Model roślinny

Teoretyczne podstawy
modelowania wzrostu
i rozwoju roślin

Bogdan Kulig
Ogólna koncepcja konstrukcji
modelu wzrostu i rozwoju roślin
W uproszczonym modelu można przyjąć, że
wielkość plonu jest funkcją biomasy i indeksu
żniwnego (HI) - równania (1-2).
Plon = f(biomasa, HI)
(1)
gdzie: biomasa = f(wzrost, rozwój);
HI = f(stres, właściwości genetyczne) (2)
Biomasa
O wielkości biomasy decyduje przebieg
wzrostu i rozwoju roślin. Wzrost roślin
jest funkcją warunków siedliskowych i
właściwości genetycznych roślin.
Główne determinanty plonu zostaną podzielone na
umowne grupy. W każdej z tych grup badacz musi
wyodrębnić wiele charakteryzujących ją parametrów
(np. właściwości plonotwórcze gatunków i odmian
uwarunkowane właściwościami genetycznymi mogą
zawierać od kilku do kilkudziesięciu parametrów w
zależności od złożoności modelu) lub wprowadzić
dane o warunkach produkcji (dane i parametry
charakteryzujące właściwości fizykochemiczne gleby i
warunki klimatyczne).
Indeks żniwny


Indeks żniwny (współczynnik plonowania
rolniczego) jest wskaźnikiem wyrażającym udział
plonu użytecznego w całkowitej biomasie, w praktyce
ze względu na trudności oznaczenia masy korzeni
określenie jego wartości sprowadza się do określenia
udziału plonu użytecznego w części nadziemnej
roślin.
Wartość tak określanego indeksu kształtuje się
najczęściej w przedziale 0,2-0,6. Oprócz właściwości
genetycznych na jego wielkość wpływają czynniki
stresowe.
Główne cechy rośliny uprawnej wpływające na
produkcyjność roślin dzielą się na anatomiczno
morfologiczne i metaboliczno fizjologiczne (Piskornik
1986)
Do pierwszej grupy zaliczmy m.in.
 pokrój rośliny,
 budowa i właściwości optyczne blaszki
liściowej,
 liczba i rozmieszczenie aparatów
szparkowych,
 kąt ustawienia liści i ich rozmieszczenie na
łodydze,
 powierzchnia asymilacyjna
 rodzaj i wielkość systemu korzeniowego
1
Cechy metabolicznofizjologiczne, np.:








Spośród czynników klimatycznych najważniejszymi
elementami warunkującymi produkcyjność roślin są:
długość okresu wegetacji,
typ fostosyntezy (rośliny C3 i C4),
intensywność oddychania i fotooddychania,
sprawność transportu asymilatów,
sprawność gromadzenia związków
organicznych w organach spichrzowych,
gospodarka wodna rośliny,
tempo wzrostu,
szybkość starzenia się liści i całej rośliny.
Szczególnie istotne czynniki
glebowe to:





Mechanistyczne







skład granulometryczny gleby,
zawartość substancji organicznej,
dostępność wody glebowej,
odczyn gleby,
zasobność w makro- i mikroelementy,
zanieczyszczenia gleby i wody glebowej
składnikami fitotoksycznymi.
temperatura,
stężenie CO2,
promieniowanie słoneczne,
wilgotność powietrza,
wiatr.

Modele mechanistyczne oparte na określeniu
fotosyntezy brutto łanu zależnej od promieniowania
fotosyntetycznie czynnego docierającego do łanu,
temperatury, dostępności wody, wielkości
powierzchni liści, stężenia dwutlenku węgla,
wydajności fotosyntetycznej pojedynczych liści i wielu
czynników stresowych.
Ilość wytworzonych asymilatów (fotosynteza brutto)
jest pomniejszana o wielkość oddychania bytowego.
Modele te pracują z dziennym lub nawet mniejszym
krokiem czasowym. Ten sposób obliczeń zawarty jest
w wielu modelach opracowanych na Uniwersytecie
Rolniczym w Wageningen (ryc. 1).
Ryc. 1. Schemat ogólny modelu WOFOST [Boogaard i in. 1998,
zmodyfikowany]
Warunki meteorologiczne
Wykorzystanie PAR
Opisowe
Tp

Potencjalna asymilacja
brutto
Dostępna woda
glebowa (AWC)
Aktualna asymilacja
brutto
Ta

