CC BY
41
Секция «Информационно-управляющие системы»
УДК 574.45.504.7
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ РОСТА РАСТЕНИЙ
В ЗАМКНУТОЙ ЭКОСИСТЕМЕ
М. Н. Мануковская Научный руководитель - С. И. Барцев
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Для анализа динамики органического вещества в экспериментальной замкнутой экосистеме (ЗЭС), включающей растения пшеницы, микроорганизмы и почво-подобный субстрат (ППС) была построена математическая модель. Расчеты по модели показали, что наблюдаемые колебания урожая пшеницы обусловлены активностью микроорганизмов в ППС.
Ключевые слова: ЗЭС, Моделирование роста пшеницы, почво-подобный субстрат, микроорганизмы.
COMPUTER SIMULATION OF THE DYNAMICS OF PLANT GROWTH IN A CLOSED ECOLOGICAL SYSTEM
M. N. Manukovskaya, Scientific Supervisor - S. I. Bartsev
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
To analyze the dynamics of organic matter in the experimental closed ecological system (CES) comprising wheat plants, microorganisms and soil-like substrate (SLS) was built a mathematical model. Model calculations have shown that the observed fluctuations in wheat production are due to microbial activity of SLS
Keywords: CES, Modelling a wheat crop, soil-like substrate, microorganisms.
Почво-подобный субстрат (ППС) в биорегенеративных системах жизнеобеспечения может одновременно использоваться для выращивания растений и деструкции растительных остатков. Поэтому изучение его массообменных характеристик в зависимости от начальных условий и параметров среды (массы ППС, уровня освещенности, содержания азота в субстрате и др.) является актуальной задачей. Ранее проведенное тестирование ППС в камере, которая была экспериментальной моделью ЗЭС, показало, что при многократном выращивании растений на ППС урожай растений меняется. Результаты тестирования были частично опубликованы [1-5]. Экспериментальное исследование состояло из нескольких циклов выращивания растений, включающих посадку растений, сбор урожая и переработку растительных отходов в среде ППС. Продолжительность каждого цикла была 67-70 дней. После сбора урожая, основную часть зерна пшеницы сжигали. Остальную часть использовали как посадочный материал. Солому пшеницы и продукты сжигания вносили в ППС, где органическое вещество подвергалось деструкции при участии червей и микроорганизмов. Исходная сухая масса ППС составляла 19 кг/м2. В процессе тестирования ППС, условия среды в камере (концентрация углекислого газа, температура, влажность освещенность), поддерживались на постоянном уровне. Выявленные колебания урожая пшеницы предположительно были связаны с колебаниями содержания доступного азота в ППС. Высокий урожай зерна предыдущего цикла приводил к увеличению содержания азота в ППС вначале вегетации растений и к ускоренному росту вегетативной массы растений. Соответственно для формирования урожая зерна в конце вегетационного периода азота было недостаточно. Частично недостаток азота пополнялся за счет активности микроорганизмов при деструкции ППС. В итоге, урожай зерна был ниже, чем в предыдущем цикле.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1
Целью настоящей работы было определение влияния начальных условий и активности микроорганизмов ППС на динамику органического вещества в ЗЭС. Чтобы проанализировать динамику перераспределения органического вещества в системе была построена математическая модель, состоящая из нескольких блоков. Блок растения включал переменные: ассимиляты, листья и стебли, корни, зерно и пул (запас) азота в растениях. Блок субстратов: углекислый газ в атмосфере, лабильное органическое вещество, растительные остатки, ППС, пулы азота доступного для растений и связанного в ППС. Микробный блок включал биомассу микроорганизмов, пул углерода в микробных клетках, и два типа ферментов: деполимеразы полисахаридов и оксидазы, ответственных за деструкцию гумуса в ППС. Расчёты по модели производили в среде Mathcad. Для описания массообменных процессов между блоками использовали систему из 16 дифференциальных уравнений.
Результаты моделирования показали:
1. Темпы накопления и разложения углерода в ППС, а также его равновесный уровень определяются количеством азота, внесённого с растительными остатками и продуктами сжигания зерна вначале вегетационного периода.
2. При недостатке (лимите) доступного азота в ППС его высвобождение из связанного состояния происходит за счет ферментативной активности микроорганизмов ППС, что при определенных условиях ведет к колебаниям урожая растений при непрерывном циклическом выращивании растений.
Библиографические ссылки
1. Гительзон И. И., Дегерменджи А. Г., Тихомиров А. А. Замкнутые системы жизнеобеспечения // Наука в России. 2011. № 6. C. 4-10.
2. Дегерменджи А. Г., Тихомиров А. А. Создание искусственных замкнутых экосистем земного и космического назначения // Вестник РАН. 2014.Т. 84. № 3.С. 233-240.
3. Tikhomirov А. А. et al. Light intensity and production parameters of phytocenoses cultivated on soil-like substrate under controlled environment conditions // Adv. Space Res. 2003. Vol. 31(7). P. 17751780.
4. Gubanov V. G. et al. Mathematical and computer simulation of the Biological Life Support System module 1/2. Description of the mode // J. of the Siberian Federal University, Biology. 2009. Vol. 2. P. 466-480.
5. Gubanov V. G., et al. Mathematical and computer simulation of the Biological Life Support System module 2/2. Verification of the model and scenarios // J. of the Siberian Federal University, Biology. 2009. Vol. 2. P. 481-496.
6. Актуальные проблемы авиации и космонавтики [Электронный ресурс] : тезисы X Всерос. науч.-практ. конф. творческой молодежи (8-12 апреля 2014 г., Красноярск). URL: http://www.sibsau.ru/images/document/2014/2014_11_13_APAK_1_tom.pdf (дата обращения: 18.03.2016).
© Мануковская М. Н., 2016
