Теоретическая экология производства

Теоретическая экология производства 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, принимаемыми во внимание, являются температура, солнечный свет, биомасса растений на корню, распределение растительной продукции, снабжение питательными веществами и водой.

Моделирование

Моделирование имеет важное значение в теоретической производственной экологии. Единицей моделирования обычно является урожай , совокупность растений на условную единицу площади. Результаты анализа отдельного растения обобщаются на стандартную поверхность, например, индекс площади листьев представляет собой проекцию площади поверхности всех листьев сельскохозяйственных культур над единицей площади земли.

Процессы

Обычная система описания растительного производства делит процесс растительного производства как минимум на пять отдельных процессов, на которые влияют несколько внешних параметров.

В основе растительного производства лежат два цикла биохимических реакций: световая реакция и темновая реакция.

• В ходе световой реакции солнечного света фотоны поглощаются хлоропластами , которые расщепляют воду на электрон, протон и кислородный радикал, который рекомбинируется с другим радикалом и высвобождается в виде молекулярного кислорода . Рекомбинация электрона с протоном дает энергоносители НАДН и АТФ . Скорость этой реакции часто зависит от интенсивности солнечного света, индекса площади листа , угла наклона листьев и количества хлоропластов на единицу поверхности листа. Максимальная теоретическая валовая продуктивность при оптимальных условиях выращивания составляет примерно 250 кг с гектара в сутки.
• , Темная реакция или цикл Кальвина , связывает углекислый газ из атмосферы и использует НАДН и АТФ для превращения его в сахарозу . Доступные НАДН и АТФ, а также температура и уровень 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, например, в органы хранения, и превращаются во вторичные продукты, такие как аминокислоты , липиды , целлюлоза и другие химические вещества, необходимые растению или используемые для дыхания. Липиды, сахара , целлюлоза и крахмал могут производиться без дополнительных элементов. Для превращения углеводов в аминокислоты и нуклеиновые кислоты необходимы азот, фосфор и сера . Для производства хлорофилла требуется магний , а некоторым ферментам и коферментам требуются микроэлементы . Это означает, что поставка питательных веществ влияет на эту часть производственной цепочки. Водоснабжение имеет важное значение для транспорта, поэтому оно также ограничивает его.
• Центры производства, то есть листья, являются источниками , органы хранения, кончики роста или другие пункты назначения фотосинтетического производства — поглотителями . Отсутствие поглотителей также может быть ограничивающим фактором для производства, как это происходит, например, в яблоневых садах, где насекомые или ночные заморозки уничтожили цветы, а полученные ассимиляты не могут быть переработаны в яблоки. Двулетние и многолетние растения используют накопленный в запасающих органах крахмал и жиры для производства новых листьев и побегов в следующем году.
• Количество биомассы сельскохозяйственных культур и относительное распределение биомассы по листьям, стеблям, корням и запасающим органам определяют интенсивность дыхания . Количество биомассы в листьях определяет индекс площади листьев , который важен при расчете валовой продукции фотосинтеза .
• Расширения этой базовой модели могут включать повреждение насекомыми и вредителями, совмещение культур , климатические изменения и т. д.

Параметры

Таким образом, важными параметрами теоретических моделей производства являются:

Климат

• Температура . Температура определяет скорость дыхания и темновую реакцию . Высокая температура в сочетании с низкой интенсивностью солнечного света означает высокие 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, поскольку темновая реакция не может переработать их достаточно быстро.
• Свет . Свет, также называемый фотосинтетической активной радиацией (ФАР), является источником энергии для роста зеленых растений. PAR приводит в действие световую реакцию , которая обеспечивает АТФ и НАДФН для преобразования углекислого газа и воды в углеводы и молекулярный кислород . Когда температура, влажность, уровень углекислого газа и питательных веществ оптимальны, интенсивность света определяет максимальный уровень продуктивности.
• Уровни углекислого газа . Углекислый газ в атмосфере является единственным источником углерода для растений. Около половины всех белков зеленых листьев имеют единственную цель — улавливать углекислый газ.

