Produkcja biomasy limitowana niedoborem składników pokarmowych

QUEFTS

Symulacja produkcji limitowanej niedoborem NPK

Model WOFOST symuluje produkcję biomasy limitowaną niedoborem składników pokarmowych (N,P,K) dla gleb nienawożonych na podstawie ich naturalnej zasobności w te składniki, a następnie oblicza ilość składników niezbędnych do uzyskania plonu roślin na poziomie produkcji potencjalnej i limitowanej niedoborem wody.

W przypadku obliczania ilości składników wymaganych dla osiągnięcia poszczególnych poziomów produkcyjnych (potencjalnej, limitowanej niedoborem wody, limitowanej niedoborem składników pokarmowych) model podaje ilość składników, jaka musi być dostarczona w nawozach, z uwzględnieniem stopnia ich wykorzystania, dla osiągnięcia zamierzonego poziomu produkcji.

Obliczenia te są wykonywane na podstawie algorytmów modelu QUEFTS (QUantitative Evaluation of the Fertility of Tropical Soils), częściowo wprowadzonych do modelu WOFOST.

Biologiczne wiązanie azotu Model WOFOST uwzględnia biologiczne

wiązanie azotu przez rośliny motylkowate, co znajduje odzwierciedlenie w wielkości parametru „NFIX” – określającego część azotu jaką te rośliny mogą pozyskać w wyniku symbiozy z bakteriami brodawkowymi.

Wartość tego parametru jest stała, chociaż w rzeczywistości udział azotu związanego biologicznie w porównaniu do jego całkowitej ilości pobranej przez rośliny zmienia się w zależności od wielu czynników, np. zawartości azotu mineralnego w glebie, pH gleby.

Pobranie składnika Pobranie składnika z gleby jest uwarunkowane

potencjalną zawartością jego przyswajalnych form w glebie.

Przyjmuje się, że jest to ilość składnika jaką rośliny mogą pobrać z gleby wtedy gdy pozostałe składniki nie limitują jego pobierania.

Wartości te dla poszczególnych składników pokarmowych i gatunków roślin można wyznaczyć eksperymentalnie.

Na podstawie licznych eksperymentów określono równania przydatne do estymacji tych wartości na podstawie wybranych właściwości gleby [Jansen i in. 1990].

Możliwości takie oferuje model QUEFTS, jednak procedury te nie zostały wprowadzone do programu WOFOST.

Użytkownik modelu WOFOST może sam oszacować ich wartości korzystając z arkusza kalkulacyjnego.

Dane wejściowe do modelu

W modelu WOFOST do wykonania symulacji produkcji biomasy limitowanej niedoborem składników należy wprowadzić następujące dane:

zawartość przyswajalnych dla roślin form składników (N, P, K) w glebie,

minimalną i maksymalną ich zawartość w organach wegetatywnych i generatywnych.

Dane te wprowadza się w zbiorze (pliku) danych charakteryzujących gatunek (odmianę) rośliny uprawnej

Parametry modelu WOFOST dotyczące składników pokarmowych

** nutrients** maximum and minimum concentrations of N, P, and K** in storage organs in vegetative organs [kg kg-1]NMINSO = 0.0300 ; NMINVE = 0.0080NMAXSO = 0.0490 ; NMAXVE = 0.0250PMINSO = 0.0026 ; PMINVE = 0.0008PMAXSO = 0.0060 ; PMAXVE = 0.0040KMINSO = 0.0080 ; KMINVE = 0.0100KMAXSO = 0.0200 ; KMAXVE = 0.0300YZERO = 0. ! max. amount veg. organs at zero yield [kg

ha-1]NFIX = 0.75 ! fraction of N-uptake from biol. fixation [kg kg-

1]

Pobieranie a zawartość przyswajalnych form składnika

Rzec

zyw

iste p

obra

nie N

(kg

ha-1

)

A B C

1

2

Zawartość przyswajalnych form N w glebie (kg ha-1)

Pobieranie a zawartość przyswajalnych form składnika(opis ryc.)

