Теоретическая экология производства - Theoretical production ecology

Теоретическая производственная экология пытается количественно изучить рост сельскохозяйственных культур . Растение рассматривается как своего рода биологическая фабрика, которая перерабатывает свет , углекислый газ , воду и питательные вещества в части, которые можно собирать. Основными параметрами, которые учитываются, являются температура, солнечный свет, биомасса растений, распределение продукции растений, питательные вещества и водоснабжение.

Моделирование

Моделирование играет важную роль в теоретической экологии производства. Единицей моделирования обычно является посев , сборка растений на единицу площади. Результаты анализа для отдельного растения обобщаются на стандартную поверхность, например, индекс площади листа - это прогнозируемая площадь всех листьев сельскохозяйственных культур над единицей площади земли.

Процессы

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

В основе производства растений лежат два цикла биохимических реакций: световая реакция и темная реакция.

  • В световой реакции фотоны солнечного света поглощаются хлоропластами, которые расщепляют воду на электрон, протон и кислородный радикал, который рекомбинирует с другим радикалом и выделяется в виде молекулярного кислорода . Рекомбинация электрона с протоном дает носители энергии НАДН и АТФ . Скорость этой реакции часто зависит от интенсивности солнечного света, индекса площади листа, угла наклона листа и количества хлоропластов на единицу поверхности листа. Максимальная теоретическая валовая производительность при оптимальных условиях выращивания составляет примерно 250 кг с гектара в день.
  • В темной реакции или Кельвин цикла связи атмосферного диоксида углерода и использование NADH и АТФ , чтобы преобразовать его в сахарозе . Доступные НАДН и АТФ, а также температура и уровни 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 к другим частям растения, таким как органы хранения, и превращаются во вторичные продукты, такие как аминокислоты , липиды , целлюлоза и другие химические вещества, необходимые растению или используемые для дыхания. Липиды, сахар , целлюлозу и крахмал можно производить без дополнительных элементов. Превращение углеводов в аминокислоты и нуклеиновые кислоты требует азота, фосфора и серы . Для производства хлорофилла требуется магний , а для некоторых ферментов и коферментов требуются микроэлементы . Это означает, что поставка питательных веществ влияет на эту часть производственной цепочки. Водоснабжение необходимо для транспорта, следовательно, оно тоже ограничивает.
  • Центры производства, то есть листья, являются источниками , органы хранения, кончики роста или другие места назначения фотосинтетической продукции - приемниками . Отсутствие стоков также может быть ограничивающим фактором для производства, как это происходит, например, в яблоневых садах, где насекомые или ночные морозы уничтожили цветы, и произведенные ассимиляты не могут быть преобразованы в яблоки. Двулетние и многолетние растения используют накопленный крахмал и жиры в своих запасающих органах для производства новых листьев и побегов в следующем году.
  • Количество биомассы сельскохозяйственных культур и относительное распределение биомассы по листьям, стеблям, корням и органам хранения определяют частоту дыхания . Количество биомассы в листьях определяет индекс площади листа , который важен при расчете валовой фотосинтетической продукции .
  • дополнения к этой базовой модели могут включать повреждение насекомыми и вредителями, пересечение культур , климатические изменения и т. д.

Параметры

Таким образом, важными параметрами теоретических производственных моделей являются:

Климат
  • Температура - температура определяет скорость дыхания и темновую реакцию . Высокая температура в сочетании с низкой интенсивностью солнечного света означает большие 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 темная реакция не может обработать их достаточно быстро.
  • Свет - Свет, также называемый фотосинтетическим активным излучением (ФАР), является источником энергии для роста зеленых растений. PAR поддерживает световую реакцию , которая обеспечивает АТФ и НАДФН для преобразования углекислого газа и воды в углеводы и молекулярный кислород . Когда температура, влажность, углекислый газ и уровни питательных веществ оптимальны, интенсивность света определяет максимальный уровень продуктивности.
  • Уровни двуокиси углерода - двуокись углерода в атмосфере является единственным источником углерода для растений. Около половины всех белков в зеленых листьях используется с единственной целью - улавливать углекислый газ.
Хотя уровни CO 2 постоянны в естественных условиях [напротив, концентрация CO2 в атмосфере неуклонно растет в течение 200 лет], удобрение CO 2 является обычным явлением в теплицах и, как известно, увеличивает урожайность в среднем на 24% [конкретное значение например, 24% бессмысленно без указания сравниваемых «низких» и «высоких» уровней CO2].
Растения C 4, такие как кукуруза и сорго, могут достигать более высокого урожая при высокой интенсивности солнечного излучения, поскольку они предотвращают утечку захваченного диоксида углерода из-за пространственного разделения захвата диоксида углерода и использования диоксида углерода в темноте. Это означает, что их фотодыхание практически нулевое. Это преимущество иногда компенсируется более высокой частотой поддерживающего дыхания . В большинстве моделей для естественных культур предполагается, что уровни углекислого газа постоянны.
Обрезать
  • Биомасса стоячей культуры - Неограниченный рост - это экспоненциальный процесс , а это означает, что количество биомассы определяет производство. Поскольку увеличенная биомасса подразумевает более высокое дыхание на единицу поверхности и ограниченное увеличение перехваченного света, рост сельскохозяйственных культур является сигмовидной функцией биомассы сельскохозяйственных культур.
  • Распределение продукции растений - Обычно только часть общей биомассы растений состоит из полезных продуктов, например семян зернобобовых и зерновых , клубней картофеля и маниоки , листьев сизаля и шпината и т. Д. Урожайность частей растений, пригодных для использования, увеличится, если растение выделяет больше питательных веществ к этой части, например, высокоурожайных сортов из пшеницы и риса выделяют 40% их биомассы в пшеницы и риса зерна, в то время как традиционные сорта достичь лишь 20%, таким образом , удвоение эффективной доходности.
Различные органы растений имеют разную скорость дыхания, например, молодой лист имеет гораздо более высокую скорость дыхания, чем корни, запасные ткани или стебли. Существует различие между «дыханием роста» и «поддерживающим дыханием».
Должны присутствовать раковины, такие как развивающиеся плоды. Обычно они представлены дискретным переключателем, который включается после достижения определенного условия, например, критической продолжительности светового дня .
уход
  • Водоснабжение - поскольку растения используют пассивный транспорт для передачи воды и питательных веществ от корней к листьям, водоснабжение имеет важное значение для роста, даже если известны показатели эффективности использования воды для разных культур, например 5000 для сахарного тростника , что означает, что каждый килограмм для производства сахара требуется до 5000 литров воды.
  • Обеспечение питательными веществами. Обеспечение питательными веществами двоякое влияние на рост растений. Ограничение подачи питательных веществ ограничит производство биомассы в соответствии с законом минимума Либиха . В некоторых культурах некоторые питательные вещества влияют на распределение растительных продуктов в растениях. Известно, что подарок азота стимулирует рост листьев и поэтому может отрицательно сказаться на урожайности сельскохозяйственных культур, которые накапливают продукты фотосинтеза в органах хранения, таких как созревающие злаки или плодоносящие фруктовые деревья.

Фазы роста урожая

Теоретическая производственная экология предполагает, что рост обычных сельскохозяйственных культур, таких как злаки и клубни, обычно состоит из четырех (или пяти) фаз:

