Детальный анализ условий среды и подбор растений, имеющих максимальную продуктивность в каждой "точке" исследуемой территории. Разработка базы данных "Декоративные растения" и методики определения продуктивности растений, вошедших в базу данных.
Аннотация к работе
Учитывая это, можно определить три способа согласования необходимых условий развития для растений (требований растений) и условий внешней среды. Для получения общей информации о требованиях растений рассмотрим сначала биологические законы, которые раскрывают взаимоотношение между внешней средой и растением. Закон незаменимости факторов внешней среды обязывает доставлять растению, для нормального роста и развития, все факторы в необходимых соотношениях и количествах. Закон оптимума - каждый фактор имеет оптимум, то есть понижение или повышение величины фактора вызывает ослабление жизненных процессов и при некотором удалении от оптимальной зоны значение фактора становится губительным для растения /Шабанов В.В., 1973/. Шаг по времени в модели - сутки где mp - масса р-го органа, мг/см2, р є l, s, ls, r, k, z; t - время, сут; Gp, Dp, qp, Pp - скорости роста, дыхания, распада и опада тканей растений, мг/(см2·сут); Wt - запасы влаги i-го слоя почвы, мм (i = 1,15); qi-1, qi - потоки воды через верхнюю и нижнюю границы i-го слоя, мм/сут; для 1-го слоя поток через верхнюю границу (q0) равен эффективным осадкам (Rэф); TRI - затраты воды на транспирацию из i-го слоя почвы, мм/сут; ді - логическая переменная, равная 1 при I = 0 и нулю во всех остальных случаях; Е - испарение с поверхности почвы, мм/сут; Nk - содержание нитратов в k-м слое почвы (k = 1,3), мг/см2; Нк - скорость минерализации легкогидролизуемого органического азота, мг/(см2·сут); UN - количество минеральных удобрений с учетом их иммобилизации, мг/(см2·сут); дк - логическая переменная, принимающая значение дк = 1 для первого слоя почвы в день внесения удобрений и дк = 0 во всех случаях; Vk-1, Vk - потоки минерального азота с водой через верхнюю и нижнюю границы k-го слоя (V0 = 0), мг/(см2·сут); hk - скорость денитрификации минерального азота, мг/(см2·сут); Ак - поглощение азота растениями из k-го слоя почвы, мг/(см2·сут).В последнее время ландшафтный дизайн приобретает все большую популярность. Главное направление инженерной поддержки ландшафтного дизайна заключается в подборе растения под определенные условия внешней среды. Методология восстановления экологически нарушенных ландшафтов может быть реализована путем определения условий среды на отдельных участках территории и подбора растений для этих условий. В случае существенного различия между требованиями растений и условиями внешней среды проектируется система, изменяющая и поддерживающая условия среды в требуемых диапазонах, то есть создается система многофакторного (комплексного) мелиоративного регулирования. На предварительных стадиях проектирования проводятся исследования по детальному изучению условий среды и подбору растений, имеющих в каждой «точке» территории максимальную продуктивность.
Введение
Растение, как и любая сложившаяся биологическая система, проявляет способность к «саморегулированию». Однако возможность «саморегулирования» интродуцированных в другие местности растений бывают значительно меньше (уже), чем изменение тех же условий (водного, питательного и теплового режимов) в природной среде.
Учитывая это, можно определить три способа согласования необходимых условий развития для растений (требований растений) и условий внешней среды.
Первый способ - поиск мест (азональных территорий), в которых условия среды будут соответствовать требованиям (мелиортивным режимам) интродуцированных растений. Второй способ - направленная селекция для получения растений с расширенными возможностями приспосабливаемости. Третий способ - искусственное изменение внешней среды для поддержания у растений необходимых условий роста. Это возможно при проведении комплексной мелиорации территории.
При использовании любого из этих способов необходимо знание мелиоративного режима обустраиваемой территории, и в частности, требований растений к условиям среды, выраженных в количественной форме.
Методы взаимодействия внешней среды и растений
Чтобы рассчитать потребность в мелиорациях, надо знать количественное выражение (S) требования растений к условиям внешней среды по водному (W), тепловому (t), пищевому (f) и другим факторам в зависимости от времени (t), то есть иметь функцию
Для получения общей информации о требованиях растений рассмотрим сначала биологические законы, которые раскрывают взаимоотношение между внешней средой и растением.
