بخشی از مقاله
چکیده:
تلفیق اطلاعات خواص هیدرولیکی خاك، هندسه تركها و چگونگی پاسخ گیاه برنج به تنش خشکی در مقیاس مزرعه با مدلهاي شبیهسازي فرآیندهاي فیزیکی خاك و گیاه، زمینآمار و سیستم اطلاعات جغرافیایی - GIS - ابزاري امیدبخش براي مدیریت بهینه آب در شرایط محدودیت کمی و کیفی آب در مقیاس ناحیهاي است. این پژوهش با هدفارزیابی اعتبار مدل SWAP براي شبیهسازي حرکت آب و املاح در خاكهاي شالیزاریو پهنهبندي زمانی محدودههاي بحرانی تنش خشکی و شوري در مقیاس ناحیهاي با تلفیق روشهاي زمینآمار، GIS و مدل شبیهسازSWAP به انجام رسید.
اثر مدیریت کمی و کیفی آب از پایان مرحله پنجهزنی بر گیاه برنج در مقیاس ناحیهاي نشان داد در بیشتر شالیزارهاي واقع در جنوب غربی و غرب ناحیه مطالعه شده احتمال بروز و توسعه ترك از نظر زمانی سریعتر از دیگر نقاط بوده و در نتیجه تلفات آب بیشتر و خطر - ریسک - تنش خشکی بالاتر است و شوري خاك در پایان فصل کشت نیز در این ناحیهها بیشتر است. در این زمینها مقدار رس بیشتر و مقدار کربن آلی و ضخامت خاك سطحی کمتر بود.
مقدمه:
منبع اصلی تامین آب در استان گیلان رودخانه سپیدرود است که در سالهاي اخیر به سبب خشکسالیهاي پی در پی و برنامه احداث سدهاي متعدد در قسمتهاي بالادست حوضه، آورد آن کاهش یافته و پیشبینی میگردد علاوه بر کاهش قابل توجه حجم آب ورودي به مخزن سد سپیدرود، کیفیت آن نیز کاهش یابد. در شرایط کنونی کاهش آورد از طریق اعمال تناوب آبیاري در سطوح کانالهاي درجه 1 و 2 شبکه آبیاري و زهکشی سپیدرود جبران میشود اما این مساله به ویژه در شرایط محدودیت آب موجب ایجاد ترك در سطح شالیزارها شده و چنانچه اندازه این تركها گسترش یابد، راندمان کاربرد آب به شدت کاهش مییابد.
از سوي دیگر میزان رس موجود در بیشتر خاكهاي شالیزاري استان گیلان بالا و کانی غالب در این خاكها از نوع متورم شونده - اسمکتیت - است، بنابراین خاكهاي این استان از پتانسیل بالایی براي انقباض و بروز ترك برخوردارند. گیاه برنج در طبقهبندي ارایه شده توسط سازمان خوار و بار جهانی در گروه گیاهان حساس به شوري قرار دارد . - Allen et al., 1998 -
ووپیرز و همکاران - Wopereis et al., 1996 - نشان دادند این گیاه نسبت به وقوع تنش خشکی در فاز رویشی چنانچه تنش پیش از پنجهزنی اتفاق افتد مقاوم بوده و مرحله تشکیل خوشه حساسترین مرحله به تنش خشکی است. سلحشور دلیوند و همکاران - 1392 - نشان دادند بروز ترك با عرض متوسط 2 سانتیمتر - معادل مکش 547 سانتیمتر - منجر به کاهش 20 درصدي محصول برنج رقم هاشمی میگردد.
تعریف سناریوهاي مختلف در کارهاي میدانی بسیار پرهزینه، مشکل و زمان بر است به ویژه چنانچه مقرر باشد فرآیندهاي پیچیدهاي مانند جریان آب و انتقال املاح در مزرعه مورد بررسی قرار گیرد. بنابراین چنانچه بتوان مدلهاي موجود را براي منطقه مورد نظر کالیبره و استفاده کرد، بسیار موثر خواهد بود. شبیهسازي رشد و نمو گیاه برنج تقریباً از 1980 در موسسه تحقیقات بینالمللی برنج آغاز شد.
