11.5 حصان نمذجة الدفيئة

استخدام المحاصيل المائية وامتصاص المغذيات هو نظام فرعي مركزي للأكوابونيكش. جزء HP معقد، حيث أن امتصاص الماء النقي والمغذيات الذائبة لا يتبع ببساطة علاقة خطية بسيطة إلى حد ما، على سبيل المثال، نمو الأسماك. لإنشاء نموذج كامل الوظائف، هناك حاجة إلى محاكاة الدفيئة كاملة. و يشمل ذلك النظم الفرعية النموذجية لفيزياء الدفيئة بما في ذلك أجهزة التحكم في المناخ و بيولوجيا المحاصيل التي تغطي العمليات التفاعلية التي تنطوي على عوامل إجهاد بيولوجي و مادي.

ومع ذلك، من وجهة نظر HP، فإن مناخ الاحتباس الحراري هو المحرك الرئيسي للنظام المائي الكامل، بما في ذلك، بجانب موازين المغذيات، حلقات التغذية المرتدة من الحرارة التي تنتجها الأسماك وCosub2/sub إضافية الموردة للنباتات كما أفاد Körner et al. (2017) (الشكل 11.15).

في هذا النموذج، تنتج تربية الأسماك الحرارة من خلال عمليات التمثيل الغذائي. يتم حساب كمية الحرارة التي تنتجها الأسماك مباشرة من استهلاك الأكسجين الذي هو وظيفة من درجة الحرارة وثابت لإنتاج الحرارة لوحدة واحدة من الأوكسجين المستهلكة (أي 13608 J غسوب-1/سوب الأسماك). كما تساهم الحرارة الناتجة عن انهيار المادة العضوية (QSubbio/sub)، مثل البراز والأعلاف تبقى، في توازن الحرارة. ويمكن بعد ذلك حساب إمدادات الطاقة إلى نظام المياه عن طريق إنتاج الحرارة من خلال الأسماك محسوبة من متوسط معدل استهلاك الأوكسجين (FSUBO2، TWB/sub). ويمكن بعد ذلك حساب الإنتاج الحراري الإضافي عن طريق الانهيار البيولوجي للبراز (الشكل 11.16).

يمكن حساب إنتاج COSUB2/sub من النظام الفرعي المائي (DSubcoSub2/sub/sub، g hsup-1/sup)، أي التسليم إلى البيئة الجوية (د، ز hsup-1/sup)، لدرجة حرارة الماء المعطاة (TsubH2O/sub، K) من تسليم الأكسجين إلى النظام (DSubosub2/sub/sub، g، g hsup-1/sup) في درجة حرارة قاعدة المياه) في درجة حرارة قاعدة المياه (تسوبه2 O، b/sub، K) وقيمة QSub10/sub للتنفس الأسماك (Qsub10، R/sub). يتم استخدام العلاقات التالية:

الشكل 11-15 سلوك تكافلي إضافي لنظام أكوابوني

$d_ {O_2} = f_ {السمك}\ f_ {O_2} W_ {O_2} $

$d_ {CO_2} =\ فارك {[CO_2]} {[O_2]}\ d_ {O_2}\ Q_ {10، R} (T_ {H2O، ب}) /10$ (11.16)

مع كمية العلف للأسماك (fsubfish/sub, ز hsup-1/سوب), معدل استهلاك الأكسجين في درجة الحرارة الأساسية (FSUBO2/sub, كغ [OSUB2/sub] kgsup-1/sup [تغذية]), جزء من فقدان الأعلاف WSUBO2/الفرعية (سوب-/سوب) والتوازن الشامل من OSUB2/الفرعية (سوب).

