВЕ

Простейшие представления о судьбе азота заложены в основу расчета необходимых доз удобрения: попадает он в почву с удобрениями, а растения выносят его из почвы и из удобрений. Однако коэффициенты для известных каждому агроному расчетных формул всегда вызывают споры. На разных типах почвы, в разных сериях полевых опытов можно для одной и той же культуры получить сильно различающиеся их значения. Отсюда и научные дискуссии: чьи же коэффициенты лучше?

Происходит это потому, что в действительности картина состояния азота значительно сложнее. Чрезмерно упрощая ее, мы уподобляемся плохому врачу, который пытается оценить состояние больного лишь по температуре и пульсу. Так один больной выживет, а другой с такой же температурой и пульсом – совсем наоборот...

В науке давно известно: нет ничего практичнее хорошей теории. Означает это следующее: чем глубже теория, тем точнее ее объяснения и предсказания, тем шире диапазон условий, в которых они справедливы. Вот и получается, что усилие ума может сэкономить приличные средства, необходимые даже на примитивные опыты, покрывающие необходимое разнообразие погодных, почвенных и других условий.

Что же можно увидеть, погружаясь в глубину представлений о превращениях азота в почве? Схема взаимосвязи основных форм азота в почве показана на рисунке.

     Главные запасы азота содержатся в органическом веществе почвы. Эти запасы для разных почв составляют от 5 до 15 тонн на 1 га.

Непосредственный интерес для растений представляют две основные его формы: нитратная и аммонийная. Корневая система растений поглощает из почвы главным образом нитратный азот. Аммонийный же азот используется в незначительных количествах, играя в цепи азотного питания растений роль промежуточного звена.

Микроорганизмы почвы в ионы аммония превращают азот, входящий в органическое вещество гумуса, растительных остатков и органических удобрений. Этот процесс называется аммонификацией. Суть его в том, что микроорганизмы разлагают почвенную органику, используя ее для своего питания. Жизнь бактерий недолгая – от нескольких часов до нескольких дней. После их отмирания входивший в состав "съеденной" органики азот поступает в почвенный раствор в форме ионов аммония.

Хотя микроорганизмы и обеспечивают питание растений, но им ближе всего  личные интересы. Азот им нужен для синтеза собственной биомассы. Поэтому если в поедаемом ими органическом веществе азота недостаточно, они потребляют аммоний из почвенного раствора, обедняя источник азота для растений.

Этот процесс называется иммобилизацией азота. Поэтому если остатки культуры-предшественника небогаты азотом (зерновые, овощи), то без органических или минеральных удобрений запасы свободного аммония в почве могут сократиться.

Кроме того, в органическом веществе (в основном в удобрениях) содержится значительное количество свободного аммония, химически не связанного с органическими молекулами. Он высвобождается путем диффузии, и пополняет запасы в почве. Увеличиваются эти запасы и за счет отмирания почвенных микроорганизмов,  не принимающих прямого участия в аммонификации, но содержащих в своих клетках ионы биологически закрепленного аммония. Наконец, небольшое количество аммония попадает в почву с осадками. Аммоний хорошо закрепляется в почве глинистыми минералами, поэтому его запасы не испытывают резких колебаний. Его обычное содержание в почве составляет 1 – 3 тонн на га.

Аммонийный азот в нитратную форму превращает особая группа почвенных микроорганизмов – бактерии-нитрификаторы. Нитраты в отличие от аммония обладают высокой подвижностью. Они легко перемещаются в почвенном растворе к точкам их поглощения корнями растений, но столь же легко и вымываются из корнеобитаемого слоя почвы с нисходящим потоком воды при длительных дождях или избыточном орошении. Кроме того, в переувлажненной почве мгновенно развиваются бактерии денитрификаторы, которые превращают нитратный азот в газообразные формы и являются серьезной причиной потерь азота, как из почвы, так и из свежевнесенных удобрений. Эти процессы приводят к быстрым изменениям содержания нитратов в почве. В почвенных образцах, взятых через день, анализ может показать разницу содержания нитратов в несколько раз. За период вегетации растения выносят из почвы 100 – 200 кг на 1 га нитратного азота. Но иногда почва не может обеспечить их даже таким небольшим по сравнению с общими запасами азота количеством.

Запасы обеих форм азота пополняются в результате внесения минеральных удобрений. В зависимости от вида удобрений (гранулы, порошок) и влажности почвы они могут растворяться (а нитратные и денитрифицироваться) с разными скоростями. Понимая механизмы превращений азота, можно подбирать формы и сроки внесения удобрений так, чтобы создавать требуемые запасы нитратов в нужные фазы развития растений.

