Математическое моделирование в агрохимических и агроэкологических исследованиях

 
 
 
 
 
 
 

Реферат 

на тему:

«Математическое моделирование в агрохимических и агроэкологических исследованиях». 
 
 
 

Подготовила студентка 1 курса 

группы  Б-АГ-101

Скрипкина Юля. 
 
 
 

г. Саратов 2011  

Оглавление

1. Введение в понятия агрохимия и агроэкология
2. Математическая химия
3. Математические модели
4. Информационные технологии и математическое моделирование в задачах природопользования
5. Список использованной литературы

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Введение в  понятия агрохимия и агроэкология

Агрономическая хи́мия (Агрохи́мия) — наука об оптимизации питания растений, применения удобрений и плодородия почвы с учётом биоклиматического потенциала для получения высокого урожая и качественной продукции сельского хозяйства, прикладная наука, составная часть раздела химии — «неорганическая химия».

 Агрохимия —  также учебная дисциплина о  химических процессах в почве  и растениях, минеральном питании  растений, применении удобрений  и средств химической мелиорации  почв. Включает определение содержания  в почвах и растениях химических  элементов, белков, аминокислот,  витаминов, жиров, углеводов; установление  механического и минералогического  состава почв, содержания в них  органической части (гумуса), солей,  водорослей, микроорганизмов и др. Изучает влияние удобрений на  растения и почву. Основные объекты, традиционно изучаемые агрохимией - растения, почва и удобрения. В 20 веке сфера агрохимии расширилась: она стала изучать также агробиоценоз в целом, химические средства защиты растений и регуляторы роста растении.

Агрохимия — наука, которая изучает круговорот веществ  в системе «почва — растение —  удобрения», а также их влияние  на качество сельскохозяйственной продукции  и проблемы охраны окружающей среды  в зоне ведения аграрного сектора  экономики государства.

Агрохимические исследования касаются вопросов воспроизводства  плодородия почв, высокоэффективного использования минеральных, органических удобрений, микроэлементов на фоне других средств химизации, изучение агрохимической, экономической, энергетической и экологической  эффективности удобрений, их физико-химических и агрохимических свойств, организации  системы химизации отраслей агро-промышленного комплекса (АПК).

Агроэкология —  раздел экологии, предметом которого является разработка инструментов, необходимых  для получения качественной сельскохозяйственной продукции в условиях индустриального  хозяйства, а следовательно, учитывающая сопряженные с ним воздействия на экологию, как то: применение химических и биологических удобрений, мелиорация почв, выпас скота и пр. В задачи науки входит также разработка методов минимизации вреда от указанных воздействий для окружающей среды.

  Агроэкология, сельскохозяйственная экология  –  комплекс наук, исследующих возможности сельскохозяйственного использования земель для получения растениеводческой и животноводческой продукции при одновременном сохранении сельскохозяйственных ресурсов (почв, естественных кормовых угодий, гидрологических характеристик агроландшафтов), биологического разнообразия и защите экологической среды обитания человека и производимой продукции от сельскохозяйственного загрязнения. Основным объектом изучения сельскохозяйственной экологии является агроэкосистема. Агроэкосистема — это искусственно созданная и регулярно поддерживаемая человеком экосистема сельскохозяйственных ландшафтов (полей, искусственных пастбищ, огородов, садов, виноградников, лесных насаждений и т.п.). Агроэкосистемы занимают примерно 10% всей поверхности суши (около 1,5 млрд га), но при этом поставляют человечеству более 90% всей пищевой энергии.  Основой агросистемы является искусственный фитоценоз, состоящий из сельскохозяйственных растений, который обычно дополняется сообществом животных — насекомых, птиц,млекопитающих,земноводных. Агроэкосистема находится в непосредственной связи с естественными условиями среды — почвой, почвенной и атмосферной влагой, почвенными микроорганизмами. 

2. Математическая  химия

В агрохимических исследованиях широко используют математические методы для оценки точности опытов и достоверности полученных результатов, выявления зависимости между  удобрениями и урожаем, моделирования  процессов поглощения растениями, превращения  в почве и потерь питательных  веществ из почвы и удобрений, прогнозирования изменений почвенного плодородия и потребности в удобрениях, для энергетической и экономической  оценки применения удобрений с использованием современной вычислительной техники. На основе результатов полевых и производственных опытов с обязательной агроэкологической и экономической оценкой изучаемых удобрений и приемов их внесения даются практические рекомендации производству, которые позволяют эффективно использовать разнообразные местные и промышленные удобрения. В связи с широким распространением таких методов был выявлен целый раздел теоретической химии – математическая химия, изучающий  моделирование возможных химических явлений и процессов.  

