Tóm lược:

Một mô hình mô phỏng hóa cây bắp ( Zea mays L.) mới, Bắp lai, được phát triển bằng cách kết hợp sức mạnh của hai phương pháp tiếp cận mô hình hóa, chức năng tăng trưởng và phát triển trên mô hình chuyên tính cây bắp thể hiện bởi Ceres-Maize, và chế phẩm cơ học quang tổng hợp và hô hấp trên những mô hình cây trồng phát sinh như là INTERCOM và WOFOST. Nó mô tả đặc tính phát triển phát sinh loài cây bắp do nhiệt độ, sự toàn vẹn tán lá thẳng quang tổng hợp, hô hấp tăng trưởng chuyên tính cơ quan, và hô hấp bảo quản nhạy cảm nhiệt. Thể vùi hô hấp thô, hô hấp phát triển, và hô hấp bảo quản làm cho mô hình Bắp lai một cách tiềm tàng phản ứng nhiều hơn với những thay đổi điều kiện môi trường so với những mô hình như là CERES-Maize. Hybrid-Maize (bắp lai) cũng cần ít tham số chuyên tính kiểu gen mà không phải hi sinh độ chính xác dự báo. Một quan hệ tuyến tính giữa độ/ngày phát triển (GDD) từ khi mọc đến thời kỳ phun râu và GDD từ mọc đến trưởng thành sinh lý được dùng trong việc dự báo số ngày phun râu khi biện pháp trước không thể sử dụng. GDD tổng số có thể sử dụng những giống bắp lai thương phẩm. Phương pháp đánh giá ngoài ruộng sơ khởi ở hai địa điểm trong điều kiện phát triển cao sản chỉ dấu có sự thống nhất gần giữa những giá trị mô phỏng và tính toán về diện tích lá, tích tụ chất khô, năng suất hạt và rơm khô cuối, và chỉ số thu hoạch (HI). Những diện tích chủ yếu trong việc cải tiến thêm mô hình gồm có dự báo LAI (chỉ số diện tích lá) ở mật độ trồng co và việc chia sinh khối, đổi chỗ carbonate, và hô hấp bảo dưỡng phản ứng lại nhiệt độ trên-trung bình, đặc biệt trong suốt giai đoạn sinh sản. Mô hình không được đánh giá trong điều kiện thiếu nước va/hoặc dinh dưỡng, và những cố gắng hiện đạng tiến triển trong việc phát triển và hợp lý hóa những thành phần cân băngg nước và nitrogen trong mô hình Bắp Lai.

Những từ chủ yếu: Mô hình cây trồng, mô phỏng cây trồng, tiềm tàng năng suất; Zea mays L.

1. Phần dẫn nhập

Những mô hình mô phỏng cây trồng là những công thức toán học của quá trình phát triển cây trồng như bị ảnh hưởng bởi phản ứng tương tác giưac kiểu gien, môi trường, và việc quản lý cây trồng. Chúng đã trở thành một công cụ cần trong việc hỗ trợ nghiên cứu khoa học, quản lý cây trồng, và phân tích chính sách (Fischer et al. 2000; Hammer et al. 2002; Hansen, 2002). Những mô hình mô phỏng phục vụ những mục đích khác nhau, và mục đích có ý đồ ảnh hưởng chừng mực chi tiết cần cho mô tả cơ học những quá trình chủ yếu, tính nhạy cảm môi trường và quản lý, những yêu cầu dữ liệu, và đầu ra của mô hình. Tất cả những mô hình cây trồng hạt nhỏ phải mô phỏng tăng trưởng cây trồng và phát triển, chia sinh khối giữa những cơ quan (lá, thân, rễ, và cấu trúc sinh sản), và hình thành năng suất. Độ chính xác của việc mô phỏng đầu ra của những quá trình này qua nhiều môi trường lệ thuộc vào sự hiểu biết cơ bản về quá trình sinh thái sinh lý chủ yếu và đưa kiến thức này vào công thức toán học tạo ra mô hình. Ví dụ, dự báo chính xác viễn cảnh phân lập cacbon (C) trong một hệ thống canh tác đã biết đòi hỏi mô phỏng mạnh năng suất hạt và rơm khô, và số lượng nền dưới đã chia đồng hóa với sinh khối rễ và dịch rỉ (Cassman et al 2003).

