Projekt
Weizen-Modell

• Einleitung
• Modellgrundlagen
• Standortanwendung
• Ertragsvorhersage
• Stressidentifizierung
• Zusammenfassung (PDF)

Winterweizen Modellierung mit einfachen Differentialgleichungssystemen
-vom Blattapparat über Bodenstickstoff & -aufnahme zum Ertrag-

Einleitung:

Ziel ist es mit möglichst einfachen Strukturen das Wachstum und die Stickstoffaufnahme im Winterweizen (und anderen Getreidearten) zu modellieren. Im Protokoll wurde mit einem rudimentären Basissystem begonnen, um dann die zusätzliche Komplexität über die Zeit und die klimatische Steuerung mit entsprechenden mathematischen Funktionen zu berücksichtigen. Ziel war es zu jedem Entwicklungsschritt die Ergänzungen statistisch zu verifizieren. Begonnen wurde mit einem 3 Kompartiment Modell (Bodenstickstoff, N-Aufnahme, Blattbestand in Form des Green Area Index (GAI)), Anwendung auf ein Jahr, über 10 (!) Stickstoffstufen. Es folgten die Kompartimente Halmwachstum und Ährenwachstum, bzw. Ertrag. Im dritten Schritt erfolgte die Anpassung an die Daten von 4 Jahren mit unterschiedlichen Witterungsszenarien, d.h. die Entwicklung entsprechender Responsefunktionen bzgl. Temperatur, Licht, Wasser, etc. Das Projekt beschreibt ein zweidimensionales Regressionsproblem, die Zeit auf der x-Achse, die Stickstoffstufen auf der y-Achse über die 5 definierten Kompartimente. Die kausale Transformation der Physiologie in Form von Modellgleichungstyp und Parametervektor hat sich damit ergeben, welches Modell die durch die Daten vorgegebene Matrix simultan am besten repräsentiert. Zentrum des Ansatzes ist der Blattbestand oder GAI und wie sich alle Input- und Witterungsfaktoren auf die Entwicklung, Erhaltung und Überleben des Bestandes auswirkt, bzw. wie sich der GAI den zeitlich variablen Bedingungen anpasst.

Anmerkungen

Mit dem Projekt wurde eine wichtige Grundlage für die Abschätzung und Konsequenzen/Auswirkung der Stickstoffdüngung erbracht. Es fehlt momentan die Übertragbarkeit. Der Fokus der Arbeit lag auf der Definition der Wachstums- und Seneszenzparameter von Winterweizen in Abhängigkeit der N-Düngung und den Witterungsbedingungen. Der Komplex "Entwicklung" wurde bewusst ausgelassen, bzw. vereinfacht. Insgesamt werden die Entwicklungsstadien des Winterweizen (ca. EC21-EC92) in dem Modellansatz auf 4 Zeitpunkte kondensiert. Entsprechende Schaltfunktionen ändern die Dynamiken des Differentialgleichungssystems. Dazu gehören (jeweils in Julianischen Tagen):

• GAI_max: Tag an dem numerisch der höchste GAI Bestand erreicht wird. Dieser Wert variiert mit der Düngermenge, niedrige N Mengen führen zu einem früheren Termin um bis zu 5 Tage; mit den Breitengraden (52°N, ca. 149 ± 5 Tage; 52°5N, ca. 151 ± 5 Tage; 55°5N 166 ± 9 Tagen¹; Stresse könnten diesen Wert ebenfalls variieren; quantitative Auswirkung unbekannt.
• Ear_onset: Beginn des Ährenwachstums, zwischen Tag 156, 157 bzw. 167¹, je ± 5 Tage
• Shoot_offset zwischen Tag 171, 172 bzw. 193¹, je ± 4 Tage, bzw. 15 Tage¹
• GAI_s: Zeitpunkt der beschleunigten GAI Seneszenz, Tag 201 bzw. 226¹, je ± 5 Tage, N-Mangel und andere Stresse verkürzen den für die Ertragsbildung wichtigen Zeitpunkt.

Weitere Punkte: die Ährentrockenmassen sind mit gut 12 Mg/ha und mehr sehr hoch. (um auf den Ernteertrag mit 15% Restfeuchte zu kommen, müssen etwa 4% von den modellierten Ergebnissen abgezogen werden). Natürlich ist das Modell an die klimatischen Bedingung für England angepasst worden. Wie schon gezeigt, es gibt einen Breitengradeffekt, es ist zu erwarten, dass z.B. für Es handelt sich um intensiv gepflegte Versuchsparzellen, und der Weizen wurde vorbeugend mit Strobilurinen behandelt, was nicht nur potentielle Pilzkrankheiten unterdrückte, sondern auch das Überleben des grünen Bestandes verlängerte, d.h. der Parameter GAI_s wurde entsprechend auf der Zeitachse nach rechts verschoben. Die Versuche wurden teilweise erst Anfang September geerntet.