WYKORZYSTANIE METOD STATYSTYCZNYCH W BADANIACH INSTYTUTU UPRAWY NAWOŻENIA I GLEBOZNAWSTWA PIB W PUŁAWACH Stanisław Krasowicz Seweryn Kukuła Instytut Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa PIB ul. Czartoryskich 8 24-100 Puławy ABSTRACT S. Krasowicz, S. Kukuła 2006. Use of statistical methods in the research of the Institute of Soil Science and Plant Cultivation State Research Institute in Pulawy. The paper presents major trends in the application of statistical methods in agricultural research. At the IUNG statistical methods are used to plan experiments, interpret the results of field trials, analyse the changes in crop production and distinguish agricultural regions. It was proved that statistical methods are particularly important to quantify agricultural relations and to assess the results objectively. KEY WORDS: statistical methods, agricultural relations, agricultural research, experiments, agricultural regions SŁOWA KLUCZOWE: metody statystyczne, zależności, badania rolnicze, doświadczenia, regiony rolnicze Metody statystyczne są wykorzystywane w różnych ogniwach gospodarki żywnościowej, obecnie nazywanej agrobiznesem (Zbiorowa 2005). Jedną z placówek naukowych pracujących na rzecz rolnictwa i gospodarki żywnościowej jest Instytut Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa, powołany w roku 1950, podległy Ministrowi Rolnictwa i Rozwoju Wsi. Instytut jest spadkobiercą blisko 150 lat tradycji Puław jako ośrodka nauk rolniczych. W ośrodku tym zawsze przywiązywano dużą wagę do wykorzystania metod statystycznych w badaniach rolniczych. Zakres tego wykorzystania był pochodną realizowanej tematyki badawczej, a także wyposażenia ułatwiającego obliczenia. W ramach działalności statutowej IUNG prowadzi prace naukowe, badawczo-rozwojowe, wdrożeniowe i upowszechnieniowe obejmujące uprawę roślin, żyzność gleby oraz rozpoznanie i ochronę przestrzeni rolniczej. Działalność instytutu obejmuje organizacyjno-ekonomiczne uwarunkowania produkcji roślinnej, zasady gospodarki płodozmianowej, agrometeorologię i rejonizację produkcji roślinnej, systemy nawożenia i uprawy roli oraz ekologię i zwalczanie chwastów, a także opracowanie i doskonalenie technologii produkcji zbóż, strączkowych, roślin pastewnych na gruntach ornych oraz problemy
hodowli i agrotechniki chmielu i tytoniu. Ważnym nurtem działalności jest kształtowanie środowiska rolniczego Polski. W roku 2005 IUNG uzyskał status państwowego instytutu badawczego. Obok działalności statutowej IUNG realizuje program wieloletni Kształtowanie środowiska rolniczego Polski oraz zrównoważony rozwój produkcji rolniczej, ustanowiony przez Radę Ministrów na lata 2005-2010. W ramach programu wieloletniego IUNG-PIB realizuje 18 zadań o charakterze służb publicznych. Zadania te dotyczą zrównoważonego rozwoju produkcji roślinnej oraz kształtowania środowiska rolniczego Polski. Ich realizacja wymaga gromadzenia, analizy i przetwarzania dużej liczby informacji, pochodzących w różnych źródeł. W okresie 55 lat funkcjonowania IUNG odegrał dużą rolę w kreowaniu postępu w produkcji roślinnej w Polsce oraz w zakresie kształtowania przestrzeni rolniczej (Kukuła 2003). Realizacja tej misji wymagała prowadzenia szerokiej i wielokierunkowej działalności doświadczalnej, gromadzenia i przetwarzania dużej liczby informacji, a co się z tym wiąże także wykorzystania metod statystycznych. Celem opracowania jest przedstawienie głównych kierunków wykorzystania metod statystycznych w badaniach IUNG. Generalnie można stwierdzić, że metody statystyczne były wykorzystywane do planowania doświadczeń polowych oraz