МОДУЛЬ 1. Системы. Моделирование систем

Тема 1.2. Системы земледелия

Определение системы земледелия должно учитывать и включать следующие признаки.

1. Цель системы. Система земледелия - многоцелевая система.

2. Структурные элементы. Система земледелия в качестве структурных элементов включает совокупность агробиологических, технических, технологических, организационных и экономических мероприятий, которые формируются в виде подсистем. Их рассматривают обычно как относительно самостоятельные системы: система севооборотов, система удобрения и химической мелиорации, система обработки почвы и почвозащитных мероприятий, система защиты растений, система семеноводства, система используемых технологий. Конечным неделимым элементом системы земледелия являются конкретные технологические операции.

3. Целенаправленное взаимодействие элементов системы. Все перечисленные выше структурные элементы взаимодействуют целенаправленно для обеспечения максимальной эффективности использования земли при условии сохранения и повышения почвенного плодородия и экологии.

4. Критерий эффективности. С изменением экономических условий претерпевают изменения и формулировки критериев эффективности систем земледелия. Если раньше все усилия направлялись на получение максимальных объемов производимой продукции, то в условиях рыночной экономики производство ориентируется на рыночный спрос, т. е. на по-лучение заданного объема продукции определенного качества. Следовательно, используемый раньше критерий - максимум выхода продукции - не всегда правомерен. Поэтому в определении системы земледелия общесистемный критерий может быть отражен в следующей формулировке: «производство необходимого для общества объема и качества продукции». В зависимости от характера критериев эффективности изменяются требования к структурным подсистемам, к их гибкости и взаимной согласованности (особенно при разработке зональных систем земледелия).

5. Ограничивающие условия. В качестве ограничивающих условий в определении должны присутствовать требования сохранения и повышения почвенного плодородия и экологии.

Итак, учитывая перечисленные требования, можно сформулировать следующее определение системы земледелия. Система земледелия представляет собой целостную совокупность взаимосвязанных и целенаправленно взаимодействующих агробиологических, технико-технологических и организационно-экономических мероприятий, осуществляемых с целью эффективного использования земли для получения необходимого объема и качества продукции при сохранении и повышении почвенного плодородия.

Взаимодействие системы и среды

Любая система, независимо от ее природы, существует в определенной среде – физической, социальной, экономической и т. д., постоянно взаимодействуя с ней. Чтобы исследовать систему, сначала ее нужно вычленить из среды. Как было отмечено, определение системы означает ее распозна-вание (идентификация), выделение из окружающей среды как целого, относительно обособленного и самостоятельного, способного достигать заданные цели.

Вычленение системы из окружающей среды равнозначно разделению явления на две части - систему и внешнюю по отношению к ней среду. Постоянное взаимодействие системы и среды конкретно выражается в обмене веществом, энергией, информацией.

Так, засеянное клевером поле севооборота как система испытывает влияние таких факторов внешней среды, как солнечная радиация, выпадающие осадки, обработка пестицидами и т. д. В свою очередь, совокупность растений данного поля оказывает влияние на среду, поглощая и выделяя углекислоту и кислород, питательные вещества из почвы, поглощая и отражая солнечный свет и т.д. Поскольку взаимодействие системы и среды носит универсальный характер, рассмотрим формализованные подходы к анализу и оценке их взаимодействия, введя некоторые общие понятия и методические приемы.

Среда оказывает вещественные, энергетические и информационные воздействия на систему через соответствующие элементы системы, которые будем называть входами системы, а факторы внешней среды, осуществляющие эти воздействия, входными величинами, или импульсами.

