Theoretische Produktionsökologie - Theoretical production ecology

Die theoretische Produktionsökologie versucht, das Wachstum von Pflanzen quantitativ zu untersuchen . Die Pflanze wird als eine Art biologische Fabrik behandelt, die Licht , Kohlendioxid , Wasser und Nährstoffe zu erntbaren Teilen verarbeitet. Die wichtigsten berücksichtigten Parameter sind Temperatur, Sonnenlicht, Biomasse stehender Pflanzen, Verteilung der Pflanzenproduktion, Nährstoff- und Wasserversorgung.

Modellieren

Modellierung ist in der theoretischen Produktionsökologie von wesentlicher Bedeutung. Die Modellierungseinheit ist normalerweise die Ernte , die Zusammenstellung der Pflanzen pro Standardoberflächeneinheit. Die Analyseergebnisse für eine einzelne Pflanze werden auf die Standardoberfläche verallgemeinert, z. B. ist der Blattflächenindex die projizierte Oberfläche aller Ernteblätter über einer Flächeneinheit.

Prozesse

Das übliche System zur Beschreibung der Pflanzenproduktion unterteilt den Pflanzenproduktionsprozess in mindestens fünf separate Prozesse, die von mehreren externen Parametern beeinflusst werden.

Zwei Zyklen biochemischer Reaktionen bilden die Grundlage der Pflanzenproduktion, die Lichtreaktion und die Dunkelreaktion.

  • In der Lichtreaktion , Sonnenlicht Photonen werden absorbiert von Chloroplasten , die aufgespalten Wasser in ein Elektron, Protonen- und Sauerstoffradikale , die mit einem anderen Rest freigesetzt und als molekularer rekombiniert Sauerstoff . Die Rekombination des Elektrons mit dem Proton ergibt die Energieträger NADH und ATP . Die Geschwindigkeit dieser Reaktion hängt häufig von der Sonnenlichtintensität, dem Blattflächenindex , dem Blattwinkel und der Menge an Chloroplasten pro Blattoberflächeneinheit ab. Die maximale theoretische Bruttoproduktionsrate unter optimalen Wachstumsbedingungen beträgt ungefähr 250 kg pro Hektar und Tag.
  • Die Dunkelreaktion oder der Calvin-Zyklus bindet atmosphärisches Kohlendioxid und wandelt es mit NADH und ATP in Saccharose um . Die verfügbaren NADH- und ATP - Werte sowie die Temperatur- und Kohlendioxidwerte bestimmen die Geschwindigkeit dieser Reaktion. Zusammen werden diese beiden Reaktionen als Photosynthese bezeichnet . Die Photosyntheserate wird durch die Wechselwirkung einer Reihe von Faktoren bestimmt, darunter Temperatur, Lichtintensität und Kohlendioxid.
  • Die produzierten Kohlenhydrate werden zu anderen Pflanzenteilen wie Speicherorganen transportiert und in Nebenprodukte wie Aminosäuren , Lipide , Cellulose und andere Chemikalien umgewandelt, die von der Pflanze benötigt oder zur Atmung verwendet werden. Lipide, Zucker , Cellulose und Stärke können ohne zusätzliche Elemente hergestellt werden. Die Umwandlung von Kohlenhydraten in Aminosäuren und Nukleinsäuren erfordert Stickstoff, Phosphor und Schwefel . Die Chlorophyllproduktion erfordert Magnesium , während mehrere Enzyme und Coenzyme Spurenelemente erfordern . Dies bedeutet, dass die Nährstoffversorgung diesen Teil der Produktionskette beeinflusst. Die Wasserversorgung ist für den Transport unerlässlich und schränkt dies ebenfalls ein.
  • Die Produktionszentren, dh die Blätter, sind Quellen , die Speicherorgane, Wachstumstipps oder andere Ziele für die photosynthetische Produktion sind Senken . Das Fehlen von Spülen kann auch ein begrenzender Faktor für die Produktion sein, wie dies beispielsweise in Apfelplantagen der Fall ist, in denen Insekten oder Nachtfrost die Blüten zerstört haben und die produzierten Assimilate nicht in Äpfel umgewandelt werden können. Zwei- und mehrjährige Pflanzen verwenden die in ihren Speicherorganen gelagerte Stärke und Fette, um im nächsten Jahr neue Blätter und Triebe zu produzieren.
  • Die Menge an Pflanzenbiomasse und die relative Verteilung der Biomasse über Blätter, Stängel, Wurzeln und Speicherorgane bestimmen die Atemfrequenz . Die Menge an Biomasse in Blättern bestimmt den Blattflächenindex , der für die Berechnung der Brutto- Photosyntheseproduktion wichtig ist .
  • Erweiterungen dieses Grundmodells können Insekten- und Schädlingsschäden, Zwischenkulturen , Klimaveränderungen usw. umfassen.

