Егін өсімдігінің өнімділік экологии: Теориялық негіздері мен моделістеуі
Theoretical production ecology
Егін өсімдігін биологиялық фабрика ретінде зерттейтін теориялық өндіріс экологиясы. Температура, күн сәулесі, су, қоректік заттар маңызды. Модельдеу – негізгі құрал.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Теориялық өндіріс экологиясы егін өсімдіктерінің өсуін сандық тұрғыдан зерттеуге талпынады. Өсімдік жарық, көмірқышқыл газы, су және қоректік заттарды жинауға жарамды бөліктерге өңдейтін биологиялық фабрика ретінде қарастырылады. Басты назардағы параметрлер: температура, күн сәулесі, өсімдіктердің жалпы биомассасы, өсімдік өнімдерінің таралуы, қоректік заттармен және сумен жабдықталуы.
Theoretical production ecology tries to quantitatively study the growth of crops. The plant is treated as a kind of biological factory, which processes light, carbon dioxide, water, and nutrients into harvestable parts. Main parameters kept into consideration are temperature, sunlight, standing crop biomass, plant production distribution, nutrient and water supply.
Модельдеу
Теориялық өндіріс экологиясында модельдеу маңызды рөл атқарады. Модельдеудің негізгі бірлігі әдетте дақыл, яғни стандартты бірлік аумақтағы өсімдіктердің жиынтығы болып табылады. Жеке өсімдіктерге жасалған талдау нәтижелері стандартты аумаққа қатысты жалпыланады, мысалы, жапырақ ауданы индексі – бірлік жер бетіне барлық дақыл жапырақтарының проекцияланған ауданы.
Modelling is essential in theoretical production ecology. Unit of modelling usually is the crop, the assembly of plants per standard surface unit. Analysis results for an individual plant are generalised to the standard surface, e. g. the leaf area index is the projected surface area of all crop leaves above a unit area of ground.
Процестер
Өсімдік шаруашылығын сипаттаудың қалыпты жүйесі өсімдік өндіру процесін кем дегенде бес жеке процеске бөледі, оларға бірнеше сыртқы параметрлер әсер етеді. Өсімдік өндірісінің негізін екі биохимиялық реакция құрайды: жарық реакциясы және қараңғы реакция. Жарық реакциясында күн сәулесінің фотондары хлоропластармен сіңіріледі, олар суды электронға, протонға және оттегі радикалына бөледі, ол басқа радикалмен қайта бірігіп, молекулалық оттегі ретінде шығарылады. Электрон мен протонның бірігуі энергия тасымалдаушылары NADH және ATP-ні тудырады. Бұл реакцияның жылдамдығы көбінесе күн сәулесінің қарқындылығына, жапырақ ауданы индексіне, жапырақ бұрышына және жапырақ бетінің бірлігіне шаққандағы хлоропласттардың мөлшеріне байланысты. Оңтайлы өсу жағдайларындағы жалпы өнімнің максималды теориялық деңгейі шамамен гектарына тәулігіне 250 кг құрайды. Қараңғы реакция немесе Кальвин циклі атмосфералық көмірқышқыл газын байланыстырып, оны сахарозаға айналдыру үшін NADH және ATP-ні пайдаланады. Қолда бар NADH және ATP, сондай-ақ температура мен көмірқышқыл газының деңгейі осы реакцияның жылдамдығын анықтайды. Осы екі реакцияны бірге фотосинтез деп атайды. Фотосинтез жылдамдығы температура, жарық қарқындылығы және көмірқышқыл газы сияқты бірқатар факторлардың өзара әрекеттесуімен анықталады. Өндірілген көмірсулар өсімдіктің басқа бөліктеріне, мысалы, сақтау органдарына тасымалданады және аминқышқылдары, липидтер, целлюлоза және өсімдікке қажетті немесе тыныс алу үшін қолданылатын басқа химиялық заттар сияқты екіншілік өнімдерге айналады. Липидтер, қанттар, целлюлоза және крахмал қосымша элементтерсіз өндірілуі мүмкін. Көмірсуларды аминқышқылдары мен нуклеин қышқылдарына айналдыру үшін азот, фосфор және күкірт қажет. Хлорофилл өндірісі үшін магний қажет, ал бірнеше ферменттер мен коферменттер іздік элементтерді қажет етеді. Бұл, қоректік заттардың жеткізілуі өндіріс тізбегінің осы бөлігіне әсер ететінін білдіреді. Сумен қамтамасыз ету тасымалдау үшін өте маңызды, сондықтан оны да шектейді. Өндіріс орталықтары, яғни жапырақтар – көздер, ал сақтау органдары, өсу ұштары немесе фотосинтез өндірісінің басқа да бағыттары – тұтыну орындары. Тұтыну орындарының жетіспеуі өндірісті шектейтін фактор болуы мүмкін, мысалы, алма бауларында, егер жәндіктер немесе түнгі аяз гүлдерді жойса, өндірілген ассимиляттар алмаға айналдырылмайды. Екі және көп жылдық өсімдіктер келесі жылы жаңа жапырақтар мен сабақтар өндіру үшін сақтау органдарында сақталған крахмал мен майларды пайдаланады. Егістік биомассасының мөлшері және оның жапырақтарға, сабақтарға, тамырларға және сақтау органдарына таралуы тыныс алу жылдамдығын анықтайды. Жапырақтардағы биомасса мөлшері жапырақ ауданы индексін анықтайды, бұл жалпы фотосинтез өндірісін есептеуде маңызды. Бұл негізгі модельге жәндіктер мен зиянкестердің зияны, аралас егіс, климаттық өзгерістер және т.б. сияқты қосымшалар енгізілуі мүмкін.