Итак, на входе системы мы наблюдаем некоторые импульсы. Так, для вегетирующего растения входными величинами (факторами внешней среды) являются солнечная радиация, температура окружающего воздуха, наличие диоксида углерода и кислорода, почвенной влаги, растворенных в ней элементов минерального питания, различные механические воздействия (ветра, насекомых и т. д.). Эти входные величины оказывают воздействие на систему «растение» через соответствующие элементы системы, образующие вход: хлоропласты листьев (ассимилирующие углекислоту из воздуха и осуществляющие фотосинтез), корневые волоски (всасывающие почвенную влагу с растворенными в ней питательными веществами), покровные ткани всего растения (испытывающие механические, термические, химические и другие воздействия среды).

Система, в свою очередь, оказывает влияние на среду через определенные элементы, образующие выход системы. Факторы, определяющие воздействие системы на среду, называются выходными величинами, или реакциями системы на соответствующие импульсы на входе. Так, выходными величинами системы «растение» являются факторы, определяющие нарастание органической массы, плодоношение, выделение кислорода при фотосинтезе и диоксида углерода в процессе дыхания и др. Понятия «вход» и «выход» системы, «импульсы» и «реакции» являются общепринятыми, универсальными для любых систем, независимо от их природы и предметной области исследований. Так, отдельные агрегаты, выполняющие технологические операции, тоже можно рассматривать как системы. Например, для пахотного агрегата (трактор, плуг) входными импульсами являются гранулометрический состав почвы, особенности рельефа, погода, уровень оплаты труда тракториста и т. д. На выходе системы, как ее реакции, мы можем наблюдать такие выходные величины, как расход топлива на 1 га пахоты, производительность труда (вспаханная за смену площадь) и т. д.

При исследовании систем входные и выходные величины (импульсы и реакции) целесообразно рассматривать как математические переменные, способные принимать конкретные значения. Таким образом, переменные выступают как количественные характеристики системы. Рассмотрим принцип «черного ящика» при исследовании взаимодействия системы и среды. При анализе характера взаимодействия системы и среды чрезвычайно удобным и плодотворным оказался принцип «черного ящика», позволяющий исследовать процесс функционирования системы, не вникая в особенности и механизмы внутренней структуры самой системы. Принцип заключается в том, что любая система мысленно рассматривается как некий «черный ящик», и при этом наблюдателю доступны только входные и выходные величины, а внутреннее устройство, структура системы либо неизвестны (или еще не исследованы), либо не интересуют наблюдателя. Так, вводя в компьютер информацию (вход системы), на экране мы видим текст (выход системы) и при этом обычно не задумываемся, какие электронные процессы происходят в компьютере при нажатии каждой кнопки на клавиатуре. В данном случае компьютер для нас - «черный ящик». Следовательно, «черный ящик» мы можем представлять как некий преобразователь входных величин в выходные, импульсов в реакции, причем неважно, какова их природа - вещественная, энергетическая или информационная. При этом сами механизмы процессов преобразования исследователя могут не интересовать. При анализе функционирования системы нас прежде всего интересуют соотношения выходных и входных величин. Рассмотрим несколько возможных аспектов анализа соотношений «выход - вход» на основе принципа «черного ящика». Первый аспект анализа . Степень дифференциации (детализации) входных и выходных величин может быть различной. Чем глубже дифференцированы входные и выходные величины, тем больше информации мы получим о свойствах системы, о ее поведении, тем глубже будут наши познания об этой системе.

Следовательно, степень дифференциации входных и выходных величин определяет уровень изученности системы. Например, наблюдатель рассматривает только одну входную переменную и соответственно только одну выходную величину. Упрощенно это можно представить в виде следующей схемы:

Данный пример эквивалентен утверждению: «Удобрения повышают урожай». Углубляет ли это высказывание на-ши познания о данной системе? Конечно, нет. Но, если на входе системы проведем глубокую дифференциацию вход-ных переменных (например, вносим в виде эксперимента различные дозы удобрений в разных их сочетаниях, в разные сроки вегетации, различными методами), то и на выходе мо-жем получить глубоко дифференцированную реакцию систе-мы (по каждому варианту проанализировать не толь-ко вели-чину полученного урожая, но и его качество, содержание в урожае белка, углеводов, минеральных веществ, изучить влияние входных факторов на сроки созревания культуры, изменения морфологических признаков растений и т. д.). Следовательно, глубина дифференциации импульсов и ре-акций предопределяет глубину знаний об исследуемой сис-теме.

