Model Daisy Podstawy funkcjonowania i wykorzystanie modelu

Prezentacja na temat: "Model Daisy Podstawy funkcjonowania i wykorzystanie modelu"— Zapis prezentacji:

1 Model Daisy Podstawy funkcjonowania i wykorzystanie modelu
Dr hab.inż. Bogdan Kulig, prof. UR (na podstawie pracy Hansen S Daisy, a flexible Soil-Plant-Atmosphere system Model. The Royal Veterinary- and Agricultural University. ftp/DaisyDescription.pdf.)

2 Ocena (walidacja) działania modeli Porównanie symulacji wykonanych przy pomocy różnych modeli w tych samych warunkach siedliskowych Porównano wyniki symulacji uzyskane przez 19 uczestników warsztatów „modeleowanie agroekosystemów. Mimo że wszystkie modele były stosowane w odniesieniu do tego samego zbioru danych, wyniki różnią się znacząco. Z uzyskanych wyników można wnioskować, że istotne jest doświadczenie naukowca stosujacego model, jak różnica między poszczególnymi podejściami modelu. Tylko jeden model umożliwiał symulację wszystkich głównych procesów takich jak dynamika zmian zawartości wody, wzrost roślin i dynamiki przemian azotu o takiej samej jakości, inni były w stanie odtworzyć procesy w ujęci dynamicznym tylko cześciowo (Diekkrügeri in., Ecological Modelling 1995)

3 Twórcy modelu Model Daisy został opracowany w drugiej połowie lat 80-tych XX w. na Królewskim Uniwersytecie Weterynarii i Rolnictwa w Kopenhadze. W następnych latach był rozbudowywany i ulepszany zgodnie z aktualnym stanem wiedzy. Obecna wersja została skonstruowana w języku C++.

4 Ogólna struktura modelu
Model Daisy składa się z trzech głównych modułów: Części klimatycznej, Części roślinnej - wegetacji (opisującej wzrost i rozwój roślin) Części glebowej - charakteryzującej przemiany zachodzące w glebie. Model opisuje między innymi procesy obiegu wody, węgla i azotu w agroekosystemie. Dodatkowo do obliczeń może być włączany moduł określający wymywanie pestycydów

5 DAISY Simulation Model Klimat Dane pogodowe Dane agrotechniczne
SVAT Promieniowanie Intercepcja Gromadzenie śniegu Wegetacja Wzrost Fotosynteza Oddychanie Pobieranie Dane pogodowe Dane agrotechniczne Gleba pobranie rozkład sorpcja transport Wymiana fazowa Dane glebowe Dane o przebiegu wegetacji faza stała Macropores makropory Macropores Macropores Macropores Macropores Materia organiczna DAISY Simulation Model Woda Jon amonowy Ciepło Azotany Pestycydy Kolejne warstwy

6 Agrochemikalia Model może uwzględniać następujące procesy związane z transportem i przekształcaniem substancji chemicznych (np. pestycydów): wykorzystanie/zatrzymanie przez łan roślin, zmywanie z roślin przez wodę opadową, degradacja w łanie roślin, sorpcja w glebie, degradacja w glebie, opisywana jako proces determinowany przez temperaturę gleby i zawartość wilgoci w glebie oraz przez biologiczną aktywność gleby jak funkcję produkcji CO2. bierne pobieranie wraz z wytranspirowaną wodą . Dla każdego związku chemicznego wprowadzanego do modelu symulacyjnego musi być wprowadzone opis charakteryzujący wybrany proces oraz parametry wykorzystywane w obliczeniach.

7 Zabiegi agrotechniczne
Technologia uprawy w odniesieniu do pola i rośliny obejmuje szereg czasowy poszczególnych zabiegów. Głównymi zabiegami uwzględnianymi w modelu są: sposób uprawy roli, nawożenie, siew, zbiór, nawadnianie, opryskiwanie.

