Az agroökológia modellezéstechnikája
Huzsvai László (2005)
Debreceni Egyetem Agrártudományi Centrum
Tekintettel arra, hogy a termésszimulációs modellek mezőgazdasági alkalmazása mind a növénytermesztési folyamatok jobb megértését, megismerését szolgálja, mind alapja a környezetkímélő és ez által fenntartható földhasználatnak és a gazdaságos termesztési technológia kiválasztásának a következőkben két különböző részletességű és kiterjeszthetőségű termésszimulációs modellt mutatunk be.
A modell a növényi biomassza-felhalmozódás, biomassza-növekedés folyamatát a talaj víz- és nitrogénkészlete, valamint a gazdálkodási és környezeti hatások függvényében szimulálja. A modell közel húsz éve készült, egyszerű felépítésű, un. kapacitív típusú modell. A fizikai- és kémiai részfolyamatokat többnyire empirikus összefüggésekkel írja le, a növényi paramétereket és a humusz, valamint a szervesanyagok lebomlásának dinamikáját un. tábla-függvények formájában tartalmazza. A modell megalkotásának kifejezett célja a talaj-növény-klíma rendszer, mint egyben gazdálkodási rendszer működésének a tanulmányozhatósága, megismerése, jobb megértése volt. Az alkalmazott gazdálkodási műveleteknek az összetett biomasszatermelő rendszerre gyakorolt hatásait a felhasználó megtapasztalhatja, azok kedvező vagy kedvezőtlen eredményei egyértelműen kiolvashatók. A modell fejlesztő emiatt modelljét tanító modellnek nevezte (Bossel, 1986).
A szimuláció során nemcsak a biomassza-felhalmozódás követhető nyomon, hanem a talajban a víz- és a nitrogén aktuálisan rendelkezésre álló mennyiségei és az azokat növelő és csökkentő készletek alakulása is. Ebből következően a modell alapvetően un. egyensúlyi típusú. Azoknak a részfolyamatoknak az egyenlegét számítja, amelyek a talaj felvehető nedvesség- és nitrogénmennyiségét alakítják. A nedvesség- és a nitrogén mennyiségéhez maximum és minimum értékek tartoznak. A maximum értéknél nagyobb mennyiségek a talaj felvehető készletéből távoznak (víz esetén a talajvíz szintjét növelik, nitrogén esetén a gyökérzóna alá mosódnak, vagy a talaj szervesanyagába épülnek be), a minimumnál kisebb értékek esetén, - vagyis, ha a könnyen felvehető készlet kimerül - a biomassza felhalmozás (növényi növekedés) üteme lassul, s ha ez huzamos (20 napot meghaladó), akkor terméscsökkenés lép fel.
A modell három, egymással dinamikus kapcsolatban álló részmodellből áll. Ezek:
A termesztett növény biomassza-felhalmozásának (növekedésének) menetét szimuláló részprogram (FIELDCP), amelynek blokkdiagramja az 41. ábran látható.
A talaj aktuálisan felvehető nedvességtartalmának mennyiségét számító részprogram (MOIST), amelynek blokkdiagramja a 42. ábran látható.
A talaj aktuálisan felvehető nitrogéntartalmának mennyiségét számító részprogram (FIELD), amelynek blokkdiagramja a 43. ábran látható.
A modellben a növényspecifikus biomassza felhalmozódás értékeit a vegetációs időszak előrehaladásával változó, valamint a termesztett növényfajtára megadott értékek (YMAX, RBIOM, RGPLANT) állítják be.
A szimulációs programhoz tartozó kezelő szoftver külön alprogramot (DYSYS) képez, amely nélkül egyik részprogram sem fut önállóan.
A szimuláció egy éves periódusonként történik. A szimulációs évek száma, vagyis a szimuláció hossza programtechnikailag nem limitált.
Az éves perióduson belül a szimuláció idő felbontása 1/100 év. Vagyis ez az egy éven belül lejátszódó történések egysége, ezek eredményéből tevődik össze az éves ciklusé. Az év január 1.-vel indul és december 31.-ig tart.
A többéves szimuláció során az első év kezdő értékei a következő év elején a megváltozott értékeket veszik fel, a szimuláció következő éve azokkal indul. Természetesen az első év a felhasználó által megadott kezdőértékekről indul.