Большинство описанных процессов превращения азота осуществляется микроорганизмами. А значит, их скорость больше всего зависит от температуры почвы (возрастает примерно в 2.3 раза при увеличении температуры на 10 градусов).

Другой важный фактор – влажность почвы. Большинство микроорганизмов чувствуют себя лучше всего при влажности в 60 – 70% от наименьшей влагоемкости. Однако бактерии-денитрификаторы любят переувлажненную почву. Вкусы бактерий разных видов отличаются также в отношении кислотности почвы. Поэтому, изменяя влажность и кислотность можно не просто в целом замедлить или ускорить процессы превращения азота, но и поменять их направленность.

Такова лишь в самых общих чертах почвенная "кухня", на которой готовится азотное питание растений. Это была теория вопроса. В следующем же сообщении мы расскажем о подпрограмме «Система применения удобрений», построенной на основе этой теории и умеющей рассчитывать потребность сельскохозяйственных культур в органических и минеральных удобрениях. 

Электронный паспорт

   Для определенности будем говорить об электронном паспорте поля, заложенном в компьютерную программу - Информационно-советующая система оптимизации продуктивности сельскохозяйственных культур (ИССО) «AgLora».

    Занося показатели полей (рабочих участков) в электронные паспорта, заложенные в подсистему "Агромониторинг" ИССО «AgLora», агроном тем самым не только сохраняет производственную информацию на будущее, но и предопределяет ход своих расчетов или рассуждений.

Определим ключевые понятия.

   Состояние поля и происходящие на нем события можно охарактеризовать большим количеством показателей. Для каждого поля эти показатели имеют определенные значения. Одни из них из года в год меняются незначительно или вовсе постоянны. Другие же обладают высокой изменчивостью (например, характеристики выполненных работ). Поэтому для каждого года в программе заведен отдельный паспорт или массив показателей. Паспорта всех полей за один год образуют банк паспортов. 

     Записав в паспорта полей все итоговые показатели в конце сельскохозяйственного года, агроном может создать банк паспортов на следующий год. Так год за годом в компьютере формируется история полей.

Что и зачем заносим в паспорт

        Показатели поля сильно различаются по своей значимости. Одни являются просто учетными характеристиками (например, код поля, его площадь). Другие играют роль "записи на память", давая возможность впоследствии восстановить картину производственного процесса (когда, чем и в какой дозе обрабатывали и т.п.). Наконец, третий тип показателей – это такие, на значениях которых в ИССО «AgLora» построены разнообразные технологические расчеты. Например, на таких показателях строятся прогноз урожайности, расчет режимов удобрения и орошения культур.

Одно пишем, десятки в уме

    Показателей много, поэтому они разбиты на ряд групп по смыслу. Группа "Культуры" содержит информацию о культуре, возделываемой в текущем году, а также ее предшественнике.

    В зависимости от показателя предусмотрены разные способы ввода его значения. Ввод показателей производится путем ввода с клавиатуры (1) и посредством выбора из открывшегося в окне меню (2). Второй способ необходим потому, что за видимыми пользователю строчками меню скрываются десятки параметров, характеризующие этот показатель. Такими параметрами являются данные нормативно - справочной информации (НСИ) - физико-химические характеристики почвенных разностей, фенологические и агрохимические характеристики культурных растений, физико - химические свойства органических удобрений, параметры экологических и технологических ограничений применения минеральных удобрений и т.п. Они очень важны при планировании технологических решений, а также при адаптации программы к условиям региона.

  База НСИ создается на основе материалов по почвоведению, агрохимии, агрономии, характеризующих условия конкретного региона. Благодаря базе НСИ пользователь (агроном), выбрав в диалоге с компьютером, поле с конкретной почвой, засеянное определенной культурой по известному предшественнику, автоматически вводит в расчет десятки параметров почвы и растений. 

      Например, планируемую урожайность культуры вы введете просто числом в тоннах на гектар. А вот саму культуру нужно будет выбрать из открывшегося списка. Для чего такой способ? Дело в том, что за видимыми обычному пользователю строчками меню из разных культур скрываются десятки параметров, которые будут важны при планировании технологических решений.

   Например, введя в качестве выращиваемой культуры озимую рожь на зерно, вы неявно подключите к дальнейшим расчетам целый ряд параметров. Вот лишь некоторые из них:

- коэффициенты выноса из почвы азота, фосфора и калия как основной, так и побочной продукцией (используются при расчете баланса элементов питания в почве);

- коэффициенты пересчета урожая в массу растительных остатков, коэффициенты разложения и гумификации этой массы (нужны для расчета баланса гумуса);

- содержание азота, фосфора и калия в растительных остатках (по ним рассчитывается процесс минерализации);

- оптимальные уровни обеспеченности культуры элементами минерального питания (нужны для прогнозирования урожайности по фактической обеспеченности ими).

