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 4M Szimulációs Növénytermesztési Modell

A 4M Szimulációs Növénytermesztési Modell

A Talajtani Kutatóintézetben működő modellező csoport már tíz éve használ különböző növénytermesztési modelleket a kutatásban és az oktatásban. Ezek a szoftverek angolul kommunikálnak, ezért csak az angolul tudók számára használhatók. A modellek természetesen magukon viselik fejlesztőik gondolkodásmódjának és programozás-technikájának nyomait, ezért többnyire csak nehezen módosíthatók vagy fejleszthetők.

2001 januárjában a Talajtani Társaság keretein belül Dr. Kovács Géza vezetésével megalakult a Rendszermodellezési Szakosztály, amely otthont ad a Magyar Mezőgazdasági Modellezők Műhelyének (4M). Utóbbi egy magyar kutatók által fejlesztett növénytermesztési modell megalkotását tűzte ki céljául. Kiindulási alapként J.T. Ritchie professzor felajánlotta az általa kifejlesztett CERES modellt. Ezt örömmel elfogadták, mert egyrészt nemzetközi (Jamieson et al., 1998) és hazai (Kovács et al., 1995; Németh, 1996) vizsgálatok már bizonyították ezen modell hatékonyságát, másrészt, mert a modell forráskódja elérhető volt számukra. A modell FORTRAN nyelvű eljárásait kisebb szintaktikai változtatásokkal átírták DELPHI nyelvre. A későbbi könnyebb fejleszthetőség illetve bővíthetőség érdekében megváltoztaták a CERES szerkezetét, és felhasználóbarát kezelőfelületet terveztek hozzá. A CERES DELPHI-ben készült változatát nevezték a 4M modell 0.0 verziójának.

A 4M modell magyarul (is) kommunikál, felhasználóbarát, és új modulokkal könnyen bővíthető. Fejlesztésekor a modellező műhely három cél elérésére törekedett:

1.Moduláris legyen, azaz egyetlen nagy és rugalmatlan modell helyett itt a folyamatok modulokban legyenek megfogalmazva. A modellezett rendszer egyes részfolyamataira a program több modult kínáljon föl, melyek közül a felhasználó, a céljaitól és a rendelkezésére álló bemenő adatoktól függően, választhat. Ugyanazon folyamatra tetszőleges számú a világ szakirodalma alapján készített önálló modul készíthető, és készült is. A modulok bizonyos korlátokon belül szabadon kombinálhatók össze (építhetők egybe) egy teljes modellé.

2.Becslőeljárások kerüljenek beépítésre a 4M-be, melyek segítségével nehezen meghatározható bemenő adatok, egyszerűbben kivitelezhető mérések eredményeinek felhasználásával megbecsülhetők, így a modell még szélesebb körben válik használhatóvá. Az eddigi rendszermodelleket szinte csak ’modellező szakemberek’ tudták elindítani, mert a bemenő adatszükségletük kielégítésére speciális ismeretekre és igen sok adatra volt szükség. A 4M magyarországi talajokra, időjárásra és a hazai fajokra, fajtákra számos adatot és paraméter becslő eljárást ajánl fel, melyek segítségével már egyetemi hallgatók is eredményes felhasználói lehetnek a programcsomagnak.

3.Új modulok illetve adatbázisok kerüljenek beépítésre, amelyeket magyar kutatók fejlesztettek illetve készítettek, és amelyek (hacsak implicit módon is de) tartalmazzák a légkör-talaj-növény rendszer speciálisan magyar jellemzőit.

A programhoz csatolták, a TAKI adatbázisából (Rajkai et al., 1981; Várallyay, 1987), 44 talajszelvény modell számára előkészített inputadatait. A modell egy grafikus felületen keresztül összekapcsolásra került a SOTER adatbázissal (Várallyay et al., 1994) is.

A modell működése

A 4M napi léptékű, determinisztikus modell, melynek működését (számításait) a napi agrometeorológiai adatok határozzák meg. A modell működéséhez ezeken felül szükség van a légkör-talaj-növény rendszert fizikailag (pl. a talaj térfogattömege), kémiailag (pl. a talaj pH-ja), illetve biológiailag (pl. a növényt jellemző bázishőmérséklet) jellemző bemenő adatokra, valamint a rendszer kezdőállapotát rögzítő adatokra (pl. a talaj kezdő nedvességtartalma). A modell működése az alábbi vázlatos ábrával szemléltethető (56. ábra).

56. ábra. A 4M modell vázlatos működése

A modulokon belül a modell az alábbi főbb folyamatokat szimulálja:

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

A 4M kezelése

Elvileg bárki, aki a MS Windows környezetben otthonosan mozog, könnyedén tudja kezelni a 4M modellt is. A programozás során arra törekedtek, hogy lehetőleg minimálisra csökkentsék a billentyűzet használatát. Mindazonáltal bizonyos adatok megadásánál a billentyűzet használata elkerülhetetlen. A modell kezelését az alábbi főbb lépésekre bonthatjuk:

57. ábra. A 4M induló ablaka

  1. Bemenő adatok megadása.

  2. A modell beállításaink megválasztása.

  3. A modell futtatása.

  4. A kimenő adatok elemzése/vizsgálata.

A program különböző részei (ablakai) a fő menün (2. ábra) keresztül érhetők el.