Lehetőség van ezen a módon az évenként változtatható agrotechnika és gazdálkodás módok (SCENARIO-k) termésre és a termőhelyet jellemző értékekre gyakorolt hosszútávú hatásainak szimulációjára.
A program éves ciklusai kimenetként minden esetben a termesztett növény agronómiai termésmennyiségét és a termőhelyre jellemző változóknak a következő ciklus kezdőértékeként szereplő értékeit tartalmazzák.
A talajnedvesség részprogram: A termőréteg-vastagság által meghatározott mélységű, a talaj agyagtartalmával jellemzett mechanikai összetételű, homogén talajszelvény aktuálisan felvehető nedvességtartalmának 1/100 év felbontású szimulációját végzi el olymódon, hogy vízmérleget számít a gyökérmélységgel megadott talajszelvényre a rétegvastagság és agyagtartalom alapján. A talajra definiált hasznos vízkapacitást (USFCAP) veszi figyelembe úgy, hogy időegységenként (1/100 év) összegzi a vízmérleg elemeit, vagyis a csapadékbetáplálást, a talajvízből történő kapilláris vízemelést, mint a vízkészletet tápláló, a párolgást, a transzspirációt, a mélybeszivárgást, mint az azt megcsapoló részfolyamatokat (42. ábra).
A talaj textúrája (CLAY) és tömődöttsége (CQ) által definiált hasznos vízkapacitás (USFCAP), a szervesanyag vízkötő-képessége (OCAP) és a talaj textúrájából adódó kapilláris vízemelés mértéke (CPRISE) együttesesen alakítják ki a talajvízkapacitást (WCAP).
A szimulációhoz, mint kezdőértéket a program a hasznos vízkapacitás százalékában kifejezett induló nedvességtartalmat (INMOIS = MOIST) használja fel.
A kapilláris vízemelés (CPRISE) a talaj agyagtartalmának függvénye. Ha a kapilláris vízemelés és a gyökérzóna mélysége együttesen (RISE) nagyobb, mint a talajvíz mélysége (WTBL), akkor a növényi vízfelvétel nem a talaj nedvességkészletét (MOIST) fogyasztja, hanem a talajvízből történik, vagyis a növényi vízfelvétel ekkor nem limitált (WET = 1) és a talajvizet fogyasztja, amit a talajvízszint csökkenése jelez.
Az evaporáció mértéke az éves cikluson belül, a hőmérséklet szezonális változását figyelembe véve szinusz függvény szerint alakul, s értéke emellett mindenkor a talaj aktuális nedvességtartalmától is függ. Az ily módon számított evaporáció változtatható a talaj borítottsága szerint. Növényi borítás esetén az evaporáció a csupasz talajfelszínre számított érték fele, fóliatakarás esetén pedig az evaporáció értéke nulla. Ez a lehetőség a talajfelszíni párolgás tanulmányozását teszi lehetővé.
A transzspiráció a termesztett növényre megadott vízhasznosítási együttható értékétől (egy kilogramm növényi szárazanyag képződéséhez szükséges vízmennyiség) és a biomassza változásától (a növényi növekedés sebességétől), valamint az azt meghatározó nitrogénellátottságtól függ.
Részletesen kidolgozottak a csapadékbetáplálás szimulációs lehetőségei. A havi csapadékösszegek megadhatók évenként, vagy használhatók sokéves átlagokként az éves csapadékösszegek megadásával. Lehetőség van a hónapon belül a csapadékösszeg-értékek véletlen (random) elosztására is a csapadékos napok egymásra következésének napokban történő megadásával.
A vízkapacitáson fölüli csapadékmennyiség (WXCESS) közvetlenül a talajvizet táplálja, az öntözés pedig (IRRIGN) azt fogyasztja (DOWN), és a talajvízszint változást (WTBL) ezek, valamint a kapilláris vízemelés és a növényi vízfelvétel eredőjeként számítja a program.
A relatív növényi növekedés (RGPLANT) a relatív talajnedvesség (WILT) függvényében történik.
