ОДЕСЬКИЙ ГІДРОМЕТЕОРОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ

Свідерська Світлана Михайлівна

УДК 551 509+635. 21

МОДЕЛЮВАННЯ ЕКОЛОГІЧНИХ ВЗАЄМОДІЙ В СИСТЕМІ

"СЕРЕДОВИЩЕ – ІНФЕКЦІЯ – ШКІДНИК – РОСЛИНА"

СТОСОВНО ДО КУЛЬТУРИ КАРТОПЛІ

11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

ОДЕСА – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському гідрометеорологічному інституті

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

доктор географічних наук, професор

Польовий Анатолій Миколайович

Одеський гідрометеорологічний інститут,

завідувач кафедри агрометеорології та агрометеорологічних прогнозів

Офіційні опоненти:

доктор географічних наук, професор

Константинова Тетяна Степанівна

Інститут географії АН Молдови, директор

кандидат географічних наук,

старший науковий співробітник

Антоненко Володимир Степанович

Український науково-дослідний гідрометеорологічний інститут, Міністерство екології та природних ресурсів України, провідний науковий співробітник

Провідна установа: Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, географічний факультет, кафедра метеорології та кліматології

Захист відбудеться "14" березня 2002 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.41.090.01 в Одеському гідрометеорологічному інституті за адресою: 65016, м. Одеса-16, вул. Львівська, 15, ОГМІ

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеського гідрометеорологічного інституту за адресою, м. Одеса, вул. Львівська, 15, ОГМІ.

Автореферат розісланий 11 лютого 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Лобода Н. С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Культура картоплі являється для України однією з головних сільськогосподарських культур. Значні коливання її врожайності визначаються впливом агрометеорологічних умов на фотосинтетичну продуктивність рослин, а також впливом цих умов на розвиток популяції шкідників та різноманітних інфекцій. Найбільш поширеним шкідником картоплі є популяція колорадського жука, захворюванням - фітофтора. Недобори врожаю картоплі за рахунок негативного впливу шкідників та фітофтори можуть складати до 20-30 % і більше. Таким чином, при оцінці умов формування врожаю необхідно розглядати комплекс взаємозалежних і взаємообумовлених процесів і явищ, що відбувається у системі "середовище - інфекція - шкідник - рослина". Цим визначається актуальність розробки математичної моделі екологічних взаємодій, що спостерігаються в цій системі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в рамках теми "Оцінка агрокліматичних ресурсів вирощування основних сільськогосподарських культур та розробка рекомендацій по оптимізації структури посівних площ в Україні" (державна реєстрація № 0189U009073).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є моделювання екологічних взаємодій у системі "середовище - інфекція - шкідник - рослина" і вплив на ці взаємодії чинників зовнішнього середовища (на прикладі культури картоплі). Для реалізації цієї мети необхідно було вирішити такі задачі:

- виконати експериментальні дослідження впливу чинників зовнішнього середовища на фотосинтетичну продуктивність рослин;

- розробити модель екологічних взаємодій у системі "середовище - інфекція - шкідник - рослина" та ідентифікувати параметри цієї моделі стосовно до грунтово-кліматичних умов України;

- кількісно оцінити вплив чинників зовнішнього середовища на формування фотосинтетичної продуктивності рослин, розвиток популяції колорадського жука та розвиток фітофтори в їхньому складному взаємозв'язку.

Об'єкт дослідження – система "середовище - інфекція - шкідник - рослина", що розглядається як складна динамічна система, яка розвивається під впливом ендогенних і екзогенних чинників посадки картоплі.

Предмет дослідження – екологічні взаємодії в цій системі, їхній аналіз і моделювання (стосовно до культури картоплі) для грунтово-кліматичних умов України.

Методи дослідження – експериментально-польовий метод та метод математичного моделювання продуційного процесу рослин.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна полягає в тому, що вперше для грунтово-кліматичних умов України отримані такі результати:

- розроблена динамічна модель екологічних взаємодій у системі "середовище - інфекція - шкідник - рослина", у якій моделюється вплив чинників зовнішнього середовища на формування продуктивності культури картоплі, розвиток популяції колорадського жука та розвиток фітофтори в їхньому складному взаємозв'язку;

- виконана стосовно основних грунтово-кліматичних зон України ідентифікація параметрів моделі, що характеризують процес формування врожаю (продуктивність фотосинтезу, приріст маси, ріст асиміляційного апарату, ростові функції періодів вегетативного та репродуктивного росту, розвиток популяції колорадського жука після перезимівлі і кожної наступної генерації, розвиток фітофтори та їхня шкідливість);