 Математическая  химия — раздел теоретической  химии, область исследований, посвящённая  новым применениям математики  к химическим задачам. Основная  область интересов — это математическое  моделирование гипотетически возможных  физико-химических и химических  явлений и процессов, а так  же их зависимость от свойств  атомов и структуры молекул.  Математическая химия допускает  построение моделей без привлечения  квантовой механики. Критерием истины  в математической химии являются  математическое доказательство, вычислительный  эксперимент и сравнение результатов  с экспериментальными данными.  Важнейшую роль в математической  химии играет математическое  моделирование с использованием  компьютеров. В связи с этим  математическую химию, в узком  смысле, иногда называют компьютерной  химией (Computer chemistry), которую не следует путать с вычислительной химией (Computational chemistry).

В современной химии  термин «математическая химия» был  введен в 1970-х годах. Первыми периодическими изданиями, специализирующимися в  этой области, являются журнал «MATCH Communications in Mathematical and in Computer Chemistry», впервые изданный в 1975, и журнал «Journal of Mathematical Chemistry», первое издание которого относится к 1987 году.

В математической химии  разрабатывают новые приложения математических методов в химии. Новизна обычно выражается одним из двух способов: развитие новой химической теории;  развитие новых математических подходов, которые позволяют проникнуть в суть или решить проблемы химии.

При этом используемые математические средства чрезвычайно разнообразны. В отличие от чисто математических наук, в математической химии исследуются химические задачи и проблемы методами современной математики.

Самой известной  моделью математической химии является молекулярный граф. Отметим, что строгое  математическое и физическое обоснование  модель молекулярного графа нашла лишь в теории Р. Бейдера . По существу теория Р. Бейдера является новым языком современной математической и теоретической химии, составляющими элементами которого являются различные математические, в том числе топологические, характеристики (экспериментально наблюдаемой) электронной плотности. При этом химические реакции и структурные изменения в молекулах могут описываться на языке теории катастроф и бифуркаций.  Другие знаменитые модели — это закон действующих масс, созданный математиком К. Гульдбергом и химиком-экспериментатором П. Вааге, граф механизма химических превращений и дифференциальные уравнения химической кинетики. Один из создателей «химической динамики» Вант-Гофф писал о себе: «Двойное стремление: к математике, с одной стороны, и к химии — с другой, проявилось во всех моих научных устремлениях».

История.  Первая попытка по математизации химии была сделана М. В. Ломоносовым. Его рукопись «Элементы математической химии», на латыни, была найдена после смерти среди его бумаг. Книга была ориентировочно написана в сентябре 1741 года. Видимо, Ломоносов, вдохновленный работой Ньютона, намеревался написать подобный химический трактат, в котором он хотел изложить все существующее на тот момент химическое знание в аксиоматической манере.

В 19 веке понятие  «математическая химия» использовал  Дюбуа-Реймон.

Первым математиком, который заинтересовался комбинаторными аспектами химии, считается Артур  Кэли (1821—1895). Он опубликовал в 1875 году работу в Berichte der deutschen Chemischen Gesellschaft , тогда ведущем химическом журнале, по перечислению алкановых изомеров. Эта работа фактически является первой работой по применению теории графов в химии.

В 1894 была издана книга, названная «Принципы Математической Химии»: Helm G. «The Principles of Mathematical Chemistry: The Energetics of Chemical Phenomena» (1897). 

3. Математические  модели

 

Математические  модели –  наиболее эффективный  инструмент для оценки экологического риска  пестицидов, так как экспериментальными полевыми испытаниями невозможно (да и опасно) охватить все разнообразие почвенно-климатических условий  стран, где регистрируются новые  пестициды.  Как правило, модели не предсказывают напрямую экологический  риск пестицида, а позволяют оценить  одну из двух его компонент (см. раздел «Риск») – концентрации пестицида в почве, грунтовых и поверхностных водах, атмосферном воздухе.

