ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧЕК БИФУРКАЦИИ В ФУНКЦИОНИРОВАНИИ СИСТЕМЫ «ПОЧВА – РАСТЕНИЕ – ВОЗДУХ»

DOI 10.12737/2073-0462-2023-94-101 УДК 631.5

Авторы

  • Иван Иванович Максимов Чувашский государственный аграрный университет, г. Чебоксары, Россия
  • Марат Назипович Калимуллин Казанский государственный аграрный университет, г. Казань, Россия.
  • Евгений Петрович Алексеев Чувашский государственный аграрный университет, г. Чебоксары, Россия
  • Алексей Анатольевич Васильев Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, г. Княгинино, Россия
  • Никита Владимирович Максимов Чувашский государственный аграрный университет, г. Чебоксары, Россия

Ключевые слова:

бифуркация, точки бифуркации, рост растений.

Аннотация

На сегодняшний день известен ряд математических моделей роста растений, разработанных отечественными и зарубежными ученными. Однако вопросы определения точек бифуркации, возникающих при функционировании системы «растение – почва – воздух» (Р – П – В) рассмотрены не достаточно. Применительно к вопросам, рассматриваемым в статье, точка бифуркации – это критическое состояние подсистемы «растение», при котором она становится неустойчивой относительно флуктуаций природно-климатических условий (засуха, заморозки, продолжительные дожди и др.) и возникает неопределённость в развитии растений (дальнейший рост или их гибель), а также интенсивный рост растений в результате проведения соответствующих технологических операции. Для контроля и оперативного управления формированием урожая сельскохозяйственных культур желательно знать бифуркационные точки, определяемые биологическим временем роста растений и чрезвычайными погодными ситуациями. Поэтому основная цель исследований – аналитическое определение точек бифуркации, наблюдаемых в процессе вегетации растений. Подсистема «растение» в точке бифуркации может находиться одновременно в двух или более состояниях. В результате анализа полученных аналитических зависимостей различных возможных состояний системы Р – П – В, предложено подразделять бифуркации на отрицательные и положительные. Получен метод определения точек бифуркации при функционировании системы Р – П – В. В природно-климатических условиях критические ситуации могут возникнуть при недостаточных приходящих субстанциях на систему Р – П – В, таких как светообеспеченность, влагообеспеченность, теплообеспеченность, пищеобеспеченность и газообеспеченность растений. В результате аналитических исследований определены точки бифуркации в системе Р – П – В, зависящие от радиационного баланса (R), формирующийся на подстилающей поверхности, склонов различной экспозиции и крутизны и коэффициентов, характеризующих свето-, влаго-, тепло-, пище- и газообеспеченность растений.

Литература

 1. Журавлева В.В. Математические модели процессов регуляции в физиологии растений // Известия Алтайского государственного университета. 2008. № 1 (57). С. 43-57.

 2. Bessonov N., Volpert V. Dynamical Models of Plant Growth. Mathematics and Mathematical modeling. // Mathematics Subject Classification. 2000. P. 63. URL: http://math.univ-lyon1.fr/~volpert/plant.pdf (дата обращения: 21.04.2023).

 3. Marasco А., Giannino F. Modelling competitive interactions and plant–soil feedback in vegetation dynamics // Ricerche di Matematica. 2020. 69(1). URL: https://link.springer.com/article/10.1007/s11587-020-00497-6 (дата обращения: 21.04.2023). doi: 10.1007/s11587-020-00497-6.

 4. Smithers E.T., Luo J., Dyson R.J. Mathematical principles and models of plant growth mechanics: from cell wall dynamics to tissue morphogenesis // Journal of Experimental Botany. 2019. Vol. 70. No. 14. P. 3587–3600. doi: 10.1093/jxb/erz253.

 5. Mathematical Modeling of the Dynamics of Shoot-Root Interactions and Resource Partitioning in Plant Growth / C. Feller, P. Favre, A. Janka, et al. // Plos one. 2015. 10(7). URL: https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0127905 (дата обращения: 21.04.2023). doi: 10.1371/journal.pone.0127905.

 6. Арнольд В.И. Теория катастроф. М.: Наука, 1990. 128 с.

 7. Prigogine I., Wiame J. M. Biologie et thermodynamique des phenomenes irreversibles // Experientia. 1946. Vol. 2. Nо. 11. P. 451-453.