Az éppen aktív ablakban, az egér jobb gombjának megnyomásával egy felbukkanó menü hívható elő, melynek segítségével a program minden fő ablaka közvetlenül is elérhető.

Bemenő adatok megadása

A bemenő adatokat a modellezett rendszer felépítésnek megfelelően az alábbi módon csoportosították.

  1. Időjárási adatok

  2. Növényi adatok

  3. Talaj adatok

  4. Agrotechnikai adatok

Talajparaméterek becslése

A talajfizikai mérések (pF mérés, hidraulikus vezetőképesség mérés stb.) általában költséges és időigényes eljárások (van Dam et al. 1992). Az 1960-as évektől kezdődően számtalan olyan módszert dolgoztak ki, melyekkel a víztartó- függvény paraméterei egyszerűbben, gyorsabban és olcsóbban meghatározhatók.

A növénytermesztési modellek térbeli kiterjesztésének egyik fő nehézsége a talajra vonatkozó input adatok hiánya illetve az adott pontban mért értékek kiterjeszthetősége. A talajparaméter-becslő módszerek jelenthetik az egyik lehetőséget ezen adathiány leküzdésére. A 4M több olyan eljárást (pedotranszfer függvény) tartalmaz, amelyek néhány, a talaj vízgazdálkodását jellemző paraméter becslésére alkalmasak. A pedotranszfer függvények (PTF) a talaj alapvető jellemzőinek (szemcseméret-eloszlás, térfogattömeg, szervesanyag-tartalom, stb.) ismeretében (általában) regressziós egyenletek segítségével adnak becslést (közvetve vagy közvetlenül) a keresett paraméterekre.

A 4M két becslőeljárást (PTF) tartalmaz a hidraulikus vezetőképesség talajfizikai adatokból történő meghatározására: (Campbell,1985; Wösten et al., 1999). Három becslőeljárást (PTF) tartalmaz a víztartó képesség függvény paramétereinek meghatározására: (Rajkai, 1987; Wösten et al., 1999; Fodor, 2002). Két becslőeljárást tartalmaz a maximális és szabadföldi vízkapacitás, illetve a hervadáspont meghatározására: (Rajkai, 1987; Ritchie et al., 1999). Ezek az eljárások az Eszközök|Paraméterbecslés|Pedotranszfer függvények menü megfelelő menüpontjának választásával hajtódnak végre. A becsült paraméterek a megfelelő táblázat megfelelő celláiba íródnak.

Agrotechnikai adatok

58. ábra. Agrotechnikai adatok ablaka a 4M-ben

Az adatokat a Fájl megnyitása menüpont választásával felkínált listából való választással olvashatjuk be. A beállításokat a megfelelő táblázatokon keresztül megváltoztathatjuk, és a módosításokat a Fájl|Módosítások mentése menüpont választásával elmenthetjük. A Fájl|Új fájl menüpont választásával új agrotechnika fájlt adhatunk meg. Az új fájl nevének megadása után, a megfelelő táblázatokon keresztül vigye be a kért adatokat, és a Fájl|Módosítások mentése menüpont választásával mentse el azokat.

Legfeljebb 100 vetési, aratási, trágyázási ill. öntözési ’esemény’ adható meg. Azok az ’események’, amelyek időpontja kívül esik a szimuláció időtartamán a számításokra semmilyen hatással nem lesznek.

Projektek

59. ábra. A projekt-kezelő ablaka a 4M-ben

Az időjárás, talaj és agrotechnika (ezek tárolják a növényi adatokat is) fájlok projektekbe rendezhetők. A projektek un. feladatokat tartalmaznak. Minden feladat egy időjárás egy talaj és egy agrotechnika fájlt foglal magába. A projektek egyik előnye, hogy gyors inputváltoztatást (ablakváltás nélkül) tesz lehetővé a modellfutások számára. A meglévő projektek a FájlFájl megnyitása menüpont választásával nyithatók meg. Az egyes feladatok időjárás, talaj és agrotechnika fájljait a legördülő menük segítségével adhatjuk meg. Az üres téglalapban a projektről rövid leírás adható. A Fájl|Új fájl menüpont választásával új projektet adhatunk meg. A feladatok időjárás, talaj és agrotechnika fájljainak megadása után a projekt adatait a Fájl|Módosítások mentése menüpont választásával menthetjük el.

A modell futtatása

A modellt a Fő menü vagy a Felbukkanó menü Futtat menüpontjának választásával lehet futtatni. Ekkor az alábbi ablak tűnik fel.

60. ábra. Futtatás ablak a 4M-ben

A 4M automatikusan ad egy nevet a futásnak, amit szabadon megváltoztathatuk. Amennyiben szeretnénk, hogy a program ne emlékezzen az előző futások eredményeire, jelöljük be az Első futás feliratú négyzetet. Ellenkező esetben ne felejtsük el megszüntetni a kijelölést! A szimuláció a Mehet gombra történő kattintásra indul.

Az szimulált eredmények elemzése/vizsgálata

A grafikus segédprogram az Eredmények|Futások elemzése menüpont választásával hívható meg. Ez az eszköz egyszerre 5 futás két különböző kimenő adatát képes megjeleníteni (61. ábra).

61. ábra. Grafikus segédprogram a 4M-ben

Többéves futások eredményei is ábrázolhatók egy lapon.