Ugrás a tartalomhoz

Az agroökológia modellezéstechnikája

Huzsvai László (2005)

Debreceni Egyetem Agrártudományi Centrum

Tápanyagmozgás modellezése

Tápanyagmozgás modellezése

A különböző tápanyagok mozgása a talajban nagyságrendileg különböző tér- és idő paraméterekkel írható le. A talajoldatban kis koncentrációban jelenlévő, ún. lassan mozgó tápanyagok - a P és K-transzport és felvétel - diffúziós transzportjának felírása nem egyszerű. Elsősorban azért, mert a gyökerek körüli igen kicsi, néhány mm3-es talajtérfogatban lejátszódó folyamatokról van szó, amelyek nehezen lehatárolhatók és mintázhatók. A mechanisztikus-dinamikus modellek hasznosak a folyamatok jobb megismerésében, pl. abban, hogy a talaj-növény rendszer egy-egy komponenséhez, - pl. a talajoldat tápanyag-koncentrációja, a gyökérsűrűség vagy a felvételi kinetikai paraméterek - rendelt érték változása hogyan befolyásolja a teljes tápanyag-szolgáltatási és felvételi folyamatot.

A talajban szilárd formában kevésbé megkötődő, a talajoldatban viszonylag nagy koncentrációban lévő és tömegáramlással a gyökérre mozgó tápanyagok - pl. a nitrát - dinamikáját általában a gyökérzónában, a talajszelvény egészében vagy adott rétegeiben tanulmányozzák. A teljes gyökérzet nitrátfelvétele a begyökerezett talajrétegekből történő nitrátfelvételből adódik össze. Ezekben a vizsgálatokban a tápanyagforgalmi modellt termés-szimulációs modellhez kapcsolják (Füleky, és R. Végh, 1999).

A vizsgált talajtérfogat nagyságától függetlenül az eredmények értelmezésében további nehézségek forrása a gyökér, a talaj-mikroorganizmusok és a közvetlen fiziko-kémiai környezet összetett kölcsönhatásainak figyelembe vétele. A szimulációs technika jól alkalmazható a folyamatok leírására, az egyes tényezők hatásának, jelentőségének vizsgálatára.

A következőkben a szimulációs modelleket céljuk és tárgyuk szerint két csoportba osztva tárgyaljuk. Először a gyökérkörnyezetben, a rizoszférában, az egyetlen gyökérszálhoz történő tápanyagmozgást (talaj-gyökérfelület), majd a gyökérzónában, a teljes gyökérzet tápanyagfelvételét (talaj-növény-atmoszféra rendszerben) leíró szimulációs modelleket mutatjuk be.

A talaj tápanyagtranszportját és a növényi tápanyagfelvételét valamint a tápanyagfelvétel és a tápanyag-szolgáltatás dinamikus kölcsönhatását mechanisztikus modellekkel írják le.

A tápanyagtranszport-modellek általában a gyökér tápanyagfelvételét, a gyökérzet morfológiáját és növekedését, valamint a talajban a gyökérfelszínre történő tápanyagtranszportot leíró matematikai kifejezésekből állnak. A modellekben a tápanyag mozgása tömegáramlás és diffúzió útján történik, és felvételének sebességét a tápanyag gyökérfelületi koncentrációja határozza meg, Michaelis-Menten típusú összefüggés alapján. Ezek a modellek a gyökeret, mint a tápanyagok számára teljes metabolikus gyűjtőhelyet (zero sink) kezelik, vagyis a tápanyagfelvétel nagy sebessége következtében a gyökér felületén az adott tápanyag koncentrációja kicsi. A gyökér tápanyagfelvételi jellemzőit (lmax, Km, co) tápoldatos kísérletekben határozzák meg, ahol a gyökérfelületre történő tápanyagtranszport nem limitálhatja a felvételt, vagyis a felvételi kinetikai paraméterek értéke kizárólag a növény élettani állapotától függ. A gyökérzet morfológiáját és növekedési sebességét jellemző paramétereket teljes növényre vonatkoztatva talajban vagy egyéb háromfázisú közegben lefolytatott kísérletek adataiból nyerik. A következőkben a Claassen-Barber modellt mutatjuk be részletesebben, ami a P- és K- transzport koncentrációeloszlás és felvétel leírására és tanulmányozására az egyik legáltalánosabban használt modell.

A Claassen-Barber modell

A modell két részből áll: a gyökérre történő tápanyagtranszport és a Michaelis-Menten kinetikát követő tápanyagfelvétel leírásából.