Закон незаменимости факторов внешней среды обязывает доставлять растению, для нормального роста и развития, все факторы в необходимых соотношениях и количествах.
Закон минимума фактора весьма важен в мелиорации. Его можно описать следующим образом: развитие растения ограничивается тем фактором, который находится в наименьших, относительно оптимальных, количествах.
Закон оптимума - каждый фактор имеет оптимум, то есть понижение или повышение величины фактора вызывает ослабление жизненных процессов и при некотором удалении от оптимальной зоны значение фактора становится губительным для растения /Шабанов В.В., 1973/.
Общий вид зависимостей продуктивности растений от условий внешней среды
Многолетние исследования требований растений к совершенно различным условиям внешней среды, проведенные разными авторами, дают практически один и тот же вид кривой. Координатные оси, в которых строятся такие кривые, следующие: ось абсцисс - величина фактора внешней среды (W, t, f,…), ось ординат - дифференциальная характеристика роста и развития растения (интенсивность прироста урожая или интенсивность обменных процессов, интенсивность накопления какого-либо химического вещества и т.д.). Построенные в таких координатах кривые имеют колоколообразный вид практически для всех факторов внешней среды. В общем случае кривые могут быть и несимметричны.
Если на оси ординат отложить какой-либо интегральный показатель жизнедеятельности растения, например нарастающие суммы приростов массы или длины, то получим S-образную кривую. Дифференцируя ее, можно получить кривую интенсивности приростов, то есть колоколообразную кривую.
Таким же образом можно построить и многомерные кривые требований растения к внешним условиям. Функция S[W, t] имеет вид колоколообразной фигуры, которая построена в следующих координатах: аппликата - показатель интенсивности роста и развития растений, абсцисса - температурный фактор, ордината - водный фактор» /Шабанов В.В., 1973/.
Некоторые математические модели системы растение-среда
1. Симметричная модель
Для каждого момента периода вегетации требования растений к условиям среды будут меняться, то есть для i-го момента времени будем иметь i-ю величину оптимального значения фактора Таким образом, оптимальное значение фактора - функция времени. Построим модель для i-го момента времени.
Ее можно представить в виде где k - коэффициент пропорциональности, приводящий в соответствие размерности правой и левой частей.
Считая, что жизнедеятельность растений протекает в конечном диапазоне какого-либо фактора и достигает оптимального значения при , одной наиболее общей зависимостью S(ц) может служить кривая по виду аналогичная кривой распределения Пирсона 1-го типа, которую для рассматриваемого случая запишем в виде где , г - параметр, имеющий размерность (1/ц), начало координат принято в точке , S = 0. Уравнение (3) удовлетворяет условиям: 1) S = 0 при и при ; 2) S = 1 при .
Представленную модель относят к статистическим и используют в основном для практических расчетов. Теоретические исследования лучше выполнять на так называемых динамических моделях
Динамическая модель Полуэктова Р.А. /Полуэктов Р.А., 2006/
Динамическая модель описывает продукционный процесс полевых культур. Она имеет блочную структуру (рис. 3) и включает описание следующих процессов, имеющих место в системе почва - растительный покров - приземный слой воздуха:
радиационного режима посева, включающее моделирование поглощенной посевом интегральной коротковолновой радиации, тепловой радиации и фотосинтетически активной радиации ФАР;
турбулентного режима посева;
фотосинтеза и фотодыхания;
развития растений (расчет физиологического времени, определяющего сроки наступления фенофаз);
распределения накопленных продуктов фотосинтеза по органам растения с учетом взаимодействия С:N в растениях, их роста, формирования хозяйственного урожая;
транспирации растений и испарения влаги с поверхности почвы;
динамики тепло- и влагопереноса в почвенном профиле;
трансформации и переноса соединений азота в почве;
прогнозирования темпов развития растений;
прогнозирования урожая (для зерновых начиная с фазы колошения);
выбора норм и сроков орошения в поливном земледелии;
выбора доз азотных удобрений, норм и сроков азотных подкормок.
