Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Агрометеорологические условия формирования продуктивности картофеля

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Агрометеорологические условия формирования продуктивности картофеля"

одесскиД ГИДРСМЕТЕОРОЛОГЛЧЕСЛ/Л ШСГИГУТ

На правах рукописи

вам Ван Кхиен

УДК 633.491:551.5

АГРОМЕГЕОРОЮГИЧЕСКЛЕ УСЛОВ/Я ФОШЛРОБАНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ

КАРТОФЕЛЯ

11.30.09 - Метеорология, климатология, агрометеорология

.АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Одесса - 1390

Работа выполнена б Одесском гидрометеорологическом институте

Научные -руководители: доктор географических наук, профессор

А.К.Полевой

кандидат геогряфлчёских наук, доцект Л.Й.Д/териевБ

Официальные оппоненты: доктор геогрифм.ческих наук

Б.М.Пасоь, .

кандидат географических наук М.Г.ЛуОнин

Ведущее предприятие - Всесоюзный ордена Ленина и ордена

Дружбы народов научно-исследовательский /.нет"тут растениеводства имени Н.И.Вавилова.

Залита диссертации состоится " " 1991 г.

в часов на заседании специализированного совета

К 068.04.^ при Одесском гнорометеорологическом институте.

Дцрес совета: 270016, г. Одес^а-16, ул. Львовская, 15.

С диссертацией мозыо ознакомиться в библиотеке Одосского , гидрометеорологического института

Автореферат разослан "¿К." , 1990 г. ;

Учений секретарь специализированного , ■ ,■

совета канд. геогр. наук, доцент - ;Н.СДобода.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРНО! ЖА РАБОТЫ '

М£^§5ьность_темы_иссл§50вакия. Картофель принадлежит к числу ценных сельскохозяйственных культур, благодаря чему проблема повышения ее урожайности стоит в ряду вавнейшх народнохозяйственных задач.

В Советском Союзе картофель возделывают от Заполярья до юя-вдх границ Средней Азии и Закавказья на площади 6,8 млн. га (1981 г.). Наибольшие площади под картофелем в СССР сосредоточены в РСФСР, на Украине, в. Белоруссии и Прибалтийских республиках. На территории Северного Причерноморья, включающей в себя Одесскую, Херсонскую, Николаевску» и Кировоградскую области, картофель является доминирующей культурой, что обусловлено почвенно-климатическими условиями данного региона.

В Северном Вьетнаме наряду с рисом, кукурузой картофель занимает одно из первых мест в зимне-весенних посадках. Ежегодно . . картофель возделывается на площади примерно 100 тыс.га.

Картофель - одна из наиболее изученных в агрометеорологическом отношении сельскохозяйственных культур. Об этом свидетельствует огромное количество работ, относящихся к исследовании влияния агрометеорологических условий на ее произростаниеу изучения особенностей формирования урожая, поиску рациональной агротехники, разработке методов оценки состояния и прогнозирования урожайности. Тем-не менее в настоящее время недостаточно разработаны метода прогнозирования среднерайонной урожайности этой культуры, практически не моделировалось влияние агрометеорологических условий на процессы формирования урожая с учетом интенсивности фот.о*-синтеза, влияния вредителей. Особенно во Вьетнаме'вышеизложенные проблемы весьма незначительно'изучены. В связи с этим данная работа представляется.весьма.актуальной и своевременной.

Цель_работы, Основной целью данной работы являлось решение .следующих задач:

- определить экспериментально основные закономерности аш-. . ния факторов внешней среды на процессы формирования вегетативной

и репродуктивной сфер картофеля и динамики образования крахмала в растениях в связи с агрометеорологическими условиями;

- разработать динамическую модель формирования продуктивности и качества урожая картофеля;

- исследовать рдияние агрометеорологических факторов на формирование продуктивности картофеля;

- разработатьметода прогноза урожайности клубней картофеля на территории Причерноморья и Северного Вьетнама.

