بخشی از مقاله
بهینه سازي مصرف آب در مزرعه جهت مدیریت بهتر و بهبودکیفیت با TDR
چکیده:
آبیاري به منظورتامین آب خاك انجام میگیرد که نه تنها رشدگیاه بلکه راندمان تولید نیز از اهداف آن به شمار میآید. تمامی جنبههاي مدیریت آبیاري ، بخصوص برنامهریزي آبیاري ، نیازمند درك صحیح از بیلانآّب خاك می باشد. استفاده از بیلان آب خاك به منظور کنترل آبیاري در گـرو تخمـین میـزان آب در منطقه توسعه ریشهها در هر مرحله از رشد میباشد. از مهمترین عوامـل مـوثر در بـیلان ، تغییـرات در ذخیـره رطوبتی خاك میباشد که آنرا با ابزارهاي مختلفی میتوان اندازهگیري کرد. یکی از روشهاينـسبتاً جدیـد در اندازهگیري رطوبت روش انعکاس سنجی حوزه زمانی است کهاصطلاحاً روش TDR نام گرفتهاست. ایـن روش بر اساس خصوصیت غیر عادي آب از نظر ثابت دي الکتریک استوار است. هدف از تحقیق تعیین زمان و میزان هر آبیاري با توجه بـه آب مـورد نیـاز گیـاه در مزرعـه مـیباشـد. در ایـن مقالـه از TDR کـه قابلیـت اندازهگیري رطوبت را در چندین نوبت و بصورت متحرك داراست استفاده شدهاست. بدین ترتیـب کـه بـا نصب TDR در عمق مورد نظر در منطقه توسعه ریشه و قرائت آن ، میزان آب وارد شـده بـه خـاك و جـذب شده توسط گیاه پس از آنالیز بدست میآید. البته شرایط موثر در هر دوره از آبیاري مد نظر قرار گرفتهاست. با این روش می توان مدیریت بهتر و دقیقتري براي آبیاري مزرعه ارایهکرد. نتایج نشان میدهـد کـه میـزان کیفیت و کمیت محصول بالا رفته و کارایی مصرف آب و راندمان افزایش یافتهاست.
کلید واژهها: مزرعه، نیاز آبی گیاه، کارایی مصرف آب، TDR
مقدمه:
حرکت در مسیر تولید محصولات کشاورزي فقط با دانستن چگونگی پرورش محصولات مقدور نخواهد بود. چه شما مالک محل کسب خود باشید یا براي شخص دیگري کار کنید، موفقیـت شـما بـستگی بـه توانـایی در مـدیریت امکانات، سرمایه و وقت دارد. براي حمایت از رشد مطلوب گیاهان، محیط رشد باید مواد غذایی و آب گیاه را بصورت مناسب فراهم سازد. محیط رشد از ذرات جامد، آب وهوا تشکیل یافته که هـر کـدام بـراي رشـد گیـاه بـسیار بـا اهمیـت
هستند. براي تامین رطوبت مورد نیاز، آبیاري یکی از بخشهاي اصلی و مهـم در مـدیریت مزرعـه بـه شـمار مـیرود. نیـاز آبیاري به مقدار آبی گفته میشود که باید بصورت آبیاري به زمین دادهشود تا گیـاه بـا حـداکثر تـوان خـود رشـد نمـوده تولید محصول نماید. گرچه بخشی از نیاز آبیاري ممکن است از طریـق بارانهـاي مـؤثر و آبهـاي زیرزمینـی تـامین شـود. اطمینان از فواصل زمانی مناسب بین هر آبیاري و مقدار آب بـسیار ضروریـست و عوامـل متعـددي ماننـد محـیط کـشت، تابش، نوع گیاه، دوره رشد، تهویه و نیاز آبی گیاه در آن دخیل هستند.[1]
