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

A SOILN nitrogénforgalmi és termésszimulációs modell

A SOILN nitrogénforgalmi és termésszimulációs modell

A SOILN modell két fő részből áll: talaj- és növény részmodellből. A növény részmodell több növény (szántóföldi, egynyári évelő növények és erdő) növekedésének szimulálására alkalmas.

Bemeneti változók: a léghőmérséklet és a besugárzás napi értékei, termesztésgyakorlati, agrotechnikai adatok, a kijelölt talajrétegek napi hő- és nedvesség-eloszlási mintázata, amelyeket a SOIL víz- és hőforgalmi modell szimulál (ezek a SOIL modell kimeneti értékei). A modell paraméterkészletében jelentősek a termesztett növény élettani paraméterei.

A nitrogénforgalom szimulációja a legfontosabb N-mozgásokat veszi figyelembe. A modellben a talaj fizikai-, és vízgazdálkodási tulajdonságok alapján elhatárolt rétegekből áll. A felvehető N-t minden rétegben egy ammónium-N és egy nitrát-N készlet tartalmazza. Az ammónium immobil, míg a nitrát a vízárammal mozog. Az ammónium-N készlet nagyságát a szerves trágyából, a talaj szervesanyagának mineralizációjából és a légköri lerakódásból származó N növeli, az immobilizáció, nitrifikáció és növényi N-felvétel csökkenti. A nitrát készletet a nitrifikáció, a műtrágyázás és a légköri lerakódás növeli, csökkenti viszont a nitrátkimosódás, a denitrifikáció és növényi N-felvétel. A nitrogén átalakulásokat leíró hatásfüggvények menetét a talaj hőmérséklete és nedvességtartalma befolyásolja. A talajszelvényben a nitrátkészlet eloszlási mintázatát a talajrétegek közötti vízmozgás alakítja. Az N-kimosódás szintén a talajszelvény vízforgalmának az eredménye. A talaj szervesanyag-tartalma alaphelyzetben két, a szervesanyag-dinamikában különböző sebességgel részt vevő készlet között oszlik meg. Lehetőség van több készlet definiálására is és választható, hogy mikroorganizmus-dinamikát is szimuláljon-e a modell, vagy sem. A szervesanyag-lebomlás sebessége a talaj pillanatnyi nedvesség- és hőmérséklet-állapotától függ. A szervesanyag-tartalom N-dinamikája a széndinamika függvénye, a mineralizáció vagy immobilizáció a lebomlott anyag C:N arányától és az ásványi N felvehetőségétől függ.

A növényi biomassza és nitrogéntartalom dinamikája szorosan összefügg. A biomassza növekedés az energia bevitel (fotoszintézis) függvénye, míg a növekedés sebességét a nitrogénbevitel limitálja. A levélzet széndioxidot vesz fel a légkörből, a gyökérzet N-t a talajból. A szár raktároz. A szemtermés fejlődése idején a szem, mint új metabolikus gyűjtőhely asszimilátum igényét a szárból fedezi. A maximális potenciális növekedés az élő levélfelület által befogott napsugárzás függvénye. Az ebből megvalósult aktuális növekedés az alacsony léghőmérséklet, a növényi szövetek alacsony N-koncentrációja és a vízhiány hatására csökken. A N-felvételt egyrészt a különböző növényi szövetek N-igénye, másrészt a nitrogén talajból történő felvehetősége korlátozza.

A napi biomassza-növekedés megoszlását a gyökérzet, a levél és a szár között két függvény vezérli. A gyökerekbe allokált biomassza-frakció csökken a teljes biomassza növekedésével, de nő N-hiányában. A levél és szár közötti biomassza-megoszlás a levélfelület növekedésétől függ, amit a levélfelület / hajtás biomassza arány határoz meg. A szemfejlődés idején biomassza- és nitrogén áthelyezés folyik a különböző szövetekből a magba. A szöveti elhalást különböző függvények irányítják, az elöregedő szövetekből elhalásuk előtt a biomassza és nitrogén egy részét a növény kivonja. A csírázás dátuma, az érés kezdete és vége, a hőmérséklet, a nappalhosszúság és a maximális termésindex függvénye.

A talajban a gyökéreloszlás nagymértékben befolyásolja a víz- és nitrogénfelvételt, ezeken keresztül a növekedést és a terméshozamot is. A mélységi gyökéreloszlás kezdeti és adott időpontokra vonatkozó értékei megadhatók egy paraméterfájlban, vagy a modell a felhasználó által kiválasztott eloszlási függvénynek megfelelően szimulálja a teljes gyökéreloszlás-dinamikát. A két módszer kombinációjára is lehetőség van.

A növények tápanyag-felvételi hatékonysága a talajkörnyezettel állandó kölcsönhatásban lévő gyökérzetsajátosságaik függvénye. Jól felépített, megfelelően paraméterezett mechanisztikus modellek alkalmazása lehetővé teszi a tápanyagszolgáltatás-tápanyagfelvétel folyamatrendszerének jobb megértését, és előkészíti a gazdaságos, ugyanakkor a környezetet nem károsító növénytermesztési gyakorlat kialakítását.

A gazdálkodó érdeke a minél nagyobb profit elérése és fenntartása, ill. növelése hosszú időn át. Nem elégedhet meg egy statisztikai alapon működő trágyázási tervvel. Másrészt csak kísérletes alapon a helyspecifikus gazdálkodás igényeinek már nem lehet megfelelni. A trágyázási tartamkísérletek eredményei használhatóságának, ill. a belőlük levonható következtetések kiterjeszthetőségének növelése elengedhetetlenül szükséges az agrokémiai kutatás fejlesztéséhez és az ezen alapuló gyakorlati szaktanácsadás javításához. Problémát jelent a sok hatótényező időben és térben változó értékeinek figyelembevétele is.

E problémák megoldására alkalmasak és már világszerte használatosak a termés-szimulációs modellek. A termés-szimulációs modellek a növénytermesztési rendszer viselkedését meghatározó folyamatokat leíró matematikai összefüggésekből álló mechanisztikus modellek, amelyeket a rendszer elemeire bontásával, legfőbb folyamatainak, mechanizmusainak számszerűsítésével, majd a rendszer újraépítésével állítanak elő.

Bár az empirikus és mechanisztikus modellek megkülönböztetése mind gyakorlati, mind tudományelméleti okokból indokolt és célszerű, megjegyzendő, hogy a termés-szimulációs modellek tartalmaznak empirikus összefüggéseket is, amelyek az adott alkalmazási szinten a modell használhatóságát megkönnyítik, az értelmezést nem zavarják, és a kiterjeszthetőséget nem csökkentik.

A termés-szimulációs modellek megfelelő input paraméterek felhasználásával alkalmassá tehetők a termés előrejelzésére akár csak egy homogén parcellán, de - a modell megfelelő megválasztása esetén - akár regionális skálán is. A termés becsülhető különböző időjárási feltételek, talajviszonyok, fajtaválasztás, agrotechnika, stb. esetére. Az elérni kívánt terméshozam megvalósításához szükséges szerves- és műtrágya mennyisége, alkalmazásának üteme az adott feltételekre becsülhető. A modellben foglalt tudásalap alapvető érvényessége, és folyamat-irányultsága nagyfokú általánosíthatóságot tesz lehetővé. Ugyanakkor szem előtt kell tartani a vizsgálat céljának, tárgyának megfelelő szimulációs modell kiválasztását, a modell megfelelően pontos paraméterezését, és a szimulációs eredmények kísérletes ellenőrzését (verifikálását).