Практичне завдання №1

Методи оцінки впливу агрометеорологічних умов на ріст, розвиток та формування продуктивності соняшнику

1.1 Метод визначення середніх та екстремальних значень дат настання фаз розвитку [4]

Обробку спостережень за фазами розвитку та іншими агрометеорологічними показниками виконують за формою табл. 4.8. За весь ряд спостережень mвиписують дати настання фаз, що спостерігаються, Д. Середні значення дат розраховуються як середні арифметичні

= ( Д₁ + Д₂ + … + Д_m ) / m ,                                                                                                                                      (4.6)

де Д₁ , Д₂ , … Д_m - дати конкретного року; m - кількість років.

Якщо дати настання фаз розвитку припадають на різні місяці, середню дату обчислюють по кількості днів від початку самого раннього місяця до дати настання фази конкретного року. Для визначення Д отримане з цих чисел середнє значення додають до початку раннього місяця. Розрахунок проводять до десятих часток та округляють до цілих.

Наприклад: протягом п¢яти років сходи соняшнику з¢являлися 6.05, 28.04, 2.05, 30.04, 8.05. Найбільш ранній місяць - квітень. Сума буде дорівнювати 36 + 28 + 32 + 30 + 38 = 164. Середнє значення 32,8. Отже, середня дата сходів за ці 5 років - 3 травня.

Таблиця 4.8 - Агрометеорологічні показники умов вирощування соняшнику в період від утворення суцвіть до цвітіння

Визначення максимальних та мінімальних значень агрометео-рологічних показників проводять таким способом: вибирають з усього ряду спостережень найбільше та найменше їх значення і записують у табл.4.8 під відповідним середнім з указанням року, коли спостерігалися екстремальні значення.

1.2 Метод розрахунку тривалості міжфазних періодів

Період між суміжними фазами розвитку, тобто період, протягом якого проходить процес утворення нових органів та конкретних морфологічних ознак, називають міжфазним періодом [4]. 
В агрометеорологічній практиці міжфазні періоди формують по основних найважливіших фазах. Так, у соняшника спостерігають такі фази: сходи, друга пара листя, утворення суцвіть, цвітіння, достигання. Для оцінки умов вирощування цієї культури вегетаційний період ділять на 4 частини, які умовно називають міжфазними періодами: сівба - сходи, сходи - утворення суцвть, утворення суцвіть - цвітіння, цвітіння - достигання.

Тривалість міжфазного періоду n розраховують як різницю між датами настання фаз розвитку на початку Д_н та у кінці Д_к відповідного міжфазного періоду, тобто n = Д_к – Д_н .

Так, якщо у конкретному році сходи соняшника спостерігалися 08.05, а утворення суцвіть - 18.06, тривалість цього міжфазного періоду складає 40 днів. Середнє значення за m років розраховують як середнє арифметичне.

1.3 Метод розрахунку сум температур та опадів за міжфазний період

В агрометеорологічних дослідженнях часто використовують декадні дані спостережень. При цьому приймають, що температура кожного окремого дня декади однакова та дорівнює середньодекадній, а сума опадів протягом декади розподіляється рівномірно [4].

Під час розрахунків активних температур за міжфазний період трапляються два варіанти.

Перший варіант. Міжфазний період припадає на одну й ту ж декаду. У цьому випадку достатньо середньодекадну температуру помножити на кількість днів у періоді (після переходу температури через біологічний мінімум). Це і буде сума активних температур.

Другий варіант. Міжфазний період охоплює різні декади, до того ж не завжди повні. Тут, виходячи з прийнятого припущення про рівнозначність температури кожного окремого дня декади, підраховують суми температур окремо по кожній декаді, пропорційно кількості днів міжфазного періоду, який припадає на дану декаду. Складаючи суми по окремих декадах, отримують суму активних температур за міжфазний період.

Наприклад: утворення суцвіть у соняшника спостерігали 18.06, цвітіння - 12.07. Тож міжфазний період охоплює 2 дні другої декади червня, усю третю декаду червня (10 днів), усю першу декаду липня 
(10 днів) та 2 дні другої декади липня. Середня температура цих декад складала відповідно 19,6, 19,4, 21,4, 21,4 ⁰С. Сума активних температур за міжфазний період дорівнює (19,6 х 2) + (19,4 х 10) + (21,4 х 10) + (21.4 х 2) = 490,0⁰С. Округляємо до цілих: 490⁰С.

