CC BY
7Ученые записки Таврического национального университета имени В. И. Вернадского Серия «География». Том 26 (65), № 4. 2013 г. С. 45-53.
УДК633:631.547.15
МОДЕЛЮВАННЯ НАКОПИЧЕННЯ ВОЛОГИ НАС1ННЯМ ЗЕРНОВИХ КУЛЬТУР В ПЕР1ОД ПОС1В - СХОДИ
С/'н/'цина В.В.
Одеський державший еколопчний ушверситет, м. Одеса, Украша
E-mail: victoria sinitsyna@gmail com
Представлено моделювання накопичення вологи насшням тд час його проростання. Моделювання даного процесу е початковим блоком моделi формування сходiв зернових культур. Блок накопичення вологи дозволяе оцшити вплив ряду фактов на iнтенсивнiсть поглинання вологи та визначити час початку росту кореня та пагона. Детально описана структура блоку модели Модель реалiзована на ПК, проведена низка чисельних експериментiв, що описують реакцта насшня на змiну агрометеорологiчних умов.
Ключовi слова: насшня, ендосперм, волога, зародок, проросток, папн, набубнювання, рiст, сходи.
ВСТУП
Початковим етапом проростання насшня е накопичення ним достатньо! кшькосп вологи. Цей процес е пусковим фактором для початку подальшого росту проростка. Вщ агрометеоролопчних умов за яких вщбуваеться поглинання вологи зершвкою залежить його штенсивнють, а також час набубнювання насшня i поява сход1в, як наслщок. Тому вщ адекватностi результатiв роботи даного блоку залежить точнють прогнозування формування сходiв зернових культур та всього подальшого вегетацшного перiоду.
1. ПОСТАНОВКА ЗАВДАННЯ
Метою дослiдження е визначення блоку розроблено! моделi перiоду вiд пошву до появи сходiв зернових культур, котрий описуе динамшу накопичення вологи насшням, а також представлення отриманих результапв чисельних експериментiв.
2. РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛ1ДЖЕННЯ ТА IX АНАЛ1З
Надходження грунтово! води у насiння е пусковим фактором проростання та одним з головних чинниюв, як регулюють життедiяльнiсть насiння. Поглинання вологи при проростанш насiння вiдбуваеться в першу чергу за рахунок пдратацп бюколо1дав, як наслiдок розвиваеться онкотичний тиск та розриваються насiнневi оболонки. Однак, явище набубнювання е оборотним, тобто насшня можна знову висушити без значно! втрати схожостг Сухе насшня мютить лише зв'язануводу, котра практично не бере участь в обмш речовин. Тому для початку проростання воно повинно поглинути певну кшьюсть вологи, необхщно! для активiзацi! ферменпв та створення вiдповiдного середовища для хiмiчних реакцiй.
Хiмiчний склад i бюлопчш особливостi насiння рiзних культур обумовлюють 1х рiзну потребу в кшькосп поглинання води, необхщно! для проростання [1]. Сухi насiнини мають велику сисну силу. Тому вони здатш поглинати воду з грунту зi зниженою вологiстю. Встановлено, що насшня не поглинають воду з грунту лише в тому випадку, якщо його волопсть менше вологостi стшкого зав'ядання [2]. Якщо води в грунт недостатньо, то процес набухання зупинясться до того часу, поки грунт не стане волопшим.
Алгоритм моделi створено на основi юнуючих моделей проростання насiння з внесенням певних модифшацш [3, 4, 5, 6].
Потрапивши у грунт, насшня починае iнтенсивно поглинати вологу. Цей процес вщбуваеться завдяки рiзницi водних потенщатв грунту та насiння. Рiвняння, що описуе процес накопичення вологи насшням, наведене нижче.
dW , ч
' = ^Р,\Wsori -V,), (1)
dt
dWs . . .
де--пот1к вологи, що надходить в насшня; Ss - поглинальна поверхня насшня;
dt
Ps - проникшсть оболонки насшня; ysoil - водний потенщал грунту; - водний потенщал насшня.
