Ugrás a tartalomhoz

Az agroökológia modellezéstechnikája

Huzsvai László (2005)

Debreceni Egyetem Agrártudományi Centrum

Az agroökológia modellezéstechnikája

Az agroökológia modellezéstechnikája

Huzsvai, László

Debreceni Egyetem Agrártudományi Centrum

Rajkai, Kálmán

MTA Talajtani és Agrokémiai Kutató Intézete

Szász, Gábor

Debreceni Egyetem Agrártudományi Centrum

Copyright 2004, Debreceni Egyetem Agrártudományi Centrum

2005


Tartalom

1. Bevezetés
2. Az agroökológia fogalomköre
3. A légköri tényezők szerepe a talaj-növény-levegő rendszerben
Sugárzás
Napsugárzás a növényállományokban
A levegő mozgása a növényállományok felett és a növényállományokban
A levegő nedvességtartalma
Párolgás
A párolgás néhány elméleti kérdése
A párolgás meghatározási módszerei
A párolgási ismeret hasznosítása
4. A növény szerepe a talaj-növény-levegő rendszerben
A fitometria alapjai
A növényfenológia paraméterei
A fenometria
Levélzet
Gyökér
Szár és virágzat
5. A talaj szerepe a talaj-növény-légkör rendszerben
A talaj vízforgalma
A talaj víztartó képessége
A víztartó képesség becslése
A talaj vízvezető képessége
A vízvezető képesség becslése
A talajváltozatosság mértéke és eredete
A talajtulajdonságok változatossága
6. A talaj-növény rendszer dinamikus állandósága
Entrópia csökkentő és növelő folyamatok a talaj-növény rendszerben
Indukált áramlás és entrópiatermelés
Entrópia és mezőgazdálkodás
7. A talaj-növény-légkör rendszer modellezése
Talajfolyamat-modellek
Modellek és felosztásuk
A talajfolyamatok és modellek léptéke
Modellezés és léptékváltás
Talajváltozatosság és modellezés
Változatosság a térképezési egységen belül
Modellparaméterek és megadásuk
Modellek és modell eredmények minősítése
Modellek érzékenységvizsgálata
Modellparaméterek és modellezési eredmények területi változatossága
A növényfejlődés és növekedés modellezése
Termésszimulációs modellek
Tápanyagmozgás modellezése
A Claassen-Barber modell
A SOILN nitrogénforgalmi és termésszimulációs modell
A tápanyagmozgás modellek felhasználása
8. Termésszimulációs modellek alkalmazása
Kapacitív dinamikus szimulációs modell
A kapacitív modell részprogramjainak rövid leírása
A modell input igénye
Rögzített és kezdeti értékek
A gazdálkodás paraméterei (SCENARIO értékek)
A szimulációs program kimenetei
Modellezési példa
Szimulációs eredmények
A DSSAT számítógépes döntéstámogató rendszer
A DSSAT felépítése, képernyői
A modell futtatásához nélkülözhetetlen fájlok
Modellezés
A gazdálkodás paramétereinek elemzése (Scenario-analízis)
Szezonális-analízis
Ökonómiai számítások
9. Zárszó
10. Ajánlott irodalom
Irodalomjegyzék