Для визначення сум ефективних температур необхідно спочатку від середньодекадної температури відняти величину біологічного мінімуму, а потім виконувати такі ж операції, що і для розрахунку сум активних температур.

Треба пам¢ятати, що опади за декаду наводяться у вигляді суми, на відміну від температури, яка подається у середніх значеннях. Розра-ховуючи суми опадів за міжфазний період, спочатку визначаємо кількість опадів за один день декади. Вважається, що кожен день випадає однакова їх кількість. Потім підсумовуються щоденні значення за міжфазний період. Якщо початок та кінець міжфазного періоду припадають на різні декади, розрахунки проводять по кожній декаді окремо, а потім усі суми поєднують.

Наприклад: суми опадів за декади, які ми розглядали вище, розподіляються таким чином: 26, 27, 15 та 10 мм. Сума за міжфазний період (з 18.06 по 12.07) розраховується як ( 26 : 10 х 2) + (27) + (15) + (10 : 10 х 2) = 49 мм (у цілих одиницях).

Для оцінки часової мінливості таких елементів як тривалість періодів, суми активних та ефективних температур та суми опадів, розраховуються середні квадратичні відхилення d_х та коефіцієнти варіації С_v цих значень за формулами:

,                                                                                                                                                    (4.7)

,                                                                                                                                                            (4.8)

де - середнє значення елемента; n - довжина ряду.

1.4 Метод розрахунку запасів вологи у посівах соняшнику в залежності від метеорологічних факторів і фази розвитку рослин [3]

Кількісні зв'язки сумарних витрат вологи з метеорологічними умовами мають складний характер і змінюються в залежності від поєднання гідрометеорологічних, біологічних, ґрунтових та інших факторів. Тим часом розрахунок сумарних витрат вологи з полів, зайнятих тією чи друою культурою, має велике практичне значення при оцінці сформованих і очікуваних агрометеорологічних умов зростання і формування врожаю сільськогосподарських культур. В зрошуваному землеробстві такі відомості необхідні для науково обґрунтованого визначення чергових термінів поливу.

При встановленні залежностей вегетаційний період соняшнику був поділений на три підперіоди, які розрізняються як по відношенню до потреби рослин у воді, так і по відношенню до размеру та будови надземної маси і кореневої системи.

· Перший період – від сходів до утворення суцвіть – харастеризується слаборозвиненою надземною масою, енергійним разрозвитком кореневої системи і великим фізичним випаровуванням з поверхні грунту.

· Другий період – від утворення суцвіть до цвітіння – характерізується інтенсивним ростом листя і стебла. Коренева система до кінця цього періоду зазвичай закінчує свій ріст.

· Третій період – від цвітіння до дозрівання. До кінця цього періоду скорочується транспйрірующая поверхня внаслідок
підсихання листя нижнього ярусу.

Для розрахунку зміни запасів продуктивної вологи під соняшником отримані рівняння для среднепозднеспелой групи сортів.

1. Для периоду сходи – утворення суцвіть:

а) шар грунту 0-50 см

W = 19,6 + 0,85 W₀ + 0,37 х – 1,01 t (4.9)

б) шар грунту 0-100 см

W = 30,8 + 0,88 W₀ + 0,56 х – 1,49 t (4.10)

2. Для периоду утворення суцвіть - цвітіння:

а) шар грунту 0-100 см

W = 25,8 + 0,79 W₀ + 0,52х – 1,58 t. (4.11)

3. Для периоду цвітіння - достигання

W = 12,2 +0,71 W₀ +0,70 х – 0,77 t . (4.12)

де W – запаси продуктивної вологи у відповідному шарі грунту на кінець декади (мм), W₀ – запаси продуктивної вологи на початок декади (мм),
х – сума опадів за декаду (мм), t – середня за декаду температура повітря.