لحساب أساس أكوابونيكش، أي تدفق العملية (المشار إليها مع الأسهم، →) المناخ المحلي المسببة للاحتباس الحراري → المناخ المحلي → التبخر والنتح → امتصاص المغذيات، يمكن استخدام مختلف أجهزة محاكاة الاحتباس الحراري التي تم تطويرها في الماضي ودمجها مع تربية الأحياء المائية إلى نظام أكوابوني . وتشمل جميع نماذج الاحتباس الحراري نموذجا لنمو المحاصيل. ومع ذلك، يمكن أن تختلف جودة النموذج كثيرًا من نماذج الانحدار التجريبية البسيطة، مثل Boote and Jones (1987)، عبر نماذج حتمية، مثل Heuvelink (1996)، إلى نماذج النباتات الهيكلية الوظيفية (FSPM)، مثل Buck-Sorlin et al. (2011). وبما أن النماذج الحالية لنمو المحاصيل وتطويرها غير دقيقة ولديها قدرة تنبؤية محدودة (Poorter et al. 2013)، تستخدم النماذج أحياناً في إدارة المحاصيل، ولكن بعد ذلك أساساً في قضايا التخطيط في أجهزة محاكاة الاحتباس الحراري، مثل Vanthoor (2011) وكورنر وهانسن (2011). تتعرض دقة التنبؤ للخطر بسبب العديد من مصادر عدم اليقين، مثل النمذجة

الشكل 11.16 نظام الاستزراع المائي المنفذ في الاحتباس الحراري مع الرطوبة ودرجة الحرارة وتركيزات ثاني أكسيد الكربون في الهواء (Rhsubair/sub، Cosub2، الهواء/الفرعية)، والحرارة من بيئة الأسماك (Q)، والانهيار البيولوجي (الحيوي) والتدفقات الحرارية ($ $)، مأخوذة من Körner et al. (2017)

و التفاوت بين النباتات, و التغير بين البيوت المحمية, و الظروف المناخية الخارجية غير المؤكدة. أما بالنسبة للتنبؤات، فإن الدقة تختلف أيضا اختلافا كبيرا لكل حالة. ومع ذلك، فإن تغذية معلومات المستشعر عبر الإنترنت في نموذج النبات يمكن أن تجعل تنبؤات نموذج النبات أكثر موثوقية وفائدة للمزارع.

تم تطوير أجهزة محاكاة الاحتباس الحراري في عدة أماكن ومن أجلها، مثل المزارع الافتراضي (فرانتز وآخرون 2010)، وكاسبرو (دي زوارت 1996)، وأداة تدقيق الطاقة Greenergy Energy (Körner et al. 2008)، والدفيئة الافتراضية (Körner وHansen 2011)، وهورتكس (Rath 1992، 2011) نموذج الدفيئة أكوابونك المتكاملة (غودديك وكورنر 2019). وعلى مستوى البحث، وضعت بعض النماذج) أي نماذج المحاكاة باﻻقتران مع بعض تكنولوجيات الدفيئة (التي يمكن استخدامها لتحسين اﻻستثمارات والتعديﻻت الهيكلية في وحدة اﻻنتاج وعملية اﻻنتاج. ومع ذلك، فإن معظم الأنظمة تنطوي على بيئات برمجية مغلقة لا يمكن استخدامها إلا من قبل المطورين، وكثير منها موجود فقط في وضع البحث وتفتقر إلى مزيد من التطوير والقبول من الصناعة. بيد أنه لا يوجد حتى الآن أساس مشترك لتقاسم النماذج و تطوير النماذج التعاونية. ونتيجة لذلك، يعمل معظم مصممي النماذج وفرق النمذجة في عزلة على تطوير النماذج والرموز الخاصة بهم. و يتمثل أحد أوجه القصور في هذا الإجراء في أن نماذج محاكاة الاحتباس الحراري توضع بالتوازي في بيئات بحثية متباينة تفشل في النمو التعاوني و التنمية.