Az ábrák listája

2.1. A tájökológusok által vizsgált rendszerkomponensek
2.2. Az ökológiai stabilitás és az ökonómiai produkció összefüggése
3.1. A deklináció
3.2. A Földfelszínre jutó sugárzás
3.3. A globálsugárzás napi változása Magyarországon derült égbolt esetén
3.4. A hazánkra jellemző sugárzási eloszlás valószínűségei (%)
3.5. A globálsugárzás területi eloszlása
3.6. A sugárzási mérleg területi eloszlása
3.7. Egy zöld levél átlagos átbocsátása, elnyelése és visszaverése a különböző hullámhosszokon (Monteith, 1973)
3.8. A szélsebesség változása a magasság függvényében
3.9. A tapasztalati aerodinamikai rétegződés (d, z0) a növényállományban
3.10. A szélsebesség a kukoricaállományban (Uchijama és Wright, 1964)
3.11. Normalizált szélprofil
3.12. A hőmérséklet és páranyomás közötti összefüggés
3.13. A vízpotenciál napi ritmusa
3.14. A párolgásmérő kádak típusai
3.15. A Thornthwaite-rendszerű kompenzációs evapotranszspirométer
3.16. A kukorica (fehér) és cukorrépa (szürke) vízfogyasztása
3.17. Korrekciós tényező (c) a szélsebesség és a relatív nedvességtartalom alapján (Doorenbos és Pruitt, 1977)
3.18. A szélmező szerkezete a növényállományban
3.19. A búza termése és a vízhasznosítási tényező kapcsolata
4.1. A kukorica növekedési görbéje
4.2. A kukorica magassága és a levélfelületi index közötti kapcsolat
4.3. A növényállomány levélzetének jellemzése
4.4. A különböző típusú levelek hajlásszögének eloszlása
4.5. Különböző növényfajok levélzete sztómarendszerének diffúziós ellenállása illetve konduktanciája
4.6. A specifikus gyökérfelület (A) és a specifikus gyökérhossz, valamint a gyökérátmérő közötti összefüggés különböző mértékű levegő porozitás esetén
4.7. A talaj-gyökér érintkezésének értelmezése a ψ1/2π különböző változatai esetén (Willigen, Noordwijk 1987)
5.1. A különböző víztartóképesség becslő modellek "jósága" a TAKI adatbázisán
5.2. A Herceghalmi Gazdaság területének egyetlen pontján mért pF-értékek, a TAKI adatbbázisa alapján becsült pF-görbe, és a gazdaság területének 448 pontján mért pF-értékek "átlag" pF-görbéje
5.3. Kumulált szemcsefrakció és szemcseméret
5.4. A Herceghalmi Gazdaság búzatáblájára mért és becsült víztelített, illetve közel víztelített vízvezető képesség értékek illetve azokra becsült telítetlen vízvezető-képesség függvények
5.5. Talajtulajdonságok relatív változatossága a mintaméret függvényében
7.1. Példa a talajfolyamat modell szerkezeti felépítésére
7.2. Talajösszetevők és rendszerek a különböző szerveződési szinteken
7.3. Szemivariogram
7.4. Talajmodellek érzékenysége a paraméterérték változására. Addiscott (1993) nyomán
7.5. Modellérzékenység a paraméter változatosságra; a modellezett érték átlaga (a) és CV-je (b) a paraméter CV függvényében
7.6. Két víztározóból álló vízáram rendszer (a.) és annak Forrester típusú modell ábrázolása (b.)
7.7. A talajszelvénybeli vízmozgás leírására alkalmazott rétegfelosztás
8.1. A FIELDCP növényi biomassza növekedést szimuláló részprogram elvi vázlata
8.2. A talaj felvehető nedvességtartalmát számító részprogram elvi vázlata
8.3. A talaj felvehető nitrogéntartalmát számító részprogram elvi vázlata
8.4. A Látóképi kísérleti területre mért besugárzás értékek évi menete az 1995, 1997 és 1999 években
8.5. A DSSAT 3.5 bejelentkező képernyője
8.6. A DSSAT 3.5 modellek képernyője
8.7. A DSSAT 3.5 elemzések képernyője
8.8. A DSSAT 3.5 segédeszközök képernyője
8.9. A szezonális elemzés lépései
8.10. A biofizikai változók elemzésének lehetőségei
8.11. A szezonális-analízis összefoglaló eredménye (szemtermés kg/ha)
8.12. A box-plot analízis eredménye
8.13. A kumulatív eloszlások görbéi
8.14. Az átlag-variancia grafikon képernyője
8.15. Az ökonómiai-analízis összefoglaló eredménye
8.16. A box-plot analízis eredményének képernyője
8.17. A kumulatív eloszlásfüggvények képernyője
9.1. A stratégia analízis eredményének képernyője