Хотя уровни CO ₂ постоянны в естественных условиях [напротив, концентрация CO 2 в атмосфере неуклонно растет в течение 200 лет], удобрения CO ₂ широко распространены в теплицах и, как известно, повышают урожайность в среднем на 24% [определенное значение , например, 24%, не имеет смысла без указания сравниваемых «низких» и «высоких» уровней CO2].

C ₄ Растения , такие как кукуруза и сорго, могут достигать более высокого урожая при высокой интенсивности солнечного излучения, поскольку они предотвращают утечку захваченного углекислого газа из-за пространственного разделения захвата углекислого газа и использования углекислого газа в темной реакции. Это означает, что их фотодыхание практически равно нулю. Это преимущество иногда компенсируется более высокой частотой поддерживающего дыхания . В большинстве моделей для естественных культур уровень углекислого газа предполагается постоянным.

Обрезать

• Биомасса урожая на корню. Неограниченный рост — это экспоненциальный процесс , а это означает, что количество биомассы определяет производство. Поскольку увеличение биомассы подразумевает более высокое дыхание на единицу поверхности и ограниченное увеличение улавливаемого света, рост сельскохозяйственных культур является сигмовидной функцией биомассы сельскохозяйственных культур.
• Распределение продукции растений . Обычно только часть общей растительной биомассы состоит из полезных продуктов, например, семян бобовых и зерновых , клубней картофеля и маниоки , листьев сизаля и шпината и т. д. Выход годных к употреблению частей растения увеличится, когда растение выделяет больше питательных веществ в эти части, например, сорта пшеницы высокоурожайные и риса отдают 40% своей биомассы в зерна пшеницы и риса, в то время как традиционные сорта достигают только 20%, тем самым удваивая эффективный урожай.

Различные органы растения имеют разную частоту дыхания, например, молодой лист имеет гораздо более высокую частоту дыхания, чем корни, запасающие ткани или стебли. Существует различие между «дыханием роста» и «дыханием поддержания».

Должны присутствовать раковины, например развивающиеся плоды. Обычно они представляют собой дискретный переключатель, который включается после определенного условия, например, критической продолжительности светового дня . достижения

Уход

• Водоснабжение . Поскольку растения используют пассивный транспорт для переноса воды и питательных веществ от корней к листьям, водоснабжение имеет важное значение для роста, даже если показатели эффективности использования воды известны для различных культур, например, 5000 для сахарного тростника , что означает, что каждый килограмм для производства сахара требуется до 5000 литров воды.
• Поставка питательных веществ . Поставка питательных веществ оказывает двоякое влияние на рост растений. Ограничение поступления питательных веществ ограничит производство биомассы в соответствии с Законом минимума Либиха . В случае некоторых культур некоторые питательные вещества влияют на распределение растительных продуктов в растениях. Известно, что дар азота стимулирует рост листьев и, следовательно, может отрицательно влиять на урожайность культур, которые накапливают продукты фотосинтеза в запасающих органах, таких как созревающие злаки или плодоносящие фруктовые деревья.

Фазы роста урожая

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

• Прорастание . Агрономические исследования показали зависимость времени прорастания от температуры (GT, в днях). Каждая культура имеет уникальную критическую температуру (CT, размерную температуру) и сумму температур (размеры температуры, умноженные на время), которые связаны следующим образом.

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

Когда сумма температур растения составляет, например, 150 °C·сут, а критическая температура 10 °C, она прорастет через 15 дней, когда температура равна 20 °C, и через 10 дней, когда температура равна 25 °C. Когда сумма температур превышает пороговое значение, процесс прорастания завершается.