دواتگر - 1389 - با تلفیق مدلشبیهسازي رشد و نمو مخصوص گیاه برنج - ORYZA - ، زمین آمار و سیستم اطلاعات جغرافیایی - GIS - مدیریت بهینه آب را در شرایط محدودیت آب در مقیاس ناحیهاي بررسی نمود. یکی از مدلهاي مطرح مدل آگروهیدرولوژیکی SWAP - خاك، آب، اتمسفر و گیاه - است. این مدل براي خاكهاي رسی انبساط و انقباضپذیر با بافت ریز در نقاط مختلف جهان ارزیابی و نتایج مطلوبی را به همراه داشته است.تحقیقات انجام شدهبر روي گیاه برنج با استفاده از مدل SWAP محدود بوده و عمدتاً بر شرایط معمول - بدون ترك - تمرکز داشتهاند. این مطالعه با هدف پهنهبندي زمانی محدودههاي بحرانی تنش خشکی و شوري در مقیاس ناحیهاي با تلفیق روشهاي زمینآمار، GIS و مدل شبیهسازSWAP به انجام رسیده است.
-2 مواد و روشها:
-1-2 محدوده مورد مطالعه کلیه بررسیهاي آزمایشگاهی و مزرعهاي در موسسه تحقیقات برنج کشور - رشت - واقع در واحد فیزیوگرافی دشتهاي آبرفتی استان گیلان، اجرا گردید. اراضی شالیزاري شهرستان صومعهسرا به وسعت 26000 هکتار در محدوده جغرافیایی حوضه آبریز سپیدرود، به منظور تعمیم نتایج حاصل از مزرعه به مقیاس ناحیه انتخاب گردید.
براي این هدف دادههاي خصوصیات فیزیکی و هیدرولیکی خاك اندازهگیري شده توسط دواتگر - 1389 - در 120 نیمرخ خاك شالیزاري واقع شهرستان صومعهسرا و محدوده اطراف آن استفاده گردید. در هر نقطه پس از حفر نیمرخی به عمق 60 سانتیمتر شامل لایههاي گلخراب سطحی، سخت لایه شخم و خاك غیراشباع زیرین نمونهبرداري به صورت دستخورده و دستنخورده انجام و کربن آلی، توزیع اندازه ذرات، چگالی ظاهري و هدایت هیدرولیکی اشباع اندازهگیري شدند - دواتگر، . - 1389
-2-2 مدل شبیهسازSWAP
دادههاي اقلیمی - بارش، سرعت باد، تشعشع خورشیدي و دماي حداقل و حداکثر - به صورت روزانه از ایستگاه هواشناسی سینوپتیک کشاورزي رشت در نزیکی محل آزمایش دریافت و به مدل وارد شد. به منظور شبیهسازي عملکرد محصول از مدل پیشرفته گیاه استفاده شد. سريهاي زمانی ارتفاع گیاه، شاخص سطح برگ، عمق ریشه، مجموع دماي مورد نیاز از جوانهزنی تا گلدهی و از گلدهی تا رسیدگی با استفاده از دادههاي اندازهگیري شده مزرعهاي - صدرالدینی و سلحشور، - 1391 به مدل وارد شد.
مقادیر مکش خاك در ارتباط با سهولت جذب آب شامل رطوبت آستانه کاهش جذب آب - 0/51 - θv3 - cm3cm-3 - و مکش معادل آن - h3 - - با - 251 cm، مقدار رطوبت در نقطه پژمردگی دایم یا توقف جذب آب - - θv4 - - 0/24cm3cm-3 و مکش معادل با آن - 11183 cm - h4 - - ، بر اساس نتایج حاصل از تحقیقات انجام شده توسط سلحشور و همکاران - 1392 - بر روي برنج رقم هاشمی در مدل لحاظ گردید. همچنین بر اساس نتایج حاصل در تحقیق یاد شده حد آستانه شوري محلول خاك - ECe-th - براي کاهش عملکرد برابر با 2/83 dSm-1 و نرخ کاهش عملکرد به ازاي هر واحد شوري - b - برابر با 0/106 میباشد که در مدل لحاظ گردید.
سایر پارامترهاي مورد نیاز مدل با استفاده از بررسی منابع موجود و پیشفرضهاي ارایه شده توسط مدل براي گیاه برنج تعیین و به مدل وارد شد. میزان رطوبت اولیه خاك به عنوان شرایط اولیه و زهکشی آزاد به عنوان شرایط مرزي انتها در نظر گرفته شد. در بخش انتقال املاح، غلظت آب آبیاري به عنوان شرایط مرزي بالا به مدل داده شد. براي شرایط اولیه نیز غلظت املاح خاك به عنوان تابعی از عمق نیمرخ خاك در مدل لحاظ شد.
