Биогенная нагрузка
Есть пять основных источников биогенных веществ для рассматриваемой системы: атмосферные осадки, применяемые сельскохозяйственные удобрения, утечки септиков, сбросы из систем очистки сточных вод и естественное разложение органических веществ. Атмосферные осадки делятся на влажные и твердые. В большинстве случаев сообщается о наличии только влажных осадков. Для учета твердых осадков можно предположить, что их объем пропорционален объему влажных осадков с коэффициентом пропорциональности меняющимся в зависимости от района.
Биогенная нагрузка, связанная с удобрениями, может определяться их объемом и временем внесения. В большинстве случаев удобрения вносятся один - два раза в сезон вегетации в зависимости от вида культуры, типа почв и применяемой агротех-нологии. Один из распространенных способов оценки количества внесенных азотных удобрений состоит в том, чтобы принять правило "фунт на бушель", согласно которому количество удобрений (в фунтах), вносимых на данной площади, равно урожаю (в бушелях), ожидаемому для данного вида почв на этой территории [3]. Как атмосферные осадки, так и удобрения определяют запас биогенных веществ на поверхности почвы n_SW.
Количество биогенов, поступающих из систем очистки сточных вод, обычно характеризуется временными рядами значений для определенных участков, которые могут задаваться в модели непосредственно там, где такие сбросы имеются. В большинстве случаев поступающие биогены будут учитываться в переменной n_SW, однако, в некоторых случаях в зависимости от конкретной технологии они могут также учитываться в переменной п_иЖ или (п_5). Утечки из септических отстойников (рассредоточенные источники) оцениваются на основе количеств загрязняющих веществ (биогенов), образованных одним человеком за определенное время. Например, для N это количество составляет 4.8 кг ^(чел год) = 0.0132 кг/(чел сут) [4]. По данным из других источников эти значения могут меняться в интервале 3.5-5 кг/(чел год) [5].
Естественный распад отмершего органического материала также вносит свой вклад в биогенную нагрузку. Этот процесс развивается как на поверхности, так и внутри почвы. Если общее количество минерализованного детрита равно От1п, то общий объем биогенов, увеличивающих их запас на поверхности, принимается равным g Рт^, а прирост этих подповерхностных запасов составляет [(1 - g)Dmin]. Параметр 0 < g < 1 является коэффициентом распределения, который трудно измерить, и обычно он оценивается при калибра-ции модели.
R,
R,
Подповерхностный слой (10 см)
Е
UWd
х (глубина)
Рис. 1. Расчет количества биогенных веществ, доступных для поглощения корнями, в отложениях.
Поглощение биогенных веществ растениями
Количество биогенных веществ, потребленных растениями для роста, пропорционально чистой первичной продукции. Запасы биогенов на поверхности почвы считаются доступными для поглощения растениями только при наличии воды, которая может их растворить. К такой воде относится поверхностная вода SW в сумме с влагой, содержащейся в 10-см подповерхностном слое почвы Л3 (рис. 1).
Количество воды в подповерхностном слое почвы
S =
\UWRSIUWd, если Лу< UWd,
\UW + - UWd)I(E- UWd), если > UWd
где UW - запасы воды в ненасыщенной зоне, У -вода в насыщенной зоне, - толщина подповерхностного слоя почвы 10 см, UWd - толщина ненасыщенной влагой зоны, Е - высота рассматриваемой местности. Общее количество воды, способной растворять биогены, составляет SW + Sr, а концентрация биогенов - n_SW/(SW + Sr). Количество биогенов, которые могут поглощаться растениями, в этом случае равно общему их количеству на поверхности почвы при наличии поверхностной воды или части n_SW из запасов подповерхностного слоя
П _ASW =
Iп_сш(SW + Sr) = п - SW, если SW > 0, =1 п_Сш( 1- п_Бй)Sr, если SW = 0.
Коэффициент п_Бс1 используется для учета распределения биогенов на растворенные (в дальней-
Надземная биомасса AbBM
Надземная нефотосинтезируемая биомасса NPH,
Подземная
нефотосинтезируемая биомасса NPHb
Фотосинтезируемая биомасса PH
Нефотосинтезируемая биомасса NPH
Рис. 2. Основные компоненты, учтенные в модуле "растительность".
шем инфильтрующиеся в подземные воды) и удерживаемые в поверхностном слое почвы.
Скорость потребления биогенов из поверхностного слоя почвы составляет
n_SWup = шт(п_Л^, и8ЖМРР),
где ЫРР чистая первичная продукция растений, рассчитанная в модуле "растительность", п_Цш -параметр, характеризующий потребность растений в биогенах при фотосинтезе.
Описание потребления биогенов из донных отложений (одновременно из ненасыщенной и насыщенной влагой зон) более сложен из-за необходимости параметризации постепенного уменьшения концентрации биогенов по глубине (рис. 1), учитывая толщину корневой зоны. Предположим, что концентрация биогенов остается постоянной по всей ненасыщенной зоне, а затем снижается до нуля на нижней ее границе. Тогда выражение для суммарного содержания биогенов в отложениях имеет вид
n S =
J N (х) dx,
личества биогенов, которое может быть потреблено в корневой зоне, запишем в виде
n _ S (y) = J N (х) dx.