 Наиболее широко  математическое моделирование поведения  пестицидов в окружающей среде  используется в Европейском Союзе,  где для целей регулирования  адаптировали ранее известные  модели (MACRO, PEARL, PELMO, PRZM) и разработали  для них европейские стандартные  сценарии входных данных (проект FOCUS - FOrum for Co-ordination of pesticide fate models and their USe).  Обзор практически всех известных моделей поведения пестицидов в окружающей среде дан на сайте PFMODELS (Pesticide Fate MODELS).

 В Российской  Федерации для целей регулирования  рекомендованы европейские модели MACRO и PEARL в сочетании с российскими  сценариями входных данных (почва-погода-культура), которые разработаны во ВНИИ  фитопатологии для шести основных  сельскохозяйственных регионов  России.

Различные экологические  показатели, получаемые в процессе разработки и регистрации пестицида, характеризуют совершенно разные стороны  его влияния  на окружающую среду. Для регуляторных решений  желательно иметь универсальные и достаточно простые инструменты обобщения (агрегирования) разнородных показателей экотоксичности и поведения пестицида в окружающей среде.  Такими инструментами являются индексы, представляющие максимально «свернутую» информацию о пестициде. В настоящее время предложено уже более сотни различного рода индексов (в англоязычной версии – индикаторов) пестицидов, предприняты попытки их систематизации и выбора наиболее приемлемых (проект Европейского Союза CAPER - Concerted Action on Pesticide Environmental Risk indicators и проекты ОЭСР HAIR, ARI, TEIR).  Краткий обзор экологических индексов пестицидов дан в публикации В.С. Горбатова и Т.В. Кононовой «Структура экологических данных о пестицидах».

4. Информационные технологии и математическое моделирование в задачах природопользования

Рост антропогенной  нагрузки на окружающую среду во второй половине ХХ века привел к обострению многих экологических проблем. Возможные  перспективы их решения связаны  с реализацией концепции "устойчивого  развития" - стабильного сосуществования  человечества и природы.  Важные элементы данной концепции - сохранение и воспроизводство ресурсной  базы сельского хозяйства, оптимизация  применения средств химизации земледелия, улучшение структуры землепользования на основе объективной характеристики агроэкологической ситуации. Это  требует: а) разработки алгоритмов оценки устойчивости экосистем, б) изучения закономерностей  их динамики, в) совершенствования методики оценки воздействия на окружающую среду (ОВОС), включающей эколого-экономический  прогноз . Ведущая роль в перечисленных исследованиях принадлежит количественным методам. Следует подчеркнуть роль системного анализа как основного инструмента исследования геоэкологических систем различного уровня, когда проведение широкомасштабных натурных исследований и экспериментов зачастую невозможно или затруднено.  Выпущенная в 1997 году Международным институтом прикладного системного анализа (IIASA, Laxenbourg, Austria) библиография насчитывает более 50 000 публикаций за последние 25 лет, что свидетельствует о постоянно растущем интересе к этим вопросам.

Идея моделирования  заключается в замещении изучаемого объекта его аналогом. Информационные модели представляют характеристики объекта  в виде данных в некой системе. Математические - формализуют закономерности динамики объекта в виде численных  соотношений. При этом реализуется  фундаментальное понятие наблюдаемости, которое можно трактовать как  возможность для внешнего наблюдателя  получать информацию о прошлом состоянии  объекта, на ее основе предвидеть его  поведение в будущем и управлять  им .

Описание динамики природных объектов опирается на представления об их системной организации. Системный подход к решению проблем  природопользования предполагает комплексное  изучение протекающих в ландшафтно-географической среде процессов. Решение данной задачи невозможно без привлечения  методов прогнозирования. Математическое моделирование - один из основных инструментов системного анализа, позволяющий в  ряде случаев избежать трудоемких и  дорогостоящих натурных экспериментов. На основе результатов прогнозирования  динамики геосистем решаются вопросы рационального применения удобрений и средств защиты растений, проведения комплексной мелиорации и окультуривания полей, оптимизации структуры землепользования и другие . Ведутся исследования в области организации "ландшафтного земледелия" - оптимизации сельскохозяйственного использования земель в зависимости от местных условий (рельефа, климата, почвенных условий, размещения других хозяйственных объектов).