của thuốc bảo vệ thực vật gây nên trong hệ sinh thái. Ðây không chỉ là vấn đề của hệ sinh thái đồng ruộng, nếu thiếu suy xét sâu xa đến các hệ sinh thái khác thì vấn đề cũng sẽ không được giải quyết.
Ðiều khiển hoá học sự sinh trưởng phát triển của cây trồng phải gồm những nội dung sau đây và các phương thức này được gọi là điều khiển hoá học đối với cây trồng.
1. Ðiều khiển nẩy mầm, ngủ nghỉ.
2. Ðiều khiển hoá học sinh trưởng chiều cao cây, đẻ nhánh.
3. Ðiều khiển hoá học trỗ bông nở hoa.
4. Ðiều chế hoá học hiện tượng chín và hiện tượng hoá già.
5. Ðiều khiển hoá học các đặc tính sinh thái: tính chóng nóng, tính chống rét.
6. Ðiều khiển hoá học chất lượng sản phẩm.
Ðiều khiển sinh học
Cho đến nay, nói điều khiển sinh học là người ta nghĩ ngay đến việc cải tiến giống cây trồng, chọn tạo ra các giống mới. Tạo giống đã có tác dụng rất lớn trong việc tăng năng suất lúa nước của Việt Nam và thế giới (Trần Công Tạn và ctv, 2002). Công tác nghiên cứu tạo giống gần đây đã tiến thêm một bước do đã tạo ra các giống lúa lai 2 dòng, 3 dòng (Nguyễn Thị Trâm, 2003).
Về mặt phòng trừ sâu bệnh hại, việc nghiên cứu lợi dụng thiên địch từ lâu đã được chú trọng (Odum, 1983; Trần Ðức Viên, 1998). Thiên địch của sâu hại có côn trùng ký sinh, virut, vi khuẩn, động vật nguyên sinh..., trong đó, việc lợi dụng vi sinh vật đang được coi trọng nhất. Từ đó cho thấy, phương hướng điều khiển hệ sinh thái đồng ruộng, ngoài các phương pháp đã có ra, tiến hành điều khiển bằng những tác dụng tương hỗ giữa cây trồng và môi trường ngày càng trở nên quan trọng. Do đó, nêu rõ tính quy luật định hướng về tác dụng tương hỗ giữa cây trồng và môi trường là hết sức cần thiết.
Dưới đây xin lấy việc điều khiển độ nhiệt làm thí dụ để nói rõ sự cải thiện môi trường trồng trọt; đối với hệ sinh thái đồng ruộng, đây có thể là một ví dụ tương đối đặc thù. Sau đó sẽ bàn đến những suy nghĩ về điều khiển tổng hợp, điều khiển hệ thống phụ và việc sản xuất cây trồng có kế hoạch.
2. Ðiều khiển quá trình của hệ sinh thái đồng ruộng
Tín hiệu
+
-
Tín hiệu
Tín hiệu
điều khiển
Cơ cấu
điều khiển
Quá trình
Hình 1.4. Phương thức điều khiển cơ bản
130
Hệ thống điều khiển thích ứng
Trong sản xuất công nghiệp thường gặp phải vấn đề: để cho sản phẩm phù hợp với một yêu cầu của một chỉ tiêu nào đó, phải tiến hành điều khiển và đo giám định đối với chức năng bộ phận của hệ thống chế tạo sản phẩm đó, thông thường gọi đó là vấn đề điều khiển quá trình, là một lĩnh vực nghiên cứu của kỹ thuật điều khiển. Phương thức điều khiển này là một loại điều khiển tự động, thu được thông tin từ bộ phận của hệ thống hoặc từ đầu chuyển ra, nhờ đó mà điều khiển chức năng của hệ thống. Hình 1.4 là một thí dụ cơ bản và giản đơn trong hệ thống có chức năng như vậy. Ðó là phương thức lấy thông tin chuyển ra của hệ thống quy về phía chuyển vào, nhờ đó kiểm tra sai số tồn tại mà điều tiết tín hiệu chuyển đi. Phương thức điều khiển này có hiệu suất và độ chính xác kém, phạm vi thích hợp hẹp, không thích hợp dùng vào hệ thống quy mô lớn. Hệ thống xử lý trong kỹ thuật hệ thống nói chung đều có nhiều lớp chuyển vào, quá trình bên trong phức tạp và thường phát sinh tác dụng qua lại. Quá trình của hệ thống này còn có một đặc tính là biến đổi có thời gian theo một số nguyên nhân phát sinh ở bên ngoài hoặc bên trong. Do đó, để điều khiển hệ thống quy mô lớn, phải nắm vững sự thay đổi đặc tính của quá trình do các biến động này gây ra, nói một cách khác là phải hiểu được đặc tính động thái của quá trình. Hệ sinh thái mà chúng ta nghiên cứu hoàn toàn có thể coi là hệ thống quy mô lớn như vậy. Ðể nắm vững đặc tính động thái của quá trình, cần tiến hành tính toán và đo lường nhất định để thu được những tài liệu phán đoán cần thiết cho việc điều khiển. Những phán đoán này được hoàn thành qua máy tính điện tử. Ðể dùng máy tính điện tử vào quá trình sản xuất, ít nhất cần có đủ ba điều kiện sau đây:
1. Có những máy đo lường thích đáng với độ tin cậy cao.
2. Có hệ thống điều khiển chỉ lệnh trả lời chính xác và nhanh.
3. Phải có một mô hình quá trình tiêu chuẩn biểu hiện được điều kiện tốt nhất.
Ðiều khiển quá trình cần có mô hình (Ahuja, 2002; Phạm Chí Thành và ctv, 1996; Tsuji và ctv, 2002). Hình 2.4 là phương thức điều khiển quá trình không có mô hình. Trong phương thức này, để hiệu chính chuyển vào, đã sử dụng tín hiệu chính phát ra chu kỳ, ngoài việc dùng máy tính để thí nghiệm động tác ra, về cơ bản là giống với hình 1.4. Phương pháp này do không lợi dụng thông tin bên trong hệ thống, cho nên lượng thông tin của tín hiệu chính từ cơ cấu điều khiển ra rất ít.
Cơ cấu
Tín hiệu vào
Tín hiệu
điều khiển
Nhiễu
Hiệu chính
Tín hiệu ra
Kết quả động tác
Máy tính thí nghiệm động tác
Quá trình
điều khiển +
Hình 2.4. Phương thức điều khiển quá trình không có mô hình
131
Khác với phương thức trên, phương thức điều khiển như hình 3.4 có thể thu được nhiều thông tin hơn trong quá trình điều khiển, có thể liên tục tiến hành thao tác tốt nhất. Ðiểm khác với phương thức điều khiển không có mô hình là phương thức này có mô hình hoàn toàn độc lập và dùng máy tính điện tử để kiểm nghiệm độ chính xác của mô hình. Do đó, trong hệ thống này, có thể vừa bước vào điều khiển quá trình, vừa chỉnh lý kết quả của hành vi mình tạo ra, nhờ đó tiến hành hiệu đính tuỳ lúc đối với môi trường mình ở để hiệu đính quyết định tiêu chuẩn, nên cũng gọi là hệ thống điều khiển thích ứng. Trong hệ thống quy mô lớn tương đối phức tạp, trước hết cần đặt mô hình vào trong hệ thống, vì thế phải làm rõ cần điều khiển biến số nào trong mô hình, tức là điều khiển bộ phận nào trong quá trình, sau đó mới tiến hành điều khiển chính xác.
Cần nghiên cứu làm thế nào để sản xuất cây trồng trong hệ sinh thái đồng ruộng trở thành hệ thống điều khiển thích ứng như vậy để mà điều khiển. Nhưng hiện nay vẫn chưa có mô hình dùng thích hợp với hệ thống tổng hợp, thậm chí ngay đến mô hình sản xuất (sinh trưởng) cây trồng cũng không hoàn thiện. Dưới đây sẽ nói đến cơ sở của sự điều khiển quá trình hệ sinh thái đồng ruộng - điều khiển quang hợp của quần thể cây trồng.
