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]

Pobieranie a zawartość przyswajalnych form składnika

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)

Zależność pomiędzy ilością przyswajanych form fosforu oznaczanych różnymi metodami (Vucāns i in. 2008, zmodyfikowano) W Polsce do oznaczenia ilość przyswajalnych form fosforu w glebie stosuje się najczęściej metodę Egnera-Riehma, a w krajach Europy zachodniej metodę Olsena, dlatego podaję porównanie tych metod. Wyniki uzyskane tymi dwoma metodami ekstrakcji fosforu wykazują dobrą wzajemną korelację w warunkach słabo kwaśnego i neutralnego odczynu gleby (Vucāns i in. 2008). 17

Krok 2: Obliczanie pobrania składników (U- uptake: 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:

Część 1. Obliczanie pobrania poszczególnych składników pokarmowych w zależności od dostępności innych makroskładników (NPUPT, NKUPT, PNUPT, PKUPT, KNUPT, KPUPT) 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) w przeciwnym razie: Wtedy: 12UPT (S1, S2)= max[UPT12, 0]

Tabela 14. Wartości parametrów empirycznych a,d i r w oryginalnej wersji QUEFTS [cyt. za Muller 2000]

Część 2: Obliczanie pobrania składników (UN, UP, UK)

W zmodyfikowanej wersji modelu QUEFTS pobranie poszczególnych składników określa się na podstawie poniższych formuł:

Tabela 15. Wartości parametrów dla zmodyfikowane wersji QUEFTS [cyt Tabela 15. Wartości parametrów dla zmodyfikowane wersji QUEFTS [cyt. za Muller 2000]

Krok 3: Obliczanie zakresu plonu przy maksymalnym rozcieńczeniu lub akumulacji składnika w roślinie (YNA, YND, YPA, YPD, YKA, YKD).

Krok 4. Obliczanie plonów granicznych

Zależności między pobraniem azotu a plonem w zależności od dostępności fosforu [Boogaard i in. 1998, zmodyfikowany] 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.

Fragment pliku danych o roślinie w modelu WOFOST charakteryzujących zawartość składników w organach zapasowych i cześciach wegetatywnych przy maksymalnej koncentracji i rozcieńczeniu składnika (Biblioteka modelu WOFOST 7.1) Dane o zawartości minimalnej i maksymalnej składników (N,P,K) w częściach wegetatywnych i organach zapasowych wprowadzone są w końcowym fragmencie pliku danych roślinnych. Model WOFOST uwzględnia także biologiczne wiązanie azotu przez rośliny motylkowate. Znajduje to odzwierciedlenie w wartości parametru NFIX (ryc. 13), który określa, jaką część azotu rośliny te mogą pozyskać w wyniku symbiozy z bakteriami brodawkowymi. Przyjęto, że wartość NFIX jest stała, chociaż w rzeczywistości udział biologicznie związanego azotu w jego całkowitej ilości pobranej przez rośliny zmienia się w zależności od wielu czynników, np. zawartości azotu mineralnego w glebie, pH gleby i in. 29

Okno modelu WOFOST do wprowadzenie wymaganych danych o żyzności gleby W zakładce „Nutrients”, w poszczególnych okienkach „Basic soil supply”, należy podać dostępna ilość przyswajalnych form NPK w glebie nienawożonej, a w „apparent recovery fraction” odpowiednie współczynniki wykorzystania (0-1). Wartości te wyliczane są za pomocą modelu QUEFTS lub w arkuszu kalkulacyjnym na podstawie jego algorytmów z kroku pierwszego. 30

Okno początkowe modelu QUEFTS Program cropfert.exe (QUEFTS) pracuje w środowisku DOS (może być uruchomiany w systemie WINDOWS) i umożliwia obliczenie potrzeb nawozowych dla 28 gatunków roślin (po uruchomieniu wybieramy odpowiedni numer rośliny, poniżej przykłady głównych roślin uprawnych w naszej strefie), np.: 1.Jęczmień 7. Bobik 12. Kukurydza 15. Cebula 17. Ziemniaki 18. Rzepak 22. Soja 23. Buraki cukrowe 25. Słonecznik 28. Pszenica Wyniki zostają przesłane do pliku (1) lub wyprowadzone na ekran (2) 31

Okno modelu QUEFTS do wprowadzenie wymaganych danych o żyzności gleby Na podstawie danych o zasobności gleby program wyliczył dane potrzebne do symulowania produkcji limitowanej dostępnością składników pokarmowych modelu WOFOST, tj. Nbas, Pbas i Kbas (patrz slajd 16). 32

Okno wynikowe modelu QUEFTS Ostatnim krokiem jest oszacowanie sześciu kombinacji oszacowań plonu YNP, YNK, YPN, YPK, YKN, YKP – tzw. plony dla granicznych poziomów zawartości składnika, a następnie wyliczenie plonu potrzeb pokarmowych dla plonu potencjalnego oraz plonowania rośliny na glebie nienawożonej. W kolejnym kroku można przejść do planowania nawożenia wprowadzając z klawiatury ilości wprowadzanych w nawozach składników pokarmowych wraz z ich współczynnikami wykorzystania. 33

Okno wynikowe modelu QUEFTS po zastosowaniu nawożenia i zmianie współczynników wykorzystania składników Wprowadzenie nawożenia w ilości 120 kg N/ha, 80 kg P2O5 i 120 kg K20 wraz ze składnikami zawartymi w glebie pozwoli na uzyskanie plonu ziarna pszenicy na poziomie 7527 kg/ha. W modelu WOFOST dodatkowo zostanie wyliczony plon ograniczany niedoborem wody, ten element ma pierwszeństwo przed składnikami pokarmowymi. Dlatego model WOFOST, wykorzystując częściowo algorytmy modelu QUEFTS, oblicza ilość składników pokarmowych potrzebnych do realizacji potencjału plonowania na poziomie potencjalnym i ograniczanym niedoborem wody. SPRAWDZIAN 1. Program cropfert.exe (QUEFTS) umożliwia obliczenie potrzeb nawozowych dla a) 15 gatunków roślin B 20 gatunków roślin c) 28 gatunków roślin 1. Obliczenie dostępnych form azotu w glebie w modelu QUEFTS można wykonać, gdy dostępne są następujące dane: a) pH, zawartość węgla organicznego b) zawartość azotu organicznego, c) zawartość frakcji ilastej 34

Oblicz dostępność składników dla obiektów a-e (arkusz kalkulacyjny) Dane a b c d e pH 6 5 org C 20 10 P-Olsen 1 K-wym

Porównaj wyniki z obliczonymi modelem QUEFTS program dostępny na sali komputerowej

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?