8 Uprawki Uprawki charakteryzowane są przez głębokość oddziaływania narzędzia na glebę oraz fakultatywnie przez ilość materii organicznej pozostającej na powierzchni gleby i inkorporowanej do gleby w wyniku zastosowanego zabiegu. Dodatkowo musi być wyszczególniany sposób mieszania gleby tj. całkowite mieszanie się górnej warstwy gleby lub wymiana pomiędzy dwoma warstwami. Biblioteka modelu zawiera pięć standardowych sposobów uprawy roli, ale użytkownik może wprowadzić do modelu parametry dla innych zabiegów. Ujęte w modelu zabiegi uprawowe to: orka - jest opisywana jako wymiana większej niż 9 cm warstwy roli z warstwą znajdującą się poniżej (9-18 cm). Po zabiegu, zawartość wody, azotu i materii organicznej będzie obliczana jako średnia w każdej z dwu warstw i dolna warstwa będzie umieszczana na górze; brona rotacyjna - zabieg obejmuje całkowite mieszanie górnej 15 cm warstwy roli; brona telerzowa - całkowite wymieszanie górnej 10 cm warstwy roli i inkorporacja do gleby 80 % materii organicznej; kultywator podorywkowy - całkowite mieszanie górnej 10 cm warstwy roli i inkor-poracja do gleby 60 % materii organicznej; przygotowywanie roli do siewu - całkowite mieszanie górnej 10 cm warstwy roli.

9 Nawożenie Nawożenie może być stosowane w postaci nawozów organicznych albo mineralnych. Nawozy organiczne (naturalne) są charakteryzowane przez zawartość suchej masy, zawartość azotu i węgla w suchej masie, cześć azotu w postaci amonowej, ilość azotu (w %) ulatniającego się do atmosfery w trakcie stosowania w postaci amoniaku oraz wielkość dawki (ton świeżej masy na ha). Nawozy mineralne (azotowe) są charakteryzowane przez: określenie części azotu w postaci amonowej, ilości azotu ulatniającego się do atmosfery w trakcie stosowania w postaci amoniaku, wielkość zastosowanej dawki (kg N ha-1)

10 Gatunki roślin Obecnie „biblioteka modelu” zawiera parametry dla 12 gatunków roślin uprawnych (pszenica ozima, pszenica jara, jęczmień ozimy, jęczmień jary, żyto, rzepak ozimy, rzepak jary, kukurydza, groch, ziemniak, burak cukrowy, trawy). Zostały one określone w oparciu o dane roślin uprawianych w północnej Europie. Z tego względu powinno się je ostrożnie używać w innych warunkach agroklimatycznych. Parametry roślinne mogą w tym przypadku wymagać ponownej kalibracji.

11 Weather Data – Daily Values Dane pogodowe-wartości dzienne
Minimalne dane pogodowe (równanie Makkinka) Promieniowanie słoneczne Temperatura Opady Dane dodatkowe Ewapotranspiracja wskaźnikowa Pełne dane pogodowe (FAO-Penman-Montheith) Promieniowanie słoneczne Temperatura powietrza Wilgotność Prędkośc wiatru Opady

12 Weather Data – Hourly Values Dane pogodowe – wartości godzinowe
Pełne dane (dla nielicznych roślin – Shuttleworth & Wallace) Promieniowanie słoneczne Temperatura powietrza Wilgotność Prędkośc wiatru Opady Dane dodatkowe Ewapotranspiracja wskaźnikowa

13 Woda zatrzymana na powierzchni
Opady&Nawadnianie Parowanie Parowanie Transpiracja Śnieg Rain fall Okrywa śnieżna Intercepcja wody Percolation Parowanie Opad Parowanie gleby Woda zatrzymana na powierzchni Infiltration Soil water Podsiąk kapilarny Perkolacja

14 Zbiór Zbiór roślin może być symulowany zgodnie z datą wyszczególnioną przez użytkownika albo przy określonym stadium roślin, np. w czasie dojrzałości pełnej (model określa prawdopodobny termin zbioru). Ponadto udział innych części roślin, tj. organów użytkowych, liści, łodyg zbieranych z pola w czasie żniw, może być wyszczególniany razem z wysokością pozostającego ścierniska. Resztki pożniwne pozostające na polu będą przyorane jako materia organiczna podczas następnych uprawek.

