•Dr. Huzsvai László
A növényi modell felépítése Sugárzás
A növényi produkció és fejlődés nélkülözhetetlen tényezői
Levélterület 3 szint, vegetáció hossza
Fényhasznosítás
Bruttó potenciális fotoszintézis Tp/Ta
holt
Légzés önfenntartó Aktuális bruttó fotoszintézis Növekedés (szárazanyag)
Gyökér (élő)
holt
Elosztás
Szár (élő)
Raktározó szerv (élő)
Levél (élő)
holt
A növényi produkciót befolyásoló tényezők Agrotechnika: • • • • •
Fotoszintetikusan aktív energia Hőmérséklet Levegő Víz Tápanyag
Légzés növekedéshez
Talajművelés Trágyázás Vetés Gyomosság Növényi betegségek és kártevők
Produkciós modellek felépítése
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 (felvehetőség) limitálja.
már
a
vízellátottság
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.
A növényi növekedés és fejlődés érzékenysége a stresszre (Ritchie, 1991) Növekedés Tömeg
Fejlődés
Kiterjedéses (térfogat, LAI)
Fázisos (fiziológia)
Morfológiai Hőmérséklet Alacsony
Fő környezeti tényező
Napsugárzás (energia)
Hőmérséklet
Hőmérséklet, Fotoperiódus
A fajták változékonysá ga
Alacsony
Alacsony
Magas
Víz stressz
Nitrogén stressz
•A növényi növekedésre és fejlődésre ható tényezők
is
Alacsony légzés Mérsékelt levélfonnyadás és sodródás
Alacsony
Magas a vegetatív, alacsony a szemtelítődés stádiumában
Magas
Alacsony Csekély késés szár/törzs, több a vegetatív mellékhajtás és stádiumban ág
Alacsony
Alacsony szár/törzs, több mellékhajtás és ág
•1
•Dr. Huzsvai László
A modellezett folyamatok • NÖVÉNY • Fejlődés (fázisos) • Növekedés – – – – – – –
A növényi fejlődés
Levélfelület Asszimiláció, elosztás Biomassza Gyökerezés sűrűsége Transzspiráció Nitrogén felvétel, eloszlás stb.
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
A hőidő fogalma
Fázisos
Mitől függ a fejlődési fázis hossza? • Napok száma • Hőmérséklet – Hőösszeg: az elmélet szerint egy fejlődési fázis mindig azonos hőösszeg – Q10 : tíz fok hőmérséklet emelkedés mennyivel gyorsítja a fejlődést?
Az ötödik levél hosszúsága különböző hőmérsékleteken
Mértékegysége: oCnap Ta: a levegő napi átlagos hőmérséklete Tb: bázis hőmérséklet, ami alatt nincs fejlődés
•A növényi növekedésre és fejlődésre ható tényezők
•2
•Dr. Huzsvai László
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
•A növényi növekedésre és fejlődésre ható tényezők
•3
•Dr. Huzsvai László
A nappalhosszúság hatása a levelek számára (kukorica)
A nóduszok száma a nappalhosszúság függvényében
A kukorica fejlődés modellezése START
ISTAGE=7
OLVASÁS AZ IDŐJÁRÁS FÁJLBÓL
IGEN VÉGE A FÁJLNAK?
STOP
NEM
ISTAGE ÉRTÉKE?
NEM
VETÉS NAPJA?
IGEN ISTAGE = 8
ISTAGE = 7
ISTAGE = 9
SUMDTT SZÁMÍTÁSA
SUMDTT >45?
ISTAGE = 1
SUMDTT SZÁMÍTÁSA
SUMDTT >P1?
ISTAGE = 2
SIND SZÁMÍTÁSA
SUMDTT SZÁMÍTÁSA
SIND> 1.0?
SUMDTT >P3?
ISTAGE = 3
ISTAGE = 4
TLNO ÉS P3 SZÁMÍTÁSA
SUMDTT=0
SUMDTT SZÁMÍTÁSA
SUMDTT >170?
