Ecología de producción teórica.

La ecología teórica de la producción intenta estudiar cuantitativamente el crecimiento de los cultivos . La planta se trata como una especie de fábrica biológica, que procesa luz , dióxido de carbono , agua y nutrientes para convertirlos en partes cosechables. Los principales parámetros que se tienen en cuenta son la temperatura, la luz solar, la biomasa de los cultivos en pie, la distribución de la producción vegetal, el suministro de nutrientes y agua.

Modelado

La modelización es esencial en la ecología teórica de la producción. La unidad de modelado suele ser el cultivo , el conjunto de plantas por unidad de superficie estándar. Los resultados del análisis para una planta individual se generalizan a la superficie estándar, por ejemplo, el índice de área foliar es el área de superficie proyectada de todas las hojas del cultivo sobre una unidad de área de suelo.

Procesos

El sistema habitual de descripción de la producción vegetal divide el proceso de producción vegetal en al menos cinco procesos separados, que están influenciados por varios parámetros externos.

Dos ciclos de reacciones bioquímicas constituyen la base de la producción vegetal, la reacción luminosa y la reacción oscura. ^[1]

• En la reacción de la luz , los fotones de la luz solar son absorbidos por los cloroplastos que dividen el agua en un radical de electrón, protón y oxígeno que se recombina con otro radical y se libera como oxígeno molecular . La recombinación del electrón con el protón produce los portadores de energía NADH y ATP . La velocidad de esta reacción a menudo depende de la intensidad de la luz solar, el índice de área foliar , el ángulo de la hoja y la cantidad de cloroplastos por unidad de superficie foliar. La tasa de producción bruta teórica máxima en condiciones óptimas de crecimiento es de aproximadamente 250 kg por hectárea por día.
• La reacción oscura o ciclo de Calvin vincula el dióxido de carbono atmosférico y utiliza NADH y ATP para convertirlo en sacarosa . El NADH y el ATP disponibles, así como la temperatura y los niveles de dióxido de carbono determinan la velocidad de esta reacción. Juntas, esas dos reacciones se denominan fotosíntesis . La tasa de fotosíntesis está determinada por la interacción de una serie de factores que incluyen la temperatura, la intensidad de la luz y el dióxido de carbono.
• Los carbohidratos producidos se transportan a otras partes de la planta, como órganos de almacenamiento, y se convierten en productos secundarios, como aminoácidos , lípidos , celulosa y otras sustancias químicas que necesita la planta o se utilizan para la respiración. Se pueden producir lípidos, azúcares , celulosa y almidón sin elementos extra. La conversión de carbohidratos en aminoácidos y ácidos nucleicos requiere nitrógeno, fósforo y azufre . La producción de clorofila requiere magnesio , mientras que varias enzimas y coenzimas requieren oligoelementos . Es decir, el suministro de nutrientes influye en esta parte de la cadena de producción. El suministro de agua es esencial para el transporte, por lo que también lo limita.
• Los centros de producción, es decir, las hojas, son fuentes , los órganos de almacenamiento, puntas de crecimiento u otros destinos para la producción fotosintética son sumideros . La falta de sumideros también puede ser un factor limitante para la producción, como ocurre, por ejemplo, en los manzanos, donde los insectos o las heladas nocturnas han destruido las flores y los asimilados producidos no se pueden convertir en manzanas. Las plantas bienales y perennes emplean el almidón y las grasas almacenados en sus órganos de almacenamiento para producir nuevas hojas y brotes el año siguiente.
• La cantidad de biomasa del cultivo y la distribución relativa de la biomasa sobre hojas, tallos, raíces y órganos de almacenamiento determinan la tasa de respiración . La cantidad de biomasa en las hojas determina el índice de área foliar , que es importante para calcular la producción fotosintética bruta.
• Las extensiones de este modelo básico pueden incluir daños por insectos y plagas, cultivos intercalados , cambios climáticos, etc.

Parámetros

Los parámetros importantes en los modelos teóricos de producción son:

Clima

• Temperatura : la temperatura determina la velocidad de la respiración y la reacción oscura . Una temperatura elevada combinada con una baja intensidad de luz solar supone una gran pérdida por respiración. Una temperatura baja combinada con una alta intensidad de luz solar significa que el NADH y el ATP se acumulan pero no pueden convertirse en glucosa porque la reacción oscura no puede procesarlos con la suficiente rapidez.
• Luz : la luz, también llamada radiación fotosintética activa (PAR), es la fuente de energía para el crecimiento de las plantas verdes. PAR impulsa la reacción luminosa , que proporciona ATP y NADPH para la conversión de dióxido de carbono y agua en carbohidratos y oxígeno molecular . Cuando los niveles de temperatura, humedad, dióxido de carbono y nutrientes son óptimos, la intensidad de la luz determina el nivel máximo de producción.
• Niveles de dióxido de carbono : el dióxido de carbono atmosférico es la única fuente de carbono para las plantas. Aproximadamente la mitad de todas las proteínas de las hojas verdes tienen el único propósito de capturar dióxido de carbono.