Mô hình
Máy tính để điều khiển
Tín hiệu
điều khiển
Quá
Tín hiệu ra
Máy tính để thí nghiệm động tác
Kết quả động tác
Máy tính để thí nghiệm mô hình
+
-
Hình 3.4. Phương thức điều khiển thích ứng (Kunizawa và ctv., 1964)
Ðiều khiển quang hợp của quần thể cây trồng
Hệ thống sản xuất cây trồng là một hệ thống phụ của hệ sinh thái đồng ruộng, mà quang hợp quần thể lại là một hệ thống con của hệ thống sản xuất cây trồng. Về sự quang hợp của quần thể cây trồng, mặc dù có nhiều thông tin, nhưng phương pháp điều khiển coi nó là hệ thống điều khiển thích ứng thì lại hầu như chưa được nghiên cứu. Mô thức mô hình hoá nêu ra ở chương trước có thể dùng làm mô thức điều khiển. Từ công thức (95) đến (99) có thể thấy rõ quang hợp của quần thể quyết định ở:
1. Hàm số ánh sáng - quang hợp của phiến lá
2. Hàm số CO2 - quang hợp của phiến lá
3. Hàm số hô hấp của phiến lá
4. Cấu trúc hình học của quần thể (hệ số tiêu ánh sáng)
5. Hệ số khuếch tán trong và ngoài quần thể
6. Bức xạ mặt trời
7. Mặt cắt phân bố thẳng đứng của nồng độ CO2.
132
Do đó, phương pháp điều khiển cũng phải nghiên cứu lần lượt từng yếu tố.
P2O5%
K2O%
3 |
2 |
1 |
Có thể bạn quan tâm!
-
Sự Chuyển Đổi Cân Bằng Năng Lượng Trong Quần Thể Lúa Nước (Murata Và Ctv., 1968) -
Quan Hệ Về Bón Phân Hoá Học Và Cân Bằng Đạm Của Đất (Jansson, 1963) -
Quan Hệ Giữa Độ Ẩm Đất Và Lượng Nước Cần Bình Quân Ngày Của Ngô Vụ Đông Xuân -
Hệ Thống Là Sự Hợp Thành Của Nhiều Thành Phần Có Quan Hệ Với Nhau, Nối Liền Với Môi Trường Bằng Đầu Vào Và Đầu Ra -
Chuẩn Bị Toán Học Để Mô Tả Và Phân Tích Hệ Sinh Thái -
Quan Hệ Giữa Hàm Số Chuyển Vào Hệ Thống Và Dạng Giải Riêng
Xem toàn bộ 195 trang tài liệu này.
N%
0 1 2 3 4 0 0,2 0,4 0,6 0,8 0 1 2
CaO%
3
2
1 MgO% SO3%
0 0,2 0,4 0,6 0,8 0 0,2 0,4 0,6 0,8 0 0,5 1,0
Hình 4.4. Hàm lượng thành phần vô cơ và cường độ quang hợp của phiến lá lúa nước
Hàm số quang hợp của phiến lá
Những nhân tố chủ yếu quan trọng quyết định hàm số quang hợp của phiến lá là: cấu trúc của lá (kể cả cấu trúc của chất diệp lục), tuổi của lá và cá thể cây, thành phần vô cơ (hữu cơ) của lá, lượng nước của lá và năng lực di truyền của giống. Trong đó, thông qua điều kiện canh tác có thể thay đổi chủ yếu là thành phần vô cơ (hữu cơ) và lượng nước của lá. Các thành phần vô cơ có tác dụng là nhân tố hạn chế đối với hàm số quang hợp của lá (hình 4.4). Nhưng đó là kết luận rút ra ở điều kiện trồng trong nước và trồng trong cát khi thành phần dinh dưỡng vô cơ hết sức thiếu. Còn ở các trường hợp thông thường, thành phần dinh dưỡng vô cơ, như đạm chẳng hạn, chỉ ảnh hưởng chút ít tới hàm số quang hợp mà thôi (thực tế chỉ ảnh hưởng tới hàm lượng protein). Ðạm có tác dụng quyết định đối với sự mở rộng diện tích lá, đặc biệt quan trọng đối với sự điều khiển quang hợp thuần của quần thể thiếu nước thì từ trước khi héo cũng đã đủ để hạ thấp quang hợp. Nói chung, quan hệ hàm số quang hợp và độ nhiệt có thể vẽ thành đường cong tốt nhất, độ nhiệt ứng với gần đỉnh đường cong tương đối gần với nhiệt độ không khí của thời kỳ trồng trọt cây trồng đó.