15 Dane wyjściowe z modelu
Standardowy plik jest dostarczany z modelem i zawiera następujące opcje: "Weather " : dzienne dane dotyczące Ep , Rn , Ta; " Root Zone Water Balance " : dzienny bilans wody glebowej (do głębokości 1 m ); " Surface Water Balance ": dzienny powierzchniowy bilans wodny; " Soil Water Potential " : dzienne wartości potencjału glebowego w każdym punkcie węzłowym; " Groundwater ": dzienne zmiany lustra wody gruntowej; " Soil Temperatur ": dzienna temperatura gleby w każdym punkcie węzłowym " Bioclimate ": godzinowy bilans cieplny i bilans wodny na powierzchni roli; " Crop Production": dzienny przyrost stadium rozwojowego, gromadzenie suchej masy i azotu; " Vegetation " : dzienne dane o stanie wegetacji; " Harvest" : termin zbioru dla każdej rośliny i każdego roku; " N Balance": dzienny bilans N glebowego (dla 1 m głębokości); " Soil Nitrate Concentration" : dzienne wartości koncentracji NO3- w każdym punkcie węzłowym; " Total Soil Content" ; dzienna zawartość materii organicznej, C i N w profilu glebowym w poszczególnych warstwach : " cm " ; "10-20 cm " ; " cm "; " cm "; " cm "; " cm "; " cm "; " cm "; " cm "; " cm " . " Surface Chemicals" : dzienny bilans substancji chemicznych na powierzchni gleby i łanu; " Soil Chemicals " : dzienny bilans substancji chemicznych w profilu glebowym ( do 1 m głębokości).

16 Ocena modelu Model ten określany jest jako jeden z pięciu najlepszych modeli symulujacych przemiany materii organicznej w glebie. Olsen i in. (2004) wykorzystali model Daisy do określania zmian klimatu na emisje gazów cieplarnianych z użytków rolnych z uwzględnieniem róznych płodozmianów. Kristensen i Nielsen (1998) wykorzystywali model Daisy do symulacji dostępności mineralnych form azotu dla roślin następczych w zależności od uprawianego międzyplonu, zasięgu systemu korzeniowego rośliny następczej oraz rodzaju gleby i warunków klimatycznych.

17

18 Przykład graficznego ujęcia dynamiki zmian zawartości azotanów w 27,5 cm warstwie gleby w latach (Daisy v. 4.57)

19 Ewapotranspiracja W zależności od zakresu danych meteorologicznych, jakimi dysponuje użytkownik programu ewaptranspiaracja obliczana jest na podstawie równania Penmana-Monteitha lub Makkinka. Ponadto preferencyjny transport wody i substancji rozpuszczonych może być opisywany poprzez chwilowe wyznaczanie tras wody i substancji rozpuszczonych od miejsca, gdzie ciśnienie przewyższa zdefiniowaną przez użytkownika granicę do punku, w którym kończy się frakcja ścieżek przepływu preferencyjnego.

20 Evapotranspiracja potencjalna
współczynniki roślinne ewapotranspiraja wskaźnikowa współczynniki roślinne w funkcji czasu (Feddes, 1987) współczynniki roślinne jako funkcja fazy rozwojowej (Allen i in. 1998) Daisy

21 Współczynniki roślinne, kc (Feddes, 1987)
Miesiąc Maj Czerwiec Lipiec Sierpień Dekada 1 2 3 Trawa† 1.0 Zboża 1.2 0.9 0.8 0.6 Kukurydza 0.5 0.7 1.3 Ziemniak 1.1 Burak † Ruń o wysokości 5-15 cm (dla cm, kc=1.1)

22 Transport wody Ogólny schemat obliczania transportu wody i substancji rozpuszczonych w roztworze przedstawia ryc. 33. Komponent „snow” – śnieg opisuje akumulację śniegu i jego tajanie jako funkcję opadu deszczu/śniegu, temperatury powietrza, promieniowania całkowitego oraz przepływu ciepła przy powierzchni ziemi. Albedo i gęstość pokrywy śniegowej jest funkcją tzw. wieku śniegu. Wszystkie parametry wymagane do uruchomienia przez model modułu "śnieg" są fakultatywne, tzn. że jeżeli użytkownik nie zna ich rzeczywistej wielkości model przyjmuje parametry domyślne.

