A növényi modell felépítése. A növényi produkció és fejlődés nélkülözhetetlen. tényező. De Vries et al. (1989) produkciós-modellek típusai

Átírás

1 A növényi modell felépítése holt Sugárzás Tp/Ta Gyökér (élő) Légzés önfenntartó Fényhasznosítás Bruttó potenciális fotoszintézis Aktuális bruttó fotoszintézis Növekedés (szárazanyag) Elosztás Levélterület 3 szint, vegetáció hossza Légzés növekedéshez A növényi produkció és fejlődés nélkülözhetetlen tényezői Fotoszintetikusan aktív energia Hőmérséklet Levegő Víz Tápanyag holt Szár (élő) Raktározó szerv (élő) Levél (élő) holt A növényi produkciót befolyásoló tényezők Agrotechnika: Talajművelés Trágyázás Vetés Gyomosság Növényi betegségek és kártevők De Vries et al. (1989) produkciós-modellek típusai 1.típus: A növekedési sebesség csak a fejlődési állapottól (fenofázistól) és a napsugárzástól, valamint a hőmérséklettől függ, a termőhelynek nincs víz- és tápanyaghiánya. 2.típus: A növekedési sebességet már a vízellátottság is (felvehetőség) limitálja. 3.típus: A növekedési sebességet már a nitrogénhiány is limitálja. 4.típus: A növekedési sebességet a növekedési ciklus egy részében stressztényezők, tápanyaghiány (pl. elégtelen foszforellátottság, vagy más tápanyag hiánya), valamint egyéb károsító tényezők is alakítják. Produkciós modellek felépítése A növényi növekedés és fejlődés érzékenysége a stresszre (Ritchie, 1991) Fő környezeti tényező A fajták változékonysá ga Víz stressz Nitrogén stressz Tömeg Napsugárzás (energia) légzés Mérsékelt levélfonnyadás és sodródás Növekedés Kiterjedéses (térfogat, LAI) Hőmérséklet Magas a vegetatív, alacsony a szemtelítődés stádiumában Magas Fázisos (fiziológia) Hőmérséklet, Fotoperiódus Magas Csekély késés a vegetatív stádiumban Fejlődés Morfológiai Hőmérséklet szár/törzs, több mellékhajtás és ág szár/törzs, több mellékhajtás és ág ható tényezők 1

2 A modellezett folyamatok NÖVÉNY Fejlődés (fázisos) Növekedés Levélfelület Asszimiláció, elosztás Biomassza Gyökerezés sűrűsége Transzspiráció Nitrogén felvétel, eloszlás stb. A növényi fejlődés Fázisos A kukorica fejlődési fázisai 1. Vetéstől csírázásig 2. Csírázástól kelésig 3. Keléstől juvenilis fázis végéig, virágindukció 4. Levélnövekedés végéig, virágzás 5. Szemtelítődés 6. Fiziológiai érés, fekete réteg 7. Betakarítás Mitől függ a fejlődési fázis hossza? Napok száma Hőmérséklet Hőösszeg: az elmélet szerint egy fejlődési fázis mindig azonos hőösszeg Q 10 : tíz fok hőmérséklet emelkedés mennyivel gyorsítja a fejlődést? A hőidő fogalma Az ötödik levél hosszúsága különböző hőmérsékleteken Mértékegysége: o Cnap T a : a levegő napi átlagos hőmérséklete T b : bázis hőmérséklet, ami alatt nincs fejlődés ható tényezők 2

3 Q10 Az ötödik levél fejlődése és növekedése kukoricánál A fejlődés sebessége a hőmérséklet függvényében A levélnövekedési ráta alakulása a hőmérséklet függvényében A biológiai óra A kukorica levélzetének fejlődése Kukorica: egy levélrügy 21 Cnap alatt indukálódik levélcsúcs megjelenése 39 Cnap múlva 6 levélrügy már csira állapotban 8 levelesen végső levélszám tudható ható tényezők 3