A modell alapja a gyökérre tömegáramlással és diffúzióval történő tápanyagmozgást leíró összefüggés:

7.22. egyenlet - A gyökérre tömegáramlással és diffúzióval történő tápanyagmozgást leíró összefüggés

d C l d t = 1 r d dr ( r s D e d C l dr + v 0 s r 0 s C l b )


ahol: Cl : a talajoldat tápanyag-koncentrációja (mol/cm3), r : a gyökértől való sugárirányú távolság (cm), r0 : gyökérsugár (cm), De : effektív diffúziós koefficiens (cm2/s), b : pufferkapacitás, v0 : vízfelvétel sebessége (mm), t : idő (nap)

A kezdeti és a határfeltételek a következők:

7.23. egyenlet - A gyökérre tömegáramlással és diffúzióval történő tápanyagmozgást leíró összefüggés kezdeti és határfeltételei I.

t = 0 , n r g r 0 , n C l = C li


7.24. egyenlet - A gyökérre tömegáramlással és diffúzióval történő tápanyagmozgást leíró összefüggés kezdeti és határfeltételei II.

t g 0 , n r = r 0 , n D e s b s d C l dr + v 0 s C l = I max ( C l m C l n min ) K m + C l m C l n min


7.25. egyenlet - A gyökérre tömegáramlással és diffúzióval történő tápanyagmozgást leíró összefüggés kezdeti és határfeltételei III.

t g 0 , n r = r l , n D e s b s d C l dr + r 0 r l s v 0 s C l = 0


7.26. egyenlet - A gyökérre tömegáramlással és diffúzióval történő tápanyagmozgást leíró összefüggés kezdeti és határfeltételei IV.

vagy n C l = C li


Ebben az esetben: Cli : a talajoldat kiindulási tápanyagkoncentrációja (μmol/cm3) Cmin : minimum koncentráció (μmol/cm3), ahol a nettó intlux = 0, Km : Michaelis-konstans (μmol/cm3 ), Imax : a nettó intlux maximuma (μmol/cm2s), rl : gyökerek közti átlagos távolság fele (cm).

A (143) összefüggés szerint a gyökérfelszínre történő tápanyagfluxus egyenlő a Michaelis-Menten kinetikával leírható növényi tápanyagfelvétellel.

A (144) összefüggés alapján lehetővé válik a gyökerek közötti kölcsönhatások (versengés) figyelembe vétele. Az (145) összefüggés az előbbi alternatívája, vagyis nincs a gyökerek között kölcsönhatás; azaz r távolságban a koncentráció azonos a kiindulási koncentrációval.

A modellel becsülhető az egységnyi hosszúságú gyökér által bizonyos idő alatt felvett tápanyagmennyiség és a gyökér körüli koncentrációeloszlás. A növekvő gyökérrendszer teljes tápanyagfelvétele az adott időpontokban funkcionáló gyökérszegmensek időarányos felvételének összege.

Érzékenységvizsgálati eredmények

Az előbbihez hasonló mechanisztikus modellek bizonyos korlátok között jól alkalmazhatók a tápanyagszolgáltatás, és felvétel folyamatának leírására. Gyakori hibájuk azonban, hogy a tápanyagszolgáltatás extrém tartományaiban nem alkalmasak a jelenség leírására. Például foszforhiányban vagy túlzott káliumellátottság esetén, stb. Ennek oka az a sokrétű adaptációs tevékenység, amelyre a növény a tápanyagstressz elhárítása érdekében képes. Ezek az előző fejezetben már tárgyalt funkciók a növekedési sebesség csökkentése, a metabolikus gyűjtőhelyáthelyezés, a gyökérfelület-növelés (pl. gyökérszőrképződés), a felvételi kinetikai paraméterek változása, a kémiai aktivitás, stb.

A bemutatott Claassen-Barber modellhez hasonló Cushman-modell érzékenységvizsgálatánál kimutatták, hogy a P-felvétel becsült értékére a gyökérfelület változása volt a legnagyobb hatással, majd a talaj transzportparaméterei (a talajoldat kiindulási P-koncentrációja, foszfor-pufferkapacitás, diffúziós együttható), végül a felvételi kinetikai paraméterek következtek.

A gyökérfelület jelentőségére utal, hogy a gyökérszőrképződés által megnövelt felület, mint input paraméter bevonása a Claassen-Barber modellbe jelentősen javította a felvett P-mennyiség becslését a vizsgált 7 növényfajnál.