- кількісно оцінено вплив чинників зовнішнього середовища на екологічні взаємодії в системі "середовище - інфекція - шкідник - рослина";

- установлені закономірності впливу світлового і водно-теплового режиму на фотосинтетичну продуктивність картоплі;

- визначені кількісні показники чинників зовнішнього середовища, які впливають на розвиток популяції колорадського жука і розвиток фітофтори, запропоновані кількісні критерії зниження врожаю картоплі в зв'язку з їх шкідливим впливом;

- дана кількісна оцінка зниження продуктивності картоплі в залежності від інтенсивності ушкодження сходів культури пізніми весняними приморозками.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані результати дозволили встановити закономірності формування врожаю картоплі, розвитку колорадського жука і розвитку інфекції під впливом чинників зовнішнього середовища. Запропонована модель дозволяє кількісно оцінити розвиток екологічних взаємодій у системі "середовище - інфекція - шкідник - рослина". За допомогою моделі можна оцінити вплив чинників зовнішнього середовища на формування врожаю картоплі, розвиток популяції колорадського жука, розвиток інфекції та кількісно оцінити їхню шкідливість і недобір врожаю при агрометеорологічному забезпеченні сільського господарства.

Особистий внесок здобувача. Виконання польових та лабораторних досліджень фотосинтетичної продуктивності рослини картоплі, аналіз експериментальних даних, розробка динамічної моделі екологічних взаємодій у системі "середовище - інфекція - шкідник - рослина" стосовно до культури картоплі та визначення її параметрів для різноманітних грунтово-кліматичних зон України. За допомогою чисельних експериментів установлені кількісні показники чинників середовища, що визначають швидкість розвитку досліджуваних у системі явищ та процесів і їх взаємодію.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались на конференціях молодих вчених ОГМІ (1999, 2000, 2001 роках) та розширеному науковому семінарі кафедри агрометеорології та агрометпрогнозів (2001 рік).

Публікації. Основні результати досліджень автора опубліковані в чотирьох статтях наукового збірника, який входить до переліку видань, затверджених ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел. Повний обсяг дисертації складає 198 сторінок, у тому числі рисунків – 26, таблиць – 27, список використаних джерел містить 123 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми, приводиться її зв'язок з науковими програмами, формулюється мета і задачі дослідження, наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, особистий внесок автора в розробку проблеми, характеристика методів дослідження і використання матеріалів.

У першому розділі розглядається сучасний стан досліджень впливу чинників зовнішнього середовища на ріст, розвиток і формування продуктивності картоплі, розвиток популяції колорадського жука та розвиток інфекції.

Другий розділ містить результати польових експериментів по вивченню впливу агрометеорологічних умов на фотосинтетичну продуктивність рослин картоплі. Розглядаються агрометеорологічні умови і методика проведення польового експерименту. Польові спостереження проводились на учбово-методичній метеорологічній базі "Чорноморка" протягом 1999-2000 рр. Програма польового експерименту разом із стандартними метеорологічними й агрометеорологічними спостереженнями включала також проведення біометричних вимірів. Вивчалася динаміка листової поверхні і приростів біомаси окремих органів рослин картоплі (сорт Приєкульский ранній), на основі яких визначалася чиста продуктивність фотосинтезу рослин та фотосинтетичний потенціал посадок картоплі.

Формування площі листової поверхні, яка являється важливим показником фотосинтетичної продуктивності рослин, проходило дуже інтенсивно в четвертій - сьомій декадах вегетації картоплі. Її рівень визначався умовами термічного режиму та вологозабезпеченості посадок картоплі. Розміри листової поверхні в період максимального розвитку досягали 14,5 і 11,3 тис.м2/га. Така динаміка площі листової поверхні визначила відносно невисокий рівень чистої продуктивності фотосинтезу, що тільки в період максимальних значень досягав 6,5–9,9 г/м2 за добу, а також динаміку приростів загальної біомаси рослин. Їхні максимальні значення досягали 86–87 г(с.р.)/м2 за декаду. Фотосинтетичний потенціал посадок картоплі, що сформувався за вегетаційний період, обумовив відносно невисокий рівень врожаю біомаси бульб.

У третьому розділі викладаються результати моделювання екологічних взаємодій у системі “середовище - інфекція - шкідник - рослина”.