opracowania ich wyników, analizy stanu aktualnego i perspektyw produkcji roślinnej oraz do wyznaczania regionów rolniczych, wyodrębnianych ze względu na różne kryteria: przyrodnicze, organizacyjne i ekonomiczne. Każdy z tych obszarów zastosowań charakteryzuje się określoną specyfiką, która decyduje o wyborze i zakresie wykorzystania metod statystycznych. W badaniach dotyczących produkcji roślinnej cennym źródłem informacji są doświadczenia polowe. Weryfikują one wyniki badań podstawowych, oceniają ich przydatność dla praktyki w różnych warunkach środowiskowych oraz rozszerzają wiedzę o oddziaływaniu czynników agrotechnicznych na żyzność gleby, produktywność roślin oraz jakość uzyskiwanych surowców roślinnych. Analiza działalności IUNG w dłuższym okresie czasu wykazała, że cele badań doświadczalnych zmieniały się. Przez długi okres priorytetem było zwiększanie produkcyjności rolnictwa, a ochrona środowiska przyrodniczego była traktowana marginesowo. Aktualnie, przy powszechnej społecznej akceptacji koncepcji rozwoju zrównoważonego badania koncentrują się na obniżaniu ilości stosowanych środków chemicznych, ograniczaniu strat azotanów i fosforanów spływających do wód, ochronie różnorodności biologicznej i naturalnych siedlisk. Zaistniała potrzeba porównań różnych systemów gospodarowania, opartych na kryteriach produkcyjnych, ekonomicznych i ekologicznych (Krasowicz, Harasim 2001). Ważne znaczenie mają badania polowe dotyczące sterowania łanem oraz przewidywania wysokości i kształtowania jakości uzyskiwanego plonu. Obok tego prowadzone są prace nad rozpoznaniem nowych właściwości roślin uprawnych takich jak odporność na herbicydy, zmiana cech
jakościowych, odporność na patogeny i tolerancja na stres. Istotne znaczenie mają również badania dotyczące bezpieczeństwa żywnościowego. Ze względu na rodzaj problemu, będącego przedmiotem badań prowadzonych w IUNG, wyróżnia się doświadczenia czynnikowe, regresyjne i czynnikowo-regresyjne (Filipiak 2005). Taki podział doświadczeń decyduje o stosowaniu różnych metod statystycznych do opracowania wyników. W doświadczeniach czynnikowych wykorzystuje się statystyczne testy istotności, w regresyjnych metody korelacji i regresji, a w czynnikowo-regresyjnych korzysta się zarówno z pierwszych jak i drugich. Specyfika badanych problemów decyduje o rodzajach prowadzonych doświadczeń. Wśród doświadczeń prowadzonych w IUNG najliczniejszą grupę stanowią doświadczenia nawozowe. Zdaniem Filipiak (2005), zgodnie z teorią doświadczalnictwa, badania dotyczące zmian żyzności gleby powinny być prowadzone na podstawie wieloletnich doświadczeń statycznych. Natomiast badania wpływu czynników plonotwórczych na plon i jego cechy jakościowe najczęściej są realizowane w jednorocznych lub krótkotrwałych doświadczeniach nawozowych. Według Filipiak (2005) polowe doświadczenie nawozowe powinno być zaplanowane i przeprowadzone tak, aby uzyskany materiał dał możliwie największy zasób informacji przy najmniejszym nakładzie kosztów, w najkrótszym, akceptowalnym z punktu widzenia wiarygodności wyników czasie. Zasada ta stanowi ważny wyznacznik działalności doświadczalnej IUNG, w której zwraca się uwagę na jak najszersze wykorzystanie doświadczeń, między innymi, poprzez prowadzenie badań interdyscyplinarnych. (Zbiorowa 2005) wykazał, że istnieje duże opóźnienie Polski w porównaniu do większości krajów Unii Europejskiej w zakresie plonów głównych roślin uprawnych. Świadczy to o zbyt słabym zaawansowaniu technologicznym polskiego rolnictwa, a jednocześnie wskazuje na istotne znaczenie badań agrotechnicznych, prowadzonych przez instytuty resortowe. Aby