Як рослина перетворює сонячне світло на врожайність

Ефективність використання радіації (RUE) визначає продуктивність рослин

Культура, енергетично, є машина, яка перетворює сонячне світло на суху речовину. FAO-стилю модель цієї симуляції слідує ланцюгу, що відстежується роботою де Віта та пізніше Монтейта: щоденне надходження сонячної радіації фільтрується через крону, частка світла, яку фактично захоплюють листя, перетворюється на нову біомасу з приблизно постійною ефективністю, і ця біомаса розподіляється між коренями, стеблами, листям та зернами відповідно до стадії розвитку рослини. Тут нічого не потребує метеостанцій чи супутників — достатньо чотирьох інгредієнтів (радіація, температура, розмір крони та вологість ґрунту), щоб досягти корисної межі реального польового випробування.

Основний множник – ефективність використання радіації (RUE), зазвичай від 1,0 до 1,8 г сухої речовини на мегаджоуле захопленого фотосинтетично активного випромінювання (PAR) для C3 культур, таких як пшениця, і значно вище для C4 культур, таких як кукурудза, які фіксують вуглець за допомогою більш ефективної біохімічної шляху. RUE розглядається як константа культури, яка падає лише тоді, коли рослина перебуває під впливом води або нестачі поживних речовин — майже вся щоденна варіація швидкості росту виникає з того, наскільки велика частка надходять світла крона здатна захопити.

Вплив індексу площі листя на продуктивність рослин

Визначення площі листя (LAI) визначає, скільки сонячного світла захоплює верхівка, і воно зазвичай збільшується від нуля при виході до 4-6 одиниць на повну висоту. Проникне світло зменшується через листя відповідно до закону Бенера, який береться з оптики:

f_intercepted = 1 - e^(-k * LAI) PAR_captured = PAR_incident * f_intercepted Δbiomass = PAR_captured * RUE (г сухої речовини / м² / день) Коефіцієнт затухання k (приблизно 0,4-0,7 залежно від кута листя) визначає швидкість закриття верхівки: вертикальні листки, як у зернових культур, пропускають більше світла на одиницю LAI і потребують вищого LAI для досягнення повної інтерцепції, тоді як горизонтальні листки швидше затінюють землю. Після приблизно LAI 4-5 інтерцепція практично насичена близько 90-95%, тому подальше зростання листя не приносить додаткового захоплення світла і швидкість росту культури стабілізується, навіть якщо накопичення біомаси продовжується.

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

Термічний час замінює календар

Рослини не читають календар; вони реагують на накопичену теплоту. Розвиток відстежується за допомогою днів теплового розвитку (ДТР, також відомих як термічний час), які щодня підсумовуються вище певного базової температури для культури, нижче якої ріст ефективно припиняється:

ДТР_сьогодні = max(0, ((T_макс + T_мін)/2 - T_база))

ДТР_накопичено = Σ ДТР_сьогодні / ДТР_до зрілості

Поточна сума визначає стадію розвитку (ДТР_накопичено), яка рухається від 0 після проростання, до 1 після цвітіння та 2 при повному зрілості, і саме ця стадія – а не кількість днів – вирішує, коли рослина переходить від формування листків та коренів до наповнення зерна. Саме тому одна й та сама сортівка, посаджена на тиждень пізніше в теплу весняну пору, може зацвісти майже в один і той самий календарний день: обидві накопичують однакову суму тепла з різною швидкістю.

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

Водні стреси уповільнюють всю систему

Підхід FAO-33 (Doorenbos & Kassam) розглядає виснаження ґрунтової вологи як простий відро: коли доступна для кореневого шару вода вичерпається, фактична транспірація падає нижче потенційного темпу, і коефіцієнт водного стресу Ks між 0 та 1 множить як транспірацію, так і, через неї, РУЕ (корисне відведення вологи). Культура з Ks = 0,6 не просто спрагла на один день – кожен наступний денний приріст біомаси зменшується, тому посуха під час найшвидшого фазу росту коштує значно більше кінцевого врожаю, ніж та сама дефіцит на ранніх етапах утворення або пізній стані зів’ялості.

З кожного щоденного збільшення до числа збору урожаю

Запустіть цикл — перехоплення світла, додавання біомаси, накопичення тепла, виснаження та поповнення ґрунтової води — день за днем від посіву до зрілості, і результати будуть однаковими числами, які повідомляють агроекологи на полі: загальна надземна біомаса, остання траєкторія LAI та, застосовуючи індекс збору урожаю (частку зерна від загальної біомаси, приблизно 0,35–0,5 для сучасного жита та кукурудзи) на зрілості, оцінка в тоннах на гектар. Простота полягає у цьому: це по суті логіка росту культури, яка використовується всередині операційних інструментів, таких як AquaCrop від FAO та сім’я DSSAT, без хімії ґрунту.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Crop Growth і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.