Hàm số hô hấp của lá đơn
Thông thường, hoạt động hô hấp và hoạt động quang hợp là song song, có nghĩa là, lá có hoạt động hô hấp mạnh thì hoạt động quang hợp của nó cũng mạnh. Vì thế hoạt động hô hấp có quan hệ chặt chẽ với tuổi lá, lá càng non thì càng mạnh. Ngoài ra hàm lượng đạm cũng có quan hệ chặt chẽ với hoạt động hô hấp. Do cung cấp đạm, hoạt động hô hấp và sự tổng hợp protein làm nhân quả cho nhau và đều được thúc đẩy. Như đã biết, độ nhiệt thấp có thể hạ thấp hoạt động hô hấp, nhưng độ nhiệt tốt nhất của hô hấp lại khác nhau tuỳ loại cây trồng. Cứ cao lên 100C so với độ nhiệt tốt nhất, thì thúc đẩy hô hấp lên gấp 2 - 3 lần, giống với trị số của những phản ứng hoá học nói chung.
133
Cấu trúc hình học của quần thể
Chương trước đã nói kỹ vấn đề này, chỉ nhấn mạnh là mật độ quần thể khác nhau thì phương thức ảnh hưởng khác nhau rõ rệt. Hệ số khuếch tán quyết định ở tốc độ gió và cường độ dòng xoáy. Nói chung, tốc độ gió càng lớn thì hệ số khuếch tán cũng càng lớn, tốc độ trao đổi (tích phân của hệ số khuếch tán) gần như tỷ lệ với tốc độ gió.
Mặt cắt thẳng đứng của nồng độ CO2
k = 0.5
QN = 10ly/min KN = 500cm2/g
Ft = 40
Nồng độ CO2 từ đất thải ra có ảnh hưởng đối với mặt cắt thẳng đứng của nó (hình 5.4). Ðất được bón phân hữu cơ, làm tăng rõ rệt CO2, có ý nghĩa
quan trọng làm nguồn cung cấp CO2
trong nhà ấm trồng cây.
CO2-Flux.106gCO2/cm2.s | ft(z).102 | cm2 |
cm3 | ||
Hình 5.4. Quan hệ của sự phân bố nồng độ CO2 trong quần thể cây trồng với CO2 từ đất thải ra Hình trên: Nồng độ CO2; Hình dưới: Thông lượng CO2 | ||
Như trên đã nói, mặc dù quan hệ và tác dụng của mỗi một nhân tố đã được nghiên cứu rõ ràng trên mức độ nào đó, nhưng không thể căn cứ vào thực nghiệm của mô thức mô hình hoá để nhìn ra phương hướng điều khiển thích ứng đối với quang hợp của quần thể cây trồng, vẫn cần phải có những sửa đổi tương ứng với mô hình theo mục đích yêu cầu.
Trồng trọt theo kế hoạch năng suất cao
45 50 55 60 65
C.102g CO2/cm3
k = 0.5
QN = 10ly/min KN = 500cm2/g
Ft = 40
-20 -10 0 10 4 2 1
Ở Liên Xô (cũ), người ta đã tiến hành thí nghiệm trồng ngô theo kế hoạch năng suất cao ở vùng Vonga. Người ta đã lần lượt xét đến các chỉ tiêu cơ bản của quần thể cây trồng như sau:
1. Ðường cong tăng diện tích lá
2. Tạo thành thế năng quang hợp cần thiết có hiệu suất quang hợp nhất định
3. Hệ số sử dụng năng lượng mặt trời trong quang hợp
4. Hệ số thoát hơi nước.
Việc lập trình tự của chúng dựa vào các số liệu dưới đây: Với điều kiện của vùng Vonga, từ ngày 20 tháng 5 nảy mầm đến ngày 20 tháng 9 thu hoạch, trong thời gian đó ngô đã hút 1.800 triệu kcal/ha, trong số 3.000 triệu kcal/ha bức xạ quang hợp được tới mặt đất, tồn trữ vào trong hạt ngô năng lượng 220 - 270 triệu kcal/ha (tương đương với khối lượng chất khô 55 - 65 tấn/ha, hoặc khối lượng hạt 20 - 25 tấn/ha). Ðó là con số khả năng lớn nhất của năng suất ngô thời ấy. Có năm, người ta đặt mục tiêu là đạt 1/2 con số đó, tức là thu được 12 tấn/ha ngô hạt. Nếu tỷ lệ chất khô tích luỹ trong hạt là 0,43 - 0,45 thì cần có năng suất trọng lượng chất khô tổng cộng là 23 - 24 tấn/ha.
134
Trong điều kiện nước trong đất thích hợp và phân bón đủ, hiệu suất quang hợp bình quân trong toàn thời gian sinh trưởng của ngô là 7- 8 g/m2 ngày. Nếu lấy hiệu suất quang hợp bình quân là 8 g/m2 ngày, thì để tạo thành 24 tấn chất khô/ha sẽ cần thế năng quang hợp (diện tích lá tính toán trong cả thời gian sinh trưởng, lấy đơn vị là hecta) là khoảng 3.000 nghìn m2 ngày.
Nếu chỉ số diện tích lá của quần thể ngô vào tháng 7 và 8 là 4,0 và 6,0 thì trải qua cả thời gian sinh trưởng sẽ có thể hình thành thế năng quang hợp nói trên.
A
80 2
40
395
172
345
298
4
370 1
14 B 12
10
8
6
35
30
2 25
4
370 400380 20
1
282 15
20
5.5
0
125
35
196204
152
3
4
148
2
5,6 34
0
180
230
3
146
200 10
5
0
Tháng 6 7 8 9 Tháng 6 7 8 9
Hình 6.4. Trị số đo thực của trình tự thí nghiệm trồng trọt theo kế hoạch
đối với giống ngô VIR-156
A: trình tự, B: trị số do thực (1964)
1. Diện tích lá x 103 m2/ha; 2. Hiệu suất quang hợp (g/m2 ngày); 3. Lượng tăng trong ngày của chất khô (kg/ha); 4. Khối lượng chất khô toàn bộ (tấn/ha)
B
300 A8
200
100
3
56 60 59 55
43
2
23
1 8
1
51 45
48
32 43
25
1 7
6
2
61
56
1
4
53 51 45
33 2
2
0 0
Tháng 6 7 8 9 Tháng 6 7 8 9
Hình 7.4. Lượng thoát hơi nước và hệ số thoát hơi nước của ngô trồng trọt theo kế hoạch giống ngô VIR-156
A: trình tự, B: trị số do thực
1. Lượng thoát hơi nước (tấn/ha.ngày); 2. Lượng nước tiêu hao cho thoát hơi nước (x103 tấn/ha);
3. Hệ số thoát hơi nước;
135
Dựa vào các số liệu nói trên, có thể tìm thấy được đường cong trình tự sinh trưởng diện tích lá 1 và đường cong trình tự hiệu suất quang hợp 2 của giống ngô VIR - 156 (hình 6.4.). Ðã có đường cong diện tích lá và quang hợp, trải qua cả thời gian sinh trưởng sẽ có thể tìm được lượng tăng khối lượng chất khô của từng 10 ngày một (hình 6.4., đường cong 4). Năng suất toàn bộ chất khô cuối cùng là 24,3 tấn/ha. Đồng thời, căn cứ vào chênh lệch giữa trị số tỷ suất năng lượng mặt trời và năng lượng mặt trời được hút là có thể tìm được năng lượng tiêu dùng cho thoát hơi nước (hình 7.4.).