Oddy chanie
bytowe
Oddy chanie
wzr ostowe
Asy milacja netto

Faza rozwoj owa
Rozdział asy milatów
LAI
Korzeni e
Łodygi
Liście
Drugie podejście – opisowe – opiera się na
współczynniku wykorzystania światła,
określanym najczęściej jako LUE (ligth use
efficiency) lub RUE (radiation use efficiency).
Ilość promieniowania docierającego do łanu
jest przy użyciu współczynnika konwersji
przeliczana bezpośrednio na ilość
wytworzonych węglowodanów.
Ta metoda wykorzystana jest w wielu
modelach, takich jak: CropSyst, DSSAT,
APSIM, LINTUL i in.
Organy uż ytkowe
2
Ogólny schemat bezpośredniego obliczania dobowej produkcji biomasy na podstawie
współczynnika wykorzystania światła (RUE) i ilości docierającego do łanu promieniowania
słonecznego
Zakres wartości RUE dla wybranych roślin
w modelu CropSyst [Stöckle i in. 2003]
(LAI-wskaźnik powierzchni liściowej, procesy oznaczone liniami przerywanymi nie są
uwzględniane w modelu)
Rodzaj
Jęczmień, owies
Groch
Żyto
Soja
Pszenica
Trawy
Kukurydza, sorgo
Współczynnik konwersji energii
na biomasę nadziemną
(g MJ-1)
Rośliny C3
2,3 - 2,7
2,0 - 2,5
2,3 - 2,7
2,0 - 2,5
2,0 - 3,0
2,5
Rośliny C4
3,5 - 4,0
Rozdział asymilatów


Końcowym rezultatem obu przedstawionych
sposobów modelowania jest uzyskanie masy
węglowodanów, która może być
rozdysponowana do rosnących organów
rośliny.
Rozdział asymilatów odbywa się na podstawie
empirycznie ustalonych współczynników
rozdziału (partycji), których wartość może się
zmieniać w zależności od stadium
rozwojowego.
Wielkość biomasy rozumianej jako plon części nadziemnej
roślin uwarunkowana jest przebiegiem wzrostu i rozwoju
roślin w określonych warunkach środowiska.
Wzrost i rozwój roślin są funkcją warunków siedliskowych i
właściwości genetycznych roślin (3-4).
Wzrost = f(środowisko, właściwości genetyczne)
Rozwój = f(środowisko, właściwości genetyczne)
(3)
(4)
WŁAŚCIWOŚCI GENETYCZNE
gdzie:
środowisko = f (temperatura,
promieniowanie, CO2, fotoperiod, dostępność
wody i składników pokarmowych, stresy
biotyczne)
(5)
właściwości genetyczne = f(gatunek,
odmiana)
(6)


Ważną właściwością genetyczną roślin jest maksymalna
wydajność fotosyntetyczna łanu, większa u gatunków
należących do roślin C4 (70 kg CO2 · ha-1 [liści] h-1) niż C3
(40 kg CO2 · ha-1 [liści] h-1) , ale zmieniająca się w
zależności od gatunku, odmiany i fazy rozwojowej.
Inną istotną właściwością genetyczną roślin jest długość
okresu wegetacji (wyrażona sumą temperatur efektywnych)
i reakcja fotoperiodyczna odmian uprawianych w różnych
strefach geograficznych, np. odmiany soi i kukurydzy
uprawiane w różnych strefach klimatycznych.
3
CZYNNIKI ABIOTYCZNE I
BIOTYCZNE


Do głównych abiotycznych czynników stresowych
należy zaliczyć nadmiar lub niedobór wody i
składników pokarmowych (głównie azotu i fosforu).
Biotyczne czynniki stresowe wyraża się reakcją
roślin na stopień zachwaszczenia, porażenie przez
choroby czy nasilenie występowania szkodników.
Na obecnym etapie rozwoju modeli, tylko nieliczne
uwzględniają redukujący wpływ tychże czynników
na wielkość plonu.
Podstawowymi danymi meteorologicznymi
wymaganymi w modelowaniu wzrostu i rozwoju
roślin są:




temperatura powietrza (maksymalna i minimalna),
całkowite promieniowanie słoneczne (napromienienie),
prędkość wiatru,
wilgotność względna lub prężność pary wodnej w godzinach
rannych i inne.
Najlepsze efekty modelowania osiągniemy wtedy, gdy
dysponujemy wartościami dobowymi tych danych
metorologicznych. W Polsce, ze względu na rzadką sieć stacji
aktynometrycznych, często brakuje danych charakteryzujących
wielkość promieniowania całkowitego. Dysponując innymi
parametrami meteorologicznymi możemy uzupełnić brakujące
dane, jak również uzupełniać dane w przypadku awarii
automatycznej stacji meteorologicznej.
Czynniki determinujące rozwój
roślin