Những phương pháp tiếp cận khác nhau đã được dùng trong việc mô phỏng tăng trưởng và phát triển cây bắp (Zea mays L.). Mô hình cây trồng phát sinh giống loài mô tả những quá trình đồng hóa, hô hấp, phát triển và tăng trưởng không liên quan đến loài cây trồng, và sau đó được chỉnh lại đê mô phỏng những đặc tính phát sinh giống loài và sinh lý của cây trồng đặc biệt như cây bắp, lúa, hoặc khoai tây. Những ví dụ mô hình cây trồng giống loài gồm có SUCROS, WOFOST và INTERCOM (van Ittersum et al. 2003), STICS (Brisson et al. 2003), và CropSyst (Stockle et al. 2003). Ngược lại với mô hình giống loài, những mô hình cây trồng khác đã được phát triển để mô phỏng tăng trưởng và phát triển một loài cây trồng đặc biệt. Mô hình CERES-Maize và việc thực thi trên DSSAT (Jones và Kiniry 1986; Jones et al. 2003), và mô hình Muchow-Sinclair-Bennett (MSB) (Muchow et al. 1990) là những ví dụ của mô hình đặc biệt.

Những mô hình mô phỏng chuyên tính bắp khác rất nhiều so với mô hình giống loài về cả hai mặt khung hoạt động lý thuyết vqf xử lý tăng trưởng và phát triển chỉ đạo. Ví dụ, INTERCOM (Kroff và van Laar, 1993; Lindquist, 2001) phân biệt chỉ hai giai đoạn- giai đoạn sinh dưỡng từ nảy mầm đến trổ bông và giai đoạn sinh sản từ trổ bông đến chín- và cần đầu vào độ/ngày phát triển (GDD) trong cả hai giai đoạn. Ngược lại, CERES-Maize phân biệt năm giai đoạn phát triển- từ nảy mầm đến cuối giai đoạn cây con; từ cuối giai đoạn cây con đến tượng cờ; từ giai đoạn tượng cờ đến phun râu; từ giai đoạn phun râu đến tượng hạt hiệu quả; và từ giai đoạn tượng hạt hiệu quả đến chín sinh lý- và cần những tham số đầu vào chuyên tính giống trồng trong cách khoảng GDD từ giai đoạn nảy mầm đến cuối giai đoạn cây con, tính cảm ứng ánh sáng, và thời kỳ phun râu đến chín trên GDD. Hai tham số đầu vào chuyên tính giống trồng phụ là cần trong việc phát triển hạt trên CERES-Maize.

Trên những mô hình giống loài như WOFOST (Van Diepen et al. 1989) và INTERCOM, phát triển của những cơ quan thực vật được điều khiển cơ bản bởi tính khả dụng chất đồng hóa từ mô phỏng hóa quang tổng hợp bộ lá, và cả hai phát triển và hô hấp bảo dưỡng rõ là được giải trình để xác định sản xuất trọng lượng khô. Trong những mô hình chuyên tính cây bắp như là MSB và CERES. Cây bắp, phát của cơ quan cơ bản được diều khiển bởi nhiệt độ, và sản xuất chất khô được tính toán trực tiếp từ bức xạ mặt trời hấp thu bởi một giá trị không thay đổi trong hiệu quả sử dụng bức xạ (RUE) giải trình tính chất tuyệt đối chi phí hô hấp. Việc sử dụng một giá trị RUE không thay đổi khi lực điều khiển tích tụ chất khô trên những mô hình mô phỏng cây trồng đã được hỏi vì giá trị RUE không thay đổi đưa nhiều quá trình sinh lý, mỗi trong số nhạy cảm với điều kiện cây trồng và tình trạng cây trồng (Goudriaan và van Laar, 1994; Leomis và Amthor, 1999). Vì thế, RUE là một biến toàn vẹn, năng động nghĩa là cảm ứng với nhiệt độ và cường độ ánh sáng, và những mô hình   tin vào giá trị RUE không thay đổi có thể là ít nhạy cảm với biến đổi điều kiện thời tiết và tình trạng sinh lý cây trồng. Ví dụ, Edmeades và Bolanos (2001) giả định là giá trị RUE chuẩn dung trên CERES-Maize có thể là quá lớn cho những miền nhiệt đới nơi nhiệt độ cao có thể đưa đến tỷ lệ hô háp lớn và cường độ bức xạ đỉnh cao đưa đến việc làm giảm quang tổng hợp từ oxyt hóa ánh sáng.