4 A nappalhosszúság hatása a levelek számára (kukorica) A nóduszok száma a nappalhosszúság függvényében A kukorica fejlődés modellezése START ISTAGE=7 OLVASÁS AZ IDŐJÁRÁS FÁJLBÓL VÉGE A FÁJLNAK? IGEN STOP NEM ISTAGE ÉRTÉKE? NEM VETÉS NAPJA? ISTAGE = 7 SIND IGEN ISTAGE = 8 ISTAGE = 9 >45? >P1? SIND> 1.0? >P3? >170? >0,95xP5? >P5? ISTAGE = 1 ISTAGE = 2 ISTAGE = 3 ISTAGE = 4 ISTAGE = 5 ISTAGE = 6 ISTAGE = 7 CUMDTT=0 TLNO ÉS P3 =0 =0 Csírázás A vetés napjától meg kell keresni, hogy milyen mélyen vetettünk. A kezdő gyökér mélység egyenlő a vetés mélységével. Nedvesség vizsgálat abban a rétegben, ahol a mag található. Ha a mag körül a nedvességtartalom kisebb vagy egyenlő a holtvíztartalommal a csírázás nem indul meg. ha sokáig tart a szárazság a mag elpusztul, nem csírázik ki. Ez 40 nap a CERES modellben. Ha csírázás beindult ezt már nem lehet visszafordítani, irreverzibilis folyamat. Kelés A koleoptil növekedéséhez szükséges hőidő számítása: a csíra megjelenése a talajfelszínen a hőmérséklettől függ, 5 cm-es vetésmélység esetén 45 C nap szükséges a keléshez. Túl mély vetés esetén a koleoptil nem tud a felszínre törni, ez a modellben 22,5cm, azaz 150 C nap. Bázis hőmérséklet: 10 C. ható tényezők 4

5 Juvenilis szakasz A hibrid sajátosságainak megfelelő genetikai paraméter határozza meg ennek a szakasznak a hosszát. Juvenilis kor hossza C nap (pl. 155). Címer kezdemény idejének és a maximális levélszám meghatározása A címerkezdemény indukciót a hasznos hőösszeggel nem lehet pontosan meghatározni, mivel ezt a fotoperiódus is befolyásolja. A kukorica rövid nappalos növény, 12,5 óránál kisebb vagy egyenlő nappali megvilágítás mellett az indukcióhoz négy nap szükséges. Ennél hosszabb megvilágítás esetén ez az időtartam hosszabb lesz. A hosszabbodás mértéke erősen hibrid függő. Hosszú nappali megvilágítás esetén, pl. 16 óra, az indukcióhoz 6 nap kell. Az indukció időtartamának növekedésével a maximális levélszám is nő. 75%-os nővirágzás, levélnövekedés vége A tenyészőcsúcson indukálódott összes levélnek meg kell jelennie. Egy levél megjelenéséhez 38.9 Cnap szükséges. Az első két levél megjelenéséhez viszont 96 Cnap kell. Az effektív szemtelítődés kezdete A nővirágzástól az effektív szemtelítődésig, hibridtől függetlenül 170 Cnap-ra van szükség. Itt kell meghatározni az egy csövön lévő szemek számát. Mivel legtöbb modellben egy növényen egy cső fejlődik, ezért a csövek száma egyenlő a növények számával. Meg kell határozni a meddő szemek számát, amihez a csőnövekedési modellre is szükség van. A csőnövekedést a hőösszeg és a felvehető nitrogén befolyásolja. A felvehető nitrogént a potenciálisan felvehető nitrogén mennyisége és a talaj aktuális nedvességtartalma határozza meg. Az effektív szemtelítődés vége Az effektív szemtelítődés vége a hibrid genetikai sajátosságától függ, a P5 paraméterben megadott hőidő függvényében. Amikor ennek 95%-át eléri a fejlődés során, a szemtelítődés befejeződik. A szemtelítődéshez szükséges hőidő (pl. 800 Cnap). A fiziológiai érés A fiziológiai érés a P5 genetikai paraméterben megadott hőidő eltelte után következik be. Ha a napi átlaghőmérséklet 2 C-nál kisebb, további feltételek nélkül is egyből a fiziológia érés stádiumába kerül a növény. ható tényezők 5

6 Összes termés A növényi növekedés A növényi növekedés sebessége A zöldtömeg sugárzáskioltása 1. Határfeltételek: függőleges világítás, a vízszintes levelek véletlenszerűen jelennek meg egymástól függetlenül. Nincs levélborítás, a sugárzás 100%-a eléri a talajt. A besugárzott terület 1m 2. W : Növekedés sebessége (kg szárazanyag ha -1 nap -1 ) A : Bruttó asszimiláció sebessége (kg CH 2 O ha -1 nap -1 ) R m : Önfenntartó légzés sebessége (kg CH 2 O ha -1 nap -1 ) C e : Asszimiláták átalakításának hatékonysága (kg szárazanyag kg -1 CH 2 O) A sugárzás talajra érkező hányada: P t = 1-LAI Ha egyetlen levél van, akkor a LAI egyetlen levél területét jelenti. A sugárzás növényre érkező hányada: GC = 1-(1-LAI) A zöldtömeg sugárzáskioltása 2. Két levél esetén az egy levélre jutó levélterület: A zöldtömeg sugárzáskioltása 3. Ha a levelek száma nagyon sok: A sugárzás talajra érkező hányada (P t ): A sugárzás növényre érkező hányada (GC): Ha a levelek α szöget zárnak be a szárral: A sugárzás talajra érkező hányada: n számú levél esetén az egy levélre jutó levélterület: A sugárzás növényre érkező hányada: szár T talaj ható tényezők 6

