Моделирование влияния агрометеорологических условий на интенсивность фотосинтеза технических сортов винограда

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование влияния агрометеорологических условий на интенсивность фотосинтеза технических сортов винограда

ЖигайлоТ.С.

В работе представлен анализ агрометеорологических условий весенне-летнего периода вегетации винограда в 2012 году. Описана динамическая модель формирования продуктивности винограда. Приводятся расчеты интенсивности фотосинтеза технических сортов винограда.

Ключевые слова: виноград, модель, интенсивность фотосинтеза.

Введение. Моделирование - это метод, который интенсивно используется в современных научных и технических исследованиях. Математические модели используют для количественного описания функционирования системы. В настоящие время в виноградарстве существуют физико-статистические модели (описанные в работах А.Г. Амирджанова, С.Г. Бондаренко и др.) [1,2], которые связаны с понятиями «продуктивность побега» и «продуктивность сорта». В тоже время для практики наибольший интерес представляют длиннопериодные динамические модели, описывающие влияние факторов внешней среды на отдельные звенья продукционного процесса в их сложной взаимосвязи и на формирование урожая в целом.

Материалы и методы исследований. В нашей работе используется длиннопериодная динамическая модель, для определения параметров и переменных которой заложен полевой эксперимент. Исследования проводятся на сортах винограда Рубин Таировский и Загрей, размещенных на научно-исследовательском участке ННЦ «ИВиВ им. Таирова». Для каждого сорта согласно методике Б.А. Доспехова [3] было выбрано 4 повторности по 10 кустов. В первый год наблюдений проводились биометрические и фенологические наблюдения, последние проводились по общепринятой методике М.А. Лазаревского [4] и заключались в учёте следующих фаз вегетации виноградного растения: начало сокодвижения, начало роста побегов, начало цветения, начало созревания, техническая спелость.

Биометрические измерения включали определение площади листовой поверхности и урожайности куста. Площадь листовой поверхности измерялась в динамике, ампелометрическим способом, при этом определялась средняя площадь листа, количество листьев на кусте и общая площадь листовой поверхности куста. Для оценки эффективности работы листьев определялся фотосинтетический потенциал куста. Параллельно с биометрическими наблюдениями на метеорологическом посту «Сухой лиман», который расположен на территории ННЦ ИВиВ им В.Е. Таирова проводились метеорологические и актинометрические наблюдения, которые включали следующие элементы: среднесуточная и максимальная температура воздуха, сумма осадков, число часов солнечного сияния.

Результаты и обсуждения. Температурный режим конкретного года оказывает значительное влияние на развитие виноградного растения. В 2012 году можно констатировать факт высокого температурного фона в сравнении со средними многолетними условиями. Наибольшие отклонения были зафиксированы в первой декаде мая, когда средняя температура воздуха превышала среднюю многолетнюю величину на 10 ⁰С.

Количество осадков за вегетационный период 2012 года было не на много ниже средних многолетних значений. Засушливым выдался только июнь (осадков выпало 51% от нормы), в мае и августе количество выпавших осадков даже превысило норму. Тем не менее, осадки выпадали чрезвычайно неравномерно, что достаточно четко отражено в ГТК, согласно которому атмосферная засуха в текущем году наблюдалась в девяти из тринадцати декад вегетационного периода. В 2012 году в первые две декады запасы были отличными 82…70% НВ, в третьей декаде удовлетворительными (56% НВ), а в четвертой - хорошими (70% НВ). В это время распускаются почки, начинается цветение. В последующие декады отмечается интенсивное снижение запасов влаги в почве. Критическим увлажнение остается до конца вегетации. В июне с 53% НВ до 39 % НВ. В июле, когда наблюдалось созревание ягод, запасы влаги снизились до 38…23% НВ, а в августе они опустились до 10..7% НВ.