Модель «погода-урожай» Павловой Т.А.
Модель «погода - урожай» ориентирована на решение задач агрометеорологического обеспечения сельского хозяйства. В модели рассматривается взаимосвязь трех групп факторов, представляющих соответственно: гидрометеорологические условия, состояние почвы и состояние посева сельскохозяйственной культуры.
Посевы в модели рассматриваются как функциональное целое, в котором выделено шесть структурных единиц - «емкостей» (в дальнейшем будем называть их органами растений): 1 - листья, ls - листовая часть стебля, s - собственно стебель, r - корни, k - оболочка колоса, z - зерно.
Корнеобитаемая зона почвы ограничивается полутораметровым слоем почвы для воды и метровым слоем для азотных соединений. Шаг по времени в модели - сутки где mp - масса р-го органа, мг/см2, р є l, s, ls, r, k, z; t - время, сут; Gp, Dp, qp, Pp - скорости роста, дыхания, распада и опада тканей растений, мг/(см2·сут); Wt - запасы влаги i-го слоя почвы, мм (i = 1,15); qi-1, qi - потоки воды через верхнюю и нижнюю границы i-го слоя, мм/сут; для 1-го слоя поток через верхнюю границу (q0) равен эффективным осадкам (Rэф); TRI - затраты воды на транспирацию из i-го слоя почвы, мм/сут; ді - логическая переменная, равная 1 при I = 0 и нулю во всех остальных случаях; Е - испарение с поверхности почвы, мм/сут; Nk - содержание нитратов в k-м слое почвы (k = 1,3), мг/см2; Нк - скорость минерализации легкогидролизуемого органического азота, мг/(см2·сут); UN - количество минеральных удобрений с учетом их иммобилизации, мг/(см2·сут); дк - логическая переменная, принимающая значение дк = 1 для первого слоя почвы в день внесения удобрений и дк = 0 во всех случаях; Vk-1, Vk - потоки минерального азота с водой через верхнюю и нижнюю границы k-го слоя (V0 = 0), мг/(см2·сут); hk - скорость денитрификации минерального азота, мг/(см2·сут); Ак - поглощение азота растениями из k-го слоя почвы, мг/(см2·сут).
Модель делится на три взаимосвязанных блока, в каждом из которых решается соответствующая подсистема уравнений для расчета: динамики фитомассы отдельных органов растений в результате моделирования процессов фотосинтеза, дыхания, роста, распада, развития и старения;
динамики влагозапасов почвы в результате моделирования процессов инфильтрации, испарения, транспирации и корневого поглощения воды;
динамики минерального азота почвы путем моделирования процессов нитрификации, денитрификации, корневого поглощения и вымывания.
Достоинством этой модели является возможность проследить за суточными изменениями в системе растение - окружающая среда. Недостатком - необходимость большого количества параметров («констант»), необходимых для построения модели. Ряд этих параметров требует постоянного измерения во времени, что существенно удорожает работу с такой моделью (и динамическими моделями вообще) на практике.
Модель Хомякова Т.М., Пегова С.А. /Кирейчева Л.В. и др., 2008/
Для оценки величины продуктивности мелиорированных угодий возможно использовать модель, разработанную Т.М. Хомяковым, С.А. Пеговым, так как она является интегральной и позволяет учитывать свойства почвы, выражающиеся через индекс почвы (S), влияние климатических условий, определяемых коэффициентом благоприятности климата для естественных ценозов (CL) и показателем соответствия климатических условий данной культуре (ART) - для агроценозов, а также уровень культуры производства (GGR): (для естественных ценозов);
(для агроценозов).
Коэффициент экологической устойчивости мелиорированного агроландшафта имеет следующий вид где К"эс - коэффициент экологической стабильности агроландшафта; - коэффициент устойчивости каждого выдела (местности); Fi - площадь каждого выдела (местности). Величина коэффициента устойчивости находится в интервале 0…1, поэтому значения коэффициентов К"эс, должны находиться в аналогичных пределах.
