УДК 631.6: 626.8: 577.4 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЛИОРАТИВНЫХ РЕЖИМОВ В СИСТЕМЕ

УДК 631.6: 626.8: 577.4
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЛИОРАТИВНЫХ РЕЖИМОВ В СИСТЕМЕ
ЛАНДШАФТНОГО ОБУСТРОЙСТВА МАЛЫХ СЕЛИТЕБНЫХ ТЕРРИТОРИЙ1
Д.В. Сидоренко – магистр 6 курс
ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,
г. Москва, Россия
Целью работы является разработка базы данных «Декоративные растения», а также
разработка методики определения продуктивности растений, вошедших в базу данных.
На предварительных стадиях проектирования систем ландшафтного обустройства
малых селитебных территорий проводится ряд исследований по детальному изучению
условий среды и подбору растений, имеющих в каждой «точке» территории
максимальную продуктивность. Такую операцию можно сделать, имея экологический
паспорт растения.
На основании этого паспорта и детальной характеристики условий среды на
территории составляется план размещения (районирования) планируемых к выращиванию
растений на территории в целом.
Для облегчения такого подбора необходимо создание обобщенной базы данных
«Декоративные растения» по наиболее используемым в ландшафтном дизайне растениям.
The work purpose is working out of a database "Ornamental plants", and also working out
of a technique definition of efficiency of the plants which have entered into a database.
On preliminary design stages of systems of landscape arrangement small territories, a
number of researches on detailed studying of conditions of environment and selection of the
plants having in each "point" of territory the maximum efficiency is spent. Such operation can be
made, having the ecological passport of a plant.
On the basis of this passport and the detailed characteristic of conditions of environment in
territory, the plan of placing (division into districts) of plants planned to cultivation for territories
as a whole is made.
For simplification of such selection creation of the generalised database "Ornamental
plants" on the plants most used in landscape design also is necessary.
Введение
Растение, как и любая сложившаяся биологическая система, проявляет способность к
«саморегулированию». Однако возможность «саморегулирования» интродуцированных в
другие местности растений бывают значительно меньше (уже), чем изменение тех же
условий (водного, питательного и теплового режимов) в природной среде.
Учитывая это, можно определить три способа согласования необходимых условий
развития для растений (требований растений) и условий внешней среды.
Первый способ – поиск мест (азональных территорий), в которых условия среды
будут соответствовать требованиям (мелиортивным режимам) интродуцированных
растений. Второй способ – направленная селекция для получения растений с
расширенными возможностями приспосабливаемости. Третий способ – искусственное
изменение внешней среды для поддержания у растений необходимых условий роста. Это
возможно при проведении комплексной мелиорации территории.
При использовании любого из этих способов необходимо знание мелиоративного
режима обустраиваемой территории, и в частности, требований растений к условиям
среды, выраженных в количественной форме.
Методы
Взаимодействия внешней среды и растений
1
Работа выполнена под руководством проф.,д.т.н. Шабанова В.В.
Чтобы рассчитать потребность в мелиорациях, надо знать количественное
выражение (S) требования растений к условиям внешней среды по водному (W),
тепловому (t), пищевому (f) и другим факторам в зависимости от времени (), то есть
иметь функцию
S W ; t; f ;...; .
Для получения общей информации о требованиях растений рассмотрим сначала
биологические законы, которые раскрывают взаимоотношение между внешней средой и
растением.
Закон незаменимости факторов внешней среды обязывает доставлять растению, для
нормального роста и развития, все факторы в необходимых соотношениях и количествах.
Закон минимума фактора весьма важен в мелиорации. Его можно описать
следующим образом: развитие растения ограничивается тем фактором, который находится
в наименьших, относительно оптимальных, количествах.
Закон оптимума – каждый фактор имеет оптимум, то есть понижение или
повышение величины фактора вызывает ослабление жизненных процессов и при
некотором удалении от оптимальной зоны значение фактора становится губительным для
растения /Шабанов В.В., 1973/.
Общий вид зависимостей продуктивности растений от условий внешней среды
Многолетние исследования требований растений к совершенно различным условиям
внешней среды, проведенные разными авторами, дают практически один и тот же вид
кривой. Координатные оси, в которых строятся такие кривые, следующие: ось абсцисс –
величина фактора внешней среды (W, t, f,…), ось ординат – дифференциальная
характеристика роста и развития растения (интенсивность прироста урожая или
интенсивность обменных процессов, интенсивность накопления какого-либо химического
вещества и т.д.). Построенные в таких координатах кривые имеют колоколообразный вид
практически для всех факторов внешней среды. В общем случае кривые могут быть и
несимметричны.
Если на оси ординат отложить какой-либо интегральный показатель
жизнедеятельности растения, например нарастающие суммы приростов массы или длины,
то получим S-образную кривую. Дифференцируя ее, можно получить кривую
интенсивности приростов, то есть колоколообразную кривую.
Таким же образом можно построить и многомерные кривые требований растения к
внешним условиям. Функция S[W, t] имеет вид колоколообразной фигуры, которая
построена в следующих координатах: аппликата – показатель интенсивности роста и
развития растений, абсцисса – температурный фактор, ордината — водный фактор»
/Шабанов В.В., 1973/.
Некоторые математические модели системы растение-среда
1. Симметричная модель
Для каждого момента периода вегетации требования растений к условиям среды
будут меняться, то есть для i-го момента времени будем иметь i-ю величину оптимального
i
значения фактора  opt
. Таким образом, оптимальное значение фактора – функция времени.
Построим модель для i-го момента времени.
Ее можно представить в виде
dU
 kSopt   ,
d
(1)
учитывая, что U  U max  S , получим
U max dS
 kS opt   ,
(2)
d
где k – коэффициент пропорциональности, приводящий в соответствие размерности
правой и левой частей.