    Другой пример. В группе "Внесение органических удобрений" выберите из предложенного списка тип удобрения (например, навоз КРС на соломенной подстилке твердый).

   Автоматически во все ваши расчеты окажутся подключенными параметры этого удобрения: 

- содержание влаги, азота, фосфора и калия;

- доля минерального в общем количестве азота;

- проценты потерь азота, если вы не сразу заделаете разбросанные удобрения в почву;

-последействие элементов минерального питания в течение нескольких лет после внесения органического удобрения.

    Итак, заполняя паспорт поля, вы строите подобие айсберга. Лишь его вершина видна в ходе диалога агронома с программой. Скрытая же часть содержит массу сведений, которые накопила наука о выбранных вами культурах, почвах, удобрениях и т.д. Огромный труд ученых потребовался для того, чтобы придать им логичный и непротиворечивый вид, перерабатывая многочисленные опытные данные и научную литературу.

    В этой системе почти каждая введенная цифра играет роль в общей картине поля. Например, вы внесли в паспорт урожайность предшественника. Как же отразится она на прогнозе состояния поля? Специальная подпрограмма расчета плодородия почвы «Система применения удобрений» пересчитает эту урожайность в величину пожнивных остатков и определит долю в них элементов минерального питания. Затем в зависимости от ожидаемых погодных условий рассчитает скорости разложения, гумификации и минерализации этих остатков. Сопоставит эти процессы с разложением гумуса, учтет вынос элементов питания основной культурой. В результате же покажет, сколько и каких удобрений и в какие сроки нужно внести под запланированный урожай.

Мониторинг производственной обстановки

    Все описанные умные расчеты выполняют другие программы, входящие в ИССО «AgLora». Сама же программа ведения паспорта поля «Агромониторинг» дает агроному возможность внести в паспорт всю необходимую информацию. Когда же она введена, у агронома появляется возможность мониторинга – оперативного слежения за состоянием полей по паспортным показателям.

   Задачи такого мониторинга можно формулировать по-разному. Прикажите, например, компьютеру отобрать вам список всех полей с содержанием минерального азота в почве ниже 15 мг/кг. Или так: выбрать все поля, где в прошлом году выращивали ячмень по соевому предшественнику, и при этом вносили фосфорные удобрения. С такими и даже более сложными задачами отбора и поиска программа справляется за секунды.

     Рассчитает она и статистические характеристики заказанных вами показателей по выбранным полям. Сразу видно, каковы показатели в сумме по культурам, бригадам и т.п.

    Записав в паспорта полей все итоговые показатели в конце сельскохозяйственного года, агроном одним нажатием клавиши может создать банк паспортов на будущий год . При этом выращиваемая в текущем году культура автоматически занимает место предшественника. Остается внести только культуру, которая будет выращиваться в следующем году и банк паспортов полей будущего года заполнен. Так год за годом в компьютере формируется история полей.

Паспорт поля

     Хороший хозяин может многое рассказать о своем поле. Сколько труда и во что вложено, как ответила на это земля, что с ней при этом стало. Однако особую пользу эта информация принесет, если она будет приведена в систему. С давних пор агрономическая наука требует от земледельца хранить все сведения о поле в его паспорте. По ее канонам в паспорте должны храниться данные: о возделываемых в каждом году культурах, о выполненных обработках почвы и посевов, о внесении органических и минеральных удобрений, о проведенных поливах, о примененных пестицидах и т.д.. Из него должно быть видно, каковы были в разные годы агрохимические и физические характеристики почвы, метеорологические условия сельскохозяйственного года.

    Паспортизация полей не раз становилась лозунгом в очередной компании по подъему сельского хозяйства. В андроповские времена с ней связывали даже надежды на повышение трудовой дисциплины. Однако сегодня в редких хозяйствах можно обнаружить паспорта или истории полей, отражающие все происходящее с землей за многие годы. Почему же этот главный признак агрономической культуры не украшает наше земледелие? Причин множество.

Из общих соображений вроде бы очевидно, что иметь о своей земле исчерпывающую информацию – это хорошо. В то же время понятно, что накопление такой информации – это большой труд, а подчас и расходы. А ведь извлечь из нее конкретную пользу удается не каждому. Чтобы сделать это, нужно обладать способностью к аналитическому мышлению, позволяющему обосновать на базе множества цифр и фактов из истории поля биологически и экономически оптимальную  агротехнологию.