Структура моделі. Система "середовище - інфекція - шкідник - рослина" розглядається нами як складна динамічна система, що розвивається під впливом внутрішніх і зовнішніх чинників, у якій виділяються три головних процеси: ріст і розвиток рослин, розвиток популяції шкідника і розвиток інфекції та їхня складна взаємодія. Моделювання містить кількісний опис процесів фотосинтезу, переміщення запасних речовин з материнської бульби, дихання, росту і розвитку, швидкості розвитку популяції колорадського жука, а також швидкості розвитку фітофтори.

Розглядається, що рослина складається з п'ятьох узагальнених органів (i - назва органу): листа (l), стебла (s), кореня (r), бульби, що росте (p), і материнської бульби (g). Загальна блок-схема динамічної моделі екологічних взаємодій у системі "середовище - інфекція - шкідник - рослина" приведена на рис. 1.

Інтенсивність фотосинтезу описується за допомогою формули (Г.В. Менжулін, 1968; Ю. Рос, З. Бихеле, 1968) з урахуванням впливу на фотосинтез фази розвитку рослини, температурного режиму і вологозабезпеченості посадок, а також забезпеченості рослин елементами мінерального живлення (А.М. Польовий, 1988):

, (1)

де DФ/Dt - інтенсивність фотосинтезу; Фipot - інтенсивність потенційного фотосинтезу; КNPK - коефіцієнт забезпеченості рослин елементами мінерального живлення; ас - нахил вуглекислотної кривої фотосинтезу; Со - концентрація СО2 у повітрі; аiф - нахил світлової кривої фотосинтезу; Пi - поглинена i-м органом фотосинтетично активна радіація; ajф - онтогенетична крива фотосинтезу; Yjф -температурна крива фотосинтезу; Еj - сумарне випарування; Еjо - випаровуваність; j - часовий крок моделі.

Переміщення запасних речовин із материнської бульби в органи молодої рослини можна записати пропорційно запасам поживних речовин материнської бульби (А.М. Польовий, 1978):

, (2)

де DP/Dt - швидкість переміщення вуглеводів із материнської бульби; c - коефіцієнт, що характеризує швидкість переміщення вуглеводів; mg - запаси поживних речовин материнської бульби.

Інтенсивність гетеротрофної фіксації СО2 приймається пропорційно фотосинтезу з урахуванням впливу температури повітря в темний час доби (А.М. Польовий, 1978):

, (3)

де DS/Dt - інтенсивність гетеротрофної фіксації СО2; w - коефіцієнт, що характеризує співвідношення фотосинтетичної і гетеротрофної фіксації СО2 в онтогенезі; YS - температурна крива нічної фіксації СО2; e - коефіцієнт переходу від одиниць СО2 до одиниць сухої біомаси.

При моделюванні динаміки сухої біомаси окремих органів нами прийнята така система рівнянь (А.М. Польовий, 1983):

, (4)

де mi/Dt - швидкість росту і-го окремого органа; Dmр /Dt - швидкість росту бульб; bі - ростова функція вегетативного періоду; СG - коефіцієнт дихання росту; aR - онтогенетична крива дихання; Сm - коефіцієнт підтримки дихання; jR - температурна крива дихання; ui - ростова функція репродуктивного періоду; - функціонуюча біомаса і-го вегетативного органа.

У системі рівнянь (4) компоненти дихання рослин - дихання росту і дихання підтримки структур визначаються за допомогою коефіцієнтів СG, Сm, jR, aR.

Приморозки. При моделюванні впливу приморозків на продуційний процес нами розглядалося, що відбувається зміна інтенсивності фотосинтезу у рослин, ушкоджених приморозком, (параметри Fjpot(fr); ac(fr); ajF(fr)) у рівнянні (1), знижується інтенсивність дихання (параметр aR(fr) ), змінюються функції розподілу асимілятів (функції bі(fr),u(fr)) у системі рівнянь росту, а також зменшується площа листя L(fr). Індекс (fr) означає, що параметр відноситься до рослин, які ушкоджені приморозком.

Популяція шкідника. Моделювання розвитку популяції колорадського жука виконано нами з використанням розробок В.В. Вольвача (1987). Розглядається вплив чинників зовнішнього середовища на загибель жуків у ранньовесінній період, початок і інтенсивність весняного виходу жуків із грунту, тривалість періоду дозрівання жуків, плодючість самок колорадського жука. Загибель особин колорадського жука за період їхнього розвитку від яєць до імаго моделюється в залежності від тривалості розвитку генерації і суми опадів за період, а тривалість розвитку колорадського жука визначається рівнем температури повітря.

Площа листової поверхні (), що поїдається шкідниками, визначається кількістю шкідників та їхньою харчовою потребою:

, (5)

де Kpest - кількість колорадських жуків; Freq - харчова потреба одного шкідника; sl - питома поверхнева щільність листя.