Amennyiben a MOIST változó értéke tartósan kisebb 30 %-nál vagyis tartós (20 napot meghaladó) szárazság következik be (DROUGHT g 20/365), a növényi biomassza növekedés megáll (RBIOM = 0) és a program az éves ciklus végén terméskiesést (Croploss) jelez.
A program függvényei részben ún. táblázatos, vagy tábla-függvények formájában kerültek beépítésre.
A talaj felvehető nitrogénkészletét számító részprogram: A program a talaj aktuálisan hasznosítható tápanyagkészletét csupán annak felvehető (mobilizálható) N- (nitrogén-) tartalmára redukálja, ezáltal a többi tápanyag mennyiségét optimumba helyezi.
A 43. ábran látható, hogy a C- és N-forgalom bonyolult összefüggés-rendszert alkot.
A tápanyagforgalom állapotváltozói: CARB a szén a könnyen bomló humuszfrakcióban, NOM a nitrogén a könnyen bomló humuszfrakcióban, CHUM a szén az állandó humuszfrakcióban, NV felvehető nitrogénmennyiség, RBIOM relatív növényi biomassza.
A szimuláció kezdetén a talaj CARB és NOM mennyisége kerül kiszámításra, amelyhez a talaj szervesanyag-tartalma (OGMTR), C/N aránya (CN), humuszos rétegének a mélysége (SOIL), a humusz lassan- és gyorsan lebomló, mineralizálódó hányadának megadása (HFRAC) szükséges.
A talaj felvehető ásványi N mennyisége (NV) a kívülről megadott kezdő értéken kívül (20 kg/ha) a természetes N-kötés (NAT) mennyiségéből (25 kg/ha) és a műtrágya nitrogénből (FERT) tevődik össze.
A könnyen bomló humuszban levő szén mennyisége (CARB) a szervesanyag lebomlás sebességének, az eróziós veszteségnek (ELOSS), az aratás utáni növényi maradványok mennyiségének (SMAX) a függvénye.
Hasonlóan a könnyen bomló humuszban lévő N mennyisége (NOM) is a szervesanyag lebomlási sebességétől függ, amelyet a talajba kerülő növényi maradványok (SMAX) mennyisége, N-tartalma (MXRES), és a C/N aránytól függő átalakulása (DECAYF) módosít. A könnyen bomló szervesanyag maximum 20%-a alakulhat át évente állandó humusszá. A szervesanyag lebomlás sebessége a DECAY faktoron kívül függ az összes-szén mennyiségétől (CARB) és a talajhőmérséklettől, amely szinusz-függvény szerint változik az éves szimuláció során. A könnyen bomló szervesanyagból a C-nek csak 25%-a kerülhet az állandó humuszba, a többi CO2 formájú veszteség az atmoszférába. Az állandó humuszban lévő szén az eróziós talajveszteség (HLOSS) és a humuszlebomlás miatt csökkenhet. Ez utóbbi maximum az állandó humuszban lévő szén 2 %-a lehet évente.
A növény által felvehető N mennyiségét (NV) növeli a könnyen bomló szervesanyag lebomlása (RDECAY), míg csökkenti a C/N aránytól függő N-transzfer, amely a nitrogént a NOM-raktárba viszi át, a növényi N-felvétel (RNUP) és a N-kimosódás (RLEACH).
A felvehető N-mennyiségből N-kimosódás lehetséges, amelynek mértéke a humuszanyagok mennyiségének a függvénye, és maximum a felvehető N-készlet 30 %-a mosódhat ki.
A növényi növekedés (RGPLANT) a relatív N-igény (HUNG) által is meghatározott.
Az eddig elmondottakon kívül a modell figyelembe veszi a talaj szervesanyag-tartalmának mérlegében a szalma szervesanyagának C- és N-tartalmát, ha az a talajban marad, mint azt gazdagító forrás. A szervesanyag C-tartalma egységesen a szárazanyag-mennyiség 47 %-a.
Az erózió a modellben úgy jelenik meg, mint olyan részfolyamat, amely a talaj termőrétegének vastagságát, ezzel együtt szervesanyag (tápanyag) készletét, és azon keresztül vízkapacitását is csökkenti.