 8. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур. М.: Мир, 2002. 461 с.

 9. Розен Р. Принцип оптимальности в биологии. М.: Мир, 1969. 215 с.

 10. Kaur D. Bifurcation induced by delay parameter in plant growth dynamics // J. Phys.: Conf. Ser. 2022. URL: https://www.iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/2267/1/012031 (дата обращения: 21.04.2023). doi: 10.1088/1742-6596/2267/1/012031

 11. Модели продукционного процесса сельскохозяйственных культур / Р.А. Полуэктов, Э.И. Смоляр, В.В. Терлеев и др. // СПб.: изд-во С-Петерб. ун-та, 2006. 396 с.

 12. Agrotool - a system for crop simulation / R. A. Poluektov, S. M. Fintushal, I. V. Oparina, et al. // Archives of Agronomy and Soil Science. 2002. Vol. 48(6). P. 609-635.

 13. Towards a mathematical model of plant growth / I. Maksimov, A. Apaseev, V. Maksimov, et al. // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Cheboksary. 2021. URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/935/1/012031/pdf (дата обращения: 21.04.2023). doi: 10.1088/17551315/935/1/012031.

 14. Функционирование системы «Растение-почва-воздух» / И.И. Максимов, В.И. Максимов, С.А. Васильев и др. // Энергосберегающие агротехнологии и техника для северного земледелия и животноводства: монография / под общей редакцией В.А. Сысуева. Киров: ООО «Кировская областная типография», 2018. С. 54-62.

 15. Применение элементов Fuzzy Logic при оценке влагообеспеченности в системе растение-почвавоздух / В. В. Алексеев, И. И. Максимов, М. В. Семенов и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2018. Т. 13. № 2(49). С. 62-66. doi: 10.12737/article_5b3504cd1487c7.23114959.

 16. Росс Ю.К. К математическому описанию роста растений // Доклады Академии наук СССР. 1966. Т. 171. №2. С. 481-483.

 17. Обоснование параметров контроля подстилающей поверхности агроландшафтов склоновых земель / С. А. Васильев, И. И. Максимов, А. А. Петров и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2018. Т. 13. № 1(48). С. 108-112. doi: 10.12737/article_5afafe45b3a5e9.59496141.

 18. Нерпин С.В., Чудновский А.Ф. Энерго- и массообмен в системе растение - почва - воздух. - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1975. 358 с.

 19. Изменение термических ресурсов вегетационного периода и урожайность яровой пшеницы в условиях Среднего Поволжья / А. Р. Сержанова, М. Ю. Гилязов, Ф. Ш. Шайхутдинов и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2023. Т. 18. № 1(69). С. 38-44. doi: 10.12737/2073-0462-2023-3844

 20. Густота посева, полевая всхожесть и структура урожая яровой пшеницы в зависимости от сорта и предпосевной обработки семян / Л. Г. Шашкаров, Г. А. Мефодьев, А. А. Балыкин и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2019. Т. 14. № S4-1(55). С. 132-136. doi: 10.12737/2073-04622020-132-136.

 21. Анализ погодных условий в связи с возделыванием озимой пшеницы в лесостепной зоне Зауралья / Е. А. Филиппова, Н. Ю. Банникова, Л. Т. Мальцева и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2022. Т. 17. № 1(65). С. 32-37. doi: 10.12737/2073-0462-2022-32-37.

 22. Прогнозирование влияния физических факторов на жизнеспособность микроорганизмов биопрепаратов для защиты растений / Р.Ф. Сабиров, А.Р. Валиев, Р.И. Сафин и др. // Техника и оборудование для села. 2020. № 4 (274). С. 29-33. doi: 10.33267/2072-9642-2020-4-29-32.

 23. Влияние глубины посадки клубней на чистую продуктивность фотосинтеза растений картофеля / Л. Г. Шашкаров, Я. М. Григорьев, А. А. Самаркин и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2018. Т. 13. № 1(48). С. 33. doi: 10.12737/article_5afbffb4ccf610.58065722.

 24. Сабиров, Р.Ф., Валиев А.Р., Мухамадьяров Ф.Ф. Определение дисперсности распыливания рабочего раствора биопрепарата // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2022. Т. 17. № 1 (65). С. 77-82. doi: 10.12737/2073-0462-2022-77-82.