23 Opady Opad śniegu Opad deszczu Sublimacja Ewaporacja Okrywa śnieżna lód woda Topnienie Zamarzanie Perkolacja

24 Woda w glebie Transport wody w glebie obliczony jest na podstawie równania Richardsa, które wymaga danych opisujących krzywą retencji i przewodnictwa hydraulicznego dla poszczególnych warstw profilu glebowego. W przypadku nie znalezienia właściwego rozwiązania za pomocą numerycznego rozwiązania równania Richardsa, przepływ wody w glebie obliczany jest w oparciu o równanie Darcyego.

25 Przepływ wody Woda glebowa: θ, h, K Woda glebowa: θ, h, K
przepływ, q Woda glebowa: θ, h, K pobranie przepływ, q Woda glebowa: θ, h, K Pobranie przepływ, q Woda glebowa: θ, h, K Pobranie przepływ, q

26 GWT Ks Kb Ka L Strefa nienasycona Perkolacja q h x odpływ drenarski d
Gleba nasycona Warstwy słabo przepu-szczalne Głęboka percolacja Ka Warstwa wodonośna

27 Obieg węgla w modelu Daisy
fotosynteza oddychanie Nawożenie organiczne Plon Harvest Węgiel w roślinie Oddychanie mikrobiologiczne gleby Inkorporacja resztek pożniwnych Soil Carbon Węgiel w glebie

28 AOM SMB SOM Strukturalna Metaboliczna Trudno rozkładalna AOM C-AOM1
NH4, NO3 SMB N N C C-SMB1 C-SMB2 CO2 SOM N N C C-SOM1 C C-SOM2

29 Obieg azotu Org-N NH4+ NO3- N w roślinie Nawożenie + Atm. Depo.
(Materia org.) Zbiór Nawożenie + Atm. Depo Resztki poż.+ Depozyt glebowy N w roślinie Pobranie Org-N Pobranie Mineralizacja netto Immobilizacja NH4+ NO3- Nitrifikacja Ulatnianie Wymywanie Denitryfikacja wymywanie

30 Azot w glebie N-korzenie N-org. NH4+ NO3- Denitrifikacja
NH4+ Transport NO3- Transport Depozyt korzeniowy N-korzenie Pobranie N-org. Pobranie Immobil. Mineralizacja netto NH4+ NO3- Nitrifikacja NH4+ Transport NO3- Transport

31 Wiele parametrów w funkcji fazy rozwojowej (DS)
Daisy Crop Model CO Światło Temperatura Wiele parametrów w funkcji fazy rozwojowej (DS) 2 Structura łanu Fotosynteza Pula asymilatów Czynniki stresowe CO 2 Oddychanie wzrostowe dostępność Zamieranie Rozdział asymilatów(DS) CO CO 2 2 CO konwersja 2 konwersja konwersja konwersja Organy użytkowe Liście Korzenie Łodygi zamieranieh zamieranie Resztki korzeniowe Resztki liści

32 Faza rozwojowa/Development stage (DS)
Fazy DS Faza wschodów (siew/sadzenie-wschody ) DS od –1 do 0 Fazy wegetatywne DS od 0 do 1 Fazy generatywne DS od 1 do 2

33 (DS) Faza wschodów Model sumy temperatur Parametry
Glebowy próg termiczny Temperatura gleby i suma temperatury gleby w okresie wschodów

34 Development stage (DS) Faza rozowju wegetatywnego
Model sumy temperatur Domyślne parametry modelu Tempo rozwoju [day-1] Wpływ temperatury Reakcja fotoperiodyczna