Даты наступления фаз вегетации являются одним из первых внешних признаков реакции виноградного растения на условия внешней среды. В табл. 1 представлены даты наступления основных фаз развития сортов Рубин Таировский и сорта Загрей в 2012 году. Сравнительный анализ наступления основных фенологических фаз по средним многолетним данным и за 2012 (табл. 2) показал, что фаза «распускание почек» в 2012 году у сорта «Загрей» запаздала на четыре дня, у «Рубина Таировского» - на два дня. Наступление фазы «начало цветения» у этих сортов отмечалось на 7 и на 8 дней раньше, чем по среднемноголетним данным. Таким образом, продолжительность межфазного периода «распускание почек - начало цветения» для сорта Рубин Таировский составила 28 дней в 2012 году и 38 дней по средним многолетним данным, а для сорта Загрей - 25 и 36 дней.

Таблица 1 - Даты наступления основных фенологических фаз

Фаза «начало созревания» у обоих сортов наступила на 6 дней раньше средних многолетних дат, а фаза «техническая спелость» - у сорта Рубин Таировский и Загрей соответственно на 10 и 12 дней раньше.Средняя площадь листьев куста у Загрея и Рубина Таировского на конец мая значительно различалась (рис. 1). В течение июня-июля средняя площадь увеличивалась и достигла максимальных значений у: сорта Загрей 10 м² (06 июля); у сорта Рубин Таировский - 7 м² (26 июня). В дальнейшем средняя площадь листьев уменьшается и к 12 августа составляет 7 и 4,5 м² соответственно.

фотосинтез виноград вегетация агрометеорологический

Рисунок 1 - Динамика площади листовой поверхности технических сортов винограда. Одесса. 2012 год

Продуктивность насаждений винограда зависит в конечном итоге от количества поглощенной растениями энергии ФАР и использование ее в процессе фотосинтеза на образование органической продукции. Основным органом, воспринимающим лучистую энергию и взаимодействующим с ней, является лист, от архитектуры которого зависит уровень поглощенной растениями энергии ФАР [6].

Определение суммарной радиации за 2012 год и по средним многолетним данным осуществлялось по методу С.И Сивкова, уточненному Украинцевым [5]:

(1)

где Q - величина суммарной радиации за декаду (кал•см^-2•дек^-1), SS - продолжительность солнечного сияния за декаду (ч), h₀ - полуденная высота солнца (град.)

Поток ФАР на единицу листовой поверхности за минуту на верхней границе насаждения рассчитывался по формуле:

(2)

где продолжительность светлого времени суток.

Величина фотосинтетически активной радиации внутри насаждений снижается в зависимости от ряда показателей: высоты растений, угловой ориентации листа, его толщины и формы и др. Расчеты интенсивности ФАР в середине виноградного насаждения проводились по формуле А.И Будаговского, согласно которой средняя интенсивность ФАР в насаждении определяется относительной площадью листьев:

(3)

где - интенсивность Фар в середине насаждения (мДж/м²), - относительная площадь листьев (м²/м²), с - эмпирический коэффициент, который равен 0,65 (безразмерный).

Динамика интенсивности ФАР на верхней границе насаждении и ФАР внутри кроны Рубина Таировского и Загрея представлена на рис. 2.

Рисунок 2 - Динамика интенсивности ФАР на верхней границе и внутри кроны винограда.

Интенсивность ФАР на верхней границе изменяется в течении вегетации от 0,25 до 0,35 кал•см^-2•мин^-1; внутри кроны интенсивность ФАР снижается, в начале вегетации она оставляет 0,25 у Загрея и 0,27 кал•см^-2•мин^-1 у Рубина Таировского, в середине вегетационного периода 0,08 и 0,10 кал•см^-2•мин^-1, соответственно.

Урожайность растений в первую очередь зависит от их суммарной фотосинтетической продуктивности, качество которой определяется не только интенсивностью фотосинтеза, но и размерами ассимилирующей поверхности и временем ее работы. Фотосинтез является основным процессом образования органических веществ. Для расчета интенсивности фотосинтеза нами использовалась динамическая модель формирования продуктивности, разработанная А.Н. Полевым [5]. В данной модели за основу взято уравнение Monsi M. и Saeki T. [7]:

(4)

где интенсивность фотосинтеза при оптимальных тепло- и влагообеспеченности и реальных условиях освещенности, мгСО₂•дм^-2•ч^-1; - интенсивность фотосинтеза при световом насыщении и нормальной концентрации СО₂, мгСО₂•дм^-2•ч^-1; - начальный наклон световой кривой фотосинтеза, мгСО₂•дм^-2•ч^-1 / (кал•см²•мин); - интенсивность ФАР, кал•см²•мин.

