Ugrás a tartalomhoz

Kutatói pályára felkészítő akadémiai ismeretkörön alapuló tananyagfejlesztés – Környezet- és természetvédelem ismeretkörben

Dr. Huzsvai László (2008)

Debreceni Egyetem a TÁMOP 4.1.2 pályázat keretein belül

DAISY talaj-növény rendszer szimulációs modell

DAISY talaj-növény rendszer szimulációs modell

A DAISY egy olyan számítógépes matematikai modell a növényi produkció szimulálására, mely magában foglalja a talajnedvesség- és N-dinamika modellezését is, és ezáltal jól használható a növénytermesztésben különböző agrotechnikai beavatkozások elemzésére és stratégiák kidolgozására. A részfolyamatok modellezése magába foglalja a víz, hőmérséklet, C és N transzformációt és transzport folyamatokat. Néhány folyamat elmélete és mechanizmusa jól kidolgozott míg más folyamatokkal kapcsolatos ismeretek erősen korlátozottak. A különféle folyamatok úgy vannak leírva és modellezve, hogy összhangban legyenek a meglévő ismereteinkkel.

A hidrológiai folyamatok a modellben figyelembe veszik a hó felhalmozódását és olvadását, a növénytakaróra hulló csapadék megtartását (interceptio), a párolgást a növény- és talajfelszínről, a beszivárgást (infiltráció), a növény gyökerei által történő vízfelvételt, a transzspirációt és a függőleges vízmozgást a talajszelvényben. A hóolvadást a besugárzás valamint a talaj- és léghőmérséklet határozza meg. A növénytakaró által felfogott víz mennyisége a lehullott csapadéktól és a növényfedettségtől függ. Az evapotranszspiráció folyamatának leírásakor a klíma által meghatározott potenciális evapotranszspirációt és a felhasználható víz mennyiségét vették figyelembe. A növény gyökerei által felvett víz modellezése az oldatáramlás differenciálegyenletén, melyben az állandó koncentrációjú oldat a gyökerek felülete felé egyenletesen és sugárirányba mozog, valamint a talajszelvényben található gyökérsűrűségen alapszik. A talajszelvényben történő függőleges irányú vízmozgást a RICHARD-féle egyenlet numerikus megoldásával modellezik.

A talajhőmérsékletet a hőáramlási egyenletekkel modellezték, figyelembe véve a talaj-hővezető és kisugárzó képességét, a hőcserét és a hőtartalom változását a fagyás és olvadás folyamatában. A fagyás folyamata vízáramlást okoz a talajban a jégképződés során. Mivel legelőször a nagy méretű pórusokban fagy meg a víz, a legkisebb szívóerejű helyen, ezért az itt keletkező jég kivonja a kisebb talajpórusokban található vizet, és ezáltal vízáramlást eredményez a fagyos zóna felé.

Szervesanyagok forgalmának három nagy területét modellezték:

  1. Hozzáadott szervesanyag, amihez a növénymaradványok és szervestrágya szervesanyaga tartozik

  2. Az élő mikroorganizmusok mikrobiológiai biomasszája

  3. A talaj szervesanyagai, beleértve a nem élő mikroorganizmusok szervesanyagát is

Mindhárom területet további két területre (alrendszer) osztottak:

  • C:N arány

  • körforgási idő

A talaj szervesanyag és a hozzáadott szervesanyag minden egyes alrendszerében a szerves C körforgalmat az első kinetikus rend sebességértékével modellezték, melyet a talajhőmérséklet és talajnedvesség tartalom befolyásol. A talaj szervesanyagának alrendszerei esetében a sebességértéket a talaj agyagtartalma is befolyásolja.

39. ábra A szervesanyag lebomlás sebessége és a talaj kötöttsége közötti összefüggés

40. ábra A szervesanyag lebomlás sebessége és a talaj hőmérséklete közötti összefüggés

41. ábra A szervesanyag lebomlás sebessége és a talaj víztartalma közötti összefüggés

Becslés: A szevesanyag mennyisége vagy humusztartalom% = a szerves szén tartalom x 1,72

A biomassza a szervesanyagot tápanyagként hasznosítja. A biomassza mindenegyes részterületét a tápanyag-hasznosítás hatékonysága, az önfenntartáshoz szükséges légzés mértéke és az öregedés aránya jellemzi. Az önfenntartó légzést és az öregedési, elhalási arányt a talaj hőmérséklete és víztartalma befolyásolja. A szén széndioxid formájában távozik a légzés során.

A biomassza növekedése és csökkenése során a szén szállítódik a különböző szervesanyag alrendszerek között, miközben az ásványi nitrogén (nitrát és ammónium) hol felszabadul, hol lekötődik a szervesanyag szén-nitrogén arányának függvényében. Ha felszabadul, tápanyagként hasznosul. A szén-nitrogén arány függvényében indul be a mikroorganizmus tevékenység is, ami szűkíti a szén-nitrogén arányt. A szervesanyag körforgás végső soron a nitrogén nettó mineralizációját eredményezi, ami összességében lehet pozitív, ha ammónium felszabadulás történik, vagy negatív, amennyiben az ammónium vagy nitrát lekötődik.