  • Прорастание - Агрономические исследования показали температурную зависимость времени прорастания (GT, в днях). Каждая культура имеет уникальную критическую температуру (CT, размерная температура) и сумму температур (размерная температура, умноженная на время), которые связаны следующим образом.
Когда культура имеет сумму температур, например, 150 ° C · d и критическую температуру 10 ° C, она прорастет через 15 дней при температуре 20 ° C и через 10 дней при температуре 25 ° C. Когда сумма температур превышает пороговое значение, процесс прорастания завершается.
  • Первоначальное разбрасывание - на этом этапе урожай еще не покрывает поле. Рост урожая линейно зависит от индекса листовой площади, который, в свою очередь, линейно зависит от биомассы урожая. В результате рост урожая в этой фазе экспоненциальный.
  • Полный охват поля - на этом этапе предполагается, что рост линейно зависит от падающего света и скорости дыхания, так как почти 100% всего падающего света перехватывается. Обычно индекс площади листа (LAI) на этом этапе превышает два-три. Эта фаза вегетативного роста заканчивается, когда растение получает определенный внешний или внутренний сигнал и начинает генеративный рост (как в зерновых культурах и бобовых) или фазу накопления (как в клубнях).
  • Распределение по запасающим органам - на этом этапе до 100% всей продукции направляется в запасающие органы. Как правило, листья остаются нетронутыми, и в результате валовая первичная продукция остается неизменной. Если продлить эту фазу, например, путем тщательного внесения удобрений, полива и борьбы с вредителями, урожай напрямую повысится.
  • Созревание - на этом этапе листья и другие производственные структуры медленно отмирают. Их углеводы и белки транспортируются в органы хранения. В результате LAI и, следовательно, первичная продукция снижается.

Существующие модели заводского производства

Модели растениеводства существуют на разных уровнях масштаба (клеточный, физиологический, отдельное растение, культура, географический регион, глобальный) и общности: модель может быть применимой для конкретной культуры или более широко применимой. В этом разделе упор будет сделан на модели на уровне культур, поскольку культура является 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. Последняя известная его редакция датируется 1997 годом. Недавно IRRI и Университет Вагенингена разработали модель выращивания риса ORYZA2000 . Эта модель используется для моделирования роста риса. Обе модели выращивания сельскохозяйственных культур имеют открытый исходный код . Существуют и другие модели роста растений, более специфичные для конкретных культур.

СУКРОС

SUCROS запрограммирован на языке программирования Fortran . Модель может применяться и применялась для различных погодных режимов и культур. Поскольку исходный код Sucros является открытым , модель открыта для модификаций пользователей, имеющих опыт программирования FORTRAN. Официальная поддерживаемая версия SUCROS бывает двух разновидностей: SUCROS I, которая обеспечивает неограниченный рост растений без подавления (что означает, что только солнечное излучение и температура определяют рост), и SUCROS II, в котором рост растений ограничивается только нехваткой воды.

ORYZA2000

Модель роста риса ORYZA2000 была разработана IRRI в сотрудничестве с Университетом Вагенингена . Эта модель тоже написана на ФОРТРАНЕ. Сфера применения этой модели ограничивается рисом , который является основной продовольственной культурой в Азии.

Другие модели

Министерство сельского хозяйства США спонсирует ряд соответствующих моделей роста культур для различных крупных американских культур, таких как хлопок , соя , пшеница и рис . Другие широко используемые модели - это предшественник SUCROS ( SWATR ), CERES , несколько воплощений PLANTGRO , SUBSTOR , CROPWAT , спонсируемый ФАО , AGWATER , модель EPIC , ориентированная на эрозию , и система земледелия CropSyst .

Менее механистическая модель роста и конкуренции, называемая моделью проводимости, была разработана в основном в Warwick-HRI, Веллесборн, Великобритания. Эта модель моделирует перехват света и рост отдельных растений на основе бокового расширения зон их кроны. Конкуренция между растениями моделируется с помощью набора алгоритмов, связанных с конкуренцией за пространство и возникающим в результате перехватом света при закрытии навеса. Некоторые версии модели предполагают перекрытие одних видов другими. Хотя модель не может учитывать воду или минеральные питательные вещества, она может моделировать рост отдельных растений, изменчивость роста в растительных сообществах и межвидовую конкуренцию. Эта модель была написана в Matlab. См. Недавний обзор в Benjamin and Park (2007) Weed Research 47, 284–298.

Ссылки

  • Теоретическая производственная экология , записки колледжа, Вагенингенский сельскохозяйственный университет, 1990 г.

дальнейшее чтение