Водш потенщали грунту та насшня можна визначити за такими р1вняннями:
( W - ВЗ Л
=l5e4- 7-76 ПГвз) (2)
R T
y/s = conVLsml lnm , (3)
Vm
де Wsoii - волопсть грунту; ВЗ та ПВ - волопсть зав'ядання та повна вологоемшсть
грунту вщповщно; Vm - порцшний молярний об'ем; m - кшьюсть поглинуто! води.
Емтрична формула (2) була запропонована Сидоренко О. Д. [7].
Основними частинами насшня е ендосперм та зародок. Вщомо, що бшки поглинають воду значно штенсившше, ашж вуглеводи. У склад1 зародка переважае запасний бшок, саме тому зародок набухае швидше, збшьшуе сво! розм1ри i створюе певне загострення, що виступае тд оболонкою зерна. Цей стан прийнято називати накльовуванням зерна [8].
Коли волопсть насшня досягла певного критичного значення, вщбуваеться запуск ростових процешв у насшш. Починае розвиватися проросток, котрий складаеться з кореня та пагона (колеоптилю). Пюля початку росту волопсть насшня залишаеться незмшною.
3. РЕЗУЛЬТАТИ ЧИСЕЛЬНОГО ЕКСПЕРИМЕНТУ
Описана модель була реатзована на ПК за допомогою програми Microsoft Office Excel. З метою щентифшаци параметрiв моделi була обрана кукурудза.
46
Частина параметрiв була отримана в результат проведення експерименту з пророщування насiння кукурудзи у лабораторних умовах. Однак бшьшють параметрiв були отримаш шляхом проведення аналiзу наявних у лiтературi даних, а також за допомогою оптишзацл та ручно! добiрки.
Визначено чутливiсть моделi до змши параметрiв навколишнього середовища пiд час накопичення вологи насшням. У якост кроку в часi обрано одну добу. Розглядався шар суглинкового грунту товщиною 5 см з найменшою вологоемюсть 10 мм. Оптимальна волопсть грунту складае 7 мм.
Оскшьки температура вiдiграе одну з найголовшших ролей пiд час проростання та розвитку рослин, тому не викликае сумнiвiв необхщнють першочергового проведення анатзу чутливостi змiни даного параметру. Отже, було проведено визначення чутливост моделi до змiни температури грунту на фош оптимально! вологостi грунту, а також збереження оптимальних вхщних параметрiв посiвного матерiалу. Обрано дiапазон температур грунту вщ 10 оС, адже це бiологiчний нуль кукурудзи при котрому припиняеться розвиток рослини, до 24 оС. Динамiка визначалася через 1 оС (рис.1).
Зниження штенсивносп накопичення вологи насiнням зi зменшенням температури вiдбуваеться досить плавно. Однак, коли температура знаходиться у межах оптимуму (21 - 24 оС), запуск ростових процешв вiдбуваеться майже одночасно, адже волопсть насшня досягае критичного рiвня в одну добу. У наступну (третю) добу досягае свого максимуму волопсть насшня за умов штервалу температур - 16 - 20 оС. У випадку тдтримання на протязi всього перюду температури 13 - 15 оС критичний рiвень вологостi буде досягнуто за 4 доби, а у випадку 12 - 11 оС - за 5 дiб i лише за температури 10 оС запуск ростових процесiв можливий за 6 дiб.
Було проведено анатз чутливостi моделi до змiни вологосп грунту. Визначення проводилися в iнтервалi вiд 1 до 10 мм, через 1 мм вологосп (рис. 2).
Волопсть грунту мае значний влив на накопичення вологи насшням. Коли волопсть грунту становить 6 - 10 мм, то запуск ростових процешв вщбуваеться вже за 2 доби шсля вишву. Зi зниженням вологосп грунту до 3 - 5 мм, штенсившсть накопичення вологи насшням зменшуеться i досягае критичного значення лише за 3 - 4 доби. Не зважаючи на те, що сухе насшня мае високу сисну силу та водний потенщал, воно не здатне накопичити достатньо вологи для накльовування та початку росту осьових оргашв, коли волопсть грунту менша за 3 мм.