Ушкодження рослин шкідниками призводить до зменшення біомаси листя і площі листової поверхні, крім цього, у моделі враховується зниження інтенсивності фотосинтезу в залежності від ступеню ушкодження шкідниками тканин рослин.

Фітофтора. Умовами, що сприяють початку розвитку грибкових інфекцій, є взаємодія сполучення високої вологості повітря і підвищених температур повітря (О.І. Руденко, М. І Білозір, 1958). Моделюється, що при захворюванні змінюється інтенсивність дихання уражених тканин (Rinf ) і знижується стійкість рослини до несприятливих чинників зовнішнього середовища. Ушкодження рослин хворобами призводить до зниження інтенсивності фотосинтезу, зменшення площі асимілюючої поверхні (Linf ) та зниження кількості функціонуючої біомаси (minf ) в залежності від ступеню поразки рослин інфекцією (Кinf ):

. (6)

Ідентифікація параметрів моделі проводилася нами за результатами власних експериментальних досліджень, матеріалів агрометеорологічних спостережень агро- і метеорологічних станцій за період 1981-2000 рр., а також із використанням літературних даних, що відносяться до досліджуваної проблеми.

Чисельні значення параметрів моделі були визначені стосовно трьох основних грунтово-кліматичних зон України: Полісся, Лісостепу і Степу. Основні параметри блока росту приведені в табл. 1.

Таблиця 1

Основні параметри блока росту

Параметр Одиниця виміру Зона Чисельне значення

tl – сума температур для розрахунку ростової функції листя °С Полісся Лісостеп Степ 135 173 200

ts – сума температур для розрахунку ростової функції стебел °С Полісся Лісостеп Степ 236 302 350

tr – сума температур для розрахунку ростової функції коренів °С Полісся Лісостеп Степ 270 346 400

tр1 – сума температур для розрахунку ростової функції бульб °С Полісся Лісостеп Степ 506 648 750

tр2 – сума температур для розрахунку початку росту бульб °С Полісся Лісостеп Степ 236 302 350

Сl – частка листя у загальній масі безрозмірна 0,37

Сs – частка стебел у загальній масі безрозмірна 0,34

Сp – частка бульб у загальній масі безрозмірна 0,27

Сr – частка коренів у загальній масі безрозмірна 0,02

Перевірка моделі полягала у зіставленні розрахованих по моделі та експериментальних даних (за результатами польового експерименту, а також за даними спостережень агро- і метеорологічних станцій) характеристик біомаси вегетативних і репродуктивних органів. Усього для обчислення помилок розрахунку біомаси бадилля використано 45 випадків, для розрахунку маси бульб 70 випадків. Відносна помилка розрахунку приростів зеленої біомаси бадилля складає 15 %, а сирої маси бульб 18 %. Коефіцієнти кореляції зв'язку розрахункових і фактичних значень дорівнюють відповідно 0,76 і 0,72. Це дозволяє зробити висновок про можливість використання запропонованої моделі екологічних взаємодій у системі "середовище - інфекція - шкідник - рослина” для кількісної оцінки агрометеорологічних умов розвитку популяції шкідника і розвитку інфекції, а також прогнозування врожайності картоплі.

У четвертому розділі розглядаються результати чисельних експериментів, спрямованих на вивчення ефекту впливу агрометеорологічних умов на основні процеси, що відбуваються в досліджуваній системі.

Фотосинтетична продуктивність посадок. Вивчався вплив інтенсивності фотосинтетично активної радіації (ФАР) на продуктивність фотосинтезу в умовах оптимальної (при запасах продуктивної вологи в 0-50 см шарі грунту, що складає 80 % найменшої вологоємності) та недостатньої вологозабезпеченості (вологість грунту складає 30% найменшої вологоємності). Загальний вид світлових кривих продуктивності посадок, отриманих у чисельному експерименті, близький до виду світлової кривої фотосинтезу листя. На фоні оптимального зволоження із збільшенням щільності світлового потоку інтенсивність фотосинтезу листя значно зростає. Порівняння світлових кривих продуктивності, отриманих на фоні різної вологозабезпеченості показує, що при низьких щільностях світлового потоку різниця в рівнях фотосинтезу складає біля 18 мгЧСО2/дм2Чза годину, у той час як при високих інтенсивностях ФАР ця різниця досягає 35 мгЧСО2/дм2Чза годину. Відзначається також деякий зсув у бік більш високої щільності світлового потоку компенсаційного пункту при погіршенні умов вологозабезпеченості.