Метщика_иссяе50ваний_и_иотользов В основу

исследований был положен комплексный биолого-агромегеорологиче-. ский эксперимент, проводимый автороы в 1988-1989 годах на базе , учебной агрометеорологической лаборатории Одесского гидрометеорологического института. Аппаратом исследований явился метод мате-■ Матического моделирования продукционного процесса растений.

•В работе использованы материалы агрометеорологических наблюдений на arpo- и гидрометеорологических станциях Кировоград' ской,' Николаевской, Одесской и Херсонской областей за период I966-1986 гг , и на метеостанциях Северного Вьетнама за период 1969-1986 гг. , а также экспериментальные-данные/полученные автором. Все расчеты выполнены на ЭВМ EC-I022,

1. Дроведоно экспериментальное изучение влияния факторов внешней среды на мор£огенетическое развитие растения картофеля в условиях Причерноморья.

2. Выполнено экспериментальное исследование особенностей фогоскнтетическсй деятельности посевов картофеля в связи с arpo-

метеорологическими условиями Причерноморья.

3. Разработана с учетом особенностей вегетативного, и репродуктивного развития культуры структура динамической модели формирования количества и качества урожая картофеля - модель "SIMPOT".

4. Предложена субмодель влияния воздействия вредителей на ■ продуктивность растений.

5. Предложена субмодель формирования качества урожая карто-. фоля. .

6. Разработан метод оценки я прогноза урожайности клубней-картофеля а Причерноморье и в Сезерном Вьетнаме на основе.декадной динамической модели " SIMPCTT".

П^ктическая_ценность_и_реализация_исс Полученные'

.результаты (динамическая модель формирования продуктивности и.качества урожая картофеля, а также метод прогноза урожайности на основе Декадного варианта модели) могут быть использованы для оценки влияния погодных условий на рост, развитие, формирование -. количества и качества урожая картофеля и прогнозирования ее урожайности в Причерноморье и в Северном Вьетнаме с различной забла-говременностьи. • •

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научных конференциях по итогам научно-исследовательской работы ОША в 1989, 1990 гг. Диссертационная работа об-сувдена и рекомендована к защите на расширенном научном семинаре* кафедры агрометеорологии и агрометпрогнозов ( .ноябрь 1990 г.).

Публикации. Основные-результаты исследований изложены в трех депонированных статьях.

QS5§y_S_£SEY£IYpa_pa6ora. Диссертация- состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы. Объем работы. 180 страниц , из-нюс "125 страницы текста, .. 29 таблиц, 40 .рисунков. Список литературы на 15 страницах и содержит 160 наименований,

в том числе 35 иностранных.

' СОДЕКШИБ РАБОТЫ

определена актуальность темы, изложена цель и задачи работы, дана характеристика методов исследований и исходах материалов, сформированы основные положения, составляющие научную новизну и предмет защиты.

ё_5§2§2В_£2§2§ Дается краткая характеристика биологических особенностей культуры картофеля в связи с факторами внешней среды, рассматривается требовательность растений к таким факторам . роста, как тепло, свет, водный и пищевой режимы. Дан обзор современных методов количественной оценки агрометеорологических,условий произрастания и прогноза урожайности картофеля, а также при-. веден анализ существующих динамических моделей продукционного процесса картофеля. .

представлены результаты экспериментальных . исследований влияния агрометеорологических условий на фотосинтв-тическую продуктивность картофеля с учетом влияния воздействия вредителя . Описаны методы проведения полевых наблюдений за фи-■гомерическими характеристиками, показателями фотосинтетической деятельности посевов картофеля: сырая и сухая биомассы растения, площадь фотосинтезирующнх органов и их удельная поверхностная плотность, чистая продуктивность фотосинтеза, интенсивность фотосинтеза листьев картофеля и определения содержания крахмала в-клуйнях картофеля.

Приводятся характеристики агрометеорологических условий проведения саытоз в 1988 и 1939 гг.