Асимметричная модель
Считая,
что
жизнедеятельность
растений протекает в конечном диапазоне
какого-либо фактора min    max и
достигает оптимального значения при
  opt  min  opt   max  ,
одной
наиболее общей зависимостью S(ц) может
служить кривая по виду аналогичная
Рис. 1. Реализация модели
кривой распределения Пирсона 1-го типа,
 1
i2 
Si  exp 
   opt  (1) и обобщенная кривая которую для рассматриваемого случая
 2 i

запишем в виде
S() (2)
  

S 
 
 opt 
где S 
  opt
   

  max
   
opt 
 max
  max  opt 
,
(3)
U
, г – параметр, имеющий размерность (1/ц), начало координат принято в точU max
ке   min  0 , S = 0. Уравнение (3) удовлетворяет условиям: 1) S = 0 при   min  0 и
при    max ; 2) S = 1 при    opt .
Представленную модель относят к
статистическим и используют в основном
для практических расчетов. Теоретические
исследования лучше выполнять на так
называемых динамических моделях
Динамическая модель Полуэктова
Р.А. /Полуэктов Р.А., 2006/
Динамическая модель
описывает
продукционный процесс полевых культур.
Она имеет блочную структуру (рис. 3) и
включает описание следующих процессов,
m
m
имеющих место в системе почва – Рис. 2. Реализация модели S  B    1    .
1 – г = 0,5; 2 – г = 1,0; 3 – г =2,0; 4 – г = 4,0
растительный покров – приземный слой
воздуха:
радиационного режима посева, включающее моделирование поглощенной посевом интегральной коротковолновой радиации,
тепловой радиации и фотосинтетически активной радиации ФАР;
турбулентного режима посева;
фотосинтеза и фотодыхания;
развития растений (расчет физиологического времени, определяющего сроки
наступления фенофаз);
распределения накопленных продуктов фотосинтеза по органам растения с учетом
взаимодействия С:N в растениях, их роста, формирования хозяйственного урожая;
транспирации растений и испарения влаги с поверхности почвы;
динамики тепло- и влагопереноса в почвенном профиле;
трансформации и переноса соединений азота в почве;
прогнозирования темпов развития растений;
прогнозирования урожая (для зерновых начиная с фазы колошения);
выбора норм и сроков орошения в поливном земледелии;
выбора доз азотных удобрений, норм и сроков азотных подкормок.
1
2
Модель «погода-урожай» Павловой Т.А.
Модель «погода – урожай» ориентирована
на решение задач агрометеорологического
обеспечения сельского хозяйства. В модели
рассматривается взаимосвязь трех групп
факторов, представляющих соответственно:
гидрометеорологические условия, состояние
почвы
и
состояние
посева
сельскохозяйственной культуры.
Посевы в модели рассматриваются как
функциональное целое, в котором выделено
шесть структурных единиц – «емкостей» (в
дальнейшем будем называть их органами
растений): 1 – листья, ls – листовая часть
стебля, s – собственно стебель, r – корни, k –
оболочка колоса, z – зерно.
Рис. 3. Блок-схема модели
/Полуэктов Р.А., 2006/
Корнеобитаемая зона почвы ограничивается полутораметровым слоем почвы для
воды и метровым слоем для азотных соединений. Шаг по времени в модели – сутки