 25. Шаваров С.Ю., Кругликов Н.А. Всхожесть семян укропа после барообработки // Тезисы докладов XXII Всероссийской школы-семинаров по проблемам физики конденсированного состояния вещества памяти М.И. Куркина (СПФКС-22). Екатеринбург: ИФМ УрО РАН, 2022. С. 292.

 26. Теоретическое обоснование минимальной высоты падения сферической зерновки в раствор протравливателя / В. А. Сысуев, В. Е. Саитов, В. Г. Фарафонов и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2020. Т. 15. № 2(58). С. 125-132. doi: 10.12737/2073-0462-2020-125-132.

 27. Сабиров Р. Ф., Валиев А. Р., Мухамадьяров Ф. Ф. Обоснование конструктивно-технологических параметров устройства для обработки семян биопрепаратами // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2021. Т. 16. № 3(63). С. 84-89. doi: 10.12737/2073-0462-2021-84-89.

 1. Zhuravleva VV. [Mathematical models of regulation processes in plant physiology]. Izvestiya Altaiskogo gosudarstvennogo universiteta. 2008; 1 (57). 43-57 p.

 2. Bessonov N, Volpert V. Dynamical models of plant growth. Mathematics and Mathematical modeling. [Internet]. Mathematics subject classification. 2000; 63 p. [cited 2023, April 21]. Available from: http://math.univ-lyon1.fr/~volpert/plant.pdf.

 3. Marasco A., Giannino F. Modelling competitive interactions and plant-soil feedback in vegetation dynamics. Ricerche di Matematica. 2020; 69(1). [cited 2023, April 21]. Available from: https://link.springer.com/article/10.1007/s11587-020-00497-6. doi: 10.1007/s11587-020-00497-6.

 4. Smithers ET, Luo J, Dyson RJ. Mathematical principles and models of plant growth mechanics: from cell wall dynamics to tissue morphogenesis. Journal of Experimental Botany. 2019; Vol.70. 14. 3587-3600 p. doi: 10.1093/jxb/erz253.

 5. Feller C, Favre P, Janka A. Mathematical modeling of the dynamics of shoot-root interactions and resource partitioning in plant growth. [Internet]. Plos one. 2015; 10(7). [cited 2023, April 21]. Available from: https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0127905. doi: 10.1371/journal.pone.0127905.

 6. Arnol'd VI. Teoriya katastrof. [Theory of catastrophes]. Moscow: Nauka. 1990; 128 p.

 7. Prigogine I, Wiame JM. Biologie et thermodynamique des phenomenes irreversibles. Experientia. 1946; Vol.2. 11. 451-453 p.

 8. Prigozhin I, Kondepudi D. Sovremennaya termodinamika. Ot teplovykh dvigatelei do dissipativnykh struktur. [Modern thermodynamics. From heat engines to dissipative structures]. Moscow: Mir. 2002; 461 p.

 9. Rozen R. Printsip optimal'nosti v biologii. The principle of optimality in biology M.: Mir, 1969. 215 p.

 10. Kaur D. Bifurcation induced by delay parameter in plant growth dynamics. [Internet]. J. Phys.: Conf. Ser. 2022. [cited 2023, April 21]. Available from: https://www.iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/2267/1/012031. doi: 10.1088/1742-6596/2267/1/012031

 11. Poluektov RA, Smolyar EI, Terleev VV. Modeli produktsionnogo protsessa sel'skokhozyaistvennykh kul'tur. [Models of the production process of agricultural crops]. SPb.: izd-vo S-Peterb. un-ta. 2006; 396 p.

 12. Poluektov RA, Fintushal SM, Oparina IV. Agrotool - a system for crop simulation. Archives of Agronomy and Soil Science. 2002; Vol.48(6). 609-635 p.

 13. Maksimov I, Apaseev A, Maksimov V. Towards a mathematical model of plant growth. [Internet]. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Cheboksary. 2021; [cited 2023, April 21]. Available from: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/935/1/012031/pdf. doi: 10.1088/1755-1315/935/1/012031.

 14. Maksimov II, Maksimov VI, Vasil'ev SA. Funktsionirovanie sistemy “Rastenie-pochva-vozdukh”. Energosberegayushchie agrotekhnologii i tekhnika dlya severnogo zemledeliya i zhivotnovodstva: monografiya. [Functioning of “Plant-soil-air” system. Energy-saving agricultural technologies and equipment for northern agriculture and animal husbandry: monograph]. pod obshchey redaktsiey V.A.Sysueva. Kirov: OOO “Kirovskaya oblastnaya tipografiya”. 2018; 54-62 p.