Межі застосування

· рівняння (4.9) по W₀ от 22 до 1,20 мм; х – от 0 до 70 мм, t – от 12 до 22°;

· рівняння (4.10) по W₀ – от 60 до 240 мм, х – от 0 до 70 мм, t – от 12 до 22°;

· рівняння (4.11) по W₀ – от 30 до 240 мм, х – от 0 до 70 мм, t – от 17 до 26°;

· урав­нения (4.12) по W₀ – от 0 до 120 мм, х – от 0 до 80 мм, 
t – от 16 до 27°.

Для зручності обчислень вологозапасів побудовані розрахункові графіки (рис. 4.5, 4.6, 4.7). Побудовані вони в такий спосіб. По осі абсцис відкладені запаси продуктивної вологи на початок декади, по осі ординат очікуваний кількість опадів за декаду. Нахилені лінії відповідають запасам вологи на кінець декади, і розраховані вони у всіх графіках для середньої температури повітря за декаду 20 °.

Поправки на температуру

Рисунок 4.5 – Номограма для розрахунку зміни волого запасів під соняшником у шарі грунту 0-100 см в період від сходів до утворення суцвіть.

Поправки на температуру

Рисунок 4.6 – Номограма для розрахунку змін вологозапасів під соняшником у шарі грунту 0-100 см в період від утвореня суцвіть до цвітіння.

Щоб визначити запаси вологи при будь-якій температурі, розраховані поправки на очікувану температуру повітря. Ці поправки мають негативне значення при середній температурі повітря за декаду вище 20 °, при температурі нижче 20 ° вони позитивні.

Поправки на температуру

Рисунок 4.7 – Номограмма для розрахунку зміни волого запасів під соняшником у шарі грунту 0-100 см в період від цвітіння до достигання.

Вихідними матеріалами при розрахунку (прогнозі) запасів продуктівной вологи на кінець декади повинні служити фактичні дані про запаси вологи на початку декади. Лише у випадках, коли відомостей про запаси вологи на початок декади немає, як ісходні можна використовувати обчислені величини.

Приклад розрахунку вологості грунту. За спостереженнями агрометеорологічної станції Затишшя 28 червня 2005 р запаси продуктивної вологи в метровому шарі грунту на посівах соняшника дорівнювали 134 мм. Треба визначити запаси вологи на 8 липня, якщо опадів з 28 червня по 8 липня не було, а середня температура повітря за цей період дорівнювала 25°С.

Соняшник в цей час перебував у фазі утворення суцвіть, тому для розрахунку запасів вологи скористаємося рівнянням (4.11). Підставивши в рівняння (4.11) замість W₀ початкові запаси вологи 134 мм, а замість х - суму опадів за декаду і замість t – середню за декаду температуру повітря, отримаємо:

,

тобто W₀ = 92 мм.

Таким чином, на дату 8 липня запаси продуктивної вологи в метровому шарі грунту знизяться до 92 мм. 4.2.5 Метод розрахунку фотосинтетичної продуктивності
посівів [4]

Продуційний процес рослин (ППР) – це сукупність окремих взаємопов¢язаних процесів, головними з яких є фотосинтез дихання і ріст.

Рослини під впливом сонячної енергії та поглинання CO₂ з повітря і води з грунту в процесі фотосинтезу створюють органічну речовину у вигляді асимілятів - це перший процес.

Другий процес – дихання – забезпечує енергією різні біохімічні процеси синтезу.

Третій процес – ріст. Фотосинтез і ріст розглядаються як паралельні та сумісні процеси.

Найбільш елементарний чинник росту фітомаси – приріст (DМ), який визначається як залишок між сухою фітомасою (М₁ та М₂) за визначений відрізок часу:

DМ = М₂ – М₁ (4.13)

Відзначають абсолютну швидкість росту

DМ/Dt = (М₂ – М₁) / (t₂ – t₁) (4.14)

та відносний приріст

Н_r = (М₂ – М₁) / [(t₂ – t₁)] , (4.15)

де – середня суха маса рослини за період t₂ - t₁.

Також використовується поняття чиста продуктивність фотосин-тезу посівів, яка визначається як

 (4.16)

де – середня сумарна площа листя за період Dt.