wyniki doświadczeń mogły być skutecznie wykorzystane np. do doskonalenia technologii produkcji roślinnej lub systemów doradztwa muszą być poddane ocenie statystycznej. Do statystycznej oceny wyników badań eksperymentalnych IUNG najczęściej są wykorzystywane następujące metody: analiza wariancji przedziały ufności analiza korelacji i regresji analiza wielozmienna. W działalności eksperymentalnej IUNG relatywnie dużo miejsca zajmują doświadczenia nawozowe. W IUNG od wielu lat są prowadzone wieloletnie, statyczne doświadczenia polowe dokumentujące produkcyjne i ekologiczne skutki stosowania nawozów organicznych i mineralnych. Jednak obecnie przywiązuje się dużą wagę do krótkotrwałych doświadczeń nawozowych. Celem tych doświadczeń jest dostosowanie wielkości, formy, terminu i techniki stosowania nawozów do potrzeb pokarmowych i nawozowych roślin uprawnych oraz utrzymania lub podwyższenia żyzności, a zwłaszcza zasobności
gleb w przyswajalne formy składników pokarmowych. Do prowadzenia tego typu badań skłaniają takie czynniki jak: wprowadzanie nowych gatunków i odmian roślin, nowych technologii produkcji, nowych nawozów i środków ochrony roślin, pojawienie się nowych, alternatywnych kierunków wykorzystania surowców roślinnych. Doświadczenia takie, obok celu poznawczego, mogą stanowić podstawę formułowania zaleceń praktycznych, a więc wspierania decyzji rolników oraz doradców. IUNG zaleca producentom-rolnikom technologie produkcji roślinnej o zróżnicowanej intensywności produkcji, różniące się poziomem zużycia środków plonotwórczych (nawozy, nasiona) i plonochronnych (środki ochrony roślin). Do oceny celowości ekonomicznej intensyfikacji produkcji stosuje się rachunek marginalny. Porównanie przyrostu efektu jakim jest wartość plonu ( P) z przyrostem kosztów ( K) związanych z zastosowaniem technologii (zabiegu) o wyższej intensywności pozwala na ocenę racjonalności ekonomicznej. Należy jednak podkreślić, że w związku z dużą dynamiką zmian cen i ich relacji obliczenia oparte na prostej formule przyrostów krańcowych wymagają stałej aktualizacji (Krasowicz 2003). Charakterystycznymi dla produkcji roślinnej są: duża liczba czynników decydujących o poziomie plonu i jego cechach jakościowych oraz istnienie współdziałań i sprzężeń. W badaniach eksperymentalnych IUNG metody statystyczne spełniają następujące funkcje: wskazują na istnienie różnego rodzaju zależności i wpływów; umożliwiają wskazanie oddziaływań istotnych; określają siłę oddziaływania poszczególnych czynników i ich grup (współzależność); pozwalają na uporządkowanie cech, uwzględnianych przy analizie wielozmiennej według ich ważności (hierarchii); umożliwiają wyeliminowanie z dalszych obliczeń zmiennych najsłabiej dyskryminujących; pozwalają na przedstawienie zależności w formie modelu matematycznego (ekonometrycznego); umożliwiają porównanie dopasowania różnych modeli. Stosowanie wielu różnorodnych metod z zakresu statystyki matematycznej przy opracowaniu wyników badań eksperymentalnych wymaga od pracowników naukowych IUNG gruntownej znajomości badanego zagadnienia, wiedzy w zakresie podstaw doświadczalnictwa polowego i statystyki matematycznej, a także współpracy ze specjalistą-statystykiem. Drugim obszarem wykorzystania metod statystycznych w badaniach IUNG-PIB są analizy stanu aktualnego i perspektyw produkcji poszczególnych ziemiopłodów w Polsce, gospodarki nawozowej, wykorzystania potencjału rolniczej przestrzeni produkcyjnej itp. Podstawowymi źródłami informacji do tego typu analiz są dane statystyczne, krajowe i międzynarodowe, oraz dane zgromadzone w ramach istniejącego w IUNG zintegrowanego systemu informacji o przestrzeni rolniczej. Do celów oceny wykorzystuje się proste testy statystyczne, miary zmienności, wskaźniki dynamiki i struktury, indeksy, analizę szeregów czasowych. Do najczęściej stosowanych należą badania zmian powierzchni zasiewów, plonów i zbiorów głównych ziemiopłodów oraz analiza zmian zużycia nawozów. Analiza szeregów czasowych polega
