Jak Roślina Przekształca Promieniowanie w Plony

Biomasa jest wychwytywana światłem, wyceniana w efektywności wykorzystania promieniowania

Uprawa, energetycznie rzecz biorąc, jest maszyną przekształcającą energię słoneczną w suchej postaci. Model FAO stojący za tą symulacją śledzi łańcuch, który bazuje na pracy de Wita i później Monteitha: dzienna ilość przychodzącego promieniowania słonecznego jest filtrowana przez korony roślin, ułamek wychwycony przez liście jest przekształcany w nową biomasę z przybliżoną stałą wydajnością, a ta biomasa jest następnie dzielona na korzenie, łodygi, liście i ziarno zgodnie ze stadiem rozwoju rośliny. Tutaj nie potrzebne są stacje pogodowe ani satelity – wystarczy cztery składniki (promieniowanie, temperatura, wielkość korony i wilgotność gleby), aby uzyskać wynik w przybliżeniu zgodny z rzeczywistym badaniem polowym.

Centralnym mnożnikiem jest efektywność wykorzystania promieniowania (RUE), zwykle 1,0 do 1,8 g suchej masy na megadolara fotowoltacznie aktywnej długości fali światła (PAR) dla zbóż C3 takich jak pszenica i zauważalnie wyższa dla roślin C4 takich jak kukurydza, które wiążą węgiel poprzez bardziej wydajną ścieżkę metaboliczną. RUE jest traktowany jako stała uprawy, która spada tylko wtedy, gdy roślina jest niedoborna pod względem wody lub składników odżywczych – prawie cała dzienna zmienność tempa wzrostu pochodzi od tego, jak dużą część przychodzącego światła potrafi przechwycić korona.

Prawo Beer'a i wskaźnik powierzchni liści

Ilość światła słonecznego, jaką przechwytuje zieleń, zależy od jej wskaźnika powierzchni liści (WSL) — całkowitej powierzchni liści na jednostkę powierzchni gruntu, bezwymiarowej, zwykle rosnącego od blisko 0 przy pojawieniu się do 4-6 przy pełnym pokryciu. Przez zieleń przechodząca światło ulega rozproszeniu zgodnie z prawem Beer'a, bezpośrednio zaczerpniętym z optyki:

f_intercepted = 1 - e^(-k * WSL) PAR_captured = PAR_incident * f_intercepted Δbiomasa = PAR_captured * RUE (masa suchej w podjednostce / m² / dzień) Koeficient rozproszenia k (około 0,4 do 0,7 w zależności od kąta nachylenia liści) określa, jak szybko zieleń się zamyka: liście pionowe, takie jak te zbóż, przepuszczają więcej światła na jednostkę WSL i wymagają wyższego WSL, aby osiągnąć pełne przechwytywanie, podczas gdy płaskie, bardziej poziome liście szybciej zacieniają grunt. Po około WSL 4-5 przechwytywanie jest zasadniczo nasycone, bliskim 90-95%, więc dalszy wzrost liści nie przynosi dodatkowego przechwytu światła i tempo wzrostu rośliny spowalnia, nawet jeśli gromadzi się więcej biomasy.

f_intercepted = 1 − e^(−k · LAI)
PAR_captured  = PAR_incident × f_intercepted
Δbiomass    = PAR_captured × RUE          (g dry matter / m² / day)

Czas cieplny zastępuje kalendarz

Rośliny nie czytają kalendarza; reagują na zgromadzone ciepło. Rozwój jest śledzony poprzez dni rozwojowe (DDR, zwane również czasem cieplnym), sumowane dzienne powyżej określonej temperatury bazowej dla danego gatunku, poniżej której wzrost w zasadzie zatrzymuje się:

DDR_dzis = max(0, ((T_max + T_min)/2 - T_base))

DVS = ∑ DDR_dzis / DGD_do_dojrzałości

Suma bieżąca definiuje etap rozwoju (DVS) który zaczyna się od 0 przy wykiełkowaniu, przechodzi przez 1 przy kwitnieniu i kończy się na 2 w pełni dojrzałym stanie, a to właśnie ten etap – a nie liczba dni – decyduje, kiedy roślina przestaje budować liście i korzenie, aby wypełnić ziarno. Dzieje się tak również dlatego, że ta sama odmiana posadzona tydzień po tygodniu w ciepłą wiosnę może zakwitnąć niemal w ten sam dzień kalendarza: obie gromadzą tę samą sumę ciepła z różnym tempem.

GDD_today = max(0, (T_max + T_min)/2 − T_base)
DVS = Σ GDD_today / GDD_to_maturity

Stres wodny ogranicza cały system

Podejście FAO-33 (Doorenbos i Kassam) traktuje wyczerpywanie się zasobów wody w glebie jako prostą beczkę: po zużyciu dostępnej wody w strefie korzeniowej, rzeczywista ewapotranspiracja spada poniżej potencjalnego tempa, a współczynnik stresu wodnego Ks pomiędzy 0 a 1 mnoży zarówno transpirację, jak i, poprzez nią, Wpływ Regulowany przez Uprawę (RUE). Roślina o Ks = 0,6 nie jest jedynie spragniona na jeden dzień – każdy kolejny dzień wzrostu biomasy jest zmniejszany w skali, więc susza podczas fazy najszybszego wzrostu kosztuje znacznie większej wartości końkowy plon niż ten sam deficyt wczesnej ewentualnie późnej senescencji.

Od dzienne wzrostów do liczby plonu

Uruchom pętlę — przechwytuj światło, dodawaj biomasę, akumuluj ciepło, wypłukuj i uzupełniaj wodę glebową — dzień po dniu od siewu do dojrzewania, a wyniki są takie same liczby, które agronomowie raportują w terenie: całkowita biomasa nadziemna, ostateczny trajektoria wartości indycznego indeksu powierzchni liści (LAI), oraz, poprzez zastosowanie współczynnika zbiorów (udział ziarna w całkowitej biomasie, szacunkowo 0,35 do 0,5 dla nowoczesnej pszenicy i kukurydzy) na etapie dojrzewania, oszacowany plon ziarna w tonach na hektar. Prostota jest celem: zasadniczo to logika wzrostu upraw wykorzystywana w narzędziach operacyjnych, takich jak AquaCrop FAO oraz rodzina DSSAT, pomijając chemię glebową.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Crop Growth i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.