Коэффициент устойчивости каждого выдела рассчитывается следующим образом где Хорт - оптимальное значение i-го показателя; Хі - текущее значение i-го показателя;
Xmin, Xmax - соответственно, минимальное и максимальное значение i-го показателя; Hi - содержание гумуса в почве в i-ой точке, %; Thi - мощность гумусовых горизонтов почв, см; - содержание элементов минерального питания в гумусовых горизонтах почвы, в долях от максимального значения; Qi - величина оросительной нормы, мм; РНІ - кислотность гумусовых горизонтов почв; Сі - содержание физической глины, %; Di - норма осушения, см; Ті - величина сработки торфа, см.
Коэффициент К"yi преобразуется в коэффициент устойчивости Куі, значения которого находятся в пределах 0…1, следующим образом
Эта модель более приспособлена для использования в практической деятельности, но и она требует достаточно большого количества исходной информации, получить которую не всегда возможно.
Вывод
В последнее время ландшафтный дизайн приобретает все большую популярность. Главное направление инженерной поддержки ландшафтного дизайна заключается в подборе растения под определенные условия внешней среды. Методология восстановления экологически нарушенных ландшафтов может быть реализована путем определения условий среды на отдельных участках территории и подбора растений для этих условий. В случае существенного различия между требованиями растений и условиями внешней среды проектируется система, изменяющая и поддерживающая условия среды в требуемых диапазонах, то есть создается система многофакторного (комплексного) мелиоративного регулирования.
На предварительных стадиях проектирования проводятся исследования по детальному изучению условий среды и подбору растений, имеющих в каждой «точке» территории максимальную продуктивность. Такую операцию можно сделать, имея экологический паспорт растения (см. рис.1). Экологическим паспортом растения можно называть развернутую характеристику для каждого вида (или сорта сельскохозяйственной культуры). В экологическом паспорте указываются экологические особенности, обеспечивающие оптимальные или близкие к ним (приемлемые) условия для устойчивого роста и развития. Это понятие было введено Н.И. Вавиловым в 1935 г. Существенной особенностью экологического паспорта должна быть возможность количественной оценки снижения продуктивности при отклонении условий от оптимального значения.
Рис. 4. Экологический паспорт растения На основании этого паспорта и детальной характеристики условий среды на территории составляется план размещения (районирования) планируемых к выращиванию растений на территории в целом.
Для облегчения такого подбора необходимо создание обобщенной базы данных по наиболее используемым в ландшафтном дизайне растениям.
В качестве инструмента для разработки базы данных использована система управления данными фирмы Microsoft - Microsoft Office Access.
В настоящее время, на кафедре природообустройства и водопользования МГУП, разработана база данных для цветущих растений, но в ближайшем будущем планируется создание такой же базы данных по кустарникам и деревьям.
Список литературы
1. Абашина Е.В., Сиротенко О.Д. Прикладная динамическая модель формирования урожая для имитационных систем агрометеорологического обеспечения сельского хозяйства // Труды Всесоюзного научно-исследовательского института сельскохозяйственной метеорологии. 1986. № 21. С. 13-33.
2. Голованов А.И., Сухарев Ю.И., Шабанов В.В. Комплексное обустройство территорий - дальнейший этап мелиорации земель. // Мелиорация и водное хозяйство. 2006. № 2.
3. Кирейчева Л.В., Белова И.В. и др. Технологии управления продуктивностью мелиорируемых агроландшафтов различных регионов Российской Федерации. - М., 2008.
4. Кирюшин В.И. Экологические основы земледелия. - М.: Колос, 1996. 367 с.
5. Полуэктов Р.А. и др. Модели продукционного процесса сельскохозяйственных культур. - М., 2006.
6. Сиротенко О.Д. Математическое моделирование водно-теплового режима и продуктивности гроэкосистем. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 167с.
7. Сиротенко О.Д., Абашина Е.В. Об использовании динамических моделей для оценки агрометеорологических условий формирования урожаев //Метеорология и гидрология. 1982. № 8. С. 95-101.
8. Смирнов П.М., Муравин Э.А. Агрохимия. - М.: Колос, 1984. 2-е изд., перераб. и доп. 304 с.
9. Шабанов В. В. Биоклиматическое обоснование мелиораций. - Л.: Гидрометеоиздат, 1973.