Foszforhiány esetén igen jelentős lehet a gyökér általi kémiai feltárásból származó felvehető foszformennyiség. A Cushman modellt tesztelve nagymértékben javították a felvett P-mennyiség becslését a fokozott gyökérnövekedés és a pH által szabályozott foszforfeltáródás figyelembe vételével.

Az elmúlt évtizedben jó néhány, a gyökérkörnyezetben folyó tápanyagfeltáródás tanulmányozására alkalmas szimulációs modellt fejlesztettek ki, amelyek alkalmazása és érzékenységi vizsgálata nagymértékben elősegítette e kísérletesen igen nehezen vizsgálható kérdéskör tisztázását. A részfolyamatok modellezése, a statisztikusan fellépő kölcsönhatások és ezek küszöbértékeinek feltárása és a folyamatok főirányára gyakorolt hatásuk vizsgálata tette lehetővé a mechanisztikus modellek reprezentációs elméletének továbbfejlesztését. A szimulációs modellek érzékenységi vizsgálata szükséges, és el nem hagyható lépések a gyökérkörnyezetben, ill. a gyökértalaj határfelületen lejátszódó, tápanyag-szolgáltatási és felvételi folyamatok megismerésében.

A SOILN nitrogénforgalmi és termésszimulációs modell

A SOILN modell két fő részből áll: talaj- és növény részmodellből. A növény részmodell több növény (szántóföldi, egynyári évelő növények és erdő) növekedésének szimulálására alkalmas.

Bemeneti változók: a léghőmérséklet és a besugárzás napi értékei, termesztésgyakorlati, agrotechnikai adatok, a kijelölt talajrétegek napi hő- és nedvesség-eloszlási mintázata, amelyeket a SOIL víz- és hőforgalmi modell szimulál (ezek a SOIL modell kimeneti értékei). A modell paraméterkészletében jelentősek a termesztett növény élettani paraméterei.

A nitrogénforgalom szimulációja a legfontosabb N-mozgásokat veszi figyelembe. A modellben a talaj fizikai-, és vízgazdálkodási tulajdonságok alapján elhatárolt rétegekből áll. A felvehető N-t minden rétegben egy ammónium-N és egy nitrát-N készlet tartalmazza. Az ammónium immobil, míg a nitrát a vízárammal mozog. Az ammónium-N készlet nagyságát a szerves trágyából, a talaj szervesanyagának mineralizációjából és a légköri lerakódásból származó N növeli, az immobilizáció, nitrifikáció és növényi N-felvétel csökkenti. A nitrát készletet a nitrifikáció, a műtrágyázás és a légköri lerakódás növeli, csökkenti viszont a nitrátkimosódás, a denitrifikáció és növényi N-felvétel. A nitrogén átalakulásokat leíró hatásfüggvények menetét a talaj hőmérséklete és nedvességtartalma befolyásolja. A talajszelvényben a nitrátkészlet eloszlási mintázatát a talajrétegek közötti vízmozgás alakítja. Az N-kimosódás szintén a talajszelvény vízforgalmának az eredménye. A talaj szervesanyag-tartalma alaphelyzetben két, a szervesanyag-dinamikában különböző sebességgel részt vevő készlet között oszlik meg. Lehetőség van több készlet definiálására is és választható, hogy mikroorganizmus-dinamikát is szimuláljon-e a modell, vagy sem. A szervesanyag-lebomlás sebessége a talaj pillanatnyi nedvesség- és hőmérséklet-állapotától függ. A szervesanyag-tartalom N-dinamikája a széndinamika függvénye, a mineralizáció vagy immobilizáció a lebomlott anyag C:N arányától és az ásványi N felvehetőségétől függ.

A növényi biomassza és nitrogéntartalom dinamikája szorosan összefügg. A biomassza növekedés az energia bevitel (fotoszintézis) függvénye, míg a növekedés sebességét a nitrogénbevitel limitálja. A levélzet széndioxidot vesz fel a légkörből, a gyökérzet N-t a talajból. A szár raktároz. A szemtermés fejlődése idején a szem, mint új metabolikus gyűjtőhely asszimilátum igényét a szárból fedezi. A maximális potenciális növekedés az élő levélfelület által befogott napsugárzás függvénye. Az ebből megvalósult aktuális növekedés az alacsony léghőmérséklet, a növényi szövetek alacsony N-koncentrációja és a vízhiány hatására csökken. A N-felvételt egyrészt a különböző növényi szövetek N-igénye, másrészt a nitrogén talajból történő felvehetősége korlátozza.