Розглядалася зміна підсумкових за вегетаційний період характеристик фотосинтетичної продуктивності картоплі різних строків посадки (табл. 2).

Таблиця 2

Основні показники фотосинтетичної продуктивності рослин і врожай при різних строках посадки картоплі

Дата сходів Максималь- на відносна площа листя, м2/м2 Фотосинте-тичний потенціал, (м2/м2)Чдобу Чиста продуктивність фотосинтезу за період максимального розвитку площі листя, Врожай сухої маси при збиранні, т/га Коефіцієнт господарської ефективності, відн. од.

г/м2Чдобу загальної бульб

17 квітня 5,49 442,15 5,9 17,26 4,90 0,28

22 квітня 5,42 405,35 5,0 16,56 4,76 0,28

27 квітня 5,57 399,95 2,7 16,08 4,71 0,29

2 травня 3,50 253,90 4,6 11,85 3,61 0,27

7 травня 2,97 223,50 5,3 10,20 2,66 0,26

12 травня 2,29 158,25 6,7 7,54 2,33 0,31

17 травня 1,93 144,95 7,0 6,49 1,07 0,16

22 травня 1,68 125,60 7,4 5,24 0,19 0,04

Відносна площа листя швидко сформувалася на ранніх варіантах посадки картоплі і складала в період максимального розвитку 5,4–5,6 м2/м2. Ці посадки мали найбільший фотосинтетичний потенціал і хоча рівень чистої продуктивності фотосинтезу в них був дещо нижчий в порівнянні з пізніми строками посадки, ці варіанти відрізнялися найбільш високим рівнем врожайності всієї сухої маси (16,09–17,26 т/га) і біомаси бульб (4,71–4,90 т/га). Також ці посадки відрізняються найбільш високими коефіцієнтами господарської ефективності.

Розвиток популяції колорадського жука. Оцінювався вплив режиму зволоження на загибель шкідника за перші два місяці вегетації картоплі на фоні різноманітного температурного режиму. З рис. 2 видно, що при сумі опадів за цей період 10 мм і температурі 21,5 °С загибель особин колорадського жука складає 22 %. Зниження температури повітря та збільшення кількості опадів за перші два місяці вегетації викликає зростання загибелі особин шкідника. Найбільша загибель особин шкідника спостерігається при опадах понад 100 мм за період.

Рис.2. Вплив кількості опадів за два перших місяці вегетації на фоні різноманітного температурного режиму на загибель особин колорадського жука.

При невеликій чисельності популяції колорадського жука (2–5 особин на 1 м2) спостерігається (табл. 3) незначне зниження приростів біомаси бульб. Відносні прирости біомаси бульб змінюються від 1,0 до 0,96. Збільшення чисельності популяції жука до 25–30 особин на 1 м2 викликає зниження відносних приростів біомаси бульб до 0,91–0,74. При дуже значному збільшенні чисельності популяції жука (45–50 особин на 1 м2) спостерігається істотне зниження відносних приростів біомаси бульб до 0,82–0,55.

Таблиця 3

Динаміка відносних приростів біомаси бульб картоплі (відн. од) в залежності від чисельності популяції колорадського жука

Кількість жуків на 1 м2 Декади вегетації картоплі

5 6 7 8 9 10 11

2 1,0 0,99 0,99 0,99 0,99 0,99 0,99

5 1,0 0,97 0,98 0,97 0,97 0,96 0,96

10 1,0 0,96 0,95 0,94 0,93 0,93 0,92

15 1,0 0,93 0,93 0,91 0,90 0,89 0,88

20 1,0 0,92 0,90 0,88 0,86 0,84 0,84

25 0,91 0,89 0,88 0,84 0,82 0,80 0,80

30 0,91 0,86 0,85 0,81 0,79 0,76 0,76

35 0,91 0,84 0,83 0,77 0,74 0,72 0,72

40 0,91 0,82 0,80 0,73 0,71 0,67 0,67

45 0,82 0,79 0,77 0,69 0,66 0,62 0,63

50 0,82 0,78 0,74 0,65 0,62 0,58 0,58

Розвиток фітофтори. Нами розглядалося формування врожаю картоплі в залежності від строків ураження рослин фітофторою (табл. 4). В залежності від строку розвитку інфекції значно змінюється динаміка приростів бульб картоплі, найбільш значні зміни спостерігаються при ранніх строках ураження інфекцією (до 0,77 від приростів неуражених інфекцією рослин).