      Не очень-то воспитывает такое мышление и агрономическая наука. Взгляните на любые рекомендации, издаваемые авторитетами. Большинство их построено по одной схеме. Автор в такие-то конкретные годы, на такой-то почве с конкретной предысторией провел полевые опыты и получил хорошие результаты. Поэтому он рекомендует делать то же самое и всем производственникам в аналогичных условиях. Вроде бы полезный совет. Загвоздка лишь в том, что условия эти могут больше никогда и нигде не повториться, но как быть в иной ситуации авторы чаще всего умалчивают. А нужна другая наука, которая научила бы, как в произвольных условиях на основе полного комплекса данных провести рассуждения и расчеты, приводящие к верному агрономическому решению. Такая наука, где выводы полностью обоснованы в широком диапазоне обстоятельств, называется теорией, и до нее в агрономии еще далеко.

Пока же в основном опыт и интуиция помогают обобщать много разнородной информации лишь профессионалам, которых в любом деле всегда бывает немного. Основная же масса агрономов не испытывает крайней нужды в историях полей, да и повседневные проблемы реального производства отодвигают интерес к ним на задний план.

Найдут ли применение паспорта полей в массовом земледелии? Нужна ли в производстве столь подробная информация о земле и о том, что на ней происходит? Как извлечь из нее пользу способами, доступными даже начинающему специалисту? Ответы на эти вопросы начали вырисовываться в 80-е годы при создании региональных систем программированного выращивания урожаев (ПВУ), и в начале 90-х годов, когда появились первые программы - "Автоматизированное рабочее место (АРМ) агронома" для персональных компьютеров. В это направление развития компьютерных систем управления растениеводством  заложено две главных идеи.

Первая – собрать всю доступную агроному в производственных условиях информацию об агроэкологических характеристиках каждого поля. И не просто собрать, а организовать ее хранение в компьютере так, чтобы в считанные минуты она была доступна для выборки, анализа, пополнения.
Вторая идея – обобщить и синтезировать научные знания и практический опыт оптимального планирования агрокомплекса на основе этой информации. Изложить результат такой работы в форме, не содержащей в отличие от привычных методичек двусмысленностей и неопределенностей, то есть в виде компьютерной программы. Дать возможность даже новичку, введя в компьютер паспортные данные поля, рассчитать элементы технологии на таком уровне научной обоснованности, до которого поднялись лишь лучшие профессионалы. Опыт профессионалов, таким образом, может оказаться доступным любому пользователю программы, даже начинающему специалисту. 

Программирование агротехнологии

           

    Биологи и агрономы давно знают из опыта, что каждая популяция растений способна на максимальную продуктивность лишь при обеспечении оптимальных условий в каждом периоде развития. Но оптимальность – понятие непростое. Оно означает, что в каждый момент в необходимых пределах должны находиться все факторы жизнеобеспечения растений: свет, тепло, влага, питательные вещества, газовая среда, почвенные микроорганизмы. Не будет хватать какого-то одного фактора – пропадет эффект от всех остальных (агрономы знают это как принцип Либиха). Значит, все агротехнические мероприятия нужно планировать так, чтобы они обеспечивали оптимальность всего комплекса.
  Непростое это планирование, и уж совсем далеко оно от механического применения однажды заученной агротехники. Агротехника, успешно применявшаяся ранее на какой-либо культуре, может в следующем году на этой же культуре дать прямо противоположный результат. Нужно учитывать динамику многих внешних и внутренних факторов для каждого поля, точно рассчитывать последствия каждого агромероприятия. Поэтому применительно к агротехнологии ученые стали употреблять термин "программирование".

Как же рассчитать последствия своих действий? Для этого нужно иметь хорошо работающую теорию. А теория, как известно, является теорией лишь настолько, насколько она может быть выражена на языке математики. Именно поэтому идея программирования агротехнологии стала приобретать конкретное содержание тогда, когда были достигнуты первые заметные успехи в области математического моделирования продукционного процесса растений.

Таким моделированием с середины 70-х годов активно занялись биологи, биофизики, биохимики, метеорологи, математики. К этому времени уже существовала теория первичных процессов в растительных клетках – фотосинтеза, дыхания, тепломасообмена. Однако от понимания клеточных процессов нужно было перейти к предсказанию поведения сельскохозяйственного поля в целом.

Поле же – сложнейший мир, где в тесном взаимодействии живут множество видов растений, животных и микроорганизмов. Каждый из этих видов способен изменить условия жизни остальных, конкурируя с ними за общие ресурсы. Этот мир получил название "агроэкологическая система" или "агроэкосистема".