A táblázatok listája

3.1. A napi tényleges, lehetséges és a relatív napfénytartam hazai átlagértékei
3.2. A felszín közeli légtér viszkozitási értékei
3.3. A transzport folyamatok intánzitásának becsléséhez használható arányszámok
3.4. A vízpotenciál értéke (e/E) telítési arány függvényében
3.5. A "k" növényi állandók evapotranszspirométerrel mért értékei
3.6. A lehetséges órákban kifejezett napfénytartam átlagos relatív értéke a különböző földrajzi szélességeken (Doorenbos és Pruitt, 1977)
3.7. Vízhasznosítási tényezők Magyarországon az 1970-79 időszak termései alapján (kg/mm)
4.1. A termesztett növények bázishőmérsékletei
4.2. A levegő víztartalma különböző hőmérsékleten és relatív nedvességtartalmon (g/kg)
4.3. A növényi szervek nedvességtartalma
4.4. A termesztett növények maximális szárazanyag-produkciója és harvest indexe
4.5. Különböző levéltípusok K és k értékei
4.6. Különböző növények k-tényezője
4.7. Néhány fontosabb termesztett növény levélterületi indexe
4.8. A sztómák elhelyezkedése és sűrűsége (db/mm2)
4.9. A környezeti tényezők hatása a sztóma nyitottságára
4.10. A főbb diffúziós ellenállások közelítő értékhatárai
4.11. A gyökérporozitás (b) értékei
4.12. A gyökértömeg-sűrűség és a gyökérterület-index a különböző növényfajokra, fajtákra szántóföldön, a művelt rétegben (0-30 cm)
5.1. A pF-értéket becslő nyolcváltozós lineáris egyenletek
5.2. Az MTA TAKI 230 talajmintát tartalmazó adatbázisának statisztikai adatai
5.3. A pF- görbét leíró függvény paramétereit becslő egyenletek
5.4. A pF-becslő modellek összehasonlítása
5.5. A Herceghalmi Gazdaság búzatábláján gyűjtött mintákon mért és szemcseösszetétele és térfogattömege alapján számított telítési vízvezető képesség értékek (Ks cm/nap)
5.6. Talajtulajdonságok csoportosítása változatosságuk szerint
7.1. A fontosabb talajfolyamatok koncepcionális felosztása
7.2. A számítógépes matematikai modellek csoportosítása (Addiscott és Wagenet (1985), Hoosebeek és Bryant (1992) nyomán)
7.3. A víz- és oldatmozgás modellezési léptékei, a modellek típusai és az alkalmazott mérési és becslési módszerei
7.4. Összeállítás a különböző szerveződési szintű (léptékű) talaj-, illetve talajfolyamat modellekről
8.1. Az 1995, 1997 és 1999 évi csapadékösszeg értékek a Látóképi kísérleti telepen
8.2. A Bossel modell 1995, 1997 és 1999 évre a Látóképi kukoricakísérletre végzett termésszimulációs eredményei
8.3. Az MZCER980.CUL file felépítése
8.4. Az MZCER980.CUL file jelmagyarázata
8.5. Az *.WHT file felépítése
8.6. Az *.WHT file jelmagyarázata
8.7. A file felépítése
8.8. A SOIL.SOL file jelmagyarázata
8.9. A *.MZX file felépítése
8.10. *.MZA: Fiziológiai éréskor mért eredmények (minden mező 6 karakter széles)
8.11. *.MZT, a kísérlet során végzett mérések állománya
8.12. *.MZT file rövidítésének magyarázata
8.13. A szimuláció összefoglaló eredménytáblázata
8.14. Környezeti és stressz tényezők táblázata
8.15. A CERES maize növekedés szimulációja
8.16. CERES maize időjárás és víz szimuláció eredménye
8.17. A nitrogén szimuláció eredménye
8.18. A gazdálkodás paramétereinek menüje
8.19. Az eredeti kísérlet kezelései (hatóanyag kg/ha)
8.20. Az analízisbe vont kezelések (hatóanyag kg/ha)
8.21. Szimulált terméseredmények 15%-os szemnedvességre számítva
8.22. A *.PRI fájl tartalma
8.23. Műtrágya árak