Второй аспект анализа. Обозначим некоторый входной ресурсный фактор как входную переменную через X (например, дозы внесения азотных удобрений, кг/га), а выходной результативный показатель - через Y (например, урожай-ность яровой пшеницы в т/га).Тогда, сопоставляя прирост урожайности на выходе (Ду) с приростом фактора на входе (Ах), можно оценить эффективность рассматриваемого фак-тора {Эу/Х). Третий аспект анализа . Анализ соотношений между входными и выходными величинами позволяет уста-новить математическую (аналитическую) форму связи между ними.

В общем случае выходные величины рассматривают как функцию от входных: y=J{x).

Допустим, у - прирост органической массы за сутки, кг/га; х - площадь листовой поверхности, м2 /га. В простейшем случае форма связи может быть выражена линейной функцией вида где величина b является измерителем эффективности фактора х.

Коэффициент b показывает, на сколько единиц изменится результативный показатель у при изменении фактора х на одну единицу (т. е. Ь представляет собой обычный линей-ный коэффициент регрессии). На практике такого рода зави-симости обычно носят нелинейный характер. Но это не меняет принципиального характера методического подхода. Так, при анализе взаимосвязей признаков в растениеводстве, земледелии чаще всего приходится иметь дело с закономер-ностями, математически выражающимися параболой второго порядка, логарифмической функцией и т.д. Выбор формы связи, наиболее точно отражающей реальные процессы, обычно проводят путем оценки по величине остаточной дис-персии, вычисляемой по разностям между фактическими зна-чениями у, и теоретическими (вычисленными по выбранной функции). Если по принципу «черного ящика» исследуют множество входных величин, то в уравнение связи могут быть включены одновременно несколько факторов, что по-зволит оценить влияние каждого фактора при их совместном использовании. В этом случае применяют многофакторные эконометрические модели. Любая система испытывает влияние большого многообразия факторов внешней среды и соответственно может реагировать на них столь же многообразно. На практике исследование всех без исключения воздействий и реакций невозможно. Обычно задача сводится к рассмотрению ограниченного на-бора наиболее существенных переменных системы и среды, которые используют для моделирования поведения систем.

Четвертый аспект анализа. Важный аспект анализа соотношений входных и выходных величин по принципу «черного ящика» - оценка управляемости системы. Об управляемости системы можно судить по скорости реакции системы на входные импульсы и характеру этих реакций. Эти вопросы более подробно будут рассмотрены при анализе систем управления.

Контрольные вопросы

Контрольные вопросы

1. Дайте характеристику лабораторному и вегетационному методам исследований.
2. В чем суть и задачи лизиметрического метода?
3. Полевой опыт, требования предъявляемые к нему.
4. Назовите основные элементы методики полевого опыта.
5. Что такое вариант, повторность?
6. В чем различие между повторностью и повторением?
7. Как влияют число вариантов и количество повторностей на ошибку опыта?
8. Какие данные необходимо учитывать при выборе земельного участка под опыт?
9. Для чего проводятся почвенные исследования земельного участка?
10. Что такое типичность опыта?
11. Назовите основные методы размещения вариантов на опытном участке.
12. В чем сущность стандартного метода размещения вариантов на опытном участке?
13. Что лежит в основе методов размещения вариантов на опытном участке?
14. Назовите требования, предъявляемые к расположению вариантов методом латинского прямоугольника и квадрата.
15. Что понимают под пестротой почвенного плодородия?
16. Что такое случайное и закономерное варьирование плодородия почвы?
17. Расскажите о систематическом и рендомизированном методах размещения вариантов на земельном участке.