Produkcja biomasy limitowana niedoborem składników pokarmowych

1. Produkcja biomasy limitowana niedoborem składników pokarmowych QUEFTS

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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

8. 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 = 0.0080 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. fixation [kg kg-1]

9. Pobieranie a zawartość przyswajalnych form składnika

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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)

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

18. 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:

19. Część 1. Obliczanie pobrania poszczególnych składników pokarmowych w zależności od dostępności innych makroskładników (NPUPT, NKUPT, PNUPT, PKUPT, KNUPT, KPUPT) Jeżeli S1 < r1 + (S2 – r2)(a2 / d1), toUPT12 = S1 Jeżeli S1 < r1 + (S2 – r2)(2.d2 / a1 – a2 / d1), to UPT12 = r1 + (S2 – r2)(d2 / a1) w przeciwnym razie: Wtedy: 12UPT (S1, S2)= max[UPT12, 0]

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

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

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

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

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

25. Krok 4. Obliczanie plonów granicznych

26. 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)

27. 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.

29. 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)

30. Okno modelu WOFOST do wprowadzenie wymaganych danych o żyzności gleby

31. Okno początkowe modelu QUEFTS

32. Okno modelu QUEFTS do wprowadzenie wymaganych danych o żyzności gleby

33. Okno wynikowe modelu QUEFTS

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

35. Oblicz dostępność składnikówdla obiektów a-e (arkusz kalkulacyjny)

36. Porównaj wyniki z obliczonymi modelem QUEFTS • program dostępny na sali komputerowej

37. 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?