Теоретическая производственная экология

Теоретическая производственная экология пытается количественно изучить рост сельскохозяйственных культур. Растение рассматривается как своего рода биологическая фабрика, которая перерабатывает свет, углекислый газ, воду и питательные вещества в части, пригодные для сбора урожая. Основными параметрами, которые учитываются, являются температура, солнечный свет, биомасса растений, распределение продукции растений, питательные вещества и водоснабжение.

• 1 Моделирование
  • 1.1 Процессы
  • 1.2 Параметры
• 2 Фазы роста культур
• 3 Существующие модели производства растений
  • 3.1 SUCROS
  • 3.2 ORYZA2000
  • 3.3 Другое модели
• 4 Ссылки
• 5 Дополнительная литература

Моделирование имеет важное значение в теоретической производственной экологии. Единицей моделирования обычно является урожай, совокупность растений на единицу стандартной площади. Результаты анализа для отдельного растения обобщаются на стандартную поверхность, например индекс площади листа - это площадь проекции всех листьев сельскохозяйственных культур над единицей площади земли.

Процессы

Обычная система описания производства завода разделяет производственный процесс завода как минимум на пять отдельных процессов, на которые влияют несколько внешних параметров.

Основу производства растений составляют два цикла биохимических реакций: световая реакция и темная реакция.

• В световой реакции поглощаются солнечные фотоны хлоропластами, которые расщепляют воду на электрон, протон и кислородный радикал, который рекомбинирует с другим радикалом и выделяется в виде молекулярного кислорода. Рекомбинация электрона с протоном дает носители энергии НАДН и АТФ. Скорость этой реакции часто зависит от интенсивности солнечного света, индекса площади листа, угла наклона листа и количества хлоропластов на единицу поверхности листа. Максимальная теоретическая валовая производительность при оптимальных условиях роста составляет приблизительно 250 кг на гектар в день.
• темновая реакция или цикл Кальвина связывает атмосферный углекислый газ. и использует НАДН и АТФ для преобразования его в сахарозу. Доступные НАДН и АТФ, а также температура и уровни углекислого газа определяют скорость этой реакции. Вместе эти две реакции называются фотосинтезом. Скорость фотосинтеза определяется взаимодействием ряда факторов, включая температуру, интенсивность света и углекислый газ.
• Произведенные углеводы транспортируются в другие части растения, такие как органы хранения, и превращаются во вторичные продукты, такие как как аминокислоты, липиды, целлюлоза и другие химические вещества, необходимые растениям или используемые для дыхания. Липиды, сахара, целлюлозу и крахмал можно производить без дополнительных элементов. Превращение углеводов в аминокислоты и нуклеиновые кислоты требует азота, фосфора и серы. Для производства хлорофилла требуется магний, в то время как для некоторых ферментов и коферментов требуется микроэлементы. Это означает, что поставка питательных веществ влияет на эту часть производственной цепочки. Водоснабжение имеет важное значение для транспорта, следовательно, оно также ограничивает.
• Центры производства, то есть листья, являются источниками, органы хранения, кончики роста или другие места назначения для фотосинтетического производства 34>тонет. Отсутствие раковин также может быть ограничивающим фактором для производства, например, в яблоневых садах, где насекомые или ночные морозы уничтожили цветы, и произведенные ассимиляты не могут быть превращены в яблоки. Двухлетние и многолетние растения используют накопленный крахмал и жиры в своих органах хранения для образования новых листьев и побегов в следующем году.
• Количество биомассы сельскохозяйственных культур и относительное количество Распределение биомассы по листьям, стеблям, корням и запасающим органам определяет скорость дыхания. Количество биомассы в листьях определяет индекс площади листа, который важен при расчете валовой площади.
• расширения этой базовой модели могут включать повреждение насекомыми и вредителями, пересечение, климатические изменения и т. д.

Параметры

Таким образом, важными параметрами в теоретических производственных моделях являются:

Климат

• Температура - Температура определяет скорость дыхания и темная реакция. Высокая температура в сочетании с низкой интенсивностью солнечного света означает большие потери при дыхании. Низкая температура в сочетании с высокой интенсивностью солнечного света означает, что НАДН и АТФ накапливаются, но не могут быть преобразованы в глюкозу, потому что темная реакция не может обработать их достаточно быстро.
• Свет - Свет, также называемый фотосинтетическим активным излучением (PAR) является источником энергии для роста зеленых растений. PAR приводит в действие световую реакцию, которая обеспечивает АТФ и НАДФН для превращения диоксида углерода и воды в углеводы и молекулярный кислород. Когда температура, влажность, углекислый газ и уровни питательных веществ оптимальны, интенсивность света определяет максимальный уровень производства.
• Уровни углекислого газа - атмосферный углекислый газ является единственным источником углерода для растений. Примерно половина всех белков в зеленых листьях используется с единственной целью - улавливать углекислый газ.