Уравнение Monsi M. и Saeki описывает процесс фотосинтеза при оптимальных условиях тепло- и влагообеспеченности. Для определения интенсивности фотосинтеза в полевых условиях необходимо учесть изменения фотосинтетической активности винограда в онтогенезе и влияние температуры и увлажнения. Для реальных условий среды данное уравнение приобретает вид:

(5)

где интенсивность фотосинтеза в реальных условиях, мг СО₂•дм^-2•ч^-1; - онтогенетическая кривая фотосинтеза, безразмерная. - функция воздействия температуры воздуха, безразмерная; - функция влияния влажности почвы, безразмерная.

Функция влияния температуры воздуха на интенсивность фотосинтеза так называемая "температурная кривая фотосинтеза" определяется как

; (6)

;

,

где _Ф - температурная кривая фотосинтеза; t_п - температура воздуха, С; - соответственно начальная, нижняя и верхняя границы оптимальной температуры и максимальная температура процесса фотосинтеза.

Функция влияния влагообеспеченности на интенсивность фотосинтеза имеет следующий вид:

=2,90exp(- 0,91W/W_нв) - 3,64exp(-2,73W/W_нв)

где Т_д -среднесуточная температура воздуха за декаду, С; W - запасы продуктивной влаги в 0-100 см слое почвы, мм; W_нв - наименьшая влагоемкость в 0-100 см слое почвы, мм.

Онтогенетическая кривая фотосинтеза это одновершинная кривая, которая описывается выражением:

, (7)

где параметр a находится по формуле:

, (8)

где сумма эффективных температур нарастающим итогом; сумма эффективных температур, при которой наблюдается максимальная интенсивность фотосинтеза листьев; начальная интенсивность фотосинтеза.

Значения выше указанных функций были рассчитаны нами для каждого сорта за 2012 год и по средним многолетним данным. Все функции изменяются от 0 до 1 и имеют экспоненциальный характер.

По результатам проведенных наблюдений и расчетов были получены кривые интенсивности фотосинтеза на единицу площади листовой поверхности в реальных условиях среды (рис. 3). Установлено, что Максимум 10,5 мгСО₂•дм^-2•ч^-1 приходится на конец мая у сорта Загрей и 11,5 мгСО₂•дм^-2•ч^-1 на начало июня у сорта Рубин Таировский. В последующем происходило снижение интенсивности фотосинтеза.

Рис. 3 - Динамика интенсивности фотосинтеза винограда.

Выводы. Интенсивность ФАР в течении вегетационного периода на верхней границе кроны была значительно выше, чем внутри кроны. Лимитирующим фактором, ограничивающим интенсивность фотосинтеза в 2012 году, было увлажнение, именно снижением запасов продуктивной влаги объясняется резкое уменьшение интенсивности фотосинтеза.

Литература

1. Амирджанов А.Г. Солнечная радиация и продуктивность виноградника. / А.Г. Амирджанов - Л.: Гидрометеоиздат, 1980 - 210 с.

2. Бондаренко С.Г., Кибенко Т.Я., Буянович Н.А. Программирование урожаев винограда. / Бондаренко С.Г. - Кишинев: «Штиница», 1977. - 100 с.

3. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований) - М.: Колос, 1965. - 423 с.

4. Лазаревский М.А. Изучение сортов винограда. Изд. Ростовского университета, 1963. - 98 c.

5. Полевой А.Н. Ляшенко Г.В. Структура моделі оцінки агрокліматичних умов формування продуктивності сільськогосподарських культур // Культура народов причерноморья. - 2006. - №86. - с. 140-144.

6. Полевой А.Н. Прикладное моделирование и прогнозирование продуктивности посевов. / Полевой А.Н. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 318с.

7. Шульгин И.А. Растение и солнце. - Л.: Гидрометеоиздат, 1973. - 251с.

8. Monsi M. Saeki T. Uber den Lichtfactor in den Pflanzengesellschaften und seine Bedeutung fur die Stoffproduction. - Jap. J. Bot.1953, N14, S. 22-52

Размещено на Allbest.ru