Lập kế hoạch bón phân và kế hoạch tưới nước: Ðặt chỉ số diện tích lá số lớn nhất của VIR-156 là 4,0, thế năng quan hợp là 2927 nghìn m2 ngày, trị số thực tế tương ứng là 3,7 và 2908 nghìn/m2 ngày. Trị số kế hoạch và trị số đo thực của hiệu suất quang hợp bình quân lần lượt là 8,3 g/m2 ngày và 8,3 g/m2.ngày; trị số đo thực là 23,8 tấn/ha. Trị số bình quân trong tuần (10 ngày) của hiệu suất quang hợp đo thực và trị số thiết kế chênh lệch nhau rất rõ rệt. Nguyên nhân là do trong thời gian hiệu suất quang hợp giảm thấp, bức xạ quang hợp được tương đối ít. Hệ số sử dụng hữu hiệu quang hợp bằng trị số kế hoạch là 0,45.
Kết quả trên chứng tỏ, thông qua điều khiển quang hợp sẽ có thể thực hiện được con đường đạt năng suất cao phù hợp với hệ số sử dụng năng lượng bức xạ mặt trời theo kế hoạch định trước. Trọng điểm của kế hoạch này là ở chỗ làm thế nào duy trì được quang hợp mạnh, vì thế kế hoạch bón phân và tưới nước là rất quan trọng. Ðể làm cho việc sản xuất cây trồng trở thành hệ thống điều khiển thích ứng, phải có trình tự hoá như nói trên, mà mô thức hoá hệ thống trở nên rất quan trọng.
Sự việc nêu trên là một thí dụ thành công, thực tế khi thực hiện kế hoạch như vậy có thể xuất hiện rất nhiều vấn đề, trong đó việc dự báo khí tượng sẽ là một vấn đề rất quan trọng.
136
TÓM TẮT
Hệ sinh thái đồng ruộng trong điều kiện hoạt động của con người, đã không ngừng được điều chỉnh theo chiều hướng ngược lại với quy luật tự nhiên để cung cấp những sản phẩm cần thiết cho loài người. Phương pháp điều khiển có thể chia ra làm ba kiểu: điều khiển vật lý, điều khiển hoá học và điều khiển sinh học. Trong chương này đã đề cập đến các khía cạnh của hệ thống điều khiển thích ứng và ứng dụng các mô hình trong điều khiển quần thể cây trồng. Ðiều khiển về giống và nâng cao hiệu suất quang hợp là nhân tố quyết định trong việc nâng cao năng suất của hệ sinh thái đồng ruộng. Ðồng thời điều khiển nhiệt độ thông qua nhà kính ngày một trở nên phổ biến ở các nước vùng ôn đới và nhiệt đới. Bản thân nhà kính có thể được coi là một hệ sinh thái đồng ruộng trong đó các thông số về nhiệt độ được con người kiểm soát một cách tích cực.
CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Anh/chị hiểu như thế nào là điều khiển hệ sinh thái đồng ruộng?
2. Trong thực tiễn sản xuất ở Việt Nam, người nông dân điều khiển hệ sinh thái ruộng lúa nước như thế nào?
3. Hãy nêu các ưu điểm của việc áp dụng mô hình hóa trong điều khiển hệ sinh thái đồng ruộng?
4. Anh chị hãy đánh giá kinh nghiệm truyền thống của người nông dân Việt Nam thông qua câu tục ngữ sau “Nhất nước, nhì phân, tam cần, tứ giống”. Thứ tự của các biện pháp này đã thay đổi như thế nào trong điều kiện hiện nay? Hãy chứng minh?
5. Ông cha ta thường nói “người đẹp vì lụa, lúa tốt vì phân”. Ðứng về góc độ các nhà trồng trọt, anh/chị hiểu như thế nào?
6. Hàm số quang hợp của lá phụ thuộc vào những yếu tố nào?
7. Cần làm gì để nâng cao khả năng quang hợp của quần thể cây trồng? Giải thích?
8. Hãy nêu một số ví dụ về khả năng sáng tạo của người nông dân Việt Nam trong quá trình điều khiển hệ sinh thái đồng ruộng?
137