УДК [551.5:635.11].001.572
Моделирование изменчивости относительной площади листьев сахарной свеклы и кормовых трав
Е. М. Гусев», О, Е. Бусарова*
Рассматриваются эмпирические модели динамики относительной площади листьев сахарной свеклы и кормовых трав, ориентированные на использование стандартной гидрометеорологической информации. Представлена также методика приближенной оценки урожайности сахарной свеклы и биомассы травостоя, использующая данные об изменении относительной площади листьев указанных культур в триод их вегетации.
Процессы водообмена на границе суши с атмосферой в значительной мере контролируются растительным покровом. Современные агрофизические, гидрологические, агрометеорологические модели, модели программирования урожая, модели общей циркуляции атмосферы и т. д. [9, 26—28 и др.] рассматривают растительный покров как деятельный слой, который в значительной мере поглощает энергию солнечного излучения, расходует запасы почвенных вод на транспирацию и одновременно способствует снижению испарения воды почвой, затеняя ее поверхность. При этом одним из важнейших используемых в указанных моделях параметров растительного покрова является относительная площадь его эффективной поверхности со (которую в дальнейшем мы будем называть относительной площадью листьев).
Следует отметить, что данный параметр имеет довольно тесные связи и с конечной урожайностью, что существенно при решении сельскохозяйственных задач. В связи с этим временная динамика относительной площади листьев широко исследовалась [3, 7, 15, 18 и др.] в основном для сельскохозяйственных и особенно для зерновых культур, так как они занимают основные посевные площади. Однако современные эффективные способы выращивания сельскохозяйственных культур невозможны без использования на сельскохозяйственных землях системы севооборотов. Стратегия севооборота предполагает учет естественных почвенно-климати ческих условий и особенностей (направленности) конкретного хозяйства, которые в свою очередь тоже в основном диктуются природными факторами. Кроме того, "правильный" севооборот предполагает гибкое отношение к распределению полей под разные культуры в зависимости от метеорологических условий года. При этом достаточно большая доля площадей приходится на пропашные культуры (в частности, сахарную свеклу) и кормовые травы,
* Институт водных проблем Российской академии наук.
временная динамика относительной площади листьев которых отличается от таковой для зерновых культур. Поэтому для широкого круга задач необходимы способы вычисления динамики т широкого спектра культур и не только в виде некоторой типичной функции времени, а зависящей от конкретных гидрометеорологических условий рассматриваемого года.
Поскольку непосредственное определение а> трудоемко и требует информации о фенологических характеристиках агроэкосистем, желательно иметь достаточно простую расчетную методику оценки динамики относительной площади листьев, а также конечной урожайности разных сельскохозяйственных культур по гидрометеорологическим данным, используемым одновременно при расчете динамики элементов водного баланса почвы. Разработке такой методики для посевов сахарной свеклы и многолетних кормовых трав и посвящена настоящая работа.
В основу методики положен подход, изложенный в [7, 18], где предполагается, что в условиях достаточного увлажнения относительная площадь листьев конкретной культуры в течение периода вегетации а)ор1 эволюционирует в оптимальном режиме по некоторой заданной "генетической" программе, определяемой так называемым биологическим временем Биологическое время связано с нарастающей суммой средних суточных положительных температур воздуха Т>0 и на М-е сутки определяется выражением
= со
¡=1
где индекс суммирования / определяет один из номеров предшествующих суток. Введение биологического времени дает возможность обобщить полученные результаты на районы с разными тепловыми ресурсами.
В этом случае оптимальную динамику относительной площади листьев (Й0р1(16) {при достаточном увлажнении почвы) можно также представить в виде
«V, = , (2)
(
где А, =
А6 ,,
А/ — приращение биологического времени в течение
1-го временного шага (7-х суток).
Влияние же недостаточности увлажнения при расчете динамики реальной относительной площади листьев на г-ом временном шаге учитывается введением в (2) так называемой функции стресса Лг,, которая отражает неоптимальность водного режима растительного покрова в отношении прироста ш [7, 18]:
(о = У Л,АгДг . (3)
б,
г
Поскольку скорость образования первичного вещества тесно связана с физиологическим испарением воды растительным покровом — транспира-цией [6], в первом приближении функцию можно представить в виде 96
Щ = (4)
1 „
1-Г0,1
Здесь Ет, и Ето, — соответственно фактическая и потенциальная транспи-рация растительного покрова на г-ом шаге.