" Предлагается анализ диншики массы растения, площади листьев, продуктивности фотосинтеза'в зависимости от агрометеорологических условий. Анализ данных наблюдений за формированием урожая

клубней картофеля проведен по методу В.П.Горячкина - В.А.Келигов-ского. Размеры растения картофеля были описгшы с помовдп кривой накопленного результата, кривой скорости и кривой ускорения. Весь . период развития картофеля по кривой скорости роста был разделен

на два этапа: X) увеличение скорости роста и 2) уменьшение скорости роста. На кривых ускорения роста выделено четыре кардинальных точки - максимум, переход через нуль, минимум и нулевая точка. Установлено совпадение точек кривых ускорения со временем наступления основных фаз развития картофеля. .

. Дана характеристика динамики удельной поверхностной.плотности (УПП) листьев. Изменение УПП листьев характеризуется одновершик-ной кривой с соответствует!;«! максиматьным значением 60-65 г/м .

В результата анализа данных по продуктивности фотосинтеза установлено, что общей закономерностью изменения чистой продуктивности фотосинтеза (ЧПФ) растений картофеля является рост ЧПФ начиная от фазы образования боковых побегов, достижение максимума ® период цветения, некоторое снижение в период конца цветения и последующее падение. Измерения интенсивности фотосинтеза показали, что максимальная продуктивность фотосинтеза наблюдается в ■ период появления соцветий. . '

В третьей главе проведена сравнительная сценка агроклиматических ресурсов районов выращивания картофеля Причерноморья л Северного Вьетнама, агрометеорологических условий формирования продуктивности картофеля,а такяе исследована-динамика урожайности этой культуры' & указанных районах. Для территории Причерноморья перлод активной вегетации картофеля колеблется от 213 до 239 дней, сумма активных температур выше 5°С составляет' более 3200°С. Среднемесячная температура воздуху в вегетационный период-картофеля постепен-«о возрастает до июля или августа. Максимальная температура часто, бывает выае 30°С. За вегетационный период количество осадков вы-

падает от 155 до 301 мм. Если сравнить температурные условия Северного Вьетнама за зимне-весенний период с температурными условиями за летний период в районах Причерноморья, то отличие мевду двумя районами незначительно. На территорий Северного Вьетнама, средняя температура воздуха за вегетационный период меняется с 1б°С до 22°С, годовые суммы осадков колеблются в основном в пределах 100-300 мм, в связи с тем, что агрометеорологические условия зимне-весеннего периода Северного Вьетнама примерно такие же, как вегетационный период районов Причерноморья. •

Выполненное исследование влияния агрометеорологических факторов на формирование урожайности картофеля показало, что в периоде клубнеобразования картофеля, между средней температурой воздуха, продолжительностью солнечного сияния, относительной влатсност-ью воздуха и урожайностью имеется тесная связь.. В этот период урожай •картофеля имеет прямую связь со средней температурой воздуха, продолжительностью солнечного сияния и обратную связь с относительной влажностью воздуха. ■

Анализ агрометеорологических условий периода вегетации картофеля в года с аномальной урожайностью картофеля показал, что годы с высокими урожаями, как правило, характеризуются небольшим количеством осадков,' температурой воздуха близкой к среднемноголетнё-цу значению или несколько выше его, с суммой числа часов солнечного сияния превышающей среднаю многолетий® величину. Годах низкой урожайностью наоборот отличаются обильными осадками, сравнительно низкой температурой воздуха и небольшим количеством числа часов солнечного сияния.

описана структура динамической модели формирования продуктивности и качества урожая"картофеля " 21МРОГ Блок-схема модем предяожона на ряс. I. Отличительной особенность» модели является ¿'чет динамики влияния воздействия вредите-

Блок агрометеоинформации,

начальные данные

Минеральное питание .

Блок формирования количества

Блок формирования качества

У

Сухая масса Сухая масса Сухая масса Сухая мас- Содержание

листьев - стеблей корней са клубней крахмала

Площадь листьев

Урожай

Рис. I, Блок-схема динамической модели формирования урожая картофеля " ЭмРОТ

ю . .

