ПРОБЛЕМА МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ АГРОЭКОСИСТЕМ: ОТ ЭВОЛЮЦИИ ИДЕЙ К ЭВОЛЮЦИИ АЛГОРИТМОВ Р.А. Полуэктов, А.Г. Топаж (Лаборатория математического моделирования агроэкосистем АФИ)

Фотосинтез (история) М.Монси и Т.Саэки ˝Ueber den Lichtfactor in den Pflanzengeselschaften und seine Bedeutung fuer die Stoffproduktion (1953). Впервые поставлена задача моделирования процесса фотосинтеза в условиях с.-х. поля. М.Монси и Т.Саэки ˝Ueber den Lichtfactor in den Pflanzengeselschaften und seine Bedeutung fuer die Stoffproduktion (1953). Впервые поставлена задача моделирования процесса фотосинтеза в условиях с.-х. поля. Дальнейшие работы : Гаастра (Gaastra, 1959), М.И. Будыко (Будыко, 1964), Шартье (Chartier, 1970), и Лайск (Лайск, 1977). Дальнейшие работы : Гаастра (Gaastra, 1959), М.И. Будыко (Будыко, 1964), Шартье (Chartier, 1970), и Лайск (Лайск, 1977). Теория фотосинтеза на уровне листа: Теория фотосинтеза на уровне листа: В.Л. Калер (Калер и др., 1976), Х. Тооминг, (Тооминг, 1977), де Вит. (Wit, 1978), В.Л. Калер (Калер и др., 1976), Х. Тооминг, (Тооминг, 1977), де Вит. (Wit, 1978),

Фотосинтез (реализация) Р.А.Полуэктов, 1991 г.: Р.А.Полуэктов, 1991 г.: три реакции три реакции (1) возбуждения акцептора, (2) окислительного карбоксилирования и (3) регенерации акцептора, проходящую в присутствии дополнительного фермента (1) возбуждения акцептора, (2) окислительного карбоксилирования и (3) регенерации акцептора, проходящую в присутствии дополнительного фермента

Соотношения, определяющие интенсивность фотосинтеза Скорость фотосинтеза единичной поверхностью листа (мг CO2/(м2с)) где Q Ф - поглощенная ФАР, C w – концентрация CO 2 в хлоропласте Ф mm - макс. скор. фотосинтеза R d –интенсивность фотодыхания r x – сопротивление карбоксилирования α - наклон световой кривой ф.-с. Интенсивность газообмена: где C a - концентрация CO 2 в атмосфере r CΞ - суммарное сопротивление r CΞ - суммарное сопротивление

Зависимость фотосинтеза листа от интенсивности ФАР и концентрации CO 2

Влагоперенос в системе почва – растение – воздух ( история) Уравнение Ричардса (Ричардс, 1931) Уравнение Ричардса (Ричардс, 1931) С функцией стока, начальными и граничными условиями ( Нерпин и др., 1976; Diepen, 1988) С функцией стока, начальными и граничными условиями ( Нерпин и др., 1976; Diepen, 1988)

Транспирация и физическое испарение (реализация) Потенциальная эвапотранспирация (Penman, 1948; Monteith, 1957) Потенциальная эвапотранспирация (Penman, 1948; Monteith, 1957) Моделирование реальных значений транспирации и физического испарения ( Полуэктов и др., 1992) Моделирование реальных значений транспирации и физического испарения ( Полуэктов и др., 1992)

Баланс воды в растении

Динамика влагозапаса в почве ( Яровой ячмень, Белогорка, 2000 г.)

Рост растений ( история ) Детерминированные ростовые функции – distribution keys (Росс,1971; Сиротенко, 1975; Penning de Vries et al., 1982) Детерминированные ростовые функции – distribution keys (Росс,1971; Сиротенко, 1975; Penning de Vries et al., 1982) Адаптивная ростовая функция (Thornley, 1972) Адаптивная ростовая функция (Thornley, 1972)

Рост растений - shoot : root relation (реализация, Полуэктов, Топаж, 2005) Распределение ассимилятов soot – root: Распределение ассимилятов soot – root: Потребность в азоте: Потребность в азоте: Доступный азот Доступный азот Баланс азота Баланс азота

Баланс азота в растении (реализация)

Влияние азотных удобрений на отношение root:shoot Зависимость отношения сухой биомассы корней к сухой надземной биомассе от дозы азотных удобрений в посеве ячменя. Представлены средние арифметические из 7 компьютерных экспериментов при вводе в модель погодных условий за гг. Δ – в фазе цветения, О – в фазе полной спелости.