Parameter

Wichtige Parameter in theoretischen Produktionsmodellen sind daher:

Klima
  • Temperatur - Die Temperatur bestimmt die Atemgeschwindigkeit und die Dunkelreaktion . Eine hohe Temperatur in Kombination mit einer geringen Intensität des Sonnenlichts bedeutet einen hohen Verlust durch Atmung. Eine niedrige Temperatur in Kombination mit einer hohen Intensität des Sonnenlichts bedeutet, dass sich NADH und ATP häufen, aber nicht in Glukose umgewandelt werden können, da die Dunkelreaktion sie nicht schnell genug verarbeiten kann.
  • Licht - Licht, auch photosynthetische aktive Strahlung (PAR) genannt, ist die Energiequelle für das Wachstum grüner Pflanzen. PAR treibt die Lichtreaktion an , die ATP und NADPH für die Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser in Kohlenhydrate und molekularen Sauerstoff liefert . Wenn Temperatur, Feuchtigkeit, Kohlendioxid und Nährstoffgehalt optimal sind, bestimmt die Lichtintensität das maximale Produktionsniveau.
  • Kohlendioxidgehalt - Atmosphärisches Kohlendioxid ist die einzige Kohlenstoffquelle für Pflanzen. Etwa die Hälfte aller Proteine ​​in grünen Blättern dient ausschließlich der Abscheidung von Kohlendioxid.
Obwohl die CO 2 -Gehalte unter natürlichen Umständen konstant sind [im Gegenteil, die CO2-Konzentration in der Atmosphäre steigt seit 200 Jahren stetig an], ist die CO 2 -Düngung in Gewächshäusern üblich und erhöht bekanntermaßen die Erträge um durchschnittlich 24% [ein bestimmter Wert z. B. 24% sind ohne Angabe der verglichenen "niedrigen" und "hohen" CO2-Werte bedeutungslos.
C 4 -Pflanzen wie Mais und Sorghum können bei hohen Sonneneinstrahlungsintensitäten einen höheren Ertrag erzielen, da sie das Austreten von eingefangenem Kohlendioxid aufgrund der räumlichen Trennung von Kohlendioxidabscheidung und Kohlendioxidverbrauch bei der Dunkelreaktion verhindern. Dies bedeutet, dass ihre Photorespiration nahezu Null ist. Dieser Vorteil wird manchmal durch eine höhere Wartungsatmungsrate ausgeglichen . In den meisten Modellen für natürliche Kulturen wird angenommen, dass der Kohlendioxidgehalt konstant ist.
Ernte
  • Stehende Pflanzenbiomasse - Unbegrenztes Wachstum ist ein exponentieller Prozess , dh die Menge an Biomasse bestimmt die Produktion. Da eine erhöhte Biomasse eine höhere Atmung pro Oberflächeneinheit und eine begrenzte Zunahme des abgefangenen Lichts impliziert, ist das Pflanzenwachstum eine Sigmoidfunktion der Pflanzenbiomasse.
  • Verteilung der Pflanzenproduktion - Normalerweise besteht nur ein Bruchteil der gesamten Pflanzenbiomasse aus nützlichen Produkten, z. B. den Samen in Hülsenfrüchten und Getreide , den Knollen in Kartoffeln und Maniok , den Blättern in Sisal und Spinat usw. Der Ertrag an verwendbaren Pflanzenteilen steigt, wenn die Pflanze zuordnet mehr Nährstoffe zu diesen Teilen, wie zB die Hochertragssorten von Weizen und Reis zuteilen 40% ihrer Biomasse in Weizen und Reiskörner, während die traditionellen Sorten nur 20% erreichen, wodurch die effektive Ausbeute verdoppelt.
Verschiedene Pflanzenorgane haben eine unterschiedliche Atemfrequenz, z. B. hat ein junges Blatt eine viel höhere Atemfrequenz als Wurzeln, Speichergewebe oder Stängel. Es wird zwischen "Wachstumsatmung" und "Erhaltungsatmung" unterschieden.
Waschbecken, wie die Entwicklung von Früchten, müssen vorhanden sein. Sie werden normalerweise durch einen diskreten Schalter dargestellt, der eingeschaltet wird, nachdem eine bestimmte Bedingung, z. B. die kritische Tageslänge , erfüllt wurde.
Pflege
  • Wasserversorgung - Da Pflanzen den passiven Transport nutzen, um Wasser und Nährstoffe von ihren Wurzeln auf die Blätter zu übertragen, ist die Wasserversorgung für das Wachstum von entscheidender Bedeutung, auch wenn die Wassereffizienz für verschiedene Kulturen bekannt ist, z. B. 5000 für Zuckerrohr , dh jedes Kilogramm Der produzierte Zucker benötigt bis zu 5000 Liter Wasser.
  • Nährstoffversorgung - Die Nährstoffversorgung hat einen zweifachen Einfluss auf das Pflanzenwachstum. Eine Einschränkung der Nährstoffversorgung wird die Biomasseproduktion gemäß dem Liebigschen Gesetz des Minimums begrenzen . Bei einigen Kulturen beeinflussen mehrere Nährstoffe die Verteilung der Pflanzenprodukte in den Pflanzen. Es ist bekannt, dass ein Stickstoffgeschenk das Blattwachstum stimuliert und daher den Ertrag von Pflanzen beeinträchtigen kann, die Photosyntheseprodukte in Speicherorganen wie reifendem Getreide oder fruchttragenden Obstbäumen ansammeln.