• Начальное распространение . На этом этапе урожай 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 этом этапе имеет экспоненциальный характер.
• Общий охват поля – предполагается, что на этом этапе рост линейно зависит от падающего света и частоты дыхания, поскольку перехватывается почти 100% всего падающего света. Обычно на этой фазе индекс площади листа (LAI) превышает два-три. Эта фаза вегетативного роста заканчивается, когда растение получает определенный экологический или внутренний сигнал и начинает генеративный рост (как у зерновых и бобовых) или фазу хранения (как у клубней).
• Распределение по органам хранения – на этом этапе до 100% всей продукции направляется в органы хранения. Как правило, листья остаются неповрежденными, и, как следствие, валовая первичная продукция остается прежней. Продление этой фазы, например, за счет тщательного внесения удобрений, воды и борьбы с вредителями, приводит непосредственно к более высокому урожаю.
• Созревание – на этом этапе листья и другие производственные структуры медленно отмирают. Их углеводы и белки транспортируются к органам хранения. В результате снижается LAI и, следовательно, первичная продукция.

Существующие модели производства завода

Модели производства растений существуют на разных уровнях (клеточный, физиологический, отдельное растение, культура, географический регион, глобальный) и общности: модель может быть ориентирована на конкретную культуру или быть более общеприменимой. В этом разделе основное внимание будет уделено моделям, основанным на уровне сельскохозяйственных культур, поскольку сельскохозяйственные культуры являются основной областью интереса с агрономической точки зрения.

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

СУКРОС

SUCROS программируется на языке программирования Фортран . Модель может применяться и применялась к различным погодным режимам и культурам. Поскольку исходный код Sucros является открытым , модель открыта для изменений пользователями с опытом программирования на FORTRAN.Официально поддерживаемая версия SUCROS существует в двух вариантах: SUCROS I, который не подавляет неограниченный рост сельскохозяйственных культур (что означает, что только солнечная радиация и температура определяют рост) и SUCROS II, в котором рост сельскохозяйственных культур ограничен только нехваткой воды.

ОРИЗА2000

Модель выращивания риса ORYZA2000 была разработана в IRRI в сотрудничестве с Университетом Вагенингена . Эта модель также запрограммирована на FORTRAN. Область применения этой модели ограничена рисом , который является основной продовольственной культурой в Азии.

Другие модели

Министерство сельского хозяйства США спонсировало ряд применимых моделей роста сельскохозяйственных культур для различных основных сельскохозяйственных культур США, таких как хлопок , соевые бобы , пшеница и рис . Другими широко используемыми моделями являются предшественник SUCROS ( SWATR ), CERES , несколько воплощений PLANTGRO , SUBSTOR , спонсируемая ФАО CROPWAT , AGWATER , модель, специфичная для эрозии EPIC , и система обрезки CropSyst .

Менее механистическая модель роста и конкуренции, называемая моделью проводимости, была разработана, главным образом, в Warwick-HRI, Уэллсборн, Великобритания. Эта модель имитирует перехват света и рост отдельных растений на основе латерального расширения площадей их кроны. Конкуренция между растениями моделируется с помощью набора алгоритмов, связанных с конкуренцией за пространство и результирующим перехватом света при закрытии навеса. Некоторые версии модели предполагают вытеснение одних видов другими. Хотя модель не может учитывать воду или минеральные питательные вещества, она может моделировать рост отдельных растений, изменчивость роста внутри растительных сообществ и межвидовую конкуренцию. Эта модель была написана в Matlab. Недавний обзор см. в Benjamin and Park (2007) Weed Research 47, 284–298.

Ссылки

• Теоретическая экология производства , конспекты колледжа, Вагенингенский сельскохозяйственный университет, 1990 г.

Дальнейшее чтение

• Университет Вагенинген , Нидерланды , Кафедра теоретической экологии производства
• Левенский университет , Бельгия , кафедра теоретической производственной экологии
• Сводная страница с моделями роста сельскохозяйственных культур, спонсируемыми правительством США.