Az egyenletek listája

3.1. A deklináció
3.2. A napi Napmagasság változa
3.3. Az óraszög az egyenlítői rendszerben a meridiántól az óramutató járásának irányában mért szögtávolság
3.4. (4.)
3.5. A sugárzás tartama és a besugárzott energiamennyiség közötti összefüggést Angström tömörítette tapasztalati formába
3.6. Az Angström-féle összefüggés hazánkra alkalmazható formulája. (Az állandók értéke az eltérő éghajlatú területeken különböző)
3.7. Az extraterresztrikus sugárzás összegének alapegyenlete
3.8. Az egyenlet sorba fejtése után az elsőrendű felharmonikus megtartásával a munkaegyenlet az alábbi formában írható fel.
3.9. A globálsugárzás közepes földrajzi szélességekre vonatkozó összefüggése
3.10. Az elnyelési arányt b-val, az átbocsátási arányt a-val, a visszaverődési arányt r-rel jelölve kapjuk
3.11. A növényállományok sugárzáselnyelő-képességét a Beer-törvény írja le
3.12. Az a univerzális együtthatóval az átlagos elnyelési érték becsülhető, amikor is az optikai sűrűség helyett az azzal arányos LAI érték alkalmazható
3.13. Ha b (elnyelés) értéke a visszaverődéshez és az átbocsátáshoz mérten jelentős, az alábbi összefüggést kell alkalmazni: (13.)
3.14. A Reynolds-szám értéke
3.15. A kinematikus viszkozitás
3.16. Az egységnyi távolságra eső sebességcsökkenés nagyságának és a dinamikus viszkozitás szorzatát Newton után nyírófeszültségnek nevezzük
3.17. A légrétegek közötti távolság szerinti sebességkülönbség a súrlódási sebesség vagy dinamikus sebesség (u*) értékével jellemezhető
3.18. A tetszőleges időtartamra számított sebességátlaghoz különböző előjelű sebességváltozás tartozik
3.19. a horizontális sebességre
3.20. a vertikális sebességre
3.21. A szélsebesség a felszíntől távolodva növekszik I.
3.22. A szélsebesség a felszíntől távolodva növekszik II.
3.23. A Prandtl összefüggés
3.24. A tapasztalati aerodinamikai rétegződés a növényállományban
3.25. (25.)
3.26. A növényállomány feletti légrétegben kialakuló sebesség becslésére használható összefüggés (ha az állomány felett legalább egy szinten sebességet mérünk)
3.27. A súrlódási sebesség számítására szolgáló kiegészítő összefüggés
3.28. A Fick-törvény
3.29. A különböző anyagok turbulens diffúziós együtthatóinak közelítése
3.30. A turbulens diffúziós együttható egyik legelterjedtebb meghatározási módja
3.31. A kicserélődési együttható
3.32. A kicserélődési együttható és a turbulens diffúziós együttható közötti összefüggés
3.33. A Beer-törvény
3.34. A kicserélődési feltételekre érvényes összefüggés
3.35. (35.)
3.36. A nedves levegő nyomását p-vel, a száraz levegőjét pedig p0-val jelölve érvényes összefüggés érvényes
3.37. A telítettségi páranyomás az egységnyi térfogatú légoszlopban a T hőmérsékletű vízgőz parciális nyomása
3.38. A telítettségi páranyomás a hőmérséklettel exponenciálisan változik
3.39. Abszolút nedvességtartalom
3.40. Az abszolút páratartalom az általános gáztörvényből vezethető le
3.41. A Sprung-formula
3.42. A legtöbb esetben nem telített állapotú légköri vízgőz relatív értéke
3.43. Az egységnyi tömegű víz elpárologtatásához szükséges energiamennyiséget a víz párolgáshőjének (L) nevezzük
3.44. Az elpárolgott víz tömege különböző egységekben
3.45. : (45.)
3.46. Az energia- illetve a vele azonos vízegyenérték átváltása
3.47. A vízpotenciál és a levegő vízgőztelítettsége közötti összefüggés
3.48. A k-faktor ismeretében felírható a vizsgált növény potenciális evapotranszspirációja