dm p
 G p  D p  q p  Pp ,
dt
dWi
(4)
 qi 1  qi  TRi   i E ,
dt
dN i
 H k   k U N  hk  Vk 1  Vk  A,
dt
где mp – масса р-го органа, мг/см2, р є l, s, ls, r, k, z; t – время, сут; Gp, Dp, qp, Pp –
скорости роста, дыхания, распада и опада тканей растений, мг/(см2·сут); Wt – запасы
влаги i-го слоя почвы, мм (i = 1,15); qi-1, qi – потоки воды через верхнюю и нижнюю
границы i-го слоя, мм/сут; для 1-го слоя поток через верхнюю границу (q0) равен
эффективным осадкам (Rэф); TRi – затраты воды на транспирацию из i-го слоя почвы,
мм/сут; дi – логическая переменная, равная 1 при I = 0 и нулю во всех остальных случаях;
Е – испарение с поверхности почвы, мм/сут; Nk – содержание нитратов в k-м слое почвы
(k = 1,3), мг/см2; Нk – скорость минерализации легкогидролизуемого органического азота,
мг/(см2·сут); UN – количество минеральных удобрений с учетом их иммобилизации,
мг/(см2·сут); дk – логическая переменная, принимающая значение дk = 1 для первого слоя
почвы в день внесения удобрений и дk = 0 во всех случаях;
Vk-1, Vk – потоки
минерального азота с водой через верхнюю и нижнюю границы k-го слоя (V0 = 0),
мг/(см2·сут); hk – скорость денитрификации минерального азота, мг/(см2·сут);
Аk –
поглощение азота растениями из k-го слоя почвы, мг/(см2·сут).
Модель делится на три взаимосвязанных блока, в каждом из которых решается
соответствующая подсистема уравнений для расчета:
динамики фитомассы отдельных органов растений в результате моделирования
процессов фотосинтеза, дыхания, роста, распада, развития и старения;
динамики влагозапасов почвы в результате моделирования процессов инфильтрации,
испарения, транспирации и корневого поглощения воды;
динамики минерального азота почвы путем моделирования процессов
нитрификации, денитрификации, корневого поглощения и вымывания.
Достоинством этой модели является возможность проследить за суточными
изменениями в системе растение – окружающая среда. Недостатком – необходимость
большого количества параметров («констант»), необходимых для построения модели. Ряд
этих параметров требует постоянного измерения во времени, что существенно удорожает
работу с такой моделью (и динамическими моделями вообще) на практике.
Модель Хомякова Т.М., Пегова С.А. /Кирейчева Л.В. и др., 2008/
Для оценки величины продуктивности мелиорированных угодий возможно
использовать модель, разработанную Т.М. Хомяковым, С.А. Пеговым, так как она
является интегральной и позволяет учитывать свойства почвы, выражающиеся через
индекс почвы (S), влияние климатических условий, определяемых коэффициентом
благоприятности климата для естественных ценозов (CL) и показателем соответствия
климатических условий данной культуре (ART) – для агроценозов, а также уровень
культуры производства (GGR):
Р  S  CL (для естественных ценозов);
P  S  ART  GGR (для агроценозов).
Коэффициент экологической устойчивости мелиорированного агроландшафта имеет
следующий вид
n
n
К уобщ.  К эс    K yi Fi  Fi  ,
i 1
 i1