Таким образом, количество биогеннных веществ в отложениях, которое может быть потреблено растениями, составляет
п _Лу =
0, если Я, < Я,,
п_S( 2 Е - UWd - Я,) ( Я, - Я,) ( Е - Я,) (Е - UWd) '
если Я, > Я, > UWS
n S
2 (UWd - Rs ) +
где N(x) - вертикальное распределение биогенов в донных отложениях (рис. 2). Выражение для ко-
Е + UWd -2 Я
(2 Е - UWd - Я;) (Я, - UWd) Е - UW -
в остальных случаях.
Здесь Я, представляет собой толщину корневой зоны, которая рассчитывается в модуле "растительность". При этом объем потребления биогенов из отложений аналогичен рассчитанному для поверхности почвы
п_,Пир = шт(п_Л,, п^^РР),
E
R
S
где п_и5 - параметр поглощения биогенных веществ из отложений. Во всех приведенных выше формулах п = N или Р (соответственно для азота и фосфора).
Вертикальный перенос
Растворенные биогенные вещества переносятся потоками воды в вертикальном и горизонтальном направлениях. Перенос, направленный вглубь почвы (из n_SW в связан с инфильтрацией влаги с поверхности почвы в отложения
N = n_CSW(n_Dd(UWp + + SW_S)),
где п_Сш - концентрация биогенов на поверхности почвы; n_Dd - коэффициент распределения, рассмотренный выше; UWp и - объемы влаги, инфильтрующиеся в насыщенную и ненасыщенную зоны, соответственно; SW_S - поток влаги с поверхности почвы в насыщенную зону. Когда насыщенная влагой зона достигает поверхности, то на ней появляется свободная вода
Nр = n_CsS_SW,
где п_С, - концентрация биогенов в отложениях и
п_С, = п_Я/(, +
S_SW - поток из насыщенной влагой зоны на поверхность почвы. Оба потока (S_SW и SW_S) рассчитываются в модуле "гидрология".
Сорбция
При высоких концентрациях фосфатов начинается их поглощение (сорбция) в почве органическим веществом и ионами металлов. Скорость сорбции определяется количеством органического вещества в почве. При низких концентрациях растворенных фосфатов в отложениях опять становится доступным и возвращается в цикл питательных веществ.
Пространственная реализация
Горизонтальные пространственные потоки биогенов тесно связаны с водными потоками. Поэтому они описываются совместно с потоками на поверхности почвы 8ЩТЯА№1 и 8ЩТКА№2 и в ней аЩТИАШ.
МОДУЛЬ "РАСТИТЕЛЬНОСТЬ"
Переменные состояния
В этом модуле воспроизводится рост высших растений. В их число включены макрофиты в водной среде, деревья в лесу, сельскохозяйственные культуры на полях и кустарник на лугах. Предполагается, что растительная биомасса,
кг/м2, включает в себя две компоненты: способную к фотосинтезу РН и не способную - ^Н. Кроме того, биомасса подразделена на надпо-верхностную и подповерхностную (рис. 2).
Переменная состояния Б, используется для отражения в этом модуле так называемого биологического времени, которое представляет собой сумму эффективных среднесуточных температур за весь период жизни растения "градусо-сутки роста". Температура считается эффективной, если она превышает определенное значение (в данном случае 5°С). Эти температуры наиболее благоприятны для физиологического роста растений. Сумма таких температур служит достаточно надежным показателем того, на какой стадии развития находится растение, и может использоваться для инициирования определенных процессов (развития побегов и появления органов воспроизводства).
В этом модуле использованы данные о температуре и освещенности (из модуля "физические показатели"), наличии биогенов (из модуля "биогеннные вещества") и воде (из модуля "гидрология").
Ограничения по температуре
Известно большое число функций, которые можно использовать для отображения температурных ограничений Ц, процессов роста биомассы [6]. В большинстве случаев используется колоко-лообразная кривая, описывающая диапазон оптимальных температур Т, в пределах которого ограничениями можно пренебречь (Ц = 1), в то время как при других Т рост замедляется или вообще прекращается (Ц > 0).
Такое поведение описывается функцией, которую ввели Р. Ласситер и Д. Кернс [7]
Ц = ехр((Т - Г {))
Т - Т
шах
Т - Т
ор,-
(Т ш
-Тор,.)
где Тор, - оптимальная Т; Тшах - максимальная Т, после которой рост прекращается; ^ - показатель, определяющий форму кривой.
Другая, более сложная функция обеспечивает большую гибкость при определении формы кривой температурных ограничений [8]
Ц =
(1- Т/Т )*
/V шах/ гт1 _ гт1
0 , если Т < Т,
ор,э
в остальных случаях,
куда введены дополнительные параметры: /0 -значение функции при Т = 0 (Ц,(0) = /0) и /т - значение функции при Тшах (Ц(Тшах)
0
Доступность воды
1
когда они до определенного уровня залиты водой, а его превышение приводит к прекращению роста растений. Оба этих условия должны быть отражены в функции W1. Коэффициент k отражает толерантность к высокому уровню воды. Его отрицательные значения показывают толерантность к состоянию воды на поверхности почвы, а положительные - долю корневой зоны над уровнем воды
W1 =
1 / (1 + exp (SW + k)),
если k < 0 и SW > -k,
min( 1, UW/Rd/k, если k > 0 и Rd > 0,
1 в остальных случаях.
Рис. 3. Общий вид функции ограничен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.