 15. Alekseev VV, Maksimov II, Semenov MV. [Application of Fuzzy Logic elements in the assessment of moisture supply in the plant-soil-air system]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2018; Vol.13. 2(49). 62-66 p. doi: 10.12737/article_5b3504cd1487c7.23114959.

 16. Ross YuK. [To the mathematical description of plant growth]. Doklady Akademii nauk SSSR. 1966; Vol.171. 2. 481-483 p.

 17. Vasil'ev SA, Maksimov II, Petrov AA. [Substantiation of control parameters for the underlying surface of agrolandscapes of sloping lands]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2018; Vol.13. 1(48). 108-112 p. doi: 10.12737/article_5afafe45b3a5e9.59496141.

 18. Nerpin SV, Chudnovskiy AF. Energo- i massoobmen v sisteme “Rastenie-pochva-vozdukh”. [Energy and mass transfer in the “Plant-soil-air” system]. Leningrad: Gidrometeoizdat. 1975; 358 p.

 19. Serzhanova AR, Gilyazov MYu, Shaykhutdinov FSh. [Changes in the thermal resources of the growing season and spring wheat productivity in the conditions of Middle Volga]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2023; Vol.18. 1(69). 38-44 p. doi: 10.12737/2073-0462-2023-38-44.

 20. Shashkarov LG, Mefod'ev GA, Balykin AA. [Sowing density, field germination and yield structure of spring wheat depending on the variety and presowing seed treatment]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2019; Vol.14. S4-1(55). 132-136 p. doi: 10.12737/2073-0462-2020-132-136.

 21. Filippova EA, Bannikova NYu, Mal'tseva LT. [Analysis of weather conditions in connection with winter wheat cultivation in the forest-steppe zone of the Trans-Urals]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2022; Vol.17. 1(65). 32-37 p. doi: 10.12737/2073-0462-2022-32-37.

 22. Sabirov RF, Valiev AR, Safin RI. [Prediction of the influence of physical factors on the viability of microorganisms of biological products for plant protection]. Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2020; 4 (274). 29-33 p. doi: 10.33267/2072-9642-2020-4-29-32.

 23. Shashkarov LG, Grigor'ev YaM, Samarkin AA. [Influence of tuber planting depth on the net productivity of photosynthesis of potato plants]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2018; Vol.13. 1(48). 33 p. doi: 10.12737/article_5afbffb4ccf610.58065722.

 24. Sabirov RF, Valiev AR, Mukhamad'yarov FF. [Determination of dispersity of spraying the working solution of a biological product]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2022; Vol.17. 1(65). 77-82 p. doi: 10.12737/2073-0462-2022-77-82.

 25. Shavarov SYu, Kruglikov NA. [Germination of dill seeds after pressure treatment]. Tezisy dokladov XXII Vserossiiskoy shkoly-seminarov po problemam fiziki kondensirovannogo sostoyaniya veshchestva pamyati M.I.Kurkina (SPFKS-22). Ekaterinburg: IFM UrO RAN. 2022; 292 p.

 26. Sysuev VA, Saitov VE, Farafonov VG. [Theoretical substantiation of the minimum height of the fall of a spherical grain into the dressing solution]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2020; Vol.15. 2(58). 125-132 p. doi: 10.12737/2073-0462-2020-125-132.

 27. Sabirov RF, Valiev AR, Mukhamad'yarov FF. [Substantiation of the design and technological parameters of a device for seed treatment with biological preparations]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2021; Vol.16. 3(63). 84-89 p. doi: 10.12737/2073-0462-2021-84-89.

Загрузки

Опубликован

2026-07-27

Как цитировать

Максимов, И. И., Калимуллин, М. Н., Алексеев, Е. П. ., Васильев, А. А., & Максимов, Н. В. (2026). ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧЕК БИФУРКАЦИИ В ФУНКЦИОНИРОВАНИИ СИСТЕМЫ «ПОЧВА – РАСТЕНИЕ – ВОЗДУХ»: DOI 10.12737/2073-0462-2023-94-101 УДК 631.5 . Вестник Казанского государственного аграрного университета, 18(2). извлечено от http://vestnik-kazgau.ru/index.php/vestnik/article/view/329