سه روش مهم در تشخیص زمان آبیاري وجود دارد : -1 استفاده از نمایههاي گیاه ؛ -2 استفاده از نمایههاي خـاك -3استفاده از روشهاي بیلان آبی. سادهترین روش براي تعیین زمان آبیاري این است که برخی از خصوصیات بارز گیاهی را در نظر گرفته و تغییرات آنرا در روزهاي بعد از آبیاري تعقیب کنیم. نمایههاي ظاهري مانند شادابی برگها و شاخههـا و رنگ برگها از جمله پارامترهایی میباشند که با تغییر شدید آنها در هنگام تشنگی گیـاه مـیتـوان زمـان آبیـاري را تعیـین کرد. بیش از ظاهر شدن اولین علایم کمبود آب، گیاه باید آبیاري شود. علایم کمبود در گیاهان متفاوت اسـت. نظـر بـه اینکه چه زمانی باید گیاه آبیاري شود بستگی به وضعیت و محیط کشت آن گیاه دارد. معمولا تشخیص زمان و مقدار هر آبیاري با در نظر گرفتن عوامل وابسته بسیار پیچیده است و با استفاده از نمایههاي ظاهري گیاه از دقـت کـافی برخـوردار نخواهد بود. بعنوان مثال امکان دارد تغییـر رنـگ گیـاه در اثـر آفـات گیـاهی باشـد نـه کمبـود آب. بـه دلیـل وجـود ایـن مشکلات نمیتوان مدیریت جامعی را براي آبیاري در مزرعه بکار برد.[2]
هدف از این تحقیق تعیین زمان و میزان هر آبیاري با توجه به آب مـورد نیـاز گیـاه در مزرعـه مـیباشـد. اسـتفاده از نمایههاي خاك و بیلان آبی خاك که هدف مقاله استفاده از این روش مـیباشـد کـارایی بیـشتري نـسبت بـه نمایـههـاي ظاهري گیاه دارد. با توجه به گـسترش روز افـزون کـاربرد کـامپیوتر و اسـتفاده از آن در علـوم آب، اسـتفاده از مـدلهاي محاسباتی و ریاضی مبتنی بر بیلان آب خاك(که قبلا استفاده از آنها بسیار مشکل بود) آسان شده است. بطور کلی اصـل اولیه در این مدلها حل معادله بیلان آب خاك است.[3] نمایههاي خاك در تعیین زمان آبیاري بکار مـیرود، مـشتمل بـر تعیین رطوبت موجود در خاك و مقایسه آن با حداقل رطوبت است که باید خـاك قبـل از آبیـاري داشـته باشـد تـا گیـاه براحتی بتواند از آب موجود استفاده نماید و تحت تنش قرار نگیرد، یعنی سعی ما بر این خواهد بود کـه رطوبـت موجـود در منطقه توسعه ریشه در حد سهلالوصول قرار گیرد و در مواقعی که کمبود رطوبت وجود دارد آبیاري صـورت گیـرد. همچنین نکته قابل توجه این که در مواقعی تنش باعث افزایش محصول میشود بنـابراین بـا برنامـه ریـزي دقیـق مـیتـوان تنش مورد نظر را در زمان مشخص به گیاه وارد کرد.[4] رطوبت خاك به دو صورت مستقیم و غیرمستقیم انـدازهگیـري میشود. برخی از روشها در مزرعه انجام میشوند، اما در بعضی دیگر باید از خاك نمونه برداري کرده و مقدار رطوبـت را در آزمایشگاه اندازهگیري نمود. در روشهاي مستقیم مقادیر جرمـی یـا حجمـی رطوبـت بطـور مـشخص انـدازهگیـري میشوند. اما در روشهاي غیرمستقیم ابتدا باید یک عامل دیگر که درصد رطوبت بر آن مؤثر اسـت انـدازهگیـري شـده و سپس از روي آن مقدار رطوبت خاك تخمین زده شود. از روشهاي اندازه گیري رطوبت چهار روش حائز اهمیت است که عبارتند از: -1 روشهاي جرمی وحجمی از طریـق خـشک کـردن نمونـههـاي خـاك در گرمخانـه ؛ -2 انـدازهگیـري رطوبت با بلوك گچی ؛ -3 استفاده از دستگاه نوترونمتر در مزرعه ؛ -4 استفاده از دستگاه TDR