35 Development stage (DS) Reproductive phase
Temperature sum model Default model Parameters Development rate [day-1] Temperature effect

36 Fotosynteza Light Distribution
Leaf area distribution of individual crops Composite canopy Distribution of absorbed PAR Beers’ law Partitioning of distributed absorbed PAR among crops

37 Crop Photosynthesis Krzywa raekcji na natężenie światła
intensywność absorpcji PAR, Sa Wpływ temperature zamieranie Stres wodny i azotowy

38 Fotosynteza łanu Fotosynteza łanu integracja
gdzie L to zakumulowany LAI od góry do spodu łanu

39 Oddychanie bytowe Oddychanie bytowe Całkowite oddychanie łanu korzenie
liście łodygi organy zapasowe Całkowite oddychanie łanu

40 Rozdział asymilatów Alokacja asymilatów do: korzeni liści łodyg
organów zapasowych Shoot Root Stem Grain Leaf

41 Oddychanie wzrostowe Efektywność konwersji
Growth respiration (CO2-evolution) Simple biochemical analysis (Vertregt & Penning de Vries, 1987) Stem Leaf

42 LAI Masa liści SLA/Specific leaf area/ powierzchnia właściwa liści
Współczynnik modyfikujący LAI (zależny od DS)

43 Azot w roślinie Maksymalna zawartość N Krytyczna zawartośc N
Minimalna zawartość N

44 Ćwiczenia z modelem Daisy
(model dostępny na komputerach w sali komputerowej nr VII)

45 Uwagi ogólne uwaga: ćwiczenia przykładowe w oryginalnym modelu mają błędy składniowe i często nie można wykonać symulacji dlatego proponuję pobrać sprawdzone przez wykładowcę pliki ćwiczeń. Pliki ćwiczeniowe należy pobrać i umieścić np. w katalogu „exercises” W każdym pliku należy zmodyfikować w edytorze tekstu np. „TextPad” nagłówek – tak aby zawierał właściwą ścieżkę dostępu do programu głównego, biblioteki i plików symulacyjnych (ćwiczeń) – patrz przykład poniżej – program znajduje się na dysku i: (poprawić odpowiednią scieżkę w wierszu 5 i 7) ;; Setting "working directory" ;; Daisy writes a Daisy.log-file during execution. ;; This log-file contains any error messages ;; If the working directory is set correctly the log-file will be found here (directory "i:/Program files/Daisy 4.57") ;; Setting search path for library-files (path "." "i:/Program files/Daisy 4.57/Lib" "i:/Program files/Daisy 4.57/exercises")

46 Poprawione pliki ćwiczeniowe:
Pobierz i wypakuj poniższy plik oraz zmodyfikuj wg wskazówek na poprzednim slajdzie Exercise01.zip Opis ćwiczeń 1-12

47 Po uruchomieniu programu, z menu „File” wybieramy „Open setup” a następnie odpowiedni plik ćwiczeniowy z rozszerzeniem „*.dai” -

48 Pliki znajdują się w zapisanym wcześniej katalogu: przykładowe okienka programu

49 Po wczytaniu odpowiedniego pliku, w którym zapisano warunki symulacji z zakładki „File” uruchamiamy symulację wybierając „RUN”. Jeżeli wszystko zostało wykonane poprawnie i składnia pliku nie zawiera błędów na monitorze obserwujemy postęp symulacji.

50 Po zakończeniu symulacji możemy przeglądać plik wyściowy z modelu – „daisy.log” w katalogu roboczym – jest plikiem tekstowym do odczytania za pomocą „notatnika” lub „edytora tekstu”

51 Wykresy Pliki wyjściowe z modelu z rozszerzeniem *.dlf (znajdują się w katalogu roboczym) można konwertować do postaci graficznej za pomocą nakładki: ShowDaisyOutput.exe Do pobrania ze strony modelu Daisy

52 Przykładowy wykres z modelu