A napi biomassza-növekedés megoszlását a gyökérzet, a levél és a szár között két függvény vezérli. A gyökerekbe allokált biomassza-frakció csökken a teljes biomassza növekedésével, de nő N-hiányában. A levél és szár közötti biomassza-megoszlás a levélfelület növekedésétől függ, amit a levélfelület / hajtás biomassza arány határoz meg. A szemfejlődés idején biomassza- és nitrogén áthelyezés folyik a különböző szövetekből a magba. A szöveti elhalást különböző függvények irányítják, az elöregedő szövetekből elhalásuk előtt a biomassza és nitrogén egy részét a növény kivonja. A csírázás dátuma, az érés kezdete és vége, a hőmérséklet, a nappalhosszúság és a maximális termésindex függvénye.

A talajban a gyökéreloszlás nagymértékben befolyásolja a víz- és nitrogénfelvételt, ezeken keresztül a növekedést és a terméshozamot is. A mélységi gyökéreloszlás kezdeti és adott időpontokra vonatkozó értékei megadhatók egy paraméterfájlban, vagy a modell a felhasználó által kiválasztott eloszlási függvénynek megfelelően szimulálja a teljes gyökéreloszlás-dinamikát. A két módszer kombinációjára is lehetőség van.

A növények tápanyag-felvételi hatékonysága a talajkörnyezettel állandó kölcsönhatásban lévő gyökérzetsajátosságaik függvénye. Jól felépített, megfelelően paraméterezett mechanisztikus modellek alkalmazása lehetővé teszi a tápanyagszolgáltatás-tápanyagfelvétel folyamatrendszerének jobb megértését, és előkészíti a gazdaságos, ugyanakkor a környezetet nem károsító növénytermesztési gyakorlat kialakítását.

A tápanyagmozgás modellek felhasználása

A gazdálkodó érdeke a minél nagyobb profit elérése és fenntartása, ill. növelése hosszú időn át. Nem elégedhet meg egy statisztikai alapon működő trágyázási tervvel. Másrészt csak kísérletes alapon a helyspecifikus gazdálkodás igényeinek már nem lehet megfelelni. A trágyázási tartamkísérletek eredményei használhatóságának, ill. a belőlük levonható következtetések kiterjeszthetőségének növelése elengedhetetlenül szükséges az agrokémiai kutatás fejlesztéséhez és az ezen alapuló gyakorlati szaktanácsadás javításához. Problémát jelent a sok hatótényező időben és térben változó értékeinek figyelembevétele is.

E problémák megoldására alkalmasak és már világszerte használatosak a termés-szimulációs modellek. A termés-szimulációs modellek a növénytermesztési rendszer viselkedését meghatározó folyamatokat leíró matematikai összefüggésekből álló mechanisztikus modellek, amelyeket a rendszer elemeire bontásával, legfőbb folyamatainak, mechanizmusainak számszerűsítésével, majd a rendszer újraépítésével állítanak elő.

Bár az empirikus és mechanisztikus modellek megkülönböztetése mind gyakorlati, mind tudományelméleti okokból indokolt és célszerű, megjegyzendő, hogy a termés-szimulációs modellek tartalmaznak empirikus összefüggéseket is, amelyek az adott alkalmazási szinten a modell használhatóságát megkönnyítik, az értelmezést nem zavarják, és a kiterjeszthetőséget nem csökkentik.

A termés-szimulációs modellek megfelelő input paraméterek felhasználásával alkalmassá tehetők a termés előrejelzésére akár csak egy homogén parcellán, de - a modell megfelelő megválasztása esetén - akár regionális skálán is. A termés becsülhető különböző időjárási feltételek, talajviszonyok, fajtaválasztás, agrotechnika, stb. esetére. Az elérni kívánt terméshozam megvalósításához szükséges szerves- és műtrágya mennyisége, alkalmazásának üteme az adott feltételekre becsülhető. A modellben foglalt tudásalap alapvető érvényessége, és folyamatirányultsága nagyfokú általánosíthatóságot tesz lehetővé. Ugyanakkor szem előtt kell tartani a vizsgálat céljának, tárgyának megfelelő szimulációs modell kiválasztását, a modell megfelelően pontos paraméterezését, és a szimulációs eredmények kísérletes ellenőrzését (verifikálását).