W przedziale A – potencjalna dostępność składnika jest w małym stopniu powiązana z zawartością innego składnika np. fosforu i w zawiązku z tym jego pobranie jest praktycznie równe jego dostępności (1 : 1).

W przedziale C – dostępność azotu jest bardzo silnie skorelowana z ilością innego składnika, z tego względu nawet dodatek azotu w formie nawozów nie zwiększa jego pobrania przez rośliny.

W przedziale B – stosunek azotu pobranego przez rośliny do dostępnego w glebie zmniejsza się stopniowo w zakresie od 1 do 0.

Dla każdej pary składników szacuje się dwie wartości plonu.

Daje to sześć kombinacji opisujących pobranie jednego składnika przy maksymalnym rozcieńczeniu lub akumulacji innych składników.

Plon limitowany niedoborem składników pokarmowych jest średnią arytmetyczną tychże kombinacji.

Model QUETS, którego algorytmy zostały wykorzystane w modelu WOFOST, został opracowany w celu prognozowania plonu kukurydzy w warunkach nienawożonych gleb tropikalnych, ale może być przystosowany dla innych gatunków roślin i innych warunków siedliskowych.

Smaling [1993] przystosował ten model do prognozowania plonu w zależności od nawożenia NPK.

W tej wersji model oferuje sposób racjonalnego obliczenia wielkości nawożenia mineralnego w skali regionu i gospodarstwa wykorzystując następujące przesłanki:

fizjologiczne: zbilansowania składników i zwrot do gleby składników pobranych z plonem

środowiskowe: minimalizacja strat składników z gleby

ekonomiczne: efektywność ekonomiczną nawożenia.

Funkcjonowanie modelu QUEFTS opiera się na 4 następujących po sobie krokach, z których pierwszy i trzeci bazują na empirycznie stwierdzonych zależnościach.

Krok 1: Obliczanie przyswajalnych form składników w glebie (S-supply: SN, SP, SK)

SN SN = max[1,7 . (pH – 3) . Corg, 0] lub SN = max[17 . (pH – 3) . Norg, 0] lub

0,)15log(

245max

9/)9(

c

T

org xNSN

SK

0,

9,02

)4,04,3(250max

org

w

C

KpHSK lub

SK = max[0,35 . (2 + Kw) . (55 – Corg), 0]

SP SP = max[0,35 . (1 – 0,5 . (pH – 6)2) . Corg + 0.5 . POlsen,0] lub SP = max[0,0014 . (1 – 0,5 . (pH – 6)2) . Pc + 0.5 . POlsen,0] lub

SP = max[(0,0375 . Pc + 0,45 . Corg)(1 – 0,25 . (pH – 6,7)2), 0]

gdzie: Corg – zawartość węgla organicznego [g kg-1], POlsen – zawartość fosforu oznaczona metodą Olsena [mg kg-1], Pc – całkowita zawartość fosforu w glebie [mg kg-1], Kw – zawartość potasu wymiennego[mmol kg-1], Norg – zawartość azotu organicznego [g kg-1], xc – zawartość frakcji ilastej.

Zależność pomiędzy ilością przyswajanych form fosforu oznaczanych różnymi metodami (Vucāns i in. 2008, zmodyfikowano)

Krok 2: Obliczanie pobrania składników (U- uptake: UN, UP, UK) składa się z dwóch części:

Część 1: Obliczanie (NPUPT, NKUPT, PNUPT, PKUPT, KNUPT, KPUPT), jeśli za pierwsze dwie litery oznaczające składniki pokarmowe podstawimy cyfry 1 i 2 to ogólne wzory służące do obliczeń dla poszczególnych kombinacji „12UPT”, gdzie 1{N, P, K} i 2 {N, P, K} i 1≠2, przyjmują postać:

Część 1. Obliczanie pobrania poszczególnych składników pokarmowych w zależności od dostępności innych makroskładników (NPUPT, NKUPT, PNUPT, PKUPT, KNUPT,

KPUPT)

Parametry a, D i r wyznaczone są empirycznie ze wzorów:

YXA = aX . (UX-rX) YXD = dX . (UX-rX)

gdzie X = {N, P, K}

a ich wartości w oryginalnej wersji QUEFTS przedstawia tabela 14

Jeżeli S1 < r1 + (S2 – r2)(a2 / d1), to UPT12 = S1

Jeżeli S1 < r1 + (S2 – r2)(2 . d2 / a1 – a2 / d1), to UPT12 = r1 + (S2 – r2)(d2 / a1)

w przeciwnym razie:

1

2

1

2)22(

1

2)22(1125,0

112

2

d

a

a

drS

d

arSrS

SUPT

Wtedy: 12UPT (S1, S2)= max[UPT12, 0]

Tabela 14. Wartości parametrów empirycznych a,d i r w oryginalnej wersji QUEFTS [cyt. za Muller 2000]

Składnik a d r N 30 70 5 P 200 600 0,4 K 30 120 2

Część 2: Obliczanie pobrania składników (UN, UP, UK)

UN= min [NPUPT(SN, SP), NKUPT(SN, SK)] UP= min [PNUPT(SP, SN), PKUPT(SP, SK)] UK= min [KNUPT(SK, SN), KPUPT(SK, SP)]

W zmodyfikowanej wersji modelu QUEFTS pobranie poszczególnych składników określa się na podstawie poniższych formuł:

Pobranie dla składnika U1, gdzie1 {N, P, K} : jeżeli: S2=0 lub S3=0 to: U1=0,

jeżeli: S2>0 i S3>0 i S1 > (–0,5 . (c1 / S2 + c2 / S3))-1 to: U1 = U1max gdzie:

325,0

121

1

max

S

c

S

ce

U ,

jeżeli:

S2>0 i S3>0 and S1 < (–0.5 . (c1 / S2 + c2 / S3)) -1 to: 3/12/15,0max

2111 SScSSceSU

Tabela 15. Wartości parametrów dla zmodyfikowane wersji QUEFTS [cyt. za Muller 2000]

N P K c1 c2 1 2 3 -0,05 -0,35 2 1 3 -1,15 -0,40 2 3 1 -0,35 -0,07

Krok 3: Obliczanie zakresu plonu przy maksymalnym rozcieńczeniu lub akumulacji składnika w roślinie (YNA, YND, YPA, YPD, YKA, YKD).

YNA = 30 . max[0, UN-5] YND = 70 . max[0, UN-5] YPA = 200 . max[0, UP-0,4] YPD = 600 . max[0, UP-0,4] (100) YKA = 30 . max[0, UK-2] YKD = 120 . max[0, UK-2]

Krok 4. Obliczanie plonów granicznych

Część 1: Obliczenie plonów (YNP, YNK, YPN, YPK, YKN, YKP) dla granicznych poziomów zawartości składnika Y12, gdzie 1{N, P, K} i 2 {N, P, K} i 1?2,według następujących formuł: jeżeli: Y1D>Y2A i Y1A< min[Y1D, Y2D, Y3D, Ymax] i Y2A>MIN wtedy: Y12=MIN, jeżeli: Y1D>Y2A i Y1A< min[Y1D, Y2D, Y3D, Ymax] i Y2A<MIN wtedy:

211

211

11

11

)/2/(

)/21)(2(

)/2/(

)/21)(2(2212

dAYaMIN

dAYrUAYMIN

dAYaMIN

dAYrUAYMINAYY

,

w przeciwnym razie: Y12= min[Y1D, Y2D, Y3D, Ymax]

Zależności między pobraniem azotu a plonem w zależności od dostępności fosforu [Boogaard i in. 1998, zmodyfikowany]