یکی از روشهاي اندازه گیري رطوبت استفاده از TDR است که بر اساس خصوصیات غیر عادي آب از نظـر ثابـت ديالکتریک استوار است. این روش مورد توجه متخصصان زیادي قرار گرفتهاست. بطوریکه امـروزه روشـهاي متعـددي در این زمینه در ژورنالها و کنفرانسهاي مختلف ارایه شدهاست، بطور نمونه آقاي Steven(2002) به بررسـی روش TDR در اندازهگیري رطوبت خاك و مقایسه آن با روشهاي نوترونمتر و پرتوسنجی میپردازد، نتایج حاصله در این مقاله بیـان
میدارد که استفاده از پربهاي سه میلهاي در TDR مناسـبتـرین حالـت بـراي انـدازهگیـري در بعـضی شـرایط اسـت و حــساستــرین پــرب نــسبت بــه دمــا بــدون نیــاز بــه واســنجی اســت5]و[6؛ Baker & allmaras(1990) در مقالــهاي بـاعنوانsystem for automating and multiplexing soil moisture measurement by TDR بـه بررسـی امکـان برنامهریزي TDR جهت تعیین میزان رطوبت موجود در خاك پرداخته است7]و[8؛ و R. Evett(Sep,1997) در مقالهي Coaxial multiplexer for TDR of soil water content and bulk electrical conductivity طرح دسـتگاه TDR را میدهد که ذخیره رطوبتی خاك را بر اساس هدایت الکتریکی خاك و آب تعیین میکند.[9] در این مقاله با اسـتفاده از TDR روشهاي محاسبه زمان هر آبیاري و کنترل دقیق مدت زمان آبیاري ارایه شدهاست. بدین ترتیب که با نـصب TDR در عمق مورد نظر در منطقه توسعه ریشه و مطالعه فرکانس حاصله، میزان آب وارد شده به خـاك و جـذب شـده توسـط گیاه پس از آنالیز بدست میآید. البته شرایط موثر در هر دوره از آبیاري مد نظر قرار گرفتهاست.
ارزش استفاده از این روش را میتوان در چند بخش مهم بیان کرد. با این روش میتوان مدیریت بهتر و دقیـقتـري براي آبیاري ارایهکرد. میزان کیفیت محصول بالا رفته و کارایی مصرف آب افزایش مییابد، مصرف آب کاهش یافته و از صدمه رسیدن به محیط کشت و افزایش امراض و آفات جلوگیري میکند.
مواد و روشها:
یکی از روشهاي نسبتًا جدید در اندازهگیري رطوبت روش انعکاس سنجی حـوزه زمـانی اسـت کـه اصـطلاحاً روش TDR نام گرفتهاست. این روش بر اساس خصوصیت غیر عادي آب از نظر ثابت ديالکتریـک اسـتوار اسـت. بـه طور کلی ديالکتریک به معنی نارسانا بودن الکتریسیته میباشد. یعنی جسمی که اگر بین دو سطح باردار قرار گیرد مـانع از تشکیل شبکه جریان بار الکتریکی گردد. سادهترین شکل خازن دو صفحه فلزي است که بین آنهـا لایـهاي از هـوا یـا ماده عایق دیگري مثل میکا قرار گرفتهباشد. بر حسب تعریف ثابت دياکتریک هر مـاده کـه بـه آن گـذردهی نـسبی یـا ظرفیت القایی ویژه نیز گفته میشود عبارت است از نسبت گنجایش یک خازن که در آن از یک مـاده معـین بـه عنـوان ديالکتریک استفاده شدهباشد به گنجایش همان خازن در صورتی که ديالکتریک آن هوا باشد.