Хотя уровни CO 2 постоянны в естественных условиях [напротив, концентрация CO2 в атмосфере неуклонно растет в течение 200 лет], удобрение CO 2 является обычным явлением в теплицах и, как известно, увеличивает урожайность в среднем на 24% [конкретное значение, например, 24%, не имеет смысла без указания «низкого» и «высокого» «Сравниваются уровни CO2].

C4растения, такие как кукуруза и сорго, могут достигать более высокого урожая при высокой интенсивности солнечного излучения, поскольку они предотвращают утечку захваченного диоксида углерода за счет пространственного разделения улавливания углекислого газа и использования углекислого газа в темновой реакции. Это означает, что их фотодыхание почти равно нулю. Это преимущество иногда компенсируется более высокой частотой поддерживающего дыхания. В большинстве моделей для естественных культур уровни углекислого газа считаются постоянными.

Урожай

• Биомасса стоячей культуры - Неограниченный рост - это экспоненциальный процесс, что означает, что количество биомассы определяет производство. Поскольку увеличение биомассы подразумевает более высокое дыхание на единицу поверхности и ограниченное увеличение количества перехваченного света, рост сельскохозяйственных культур является сигмовидной функцией биомассы сельскохозяйственных культур.
• Распределение продукции растений - Обычно только часть общая биомасса растений состоит из полезных продуктов, например семена бобовых и злаков, клубни картофеля и маниоки, листья сизаля и шпинат и т. Д. Урожайность полезных частей растения будет увеличиваться, когда растение выделяет этим частям больше питательных веществ, например высокоурожайные сорта пшеницы и риса выделяют 40% своей биомассы на пшеницу и рисовые зерна, в то время как традиционные сорта достигают только 20%, таким образом удваивая эффективный урожай.

Различные органы растений имеют разную частоту дыхания, например У молодого листа частота дыхания намного выше, чем у корней, запасных тканей или стеблей. Существует различие между «дыханием роста» и «поддерживающим дыханием».

Должны присутствовать раковины, такие как развивающиеся плоды. Обычно они представлены дискретным переключателем, который включается после определенного условия, например.

Уход

• Водоснабжение - Поскольку растения используют пассивный транспорт для передачи воды и питательных веществ от корней к листьям, подача воды необходима для роста, даже если показатели эффективности использования воды известны разные культуры, например 5000 за сахарный тростник, что означает, что на каждый килограмм произведенного сахара требуется до 5000 литров воды.
• Обеспечение питательными веществами - Обеспечение питательными веществами оказывает двоякое влияние на рост растений. Ограничение подачи питательных веществ ограничит производство биомассы в соответствии с Законом минимума Либиха. В некоторых культурах несколько питательных веществ влияют на распределение растительных продуктов в растениях. азот, как известно, стимулирует рост листьев и, следовательно, может отрицательно сказаться на урожайности сельскохозяйственных культур, которые накапливают продукты фотосинтеза в органах хранения, таких как созревающие злаки или плодоносящие фруктовые деревья.

Теоретическая производственная экология предполагает, что рост обычных сельскохозяйственных культур, таких как зерновые и клубни, обычно состоит из четырех (или пяти) фаз:

• Прорастание - Агрономические исследования показали температуру зависимость времени прорастания (GT, в сутках). У каждой культуры есть уникальная критическая температура (CT, размерная температура) и сумма температур (размерная температура, умноженная на время), которые связаны следующим образом.

$GT\; =\; TS\; \sum \; k\; =\; 1\; N\; (T\; -\; T\; crit)\; \{\backslash \; displaystyle\; GT\; =\; \{\backslash \; frac\; \{TS\}\; \{\backslash \; sum\; \_\; \{k\; =\; 1\}\; ^\; \{N\}\; (T-T\; \_\; \{\backslash \; text\; \{crit\}\})\}\}\}$

Когда у культуры сумма температур, например 150 ° C · d и критическая температура 10 ° C, он прорастет через 15 дней при температуре 20 ° C и через 10 дней при температуре 25 ° C. Когда сумма температур превышает пороговое значение, процесс прорастания завершается.