W przedziale X produkcja nie jest ograniczana dostępnością fosforu (składnik jest dostępny na poziomie maksymalnym) a uzyskany plon kształtuje się na poziomie YPA (plon przy maksymalnym zaopatrzeniu w fosfor), natomiast azot jest na poziomie maksymalnego rozcieńczenia w roślinie (YND). W przedziale Y oba składniki limitują wielkość produkcji, natomiast w przedziale Z – tylko fosfor limituje wielkość plonu, począwszy od granicy YPD, chociaż azot jest na maksymalnym poziomie akumulacji (YNA)

Plo

n (k

g ha

-1)

X

Y

Z

YPA

YPD

YND

YNA

YNPPlon limitow any przez N i P

Rzeczywiste pobranie azotu (kg ha-1)

Część 2: Obliczanie plonu limitowanego

dostępnością składników pokarmowych. Przy uwzględnieniu trzech makroskładników

(NPK) oraz możliwości pobrania każdego z nich w dwóch skrajnych poziomach dwóch pozostałych składników (maksymalne rozcieńczenie lub maksymalne pobranie) uzyskujemy 6 wartości plonu limitowanego niedoborem składników pokarmowych.

Plon limitowany niedoborem składników pokarmowych (YE) w modelu WOFOST symulowany jest jako średnia arytmetyczna tych sześciu oszacowań plonu.

6

YKPYKNYPKYPNYNKYNPYE

Fragment pliku danych o roślinie w modelu WOFOST charakteryzujących zawartość składników w organach zapasowych i cześciach wegetatywnych przy maksymalnej koncentracji i rozcieńczeniu składnika (Biblioteka modelu WOFOST 7.1)

CRPNAM='Faba bean 801, EC' ** nutrients ** maximum and minimum concentrations of N, P, and K ** in storage organs in vegetative organs [kg kg-1] NMINSO = 0.0300 ; NMINVE = 0.0080 NMAXSO = 0.0490 ; NMAXVE = 0.0250 PMINSO = 0.0026 ; PMINVE = 0.0008 PMAXSO = 0.0060 ; PMAXVE = 0.0040 KMINSO = 0.0080 ; KMINVE = 0.0100 KMAXSO = 0.0200 ; KMAXVE = 0.0300 YZERO = 0. ! max. amount veg. organs at zero yield [kg ha-1] NFIX = 0.75 ! fraction of N-uptake from biol. fixat.[kg kg-1]

Okno modelu WOFOST do wprowadzenie wymaganych danych o żyzności gleby

Okno początkowe modelu QUEFTS

Okno modelu QUEFTS do wprowadzenie wymaganych danych o żyzności gleby

Okno wynikowe modelu QUEFTS

Okno wynikowe modelu QUEFTS po zastosowaniu nawożenia i zmianie współczynników wykorzystania składników

Oblicz dostępność składnikówdla obiektów a-e (arkusz kalkulacyjny)

Dane a b c d e

pH 6 6 6 6 5

org C 20 20 20 10 20

P-Olsen 5 5 1 5 5

K-wym 10 5 10 10 10

Porównaj wyniki z obliczonymi modelem QUEFTS

program dostępny na sali komputerowej

Pytania kontrolne Jakie składniki pokarmowe zostały uwzględnione w

symulacji plonu roślin uprawnych w modelu WOFOST? Algorytmy jakiego modelu zostały wykorzystane w

modelu WOFOST? Przedstaw założenia poszczególnych etapów obliczeń

zmierzających do obliczenia plonu limitowanego niedoborem składników pokarmowych w modelu QUEFTS.

Jakie właściwości gleby określają ilość przyswajalnych form składników pokarmowych w modelu QUEFTS?

Na czym polega obliczenie plonów granicznych? Co przyjęto w modelu WOFOST jako wielkość plonu

limitowanego dostępnością składników pokarmowych?