МОДЕЛІ ПРОДУКЦІЙНОГО ПРОЦЕСУ РОСЛИН

Однією з найбільш просунутих областей в математичної екології є моделювання продукційного процесу рослин. Це визначається практичною значущістю таких моделей для оптимізації агрокультури і тепличного господарства. Тут математичні моделі використовуються для вибору оптимальної стратегії проведення сільськогосподарських заходів: зрошення, поливу, внесення добрив, вибору термінів посіву або посадки рослин з метою отримання максимального врожаю. Для повністю контрольованого тепличного господарства можлива побудова моделі, яка описує весь цикл процесів при заданих умовах. Тоді за допомогою моделі оптимальний «рецепт» управління культурою може бути заданий повністю на весь час вегетації.

Якщо ж моделюється посів у відкритому грунті, на який впливають непередбачувані погодні умови, агро- біоценоз потребує оперативному управлінні, для нього використовуються динамічні моделі, що допускають оперативну зміну параметрів, і, можливо, структури моделі відповідно до змін погодних умов.

Всю систему відбуваються в агробіоценозі процесів зазвичай представляють у вигляді блокової ієрархічної структури. Виділяються биотический і абиотический блоки. Серед біотичних процесів виділяють в окремі блоки зростання і розвиток посіву, функціонування ґрунтової мікрофлори, розвиток ен- томофауни, розвиток хвороб сільськогосподарських культур, взаємодія посіву з бур'янами та ін.

Абіотичні блоки включають в себе моделі, які описують формування теплового, водного режиму грунту і приземних шарів повітря, концентрації та пересування біогенних і токсичних солей, різних залишків розпаду пестицидів, ростових речовин і метаболітів в грунті, концентрації вуглекислого газу в посіві. Приклад блок-схеми моделі продуктивності агроекосистеми наведено на рис. 6.

Блокова структура дозволяє вивчати, змінювати і деталізувати одні блоки, не змінюючи інших. Як правило, число параметрів всередині блоків істотно більше числа параметрів, якими блоки з'єднуються між собою. На основі блоків синтезуються цілісні динамічні моделі, здатні прогнозувати зміну в часі ряду характерних властивостей рослин, в першу чергу біомасу всієї рослини і окремих органів, починаючи від сходів (іноді від моменту посіву) до завершення вегетації (дозрівання). Перші такі моделі були розроблені колективом американських авторів (SPAM - Soil- Plant-Atmosphere Model, Schaweroft et. Al., 1974) і де Вітом і його групою (BESCROP - Basic Crop Simulation, De Wit, 1978).

Схема взаємодії процесів в агроекосистемі пшениці

Мал. 6. Схема взаємодії процесів в агроекосистемі пшениці

В даний час є кілька десятків такого типу моделей формування врожаю, розроблених з різним ступенем деталізації для сої, пшениці, трав, кукурудзи, бавовнику та інших культур.

Структура і складність моделі продукційного процесу рослин, ступінь її деталізації, форма представлення процесів, що відбуваються в рослині, визначаються двома обставинами: предметом і метою моделювання. Модель зростання трави, біомасу якої можна вважати однорідною, призначеної для корму худоби, може бути істотно простіше, ніж моделі культур, урожай яких укладено в репродуктивних органах (злаки, бобові) або коренеплодах. Для практичних цілей зручніше проста модель, що дозволяє давати прогноз врожаю при певних погодних умовах або рекомендації по оптимальному режиму поливу і внесення мінеральних добрив. Вивчення фізіологічних особливостей рослин і їх реакцій на грунтові і погодні умови вимагає побудови складних моделей з блочною структурою.

На рис. 7 представлена блок-схема моделі посіву сої, яка представляє імітаційне опис росту, розвитку і врожайності сої та вважається найбільш докладної з розроблених до теперішнього часу моделей сільськогосподарських культур. У ній об'єднані кілька субмоделей і велика кількість вхідних даних. У моделі SOYMOD чотири категорії сухої речовини: структурні вуглеводи, доступні вуглеводи (нестійкі сполуки, які можуть пересуватися але рослині), крохмаль і білок. Ці речовини розподіляються між різними морфологічними частинами: пластинками і черешками листя, плодами і корінням. Передбачається, що необхідні для процесів росту і життєдіяльності рослини матеріали - це азот і вуглець. Вони переміщаються між морфологічними частинами рослини і реалізуються в цих частинах для зростання, дихання, утворення нових органів, транспортних процесів. Співвідношення між вуглецем і азотом використовують в якості функцій контролю за зростанням різних частин рослини. У цьому сенсі модель сої відноситься до моделей углеродно- азотного типу.

Блок-схема моделі сої

Мал. 7. Блок-схема моделі сої

Модель агрофітоцепоза пшениці (система Симона) - найбільш детальна вітчизняна імітаційна модель продукційного процесу сільськогосподарських рослин, розроблена під керівництвом Р. А. Полуектова в Петербурзькому Агрофізичні інституті. З математичної точки зору модель являє собою систему з кількох рівнянь в приватних похідних параболічного типу та кількох десятків звичайних диференціальних рівнянь. При переході до чисельної схемою вибирають крок інтегрування але координаті х і але часу t. Базовий тимчасової Ітаги моделі обраний рівним одній годині, це дозволяє імітувати добовий хід як абіотичних (енергообмін), так і біотичних (фотосинтез, метаболізм) процесів. Стан абиотической частини системи характеризується набором вертикально розподілених змінних: радіації, температури і вологості повітря в посіві, температури і вологості грунту та ін. Біологічна частина системи представлена змінними: щільність асиміляційної поверхні фітоелементи, що поглинає поверхні коренів, щільність окремих складових біомаси (вуглеводи, амінокислоти, білки) і фітомаси в цілому та ін.

У модель включено опис процесів трьох типів (рис. 6):

1) енерго- і массообмен, що відбувається в середовищі проживання рослин (в грунті і приземному повітрі) і в самих рослинах; 2) сукупність біофізичних і фізіологічних процесів в рослинному покриві, що визначають приріст біомаси, ріст і розвиток окремих органів рослини і формування врожаю; 3) екологічне взаємодія культурних рослин з бур'янами, хвороботворними мікроорганізмами і шкідниками.

В якості вхідних змінних виступають контрольовані (агротехніка) і неконтрольовані (погода) зовнішні впливи. Динаміка погодних умов представлена реалізаціями багатовимірного випадкового процесу. Окремі блоки моделі детально описані в монографіях (Бондаренко та ін., 1982; Заславський, Полуектов, 1988). Кожен з блоків являє собою опис групи однорідних фізичних, біофізичних, біохімічних або фізіологічних процесів в окремих частинах системи грунт-рослина-атмосфсра. Кожен з блоків реіщет заспіваю задачку і може бути верифікований (т. Е. Проведена перевірка правильності його роботи) на незалежних масивах експериментальних даних. Об'єднання блоків в цілісну систему і можлива подальша редукція (спрощення) цієї системи є також самостійну завдання в галузі теорії складних систем.

Моделі типу SOYMOD або СИМОНА занадто складні для використання в практиці. У своєму повному обсязі такі моделі служать дослідним цілям, причому вони безперервно розвиваються, їх структура і значення параметрів уточнюються з використанням новітніх даних про характеристиках модельованої системи. Їх ретельний аналіз відкриває шлях і для практичних застосувань. Споживач може вести діалог для вирішення конкретних практичних питань сільськогосподарського виробництва, наприклад, запитувати можливі межі зміни врожаю для конкретного нуля, задаючи величину і терміни випадання опадів, або вирішувати оптимізаційні задачі про терміни і дозах внесення добрив.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >