Модели продукционного процесса растений

Агробиоценоз включает совокупность процессов биотического и абиотического характеров. При выборе методов моделирования агробиоценоза и степени сложности модели определяющая роль должна отводиться цели моделирования. Цель, формулируемая фундаментальной наукой, — это объединение и классификация знаний об отдельных процессах в растении на уровне совокупной модели растения и проверка гипотез о механизмах регуляции взаимодействия отдельных органов и систем. Практической целью является выбор оптимальной стратегии проведения сельскохозяйственных мероприятий: орошения, полива, внесения удобрений, выбор наилучших сроков посева или посадки растений и пр. с целью получения максимальных урожаев.

Определение оптимальных стратегий управления процессом с применением методов теории управления возможно только при наличии математической модели, описывающей процессы, которыми предполагается управлять. Поскольку агробиоценоз нуждается в оперативном управлении, для его описания используют динамические модели, позволяющие вычислять значения характеристик процесса в любой момент времени от начала до конца вегетации.

Сложность агробиоценоза не позволяет подойти к описанию его функционирования как к единому процессу. Поэтому целесообразно представлять всю систему происходящих в агробиоценозе процессов в виде блочной иерархической структуры. Обычно проводится деление модели на биотический и абиотический блоки. Среди биотических процессов выделяют блок роста и развития посева сельскохозяйственных культур, блок функционирования почвенной микрофлоры, блок функционирования почвенной фауны, блок развития энтомофауны, блок развития болезней сельскохозяйственных культур, блок взаимодействия сельскохозяйственной культуры с сорняками и др.

Абиотические блоки включают в себя модели, описывающие ряд геофизических процессов, характеристики которых важны для функционирования биотических процессов: формирование теплового, водного режимов почвы и приземных слоев воздуха, концентрации и передвижения биогенных и токсических солей, различных остатков распада пестицидов, ростовых веществ и метаболитов в почве, концентрации СО; в посеве.

Блочная структура моделей дает большие преимущества для моделирования, позволяя изучать, изменять и детализировать одни блоки, не меняя других. Как правило, число параметров, которые входят внутрь блоков, существенно больше числа параметров, которыми блоки соединяются друг с другом.

Работы в области математического моделирования агробиоценозов ведутся по двум направлениям. Строятся модели отдельных блоков. В частности, легализируется описание фотосинтеза на уровне листа (Лайск, 1977; Hall, Bjorkman, 1975; Farquhar et al., 1980; Калер, Фридлянд, 1980). Синтезируются целостные динамические модели, способные прогнозировать изменение во времени ряда характерных параметров растений, начиная от всходов (иногда от момента посева) до завершения вегетации (созревания). Первые такие модели построены де Витом и его группой (BECROP (Basic crop simulation)) (de Wit, 1978) и коллективом американских авторов SPAM (Soil-plant-atmosphere model) (Schaweroft et al., 1974). Большое число моделей приведено в монографии Франс, Торнли «Математические модели в сельском хозяйстве» (М., 1987). В настоящее время модели второго типа строятся для конкретных культур в конкретных условиях выращивания и называются моделями формирования урожая. Подобные модели имеются для пшеницы, трав, картофеля, кукурузы, хлопчатника. Отечественные комплексные модели описаны в литературе (Бондаренко и др., 1982; Галямин, 1983; Заславский, Полуэктов, 1988; Бихеле и др., 1980; Сиротенко, 1981).

Модели продукционного процесса имеют балансовый характер, т. е. для каждого вещества производится расчет всех «притоков» и «оттоков» бачанса. Например, при расчете водного режима (водный блок) учитываются выпадение осадков (или дождевание), перехват этих осадков надземными органами растений, возможное образование слоя влаги на поверхности почвы, перемещение влаги в почве из одного слоя в другой, обмен с грунтовыми водами, поглощение воды корнями, транспирация и пр. Таким же образом в модели замыкаются циклы круговорота по углероду, азоту и другим элементам.

Основой агробиоценоза является посев сельскохозяйственной культуры. Процессы, протекающие в составляющих посев растениях, во многом еще не изучены, и их формализация представляет собой достаточно сложную задачу. Для описания последовательности процессов от первичной трансформации солнечной энергии до формирования хозяйственно полезных органов удобно представить растение в виде совокупности следующих подсистем (Галямин, 1983).

• 1. Подсистема поглощения, синтеза и выделения вещества и энергии. Эта подсистема осуществляет поглощение солнечной энергии, углекислого газа, биогенных минеральных элементов и воды из почвы, а также выделение воды, кислорода и некоторых продуктов синтеза. В подсистему входят хлорофиллоносные ткани (листья, стебли, репродуктивные органы), снабжение аппаратом устьичной регуляции, а также корневая система растений. Поглощение — первый этап в сложной цепи последующих превращений вещества, в результате которых образуется все множество содержащихся в растении ор1анических соединений.
• 2. Подсистема транспорта вещества. В результате деятельности этой подсистемы происходит распределение пластических веществ между различными морфологическими элементами растения с последующим переходом их в конституционные вещества. Таким образом осуществляется рост растения, т. е. увеличение размеров и биомассы отдельных органов. Транспорт веществ осуществляется по проводящей системе растения, охватывающей все его элементы.
• 3. Подсистема развития растения осуществляет последовательность этапов органообразования. При этом происходит изменение внутренних структур растительного организма. Процессы органообразования локализованы на конусе нарастания, а их последовательность соответствует последовательности считывания генетической информации и направлена на формирование репродуктивных органов.

Все подсистемы растительного организма находятся в состоянии материально-энергоинформационного обмена, интенсивность и качественные характеристики которого определяются как внешними условиями, так и индивидуальным развитием растения. Первым этапом моделирования является формализация совокупности процессов, протекающих в системе. Как правило, переменными моделей служат биомассы органов растений и некоторые геометрические характеристики растительного покрова. К этому следует добавить параметры абиотических блоков.

В большинстве моделей предполагается, что посев горизонтально-однороден, а все «перетоки» вещества происходят лишь в вертикальном направлении. Поэтому рассчитывают вертикальные профили основных переменных, включенных в модель (например, профили влаги в почве и влажности приземного воздуха, профили температуры воздуха, листьев и почвы, профили биомассы корней и надземных органов растений и пр.).

На рис. 7.1 изображена блок-схема модели продуктивности агроэкосистемы, взятая из монографии Бондаренко и др. «Модели продуктивности экосистем». Из блоков, изображенных на рис. 7.1, наиболее разработаны в настоящее время блоки, описывающие не собственно биологические, а скорее геофизические процессы: влагои теплообмен в почве, влагои теилоперенос в системе почва — растение — приземный воздух. Это связано, в первую очередь, с большей изученностью этих процессов и возможностью описывать их при помощи аппарата дифференциальных уравнений в частных производных, разработанного для подобных задач в гидрои аэродинамике. При этом посев практически рассматривается как неоднородная по вертикали пленка, покрывающая поверхность поля.