Також було проведено анатз чутливост до змши початкових значень пошвного матерiалу та внутршшх параметрiв моделi. В ходi достду початкова вологiсть насiння змiнювалася на 0,01 в iнтервалi вiд 0,11 до 0,2, оскшьки зазвичай тд час висiву вологiсть насiння становить близько 0,14 - 0,16 сухо! ваги насшня. Встановлено, що модель чутлива до змши даного параметру, однак значного впливу на час початку росту проростку не виявлено. Але слщ зазначити, що коли насшня лише потрапило в грунт, штенсившсть накопичення вологи бшьша у насшня, волопсть якого менша.
47
Рис. 1. Чутливють моделювання накопичення вологи насшням до змши температури грунту (10 - 24 оС).
Рис. 2. Чутливють моделювання накопичення вологи насшням до змши вологост грунту (1 - 10 мм).
Модель чутлива також до змши початково! маси насшня. Для дослщу була обрана маса одше! насшини у штерват вщ 0,23 г до 0,32 г, через 0,01 г. Встановлено наступну залежнють: зi збiльшенням маси насiння швидкють накопичення ним вологи сповiльнюеться. Цей факт можна пояснити твердженням Носатовського А. I. [8] про те, що меншi насшини мають бшьшу сисну силу. Однак,
48
коли маса насшини перевищуе 0,3 г, вона не здатна накопичити необхщну кшьюсть вологи, тому подальший рiст не вiдбудеться.
Модель е малочутливою до змiни проникностi оболонки насшня, адже даний параметр мае досить мале значення (лише 0,0001 сек-см-1).
Основними агрометеорологiчними факторами, що впливають на iнтенсивнiсть накопичення вологи насшням пiд час його проростання е температура та волопсть грунту. Тому у низщ чисельних експерименив вичався вплив змiни агрометеорологiчних умов на динамшу поглинання вологи насшням.
На рисунках 3, 4, 5 добре видно, що за умови, що вологосп складае 7 - 9 мм у шарi грунту 0 - 5 см, а температура на протязi усього перюду збертаеться на рiвнi 22 оС, насiння накльовуеться вже за 2 доби (рис.4, 5). У випадку недостатньо! зволоженосп цей перiод складатиме 3 доби (рис.3). Зi зниженням температури процес накопичення вологи сповшьнюеться i може тривати 3 -5 дiб у межах оптимального зволоження грунту та сягати 7 дiб при недостатньому. Пiсля досягнення критичного значення, волопсть насшня практично не змшюеться.
Рис. 3. Динамша накопичення вологи насшням при запасах вологи 5 мм та температурах грунту 12оС, 18оС та 22оС.
У моделi враховано, що на початку накопичення вологи насшням цей процес вщбуваеться штенсившше анiж у наступний момент часу, а досягнувши критичного рiвня (у даному випадку 40% вологосп насiння) залишаеться незмiнним. Крiм того, з пiдвищенням температури грунту у насшш ранiше вiдбуваеться запуск ростових процеав.
49
Рис. 4. Динамша накопичення вологи насшням за умов оптимального зволоження (7 мм) та температурi грунту 12оС, 18оС та 22 оС.
Рис. 5. Динамiка накопичення вологи насшням при запасах вологи 9 мм та температурах грунту 12оС, 18оС та 22оС.
ВИСНОВКИ
Представлений блок розроблено! динамiчноl моделi формування сходiв зернових культур, котрий описуе динамiку накопичення вологи насшням та дозволяе визначити час початку росту осьових оргашв.