Rozwój roślin jest kontrolowany przez podobną grupę
czynników jak wzrost.
Większość modeli przy określaniu rozwoju roślin
wykorzystuje metodę sumy temperatur efektywnych
tzw. „stopniodni” (degree-day). Najważniejsze
czynniki środowiskowe w tym procesie obejmują
temperaturę i długość dnia.
Dane odnośnie sumy stopniodni wymagane dla
osiągnięcia poszczególnych faz rozwojowych
wprowadzone do modelu są charakterystyczne dla
gatunku i odmiany.
Przykład pliku dziennych wartości danych meteorologicznych dla modelu WOFOST
*–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––*
* Stacja / Station name: Polska, Prusy koło Krakowa
* Rok / Year: 2001
* ...
* Uwagi / Comments: Stacja HARDI Metpole
* Longitude / Długość geograficzna: 20 05 E,
* Latitude / Szerokość geograficzna: 50 08 N,
* Altitude / Wysokość n.p.m.: 260 m,
* Column / Kolumny: Wartości dzienne / Daily value
* 1
station number / numer stacji
* 2
year / rok
* 3
day of year / dzień roku
* 4
irradiation / napromienienie
[kJ· m–2 · d –1]
* 5
minimum temperature / temperatura minimalna [oC]
* 6
maximum temperature / temperatura maksymalna [oC]
* 7
early morning vapour pressure / prężność pary wodnej [kPa]
* 8
mean wind speed / średnia prędkość wiatru
[m · s–1]
* 9
precipitation / opady
[mm · d–1]
*
** WCCDESCRIPTION = Polska, Prusy koło Krakowa
** WCCFORMAT = 2
** WCCYEARNR = 2001
*––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––*
20.05
50.08
260
0
0
4 2001 1 2875 –6.5 –1.5 0.338 1.33 0.0
4 2001 2 2650 –7.2 1.4 0.320 3.33 0.2
4 2001 3 1895 –4.5 1.2 0.394 2.33 10.1
4 2001 4 2552 1.1 5.0 0.595 2.00 0.0
4 2001 5 2753 –1.5 3.6 0.492 1.67 0.3
4 2001 6 2685 1.8 8.2 0.626 1.00 0.0
4 2001 7 1963 2.5 6.2 0.658 1.33 0.0
4 2001 8 1984 1.9 3.2 0.630 1.67 4.8
4 2001 9 2256 0.5 3.6 0.570 1.33 1.0
Podstawowe dane glebowe odnoszą się do
właściwości fizycznych i chemicznych gleby.


Do estymacji wielkości promieniowania
całkowitego można również wykorzystać program
RadEst dostępny na stronach internetowych
ISCI, zawierający cztery formuły estymacji
dziennych wartości promieniowania całkowitego:
Bristowa-Campbella, Campbella-Donatellego,
Donatellego-Bellociego oraz DCBB [Donatelli i in.
2003, (ryc. 12)].
Program oblicza również ewapotranspirację
wskaźnikową według formuł Penmana-Monteitha
lub Priestleya-Taylora.
Niektóre modele traktują glebę w sposób uproszczony –
przyjmując, że jej profil jest jednorodny pod względem tekstury,
w innych dla każdej warstwy gleby należy wprowadzić dane o:

składzie granulometrycznym gleby,

właściwościach wodnych (krzywa pF, przewodnictwo
hydrauliczne gleby nasyconej),

gęstość właściwą gleby,

albedo i inne.
W modelach, które obliczają produkcję limitowana niedoborem
składników pokarmowych należy także wprowadzić dane o
zasobności gleby w przyswajalne formy składników
pokarmowych.
4
SoilPar 2.0 jest programem służącym do
szacowania wybranych parametrów glebowych
wykorzystywanych w modelach wzrostu i
rozwoju roślin
Parametry
Program umożliwia:
1) gromadzenie informacji o właściwościach
gleby w bazie danych,
2) obliczanie wybranych parametrów
hydrologicznych gleby z wykorzystaniem 15
różnych metod,
3) statystyczne i graficzne porównywanie
wartości zmierzonych i estymowanych,
4) tworzenie map z wykorzystaniem formatu
ESRI (*.shp).
Rozbudowane modele roślinne np. EPIC, CERES czy
WOFOST wymagają od użytkownika zdefiniowania
około:

ponad 50 parametrów roślinnych,
 25 parametrów opisujących warunki glebowe,
 a także około 40 różnych parametrów
charakteryzujących np. zabiegi agrotechniczne.
Ponadto trzeba uwzględnić 5-6 zmiennych
meteorologicznych opisujących warunki klimatyczne.
Pytania kontrolne
OBLICZANIE „HI”




Scharakteryzuj ogólną koncepcję tworzenia
modelu wzrostu i rozwoju roślin.
Co to jest współczynnik plonowania
rolniczego?
Scharakteryzuj grupy czynników
wpływających na wzrost i rozwój roślin.
Omów dwa podstawowe sposoby obliczania
wielkości biomasy.
1.
2.
Oblicz HI dla następujących danych: plon
ziarna 5,5 t/ha; plon słomy 5 t/ha.
Oblicz plon ziarna: HI=0,45; plon
biomasy nadziemnej 12 t/ha.
5