ISTAGE = 5
SUMDTT SZÁMÍTÁSA
SUMDTT >0,95xP5 ?
ISTAGE = 6
SUMDTT SZÁMÍTÁSA
SUMDTT >P5?
ISTAGE = 7 CUMDTT=0
SUMDTT=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.
•A növényi növekedésre és fejlődésre ható tényezők
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.
•4
•Dr. Huzsvai László
Juvenilis szakasz • A hibrid sajátosságainak megfelelő genetikai paraméter határozza meg ennek a szakasznak a hosszát. • Juvenilis kor hossza °C nap (pl. 155).
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 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 növényi növekedésre és fejlődésre ható tényezők
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.
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.
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.
•5
•Dr. Huzsvai László
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 1m2.
∆W
: Növekedés sebessége
(kg szárazanyag ha-1 nap-1)
A
: Bruttó asszimiláció sebessége
(kg CH2O ha-1 nap-1) (kg CH2O
ha-1
nap-1)
Rm
: Önfenntartó légzés sebessége
Ce
: Asszimiláták átalakításának hatékonysága (kg szárazanyag kg-1 CH2O)
Ha egyetlen levél van, akkor a LAI egyetlen levél területét jelenti. A sugárzás talajra érkező A sugárzás növényre érkező hányada: hányada: Pt = 1-LAI
A zöldtömeg sugárzáskioltása 2. Két levél esetén az egy levélre jutó levélterület: A sugárzás talajra érkező hányada (Pt):
A sugárzás növényre érkező hányada (GC):
A zöldtömeg sugárzáskioltása 3. Ha a levelek száma nagyon sok:
Ha a levelek α szöget zárnak be a szárral: ∝
„n” számú levél esetén az egy levélre jutó levélterület: A sugárzás talajra érkező hányada:
A sugárzás növényre érkező hányada:
GC = 1-(1-LAI)
∝ T szár talaj
•A növényi növekedésre és fejlődésre ható tényezők
•6
•Dr. Huzsvai László
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:
• Zárt állomány, ha a növény.
• vagy (CERES)
• Nyilt állomány, ha a talaj.
Zárt növényállomány
A zöld levél tulajdonságai
• Ha a LAI > 3. (régi meghatározás).
átbocsátás
• GF < 0.05 • ha a direkt sugárzás 5%-nál kisebb valószínűséggel éri el a talajt, a nyílások gyakorisága kisebb, mint 0.05.
elnyelés
visszaverődés
Forrás: Monteith, 1973
Sugárzás a növényállományban GRAD 100%
albedó
0,25
albedó
23,75%
elnyelés
0,50
elnyelés
47,50%
áteresztés 0,25
Lombozat:
Fény-fotoszintézis kapcsolata
Egy levél tulajdonságai:
Am
LAI = 3
Talaj: albedó
0,65%
elnyelés 4,35%
Csupasz talajfelszín albedója 0,13
•A növényi növekedésre és fejlődésre ható tényezők
CO2 (kg ha-1 h-1)
áteresztés 23,75%
AL ε Ia (PAR W m-2)
•7
•Dr. Huzsvai László
A napi szárazanyag-termelés • A növényállomány napi bruttó CO2 asszimilációjának mértéke • A növényállomány pillanatnyi bruttó CO2 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)
Napmagasság az óra függvényében
Gauss integrálás
th D p
: A kiválasztott időpont : Nappalhosszúság : Gauss-féle integrálási pontok
(óra) (óra) (-)
A napi bruttó CO2 asszimiláció
Ad D Ac
. Összes bruttó asszimiláció : Nappalhosszúság : Pillanatnyi bruttó asszimiláció
β σ λ th
: Napmagasság : Deklináció : Szélességifok : A kiválasztott időpont
(fok) (fok) (fok) (óra)
CO2 asszimiláció sebessége burgonyánál (Chapmann)
(kg ha-1 nap-1) (óra) (kg ha-1 óra-1)
