Моделирование влияния биофизических факторов на уровень запаса инфекции в почве

Введение. В условиях Красноярского края основными лимитирующими факторами роста и развития растений являются влагообеспеченность, тепловой фактор и запасы питательных веществ в почве, определяющие не только уровень урожайности, но и возможность возделывания тех или иных сельскохозяйственных культур, что является объективной необходимостью в современных условиях.

Актуальность исследований. Развитие теории и методов прикладного моделирования урожайности зерновых культур, а также научная разработка с их помощью на базе принципиальных положений системного агроэнергетического анализа направлены на создание целостной модели землепользования в растениеводстве для каждого сельскохозяйственного района Красноярского края.

Цель исследований. Дать модельное представление лимитирующих биофизических факторов, оказывающих влияние на уровень запаса инфекции в почве.

Задачи исследований. Определить закономерности влияния теплового, водного баланса растения, давления почвенной влаги и транспирации растения, а также влияния колебаний солнечной активности [2–4] на прогнозирование потенциального урожая при запасе инфекции в почве.

Объекты и методы исследований. Объектами исследований являются сельскохозяйственные культуры, возделываемые при влиянии биофизических факторов агроэкологической среды. Использован аппарат теории рядов Фурье.

Результаты исследований и их обсуждение. Тепло, влага и питательные вещества редко находятся в полном соответствии с потребностями растений; чаще один из этих факторов находится в недостатке и лимитирует рост и урожай. Влажность почвы можно регулировать с помощью орошения, питательные вещества – с помощью внесения минеральных и органических удобрений, а приток тепла относится к неуправляемым факторам. Поэтому в условиях орошения и внесения удобрений получаем, что рост, урожай и энергопродуктивность сельскохозяйственных культур зависят главным образом от теплового режима сельскохозяйственного поля. При фиксированных количествах влаги и питательных веществ имеется возможность установить корреляционную зависимость между приращением биомассы растения и поглощенной растением солнечной радиацией в процессах фотосинтеза и транспирации.

Связи между агрометеорологическими факторами и уровнем запаса инфекции в почве для условий Красноярского края изучены недостаточно.

Влияние теплового баланса растения и агроэкологической среды на уровень запаса инфекции в почве. В тепловой баланс растения и физической среды входят следующие компоненты: солнечная радиация, поглощенная поверхностью почвы и растений; отраженная радиация от почвы и от растения; радиация, излучаемая растением и почвой; затраты тепла на испарение почвой и транспирацию; поток тепла в глубокие слои почвы, фотосинтез. В годовом цикле на каком-либо участке земной поверхности величины прихода и расхода равны и тепловой баланс можно выразить уравнением

E R E I E V E P 0 ,

EI   QI WI , где E – поступление радиации за период, кал/см2; E – затраты энергии на испарение, кал/см2;

E – отдача тепла в воздух, кал/см²; E – теплоотдача в почву, кал/см²; Q – скрытая теплота испарения, кал/(10^-1 см³) или кал/ г воды; W – суммарное испарение влаги, мм.

Основная часть радиации, поглощаемая растениями, используется на транспирацию. На фотосинтез расходуется менее 1% солнечной радиации, поглощенной растением. Температура, близкая к 25°С, обычно соответствует максимуму развития.

Температура воздуха колеблется в значительно более широком диапазоне, чем температура почвы, поскольку почва как биоэнергетическая система стремится поддерживать свою температуру близкой к постоянной путем теплообмена с окружающей средой. Транспирация, собственное излучение, альбедо, движение устьиц являются основными средствами регулирования процесса теплообмена между растением и окружающим его воздухом. Поэтому существует точка равновесия, в которой эти два процесса могут взаимно компенсироваться.

Влияние водного баланса растения и агроэкологической среды на уровень запаса инфекции в почве. Водный режим любого слоя земельного массива, занятого какой-либо сельскохозяйственной культурой, может быть описан уравнением водного баланса.

В многолетнем цикле водного режима на некотором участке земной поверхности приход и расход равны. Уравнение годового водного баланса имеет вид

W0 + WCO + GR + WK  WI + WTR + WINF + WS +Wt, где W и W – запасы влаги в почвенной толще соответственно в начале и конце периода t , мм водного слоя; W – сумма осадков, мм; W – испарение с поверхности почвы, мм; W – транспирация, мм; W

– инфильтрация, мм; W – поверхностный сток, мм; W – приток из грунтовых вод, мм; W_K – конденсация, мм водного слоя. Это уравнение означает, что запас влаги в почве W в каждый данный момент времени t равен предшествующему запасу влаги W плюс изменения в приходе и расходе влаги за данный период времени.

Водный режим территории определяет уровень запаса инфекции в почве, где каждой биоклиматиче-ской зоне соответствует свой индекс запаса инфекции.

Влияние давления почвенной влаги и транспирации на запас инфекции в почве. Существенные трудности изучения процесса транспирации и обоснования норм и сроков полива связаны с двойственной природой транспирации: с одной стороны – как биологического явления, а с другой – как физического процесса.

При этом остается неясным вопрос о том, что такое неограниченное увлажнение, какому критическому значению влажности почвы или давлению почвенной влаги оно соответствует. Для разработки теории транспирации, имеющей универсальное значение, необходимо знать зависимость транспирации от влажности или давления во всем диапазоне активной влаги почвы, а также зависимость потенциальной транспирации от погодных условий и запаса инфекции в почве.

Продуктивность всех сельскохозяйственных культур зависит от соотношения величин фактического и потенциального испарения с сельскохозяйственного поля: продуктивность максимальна, если это отношение близко к единице. На потребность растений в воде влияют запасы питательных веществ в почве. Поэтому все выводы, касающиеся связи транспирации с влажностью или давлением почвенной влаги, правомочны для оптимальных величин запасов питательных веществ и допустимого уровня.

Моделирование влияния колебаний солнечной активности на уровень запаса инфекции в почве. Поскольку периоды планетарной активности T , T , T , T , T не имеют наименьшего общего кратного T , то движение системы R t в каждой географической точке M x, y не является периодическим, а представляется квазипериодической функцией с дискретным спектром a1k

2 71 kt cos ----- +b ,

1 a _{2 k} k 1

2 71 kt cos —+ b2k

T ₂

k 1

2 71 kt sin

T 1

1 k

2 71 kt sin

7 . ^a 4 k k 1

2л kt cos — + b4k

T ₄

T ₂

2 л kt sin

Т

Z a _{3 k} k 1

Z a 5 k k 1

Поскольку в общем случае коэффициенты модели c

T 1

2 71 kt

cos

T 3

2 71 kt cos

T 5

+ b _{3 k}

+ ^b 5 k

2 л kt sin

T 3

2 л kt sin

T 5

x , y , a _rk

a _rk x , y , b _rk    b _rk x , y

являются функциональными, то есть зависят от географических координат рассматриваемой точки M x , y на поверхности Земли, то движение системы R t , x , y по временной и географической координатам представляется в виде

k 1

+Е a _{2 k} x , y cos k 1

2Л kt             2л kt x, y cos   -+b1k x, y sin

T ₁                     T ₁

2 л kt             2 л kt

—+ b _{2 k} x , y sin

T ₂                   T ₂

z a _{3 k}x , y k 1

2kt               2л kt cos        b3kx, y sin

T ₃ T ₃

'   2 л kt

+ Х a4k x, y cos   — + b4k x, y sin k 1                   T4

2 л kt

Т

k 1

2kt a5kx, y cos         b3kx, y

T ₅

2л kt sin ------+ S t, x, y .

T 5

Однако по географическим координатам движение системы R t , x , y является периодическим с периодами T и T . Поэтому каждый функциональный коэффициент представим в виде двойного ряда Фурье

2 л kx       2 л kx

^аk cos        k sin k 1           Tx               Tx

+ Е^ _k cos k 1

2 71 kx

11 a_mn m 1 n 1

2Л mx   2 71 ny cos      cos

T x

T y

m 1 n 1

T x

2 л mx

T x

sin

2 л kx

T x

2 л ny cos

T y

c mn m1n1

2 71 mx   2 71 ny cos       sin

T x

T y

m 1 n 1

2 Л mx 2 71 ny sin

T x

с обычными числовыми коэффициентами а , /3 , У , 3_k , a _pq , b_pq , c _pq

T y и d pq .

Представление радиации в виде ряда Фурье для периодической функции приводит к невязкам порядка 30%, связанным с остаточным фактором. Поэтому, как было сказано выше, движение системы необходимо представить в виде квазипериодической функции с периодами планетарной активности T ₁ , T ₂ , T , T ₄ ,

T , а не обычной периодической с периодом T ₁ .