7 A növénnyel borított felszín albedójának kiszámítása Nyílt és zárt növényállományok SALB a talaj, PALB a növény albedója. Mi az elsődleges sugárzáselnyelő közeg? talaj vagy növény? Kiemelés után: vagy (CERES) Zárt állomány, ha a növény. Nyilt állomány, ha a talaj. Zárt növényállomány Ha a LAI > 3. (régi meghatározás). A zöld levél tulajdonságai átbocsátás GF < 0.05 ha a direkt sugárzás 5%-nál kisebb valószínűséggel éri el a talajt, a nyílások gyakorisága kisebb, mint visszaverődés elnyelés Forrás: Monteith, 1973 Sugárzás a növényállományban GRAD 100% Lombozat: albedó 23,75% elnyelés 47,50% áteresztés 23,75% Talaj: albedó 0,65% elnyelés 4,35% Egy levél tulajdonságai: albedó 0,25 elnyelés 0,50 áteresztés 0,25 LAI = 3 Csupasz talajfelszín albedója 0,13 A m CO 2 (kg ha -1 h -1 ) Fény-fotoszintézis kapcsolata A L ε I a (PAR W m -2 ) ható tényezők 7

8 A napi szárazanyag-termelés A növényállomány napi bruttó CO 2 asszimilációjának mértéke A növényállomány pillanatnyi bruttó CO 2 asszimilációja A kukorica (Zea mays L.) levélterülete és asszimilációs teljesítménye virágzás után Levélszint LAI Asszimiláta mennyisége szervesanyagban Felső 26% 40% Középső 42% 35% Alsó 32% 25% Forrás: LÁNG G. (1976) Gauss integrálás Napmagasság az óra függvényében t h : A kiválasztott időpont (óra) D : Nappalhosszúság (óra) p : Gauss-féle integrálási pontok (-) β : Napmagasság (fok) σ : Deklináció (fok) λ : Szélességifok (fok) t h : A kiválasztott időpont (óra) A napi bruttó CO 2 asszimiláció CO 2 asszimiláció sebessége burgonyánál (Chapmann) A d. Összes bruttó asszimiláció (kg ha -1 nap -1 ) D : Nappalhosszúság (óra) A c : Pillanatnyi bruttó asszimiláció (kg ha -1 óra -1 ) ható tényezők 8

9 A fotoszintézis függése a fejlődési fázistól A fotoszintézis függése a nappali hőmérséklettől A nappali hőmérséklet ( C) Éjszakai hőmérséklet ( C) Szénhidrát képződés Bruttó napi szénhidrát képződés R d1 : Bruttó napi szénhidrát képződés (víz stressz nélkül) [kg ha -1 d -1 ] A d1 : Bruttó napi CO 2 asszimilációs ráta (az alacsony hőmérséklettel korrigálva [kg ha -1 d - 1 ] ható tényezők 9

10 Transzspiráció Önfenntartó légzés R d : Bruttó napi szénhidrát képződés[kg ha -1 d -1 ] R d1 : Bruttó napi szénhidrát képződés (víz stressz nélkül) [kg ha -1 d -1 ] T a : Tényleges párolgás [mm d -1 ] T p : Potenciális párolgás [mm d -1 ] R m,r : Önfenntartó légzés 25 C-on (referencia) [kg ha -1 d -1 ] C m,i : A növényi szerv légzési koefficiense [kg ha -1 d -1 ] W i : A növényi szerv szárazanyag-tömege [kg ha -1 ] i : Levelek, raktározó szervek, szár, gyökér Az önfenntartó légzés hőmérséklet függése A növekedési légzés R m,t : Önfenntartó légzés T C-on [kg ha -1 d -1 ] R m,r : Önfenntartó légzés 25 C-on (referencia) [kg ha -1 d - 1 ] Q 10 : A légzés relatív növekedése 10 C-onként T : Napi átlaghőmérséklet [ C] T,r : Referencia hőmérséklet (25 C) [ C] R g : Növekedési légzés [kg ha -1 d -1 ] R d : Napi szénhidrát termelés [kg ha -1 d -1 ] R m,t : Önfenntartó légzés T C-on [kg ha -1 d -1 ] A szárazanyag szétosztása A LAI és a fényhasznosítás közötti összefüggés C e : Az asszimiláták átalakításának hatékonysága az egész növényre [kg kg -1 ] C e,i : A szervek átalakításának hatékonysága [kg kg -1 ] pc i : Az i szerv szétosztási együtthatója [kg kg -1 ] i : Levél (lv), raktározó szervek (so), szár (st) rt : gyökér ható tényezők 10