лей на вегетативных органах, что позволило оценить не только формирование количества урожая (массы клубней), но и формирование -его качества (содержание крахмала в клубнях). В основе модели ле-•жат уравнения баланса сухой биомассы и ее структурообразующих

1 о

компонентов на единице площади (I м ). с шагом 10 дней. При описании процесса фотосинтеза листьев нами за основу взято, уравнение Монси и Саэки (1953), модифицированное а следующем виде:

} з ' .1 1

. , Ыаф 1 С1)

где - интенсивность фотосинтеза листьев пораженного

р т ■ ■'

растения, (мг С0>> дм -ч ) при оптшадьных условиях тепло- и вяагообеспеченноети и реальных условиях освещенности; Фтях ~ интенсивность фотосинтеза при световом иасьвде-

нии, нормальной концентрации СО2 в посеве, . о т

мг С0£ »да -ч ; • Ь' . _ начальный наклон световой кривой, мг С02'дм~^»ч~^/(да«см^.мин~^); 1п.ф. - поглощенная фотосинтетически активная радиация

- (ФАР) посевом, ДяДсм^-мин); Ксирк) -функция влияния уровня минерального питания на фотосинтез, безразмерная; ' £ - доля поврежденной вредителями ткани растения,

' безразмерная; ^ - номер расчетной декады..

• Доил повренденной вредителями ткани растения зависит от поедаемой лйс.'овой" поверхности вредителями и ее можно определить по выражению:

„■¡•и „л

з котором -ар находится как соотношение:

-.и

■ 1 (3)

где - площадь поедаемой листовой поверхности вредите-

о р

лями, м «м ; I- - площадь зеленой листовой поверхности, 2 -2 '

Площадь поедаемой листовой поверхности - вредителями зависит от количества вредителей и пищевой потребности одного вредителя:

-—--(4)

где - количество вредителя, особей/м^; - пищевая

потребность одного вредителя,- г/особей; - удельная по-

V р •

верхностная плотность, г/и.

Для расчета мы воспользовались предложенным В.В.Воль-

вачом (1987) выражением, согласно которому количество вредителя определяется температурой воздуха и длиной дня:

= (5)

где 1 - средняя декадная температура воздуха, °С; ^ - длина дня на начало декады, ч.

Нами определены значения Р;ж> с учетом продолжительное-ти развития вредителя. Продолжительность развития вредителя пред-лонено нами рассчитывать с учетом исследования В.В.Вольвача (197о) по следующему выражению: ■ - : /

У = 9;}>~Ь , ^

где . У - продолжительность развития вредителя, дни.

Интенсивность фотосинтеза в реальных.условиях среды, Ofличных от биологически оптимальных, определяется по'формуле:

Фсг»> - »■ ' (?)

где Фхсж; - интенсивность'фотосинтеза а реальных условиях среды, мг СХ^.дм'^.ч"1; ©¿ф - онтогенетическая кривая фотосинтеза; Ч^, Функции воздействия температуры воздуха и влажности почвы на фотосинтез, безразмерная.

функции , ^ и -¿f<p ' , входящие в соотношение (7),

нормированы и изменяются от 0 до I»

Суммарный фотосинтез посева за светлое время суток мо,тао рассчитывать по формуле:

» ., (8)

где . ф(ж; - дневной фотосинтез растений на единицу площади,

?/(см^*сут); £ - коэффициент эффективности фотосинтеза; I -

? -?

площадь листовой поверхности, м .м .

Суточный прирост сухой биомассы посева картофеля определяется по следующему выражению:

йМ(ж) = (44 ¿wiJf) - м\ сг4^) , (9)

2 I

где ДИ - суточный прирост сухой биомассы посева, г»м -сут ; ol% - онтогенетическая кривая дыхания; М - сухая биомасса посева, - коэффициент, характеризующий затраты на

поддержание структуры, г-г_^-сут"^; • - коэффициент дыхания

роста, безразмерный.