Таблиця 4

Динаміка приростів бульб інфікованих рослин картоплі відносно приростів бульб неуражених інфекцією рослин (відн. од.) у різноманітні періоди вегетації

Строк ураження Декади вегетації картоплі

фітофторою 5 6 7 8 9 10 11

Ранній 0,77 0,79 0,82 0,79 0,78 0,77 0,77

Середній 0,80 0,86 0,86 0,99 0,96 0,96 0,94

Пізній 1,0 1,0 1,0 0,89 0,90 0,94 0,96

Приморозки. Моделювався вплив приморозків різної інтенсивності у фазу сходи – поява бокових пагонів. Як видно з рис. 3, навіть при приморозках –1 оС, які не лишають видимих ушкоджень, врожай бульб картоплі зменшується. При приморозках –3 °С бульбоутворення йшло більш уповільнено і врожай бульб складав 75,8 % від контролю. Приморозок –4 °С викликав ще більш значні ушкодження, що призвело до уповільненого бульбоутворення. Врожай сухої маси бульб зменшився до 50 % від врожаю, отриманого без впливу приморозків.

Рис.3. Врожайність бульб картоплі в залежності від інтенсивності приморозків у фазу сходи - поява бокових пагонів: 1) - контроль (без приморозка); приморозки: 2) -1 °С; 3) -3 °С; 4) -4 °С.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що полягає в моделюванні екологічних взаємодій у системі "середовище - інфекція - шкідник - рослина" стосовно до культурі картоплі.

1. Експериментально дослідженно вплив чинників зовнішнього середовища на динаміку площі листової поверхні, чистої продуктивності фотосинтезу, сухої біомаси органів рослин картоплі. Встановлено, що в умовах півдня України в період максимального розвитку рослин чиста продуктивність фотосинтезу знаходиться в межах від 6,5 до 9,9 гЧ/м2Чдобу, прирости сухої біомаси рослин досягають 38,6–46,2 г/м2Чдобу. Фотосинтетичний потенціал посадок картоплі складає від 400 до 440 (м2/м2)Чдобу.

2. Розроблено динамічну модель екологічних взаємодій у системі "середовище - інфекція - шкідник - рослина", у якій моделюється вплив чинників зовнішнього середовища на формування продуктивності культури картоплі, розвиток популяції колорадського жука, розвиток фітофтори в їхньому складному взаємозв'язку.

3. Для основних грунтово-кліматичних зон України ідентифіковані параметри моделі екологічних взаємодій у системі "середовище - інфекція - шкідник - рослина", що характеризують процеси росту і розвитку рослин картоплі, розвиток популяції колорадського жука після перезимівлі і кожної наступної генерації, розвиток фітофтори та їхня шкідливість. Проведено перевірку адекватності моделі й оцінено чутливість моделі до зміни її параметрів.

4. Встановлено, що найвищий рівень фотосинтезу рослин до 55 мг СО2/дм2 за годину спостерігається при інтенсивності ФАР більш 627 Вт/м2, при температурі повітря в межах 17-20 °С і при запасах продуктивної вологи в 0–50 см шарі грунту близько 80 % найменшої вологоємності.

5. Кількісно оцінена відмінність в динаміці показників фотосинтетичної продуктивності картоплі різних строків посадки. При ранніх строках посадки відносна площа листя в період максимального розвитку складає 5,5 м2/м2, а чиста продуктивність фотосинтезу досягає 5,9 г/м2Чдобу, фотосинтетичний потенціал становить 442 (м2/м2)Чдобу.

6. Визначені показники впливу температури повітря в ранньовесінній період на кількість особин колорадського жука, що вижили після зимівлі. Встановлено кількісні критерії впливу чинників середовища на відносну плодючість самок колорадського жука, наступну загибель особин шкідника. Мінімальна кількість особин (67–74 %) спостерігається при понижених температурах повітря (13–16 oС) і значній кількості опадів. Найбільша кількість жуків спостерігається при температурах понад 20 °С і невеликій кількості опадів (менше 40 мм) за першу половину періоду вегетації картоплі. Оцінено зниження відносних приростів біомаси бульб у залежності від розвитку популяції шкідника.

7. Встановлено вплив строку початку розвитку захворювання фітофторою на фотосинтетичну продуктивність рослин картоплі. Зменшення загальної біомаси наприкінці вегетації було найбільшим при ранніх строках розвитку захворювання, загальна маса рослин склала 77,9 % від загальної маси здорових рослин, зниження врожаю бульб склало 21,1 %. При більш пізніх термінах розвитку фітофтори зниження розмірів загальної біомаси і врожаю бульб було істотно меншим.