Насiння у значнш мiрi реагуе на змiну температури та вологостi грунту. Щцвищення температури стимулюе накопичення вологи, однак даний процес сповiльнюеться у разi недостатньо! вологостi грунту. Насiння дуже чутливе до зменшення вологостi грунту, однак, шдвищення вологостi вище оптимального значення на фонi сприятливих температур майже не впливае на штенсившсть
50
поглинання вологи. Насшня не поглинае воду з грунту лише в тому випадку, якщо вологiсть грунту менше вологостi стiйкого зав'ядання. Якщо води в грунт недостатньо, то процес набухання зупиняеться до того часу, поки грунт не стане волопшим.
Список л^ератури
1. Jame Y.W. Simulating the effects of temperature and seeding depth on germination and emergence of spring wheat / Y.W. Jame, H.W. Cutforth //Agricultural and Forest Meteorology. - 2004. - № 124. - P. 207-218.
2. Овчаров К.Е. Физиология формирования семян и прорастания семян / К.Е. Овчаров. - М.: Колос, 1976. - 255 с.
3. Коровин А.И. Физиологическая роль низкой температуры почвы в снижении полевой всхожести семян / А. И. Коровин // Сельскохозяйственная биология. 1966. - Т. 4. - № 2. - С. 61-69.
4. Польовий А.М. Динамiчна модель проростання насшня та формування сходiв зернових культур / А.М. Польовий //Украшський пдрометеоролопчний журнал. - 2008. - №. 3. - С. 75-85.
5. Антоненко В.С. Динамическое моделирование роста, развития и формирования продуктивности озимой пшеницы / В.С. Антоненко. - К.: «АртЭк», 2002. - 64 с.
6. Павлова В.Н. Моделирование ростовых процессов в период прорастания зерна в рамках моделей «погода - урожай» / В.Н. Павлова // Труды ВНИИСХМ. - 1983. - Вып. 8. - С. 28 - 36.
7. Forcella F. Modeling seedling emergence / F. Forcella et al. // Field Crops Research. - 2000. - Vol. 67. - P. 123 - 139.
8. De Jong R. The effect of soil water potential, temperature and seedling depth on seedling emergence of wheat / de Jong R., K.F. Best // Can. J. Soil Sci. 59. - 1979. - P. 259-264.
9. Сиротенко О.Д. Математическое моделирование водно-теплового режима и продуктивности агроэкосистемы / О.Д. Сиротенко. - Л.: Гидрометиздат, 1981. - 167 с.
10. Носатовский А.И. Пшеница / А.И. Носатовский. - М.: Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1950. - 408 с.
Синицына В.В. Моделирование накопления влаги семенами зерновых культур в период посев -всходы. // Ученые записки Таврического национального университета им. В.И. Вернадского. Серия : География. - 2013. - Т. 26 (65), № 4 . - С. 45-53.
Представлено моделирование накопления влаги семенем при его прорастании. Моделирование данного процесса является начальным блоком модели формирования всходов зерновых культур. Блок накопления влаги позволяет оценить влияние ряда факторов на интенсивность поглощения влаги и определить время начала роста корня и побега. Подробно описана структура блока модели. Модель реализована на ПК, проведен ряд численных экспериментов, описывающих реакцию семян на изменение агрометеорологических условий.
Ключевые слова: семя, эндосперм, влага, зародыш, проросток, побег, набухание, рост, всходы.
MODELLING OF GRAIN CROPS SEEDS MOISTURE ACCUMULATION DURING THE PERIOD FROM SOWING TO SEEDLING EMERGENCE
Sinitsyna V.V.
Odessa State Environmental University, Odessa, Ukraine E-mail: victoria sinitsyna@ggmail.com
Considered the modelling of seeds moisture accumulation during the germination. Simulation of the process is an initial block of seedling formation model. The moisture accumulation block allows to estimate the influence a number of factors on the moisture absorption intensity and specify the beginning of roots and shoots growing. The structure
51
of the model block described in details. The model is implemented on a PC, a series of numerical experiments that describe the response of seeds to agrometeorological conditions variation.