Повреждение растений вредителями приводит к.снижению как площади органов растения, так и общей биомассы этих органов. При описании роста отдельных органов растений картофеля (на основе

предложенных Ю.К.Россом (1967) с учетом модификаций Е.П.Галямина (1981), Х.Г.Тоомйнга (1977^А.Н.Полевого (1983) принята следующая система уравнений:

' _ т■ + лм'«) -йюЛ'мс)^ с £ ууГ^ = + (^рлми + +

где - сухая биомасса отдельных органов, ( - листья,

3 . - стебли, У - корни, Р - клубни); . @ - ростовые функции; V - Функции перераспределения "старых" ассийилятов; -число дней в расчетной декаде.

Снижение площади ассимилирующей поверхности можно описать выражением:

= (II)

' и

¡^.Л - -I при &'ЛЛг(.ж) <о (12)

гдЬ = Ует'е (13)

Моделирование формированияя качества урожая картофеля рассматривается нами как моделирование накопления крахмала в клубнях во взаимосвязи с факторами внешней среды."

Процесс образования крахмала в клубнях описывается уравнением Михаэлиса -Ментен, с учетом влияния на скорость протекания это-, го процесса температуры воздуха и влажности почвы:

Др/ Р,и« й&Р/лЬ

где ЛРр/д-Ь - скорость образования крахмала в клубнях, г.м~ .сут" ; Рщах - максимально возможная скорость образования крахмала, г.м~^«сут"^; .-АСр/л-Ь - скорость поступления углеводов в клубнях, Кр - константа Михаэлиса-

Ментен, г«сут-*; - функции влияния температуры возду-

ха и влажности почвы на процесс образования крахмала в клубнях, безразмерные.

Скорость поступления углеводов в клубни определяется скоростью прироста клубней (лщ/йЬ) и относительным содержанием углеводов в приросте ( >1 - Мр '):

' (15)

где А/р - относительное содержание азота в клубнях, '%, относительная единица.

Проверка адекватности модели заключалась в сопоставлении рассчитанных по модели к омпирическчх характеристик биомассы вегетативных и репродуктивных органов, а также площади листовой поверхности. Ошибка расчета биомассы клубней не превышает в среднем 20$.

Исследована чувствительность модели к изменению параметров модели и входной информации.

Содержание патой_главы составляют результаты численных экспериментов с моделью для изучения и оценки влияния отдельных факторов внешней среда на рост; развитие и формирование урожая картофеля. Получены количественные характеристики реакции растений

на ослабление или усиление напряженности радиационного и термит

' ■ <

ческого режимов растений, а также условий увлажнения. - Изучено влияние факторов света, тепла, влаги на продуктивность картофеля в критический период развития. Наиболее,высокая продуктивность

посева (прирост сухой биомассы) наблюдается при сочетании следующих условий: интенсивности солнечной радиации более joo Зт/м , температурного режима в пределах 20-25 °с, увлажнения почвы - БОЙ Ш1В.

Проведена количественная оценка влияния агрометеорологических условий на формирование качества урожая клубней картофеля. Показано, что образование крахмала в клубнях регулируется уровнем поступления углеводов в клубни, зависящие от интенсивности солнечной радиации, температурного режима и рекима увлажнения почвы.

С помощью численных экспериментов с моделью SIMPOT проведена ' оценка- условий формирования урожая (на основе декадного варианта динамической модели).и прогноз урожайности клубней картофеля в Причерноморье и в Северном Вьетнаме.

В основу количественной оценки условий формирования урожая ( Ссц ) положено выражение

Р "йГр

= — (16) игр

где ¿Пр - биомасса клубней, рассчитанная по модели с использованием данных оцениваемого периода; Щ - биомасса клубней, рассчитанная по модели на основе среднемноголетних данных.

Таким образом, количественная оценка агрометеорологических условий сводится к вычислению по модели биомассы клубней в оцениваемом году и при средних многолетних условиях.

. При/создании методов прогноза урожайности клубней картофеля в Причерноморье и з Северном Вьетнаме используется, разработанная А.Н.Полевым (1979) методология динамико-статистического прогнозирования. Прогноз урожайности при этом рассматривается как су юг а двух прогнозов - прогноза тенденции урожайности и прогноза отклонений урожайности от тренда.

Определение тенденции урожайности осуществляется путем экст-

раполяции с помощью метода гармонических весов, а отклонения от тренда - с помощью метода оценки агрометеорологических условий произрастания^культуры.

