Symulacja produkcji limitowanej niedoborem NPK

Produkcja biomasy
limitowana niedoborem
składników pokarmowych
QUEFTS
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.
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.


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.
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.
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.
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
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]
Rzeczywiste pobranie N (kg ha-1)
Pobieranie a zawartość
przyswajalnych form składnika
A
B
C
2
1
Zawartość przyswajalnych formNwglebie (kg ha-1)
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.



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.


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.
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.
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)
SN
SN = max[1,7 . (pH – 3) . Corg, 0]
SN = max[17 . (pH – 3) . Norg, 0]


2(T 9 ) / 9
SN  max 45  N org 
,0
log(15  xc ) 

lub
lub
SP = max[0,35 . (1 – 0,5 . (pH – 6)2) . Corg + 0.5 . POlsen,0] lub
SP = max[0,0014 . (1 – 0,5 . (pH – 6)2) . Pc + 0.5 . POlsen,0] lub
SP = max[(0,0375 . Pc + 0,45 . Corg)(1 – 0,25 . (pH – 6,7)2), 0]
SP
SK
 250  ( 3,4  0, 4  pH )  K w 
SK  max 
,0 
2  0,9  Co rg


lub
SK = max[0,35 . (2 + Kw ) . (55 – Corg ), 0]
gdzie:
Corg – zawartość węgla organicznego [g kg-1],
POlsen – zawartość fosforu oznaczona metodą Olsena [mg kg-1],
Pc – całkowita zawartość fosforu w glebie [mg kg-1],
Kw – zawartość potasu wymiennego[mmol kg-1],
Norg – zawartość azotu organicznego [g kg-1],
xc – zawartość frakcji ilastej.
Krok 2: Obliczanie pobrania składników (Uuptake: 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:
Jeżeli S1 < r1 + (S2 – r2)(a2 / d1) to UPT12 = S1;
.
jeżeli S1 < r1 + (S2 – r2)(2 d2 / a1 – a2 / d1) to UPT12 = r1 + (S2 – r2)(d2 / a1)
wtedy: 12UPT = max[UPT12,0]
Parametry a, D i r wyznaczone są empirycznie ze wzorów:
YXA = aX . (UX-rX)
YXD = dX . (UX-rX)
gdzie X = {N, P, K}
a ich wartości w oryginalnej wersji QUEFTS przedstawia tabela 14
Tabela 14. Wartości parametrów empirycznych a,d i r w oryginalnej
wersji QUEFTS [cyt. za Muller 2000]
Składnik
N
P
K
a
30
200
30
d
70
600
120
r
5
0,4
2
Część 2: Obliczanie pobrania
składników (UN, UP, UK)
UN= min [NPUPT(SN, SP), NKUPT(SN, SK)]
UP= min [PNUPT(SP, SN), PKUPT(SP, SK)]
UK= min [KNUPT(SK, SN), KPUPT(SK, SP)]
W zmodyfikowanej wersji modelu QUEFTS pobranie
poszczególnych składników określa się na podstawie
poniższych formuł:
Pobranie dla składnika U1, gdzie1 {N, P, K} :
jeżeli: S2=0 lub S3=0 to: U1=0,
.
jeżeli: S2>0 i S3>0 i S1 > (–0,5 (c1 / S2 + c2 / S3))-1 to: U1 = U1max
gdzie:
 e 1
,
U1 
max
c 
c
0, 5   1  2 
S
2
S
3

jeżeli:
.
S2>0 i S3>0 and S1 < (–0.5 (c1 / S2 + c 2 / S3)) -1 to: U 1m ax  S1  e 0, 5c S1 / S 2 c S 1/ S 3 
1
Tabela 15. Wartości parametrów dla
zmodyfikowane wersji QUEFTS
[cyt. za Muller 2000]
N
1
2
2
P
2
1
3
K
3
3
1
c1
-0,05
-1,15
-0,35
c2
-0,35
-0,40
-0,07
2
Krok 3: Obliczanie zakresu plonu przy maksymalnym
rozcieńczeniu lub akumulacji składnika w roślinie (YNA,
YND, YPA, YPD, YKA, YKD).
YNA = 30 . max[0, UN-5]
YPA = 200 . max[0, UP-0,4]
YKA = 30 . max[0, UK-2]
YND = 70 . max[0, UN-5]
YPD = 600 . max[0, UP-0,4]
YKD = 120 . max[0, UK-2]
Krok 4. Obliczanie plonów
granicznych
Część 1: Obliczenie plonów (YNP, YNK, YPN, YPK, YKN, YKP) dla granicznych poziomów
zawartości składnika Y12, gdzie 1{N, P, K} i 2 {N, P, K} i 1?2,według następujących
formuł:
jeżeli: Y1D>Y2A i Y1A< min[Y1D, Y2D, Y3D, Ymax] i Y2A>MIN wtedy: Y12=MIN,
jeżeli: Y1D>Y2A i Y1A< min[Y1D, Y2D, Y3D, Ymax] i Y2A<MIN wtedy:
Y 12  Y 2 A 
2( MIN  Y 2 A)(U1  r1  Y 2 A / d1 ) ( MIN  Y 2 A)(U1  r1  Y 2 A / d1 ) 2
,

( MIN / a1  Y 2 A / d1 )
( MIN / a1  Y 2 A / d1 ) 2
w przeciwnym razie: Y12= min[Y1D, Y2D, Y3D, Ymax]
Zależności między pobraniem azotu a plonem w zależności od dostępności
fosforu [Boogaard i in. 1998, zmodyfikowany]
YPD
Z
YNP
Plon (kg ha-1)
YND
Plon limitow any
przez N i P
Y
YNA
YPA
X
Rzeczywiste pobranie azotu (kg ha-1 )
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)
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.
YE 
YNP  YNK  YPN  YPK  YKN  YKP
6

Podstawowego zaopatrzenia gleby składników odżywczych jest to
ilość substancji odżywczych w glebie, że zapłodnione potencjalnie
dostępnego do pobrania przez standard upraw w jednym sezonie
wegetacyjnym 120 dni. Moduł ten został opracowany pierwotnie dla
Burkina Faso w której podstawowe żyzności gleby jest raczej niskie.
W związku z tym domyślnie wartości maksymalnej dostaw
podstawowych gleby nie są zbyt. Od zaopatrzenia gleby przyjmuje się
do uprawy w cyklu uprawy 120 dni, wartości dostaw podstawowych
składników odżywczych w szczegółowe pliku wyjściowego nie są
koniecznie takie same jak te, które dostarczają tutaj. Jeśli cyklu
wzrostu ponad 120 dni zasilania podstawowego jest wyższa i vice
versa. Widoczna część zwrotu jest stosunek dodatkowe wykorzystanie
składników pokarmowych przez rośliny, z powodu stosowania
nawozów oraz ilości składników odżywczych stosowane.
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?