• Начальный разброс - На этом этапе культура еще не покрывает поле. Рост урожая линейно зависит от индекса площади листьев, который, в свою очередь, линейно зависит от биомассы урожая. В результате рост урожая на этой фазе экспоненциальный.
• Общий охват поля - на этой фазе предполагается, что рост линейно зависит от падающего света и частоты дыхания, так как почти 100% всего падающего света приходится на перехвачено. Как правило, индекс площади листа (LAI) выше двух-трех на этой фазе. Эта фаза заканчивается, когда растение получает определенный внешний или внутренний сигнал и начинает генеративный рост (как в зерновых и бобовых) или фазу накопления (как в клубнях).
• Распределение по запасающим органам - в этой фазе, до 100% всей продукции направляется в запасающие органы. Как правило, листья остаются целыми, и в результате валовая первичная продукция остается прежней. Продлевая эту фазу, например при тщательном внесении удобрений, воды и борьбы с вредителями напрямую повышается урожай.
• Созревание - на этом этапе листья и другие производственные структуры медленно отмирают. Их углеводы и белки транспортируются в органы хранения. В результате LAI и, следовательно, первичная продукция снижается.

Модели производства растений существуют на разных уровнях (клеточный, физиологический, отдельное растение, культура, географический регион, global) и в целом: модель может быть применимой для конкретной культуры или более широко. В этом разделе упор будет сделан на модели на уровне культур, поскольку культура является основной областью интереса с агрономической точки зрения.

По состоянию на 2005 год используется несколько моделей растениеводства. Модель роста урожая SUCROS разрабатывалась более 20 лет и основана на более ранних моделях. Его последняя известная редакция датируется 1997 годом. IRRI и Университет Вагенингена недавно разработали модель роста риса ORYZA2000 . Эта модель используется для моделирования роста риса. Обе модели выращивания культур имеют открытый исходный код. Существуют и другие модели роста растений, более специфичные для конкретных культур.

SUCROS

SUCROS запрограммирован на компьютерном языке программирования Fortran. Модель может применяться и применялась для различных погодных режимов и культур. Поскольку исходный код Sucros является открытым исходным кодом, модель открыта для модификаций пользователей, имеющих опыт программирования FORTRAN. Официальная поддерживаемая версия SUCROS имеет две разновидности: SUCROS I, который обеспечивает неограниченный рост растений без подавления (что означает, что только солнечное излучение и температура определяют рост), и SUCROS II, в котором рост сельскохозяйственных культур ограничен только нехваткой воды.

ORYZA2000

Модель роста риса ORYZA2000 была разработана IRRI в сотрудничестве с Университетом Вагенингена. Эта модель тоже написана на ФОРТРАНЕ. Сфера применения этой модели ограничена рисом, который является основной продовольственной культурой в Азии.

Другие модели

Министерство сельского хозяйства США спонсировало ряд применимых моделей выращивания различных основных культур США, таких как хлопок, соевые бобы, пшеница и рис. Другие широко используемые модели - это предшественник SUCROS (SWATR ), CERES, несколько воплощений PLANTGRO, SUBSTOR, спонсируемых ФАО CROPWAT, AGWATER, специфическая модель эрозии EPIC и система земледелия CropSyst .

Менее механистическая модель роста и конкуренции, называемая Модель проводимости была разработана, в основном, в Warwick-HRI, Веллесборн, Великобритания. Эта модель имитирует перехват света и рост отдельных растений на основе бокового расширения зон их кроны. Конкуренция между растениями моделируется набором алгоритмов, связанных с конкуренцией за пространство и возникающим в результате перехватом света при закрытии навеса. Некоторые версии модели предполагают перекрытие одних видов другими. Хотя модель не может учитывать воду или минеральные питательные вещества, она может моделировать рост отдельных растений, изменчивость роста в растительных сообществах и межвидовую конкуренцию. Эта модель была написана в Matlab. См. Недавний обзор в Benjamin and Park (2007) Weed Research 47, 284–298.

• Теоретическая производственная экология, примечания колледжа, Вагенингенский сельскохозяйственный университет, 1990

• Вагенингенский университет, Нидерланды, Департамент теоретической производственной экологии
• Левенский университет, Бельгия, Департамент теоретической производственной экологии
• Сводная страница с моделями роста сельскохозяйственных культур, спонсируемых правительством США