doi: 10.15389/agrobiology.2017.3.437rus
УДК 631.4/.9:51-76:519.876.5
ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ АГРОЭКОСИСТЕМЫ
КАК ИНСТРУМЕНТ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В.Л. БАДЕНКО1, А.Г. ТОПАЖ1, В.В. ЯКУШЕВ1, В. МИРШЕЛЬ2,
К. НЕНДЕЛЬ2
Механистический (экофизиологический) подход к имитационному моделированию формирования урожая предполагает рассмотрение сущности процессов и причинно-следственных связей в агроэкосистеме с описанием их динамики на основе физически интерпретируемых зависимостей (в отличие от логически интерпретируемых зависимостей при эмпирическом подходе) (A. Di Paola с соавт., 2016; Р.А. Полуэктов, 2010). Нами проанализировано потенциальное применение динамических имитационных процесс-ориентированных (механистических) моделей агроэкосистем в прикладной и теоретической сельскохозяйственной биологии. Имеющийся опыт разработки и использования таких моделей показывает, что они более приспособлены для исследовательских целей, но менее полезны и востребованы в практической агрономии. На конкретных примерах в компьютерных экспериментах с разработанными авторами моделями продемонстрирована возможность получения нетривиальных результатов, не заложенных напрямую в логику алгоритмов моделей (V. Badenko с соавт., 2014; S. Medvedev с соавт., 2015). Обсуждается роль имитационной модели как научного инструмента приобретения нового знания об объекте и интерпретации эмпирически наблюдаемых явлений. Для демонстрации потенциала имитационного моделирования в сельскохозяйственной биологии рассмотрены результаты исследований авторов по анализу причин проявления немонотонной формы у функции отклика урожайности на дозы внесения азотных удобрений, по интерпретации эффекта тайминга при управлении азотными подкормками по листу и по изучению совместного влияния водного и азотного стресса на продуктивность посевов культур. На основании данных литературы проанализированы перспективы применения моделей как современного элемента селекционного процесса для его ускорения. Делается вывод о том, что необходимым условием успешного развития динамического моделирования служит биологизация имеющихся моделей, а также существенное повышение научной обоснованности подходов при описании биотических процессов в системе почва—растение—атмосфера.
Ключевые слова: имитационная модель агроэкосистемы, продукционный процесс, процесс-ориентрованные модели, идеотипы, ускоренная селекция, G×E×M-ориентированные модели.
CROP MODELS AS RESEARCH AND INTERPRETATIVE TOOLS
V.L. Badenko1, A.G. Topaj1, V.V. Yakushev1, W. Mirschel2, C. Nendel2
Mechanistic (eco-physiological), or process-oriented, approach to simulation modeling of the production process of plants assumes considering the essences of processes and cause-effect relationships in the agroecosystem with a description of their dynamics based on physically interpreted dependencies (as opposed to logically interpreted dependencies at the empirical approach) (A. Di Paola et al., 2016; R.A. Poluektov, 2010). The analysis of the possible use of dynamic simulation models of agro-ecosystems in the mechanistic nature of applied and theoretical research of agricultural biology is presented. The current practice of the development and usage of these models shows their highest suitability for research purposes in comparison to the potential usefulness and relevance to the practical problems of agronomy. Specific examples of model applications demonstrate the possibility of computer-based model experiments to get nontrivial results, which are not directly incorporated into the logic of the model algorithms (V. Badenko et al., 2014; S. Medvedev et al., 2015). The role of simulation model as a tool of obtaining new knowledge and interpretation of the empirically observed phenomena has been showed. To demonstrate the potentials of simulation models for agricultural biology, some results of authors' studies have been reviewed, including analyze of the appearance of a non-monotonic response function of crop yield on the doses of nitrogen fertilizer, the results of computer experiments on interpretation of the effect of the time delay during management of nitrogen feeding «on the leaf», and the joint impact of combined water and nitrogen stresses. Based on analysis of recent publications, conclusions of perspectives of models application to accelerate the plant breeding process were justified. It is concluded, i) further «biologization» of existing models is a prerequisite for a successful development of the dynamic crop growth modeling, and ii) it is necessary to increase the level of scientific validity of model approaches, which are used to describe the biotic processes in the soil—plant—atmosphere system.
Keywords: agro-ecosystems simulation model, crop production process, mechanistic approach, ideotype, plant breeding, breeding, G×E×M-oriented models.
1ФГБНУ Агрофизический научно-исследовательский институт, |
Поступила в редакцию |