11 A levélszám és LAI közötti összefüggés A tenyészidő és levélterület közötti összefüggés A kukoricacső növekedése Az egy csövön található magok száma (kukorica) A genetikai haladás hatása az egy csövön lévő szemek számára Talaj-növény-atmoszféra modellek ható tényezők 11

12 Talaj-növény-atmoszféra modellek 1. H. Bossel (Németország) által kifejlesztett, a növényi növekedést a víz és a nitrogén ellátás limitációjára építő dinamikus szimulációs modell. Nyolc növény: búza, kukorica, burgonya, répa, borsó/bab, repce, lucerna (gyep). CERES Modeling plant and soil systems, John Hanks, J. T. Ritchie, Madison, Wisconsin USA Neve: Crop- Environment Resource Syntesis GROPGRO, Jones, szója, földi mogyoró, bab, később Hoogenboom G. foglalta össze egy általános hüvelyes modellbe DAISY soil plant system simulation model WOFOST Hollandia, Wageningen. A validálás Kenyában, Zambiában, Délkelet-Ázsiában és a Fülöp szigeteken folyt. SUCROS HYSWASOR, P. Koorevar és Dirksen, Department of Water Resources Wageningen Agricultural University Talaj-növény-atmoszféra modellek 2. SOIL model, Uppsala (1991, július 2.) Per-Erik Jansson, Department of Soil Sciences, P.O.Box 7014, S Uppsala, Sweden EPIC, széleróziós modell. J. R. Williams és munkatársai (1984) dolgoztak ki, szintén Blackland Kutató Központban, itt is fejlesztik tovább. Döntéstámogató rendszerek: DSSAT Decision Support System for Agrotechnology Tansfer. A CERES és CROPGRO modelleket a 10 évig működő IBSNAT project fogta össze a Hawaii Egyetemen. A rendszer egybefogta a modelleket, közös input, output formátum és adatbázis által, valamint a futások eredményeinek tárolására és grafikai megjelenítésre alkalmas környezetbe helyezte CERES Kezelések, beállítások Input adatok ellenőrzése, induló feltételek Output gyakoriságok beállítása Időjárási adatok Talajhőmérséklet, víz, nitrogén inicializálás Időjárási adatok Talajhőmérséklet számítása Nitrogén átalakulás Vízmérleg számítás Növekedés rutin Fenológiai fázisok Érés, outputok ciklus Búza Kukorica Árpa Köles Rizs Cirok Szárazbab Borsó (magyar) Szója Növények? Földi mogyoró Csicseri borsó Burgonya Cukornád Paradicsom Napraforgó Legelő, rét Input paraméterek WOFOST A növény genetikai tulajdonságai Időjárási adatok Talajtulajdonságok Agrotechnikai jellemzők Időzítő (timer) Időjárás Növény növekedése Vízmérleg ható tényezők 12

13 Problémák Differenciál egyenletek numerikus közelítései, megoldásai Biológiai folyamatok sztochasztikus leírása Idő- és térbeli lépték (skálahiba) Részfolyamatok egymáshoz kapcsolása Határfeltételek definiálása A 4M modell 1. NEDVESSÉGFORGALOM evaporáció transzspiráció felszíni vízelfolyás beszivárgás kapilláris vízemelés 2. NITROGÉNFORGALOM nitrogénmozgás mineralizáció nitrifikáció denitrifikáció nitrogénfelvétel 3. NÖVÉNYI FEJLŐDÉS ÉS NÖVEKEDÉS fenológia asszimiláció asszimiláták elosztása szeneszcencia biomassza-gyarapodás A 4M modell vázlatos működése ható tényezők 13