A talaj ásványi N folyamatainak modellezése magában foglalja a nitrifikációt, denitrifikációt, a felvételt a növények gyökerei által, illetve a vertikális mozgást a talajprofilban. A nitrifikáció szimulációja az első kinetikus rend sebességértékének meghatározásával történik, melyet a talaj hőmérséklete és víztartalma befolyásol.

42. ábra Szervesanyag körforgás modellezése

ahol

AOM = hozzáadott szervesanyag (append organic matter)

BOM = az élő mikroorganizmusok biológiai szervesanyaga (biological organic matter)

SOM = a talaj szervesanyagai, beleértve a nem élő mikroorganizmusok szervesanyagát is (soil organic matter)

A denitrifikáció szimulációját a potenciális denitrifikációs ráta jellemzi, amit a talaj széndioxid termelése és a hőmérséklete befolyásol. A potenciális denitrifikációs ráta csökkenhet a talaj oxigén ellátottsága alapján, amelyet a talaj víztartalma befolyásol. A tényleges denitrifikációs rátát a potenciális denitrifikációs ráta korrigálásával (csökkentésével), vagy a talajban található nitrogén, amely a denitrifikáció során felhasználódhat, arányával lehet meghatározni.

A nitrogén felvétel modellje a crop modell által szimulált potenciális nitrogén igény, és a talajból ténylegesen felvehető nitrogén figyelembe vételével készült. A növény által felvehető N modellezését az állandó koncentrációjú talajoldat gyökerek felszíne felé történő tömegáramlását leíró differenciál egyenlettel oldották meg, ahol a diffúziót és a konvektív sugárirányú áramlást is figyelembe vették. A tápanyag felvétel a talajszelvényben található gyökérsűrűségtől is függ. A növényi gyökerek az ammóniumot előnybe részesítik a nitráttal szemben.

Az ammónium mozgékonysága a talajban kisebb, mint a nitráté, mert a talajkolloidok megkötik, adszorbeálják. Az ammónium adszorpció a talajkolloidokon az adszorpciós és deszorpciós izotermákkal van leírva. A N függőleges irányú mozgása valamilyen egyenlet numerikus megoldásával van leírva. A forrás-nyelés folyamatát leíró egyenlet magában foglalja a nitrát és ammónium átalakulási folyamatait.

A növény modellezés a növény fiziológiai korán alapszik mint hőöszeg alapján meghatározott hőkor. A növény borítottság leírása a LAI alakulása alapján történik. A zöld növény szimulált LAI-ja a növény hőkorától és a felhalmozott szárazanyagtól függ.

A gyökér hosszanti növekedés a gyökércsúcs hőmérsékletével, a gyökérsűrűség szimulálása a gyökér szárazanyag mennyisége és a gyökérezés mélységének függvényében történik.

A növényi szárazanyag termelés szimulációja magában foglalja a bruttó fotoszintézis és az asszimiláták szétosztási arányának leírását a különböző növényi részekben. A bruttó fotoszintézis meghatározása a fotoszintetikusan aktív fénysugárzás elnyelésével, az elnyelt sugárzás szénhidrátokba történő átalakulásának hatékonyságával történik. Az asszimiláták elosztása a növény különböző részeiben (levél, szár, gyökér és különböző raktározó szerv) a növény hőkorának függvényében történik. A légzés két részből tevődik össze a növekedéshez szükséges, és a hőmérséklet függő önfenntartó légzésből.

A növény bruttó fotoszintézisét a víz- és nitrogénhiány korlátozhatja. Vízhiány esetén a fotoszintézis csökken az aktuális és potenciális transzspiráció egymáshoz viszonyított arányának függvényében. Magas és szélsőségesen alacsony N ellátás esetén a szárazanyag-termelés alulról vagy felülről korlátozott, figyelembe véve, hogy mindkettő függ a növény hőkorától is. Optimális nitrogén ellátottság esetén a növény szárazanyag koncentrációja a növény hőkorától függ. Ha a fotoszintézis nitrogén hiány miatt korlátozott, akkor a szárazanyag nitrogénkoncentrációja is csökken.

A rendszer jól használható a növénytermesztési beavatkozások és stratégiák területén, amelyek magukban foglalják a különböző növénytermesztési rendszereket, műtrágyázást, öntözést és talajművelést.

A modell futtatásához szükséges napi meteorológia változók: globálsugárzás, levegő hőmérséklet és csapadék. A későbbiekben egyéb paraméterekkel is kiegészítik a rendszert.

Összefoglalás:

Potenciális evapotranszspirácó, transzspiráció és evaporáció, víz intercepció, beszivárgás.

Fényhasznosítás és fotoszintézis f(LAI, sugárzás, hőmérséklet, vízstressz, nitrogénstressz).

A növény földfeletti részének fejlődése f(szárazanyag, hőösszeg).

Nettó produkció és légzés:

Gyökérzet szárazanyaga, raktározó szerv, gyökerezési mélység, gyökérsűrűség.

Denitrifikáció, denitrifikációs kapacitás, f(CO2tartalom, NO3koncentráció, a talaj víztartalma).

Nitrifikáció, 1. order kinetics, f(hőmérséklet, víztartalom)

Mineralizáció / immobilizáció, szervesanyag körforgása, mikroorganizmus légzés, a szervesanyag C/N aránya.

38. táblázat. Az ásványi nitrogén mozgása