Ugrás a tartalomhoz

Az agroökológia modellezéstechnikája

Huzsvai László (2005)

Debreceni Egyetem Agrártudományi Centrum

1. fejezet - Bevezetés

1. fejezet - Bevezetés

A legtöbb természeti, valamint mezőgazdasági folyamat és jelenség túlságosan összetett ahhoz, hogy egyszerűen vizsgálható, leírható és működésében, fejlődésében, változásában elemezhető legyen. Az elemző ember az összetett rendszereket - azok lényeges jellemzőit megtartó, egyszerűbb helyettesítőkkel - modellekkel cseréli fel. A modellel az eredeti objektum működése meghatározott, de a valóságosnál egyszerűbb, átláthatóbb feltételek között tanulmányozható. A modell tehát a bonyolult valóságos rendszer elméletileg és szemléletileg meghatározott leképezése. A modellalkalmazók mindezt a természetre, a világra modellel történő rákérdezés lehetőségét felismerve teszik. lHa ez a rákérdezés legalább részben formális n matematikai -, akkor bizonyosan valamilyen modellről beszélhetünk. Már a rákérdezés módja és formája is jelzi, hogy a modellezés, a modellalkalmazás során az egyszerűsítés szükséglet. Minden modell egy szakmai szükséglet és egy matematikai lehetőség találkozási pontján jöhet létre.l (Juhász-Nagy, 1993). A továbbiakban az úgynevezett számítógépes matematikai modellezés tárgykörét tekintjük át.

A modell tehát a valóságot képezi le, jeleníti meg, helyettesíti, vagyis reprezentálja, még ha egyszerűsített formában is. A talajra, mint összetett rendszerre, valamint egy ember által készített eszközre, egy csónakra vonatkozó modellek közti különbség alapján a lcsónakmodelll minden lényeges jellemzője egyértelmű és ismert. A talajmodell esetében viszont annak eldöntése, hogy annak melyek a fontos és a jellemző tulajdonságai, hipotézis kérdése. Jelentős bizonytalanság társul a talajmodell bármely részletére vonatkozó érték megadásához is. Ebből arra következtethetünk, hogy a talajmodellek, valamint a hasonló komplexitású mezőgazdasági és természeti jelenséget leíró modellek hipotetikus természetűek, vagyis a modell építésekor alkalmazott feltételezések döntő jelentőségűek. A hipotézisek gyakran szavakban, a jelenséget leíró egyenletek megválasztásában, a nem mérhető paramétereknek adott értékben, a modellben párhuzamosan futó folyamatok sorrendjének megválasztásában, stb. épülnek a modellbe. A mezőgazdasági modellek a talaj-növény rendszer víz- és tápanyagforgalmának függvényében a növények növekedését, mint a természeti környezet (talajjellemzők, éghajlat) és a gazdálkodás (talajművelés, mű- és szervestrágyázás, növényfajta, öntözés, stb.) által meghatározott feltételrendszer eredményeként írják le. A termés- (Crop modell), vagy termésszimulációs mezőgazdasági modellek felépítésükből következően a természeti és a gazdálkodás által kialakított mesterséges környezeti feltételek között végbemenő folyamatokat (pl. a víz- és tápanyag felvétel, az energiamegkötés, az ásványosodás, stb.), és azok növényi zöldtömegben és termésben realizálódó eredményét jelenítik meg. Az agroökológiai modellek tehát a talajban végbemenő víz- és tápanyag forgalmi folyamatokat tartalmazzák, amelyek leírására rendszerint több, egymással kölcsönhatásban álló transzportegyenlet szükséges. A több egyenletből felépülő modelleket kiterjesztett hipotézisű modelleknek is nevezik. A kiterjesztett hipotézisű modelleket célszerű mért adatokon tesztelni és a modell hipotéziseit szükség esetén, megváltoztatni. Ezt a típusú modelltesztelést érvényesítésnek, vagy validálásnak nevezzük. Azonban az érvényesített modell eredménye sem vonatkozható a modell érvényességi tartományán kívülre.

Az agroökológiai modellek összetett alrendszerei (talajvíz és tápanyag, növényi növekedés, szervesanyag lebomlás, stb.) működésének leírását tehát a matematika, a fizika, vagy a kémia formanyelvét alkalmazó egyenletrendszerek szolgálják, amelyek adott kezdeti értékről induló megoldása adja a modellezett rendszer válaszát. Az agroökológia modellekben alkalmazott bonyolult differenciálegyenletek numerikus megoldása a számítás-, illetve a számítógép technika fejlődéséhez köthető. Ma a személyi számítógépek lehetővé teszik a számítógépes modellek használatát, és azok továbbfejlesztését.

A modellépítés és alkalmazás nem csupán azt jelenti, hogy a kutatók és a gyakorlati szakemberek egy kutatást segítő, illetve egy rákérdezést lehetővé tevő eszközzel gazdagodtak, hanem a modellépítő és alkalmazó egyúttal rákényszerül arra, hogy a vonatkozó tudományterület ismereteit és feltételezéseit összegyűjtse, rendszerezze és alkalmazza, illetve azok érvényességét ellenőrizze. A modellalkalmazás, vagy a modell-módszer előremutató ismérvei közül néhány:

  • a modellezett rendszer aktuális ismeretanyagának a feldolgozása;

  • az összetett rendszer egyes építőelemeinek egységes, működő egésszé történő összekapcsolása, az aktuális ismeretek szintetizálása;

  • az aktuális ismeretek és elméletek alapján a modellezett rendszer működéséről alkotott hipotézis, vagy hipotézis rendszer mennyiségi és mértékegységek szerinti igaz voltának ellenőrzése;

  • a tudományos ismeretek elfogadottsága alapján kutatási preferenciák kijelölése;

  • térben és időben előrejelzések készítése.

A modellezés, a modell-módszer általánosan alkalmazható minden tudományterületen. Az agroökológia modellek alkalmazása is rendkívül sokszínű és sokféle. Áttekintésünk a talajfolyamatokra, a növényi fejlődést leíró részmodellekre és a gazdálkodás részmodellekre terjed ki.

A globális klímaváltozás várható hatásainak előrejelzése a modell-módszer fejlődését a talajkörnyezeti, és a talajfejlődési folyamatok modellezhetősége érdekében siettette. A talajok kulcsszerepet játszanak az ökológiai rendszerek felépítésében és működésében egyaránt, részben kiegyenlítik, részben elszenvedik a globális változások hatásait. Annak érdekében, hogy a talaj ökológiai szerepe megérthető legyen, egyrészt magában a talajban lejátszódó folyamatokat, másrészt a talaj- és az ökológiai rendszer más elemei közti kapcsolatokat szükséges tisztázni. A talajnak, mint összetett, sok alkotórészből álló rendszer tanulmányozásának ez a rendszerszemléletű módja a talajtannak a kezdetektől fogva jellemzője. Megállapítható, hogy a 70-es évek végétől a laboratóriumi, és a szabadföldi kísérletek mellett a számítógépes modellezés, a szimulációs módszer az ismeretszerzés, ellenőrzés és előrejelzés eszközévé vált. A számítógépes modellhasználat nemcsak kutatási, hanem oktatási, szaktanácsadási és ismeretközlő eszközzé is vált.