Aunque los niveles de CO ₂ son constantes en circunstancias naturales [por el contrario, la concentración de CO2 en la atmósfera ha aumentado constantemente durante 200 años], la fertilización con CO ₂ es común en los invernaderos y se sabe que aumenta los rendimientos en un promedio del 24 % [un valor específico , por ejemplo, 24%, no tiene sentido si no se comparan los niveles "bajos" y "altos" de CO2]. ^[2]

Las plantas C ₄ como el maíz y el sorgo pueden lograr un mayor rendimiento con altas intensidades de radiación solar, porque evitan la fuga del dióxido de carbono capturado debido a la separación espacial entre la captura y el uso del dióxido de carbono en la reacción oscura. Esto significa que su fotorrespiración es casi nula. Esta ventaja a veces se ve compensada por una mayor tasa de respiración de mantenimiento . En la mayoría de los modelos de cultivos naturales, se supone que los niveles de dióxido de carbono son constantes.

Cultivo

• Biomasa de cultivos permanentes : el crecimiento ilimitado es un proceso exponencial , lo que significa que la cantidad de biomasa determina la producción. Debido a que un aumento de biomasa implica una mayor respiración por unidad de superficie y un aumento limitado de la luz interceptada, el crecimiento de los cultivos es una función sigmoidea de la biomasa del cultivo.
• Distribución de la producción vegetal : normalmente sólo una fracción de la biomasa vegetal total está formada por productos útiles, por ejemplo, las semillas de las legumbres y los cereales , los tubérculos de la patata y la mandioca , las hojas del sisal y la espinaca , etc. El rendimiento de las porciones de plantas utilizables aumentará cuando la planta asigna más nutrientes a estas partes; por ejemplo, las variedades de trigo y arroz de alto rendimiento asignan el 40% de su biomasa a los granos de trigo y arroz, mientras que las variedades tradicionales alcanzan sólo el 20%, duplicando así el rendimiento efectivo.

Los diferentes órganos de las plantas tienen una frecuencia respiratoria diferente; por ejemplo, una hoja joven tiene una frecuencia respiratoria mucho más alta que las raíces, los tejidos de almacenamiento o los tallos. Existe una distinción entre "respiración de crecimiento" y "respiración de mantenimiento".

Deben estar presentes fregaderos, como los frutos en desarrollo. Generalmente están representados por un interruptor discreto, que se activa después de una determinada condición, por ejemplo, cuando se ha cumplido la duración del día crítica.

Cuidado

• Suministro de agua : debido a que las plantas utilizan el transporte pasivo para transferir agua y nutrientes desde sus raíces a las hojas, el suministro de agua es esencial para el crecimiento, aun cuando se conocen tasas de eficiencia hídrica para diferentes cultivos, por ejemplo, 5000 para la caña de azúcar , lo que significa que cada kilogramo de El azúcar producido requiere hasta 5000 litros de agua.
• Suministro de nutrientes : el suministro de nutrientes tiene un doble efecto en el crecimiento de las plantas. Una limitación en el suministro de nutrientes limitará la producción de biomasa según la Ley del Mínimo de Liebig . En algunos cultivos, varios nutrientes influyen en la distribución de los productos vegetales en las plantas. Se sabe que una donación de nitrógeno estimula el crecimiento de las hojas y, por lo tanto, puede afectar negativamente al rendimiento de los cultivos que acumulan productos de la fotosíntesis en órganos de almacenamiento, como los cereales en maduración o los árboles frutales.

Fases en el crecimiento de los cultivos.

La ecología de producción teórica supone que el crecimiento de cultivos agrícolas comunes, como cereales y tubérculos, suele constar de cuatro (o cinco) fases:

• Germinación – La investigación agronómica ha indicado una dependencia de la temperatura del tiempo de germinación (GT, en días). Cada cultivo tiene una temperatura crítica única (CT, temperatura de dimensión) y una suma de temperaturas (dimensiones temperatura por tiempo), que se relacionan de la siguiente manera.

${\displaystyle GT={\frac {TS}{\sum _{k=1}^{N}(T-T_{\text{crit}})}}}$

Cuando un cultivo tiene una temperatura suma de, por ejemplo, 150 °C·d y una temperatura crítica de 10 °C, germinará en 15 días cuando la temperatura sea de 20 °C, pero en 10 días cuando la temperatura sea de 25 °C. Cuando la suma de temperaturas excede el valor umbral, el proceso de germinación se completa.

• Distribución inicial : en esta fase, el cultivo aún no cubre el campo. El crecimiento del cultivo depende linealmente del índice de área foliar, que a su vez depende linealmente de la biomasa del cultivo. Como resultado, el crecimiento de los cultivos en esta fase es exponencial.
• Cobertura total del campo : en esta fase, se supone que el crecimiento depende linealmente de la luz incidente y la tasa de respiración, ya que se intercepta casi el 100% de toda la luz incidente. Normalmente, el índice de área foliar (LAI) está por encima de dos o tres en esta fase. Esta fase de crecimiento vegetativo finaliza cuando la planta recibe una determinada señal ambiental o interna y comienza el crecimiento generativo (como en los cereales y las legumbres) o la fase de almacenamiento (como en los tubérculos).
• Asignación a órganos de almacenamiento : en esta fase, hasta el 100% de toda la producción se dirige a los órganos de almacenamiento. Generalmente, las hojas siguen intactas y, como resultado, la producción primaria bruta sigue siendo la misma. La prolongación de esta fase, por ejemplo mediante una cuidadosa fertilización, agua y control de plagas, da como resultado directamente una mayor cosecha.
• Maduración : en esta fase, las hojas y otras estructuras de producción mueren lentamente. Sus carbohidratos y proteínas se transportan a los órganos de almacenamiento. Como resultado, el IAF y, por ende, la producción primaria disminuye.