Косвенным образом это подтверждают расстояния между ломаными экспериментальных данных, которые по разным географическим координатам достигают порядка 30% от максимального уровня радиации (рис. 1).

Циклические колебания температуры и осадков имеют такую же структуру, что и динамика солнечной радиации, поскольку эти показатели напрямую зависят от нагревания вод Мирового океана солнечным излу- чением. Этот вывод подтверждается при детальном анализе данных по осадкам на территории Красноярского края.

При моделировании экологической урожайности сельскохозяйственной культуры логично исходить из имеющегося в наличии агроэкологического ресурса, включающего колебания запаса инфекции в почве.

Использование той части ресурса, которая поглощается культурой, возможно смоделировать непосредственно исходя из имеющихся данных по управляющим факторам развития культуры: радиации, осадкам, температуре, влажности и питанию растений нитратами.

Рис. 1. Движение системы суммарной солнечной радиации

Суммарная эффективность этих потоков, выраженная в энергопродуктивности агрофитоценоза, является объективной характеристикой состояния среды. И если основная доля энергии отчуждается с хозяйственно полезной частью урожая, то, безусловно, среда будет обедняться и реагировать на эти изменения.

Солнечная активность программирует деятельность всех зеленых растений посредством воздействий энергетического потока на фотосинтез и окружающую среду. Полупериод солнечной активности, теоретически оцениваемый в 11,55 лет, определяет циклические колебания энергии биосферы Земли. Биосфера является системой более высокого уровня по отношению к агрофитоценозу, а затем по иерархии к системе звеньев севооборотов, имеющих период ротации 3 года.

На практике подсистема агрофитоценоза ввиду инерционности имеет период Т , меньший, чем период объемлющей системы ( Т <11,55 ), а из-за расхождения астрономического и календарного времени календарный цикл ротации звеньев 3 не совпадает с астрономическим периодом системы севооборотов ( Т₂ «3). Поскольку периоды Т и Т ₂ не имеют наименьшего общего кратного, то процесс, формируемый под воздействием факторов с периодами Т 1 и Т 2 является квазипериодическим.

Описание динамики энергопродуктивности с помощью квазипериодической функции, отражающей иерархию подсистем, позволяет планировать сельскохозяйственное производство с учетом прогноза будущего урожая при заданной структуре звеньев севооборота (рис. 2).

Рис. 2. Схема исследований динамики продуктивности сельскохозяйственных культур

Прогнозирование потенциального урожая при запасе инфекции в почве. Моделирование потенциального урожая строится на определенных данных опыта и теоретических предпосылках. «Растение – почва» представляет собой самоуправляемую биологическую систему, в которой в результате взаимодействия солнечной энергии, воды и двуокиси углерода синтезируется органическое вещество. Уровень запаса инфекции в почве зависит от многих факторов: сорта растений, способов обработки почвы, жизнедеятельности (в частности, численности) микроорганизмов (аммонифицирующих бактерий), типов удобрений и их количества, от борьбы с вредителями и болезнями.

В зависимости от колебаний солнечной активности при фиксированных параметрах температуры и влажности изменяется численность различных микроорганизмов [1], таких как аммонифицирующие и нитрифицирующие бактерии, аэробные целлюлозоразлагающие бактерии и водоросли, которые используют в своей деятельности аммиак и нитраты из почвы, тем самым накапливая азот в почве и снижая уровень запаса инфекции.

Поэтому от многофакторного влияния основных лимитирующих факторов очень трудно выразить количественно взаимосвязь.

Теоретически вычисленные значения запаса инфекции оказались в несколько раз меньше максимального уровня инфекции в орошаемых условиях. Следовательно, повышение урожаев сельскохозяйственных культур основывается на технологических приемах повышения эффективности использования растениями солнечной радиации, осадков и почвенной влаги, а также снижения уровня запаса инфекции в почве.

Выводы

• 1.    Биоэнергетический подход позволяет обосновать разумные схемы построения севооборотов с учетом особенностей агроэкологической среды, включающей запас инфекции в почве.

• 2.    Моделирование продуктивности дает возможность подойти к экономическому обоснованию эффективности размещения посевов сельскохозяйственных культур в различных звеньях полевых севооборотов и оптимизировать структуру их в условиях конкретного хозяйства.