Ученые сразу поняли, что для грамотного решения даже, казалось бы, несложной задачи прогнозирования урожайности придется построить теорию всей агроэкосистемы. Неспроста ежегодный научный семинар участников этой работы получил название ПУМ: "Погода – Урожай – Математика".

Даже для новичков в этом научном направлении было очевидно, что оно имеет фундаментальный характер. Знания агрономов и биологов, выраженные в весьма вольной и противоречивой словесной форме, нужно было переработать в корректные математические формулы. Из сотен тысяч опытов пришлось формировать общие выводы. Потребовались особые измерения в полевых условиях – были созданы специальные экспериментальные участки, оснащенные разнообразной измерительной техникой. Каждый научный результат, как обычно, открывал новые горизонты неизвестного.

Новое научное направление уже к концу 70-х годов выдало первые результаты. Были разработаны первые математические модели движения влаги и тепла в почве, простейшие модели урожайности. Они имели вид не просто научных статей, а были реализованы в виде компьютерных программ. С их помощью можно было выполнять практические расчеты некоторых элементов агротехники: оптимальные режимы орошения и внесения удобрений, сроки наступления фенофаз, ожидаемый урожай. При этом использовалась информация, доступная каждому агроному.

На основе этих разработок и в Беларуси, и в России, но наиболее активно на юге России, началось создание региональных систем программированного выращивания урожаев (ПВУ) на базе сельскохозяйственных вычислительных центров. Группы наблюдателей или специалисты хозяйств каждые 2–3 недели обследовали поля, а вычислительный центр на основе их информации и оперативных метеоданных рассчитывал оптимальные технологические рекомендации на ближайший месяц. При очередном обследовании наблюдатели собирали также информацию о выполнении или невыполнении этих рекомендаций, и проводилась корректировка расчетов.

Именно последняя процедура стала причиной полного вырождения ПВУ. Поскольку сводка о выполнении работ по ПВУ отправлялась не только в вычислительный центр, но и в обком партии со всеми вытекающими отсюда последствиями, поэтому хозяйства отчитывались о 100 процентном выполнении научных рекомендаций, хотя на деле многое оставалось невыполненным. А вычислительный центр, закладывая в очередные расчеты ложные данные о не проведенных в действительности поливах и не внесенных удобрениях, был обречен на выдачу столь же фиктивных очередных рекомендаций. Хозяйствам все же была польза: под участие в ПВУ им удавалось "выбивать" дефицитные ресурсы. Истинное положение дел понимали все действующие лица. Однако такова природа командно-административной системы. Не смотря на бессмысленность такой работы, она обеспечивала карьеру многим сельскохозяйственным чиновникам, что и стало одной из причин увеличения площади полей в системах ПВУ с 3 тысяч га в 1975 году до 400 тысяч га к 1983 году на юге России плюс около 200 тысяч га в ряде центральных областей. И лишь в конце 80-х годов работы по ПВУ были свернуты

     С появлением в нашей стране персональных компьютеров положение дел радикально изменилось. В централизованной системе ПВУ агроном не представлял себе, как проходит расчет технологических рекомендаций. Между ним, конечным потребителем результатов расчета, и математической моделью поля всегда были посредники - программисты, операторы  ЭВМ. Персональный же компьютер оказался инструментом, доступным агроному лично. У него появилась возможность самому ввести в программу различные варианты исходных данных, проанализировать полученные результаты и. понять, к каким именно неточностям расчета приводят ошибки в исходных данных.

Кроме того, отпала необходимость скрывать от кого бы то ни было производственную информацию. Не выполнил что-то из рекомендаций компьютера – сам занеси в программу этот факт, и она учтет это невыполнение при очередной корректировке рассчитанной технологии, не делая твою информацию общим достоянием.

Принцип непосредственного участия агронома в компьютерном моделировании поля был заложен в начале 90-х годов  в разработки Научно-технического центра "Биомодель". Главная из них – "Автоматизированное рабочее место (АРМ) агронома" успешно эксплуатировалась в Ростовской и Ленинградской областях, Белоруссии и даже в американском штате Миннесота (V.A. Bobrov, N. Kan, T. Yanchevskaja et.all, Method of fertilizer application and field treatment, US patents 5668719).   

      В последовавшие годы экономической разрухи сельскому хозяйству стало не до компьютерных программ. Но время берет свое. Все чаще стали раздаваться голоса специалистов, желающих применять компьютерные методы оптимизации в растениеводстве.