na badaniu zmian, jakim podlegają w czasie zjawiska istotne z punktu widzenia gospodarki żywnościowej. Ta grupa metod statystycznych umożliwia diagnozę stanu aktualnego produkcji roślinnej, wyznaczenie kierunków i tempa zmian, zakresu zmienności. Wyniki takich analiz są przydatne do realizacji zadań współtworzących program wieloletni, ustanowiony dla IUNG jako PIB na lata 2005-2010. Umożliwiają one przygotowanie raportów i ekspertyz, stanowiących wsparcie dla decyzji Ministerstwa Rolnictwa i Rozwoju Wsi. Pozwalają też na ocenę skutków realizowanej polityki wobec rolnictwa i obszarów wiejskich. Trzecim obszarem wykorzystania metod statystycznych w badaniach IUNG są prace związane z wyodrębnianiem regionów rolniczych. W IUNG opracowano metodykę wyznaczania regionów rolniczych z wykorzystaniem metod wielozmiennych. Metodyka ta opiera się na założeniu, że o regionalnym zróżnicowaniu rolnictwa decyduje wiele różnych czynników, o różnej sile oddziaływania ( Krasowicz 2003). Przegląd metod analizy wielozmiennej prezentowanych w literaturze, pozwolił na wybór analizy skupień jako metody mającej rozległe możliwości zastosowania w badaniach regionalnych rolnictwa i obszarów wiejskich. Stwierdzono, że główną zaletą metody analizy skupień jest takie grupowanie obiektów (analizowanych jednostek administracyjnych), że elementy należące do danego skupienia charakteryzują się największym podobieństwem pod względem analizowanych cech. Mankamentem metody jest konieczność podjęcia subiektywnej decyzji odnośnie liczby skupień, jaką mają utworzyć badane obiekty. Za bardzo przydatną z punktu widzenia celu badań uznano analizę czynnikową. Za jej pomocą spośród dużej liczby zmiennych można wyodrębnić grupy cech o podobnym (zbliżonym) charakterze. Następnie dla każdej z tych grup można wyznaczyć czynniki najbardziej charakterystyczne, pozwalające opisać kilka uwarunkowań (zmiennych) za pomocą jednego lub dwóch o największej sile oddziaływania. Opracowana metodyka była dostosowywana do specyfiki analizowanego zjawiska, kierunku produkcji oraz stopnia szczegółowości analizy. Jej ramy wyznaczały następujące działania: a) wybór, spośród posiadanego zbioru informacji, cech charakteryzujących dane zjawisko oraz jego uwarunkowania; b) charakterystyka statystyczna wybranych zmiennych (głównych i objaśniających); c) określenie zależności między analizowanymi zmiennymi, z wykorzystaniem rachunku korelacji i regresji oraz analizy czynnikowej; d) wyznaczenie regionów zróżnicowanych ze względu na dane kryterium (daną cechę) z wykorzystaniem metody hierarchicznej Ward a (analiza skupień); e) charakterystyka wyodrębnionych regionów na podstawie najsilniej oddziaływujących cech (zmiennych);