Modelos de producción de plantas existentes.

Los modelos de producción vegetal existen en distintos niveles de alcance (celular, fisiológico, planta individual, cultivo, región geográfica, global) y de generalidad: el modelo puede ser específico de un cultivo o tener una aplicación más general. En esta sección se hará hincapié en los modelos basados ​​en el nivel de cultivo, ya que el cultivo es el principal área de interés desde un punto de vista agronómico.

En 2005, se utilizan varios modelos de producción de cultivos. El modelo de crecimiento de cultivos SUCROS ha sido desarrollado durante más de 20 años y se basa en modelos anteriores. Su última revisión conocida data de 1997. El IRRI y la Universidad de Wageningen desarrollaron más recientemente el modelo de crecimiento del arroz ORYZA2000 . Este modelo se utiliza para modelar el crecimiento del arroz. Ambos modelos de crecimiento de cultivos son de código abierto . También existen otros modelos de crecimiento de plantas más específicos de cultivos.

SUCROS

SUCROS está programado en el lenguaje de programación informática Fortran . El modelo puede aplicarse y se ha aplicado a una variedad de regímenes climáticos y cultivos. Debido a que el código fuente de Sucros es de código abierto , el modelo está abierto a modificaciones por parte de usuarios con experiencia en programación FORTRAN. La versión oficial mantenida de SUCROS tiene dos versiones: SUCROS I, que tiene un crecimiento ilimitado y no inhibido de los cultivos (lo que significa que sólo la radiación solar y la temperatura determinan el crecimiento) y SUCROS II, en el que el crecimiento de los cultivos está limitado únicamente por la escasez de agua.

ORIZA2000

El modelo de crecimiento del arroz ORYZA2000 ha sido desarrollado en el IRRI en cooperación con la Universidad de Wageningen . Este modelo también está programado en FORTRAN. El alcance de este modelo se limita al arroz , que es el principal cultivo alimentario de Asia.

Otros modelos

El Departamento de Agricultura de los Estados Unidos ha patrocinado una serie de modelos de crecimiento de cultivos aplicables a varios de los principales cultivos estadounidenses, como el algodón , la soja , el trigo y el arroz . ^[3] Otros modelos ampliamente utilizados son el precursor de SUCROS ( SWATR ), CERES , varias encarnaciones de PLANTGRO , SUBSTOR , CROPWAT , AGWATER , el modelo específico de erosión EPIC , ^[4] y el sistema de cultivo CropSyst . ^[5]

Se ha desarrollado un modelo de crecimiento y competencia menos mecanicista, llamado modelo de conductancia, principalmente en Warwick-HRI, Wellesbourne, Reino Unido. Este modelo simula la interceptación de la luz y el crecimiento de plantas individuales basándose en la expansión lateral de las áreas de su zona de copa. La competencia entre plantas se simula mediante un conjunto de algoritmos relacionados con la competencia por el espacio y la intercepción de luz resultante a medida que se cierra el dosel. Algunas versiones del modelo suponen que algunas especies son superadas por otras. Aunque el modelo no puede tener en cuenta el agua o los nutrientes minerales, puede simular el crecimiento de plantas individuales, la variabilidad del crecimiento dentro de las comunidades de plantas y la competencia entre especies. Este modelo fue escrito en Matlab. Véase Benjamin y Park (2007) Weed Research 47, 284–298 para una revisión reciente.

Referencias

• Ecología teórica de la producción , notas universitarias, Universidad Agrícola de Wageningen, 1990

1. Amthor JS (2010) De la luz solar a la fitomasa: sobre la eficiencia potencial de convertir la radiación solar en fitoenergía. Nuevo fitólogo 188:939-959
2. "La fertilización con dióxido de carbono no es ni una bendición ni un fracaso". Eurek¡Alerta! .
3. "Modelos de cultivos disponibles: USDA ARS". www.ars.usda.gov .
4. "Modelos de crecimiento de cultivos". Archivado desde el original el 20 de diciembre de 2005 . Consultado el 30 de julio de 2005 .
5. "CS_Suite - Dr. Claudio Stöckle WSU". Archivado desde el original el 31 de mayo de 2010 . Consultado el 5 de enero de 2014 .

Otras lecturas

• Universidad de Wageningen , Países Bajos , Departamento de Ecología de producción teórica
• Universidad de Lovaina , Bélgica , Departamento de Ecología de la Producción Teórica
• Página de resumen con modelos de crecimiento de cultivos patrocinados por el gobierno de EE. UU.