Teórica ecologia de produção - Theoretical production ecology

Teórico ecologia produção tenta estudar quantitativamente o crescimento das culturas . A planta é tratada como um tipo de fábrica biológica, que processa luz , dióxido de carbono , água , e nutrientes em partes colhidas. Principais parâmetros mantidos em consideração são a temperatura, a luz solar, estando a biomassa das culturas, a produção de plantas de distribuição, de nutrientes e de abastecimento de água.

Modelagem

A modelagem é essencial na ecologia produção teórica. Unidade de modelagem geralmente é a colheita , o conjunto de plantas por unidade de superfície padrão. Os resultados da análise para uma planta individual são generalizada à superfície padrão, por exemplo, o índice de área foliar é a área de superfície projectada de todos colheita folhas acima de uma unidade de área de terreno.

processos

O sistema habitual de descrever a produção de plantas divide o processo de produção de plantas em, pelo menos, cinco processos separados, que são influenciadas por vários parâmetros externos.

Dois ciclos de reacções bioquímicas constituem a base da produção de plantas, a reacção de luz e escuro a reacção.

  • Na reacção de luz , a luz solar fotões são absorvidos por cloroplastos que se dividem água em um electrão, protão e de radicais de oxigénio, que é recombinado com outro radical e libertado como molecular oxigénio . A recombinação do electrão com o protão produz os vectores de energia de NADH e ATP . A taxa desta reacção depende muitas vezes da intensidade da luz solar, índice de área foliar , ângulo da folha e a quantidade de cloroplastos por unidade de superfície da folha. A taxa bruta máxima teórica de produção sob condições óptimas de crescimento é de cerca de 250 kg por hectare e por dia.
  • A reacção escuro ou ciclo de Calvin gravatas atmosférica dióxido de carbono e utiliza NADH e ATP para convertê-lo em sacarose . O NADH e ATP disponível, bem como a temperatura e de dióxido de carbono níveis de determinar a taxa de esta reacção. Em conjunto estas duas reacções são denominadas fotossíntese . A taxa de fotossíntese é determinada pela interacção de um número de factores, incluindo a temperatura, a intensidade da luz e dióxido de carbono.
  • Os hidratos de carbono produzidos são transportados para outras partes da planta, tais como órgãos de armazenamento e convertidos em produtos secundários, tais como aminoácidos , lípidos , celulose e outros produtos químicos necessários para a planta ou utilizados para a respiração. Lípidos, açúcares , celulose e de amido pode ser produzido sem elementos adicionais. A conversão de hidratos de carbono em aminoácidos e ácidos nucleicos requer azoto, fósforo e enxofre . Clorofila produção requer magnésio , enquanto que várias enzimas e coenzimas requerem oligoelementos . Isto significa, influências de fornecimento de nutrientes esta parte da cadeia de produção. O abastecimento de água é essencial para o transporte, portanto, limita essa também.
  • Os centros de produção, ou seja, as folhas, são as fontes , os órgãos de armazenamento, dicas de crescimento ou outros destinos para a produção fotossintética são pias . A falta de pias pode ser um factor limitante para a produção também, como acontece por exemplo, em pomares de macieiras, onde os insectos ou geada noite destruíram as flores e os assimilados produzidos não pode ser convertido em maçãs. Bienal e plantas perenes empregam o amido armazenado e gorduras em seus órgãos de armazenamento para a produção de folhas novas e atira no próximo ano.
  • A quantidade de biomassa da cultura e a distribuição relativa de biomassa sobre as folhas, caules, raízes e órgãos de armazenamento determina a respiração taxa. A quantidade de biomassa em folhas determina o índice de área foliar , o que é importante no cálculo da bruto produção fotossintética .
  • extensões para este modelo de base pode incluir insectos e pragas danos, consórcio , alterações climáticas, etc.

parâmetros

parâmetros importantes em modelos de produção teóricos são assim:

Clima
  • Temperatura - A temperatura determina a velocidade de respiração e a reacção escuro . Uma temperatura elevada combinada com uma baixa intensidade de luz solar, uma elevada perda por respiração. Uma baixa temperatura combinada com uma alta intensidade de luz solar significa que o NADH e ATP amontoe mas não podem ser convertidos em glicose, porque a reacção escuro não podem processá-los rapidamente o suficiente.
  • Luz - Luz, também chamada de radiação fotossinteticamente ativa (PAR) é a fonte de energia para o crescimento da planta verde. PAR poderes a reacção de luz , que proporciona ATP e NADPH para a conversão de dióxido de carbono e água em hidratos de carbono e molecular de oxigénio . Quando os níveis de temperatura, de humidade, de dióxido de carbono e nutrientes são óptimas, a intensidade da luz determina o nível máximo de produção.
  • Os níveis de dióxido de carbono - o dióxido de carbono atmosférico é a única fonte de carbono para as plantas. Cerca de metade de todas as proteínas em folhas verdes têm o único propósito de capturar o dióxido de carbono.
Embora CO 2 níveis são constantes em circunstâncias naturais [na, concentração contrário CO2 na atmosfera tem aumentado constantemente nos últimos 200 anos], CO 2 a fertilização é comum em estufas e é conhecido para aumentar os rendimentos por, em média, 24% [de um valor específico , por exemplo, 24%, não tem sentido sem especificação dos "baixos" e "altos" níveis de CO2 sendo comparado].
C 4 plantas como o milho e o sorgo pode alcançar um rendimento superior a elevadas intensidades de radiação solar, porque impedem a fuga de diido de carbono capturado devido à separação espacial da captura do dióxido de carbono e o uso de dióxido de carbono na reacção escuro. Isto significa que a sua fotorrespiração é quase zero. Esta vantagem é, por vezes compensado por uma maior taxa de respiração de manutenção . Na maior parte dos modelos de culturas naturais, os níveis de dióxido de carbono estão a ser assumida constante.
Colheita
  • Pé biomassa da cultura - crescimento ilimitado é um processo exponencial , o que significa que a quantidade de biomassa determina a produção. Uma vez que um aumento da biomassa implica maior respiração por unidade de superfície e um aumento limitado da luz interceptada, o crescimento das culturas é uma função sigmóide de biomassa da cultura.
  • Distribuição produção vegetal - Normalmente, apenas uma fracção da biomassa total da planta consiste em produtos úteis, por exemplo, as sementes de leguminosas e cereais , os tubérculos em batata e mandioca , as folhas de sisal e espinafres , etc. O rendimento de porções de plantas utilizáveis vai aumentar quando a planta aloca mais nutrientes para esta partes, por exemplo, as variedades de alto rendimento de trigo e arroz alocar 40% da sua biomassa em grãos de trigo e arroz, enquanto que as variedades tradicionais atingir apenas 20%, duplicando assim o rendimento eficaz.
Diferentes órgãos da planta tem uma taxa de respiração diferente, por exemplo, uma folha nova tem uma taxa de respiração muito maior do que raízes, tecidos de armazenamento ou caules fazer. Há uma distinção entre "respiração de crescimento" e "respiração de manutenção".
Pias, tais como frutos em desenvolvimento, devem estar presentes. Eles são geralmente representado por um interruptor discreto, que é ligado depois de uma determinada condição, por exemplo, duração do dia crítico foi alcançado.
Cuidado
  • O abastecimento de água - Porque as plantas usam transporte passivo para transferir a água e os nutrientes das suas raízes para as folhas, o abastecimento de água é essencial para o crescimento, do mesmo modo que as taxas de eficiência de água são conhecidos para diferentes culturas, por exemplo, 5000 para a cana-de-açúcar , o que significa que cada quilograma de açúcar produzido requer até 5000 litros de água.
  • Fornecimento de nutrientes - fornecimento de nutrientes tem um duplo efeito sobre o crescimento da planta. Uma limitação do fornecimento de nutrientes vai limitar a produção da biomassa de acordo com a Lei do Mínimo de Liebig . Com algumas culturas, vários nutrientes influenciar a distribuição de produtos vegetais nas plantas. Um azoto presente é conhecido por estimular o crescimento da folha e, portanto, podem funcionar de forma adversa sobre o rendimento de culturas que se acumulam produtos de fotossíntese em órgãos de armazenamento, tais como cereais de amadurecimento ou árvores de fruto frutíferas.

As fases de crescimento das culturas

Teórico ecologia produção assume que o crescimento de culturas agrícolas comuns, tais como os cereais e tubérculos, geralmente consiste de quatro (ou cinco) fases:

  • Germinação - agronómica pesquisa indicou uma dependência da temperatura de tempo de germinação (GT, em dias). Cada cultura tem uma temperatura crítica único (CT, temperatura dimensão) e soma temperatura (temperatura dimensões vezes tempo), que estão relacionadas como se segue.
Quando uma cultura tem uma soma temperatura de por exemplo 150 ° C · d e uma temperatura crítica de 10 ° C, a mesma germinar em 15 dias quando a temperatura é de 20 ° C, mas em 10 dias quando a temperatura é de 25 ° C. Quando a soma temperatura excede o valor do limiar, o processo de germinação é completa.
  • Propagação inicial - Nesta fase, a colheita não cobre o campo ainda. O crescimento da cultura é linearmente dependente do índice de área foliar, o que por sua vez é linearmente dependente da biomassa da cultura. Como resultado, o crescimento da cultura desta fase é exponencial.
  • A cobertura total de campo - nesta fase, o crescimento é assumido ser linearmente dependente da luz incidente e a taxa de respiração, como cerca de 100% de toda a luz incidente é interceptado. Tipicamente, o índice de área foliar (LAI) é superior a 02:58 na presente fase. Esta fase de crescimento vegetativo termina quando a planta recebe um determinado sinal do meio ambiente ou interna e inicia o crescimento generativo (como em cereais e leguminosas) ou a fase de armazenamento (como em tubérculos).
  • Atribuição aos órgãos de armazenamento - nesta fase, até 100% de toda a produção é dirigida para os órgãos de armazenamento. De um modo geral, as folhas ainda estão intactas e, como resultado, a produção primária bruta permanece o mesmo. Prolongando esta fase, por exemplo, fertilização cuidadoso, água e gestão de pragas resulta directamente em uma colheita maior.
  • Amadurecimento - nesta fase, folhas e outras estruturas de produção morrem lentamente. Os seus hidratos de carbono e proteínas são transportados para os órgãos de armazenamento. Como resultado, o LAI e, portanto, a produção primária diminui.

Existentes modelos de produção planta

modelos de produção planta existir em diferentes níveis de âmbito (celular, fisiológica, planta individual, colheita, região geográfica, global) e de generalidade: o modelo pode ser específico da cultura ou ser mais geralmente aplicável. Nesta seção, a ênfase será em modelos baseados em nível de cultura como a cultura é a principal área de interesse do ponto de vista agronômico.

A partir de 2005, vários modelos de produção agrícola estão em uso. O modelo de crescimento da cultura SUCROS foi desenvolvido durante mais de 20 anos e é baseado em modelos anteriores. Última revisão conhecida data de 1997. O IRRI e Universidade de Wageningen desenvolveu mais recentemente, o modelo de crescimento de arroz ORYZA2000 . Este modelo é utilizado para modelar o crescimento de arroz. Ambos os modelos de crescimento das culturas são open source . Outros mais modelos de crescimento de plantas por tipo de cultura existe também.

SUCROS

SUCROS é programado no Fortran linguagem de programação de computador. O modelo pode ser e tem sido aplicada a uma variedade de regimes de tempo e culturas. Como o código fonte de Sucros é open source , o modelo é aberto a modificações de usuários com experiência em programação Fortran. O oficial mantida versão de SUCROS entra em dois tipos: SUCROS I, que tem o crescimento não inibido ilimitado colheita (o que significa que somente a radiação solar e da temperatura determinar o crescimento) e SUCROS II, em que o crescimento da cultura é limitado apenas pela escassez de água.

ORYZA2000

O modelo de crescimento ORYZA2000 arroz foi desenvolvido no IRRI, em cooperação com a Universidade de Wageningen . Este modelo também é programado em Fortran. O escopo deste modelo é limitada a arroz , que é a principal cultura alimentar para a Ásia.

outros modelos

O Departamento de Agricultura dos Estados Unidos patrocinou uma série de modelos de crescimento de culturas aplicáveis para vários grandes culturas dos EUA, como algodão , soja , trigo e arroz . Outros modelos utilizados são o precursor da SUCROS ( SWATR ), CERES , várias encarnações de PLANTGRO , SUBSTOR , a FAO-patrocinado CROPWAT , AGWATER , o específico da erosão modelo EPIC , eo sistema de cultivo CropSyst .

Um modelo de crescimento e competição menos mecanicista, chamado de modelo condutância, foi desenvolvido, principalmente em Warwick-HRI, Wellesbourne, Reino Unido. Este modelo simula interceptação de luz e crescimento de plantas individuais com base na expansão lateral de suas áreas de zona de coroa. A competição entre plantas é simulado por um conjunto de algoritmos relacionados com a competição por espaço e interceptar luz resultante como o fechamento do dossel. Algumas versões do modelo assumem galgamento de algumas espécies por outros. Embora o modelo não pode ter em conta de água ou minerais nutrientes, pode simular o crescimento das plantas individuais, a variabilidade no crescimento dentro das comunidades de plantas e competição inter-espécies. Este modelo foi escrito em Matlab. Veja Benjamin e Park (2007) Weed Research 47, 284-298 para uma revisão recente.

Referências

  • Produção teórica Ecologia , notas universitários, Wageningen Agricultural University, 1990

Outras leituras