f) porównanie wskaźników dla wyodrębnionych regionów (subregionów) z układem odniesienia np. średnią dla kraju. Badaniami objęto szereg zagadnień współdecydujących o zróżnicowaniu regionalnym polskiego rolnictwa. Wyodrębniono, między innymi, regiony zróżnicowane ze względu na wykorzystanie rolniczej przestrzeni produkcyjnej, produkcję roślinną, zwierzęcą, intensywność organizacji i intensywność gospodarowania, produkcję mleka, produkcję pszenżyta, bilans składników pokarmowych. Na podkreślenie zasługuje możliwość wykorzystania metod analizy wielozmiennej do wyznaczania obszarów o niekorzystnych warunkach gospodarowania (ONW). Obszary te zostały wyodrębnione według kryteriów zaproponowanych przez IUNG. W wyniku uwzględnienia zarówno cech przyrodniczych jak i demograficznych oraz ekonomiczno-organizacyjnych do obszarów ONW włączono ponad 50% powierzchni kraju, zamiast proponowanych przez Komisję Europejską 13%. O regionalnym zróżnicowaniu w większym stopniu decydują czynniki ekonomiczno-organizacyjne (struktura agrarna, udział użytków rolnych we władaniu gospodarstw indywidualnych) niż warunki przyrodnicze. Przykładem może być analiza zależności dotyczących regionalnego zróżnicowania produkcji mleka. W analizie tej do określenia siły oddziaływania różnych czynników wykorzystano analizę czynnikową. Wyodrębnione 3 grupy czynników objaśniają łącznie 76,7% zmienności całego układu. Należy jednak podkreślić, że wpływ czynników strukturalno-ekonomicznych jest większy (objaśniają one 42,4% zmienności) niż przyrodniczych i agrotechnicznych, które łącznie objaśniają 34,3% zmienności. Przykładem zastosowania analizy skupień są regiony zróżnicowane ze względu na wykorzystanie potencjału produkcyjnego rolnictwa (rys.1). Wykorzystanie to oceniano za pomocą trzech kryteriów: globalnej produkcji roślinnej w jednostkach zbożowych z ha użytków rolnych, plonów zbóż i intensywności organizacji. Region 1 posiadający najlepsze warunki przyrodnicze zajmuje też pierwsze miejsce ze względu na poziom produkcji roślinnej z ha. Natomiast region 3, charakteryzujący się zbliżonymi do średnich dla kraju warunkami przyrodniczymi, wyróżnia się najwyższą intensywnością organizacji produkcji i relatywnie wysoką intensywnością gospodarowania. Czwarta grupa województw realizuje model ekstensywnej organizacji produkcji (uprawa zbóż i oleistych) przy stosunkowo wysokiej intensywności gospodarowania. W regionie 2 wyraźnie dostrzec można ograniczające oddziaływanie struktury agrarnej na poziom wykorzystania potencjału produkcyjnego. Natomiast 5 grupa województw realizuje model: dość intensywna organizacja produkcji, zwłaszcza zwierzęcej, przy ogólnie niskim poziomie nakładów.
Potencjał produkcyjny polskiego rolnictwa, zdeterminowany jakością rolniczej przestrzeni produkcyjnej, jest w sposób zróżnicowany wykorzystywany w różnych regionach Polski. Wyodrębnione za pomocą analizy skupień grupy województw charakteryzują się szeregiem cech wspólnych, uwypuklających specyfikę rolnictwa w różnych częściach Polski. Przeprowadzone badania wykazały, że wyodrębnione za pomocą metod statystycznych regiony rolnicze mogą (i powinny) być podstawą różnicowania zaleceń technologicznych i systemów doradztwa. Aktualne i przewidywane perspektywicznie zróżnicowanie regionalne polskiego rolnictwa stanowi ważną przesłankę prac nad doskonaleniem metodyki wyodrębniania regionów rolniczych. W pracach tych należy uwzględniać zróżnicowaną siłę oddziaływania różnych grup uwarunkowań oraz występujące między nimi zależności i sprzężenia zwrotne. Niezbędny jest także dobór odpowiednich, ale jednocześnie łatwych do zastosowania metod statystycznych i ekonometrycznych. Badania wykazały, że metody analizy wielozmiennej ułatwiają wyodrębnianie regionów zróżnicowanych ze względu na ważne, z punktu widzenia rolnictwa, kryteria i zjawiska. Jednocześnie stwierdzono, że województwa są jednostkami o zbyt dużej powierzchni i dużym zróżnicowaniu rolnictwa. Celowe jest więc wykorzystanie opracowanej metodyki do dokonywania podziałów w obrębie województw. Warunkiem ich efektywnego stosowania są pełne, wiarygodne i reprezentatywne dane statystyczne.