جميع محاكيات نموذج الاحتباس الحراري HP هي عبارة عن مجموعة من النماذج الفرعية التي تعتمد على هدف دمج تفاعل النباتات ومعدات الاحتباس الحراري. التمايز العام من جزأين في نماذج الاحتباس الحراري وأيضا في السيطرة والتخطيط هو تبادل لاطلاق النار والبيئة الجذرية. وقد اتبعت نُهج نموذجية معقدة ومتمايزة إلى حد ما فيما يتعلق بمناخ الاحتباس الحراري (Bot 1993; de Zwart 1996)، وتم تصميم نمو محاصيل الاحتباس الحراري بشكل مكثف في التسعينات من أجل محاصيل الدفيئة الرئيسية مثل الطماطم (Heuvelink 1996) والخيار (Marcelis 1994) والخس (Liebig and ألشر 1993). ومع ذلك، من أجل حساب امتصاص المحاصيل للمياه والمغذيات، يجب أن يعرف المناخ المحلي، أي المناخ القريب من الأعضاء النباتية وعليها (Challa and Bakker 1999). وهذه مسألة مستمرة في مجال نمذجة الدفيئة، حيث أن المتغيرات المناخية المحلية، مثل درجة حرارة الأوراق المركزية، شديدة التباين وتعتمد على العديد من البارامترات والمتغيرات. نسخة واحدة من نموذج درجة حرارة ورقة المستخدمة في مظلة المحاصيل لدرجة حرارة المحاصيل (TSUBC/sub) متكاملة على الطبقات العمودية (z) من قبل Körner et al. (2007) دمج التدفقات الصافية التشعيعية الممتصة (Rsubn، a/sub، WMSUP2/SuP)، طبقة الحدود ومقاومات ستوماتا (rsubb/sub/subsub/sub/الفرعية، على التوالي، smsub/الفرعية، smsub/sub/الفرعية، sub/الفرعية، sub/ سوب) وعجز ضغط البخار على سطح الورقة (VPDSubs/sub، Pa) في المظلة يظهر هنا، أي.

$TC (Z) -T_A =\ فراك {\ فراك {1} {\ Rho_AC_P} (r_b (Z) +r_s (Z))) R_ {ن، أ} (ض) -\ frac {\ جاما} VPD_s (ض)} {1+\ فارك {\ دلتا} +\ غاما} +\ فارك {r_s {ص {ص {}} {r_b (ض)} +\ frac1 {\ Rho_AC_P/4\ سيغما تا^ 3} (r_b (ض) +r_s (ض))} $ (11.17)

مع درجة حرارة الهواء المسببة للاحتباس الحراري (تسوبا/الفرعية، K)، كثافة الهواء ضغط البخار (ρsuba/الفرعية، ز مسوب-2/سوب)، ستيفان-بولتزمان ثابت (σ، WMSUP-2/سوب KSUP-4/سوب)، السعة الحرارية النوعية للهواء (كسوب/الفرعية، J غسوب-1/سوب سوب)، ثابت النفسي (С، السلطة الفلسطينية KSUP-1/سوب) والمنحدر بين بخار مشبع الضغط ودرجة حرارة الهواء المسببة للاحتباس الحراري (δ، السلطة الفلسطينية KSUP-1/سوب).

درجة حرارة الورقة هي الجزء المركزي من نموذج المناخ المحلي، فقد حلقات التغذية المرتدة لعدة متغيرات المدخلات وخاصة مقاومة stomata (غالباً ما تستخدم أيضًا كطريقة متبادلة لها، التوصيل)، ويحتاج الحساب إلى عدة خطوات محاكاة للتوازن. بالنسبة لشركة HP، كجزء من نظام أكوابونك، ومع ذلك، فإن نمذجة المياه وتدفقات المغذيات هي الأكثر أهمية. ويتم التحكم في جميع موازين المياه والمغذيات في نظام مغلق متعدد الحلقات على أساس معدل تبخر المحصول Etsubc/sub (الفصل 8). عادة ETSubc/sub تحسب كحرارة كامنة من التبخر، أي من حيث الطاقة (E، WMSUP2/سوب)، ويمكن أن تكون وفقا لدرجة حرارة ورقة أعرب عنها في طبقة مظلة مختلفة

$\ لامدا E (ض) = (\ فارك {\ فارك {\ دلتا} {\ جاما} R_ {ن, أ} (ض) +\ فارك {\ رو _AC_P} {\ جاما} (\ frac1 {r_b (ض)} +\ frac1 {\ rho _AC_P/4\ سيجما تا^ 3} VPD_S (ض))} {1+\ فارك {\ دلتا} {\ جاما} +\ فارك {r_s (ض)} {r_b (ض)} +\ فارك {1} {\ رو _AC_P/4\ سيغما تا^ 3} (r_s (ض) +r_b (ض)}) $ (11.18)

لحساب Etsubc/sub (L msup-2/sup)، يجب مضاعفة E مع LSubw/sub الثابت (حرارة تبخير الماء؛ 2454 103 J kgsup-1/sup) والوزن النوعي للمياه (9.789 كيلو نيوتن msup-3/sup عند 20 درجة مئوية).