8. Кількісно оцінено вплив пізніх весняних приморозків різної інтенсивності на формування врожаю картоплі. Встановлено, що приморозок –4 °С у період сходів призводить до уповільненого бульбоутворення і зниження врожаю на 50 %.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА

ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Данилевич С.М. Моделирование формирования урожая картофеля в агроэкосистеме "среда - инфекция - вредитель - растение". // Міжвід. наук. зб. України. - Метеорологія, кліматологія і гідрологія. - Одеса. - 1999. - Вип. 39. - С. 146-154.

2. Данилевич С.М. Моделирование экологических взаимодействий в системе "среда - инфекция - вредитель - растение". // Міжвід. наук. зб. України. - Метеорологія, кліматологія і гідрологія. - Одеса. - 2000.- Вип. 40. - С. 11-12.

3. Свидерская С.М. Оценка влияния агрометеорологических условий на продуктивность картофеля (результаты численных экспериментов с моделью). // Міжвід. наук. зб. України. - Метеорологія, кліматологія і гідрологія. - Одеса. - 2000. - Вип. 41. - С. 148-155.

4. Свидерская С.М. Оценка влияния агрометеорологических условий на развитие колорадского жука с помощью модели экологических взаимодействий в системе "среда - инфекция - вредитель - растение". // Міжвід. наук. зб. України. - Метеорологія, кліматологія і гідрологія. - Одеса. - 2001. - Вип. 43. - С. 116-126.

5. Свидерская С.М. Оценка влияния агрометеорологических условий на развитие колорадского жука с помощью модели экологических взаимодействий в системе "среда - инфекция - вредитель - растение". // Тези доповідей 26.02 - 3.03.2001 р., ІІ наукової конференції молодих вчених ОГМІ. - Одеса. - 2001. – С.13.

АНОТАЦІЇ

Свідерська С.М. Моделювання екологічних взаємодій у системі “середовище - інфекція - шкідник - рослина” стосовно до культури картоплі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук. - Спеціальність 11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія. - Одеський гідрометеорологічний інститут, Одеса, 2002.

Дисертація присвячена проблемі моделювання екологічних взаємодій у системі “середовище - інфекція - шкідник - рослина”. Моделюється вплив чинників зовнішнього середовища на формування продуктивності культури картоплі, розвиток популяції колорадського жука і розвиток фітофтори в їхньому складному взаємозв'язку. Встановлено закономірності впливу агрометеорологічних умов на фотосинтетичну продуктивність картоплі, визначені кількісні показники чинників зовнішнього середовища, що обумовлюють розвиток популяції шкідника і розвиток хвороби, та приведена кількісна оцінка зниження врожаю у зв'язку з їхнім шкідливим впливом. Кількісно оцінене зниження продуктивності картоплі в залежності від ушкодження сходів пізніми весняними приморозками.

Ключові слова: картопля, фотосинтез, дихання, ріст, розвиток, біомаса, колорадський жук, фітофтора, приморозки.

Свидерская С.М. Моделирование экологических взаимодействий в системе “среда – инфекция – вредитель - растение” применительно к культуре картофеля. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук. – Специальность 11.00.09 – метеорология, климатология, агрометеорология. – Одесский гидрометеорологический институт, Одесса, 2002.

Моделируются экологические взаимодействия в системе “среда – инфекция – вредитель - растение” применительно к культуре картофель.

Экспериментально исследовано влияние агрометеорологических условий на фотосинтетическую продуктивность посадок картофеля. Установлено, что в условиях юга Украины в период максимального развития растений чистая продуктивность фотосинтеза находится в пределах от 6,5 до 9,9 г/м2·сут, приросты сухой биомассы растений достигают величин от 38,6 до 46,2 г/м2·сут. Фотосинтетический потенциал посадок картофеля составляет от 400 до 440 (м2/м2)·сут.

Рассматривается, что система “среда – инфекция – вредитель – растение” представляет собой сложную динамическую систему, которая развивается под воздействием внутренних и внешних факторов. В ней выделяются три главных процесса: рост и развитие растений, развитие популяции вредителя и развитие болезней и их сложное взаимодействие. Моделирование процесса роста и развития растений картофеля содержит количественное описание процессов фотосинтеза, ночной фиксации СО2, перетока из материнского клубня, дыхания, роста и развития, скорости развития популяции колорадского жука, а также скорости развития фитофторы и их вредоносного воздействия на растение.