Seeds largely respond to changes in temperature and soil moisture. Increasing the temperature stimulates the accumulation of moisture, but this process slows down in case of insufficient soil moisture. Seeds are very sensitive to a decrease in soil moisture; however, increased moisture above the optimum value on the background of favourable temperature has a little effect on the intensity of the absorption. Seeds do not absorb water from the soil only if the soil moisture is less then sustainable wilting moisture content. If is not enough water in the soil, the swelling process is suspended until the soil becomes wetter.
In numerical experiments it was found that the soil moisture has the strongest influence exactly at the stage of absorption and accumulation of moisture.
It should be noted that when soil moisture is around 6 - 10 mm the growth process is start already in 2 days after seeding. With decreasing soil moisture to 3 - 5 mm the intensity of seed moisture accumulation decreases and reaches a critical value within 3 - 4 days. Despite the fact that the dry seeds have a high absorption capacity and water potential, it is unable to accumulate enough moisture for being afoot and the beginning of axial organs growth when the soil moisture is less than 3 mm.
But reducing the intensity of seed moisture accumulation with decreasing temperature is quite smooth. However, when the temperature is within the optimum (21 - 24 °C), growth processes start happening almost simultaneously, as seed moisture reaches a critical level within one day and in the following (third) day maximum seed moisture reaches under conditions for the temperature range of 16 - 20 °C. In the case of maintenance the temperature of 13 - 15 °C during the period the critical moisture level is reached in 4 days. In the case of 12 - 11 °C it is reached during 5 days and only at a temperature of 10 °C the start of growth processes possible in 6 days.
Under optimal conditions of soil environment seeds already afoot within 2 days, with a lack of moisture during this period it is extended to 3 days. With decreasing temperature, the accumulation of moisture is also slowing down and may last 3 - 5 days, but on the background of insufficient moisture may reach 7 days.
Keywords: seed, endosperm, moisture, germ, seedling, sprout, growth, emergence.
References
1. Jame Y.W. Simulating the effects of temperature and seeding depth on germination and emergence of spring wheat / Y.W. Jame, H.W. Cutforth //Agricultural and Forest Meteorology. - 2004. - № 124. -P. 207-218.
2. Ovcharov K.E. Physiology of seed development and seed germination / K.E. Ovcharov. - Moscow: Kolos, 1976. - 255 p.
3. Korovin A.I. The physiological role of low soil temperatures in the lower field germination of seeds / A.I. Korovin // Agricultural Biology. 1966. - Vol. 4. - № 2. - P. 61-69.
4. Polovyi A.M. The dynamic model of seed germination and sidling formation of crops / A.M. Polovyi // Ukrainian Hydrometeorological Journal. - 2008. - №. 3. - P. 75-85.
5. Antonenko V.S. Dynamic modeling of the growth, development and the productivity formation of a winter wheat / V.S. Antonenko. - K.: "ArtEk", 2002. - 64 p.
6. Pavlova V.N. Simulation of growth processes during the germination of seeds within the "weather -
52
crop" models / V.N. Pavlova // Proceedings of the VNIICHM. - 1983. - Issue. 8. - P. 28- 36.
7. Forcella F. Modeling seedling emergence / F. Forcella et al. // Field Crops Research. - 2000. - Vol. 67. - P. 123 - 139.
8. De Jong R. The effect of soil water potential, temperature and seedling depth on seedling emergence of wheat / de Jong R., K.F. Best // Can. J. Soil Sci. 59. - 1979. - P. 259-264.
9. Sirotenko O.D. Mathematical modeling of hydrothermal regime and productivity of agroecosystems / O.D. Sirotenko. - L.: Gidrometizdat, 1981. - 167 p.
10. Nosatovsky A.I. Wheat / A.I. Nosatovsky. - Moscow: State Publishing House of Agricultural Literature, 1950. - 408 p.
Поступила в редакцию 22.11.2013 г.
53