** الشكل 11.17** نظام المدخلات والمخرجات من الدفيئة

بيد أن المعادلة (11-18) لا تحسب سوى تدفق المياه من خلال المحصول، في حين أن أسهل طريقة لتقدير امتصاص المغذيات هي الافتراض بأن المغذيات يتم تناولها/امتصاصها على أنها مذابة في مياه الري وافتراض أنه لا توجد مقاومة كيميائية أو بيولوجية أو مادية محددة لعنصر معين. في الواقع امتصاص المواد الغذائية هو مسألة معقدة للغاية. وبناء على ذلك، وللحفاظ على التوازن، يلزم إضافة جميع المغذيات التي يتناولها المحصول على النحو الوارد في محلول المغذيات مرة أخرى إلى نظام الزراعة المائية (انظر [الفصل 8](/المجتمع/المقالات/الفصل 8-مفكوك - أكوابونيكس-سيستمز)). ومع ذلك، فإن المكافئ (11.18) يحسب فقط الإمكانات وما إلى ذلك، في حين أن المستويات العالية جداً يمكن أن تؤدي إلى نضح أعلى مما يمكن للنباتات التعامل معه، ومن ثم قد يتجاوز فقدان الماء المحتمل امتصاص الماء. لذلك، فإن الافتراض البسيط لامتصاص المغذيات ليس مرضيا. وكما هو موضح في [الفصل 10](/المجتمع/المقالات/الفصل 10-المعالجة الهوائية واللاهوائية - من أجل الماء - الحمأة - التخفيض والتمعدن)، يمكن أن يكون للمغذيات المختلفة حالات مختلفة وتغير حالات، على سبيل المثال، الرقم الهيدروجيني، في حين أن توافر النبات يعتمد بشدة على الرقم الهيدروجيني وعلاقة المغذيات بـ بعضها البعض. بالإضافة إلى ذلك، تلعب الميكروبيوم في منطقة الجذر دورًا مهمًا، لا يتم تنفيذه في النماذج حتى الآن. ومع ذلك، تفرق بعض النماذج بين مسارات phloem و xylem. ومع ذلك، فإن الكمية الهائلة من العناصر الغذائية ليست على غرار بالتفصيل لموازنة المغذيات المائية وتحجيم النظم، في حين أن أسهل طريقة لتقدير امتصاص المغذيات هي افتراض أن المغذيات يتم تناولها/امتصاصها كما يذوب في مياه الري وتطبيق النهج الحسابي الموضح أعلاه الخ .

لأغراض التحكم، تعتبر الدفيئة عادة بمثابة صندوق أسود، حيث تحدد الظروف المناخية الخارجية مدخلات الاضطرابات، وتوريد COSUB2/sub والتدفئة والتهوية هي مدخلات التحكم، وتحدد الاحتباس الحراري الكلي والمناخ المحلي إخراج النظام (الشكل 11-17).

للتحكم في الاحتباس الحراري، يتم توجيه الإجراءات لتقليل التأثيرات السريعة للاضطرابات، أي قبل التغييرات المتوقعة عن طريق التحكم الذكي. لذلك، يتم استخدام إجراءات التحكم مثل التغذية المرتدة و التغذية المرتدة (الفصل 8). ومع ذلك، يمكن تحقيق أفضل تحكم عند استخدام نموذج كامل للاحتباس الحراري والجمع بينه وبين توقعات الطقس (Körner وVan Straten، 2008) لتحقيق التحكم الأمثل في المناخ الاحتباس الحراري القائم على النموذج، على النحو الذي حدده Van Ooteghem (2007).