Ефективність використання сонячної радіації рослинами характеризується коефіцієнтами корисної дії (ККД):

 (4.17)

де h - ККД; q – калорійність рослин, кДж/г; У – біологічний врожай загальної сухої фітомаси, г/м²; åQ_Ф – сума фотосинтетично активної радіації (ФАР) завегетаційний період, МДж/м².

Одночасно з визначенням ККД посіву по загальній сухій масі рослин можна визначити окремо ККД господарсько цінної частки врожаю за вегетаційний період:

, (4.18)

де М_х – суха фітомаса господарсько цінної частки врожаю.

Таким чином, h_х – це доля ФАР, яка накопичується впродовж вегетаційного періоду у фітомасі врожаю.

h_х = h×К_госп , (4.19)

де К_госп – коефіцієнт господарської ефективності врожаю.

Для визначення калорійності рослин q (питомої теплоти згорання) використовуються різні способи. Х.Г.Тоомінгом встановлено, що питома теплота згорання знаходиться у межах 16,7–20,5 кДж/г.

ККД посівів залежить від термінів сівби та норми висіву, від кількості внесених мінеральних добрив, погодних умов. ККД окремих культур протягом вегетаційного періоду дуже змінюється (наприклад, для кукурудзи – від 0,4% до 5,5%). Крім того, ККД посіву в цілому нижче ніж ККД листя.

За даними О.О.Ничипоровича причинами зменшення ККД посівів є: недостатня площа листової поверхні, особливо на початку вегетації; поступове збільшення витрат на дихання фотосинтезуючих і не фотосинтезуючих органів рослин; старіння листя і зменшення активності його фотосинтезу; наявність всередині посіву листя, яке не адаптувалось до існуючих умов ФАР.

В середньому посіви за значеннями ККД розподіляються на групи:

Ø завжди спостерігаються – 0,5-1,5%

Ø добрі – 1,5-3,0%

Ø рекордні – 3,5-5,0%

Ø теоретично можливі – 6,0-8,0% .

Значення ККД найчастіше використовується при розробці принципів максимального використання ФАР, та програмуванні врожаїв сільсько-господарських культур та моделюванні продуційного процесу рослин.

Приклад: Розрахувати ККД соняшнику в період листоутворення,

якщо: q =17,6 кДж/г; У=0,286 г/см² ; Q = 464,6 МДж/м² .

Використовуючи формулу (4.13), визначаємо ККД:

h = 

1.6 Метод математичного моделювання продуктивності соняшнику в залежності від агрометеорологічних умов [6]

Алгоритм моделі водно-теплового режиму та продуктивності соняшнику описан в лекції №2.

Опис вхідної інформації для виконання розрахунків по моделі. Для виконання розрахунків по моделі потрібна агрометеорологічна або агрокліматична інформація, яка має три групи:

1. Опис області (станції);

2. Середня багаторічна агрокліматична інформація (агрометеорологічна інформація за конкретний рік);

3. Параметри моделі.

Опис області (станції). До складу цієї групи входять:

– географічна широта центра області (станції), подається в градусах з десятими;

W_HB – найменша польова вологоємність у 0-100 см шарі ґрунту.

Середня багаторічна агрометеорологічна інформація. В склад даної групи входить:

Ø W(0) – запаси продуктивної вологи у 0-100 см шарі ґрунту на початок розрахунків;

Ø Фенологічні дані – дати настання фаз розвитку: сходи, достигання;

Ø n – кількість розрахункових декад від сходів до достигання;

Ø nn – кількість днів в кожній розрахунковій декаді;

Ø n₀ – кількість днів від 1 –го січня;

Ø N1 – дата сходів – дата місяця, коли настала фаза;

Ø N2 – місяць сходів: 3 – март, 4 – апрель, 5 – май.

Метеорологічні дані за кожну декаду протягом вегетаційного періоду:

оs – сума опадів за декаду, мм;

dww – середній за декаду дефіцит вологи повітря, мб;

ts – середня за декаду температура повітря,^оС;

ss – середня за декаду сонячна радіація, Wt/m².