Những mô hình như là CERES-Maize (Carberry et al. 1989; Hodges et al. 1987; Riniry et al. 1997; Liu Xie 2001) hoặc MSB (Muchow et al. 1990; Wilson et al. 1995) đã có hiệu lực rộng rãi chống lại quan sát ngoài đồng ruộng trong những môi trường khác nhau trong 15 năm qua. Tuy nhiên, cây bắp cho năng suất báo cáo trong những công trình hợp lý hoá này dưới mức tiềm tàng năng suất bắp, được xác định như là năng suất của một giống cây trồng khi được trồng trong những môi trường với nó cây trông thích ứng, có dinh dưỡng và nước không giới hạn, và dịch hại và bệnh kiểm tra một cách hiệu quả (Evans, 1993). Vì thế nhiều hợp lý hoá có cơ sở trên thí nghiệm ngoài đồng ruộng trong đó năng suất bị giới hạn bởi nguồn cung cấp nước hoặc nitơ (N) dưới mức tối ưu, hoặc những yếu tố giới hạn khác. Ngoài ra, nhiều khảo nghiệm này thiếu tính toán chi tiết chỉ số diện tích lá (LAI), nguồn gốc phát sinh loài giống, sinh khối cây trồng, hoặc thành phần năng suất. Những thiếu sót này mở đầu một phương pháp đánh giá tổng hợp đặc tính mô hình. Để đảm bảo là những mô hình là mạnh trong việc mô phỏng hoá qua nhiều năng suất có thể thực hiện, điều quan trọng là đánh giá đặc tính mô hình trong điều kiện cao sản trong đó năng suất tiếp cận với trần tiềm tàng năng suất, cũng như trong những môi trường tạo ra năng suất thấp trong trường hợp stress.

Những cố gắng mới trong việc cải tiến CERES-Maize đã tập trung vào việc phát triển diện tích lá và lão hóa (Lizaso et al. 2003a), thu hút ánh sáng (Lizaso et al. 2003b), và thành phần năng suất (Ritchie và Alagarswamy, 2003). Mặc dù những cải tiến trên có thể đưa đến mô phỏng hoá cải tiến những qui trình đặc biệt cho kiểu gen và môi trường đã chọn, chúng có thể cần những tham số đầu vào chuyên tính giống trồng phụ liên quan tính trạng lá, thay hệ số tắt ánh sáng, hoặc bộ hạt. Việc sử dụng rộng những mô hình chi tiết nhiều hơn này có thể dễ bị giới hạn bởi yêu cầu tham số đầu vào chuyên tính giống trồng phụ. Hơn nữa, khoảng đời sống ngắn của dòng lai thương phẩm mới làm cho nó khó sử dụng mô hình chi tiết   trừ khi số lượng tham số đầu vào chuyên tính giống trồng nhỏ hoặc tham số dễ được tính toán và có thể tiếp cận cho người sử dụng cuối.

Mục tiêu khảo nghiệm là để phát triển một mô hình cây bắp có thể mô phỏng tiềm tàng năng suất và nhạy cảm với biến đổi tiềm tàng năng suất khi bị ảnh hưởng bởi bức xạ mặt trời và chế độ nhiệt độ. Mô hình mới, gọi là "Hybrid-Maize" (Bắp Lai), được phát triển bởi cách kết hợp chức năng rõ trong quang tổng hợp và hô hấp dùng trong những mô hình cây trồng giống loài điều khiển chất đồng hoá. INTERCOM và WOFOST có những chế phẩm CERES-Maize hiệu đính trong việc phát triển phát sinh giống loài và phát triển cơ quan. Mô hình Hybrid-Maize sau đó được đánh giá về khả năng mô phỏng hoá phát triển diện tích lá bắp, tích tụ chất khô trên mặt đất, năng suất hạt và rơm khô trong những khảo nghiệm ngoài đồng ruộng trong đó việc quản lý cây trồng nỗ lực tạo ra điều kiện tăng trưởng với stress có thể thực hiện thấp nhất từ yếu tố sinh học và vô sinh. Với mục đích so sánh, khảo nghiệm ngoài đồng ruộng cũng được mô phỏng bằng cách sử dụng CERES-Maize và INTERCOM.

