В гл. 1 дано краткое описание структуры двух имитационных моделей. Ниже будет рассмотрен еще один пример — модель агрофитоценоза пшеницы. Подробное описание совокупности моделируемых процессов, структура модели в целом в силу ее достаточной сложности проясняют, как нам представляется, многие характерные особенности метода имитационного моделирования. В связи с этим помещенный ниже пример неоднократно используется далее как ’’базовый” для иллюстрации высказываемых утверждений.[ ...]
Абиотическая часть системы — среда обитания растений и животных — используется ими как ’’жизненное пространство” и как источник энергии и минеральных элементов.[ ...]
Агроэкосистемы специфичны не только с точки зрения круговорота веществ. Энергетический цикл в них также складывается иначе, чем в природе. Если естественные энергетические процессы происходят в двух поясах — ’’зеленом” и ’’коричневом” — и обусловлены притоком солнечной энергии, то для агроэкосистем характерно значительное внешнее энергетическое воздействие со стороны обрабатывающих машин и агрегатов. Их использование в рамках технологии возделывания культуры по существу обеспечивает специализацию агроэкосистемы и рост ее продуктивности. По анализу Ю. Одума увеличение энергозатрат на гектар пашни от 0,7 до 7,5 кВт приводит к увеличению урожаев от 2 до 9т/га. Из сказанного следует, что для исследования продукционного процесса агроэкосистем необходимо развитие системного подхода. Опишем структуру сезонной модели агрофитоценоза пшеницы. Детальное описание модели, включая систему дифференциальных уравнений и обоснование метода их интегрирования, содержится в [1, 18]. Посев пшеницы можно с достаточной степенью точности рассматривать как составленный растениями, равномерно размещенными на некоторой площади. Внешние условия наряду с воздействиями со стороны вредителей, болезней и сорняков определяют динамику ростра и развития растений пшеницы и в конечном счете определяют уровень,урожая и его качество. С другой стороны, сами растения в процессе вегетации изменяют среду своего обитания, оказывают влияние на динамику влаго- и теплообмена в почве и приземном воздухе, изменяют радиационный, газовый режим и т.д. Поэтому комплексная модель продуктивности посевов должна включать в себя взаимосвязанные описания процессов, происходящих как в самих растениях, так и в среде их обитания.[ ...]
Будем считать, что площадь поля достаточно велика и что краевым эффектом вследствие этого можно пренебречь. Это позволяет описать агрофитоценоз как нестационарную одномерную систему с двумя независимыми переменными: вертикальной координатой х и временем t. Для построения модели нужно, следовательно, выделить некоторую единичную площадь поля. Состояние абиотической части системы в каждый момент времени характеризуется распределением по вертикали различных физических переменных: радиации, температуры и влажности воздуха в посеве, температуры и влажности почвы и т.п. (рис. 4.1). Точно так же биологическая часть системы характеризуется набором вертикально распределенных переменных: плотности ассимилирующей поверхности фитоэлементов s (je) и поглощающей поверхности корней со (je), плотности отдельных составляющих фитомассы (углеводы, аминокислоты, белки) и фитомассы в целом и др. В динамике все эти величины изменяются. Задачей моделирования как раз и является описание изменения этих переменных в пространстве (т.е. по вертикали) и во времени.[ ...]
Сложность объекта — сельскохозяйственного поля и многообразие протекающих на нем процессов, которые необходимо учитывать при моделировании, неизбежно проводят к тому, что модель следует конструировать в виде некоторой блочной структуры. Обращение к каждому блоку модели осуществляется как при работе базовой модели в целом, так и при использовании ее специализированных вариантов. Особенностью функционирования такой блочной структуры является разделение информационных потоков на те, которые замыкаются внутри отдельных блоков, и на те, которые передаются из блока в блок. Рассматриваемые в целом, эти информационные потоки определяют характер и объем экспериментальных исследований, необходимых для идентификации модели.[ ...]
Охарактеризуем те процессы, которые представлены в модели. Это прежде всего влагообмены в системе почва — растение — приземный воздух. Влага является важнейшим, а для ряда почвенно-климатических зон основным лимитирующим урожай фактором. Движение влаги в почве обеспечивает растения минеральным питанием, а влагосодержание растений посредством изменения устьичного сопротивления регулирует поступление углекислого газа в лист. Многие другие процессы жизнедеятельности растений также определяются содержанием и потоками воды в почве, растении и приземном воздухе. При моделировании процесса влагопереноса в системе важную роль играют такие характеристики архигектониски посева, как распределение поглощающей поверхности корней по глубине почвы и распределение объемной плотности листьев по высоте растительного покрова.[ ...]
В модели представлен радиационный режим посева, который тесно связан с температурным режимом и с архитектоникой посева. Поглощаемая посевом фотосинтетически активная радиация определяет (совместно с потоками С02) интенсивность процесса фотосинтеза.[ ...]
Охарактеризуем процессы, представленные в биологическом блоке. Это прежде всего процесс фотосинтеза. Он определяет включение углерода в метаболизм растения. Существенное влияние на фотосинтез оказывают температурный и радиационный режимы посева и степень открытия устьиц. Следующий процесс, описанный в физиологических блоках, — это процесс биосинтеза, в результате которого образуется структурная биомасса яруса. Перераспределение ассимилятов между различными органами связано с процессами транспорта. В модели описывается транспорт продуктов фотосинтеза и элементов минерального питания. Взаимодействие этих двух потоков вещества определяет распределение биомассы между наземной и лодземной частями растения. Растение в физиологических блоках представлено в виде цепочки биохимических реакторов, объем которых пропорционален структурной »биомассе соответствующих ярусов.[ ...]
Совместно с процессами фотосинтеза в модели рассматриваются процессы дыхания, определяющие интенсивность накопления биомассы. Скорости протекания всех перечисленных процессов существенно зависят при этом от абиотических параметров посева.[ ...]
Модель в целом с математической точки зрения представляет собой систему из нескольких уравнений в частных производных параболического типа и нескольких десятков обыкновенных дифференциальных уравнений. При переходе к численной схеме выбирается шаг интегрирования по координате х и по времени /. При этом с учетом требований, предъявляемых к точности решения, в почвенной части модели выделяется до тридцати узлов расчетной сетки, а в посеве — до десяти. Базовый временной шаг модели выбран равным одному часу, что позволяет с достаточной точностью осуществить имитацию суточного хода как абиотических (энергообмен) , так и основных биотических (фотосинтез, метаболизм) процессов. Общая размерность пространства состояний модели после перехода к дискретному описанию превышает 1000.[ ...]
Рисунки к данной главе:
| Структурная схема модели продуктивности агроэкосистемы |
 |
| Профили влажности почвы |
 |
| Вертикальные профили температуры воздуха, листьев и почвы |
 |