Параметри та змінні моделі inf(1…29). До складу даної групи входять таки харакеристики:

inf(1) m_l – начальні значення росту листя, ;

inf(2) m_s - начальні значення росту стебел;

inf(3) m_r - начальні значення росту кореня;

inf(4) m_p - начальні значення росту насіння;

inf(5) ll – начальні значення площі листя;

inf(6) ∑_t – сума ефективних температур за період сходи - дозрівання

inf(7) W_HB – найменша вологоємність у шарі ґрунту 0-100 см

inf(8) ∑t_ф – сума температур онтогенетичної кривої фотосинтезу;

inf(9) - сума температур онтогенетичної кривої дихання;

inf(10) ∑t - сума ефективних температур росту листя;

inf(11) ∑t - сума ефективних температур росту стебел;

inf(12) ∑t - сума ефективних температур росту кореня;

inf(13) ∑t - сума ефективних температур росту корзинки;

inf(14) ∑t - сума ефективних температур початку росту корзинки;

inf(15) - _ф – початок онтогенетичної кривої фотосинтезу;

inf(16) - _R – початок онтогенетичної кривої дихання;

inf(17) - С_о1 – очікувана концентрація СО₂ в атмосфері;

inf(18) - С_о2 – поточна концентрація СО₂ в атмосфері;

inf(19) - дорівнює 2

inf(20) -УПП – питома поверхнева щільність листя;

inf(21) - C_L – частка листя в загальній масі рослини;

inf(22) - C_S – частка стебел в загальній масі рослини;

inf(23) - C_R – частка коріння в загальній масі рослини;

inf(24) - C_p – частка насіння в загальній масі рослини;

inf(25) - - плато світловий кривої фотосинтезу;

inf(26) - - початковий нахил світловий кривої фотосинтезу;

inf(27) – В – температура початку росту та розвитку (біологічний нуль) культури;

inf(28) – t_opt – оптимальна для фотосинтезу температура повітря;

inf(29) - запаси продуктивної вологи в 0-100 см шарі ґрунту на початок розрахунків.

Приклад розрахунків. При виконанні розрахунків за моделлю (програма є інтелектуальною власністю кафедри агрометеорології та агрометеорологічних прогнозів ОДЕКУ) отримані показники продуктивності посівів соняшнику (табл. 4.9, 4.10, 4.11, 4.12) у Дніпропетровській області на сільськогосподарських угіддях Верхньодніпровського району за кліматичними даними 1986-2005 рр.