3.49. (49.)
3.50. A Blaney-Criddle módszer továbbfejlesztett változata
3.51. A Thornthwaite-módszer
3.52. A formulát később Thornthwaite egyszerűsítette
3.53. Az a kitevő meghatározása a hőindexből
3.54. : (54.)
3.55. : (55.)
3.56. Azi alapösszefüggés analitikus változata
3.57. A turbulens diffúziós együttható
3.58. A mozgásmennyiségre és a többi tulajdonság (H: hő, W: vízgőz) szállítási együtthatójára fennálló egyenlőség
3.59. A szenzibilis és latens hő arányát b-val jelölve érvényes összefüggés
3.60. A b értéket visszahelyettesítve a kiindulási egyenletbe kapjuk: (60.)
3.61. Penman-Monteith módszer
3.62. A növényállományok átlagos aerodinamikai ellenállása
3.63. A levélfelület nagyságának becslése lucernánál és más szántóföldi növényeknél
3.64. A sztomatikus diffúziós ellenállás becslése
3.65. A növényállomány aerodinamikus ellenállása a turbulens diffúziós együttható reciproka
3.66. További összefüggések
3.67. A napi párolgás értéke az általánosan elterjedt éghajlati megfigyelések adatai alapján
4.1. A bázishőmérséklet alapján számított hőösszeg és a fenológiai fázistartam közötti reciprok összefüggés
4.2. A radiotermikus index
4.3. A radiotermikus index és a fázistartam közötti összefüggés
4.4. A fototermikus index
4.5. A hidrotermikus index
4.6. A zöld levéltömeg és felület hányadosa használható a növény nedvességállapotának a jellemzésére
4.7. Szárazanyag%
4.8. A specifikus nedvességtartalom
4.9. A relatív növekedési ráta
4.10. A növényi biomassza időegységre eső (W1-W0) tömegváltozása növekedési függvénnyel írható le
4.11. A növekedési függvény a növényi levélfelület és tömeggyarapodás időben exponenciális alakulását feltételezi. A kitevőben lévő szorzótényező.
4.12. A szárazanyag felhalmozódás dinamikája a tenyészidőszakban I.
4.13. A szárazanyag felhalmozódás dinamikája a tenyészidőszakban II.
4.14. A levélformát közrezáró négyszög tömegéhez viszonyítjuk a kivágott levélformáét
4.15. A levélfelület (LA) megállapítására használható egyik összefüggés
4.16. A köztük fennálló összefüggés
4.17. Levélszög (minden levél egyenletes inklinációs és azimut eloszlású)
4.18. Levélszög (minden levél vertikális irányú és egyenletes azimut eloszlású)
4.19. Levélszög (a levelek horizontális és egyenletes azimut eloszlása esetén)
4.20. Annak a valószínűsége (P), hogy a fénysugár átjut egy a síkon
4.21. Annak valószínűsége, hogy a fénysugár minden N síkon átjutva eléri a talajfelszínt
4.22. Az At talajfelszín terület felett a teljes levélfelület NbAl, a levélfelületi index (LAI) I.
4.23. Az At talajfelszín terület felett a teljes levélfelület NbAl, a levélfelületi index (LAI) II.
4.24. Az At talajfelszín terület felett a teljes levélfelület NbAl, a levélfelületi index (LAI) III. (feltételezve, hogy N .végtelenül nagy)
4.25. A levélborítottság (GC) azt a valószínűségét adja meg, hogy a fénysugár nem éri el a talajt
4.26. Zártnak tekintünk egy növényállományt, ha a direkt sugárzás 5%-nál kisebb valószínűséggel éri el a talajt, tehát a nyílások gyakorisága (GF) kisebb, mint 0,05
4.27. Az összefüggést átrendezve és kritikus levélfelületi index értékére (LAIz-re) megoldva
4.28. Figyelembe véve, hogy k = G / cos J0
4.29. Vízpotenciál a levélben
4.30. Az analóg modell az Ohm-törvényére épül
4.31. Az ellenállás növekedése az áramlás sebességét csökkenti
4.32. A levél transzspirációja
4.33. A levélkörüli ún. aerodinamikus ellenállás a szélsebesség függvényében