FIELDCP: Ez a részprogram nyolc termesztett növény biomassza-növekedésére és megoszlására vonatkozó paraméter értékeket tartalmaz. A növények logisztikus növekedését a következő differenciálegyenlet szolgáltatja:
8.1. egyenlet - A növények logisztikus növekedését megadó differenciálegyenlet
ahol: x : a növényi biomassza mennyisége, a : növekedési sebességtényező, t : idő.
A relatív növényi biomassza (RBIOM) a víz- és a N által limitált relatív növényi növekedés (RGPLANT) szerint alakul az idő függvényében (41. ábra). A termés a szimulált szárazanyag tömegnek a nedvességtartalommal (YSP) korrigált értéke.
A modellbe épített gazdasági növények a következők: Búza (szemestakarmányok) Kukorica Burgonya Répa Borsó/bab Repce Lucerna (gyep)
Lucerna (gyep) esetében lehetőség van az első kaszálási időpont megadására, mely után a növekedési függvény szimulálása újra indul, és az éves termés a két résztermés összegeként adódik (YL+Y1).
A programhoz tartozó DYSYS általános software a nyomtató és a rajzoló utasításokat tartalmazza.
Talajmélység (cm): az a megadott talajmélység, amely magában foglalja a talaj humuszos rétegének vastagságát (cm), és a gyökérmélységet (cm) is.
Szervesanyag-tartalom (%): a talaj termőrétegének átlagos humusztartalma.
A talaj humusztartalmának állandó (lassan bomló) része (%): annak megadására, hogy a talaj termőrétegében levő összes szervesanyagból mennyi vesz részt a mineralizációban, azaz mekkora a talaj tápanyag- (esetünkben C- és N-) tőkéje.
A talaj szervesanyagának C/N aránya: a C/N arány a humusz és a N átalakulás sebességét tükröző és meghatározó viszonyszám. Ha a C/N arány 20 és 30 közötti, a N mineralizáció-immobilizáció, l20 esetén a mineralizáció dominál.
Talajkategória (agyag %): az agyag szemcsefrakció (l0,002 mm) mennyisége, amelynek alapján a program a talaj vízgazdálkodási paramétereit (pl. hasznosítható vízkapacitás, teljes vízkapacitás, kapilláris vízemelés) számítja.
A talaj induló nedvességtartalma a teljes vízkapacitás %-ában: a szokásos érték 60 %.
Kezdeti felvehető N-tartalom (kg/ha): az induló mobilizálható N-mennyisége, amelyet a szervesanyag lebomlásából származó N, a műtrágya- és a szervestrágya N-je növel, a szervesanyag felépülés, a növényi tápanyagfelvétel, és a kimosódás csökkent. Szokásos értéke 20 kg/ha.
Talajvíz mélysége (m): talajvízhatással 5 m-nél mélyebb talajvízszint esetén a program nem számol. A kapilláris vízemelés maximális magassága 3m. A talajvízmélységet az év végére a program számítja a talajszelvény vízmérlege alapján, a szelvényen átfolyó vízmennyiség, illetve az öntözés egyenlegeként.
Öntözés (igen/nem): öntözés = igen esetén, a vegetációs perióduson belül, ha a talaj felvehető nedvességtartalma 50% alá csökken a teljes vízkapacitás fele értékig hiányzó vízmennyiség, mint öntözővíz (IRRIGN) adódik a talajban levő vízmennyiséghez és kumulálódik az IWTR változóban. Az öntözéshez kivett vízmennyiség a talajvízszintet csökkenti.
Tömörödés (igen/nem): a talaj agyagtartalmától függően 6 vagy 12 %-kal csökkenti a talaj hasznosítható vízkapacitás értékét (USFCAP).
A vegetációs periódus kezdete (hét): a termesztett növény tavaszi növekedésének indulási ideje.
A vegetációs periódus vége (hét): az aratás (kaszálás, termés betakarítás) ideje.
Gyökérmélység (cm): a termesztett növénykultúra jellemző maximális gyökérmélysége. Amennyiben a gyökérmélység nagyobb, mint a humuszos talajszint mélysége, az így kiterjesztett talajszelvény nedvesség-készletével gazdálkodhat a növény a humuszréteg vastagságából számítható tápanyagkészlet mellett.