Mở khoá những bí mật chu kỳ hoá cacbon và

nitrogen trên hệ thống bắp và bắp-đậu nành thường xuyên

A. Dobermann et al.

Tóm lược

Chúng tôi cung cấp bản cập nhật về những xu thế và thay đổi năng suất bắp mới trên C và N trong đất quan sát được trong khảo nghiệm "Thâm canh sinh thái hệ thống canh tác trên nền bắp có tưới ở Lincoln, NE. Năng suất bắp đang tiếp cận 95% tiềm tàng năng suất mô phỏng hoá đã được hoàn tất trong những năm gần đây, một năng suất cao 287 bu/a (giạ/sào anh) năm 2004. Việc khai thác tốt của mùa sinh dưỡng có thể sử dụng và việc quản lý cây trồng cải tiến góp phần vào năng suất bắp cao. Khác biệt năng suất trong những nghiêm thức cơ bản là do những khác biệt trên hạt/trái và trọng lượng 100 hạt, thay đổi bởi luân canh cây trồng, mật số cây, và chừng mực quản lý dinh dưỡng. Trong những hệ thống bắp thường xuyên thâm canh, việc trộn chung số lượng C và N tồn lưu đã đưa đến tích tụ có ý nghĩa chất hữu cơ trong đất trong vài năm, phần lớn có thể đã góp phần vào hiệu quả sử dụng nitơ tăng. Mặc dù năng suất bắp và hiệu quả sử dụng N cao nhất trong hệ thống bắp-đậu nành thâm canh, nắng suất được hoàn tất với chi phí sử dụng dự trữ C và N trong đất. Việc lấy đi N trong hạt lớn, đầu vào chất tồn lưu ít và quay vòng nhanh chất tồn lưu đậu nành thông qua những hạt hữu cơ trẻ được thấy trong luân canh CS (=bắp/đậu nành). Tín dụng N có thuộc tính luân canh bắp / đậu nành hình như sẽ là do "đào mỏ" dự trữ N trong đất. Ngược lại, trong những hệ thống tích tụ SOM, tín dụng phải được cấp cho hiệu quả của phân N bón thêm trong việc làm tăng cô lập N trong đất.

1. Phần nhập đề:

Chương trình khảo nghiệm UNL về hệ thống canh tác sinh thái tổng hợp trên nền cây bắp có tưới được thiết lập năm 1999 để (i) cải tiến sự hiểu biết tiềm tàng năng suất của bắp và đậu nành và làm cách nào điều này bị ảnh hưởng bởi thời tiết và quản lý, (ii) phát triển những phương pháp tiếp cận với việc quản lý bắp và bắp/đậu nành thường xuyên ở 80-95% tiềm năng năng suất, (iii) tiến hành đánh giá tổng hợp sản xuất, lợi tức, hiệu quả sử dụng đầu vào, cân bằng năng lượng, và hậu quả môi trường của những hệ thống canh tác thâm canh, và (iv) phát triển một cơ sở khoa học và công cụ quyết định trong việc ngoại suy những địa điểm khác. Dự án đưa đến một mô hình phát triển cây bắp trên nền sinh lý (Yang et al. 2004b) và phân mềm thân hữu người dùng (Yang et al. 2004a), thông tin mới về hiệu quả sử dụng bức xạ trên bắp cao sản (Lindquist et al. 2005), sự hiểu rõ biến đổi miền trên tiềm tàng năng suất bắp (Dobermann et al. 2003), thông tin mới về hiệu quả sử dụng N, quay vòng cacbon và nitrogen, và phát sinh khí nhà kính trong những hệ thống bắp và bắp/đậu nành (Arkebauer et al. 2004), và dữ liệu chi tiết về việc phát sinh loài giống đậu nành và phản ứng năng suất lại việc quản lý và thời tiết. Trong báo cáo này chúng tôi cung cấp một bản cập nhật về (1) xu hướng năng suất bắp hiện nay và phản ứng của thành phần năng suất bắp với luân canh cây trồng, mật số cây, và quản lý dinh dưỡng, và (2) những thay đổi về cacbon và nitơ trong đất trải qua thời gian.

RGC 07-11-2007

Trở về Trang Chính