•A növényi növekedésre és fejlődésre ható tényezők
•8
•Dr. Huzsvai László
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
• Rd1 : Bruttó napi szénhidrát képződés (víz stressz nélkül) [kg ha-1 d-1] • Ad1 : Bruttó napi CO2 asszimilációs ráta (az alacsony hőmérséklettel korrigálva [kg ha-1 d1]
•A növényi növekedésre és fejlődésre ható tényezők
•9
•Dr. Huzsvai László
Transzspiráció
Önfenntartó légzés
• Rd : Bruttó napi szénhidrát képződés [kg ha-1 d-1] • Rd1 : Bruttó napi szénhidrát képződés (víz stressz nélkül) [kg ha-1 d-1] • Ta : Tényleges párolgás
[mm d-1]
• Tp : Potenciális párolgás
[mm d-1]
• Rm,r : Önfenntartó légzés 25°C-on (referencia) [kg ha-1 d-1]
• W i : A növényi szerv szárazanyag-tömege • i
Az önfenntartó légzés hőmérséklet függése
[kg ha-1 d-1]
•
Rm,T : Önfenntartó légzés T °C-on
•
Rm,r : Önfenntartó légzés 25°C-on (referencia) 1]
•
Q10 : A légzés relatív növekedése 10 °C-onként
•
T
: Napi átlaghőmérséklet
•
T,r
: Referencia hőmérséklet (25 °C)
[kg ha-1 d-
[kg ha-1 d-1]
• Cm,i : A növényi szerv légzési koefficiense
[kg ha-1]
: Levelek, raktározó szervek, szár, gyökér
A növekedési légzés
• Rg: Növekedési légzés
[kg ha-1 d-1]
• Rd: Napi szénhidrát termelés
[kg ha-1 d-1]
• Rm,T: Önfenntartó légzés T °C-on
[kg ha-1 d-1]
[°C] [°C]
A szárazanyag szétosztása
•
Ce : Az asszimiláták átalakításának hatékonysága az egész növényre [kg kg-1]
•
Ce,i : A szervek átalakításának hatékonysága
[kg kg-1]
•
pci
: Az i szerv szétosztási együtthatója
[kg kg-1]
•
i
: Levél (lv), raktározó szervek (so), szár (st)
•
rt
: gyökér
•A növényi növekedésre és fejlődésre ható tényezők
A LAI és a fényhasznosítás közötti összefüggés
•10
•Dr. Huzsvai László
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
•A növényi növekedésre és fejlődésre ható tényezők
•11
•Dr. Huzsvai László
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 1991. Neve: CropEnvironment 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
CERES
• SOIL model, Uppsala (1991, július 2.) Per-Erik Jansson, Department of Soil Sciences, P.O.Box 7014, S-750 07 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
Növények?
•Kezelések, beállítások •Input adatok ellenőrzése, induló feltételek •Output gyakoriságok beállítása •Időjárási adatok •Talajhőmérséklet, víz, nitrogén inicializálás •Időjárási adatok •Talajhőmérséklet számítása •Nitrogén átalakulás
Talaj-növény-atmoszféra modellek 2.
ciklus
Búza Kukorica Árpa Köles Rizs Cirok Szárazbab Borsó (magyar) Szója
Földi mogyoró Csicseri borsó Burgonya Cukornád Paradicsom Napraforgó Legelő, rét
•Vízmérleg számítás •Növekedés rutin •Fenológiai fázisok •Érés, outputok
Input paraméterek
WOFOST
A növény genetikai tulajdonságai
Időzítő (timer)
Időjárási adatok
Időjárás
Talajtulajdonságok Agrotechnikai jellemzők
•A növényi növekedésre és fejlődésre ható tényezők
Növény növekedése Vízmérleg
•12
•Dr. Huzsvai László
Problémák
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
• Differenciál egyenletek numerikus közelítései, megoldásai • Biológiai folyamatok sztochasztikus leírása • Idő- és térbeli lépték (skálahiba) • Részfolyamatok egymáshoz kapcsolása • Határfeltételek definiálása
A 4M modell vázlatos működése
•A növényi növekedésre és fejlődésre ható tényezők
•13