The usual system of describing plant production divides the plant production process into at least five separate processes, which are influenced by several external parameters. Two cycles of biochemical reactions constitute the basis of plant production, the light reaction and the dark reaction. In the light reaction, sunlight photons are absorbed by chloroplasts which split water into an electron, proton and oxygen radical which is recombined with another radical and released as molecular oxygen. The recombination of the electron with the proton yields the energy carriers NADH and ATP. The rate of this reaction often depends on sunlight intensity, leaf area index, leaf angle and amount of chloroplasts per leaf surface unit. The maximum theoretical gross production rate under optimum growth conditions is approximately 250 kg per hectare per day. The dark reaction or Calvin cycle ties atmospheric carbon dioxide and uses NADH and ATP to convert it into sucrose. The available NADH and ATP, as well as temperature and carbon dioxide levels determine the rate of this reaction. Together those two reactions are termed photosynthesis. The rate of photosynthesis is determined by the interaction of a number of factors including temperature, light intensity and carbon dioxide. The produced carbohydrates are transported to other plant parts, such as storage organs and converted into secondary products, such as amino acids, lipids, cellulose and other chemicals needed by the plant or used for respiration. Lipids, sugars, cellulose and starch can be produced without extra elements. The conversion of carbohydrates into amino acids and nucleic acids requires nitrogen, phosphorus and sulfur. Chlorophyll production requires magnesium, while several enzymes and coenzymes require trace elements. This means, nutrient supply influences this part of the production chain. Water supply is essential for transport, hence limits this too. The production centers, i. e. the leaves, are sources, the storage organs, growth tips or other destinations for the photosynthetic production are sinks. The lack of sinks can be a limiting factor for production too, as happens e. g. in apple orchards where insects or night frost have destroyed the blossoms and the produced assimilates cannot be converted into apples. Biennial and perennial plants employ the stored starch and fats in their storage organs to produce new leaves and shoots the next year. The amount of crop biomass and the relative distribution of biomass over leaves, stems, roots and storage organs determines the respiration rate. The amount of biomass in leaves determines the leaf area index, which is important in calculating the gross photosynthetic production. extensions to this basic model can include insect and pest damage, intercropping, climatic changes, etc.
Өсімдік шаруашылығының қолданыстағы үлгілері
Өсімдік өндірісінің модельдері әр түрлі ауқымда (жасуша, физиологиялық, жеке өсімдік, егін, географиялық аймақ, әлемдік) және жалпыламалық деңгейінде кездеседі: модель нақты егінге арналған немесе көбірек жалпы қолданылатын болуы мүмкін. Осы бөлімде егін деңгейіндегі модельдерге баса назар беріледі, себебі егін агрономиялық тұрғыдан ең маңызды сала болып табылады. 2005 жылға қарай, бірнеше егін өндірісі модельдері қолданыста болды. SUCROS егін өсу моделі 20 жылдан астам уақыт бойы дамытылды және одан бұрынғы модельдерге негізделген. Оның ең соңғы жаңартылған нұсқасы 1997 жылға дейін жатқан. IRRI және Вагенинген университеті жақында күріш өсімін модельдеуге арналған ORYZA2000 күріш өсу моделін жасады. Екі модель де ашық кодты. Басқа да, нақты егінге арналған өсімдік өсу модельдері де бар.