Для прогнозирования Урожайности ( Уп) используется выражение:

Уп = , Сох^. ^

где +и - тенденция урожайности на прогнозируемый год.

Прогноз по предложенному методу составляется на 30 июня.и 31 июля, но прогнозировать урожайность, возможно с различной за-благовременностью, т.к. оценка условий формирования уроасая рассчитывается ежедекадно в период вегетации. .

Результаты, проверки оправдываемости прогноза выполненные по всем областям Причерноморья за период 1966-1366 гг. и по районам Ханоя за период 1970-1986 гг. в соответствии с Инструкцией по оценке оправдываемости прогноза, показали достаточно хорошую оп-равдываемость этих прогнозов. Средняя ошибка прогноза среднеобластной урожайности клубней картофеля в Причерноморье за период 1966-1986 гг. составляет 1&, а в Северном Вьетнаме за период 197(2-1986-гг. составляет Ш. . .

ВЫВОДЫ

1. Проведено экспериментальное изучение особенностей морфо-г-енетического развития растений картофеля под влиянием характерных для Причерноморья агрометеорологических условий.

2. Выполнено экспериментальное исследование особенностей фотосинтетической деятельности посевов картофеля в связи с агрометеорологическими условиями: интенсивности фотосинтеза листьев картофеля, чистой продуктивности фотосинтеза, динамики биомассы целого растения.и отдельных органов, динамики площади ассимилирующей ■

поверхности и удельной поверхностной плотности листьев.

.3. Определена с учетом особенностей вегетативного и репродуктивного развития культуры.структура динамической модели формирования количества и качества урожая картофеля - модель SIHPOT , которая ориентирована на исследование влияния'агрометеорологические условий на отдельные составляющие продукционного процесса, форми-' рованиё урожая, в.целом и применение в практике для диагностировка условий произрастания культуры. Иодель реализуется на основе стандартной агрометеорологической информации.

4,.Впервые предложена субмодель формирования качества урожая картофеля, описывающая Процесс накопления крахмала в клубнях, с учетом влияния на интенсивность этого.процесса факторов тепла и влаги.

.' 5. Моделируется влияние воздействия вредителей на придуктив- . ность растений на основе учета изменений в интенсивности процессов фотосинтеза и дыхания.

6. Проведена идентификация .параметров модели SiMPOT применительно к условиям Причерноморья и Северного Вьетнама, проверка адекватности модели Показала; достаточно хорошую согласованность результатов экспериментальных .значений динамики формирования биомасса растений и расчетных значений.

7. В численном эксперименте проведено теоретическое исследование влияния агрометеорологических условий на продукционный процесс картофеля. Получена количественные характеристики реакции

/растений на ослабление или усиление напряженности радиационного и термического режимов, а также условий узлазнения.

8. Получена, количественная оценка сроков посадки картофеля на их продуктивность, 7 '

9. Проведено изучение влияния агрометеорологических условий на формирование качества урожая клубней картофеля.

10. Предложены методы оценки агрометеорологических условий формирования урожая и прогнозирования урожайности клубней карто-

феля в Причерноморье и Северном Вьетнаме. ,

СПЛСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО.ТЕМЕ ДОССЕРГМЩ

1. Динамическая модель продукционного процесса картофеля. -Деп. ВНШШИ, » 1С15-ГЫ90 от 2.08.90 г.

2. Исследование колебания урожайности картофеля на территории Северного Вьетнама. -Деп. ВНШШИ, » 1С14-ГМ90 от 2.08.90 г.

3. Оценка потенциального и действительно возможного уроиая картофеля в Северном Вьетнаме. -Деп. ШШГЫИ, № 1013-ГМ90 от 2.0850г,

Поэт.х печати 20.12.90г. Формат 80x84 1/16. ОЗ'ем 0,7уч. ИЗЦ.Л. 1,0п. п. Заказ >* 4395. Тираж 100экз. Гортипография Одесского сбпполиграАизаата.цех^З.

Лепила 49.