На основе экспериментальных данных и материалов агрометеорологических наблюдений агро- и метеорологических станций Украины за период 1981-2000 гг. проведена идентификация параметров модели экологических взаимодействий в системе “среда – инфекция – вредитель - растение”. Параметры модели определены в разрезе трех основных почвенно-климатических зон Украины. Относительная ошибка расчетов по модели приростов зеленой биомассы ботвы составляет 15 %, а сырой массы клубней – 18 %.

В численных экспериментах с моделью количественно оценено влияние агрометеорологических условий на продуктивность фотосинтеза растений картофеля. Установлено, что наивысший уровень фотосинтеза растений (55 мг СО2/дм2Ччас) наблюдается при интенсивности ФАР более 627 Вт/м2, при температуре воздуха в пределах 17–20 °С и при запасах продуктивной влаги в полуметровом слое почвы около 80 % наименьшей влагоемкости почвы. На фоне недостаточного увлажнения интенсивность фотосинтеза не превышает 20 мг СО2/дм2. Сравнение световых кривых продуктивности, полученных на фоне различного увлажнения, показало, что при низких плотностях светового потока различие в уровнях фотосинтеза составляет около 18 мг СО2/дм2 час, в то время как при высоких интенсивностях ФАР это различие достигает 35 мг СО2/дм2 час. Установлено, что общей закономерностью световых кривых продуктивности посева является также некоторое смещение в сторону более высокой плотности светового потока компенсационного пункта при ухудшении условий влагообеспеченности.

Дана оценка различия в динамике показателей фотосинтетической продуктивности картофеля различных сроков посадки. При ранних сроках посадки относительная площадь листьев в период максимального развития составляет 5,5 м2/м2, а чистая продуктивность фотосинтеза – 5,9 г/м2Чсут, фотосинтетический потенциал - 442м2/м2)Чсут. Эти посадки отличались наиболее высоким уровнем урожайности всей сухой массы и биомассы клубней.

Дана оценка влияния факторов внешней среды на гибель жуков в ранне-весенний период, начало и интенсивность весеннего выхода жуков из почвы, продолжительность периода созревания перезимовавших жуков, установлены количественные критерии влияния факторов среды на относительную плодовитость самок колорадского жука, последующую гибель особей. Установлено, что наиболее высокая плодовитость самок колорадского жука наблюдается при температуре воздуха выше 20 оС. Минимальное количество особей (67-74 %) наблюдается при пониженных температурах воздуха (13-16 oC) и значительном количестве осадков за первую половину периода вегетации картофеля. Наибольшее количество жуков наблюдается при температурах свыше 20 °С и небольших количествах осадков (менее 40 мм) за первую половину периода вегетации. Оценено снижение приростов биомассы клубней в зависимости от развития популяции вредителя. При небольшой численности популяции колорадского жука (2-5 особей на 1 м2) наблюдается незначительное снижение относительных приростов биомассы клубней (от 1,0 до 0,96). Увеличение численности популяции жука до 25 - 30 особей на 1 м2 вызывает снижение относительных приростов биомассы клубней до 0,91 - 0,74.

Количественно оценено снижение урожая в зависимости от сроков начала развития заболевания фитофторой. При раннем сроке развития заболевания снижение урожайности клубней составляет 21,1 %.

Количественно оценено влияние поздних весенних заморозков различной интенсивности на формирование урожая картофеля. Установлено, что заморозок –4 °С в период всходов приводит к замедленному клубнеобразованию и снижению урожая на 50 %.

Ключевые слова: картофель, фотосинтез, дыхание, рост, развитие, биомасса, колорадский жук, фитофтора, заморозки.

Sviderskaya S.M. Modeling of ecological interactions in a system “environment – infection – vermin – plant” in application to a cultivation of potatoes. – Manuscript.

Thesis for the candidate's degree by speciality 11.00.09 – meteorology, climatology, agrometeorology. – The Odessa Hydrometeorological Institute, Odessa, 2002.

The thesis is devoted to the problem of modeling of ecological interactions in a system “environment – infection – vermin – plant”. The influence of factors of outward environment on forming the cultivation of productivity of potatoes, the development of Colorado beetle species and the development of fitoftora in their complicated correlation are modeling. The conformity of the influence of agrometeorological conditions on photosynthetic productivity of potatoes are established, the quantitative indexes of factors of outward environment that determine the development of vermin species and the development of the diesease are determined. The quantitative appreciation of reduction of harvest according to their harmful influence is done. The reduction of productivity of potatoes according to the damage of young growth by early frosts in late spring is quantitatively appreciated.

Key words: potatoes, photosynthesis, respiration, growth, development, biomass, Colorado beetle, fitoftora, early frosts.