Таблиця 4.9 – Суха біомаса органів

------------------------------------------------------------------

'dek icyt i ml i ms i mr i mp i m i mg

------------------------------------------------------------------

1i 6 i 0.129 i 0.096i 0.150i 0.000i 0.395i 0.000i

2i 17 i 7.461 i 11.339i 5.507i 0.000i 0.375i 0.000i

3i 27 i 22.403 i 34.249i 16.004i 0.000i 24.307i 0.000i

4i 37 i 51.277 i 78.523i 39.970i 0.000i 72.657i 0.000i

5i 47 i 93.218 i 142.833i 88.288i 0.000i 169.770i 0.000i

6i 57 i128.485 i 196.915i 150.890i 18.677i 324.339i 1.384i

7i 67 i132.190 i 202.601i 162.739i 103.546i 494.967i 7.673i

8i 78 i123.069 i 188.623i 150.869i 180.870i 601.076i 13.402i

9i 88 i115.055 i 176.340i 140.161i 220.895i 643.431i 16.368i

10i 98 i108.308 i 166.000i 131.182i 248.780i 652.451i 18.435i

11i105 i104.327 i 159.898i 125.913i 264.484i 654.271i 19.598i

----------------------------------------------------------------------

Таблиця 4.10 – Площа листя, радіація, приріст,

сума температур, функції впливу

----------------------------------------------------------------------

idek icyt i LL i q i DM(g/m2)i ts2 i fl i ksifl i gamf i

----------------------------------------------------------------------

i 1 i 6 i 0.20i 404.885i -0.020 i 45.600i 0.000i 0.000i 0.91i

i 2 i 17 i 0.38i 421.940i 23.932 i 143.500i 2.553i 0.875i 0.91i

i 3 i 27 i 0.76i 594.241i 48.349 i 246.500i 6.336i 0.929i 0.86i

i 4 i 37 i 1.48i 630.114i 97.113 i 365.500i13.455i 0.975i 0.86i

і 5 i 47 i 2.53i 621.906i154.569 i 479.500i21.463i 0.963i 0.86i

і 6 i 57 i 3.41i 647.010i170.628 i 609.500i22.917i 0.994i 0.77i

і 7 i 67 i 3.50i 639.595i106.109 i 743.500i14.001i 0.998i 0.64i

і 8 i 78 i 2.74i 636.912i 42.355 i 896.400i 5.118i 1.000i 0.53i

i 9 i 88 i 2.07i 552.943i 9.021 i1034.400i 1.239i 1.000i 0.49i

i 10 i 98 i 1.51i 500.852i 1.819 i1158.401i 0.260i 0.985i 0.46i

i11 i 105 i 1.18i 454.808i 0.353 i1236.100i 0.071i 0.955i 0.53i

----------------------------------------------------------------------

Таблиця 4.11 – Ростові функції, онтогенетична

крива фотосинтезу та дихання, запаси вологи в гтунті

----------------------------------------------------------------------

iDEK i CYT i bl i bs i br i bp i afl i arl i W0 i

----------------------------------------------------------------------

i 1 i 6 i 0.300 i 0.460 i 0.239 i 0.000 i 0.657 i 0.562 i 117.9

i 2 i 17 i 0.306 i 0.470 i 0.224 i 0.000 i 0.801 i 0.730 i 117.8

i 3 i 27 i 0.309 i 0.474 i 0.217 i 0.000 i 0.950 i 0.920 i 108.3

i 4 i 37 i 0.297 i 0.456 i 0.247 i 0.000 i 0.989 i 0.990 i 108.2

i 5 i 47 i 0.271 i 0.416 i 0.313 i 0.000 i 0.879 i 0.878 i 108.6

i 6 i 57 i 0.240 i 0.368 i 0.367 i 0.024 i 0.648 i 0.620 i 96.4

i 7 i 67 i 0.112 i 0.171 i 0.210 i 0.507 i 0.381 i 0.332 i 83.3

i 8 i 78 i 0.010 i 0.016 i 0.024 i 0.950 i 0.169 i 0.126 i 73.5

i 9 i 88 i 0.002 i 0.004 i 0.006 i 0.987 i 0.057 i 0.034 i 70.9

i 10 i 98 i 0.002 i 0.002 i 0.005 i 0.991 i 0.017 i 0.008 i 68.6

i 11 i 105 i 0.001 i 0.002 i 0.005 i 0.991 i 0.006 i 0.002 i 74.1

----------------------------------------------------------------------

Таблиця 4.12 – Сума опадів, випаровування і

випаровуваність, освітленість

----------------------------------------------------------------------

iDEK i CYT i Os i Eakt i E0r i bp i afl i Wt/m2 i kal/sm2 min i

----------------------------------------------------------------------

i 1 i 6 i 14.0 i 13.1 i 28.0 i 0.000 i 0.657 i 312.6 i 0.448 i

i 2 i 17 i 25.0 i 25.1 i 53.7 i 0.000 i 0.801 i 318.8 i 0.457 i

i 3 i 27 i 22.0 i 31.5 i 70.1 i 0.000 i 0.950 i 440.3 i 0.632 i

i 4 i 37 i 32.0 i 32.1 i 74.5 i 0.000 i 0.989 i 462.0 i 0.663 i

i 5 i 47 i 32.0 i 31.7 i 73.5 i 0.000 i 0.879 i 455.2 i 0.653 i

i 6 i 57 i 19.0 i 31.2 i 76.6 i 0.024 i 0.648 i 477.0 i 0.684 i

i 7 i 67 i 14.0 i 27.0 i 75.7 i 0.507 i 0.381 i 478.8 i 0.687 i

i 8 i 78 i 16.0 i 25.8 i 82.9 i 0.950 i 0.169 i 488.6 i 0.701 i

i 9 i 88 i 16.0 i 18.6 i 65.0 i 0.987 i 0.057 i 437.7 i 0.628 i

i 10 i 98 i 14.0 i 16.2 i 58.6 i 0.991 i 0.017 i 410.8 i 0.589 i

i 11 i 105 i 16.0 i 10.5 i 37.0 i 0.991 i 0.006 i 385.8 i 0.553 i

----------------------------------------------------------------------