4.34. A sztomatikus ellenállás számítására szolgáló összefüggés
4.35. A kutikuláris diffúziós ellenállás
4.36. A növény transzspirációját meghatározó teljes rl ellenállás
4.37. A növény vízellátottsága
4.38. Az állomány-ellenállás
4.39. A gyökértömeg
4.40. A gyökértömeg szárazanyagtartalma
4.41. A gyökér jellemzésére szolgáló hányadosok
4.42. A gyökérparaméterek közötti összefüggés
4.43. Az átlagos gyökérszám vagy gyökértömeg egységnyi térfogatú mintára felírva
5.1. A vízmérleg
5.2. A Darcy törvény Richards által általánosított, telítetlen áramlási egyenlete
5.3. A (112) egyenlet anyagmegmaradást is magában foglaló formája
5.4. Adott nedvességpotenciálhoz tartozó nedvességtartalom becslés
5.5. A mért pF-érték leírására szolgáló három-paraméteres hatványfüggvény
5.6. A hibaszámításra bevezetett pF-görbére vonatkozó átlagos hibát (ZAPF)
5.7. Az Akaike-féle információs kritérium (AIC)
5.8. A talajmátrix vízvezető képességére kidolgozott pedotranszfer függvény I.
5.9. A talajmátrix vízvezető képességére kidolgozott pedotranszfer függvény II.
5.10. A 118. és 119. függvényekben szereplő mennyiségek és szemcseeloszlási átlag és szórás összefüggése
7.1. A málladék (w) képződés
7.2. A kísérleti félvariancia vagy szemivariancia függvény
7.3. A mért és szimulált értékek páronként vett átlagos eltérése (M)
7.4. A szimuláció hibája
7.5. Az előzőekben szövegesen leírtak matematikai formanyelven
7.6. A 40. ábrán szereplő rétegfelosztás matematikai leírása
7.7. A kifolyás sebessége a kifolyó fölötti vízszint magassága és a nehézségi erő állandó szorzata kétszeresének négyzetgyöke.
7.8. A (126) és (127) összefüggések együttesen
7.9. A matematikai modell alakja nemlineáris esetre
7.10. Amennyiben a modell lineáris, az lerövidíthető
7.11. A 40. ábra talajszelvényének nedvességforgalma
7.12. A vízáram intenzitása
7.13. A (131) és (132) elsőrendű differenciálegyenletek parciális differenciálegyenletekké alakítása I.
7.14. A (131) és (132) elsőrendű differenciálegyenletek parciális differenciálegyenletekké alakítása II.
7.15. A (131) és (132) elsőrendű differenciálegyenletek parciális differenciálegyenletekké alakítása III.
7.16. A (131) és (132) elsőrendű differenciálegyenletek parciális differenciálegyenletekké alakítása IV.
7.17. A (131) és (132) elsőrendű differenciálegyenletek parciális differenciálegyenletekké alakítása V.
7.18. Alkalmazva a differenciális formát dxaxt+bt-xt és dtabt a differenciálegyenlet alakja
7.19. Az x állapotváltozó időben történő megváltozásának a mértékét (Ratet) meghatározva
7.20. Ha a modellben másodrendű differenciálegyenlet szerepel a megoldás annak két elsőrendű differenciálegyenletté alakításával lehetséges
7.21. A (140) egyenlettel egyenértékű két elsőrendű differenciálegyenlet
7.22. A gyökérre tömegáramlással és diffúzióval történő tápanyagmozgást leíró összefüggés
7.23. A gyökérre tömegáramlással és diffúzióval történő tápanyagmozgást leíró összefüggés kezdeti és határfeltételei I.
7.24. A gyökérre tömegáramlással és diffúzióval történő tápanyagmozgást leíró összefüggés kezdeti és határfeltételei II.
7.25. A gyökérre tömegáramlással és diffúzióval történő tápanyagmozgást leíró összefüggés kezdeti és határfeltételei III.
7.26. A gyökérre tömegáramlással és diffúzióval történő tápanyagmozgást leíró összefüggés kezdeti és határfeltételei IV.
8.1. A növények logisztikus növekedését megadó differenciálegyenlet