PODSUMOWANIE W analizie zwrócono uwagę na wybrane problemy, akcentując wykorzystanie metod statystycznych na tle badań IUNG. Metody statystyczne odgrywają znaczącą rolę w badaniach rolniczych. Pozwalają one na ilościowe przedstawienie oddziaływania różnych czynników i ich współdziałania na plony i ich cechy jakościowe. Ważne znaczenie ma też określenie siły oddziaływania poszczególnych czynników i ich grup oraz ich uszeregowanie. Analizy stanu aktualnego i prognoz (scenariuszy) produkcji roślinnej oparte na wykorzystaniu metod statystycznych stanowią źródło informacji przydatnych do zarządzania gospodarką żywnościową (agrobiznesem). Natomiast wykorzystanie metod statystycznych w badaniach nad regionalnym zróżnicowaniem rolnictwa obiektywizuje podziały na regiony. Generalnie można stwierdzić, że metody statystyczne wzmacniają rolę placówek naukowych jako ogniwa agrobiznesu, obiektywizując ich opinie i oceny. Metody te są integralną częścią badań rolniczych wspierających gospodarkę żywnościową. LITERATURA Filipek T. 2005. Wartość naukowa i aplikacyjna krótkotrwałych polowych doświadczeń nawozowych. Fragmenta Agronomica 1(85), 356-365. Filipiak K. 2005. Jednoroczne i krótkotrwałe doświadczenia nawozowe. Fragmenta Agronomica 1(85), 375-387. Filipiak K., Wilkos S. 1998. Wybrane metody analizy wielozmiennej i ich zastosowanie w badaniach przestrzennych. IUNG Puławy, R(349). Krasowicz S. 2003. Wykorzystanie metod wielozmiennych do wyznaczania regionów rolniczych. Warszawa, Poznań, Koszalin, Rocz. Nauk. SERiA, V, 5, 81-85. Krasowicz S., Harasim A. 2001. Problemy ekonomii i ekologii w badaniach rolniczych w latach 1989-2000 (na przykładzie IUNG). Roczniki Naukowe SERiA, t.3, z.6, 7-10. Kukuła S. 2003. Miejsce IUNG w kreowaniu postępu w produkcji roślinnej. Wieś Jutra, 1, 19-21. Zbiorowa pod red. B. Klepackiego 2005. Procesy przystosowawcze przedsiębiorstw agrobiznesu do gospodarki rynkowej. Wyd. Wieś Jutra, Warszawa. Summary Stanisław Krasowicz, Seweryn Kukuła Use of statistical methods in the research of the Institute of Soil Science and Plant Cultivation State Research Institute in Pulawy
The Institute of Soil Science and Plant Cultivation in Pulawy is involved in research dealing with sustainable development of crop production, management of agricultural area and the regional differentiation of agriculture in Poland. The role and importance of statistical methods used in the IUNG s research apply to the following areas: experiment planning and interpretation of the results; analysis of the current situation and production perspectives for the major field crops; delimitation of agricultural areas and the regions differing in some agricultural activities and features. The variety of research being conducted at the IUNG affects the choice and range of statistical methods. These are proper, accurate and reliable data that determine the effective use of statistical methods in agricultural research aimed at supporting the decisions related to food economy. The paper concluded that, considering the complexity of some statistical methods, it would be advisable to broaden the co-operation between research teams and statisticians.