РОЗДІЛ 2
МОДЕЛЮВАННЯ ВПЛИВУ АГРОМЕТЕОРОЛОГІЧНИХ УМОВ НА ПРОДУЦІЙНИЙ ПРОЦЕС РОСЛИН КУКУРУДЗИ
2.1. Моделювання ростових процесів
Успіхи сучасної кількісної теорії фотосинтетичної продуктивності посівів, розвиток якої визначили роботи А.А.Ничипоровича, А.І. Будаговського, Ю.К. Росса, Х.Г.Тоомінга, М.І.Будико, О.Д.Сиротенка, А.Н.Польового, М.Монсі , Саеки т.ін. дозволяють розглядати процес формування урожаю як складну сукупність цілого ряду фізіологічних процесів. Першими дослідженнями в агрометеорології такого напрямку були роботи Ю.І.Чиркова, пов'язані із розробкою методу оцінки умов формування урожаю кукурудзи і методу прогнозу урожаю цієї культури. У рамках створеного В.П. Дмитренко [68, 95, 96] напрямку на основі запропонованої ним моделі урожайності в Україні розроблені методи оцінки агрометеорологічних умов і прогнозування урожайності сільськогосподарських культур.
Розроблено багато динамічних моделей продуктивності різних сільськогосподарських культур, що дозволяють оцінити ріст рослини протягом вегетаційного періоду як результату основних фізіологічних процесів. Однак практичне використання цих моделей, їхнє впровадження в практику ускладнено низкою об'єктивних причин, серед яких, у першу чергу, необхідно відзначити їх невідповідність вимогам технологічності для включення в Автоматизоване робоче місце агрометеоролога (АРМ-АГРО).
Як теоретичну основу для запропонованої моделі використана базова динамічна модель формування урожаю сільськогосподарських культур [97, 98, 99].
В основі моделі лежить система рівнянь радіаційного, теплового, водного балансів і балансу біомаси (вуглеводів і азоту) у рослинному покриві в системі "навколишнє середовище - рослина".
Система "навколишнє середовище - рослина" розглядається нами як складна динамічна система, що розвивається під впливом внутрішніх і зовнішніх факторів. У цій системі виділяються процеси росту, розвитку і формування продуктивності рослин у їхній складній взаємодії. Моделювання процесу формування урожайності кукурудзи містить кількісний опис процесів фотосинтезу, дихання, росту і розвитку рослин. Блок - схема моделі представлена на рис. 2.1.
Рис. 2.1 Блок-схема динамічної моделі формування урожайності кукурудзи.
Розглядається, що рослина складається з чотирьох узагальнених органів: листка (l), стебла (s), кореня (r) і зростаючого качана (p).
При описі швидкості змін сухої біомаси окремих органів на підставі [97, 98, 99] нами [100] прийнята наступна система рівнянь:
,
(2.1)
де mi/?t - швидкість росту і-го окремого вегетативного органу; ?mp/?t- швидкість росту качанів; ?і - ростова функція періоду вегетативного росту; СG - коефіцієнт дихання росту; ?R - онтогенетична крива дихання; Сm - коефіцієнт дихання підтримки; ?R - температурна крива дихання; ?i - ростова функція періоду репродуктивного росту; - функціонуюча біомаса і-го вегетативного органу.
Інтенсивність фотосинтезу описується за допомогою формули [70,101] з урахуванням впливу на фотосинтез фази розвитку рослини, температурного режиму і вологозабезпеченості посіву, а також забезпеченості рослин елементами мінерального живлення [98]:
,
(2.2) де - інтенсивність фотосинтезу; Фpot - інтенсивність потенційного фотосинтезу; ас - нахил вуглекислотної кривої фотосинтезу; Со - концентрація СО2 у повітрі; аф - нахил світлової кривої фотосинтезу; П - поглинена i-м органом фотосинтетично активна радіація; ?ф - онтогенетична крива фотосинтезу; ?ф - температурна крива фотосинтезу; Е - сумарне випаровування; Ео - випаровуваність;
j - часовий крок моделі; КNPK - коефіцієнт забезпеченості рослин елементами мінерального живлення.
При динамічному моделюванні продуційного процесу рослин зміна інтенсивності фотосинтезу в онтогенезі не враховувалися або враховувалися через емпіричні коефіцієнти. Наявні дані свідчать, що фотосинтетична активність листків різна на різних етапах онтогенезу окремого листка і рослини в цілому. Фотосинтетичний апарат у молодих листків будь-якого ярусу, що формуються, сформований ще не цілком і не забезпечує високої інтенсивності фотосинтезу. Цю здатність мають тільки зрілі функціонуючі листки. В онтогенезі цілої рослини найменшу інтенсивність фотосинтезу мають листки у фазі сходів, коли анатомічна і морфологічна структура листя не забезпечує оптимуму фотосинтетичної активності. Листки, що є фотосинтетично активними у більш пізні фази онтогенезу, відрізняються структурними і фізіологічними характеристиками, оптимальними для їхньої фотосинтетичної активності. Це листки середнього ярусу. Така різноякісність листків по ярусах визначається неодночасністю їхньої появи і тим, що їхній розвиток пов'язаний з розвитком рослини у цілому [97].
Для врахування зміни фотосинтетичної здатності рослин в онтогенезі запропонована функція, що описує інтенсивність фотосинтезу i-го органу в залежності від фізіологічного віку органу рослини. Ця функція названа "онтогенетичною кривою фотосинтезу" [102, 97] і описуються виразом
,
(2.3) у якому параметр qi знаходиться за формулою:
,
(2.4) де - характеризує початкову інтенсивність фотосинтезу відносно максимального;
?Tli - сума ефективних температур, що накопичилася від сходів до настання фази розвитку рослин, в яку спостерігається максимальна інтенсивність фотосинтезу і-го органу, ?С.
Для оцінки впливу температури повітря на інтенсивність фотосинтезу використовується функція впливу температури повітря на інтенсивність фотосинтезу, так звана "температурна крива фотосинтезу". Вона визначається як
(2.5)
, (2.6)
, (2.7)
де ?Ф - температурна крива фотосинтезу;
tп - температура повітря;
- відповідно початкова, нижня і верхня межа оптимальної та максимальна температура процесу фотосинтезу.
Величини є функціями біоло