Talajfedettség (nincs, növény, fólia): a talajról történő vegetációs periódusokon kívüli evaporáció mértékének szabályozására szolgáló paraméter. A nincs azt jelenti, hogy a vegetációs perióduson kívül az evaporáció a talaj vízgazdálkodási paramétereiből számítható érték. Növényborítás esetén a növény nélküli talajra számított érték fele. Fóliatakarás esetén az evaporáció értéke nulla.
Csapadék (mm/hónap): a havi csapadékösszegek értékei.
Véletlen (random) csapadékeloszlás (igen/nem): igen esetén a csapadék periódus (nap) értékének megadása szükséges, valamint egy random szám bevitele, amely véletlen módon osztja szét a havi csapadékösszeg értéket.
Termesztett növény: kiválasztása sorszámának bevitelével történik.
Szalma marad? (igen/nem): a növénytől függő mennyiségű és tápanyagtartalmú szalma amennyiben marad, növeli a talaj tápanyagkészletét, szervesanyag-, C- és N-tartalmát.
Nitrogén műtrágya mennyisége (kg/ha)
Szervestrágya mennyisége (t/ha)
Komposzt mennyisége (t/ha)
Erózió mennyisége (t/ha)
A kimenetek grafikus és numerikus típusúakra oszthatók. Grafikus a termésgörbe és a talajnedvesség-tartalom időbeli változása.
A numerikus kimenetek pedig:
A szén mennyisége a talaj termőrétegében (kg/ha)
A N mennyisége a talaj termőrétegében (kg/ha)
A termés mennyisége q/ha (dt/ha)
Az öntözővíz mennyisége mm/év
A csapadék mennyisége mm/év
A talajvízszint változása (m)
A talaj felvehető N-tartalma (kg/ha) az év végén
Szervesanyag-tartalom (%)
A szervesanyag-tartalom állandó része (%)
A szervesanyag C/N aránya
A Bossel-féle termésszimulációs modell alkalmazásának bemutatására és a napi léptékű, és tudományos igényességű DSSAT modell-rendszerrel történő összehasonlíthatóság érdekében a Látóképi tartamkisérlet adatait, talaj- és növényparamétereit, kezelési adatait használtuk az 1995, 1997 és az 1999-es évekre.
Az alkalmazott időjárási adatok a havi csapadékösszegek voltak. A modell által beolvasott csapadékösszeg értékek a 30. táblázatban láthatók:
8.1. táblázat - Az 1995, 1997 és 1999 évi csapadékösszeg értékek a Látóképi kísérleti telepen
| Hónap/Év | 1995 | 1997 | 1999 |
|---|---|---|---|
| Január | 13.9 | 12.6 | 9 |
| Február | 23.4 | 5.1 | 60.1 |
| Március | 28.2 | 0 | 18.6 |
| Április | 56.4 | 36.6 | 68 |
| Május | 29.4 | 40.8 | 53.8 |
| Június | 67.3 | 53.5 | 117.6 |
| Július | 3.3 | 56.3 | 82.5 |
| Augusztus | 97.2 | 52.3 | 19.1 |
| Szeptember | 35.8 | 7.5 | 41.9 |
| Október | 1.3 | 1.3 | 14.3 |
| November | 39.4 | 66.4 | 74 |
| December | 12.3 | 62 | 70.2 |
A Bossel modell kezdeti értékei:
Talajnedvesség (szabadföldi vízkapacitás %): 50
Humuszréteg vastagság (cm): 70
Humusz (%): 2 Gyökérmélység (cm): 200
Agyag (%): 26
Felvehető talaj N-tartalom (kg/ha): 55
A humusz állandó része (%): 75
n
Növényparaméterek: Kukorica
YMAX = 10800 kg
SMAX = 12500 kg
RMAX = 2500 kg
NSP = 0.022 kg N/kg száraz termés
CSTR = 60
MXRES = 34 kg N
YSP = 15 %
Gazdálkodási paraméterek:
Talajvízmélység (m): 4
Vetés ideje (hét): 18
Aratás ideje (hét): 36
N műtrágya (kg/ha): 0
Szervestrágya (t/ha): 0
A havi csapadékösszegű és 1/100 év felbontású szimulációs eredmények az 1995-ös évre jó egyezést mutat a DSSAT modellel kapott és a Látóképi kísérletben mért kukoricatermés eredménnyel. Az egyezés a talaj felvehető N-tartalmára is vonatkozik (31. táblázat).