براي تخمین بهینه پارامترها از نسخه WinPEST استفاده شد. تخمینهاي اولیه انجام شده با استفاده از توابع انتقالی براي متغیرهاي λ، α، n و θres، توسط نرم افزار PEST که به مدل SWAP لینک گردید، بهینه شدند. در مورد پارامترهاي گیاهی نیز ضرایب مربوط به بیشترین میزان افزایش شاخص سطح برگ، سطح ویژه برگ در طول دوره رشد و بیشترین سرعت تثبیت در شدت اشباعی نور بهینهسازي شد.
در بخش انتقال املاح پارامترهاي ضریبهاي دیفیوژن ملکولی - Ddif - و دیسپرسیویتی - Ldis - بهینه گردید. پس از واسنجی مدل SWAP3.03 و تعیین بهترین پاسخهاي مدل از نظر نزدیک بودن رطوبت و شوري شبیهسازي شده خاك به مقادیر واقعی، از این مدل در تلفیق با GIS براي تعیین محدودههاي تنشهاي توام شوري- خشکی خاك در مقیاس ناحیهاي بر اساس اطلاعات خاك در منطقه و در سناریوهاي محدودیت کمی و کیفی آب استفاده شد.
مقدار هدایت هیدرولیکی اشباع اندازهگیري شده به همراه پارامترهاي شکل مدل ونگنوختن که به کمک نرمافزار SWAP2.07 برآورد شده بودند، به عنوان پارامتر ورودي به مدل SWAP3.03 معرفی شدند. مدیریت آبیاري اعمال شده در مدل عبارت از سناریوهاي: 550 -1 میلیمترآب مصرفی و 440 -2 میلیمتر آب مصرفی و در چهار سطح کیفیت آب آبیاري با هدایتهاي الکتریکی 1، 2، 3 و 4 دسیزیمنس بر متر بودند.
کشاورزان گیلانی در سالهاي خشک عموماً فصل بهار را با استفاده از ذخیره محدود آب پشت سد سپیدرود، منابع آب داخلی استان و بارانهاي بهاره سپري میکنند که این دوره تقرًیبا بدون محدودیت تنش خشکی تا پایان مرحله پنجهزنی ادامه مییابد اما از این زمان به بعد به سبب کمبود آب در مزارع، احتمال وقوع تنش خشکی افزایش مییابد.
در این شرایط کشاورزان براي استمرار تولید ناگزیر به استفاده از آبهاي با کیفیت نامطلوب میباشند، شبیهسازي انجام شده بر این اساس انجام گرفت. بنابراین در اعمال سناریوهاي 550 و 440 میلیمتر آب مصرفی در مدل SWAP3.03، تا پایان مرحله پنجهزنی، برنامه آبیاري به صورت غرقابی پیوسته و میزان آب آبیاري مصرفی براي هر دو سناریو یکسان در نظر گرفته شد. از این مرحله به بعد باقیمانده آب آبیاري در سناریوي 550 میلیمتر با سه تناوب 10 روزه و در سناریوي 440 میلیمتر با دو تناوب 15 روزه و با آبهایی با هدایتهاي الکتریکی یاد شده در اختیار گیاه قرار گرفت.
پس از دریافت خروجیهاي شبیهسازي شده روزانه مکش و شوري در سناریوهاي مختلف از حدود آستانه مکشهاي متناظر با آستانه، 25 و 50 درصد کاهش عملکرد براي تعیین شدت بحران و زمان رسیدن به این حدود در هر یک از موقعیتهاي 120 نیمرخ استفاده شد. همچنین اثر استفاده از آبهاي با کیفیت نامطلوب - شوريهاي مختلف - بر شوري باقیمانده خاك در فصل رشد نیز مورد بررسی قرار گرفت. پس از شبیهسازي مکشهاي متناظر و شوريهاي باقیمانده خاك در موقعیت هر یک از 120 نیمرخ براي تبدیل اطلاعات از نقطه به سطح ناحیه از روشهاي درونیابی استفاده شد.
-3 نتایج و بحث:
شکل 1 پیشبینی مقدار شوري خاك در انتهاي فصل کشت توسط مدل SWAP3.03 را در دو سناریوي مدیریت آبیاري 440 و 550 میلیمتر نشان میدهد. با افزایش شوري آب آبیاري در هر دو سناریو، شوري خاك تقریباً در قسمتهاي غرب و جنوب غربی افزایش یافت که علت شور شدن بیشتر خاك در این محدوده را میتوان به عمق کمتر و درصد رس بالاتر خاك در این ناحیهها، نسبت داد.