Обобщение результатов исследования транспирации [2] позволяет представить 57 г, в виде
Б1Г; = ......^П = ГШП
Е
Г V, ^
'Г 0,1
V •
V «чм
(5)
где V/ — продуктивные влагозапасы корнеобитаемого слоя почвы (принимаемого в настоящей работе равным 1 м) на г-ом временном шаге; Ккр_ — критические влагозапасы корнеобитаемого слоя почвы на г-ом шаге, т. е. такие продуктивные влагозапасы почвы, ниже которых значение транспирации становится меньше ее потенциальной величины. При этом Укр связана с потенциальной транспирацией следующим соотношением из [2]:
Укр = 60 + 4,2Еп, (6)
в котором Ккр выражена в мм, а Ето в мм/суш и определяется уравнением
Еп = а^и?3Ф, + а2Ь2Ф2(К - <?), (7)
где
1 + 1,56р
Р =
йТ
\е, = 6,1ехр(17,177(235 + Г));
й| иа2 — переводные множители, численно равные 0,66 и 2,6 • Ю"5 соответственно; й2 — дефицит влажности воздуха (гТТа) на высоте измерений (2 м); щ — скорость ветра на высоте 2 м (м/с); Л и С? — радиационный баланс и теплообмен в почве соответственно (Вт ■ м~2); е$ — давление насыщенного водяного пара (гПа) при температуре воздуха Т (°С); Т2 — температура воздуха на высоте 2 м; Ьк — скрытая теплота парообразования (Дж • кг"1); Ф, и Ф2 » 1,2 — интегральные функции характеристик, описывающих тепло- и влагообмен в растительном покрове. Значения параметра Ф, для ряда растений приведены в [2, 15], в частности для пшеницы, свеклы и кормовых трав он равен 0,45; 0,16 и 0,30 (см/с) ■ (м/с)'ш соответственно.
Из изложенного выше видно, что "паспортной" характеристикой соответствующей сельскохозяйственной культуры, необходимой при расчете динамики относительной площади ее листьев, является функция (оор1(1б), дающая возможность рассчитать и ее производные ёшор1/Ж6. Рассмотрим методику получения данной функции для сахарной свеклы.
На агрометеорологических станциях стандартные фенологические наблюдения за датами прохождения фаз вегетации сахарной свеклы не со-
провождаются количественными измерениями, позволяющими оценить величину относительной площади листьев. Поэтому материалом для определения функций а> ,(/б) послужили ограниченные по объему данные измерений ш, выполненных Юнусовым [25] на двух сельскохозяйственных полях вблизи Казани в течение трех лет (1996—1998 гг.) при оптимальном увлажнении почвы. Эти данные позволили связать значения шор1 с основными фазами развития сахарной свеклы. Для получения же связи фаз развития сахарной свеклы с биологическим временем /,-, были использованы данные наблюдений за температурой воздуха и фазами развития растений на агрометеорологических станциях Каменная Степь (в течение 15 лет), Петринка (7 лет), Ершов (3 года). Полученная в результате проведенных исследований эмпирическая связь (0орД?6) (?в о гсчитывается с момента весеннего устойчивого перехода температуры воздуха через 0°С) представлена на рис. 1. Основные параметры этой связи приведены также в табл. 1, а аппроксимирующее данную связь уравнение выглядит следующим образом:
где х =
437
22,7х + 8,44*
для 0 < х < 1; для х < 0 и х > 1,
(8)
2113
Кроме того, на рис. 1 для сравнения показаны полученные ранее [7] "генетические" функции яровой пшеницы и кукурузы. Очевидное различие этих функций для разных сельскохозяйственных культур еще раз подтверждает целесообразность проведения настоящей работы.
Как отмечалось выше, урожайность сельскохозяйственной культуры в конкретный год коррелирует с динамикой <у. Методика оценки урожайности сахарной свеклы основана на эмпирическом соотношении [7, 18] между урожайностью У и так называемым фотосинтетическим потенциалом
ФП, представляющим собой нарастающую (в биологическом времени) сумму значений ш от всходов до уборки с учетом функции недостаточного увлажнения почвы (Яг,)
А/.
ФП
2>,
Ат..
(9)
1=1
Рис. 1. Динамика (в биологическом времени) шор1 для яровой пшеницы (I), кукурузы (2) (данные для обеих культур по [7]) и сахарной свеклы (3 — экспериментальные данные, 4 — расчет по уравнению (8)).
где /=1 — дата всходов; /у — дата уборки; Ат,. — суточный шаг в реальном времени.
Наличие на ряде агрометеорологических станций (Каменная Степь, Петринка, Ершов, Казань) информации об урожайности в сочетании с данными фенологических наблюдений за датами прохождения фаз развития сахарной
Таблица 1
Параметры зависимости ,(*„) для посевов сахарной свеклы
Фаза развития растений к, °С со, м2/м2
среднее стандартное отклонение среднее стандартное отклонение
Всходы 437 113 0
1-я пара листьев 610 126 1,1 0,11
Смыкание рядов 1115 144 3,6 0,41
Закрытие междурядий 1450 185 4,0 0,7
Пожелтение листьев 2138 250 3,5 0,6
Уборка 2550 212 3,0
свеклы, сведений о динамике почвенных влагозапасов и комплекса метеорологических наблюдений позволило с использованием (1)—(9) построить связь У с ФП (рис. 2), которую в первом приближении можно аппроксимировать уравнением
У = 0,05 ЗФП. (10)
При этом коэффициент корреляции между измеренными и рассчитанными в соответствии с (10) значениями урожайности я 0,7.
Использованный комплекс измерений, к сожалению, ограничен всего 15 годопункгами (Каменная Степь — 5 лет, Петринка — 2 года, Ершов — 2 года, Казань — 3 года по два поля). Средняя величина урожайности сахарной свеклы по измеренным годоп
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.