Az 1995-ös évinél szárazabb, kisebb csapadékösszegű 1997-es évre a kapacitív modell az 1995-ös évivel gyakorlatilag megegyező kukoricatermést szimulált, amely a a kísérletben mért érték fele. A jelentős különbség minden bizonnyal a hőmérséklet és a légnedvesség által szabályozott párolgási és vízforgalmi eltérésekből, a fotoszintetikus aktivitás különbségből adódhat, és kukoricafajta Bossel modellben nem szerepeltett adaptációs képességével függhet össze. Ezt az állítást igazolni látszik a meteorológiai adatok alapján felrajzolt besugárzás értékek alakulása (44. ábra). Az ábrán látható, hogy az 1997-es és az 1999 évek besugárzás értékei jelentősen nagyobbak az 1995 évben mért értékekhez viszonyítva. A 2 m mély talajszelvény nedvességkészlete az 1997 évi kis mennyiségű (394 mm) csapadék ellenére lehetővé tette az 1995 évi kukoricatermés duplájának a képződését (31. táblázat).
A jelentősen nagyobb csapadékú 1999-es év az 1995 évi kétszeresénél nagyobb szimulált kukoricatermést eredményezett, de kisebbet a kísérletben mértnél. Mind az 1997-es, mind az 1999-es évre a modell által szimulált talajból felvehető N-tartalom reális volt.
Az 1995, 1997 és 1999 években a Látóképi telepen mért besugárzás értékek egyértelműen az 1997 és 1999 évek nagy kukoricaterméseit indokolják, hiszen értékeik jelentősen meghaladják az 1995 évi értékeket.
8.2. táblázat - A Bossel modell 1995, 1997 és 1999 évre a Látóképi kukoricakísérletre végzett termésszimulációs eredményei
| Kukorica | Szimulált | Mért |
|---|---|---|
| 1995 év | ||
| termés (kg/ha): | 2878 | 2752 |
| műtrágya (kgN/ha): | 0 | 0 |
| szervestrágya (t/ha): | 0 | 0 |
| öntözővíz (mm/év): | 0 | 0 |
| csapadék (mm/év): | 412.4 | 412.4 |
| felvehető N (az év végén) (kgN/ha): | 86.6 | 70.6 |
| szervesanyag-tartalom (%): | 1.92 | 2 |
| 1997 év | ||
| termés (kg/ha): | 2870 | 5869 |
| műtrágya (kgN/ha): | 0 | 0 |
| szervestrágya (t/ha): | 0 | 0 |
| öntözővíz (mm/év): | 0 | 0 |
| csapadék (mm/év): | 394.3 | 394.3 |
| felvehető N (az év végén) (kgN/ha): | 86.8 | 70.6 |
| szervesanyag-tartalom (%): | 1.92 | 2 |
| 1999 év | ||
| termés (kg/ha): | 3673 | 7633 |
| műtrágya (kgN/ha): | 0 | 0 |
| szervestrágya (t/ha): | 0 | 0 |
| öntözővíz (mm/év): | 0 | 0 |
| csapadék (mm/év): | 639.4 | 639.4 |
| felvehető N (az év végén) (kgN/ha): | 72.6 | 70.6 |
| szervesanyag-tartalom (%): | 1.92 | 2 |
A kapacitív modell a biomassza növekedést a növényparaméterek által meghatározott alsó és felső értékek között a logisztikus növekedés szerint szimulálja a termőhely léghőmérsékletének és a besugárzás fotoszintetikus aktivitásának alakulásától függetlenül. A modellben a biomassza növekedést csupán csak a talaj felvehető nedvesség és nitrogén mennyisége korlátozza.
Ebből következően a besugárzás termésmennyiségre gyakorolt hatásának a vizsgálatára a kapacitív modell nem alkalmas. Alkalmas viszont a modell a termőhelyi és a gazdálkodási különbségeiből adódó termésalakulás leírására.
8.4. ábra - A Látóképi kísérleti területre mért besugárzás értékek évi menete az 1995, 1997 és 1999 években