Phasen des Pflanzenwachstums

Die theoretische Produktionsökologie geht davon aus, dass das Wachstum gängiger landwirtschaftlicher Nutzpflanzen wie Getreide und Knollen normalerweise aus vier (oder fünf) Phasen besteht:

  • Keimung - Agronomische Untersuchungen haben eine Temperaturabhängigkeit der Keimzeit (GT, in Tagen) gezeigt. Jede Kultur hat eine eindeutige kritische Temperatur (CT, Dimensionstemperatur) und eine Temperatursumme (Dimension Temperatur mal Zeit), die wie folgt zusammenhängen.
Wenn eine Kultur eine Temperatursumme von z. B. 150 ° C · d und eine kritische Temperatur von 10 ° C hat, keimt sie in 15 Tagen, wenn die Temperatur 20 ° C beträgt, aber in 10 Tagen, wenn die Temperatur 25 ° C beträgt. Wenn die Temperatursumme den Schwellenwert überschreitet, ist der Keimungsprozess abgeschlossen.
  • Erstausbreitung - In dieser Phase bedeckt die Ernte das Feld noch nicht. Das Wachstum der Kultur hängt linear vom Blattflächenindex ab, der wiederum linear von der Biomasse der Kultur abhängt. Infolgedessen ist das Pflanzenwachstum in dieser Phase exponentiell.
  • Gesamtabdeckung des Feldes - In dieser Phase wird angenommen, dass das Wachstum linear vom einfallenden Licht und der Atemfrequenz abhängt, da fast 100% des gesamten einfallenden Lichts abgefangen werden. Typischerweise ist der Blattflächenindex ist (LAI) obige zwei zu dritt in dieser Phase. Diese Phase des vegetativen Wachstums endet, wenn die Pflanze ein bestimmtes Umwelt- oder internes Signal erhält und ein generatives Wachstum (wie bei Getreide und Hülsenfrüchten) oder die Lagerungsphase (wie bei Knollen) beginnt.
  • Zuordnung zu Speicherorganen - In dieser Phase entfallen bis zu 100% der gesamten Produktion auf die Speicherorgane. Im Allgemeinen sind die Blätter noch intakt und die Brutto-Primärproduktion bleibt daher gleich. Eine Verlängerung dieser Phase, z. B. durch sorgfältige Düngung, Wasser- und Schädlingsbekämpfung führt direkt zu einer höheren Ernte.
  • Reifung - In dieser Phase sterben Blätter und andere Produktionsstrukturen langsam ab. Ihre Kohlenhydrate und Proteine ​​werden zu den Speicherorganen transportiert. Infolgedessen nimmt der LAI und damit die Primärproduktion ab.