Plant production models exist in varying levels of scope (cell, physiological, individual plant, crop, geographical region, global) and of generality: the model can be crop specific or be more generally applicable. In this section the emphasis will be on crop level based models as the crop is the main area of interest from an agronomical point of view. As of 2005, several crop production models are in use. The crop growth model SUCROS has been developed during more than 20 years and is based on earlier models. Its latest revision known dates from 1997. The IRRI and Wageningen University more recently developed the rice growth model ORYZA2000. This model is used for modeling rice growth. Both crop growth models are open source. Other more crop specific plant growth models exist as well.
СУКРОС
SUCROS бағдарламасы Fortran компьютерлік бағдарламалау тілінде жазылған. Модель әртүрлі ауа райы жағдайларында және түрлі дақылдарға қолданылуы мүмкін және қолданылып келді. Sucros-тың бастапқы коды ашық болғандықтан, FORTRAN бағдарламалау тәжірибесі бар пайдаланушылар модельге өзгерістер енгізе алады. SUCROS-тың ресми түрде қолдау көрсетілетін нұсқасы екі түрде келеді: SUCROS I, онда дақылдың өсуі шектелмейді (яғни өсу тек күн сәулесі мен температураға байланысты) және SUCROS II, онда дақылдың өсуі тек су жетіспеушілігімен ғана шектеледі.
SUCROS is programmed in the Fortran computer programming language. The model can and has been applied to a variety of weather regimes and crops. Because the source code of Sucros is open source, the model is open to modifications of users with FORTRAN programming experience. The official maintained version of SUCROS comes into two flavours: SUCROS I, which has non inhibited unlimited crop growth (which means that only solar radiation and temperature determine growth) and SUCROS II, in which crop growth is limited only by water shortage.
ORYZA2000
ОРИЗА2000 күріш өсу моделі IRRI институтында Вагенинген университетімен бірлесіп әзірленді. Бұл модель де FORTRAN тілінде бағдарламаланған. Модельдің қолданылу аясы күрішпен шектеледі, ол Азия үшін басты азық дақыл есептеледі.
The ORYZA2000 rice growth model has been developed at the IRRI in cooperation with Wageningen University. This model, too, is programmed in FORTRAN. The scope of this model is limited to rice, which is the main food crop for Asia.
Басқа үлгілер
АҚШ-тың Ауыл шаруашылығы министрлігі мақта, соя, бидай және күріш сияқты АҚШ-тың маңызды дақылдары үшін бірнеше қолданылатын өсімдік өсу модельдерін қаржылап дамытты. Басқа кеңінен қолданылатын модельдер: SUCROS (SWATR), CERES, PLANTGRO-ның бірнеше нұсқасы, SUBSTOR, FAO қолдауымен CROPWAT, AGWATER, эрозияға арналған EPIC моделі және CropSyst егіс жүйесі. Өсім мен бәсекелестіктің аз механистік моделі, өткізгіштік моделі деп аталады, негізінен Уорвик ХРИ, Уэллсборн, Ұлыбританияда жасалған. Бұл модель жеке өсімдіктердің жарықты қабылдауын және олардың тамыр аймақтарының бүйірлік кеңеюіне негізделген өсуін симуляциялайды. Өсімдіктер арасындағы бәсекелестік кеңістік үшін бәсекелестікке байланысты алгоритмдер жиынтығы және жапырақ қаптамасы жабылатын кезде жарықтың ұсталуы арқылы модельделеді. Модельдің кейбір нұсқалары кейбір түрлердің басқаларын басып өтуін қарастырады. Модель су мен минералдық қоректік заттарды ескермесе де, жеке өсімдіктердің өсуін, өсімдік қауымдастықтарындағы өсудің әртүрлілігін және түрлер арасындағы бәсекелестікті симуляциялай алады. Бұл модель Matlab тілінде жазылған. Толық шолу үшін Benjamin және Park (2007) Weed Research 47, 284–298 еңбегін қараңыз.
The United States Department of Agriculture has sponsored a number of applicable crop growth models for various major US crops, such as cotton, soy bean, wheat and rice. Other widely used models are the precursor of SUCROS (SWATR), CERES, several incarnations of PLANTGRO, SUBSTOR, the FAO sponsored CROPWAT, AGWATER, the erosion specific model EPIC, and the cropping system CropSyst. A less mechanistic growth and competition model, called the conductance model, has been developed, mainly at Warwick HRI, Wellesbourne, UK. This model simulates light interception and growth of individual plants based on the lateral expansion of their crown zone areas. Competition between plants is simulated by a set algorithms related to competition for space and resultant light intercept as the canopy closes. Some versions of the model assume overtopping of some species by others. Although the model cannot take account of water or mineral nutrients, it can simulate individual plant growth, variability in growth within plant communities and inter species competition. This model was written in Matlab. See Benjamin and Park (2007) Weed Research 47, 284–298 for a recent review.