Модель с имитаций влияния доз азотных удобрений Поглощение азота в i- слое почвы: Суммарное поглощение: Аппроксимирующая зависимость Результат компьютерного эксперимента:

Идентификация модели 1. общая продуктивность- 1. общая продуктивность- коэффициент cor: коэффициент cor: 2. Влияние азотных удобрений- 2. Влияние азотных удобрений- коэффициенты коэффициенты CO, C1, C2 CO, C1, C2

Расчетные и фактические урожаи озимой ржи (МОС, гг.)

Расчетные и фактические урожаи ячменя (МОС, гг.)

Динамика роста органов растения (яровой ячмень ) МОС, 2000 г. а – опыт с однократной дозой удобрений, б – опыт без удобрений. 1, 2, 4 – биомасса листьев, стеблей и колоса соответственно; 3 –надземная биомасса; – эксп. данные.

Фактические и расчетные сроки наступления фенофаз

Прогноз сроков начала полевых работ

Прибавка урожая от различных доз азотных удобрений

Фактические и прогнозируемые урожаи (МОС, озимая рожь)

Динамический прогноз урожая

Прогноз дозы азотных подкормок

Диаграмма классов модели (Rational Rose)

Система имитационного моделирования AGROTOOL, v.4 Модель - Rational Rose, объектный Паскаль; Модель - Rational Rose, объектный Паскаль; Оперативная база данных (ОБД) - Excel; Оперативная база данных (ОБД) - Excel; Стационарная база данных (СБД) - СУБД Access; Стационарная база данных (СБД) - СУБД Access; Интерфейс пользователя - Delphi Интерфейс пользователя - Delphi

Верификация 1. Ленинградская область: 1. Ленинградская область: агрометеостанции – Белогорка, Волосово, Волхов, Сосново, Николаевское, Тихвин; агрометеостанции – Белогорка, Волосово, Волхов, Сосново, Николаевское, Тихвин; культуры – яровой ячмень, яровая пшеница, озимая рожь, овес, картофель, многолетние травы, 5-6 лет вегетации. культуры – яровой ячмень, яровая пшеница, озимая рожь, овес, картофель, многолетние травы, 5-6 лет вегетации. 2. Саратовская область – яровая пшеница, 12 лет вегетации. 2. Саратовская область – яровая пшеница, 12 лет вегетации. 3. Краснодарский край – озимая пшеница, кукуруза, 6 лет вегетации. 3. Краснодарский край – озимая пшеница, кукуруза, 6 лет вегетации. 4. Алтайский край – люцерна, 5 лет вегетации 4. Алтайский край – люцерна, 5 лет вегетации 5. Шекинский р-н Азербайджана – озимая пшеница, 6 лет вегетации. 5. Шекинский р-н Азербайджана – озимая пшеница, 6 лет вегетации. 6. Мюнхеберг, Германия – озимая пшеница, яровой ячмень, сахарная свекла, 3 года вегетации. 6. Мюнхеберг, Германия – озимая пшеница, яровой ячмень, сахарная свекла, 3 года вегетации. 7. Бадлаухштадт, Германия - озимая пшеница, яровой ячмень, сахарная свекла, 6 лет вегетации. 7. Бадлаухштадт, Германия - озимая пшеница, яровой ячмень, сахарная свекла, 6 лет вегетации. 8. Советский р-н Калининградской обл. – озимая пшеница, многолетние травы – 5 лет вегетации. 8. Советский р-н Калининградской обл. – озимая пшеница, многолетние травы – 5 лет вегетации.

Сотрудники лаборатории, принимавшие участие в разработке модели 1.Пых Ю.А. 1.Пых Ю.А. 2.Вол И.А. 2.Вол И.А. 3.Финтушал С.М. 3.Финтушал С.М. 4.Заславский Б.Г. 4.Заславский Б.Г. 5.Заславская Л.А. 5.Заславская Л.А. 6. Неусыпина Т.А. 6. Неусыпина Т.А. 7. Нагиев А.Т. 7. Нагиев А.Т. 8. Чувашина Н.В. 8. Чувашина Н.В. 9.Топаж А.Г. 9.Топаж А.Г. 10.Опарина И.В. 10.Опарина И.В. 11.Захарова Е.Т. 11.Захарова Е.Т. 12.Терлеев.В.В. 12.Терлеев.В.В. 13.Бакалнко Б.И. 13.Бакалнко Б.И. 14.Глядченкова.Н.А. 14.Глядченкова.Н.А.

Благодарю за внимание