Bestehende Anlagenproduktionsmodelle

Pflanzenproduktionsmodelle existieren in unterschiedlichen Umfangsbereichen (Zelle, physiologische, einzelne Pflanze, Kultur, geografische Region, global) und allgemein: Das Modell kann kulturspezifisch oder allgemeiner anwendbar sein. In diesem Abschnitt liegt der Schwerpunkt auf Modellen auf Pflanzenebene, da die Kultur aus agronomischer Sicht das Hauptinteresse darstellt.

Ab 2005 werden mehrere Pflanzenproduktionsmodelle verwendet. Das Pflanzenwachstumsmodell SUCROS wurde in mehr als 20 Jahren entwickelt und basiert auf früheren Modellen. Die letzte bekannte Revision stammt aus dem Jahr 1997. Das IRRI und die Universität Wageningen haben kürzlich das Reiswachstumsmodell ORYZA2000 entwickelt . Dieses Modell wird zur Modellierung des Reiswachstums verwendet. Beide Pflanzenwachstumsmodelle sind Open Source . Es gibt auch andere eher kulturspezifische Pflanzenwachstumsmodelle.

SUCROS

SUCROS ist in der Fortran- Computerprogrammiersprache programmiert. Das Modell kann und wurde auf eine Vielzahl von Wetterbedingungen und Kulturen angewendet. Da der Quellcode von Sucros Open Source ist , ist das Modell offen für Änderungen von Benutzern mit FORTRAN-Programmiererfahrung. Die offiziell gepflegte Version von SUCROS gibt es in zwei Varianten: SUCROS I, das unbegrenztes Pflanzenwachstum nicht hemmt (was bedeutet, dass nur Sonneneinstrahlung und Temperatur das Wachstum bestimmen) und SUCROS II, bei dem das Pflanzenwachstum nur durch Wassermangel begrenzt ist.

ORYZA2000

Das Reiswachstumsmodell ORYZA2000 wurde am IRRI in Zusammenarbeit mit der Universität Wageningen entwickelt . Auch dieses Modell ist in FORTRAN programmiert. Der Anwendungsbereich dieses Modells beschränkt sich auf Reis , der die Hauptnahrungsmittelernte für Asien darstellt.

Andere Modelle

Das US-Landwirtschaftsministerium hat eine Reihe anwendbarer Modelle für das Pflanzenwachstum für verschiedene wichtige US-Pflanzen wie Baumwolle , Sojabohnen , Weizen und Reis gesponsert . Andere weit verbreitete Modelle sind die Vorläufer von SUCROS ( SWATR ), CERES , mehreren Inkarnationen von PLANTGRO , SUBSTOR , dem von der FAO gesponserten CROPWAT , AGWATER , dem erosionsspezifischen Modell EPIC und dem Anbausystem CropSyst .

Ein weniger mechanistisches Wachstums- und Wettbewerbsmodell, das als Leitfähigkeitsmodell bezeichnet wird, wurde hauptsächlich bei Warwick-HRI, Wellesbourne, Großbritannien, entwickelt. Dieses Modell simuliert das Abfangen und Wachstum von Licht einzelner Pflanzen basierend auf der lateralen Ausdehnung ihrer Kronenzonenbereiche. Der Wettbewerb zwischen Pflanzen wird durch eine Reihe von Algorithmen simuliert, die sich auf den Wettbewerb um den Weltraum und den daraus resultierenden Lichtabschnitt beziehen, wenn sich der Baldachin schließt. Einige Versionen des Modells gehen davon aus, dass einige Arten von anderen Arten übertroffen werden. Obwohl das Modell Wasser oder Mineralstoffe nicht berücksichtigen kann, kann es das Wachstum einzelner Pflanzen, die Variabilität des Wachstums innerhalb der Pflanzengemeinschaften und den Wettbewerb zwischen den Arten simulieren. Dieses Modell wurde in Matlab geschrieben. Siehe Benjamin and Park (2007) Weed Research 47, 284–298 für eine aktuelle Übersicht.

Verweise

  • Theoretische Produktionsökologie , College Notes, Wageningen Agricultural University, 1990

Weiterführende Literatur