K уi –
где
К'эс – коэффициент экологической стабильности агроландшафта;
коэффициент устойчивости каждого выдела (местности); Fi – площадь каждого выдела
(местности). Величина коэффициента устойчивости находится в интервале 0…1, поэтому
значения коэффициентов К'эс, K уi должны находиться в аналогичных пределах.
Коэффициент устойчивости каждого выдела рассчитывается следующим образом
K tyi 
K ( H i )  K Thi   K (3 NPKi )  K (Qi )
K ( pH i )  K (Ci )  K ( Di )  K (Ti )
,
где К(Hi), К(Thi), К( 3 N i Pi K i ), К(Qi), К(pHi), К(Ci), К(Di), К(Ti) – показатели Th, H,
Q, pH, C, D, Т, приведенные к единой размерности по формулам
3
NPK ,
К(Hi), К(Thi), К( 3 N i Pi K i ), К(Qi), К(pHi), К(Ci),
К(Di) = К (Хi) = (Хi – Xmin)/(Xopt – Xmin),
(5)
К (Тi) = (Хi – Xmax)/(Xopt – Xmax),
где Хopt – оптимальное значение i-го показателя; Хi – текущее значение i-го показателя;
Хmin, Хmax – соответственно, минимальное и максимальное значение i-го показателя;
Hi – содержание гумуса в почве в i-ой точке, %; Thi – мощность гумусовых горизонтов
3 N PK
почв, см;
i i i – содержание элементов минерального питания в гумусовых
горизонтах почвы, в долях от максимального значения; Qi – величина оросительной
нормы, мм;
рНi – кислотность гумусовых горизонтов почв; Сi – содержание
физической глины, %;
Di – норма осушения, см; Тi – величина сработки торфа, см.
Коэффициент К'yi преобразуется в коэффициент устойчивости Кyi, значения которого
находятся в пределах 0…1, следующим образом
K уi 1  K уopt  K уi ,
(6)
где К уopt – значение коэффициента устойчивости при совокупности всех оптимальных
показателей. При K уopt  K уi > 0,9 K уi < 0,1.
Эта модель более приспособлена для использования в практической деятельности,
но и она требует достаточно большого количества исходной информации, получить
которую не всегда возможно.
Вывод. В последнее время ландшафтный дизайн приобретает всё большую
популярность. Главное направление инженерной поддержки ландшафтного дизайна
заключается в подборе растения под определенные условия внешней среды. Методология
восстановления экологически нарушенных ландшафтов может быть реализована путем
определения условий среды на отдельных участках территории и подбора растений для
этих условий. В случае существенного различия между требованиями растений и
условиями внешней среды проектируется система, изменяющая и поддерживающая
условия среды в требуемых диапазонах, то есть создается система многофакторного
(комплексного) мелиоративного регулирования.
На предварительных стадиях проектирования проводятся исследования по
детальному изучению условий среды и подбору растений, имеющих в каждой «точке»
территории максимальную продуктивность. Такую операцию можно сделать, имея
экологический паспорт растения (см. рис.1). Экологическим паспортом растения можно
называть развернутую характеристику для каждого вида (или сорта сельскохозяйственной
культуры). В экологическом паспорте указываются экологические особенности,
обеспечивающие оптимальные или близкие к ним (приемлемые) условия для устойчивого
роста и развития. Это понятие было введено Н.И. Вавиловым в 1935 г. Существенной
особенностью экологического паспорта должна быть возможность количественной
оценки снижения продуктивности при отклонении условий от оптимального значения.
На основании этого паспорта и
детальной характеристики условий
среды на территории составляется
план размещения (районирования)
планируемых
к
выращиванию
растений на территории в целом.
Для облегчения такого подбора
необходимо создание обобщенной
Рис. 4. Экологический паспорт растения
базы
данных
по
наиболее
используемым
в
ландшафтном
дизайне растениям.
В качестве инструмента для разработки базы данных использована система
управления данными фирмы Microsoft — Microsoft Office Access.
В настоящее время, на кафедре природообустройства и водопользования МГУП,
разработана база данных для цветущих растений, но в ближайшем будущем планируется
создание такой же базы данных по кустарникам и деревьям.
Библиографический список
1. Абашина Е.В., Сиротенко О.Д. Прикладная динамическая модель формирования
урожая для имитационных систем агрометеорологического обеспечения сельского
хозяйства
//
Труды
Всесоюзного
научно-исследовательского
института
сельскохозяйственной метеорологии. 1986. № 21. С. 13-33.
2. Голованов А.И., Сухарев Ю.И., Шабанов В.В. Комплексное обустройство территорий
– дальнейший этап мелиорации земель. //Мелиорация и водное хозяйство. 2006. № 2.
3. Кирейчева Л.В., Белова И.В. и др. Технологии управления продуктивностью
мелиорируемых агроландшафтов различных регионов Российской Федерации. – М.,
2008.
4. Кирюшин В.И. Экологические основы земледелия. – М.: Колос, 1996. 367 с.
5. Полуэктов Р.А. и др. Модели продукционного процесса сельскохозяйственных
культур. – М., 2006.
6. Сиротенко О.Д. Математическое моделирование водно-теплового режима и
продуктивности гроэкосистем. – Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 167с.
7. Сиротенко О.Д., Абашина Е.В. Об использовании динамических моделей для оценки
агрометеорологических условий формирования урожаев //Метеорология и гидрология.
1982. № 8. С. 95-101.
8. Смирнов П.М., Муравин Э.А. Агрохимия. – М.: Колос, 1984. 2-е изд., перераб. и доп.
304 с.
9. Шабанов В. В. Биоклиматическое обоснование мелиораций. – Л.: Гидрометеоиздат,
1973.
10. Шишов Л.Л., Булгаков Д.С., Карманов И.И., Андроников В.Л., Славный Ю.А.
Региональные эталоны почвенного плодородия. – М.: Агропромиздат, 1991. 274 с.