ثابت ديالکتریک یک ماده که غالباً با علامت D نشان داده میشود معیاري است که تمایـل مولکولهـاي آن مـاده را در آرایش دادن خود در هنگام قرار گرفتن در میدان نیروهاي الکترواستاتیک نشان میدهـد. همـانطور کـه قـبلاً گفتـه شد با توجه به اینکه مولکوهاي آب ذاتاً قطبی هستند و به دلیل طرز قرار گـرفتن اتمهـاي هیـدروژن و اکـسیژن نـسبت بـه همدیگر ، یک طرف مولکول داراي بار الکتریکـی مثبـت و طـرف دیگـر آن داراي بـار الکتریکـی منفـی اسـت، ثابـت ديالکتریک آب نسبت به سایر مواد بسیار بالاست. مثلاً در حالی که ثابت ديالکتریک بـراي هـوا یـک و بـراي خـاك خشک بین 4 تا 8 میباشد، ثابت دي الکتریک آب حدود 81 است. بدینترتیب ثابت ديالکتریـک بـراي یـک خـاك مرطوب که از سه جزء آب، هوا و ذرات جامد تشکیل شدهاست عمدتاً توسط مقدار آب آن کنترل میشود. بـه عبـارت دیگر ثابت ديالکتریک خاك مرطـوب بـستگی بـه مقـدار حجمـی رطوبـت داشـته و بـا افـزایش رطوبـت خـاك ثابـت ديالکتریک آن نیز افزایش خواهد یافت. در روش رطوبت سنجی TDR دو میله موازي که معمـولاً از جـنس مـس یـا فولاد انتخاب میشوند به یک دستگاه گیرنده علائـم متـصل مـیباشـند. ایـن دو میلـه سـپس بـه داخـل خـاك فـرو بـرده میشوند. میله ها که عرضشان حدود 5 میلیمتر است به عنوان هادي عمل کرده و خاکی که بین میله و اطراف آنها واقـع شدهاست نقش محیط دي الکتریک را ایفا مینماید. حال اگر دستگاه TDR تپهـاي ولتـاژ الکتریکـی و یـا علائمـی را ایجاد و آن را در طول میلههاي موازي منتشر نماید، سرعت این علائم که با فرکانس زیاد خارج شدهانـد توسـط مـوادي
مانند خاك مرطوب که ثابت دي الکتریک آنهـا زیـاد اسـت کـاهش پیـدا مـیکنـد. سـیگنالهایی کـه سـرعت آنهـا کـم شدهاست از انتهاي میله منعکس شده و پس از برگشت وارد دستگاه میشود. این دستگاه زمان بـین فرسـتادن و دریافـت علائم منعکس شده را اندازهگیري میکند. به ازاء طول ثابت میله، فاصله زمانی بـین رفـت و برگـشت علائـم بـا سـرعت انتشار علائم نیز بستگی به مقدار ثابت ديالکتریک خاك که تابعی از رطوبت مـیباشـد دارد. بـدینترتیـب کـه هـر چـه رطوبت خاك افزایش یابد، ثابت ديالکتریک افزایش یافته و لذا سرعت انتشار علائم کاهش مییابد. با کاهش سـرعت انتشار فاصله زمانی بین رفت و برگشت علائم افزایش پیدا میکند. دستگاه TDR (شکل(1 شـامل نمایـشگر و چنـد نـوع پرب میباشد. نمایشگر داراي خروجی آنالوگ 0-1 ولت و درگاه استاندارد RS232/V24 است و در نتیجه میتوانـد بـه یک کامپیوتر شخصی براي برنامهریزي، تنظیم، خواندن و پردازش مقادیر اندازهگیري شده متصل شـود. بـه دلیـل اینکـه مشخصات ویژه پربها (مانند طول کابل، شماره پرب و غیره) در خود پرب ذخیره میشوند، انواع مختلفی از پربهـاي دو و سه میلهاي میتواند به نمایشگر متصل شود.
