بخشی از مقاله
چکیده
برای ارزیابی مدل CERES-Wheat، جهت شبیه سازی رطوبت در لایه های مختلف خاک، تحقیقی در مزرعه واقع تبریز انجام گردید، در این تحقیق تیمار آبیاری به عنوان فاکتور اصلی در فواصل 10، 20 و 30 روزه و کود ازت به عنوان فاکتور فرعی در شش سطح 0 - ، 40، 80، 120، 160، - 200 کیلوگرم نیتروژن در هکتار به صورت کرتهای خرد شده و در قالب طرح بلوکهای کامل تصادفی با 3 تکرار اجرا شد، رقم مورد استفاده در این تحقیق الوند بود. مقادیر شبیهسازی و اندازهگیری شده رطوبت در اعماق مختلف خاک، با استفاده از پارامتر های ریشه میانگین مربعات خطا و شاخص توافق ویلموت مورد ارزیابی قرار گرفت.
نتایج تحقیق نشان داد که مدل در عمق 20-0 و 40-20 سانتیمتر مقدار رطوبت خاک در تیمارهای آبیاری 10 و 20 روز یکبار و مدیریت کود نیتروژن را با دقت خوبی شبیه سازی میکند اما برای تیمارآبیاری 30 روز یکبار دقت مدل کمتر میباشد.
مقدمه
خشکسالی و تنش ناشی از آن مهم ترین و رایجترین تنشهای محیطی است که تولیدات کشاورزی را در جهان با محدودیت روبهرو ساخته است. در کشاورزی خشکی به وضعیتی اطلاق میشود که میزان و توزیع بارندگی در طی فصل رشد به اندازهای ناچیز باشد که موجب کاهش عملکرد گیاه زراعی شود . - Siani and Aspinall, 1981 - در ایران، تنش خشکی به عنوان مهمترین عامل محدود کننده تولیدات زراعی مطرح است. بخش زیادی از اراضی زیر کشت گندم در ایران در مناطق خشک و نیمه خشک قرار گرفته است. در این مناطق، به علت کمبود منابع آب و در نتیجه بروز تنش برای گیاه، عملکرد گندم به شدت کاهش مییابد.
درک تأثیر تنش خشکی و رژیمهای دمایی بر عملکرد دانه، گامی موثر در توسعه ارقامی با عملکرد بالا و پایدار میباشد. با توجه به اینکه دستیابی به روشهای رفع عوامل محدود کننده عملکرد نیاز به انجام آزمایشهای زیاد و هزینهبر در مناطق مختلف دارد، یافتن راهی برای کاهش تعداد، زمان و هزینه انجام این آزمایشها میتواند کمک بسیار موثری محسوب شود.
امروزه انجام این مهم با شبیه سازی فرآیند تولید دانه و با استفاده از نرمافزارهای کامپیوتری مبتنی بر معادلات ریاضی و با در نظر گرفتن متغیرهای بسیار موثر بر عملکرد امکانپذیر شده است. مدل شکل ساده شدهای از یک سیستم، و شبیهسازی مطالعه رفتار سیستم به کمک مدل است. مدلهای شبیهسازی گیاهان زراعی، ابزارهای سودمندی برای شناخت فرایندهای بیوفیزیکی حاکم بر سیستم خاک-گیاه- اتمسفر میباشند . - Timsina and Hympherys, 2006 - این مدلها اثرات تغییرات آب و هوا، خصوصیات ژنوتیپهای گیاهی، ویژگیهای خاک و عوامل مدیریتی را روی رشد گیاه شبیهسازی مینمایند.
به کمک مدل و شبیهسازی میتوان از تکرار آزمایشات و افزایش هزینهها جلوگیری نموده، بدون اینکه به نتایج حاصله خدشهای وارد گردد. مدلهای شبیهسازی، بهطور قابل توجهی برای بهینهسازی مدیریت تولید گیاهان زراعی مورد استفاده قرار میگیرند
آزمایش های مزرعه ای متداول فقط تعداد خیلی محدودی از عوامل موثر بر رشد گیاه را در یک منطقه خاص و در یک فصل زراعی مورد ارزیابی قرار میدهند. مدلهای شبیهسازی نهتنها میتوانند تعداد زیادی از متغیرهای آب و هوایی و مدیریتی را همزمان روی رشد گیاه مورد ارزیابی قرار دهند، بلکه برای انتقال و تعمیم نتایج آزمایشهای انجام شده در یک منطقه و یک فصل زراعی، به مناطق و سالهای زراعی دیگر مورد استفاده قرار میگیرند . - 2003 Bannayan, et al., - البته آزمایشات مزرعهای برای اعتبارسنجی و واسنجی نتایج مدلسازی مورد نیاز است.
باتوجه به توانایی مدل CERES-Wheat در تعیین اثر کمی پارامترهای مختلف اقلیمی، محیطی و مدیریتی بر تولید گندم، میتوان با انتخاب استراتژیهای مختلف مثل ارزیابی تولید واریتههای مختلف، تاریخ کاشتهای متفاوت، بررسی مقدار و زمان مصرف نیتروژن و نیز شبیهسازی اثرات این عوامل با دادههای هواشناسی بلندمدت، رشد، نمو و عملکرد گندم را در سطوح منطقهای و ملی مورد ارزیابی قرار داد
از طرف دیگر، با توجه به کاربردهای گسترده مدل-CERES Wheat در شرایط مختلف تولیدی و در نظر داشتن اقلیم خشک و نیمه خشک کشور و وجود تنشهای مختلف آبی و شوری در سیستمهای تولیدی و با توجه به محدودیت های مالی برای انجام تحقیقات، به نظر میرسد مدلها میتوانند نقش قابل توجهی در تحقیقات کشاورزی کشور داشته باشند
هدف از این تحقیق ارزیابی مدل Ceres - wheat در منطقه شمالغرب کشور و پیشبینی رطوبت خاک در مزرعه گندم در شرایط توامان محدودیت آب و ازت می باشد. لذا می توان بعد از واسنجی و بررسی صحت کارکرد مدل آن را برای اهداف پژوهشی مورد نظر در شرایط اقلیمی این منطقه به ویژه آذربایجانشرقی به کار برد.
مواد و روشها
این آزمایش در فصل زراعی بهار در مزرعهای واقع در منطقه خواجه دیزج در غرب تبریز در سال زراعی 91 - 90در قطعه زمینی به ابعاد 15×72متر اجرا شد. این منطقه در عرض جغرافیایی ْ38و َ 7شمالی و طول جغرافیایی ْ 44و َ 9 شرقی واقع گردیده و ارتفاع آن از سطح دریا 1225 متر میباشد. از خاک قطعه زمین مورد کشت نمونه در عمق 0- 20، 20-40 و 40-60 سانتیمتر و در نهایت یک نمونه 1 کیلوگرمی و 3 نمونه دست نخورده جهت آنالیز به آزمایشگاه خاکشناسی منتقل گردید.
در این تحقیق تیمار آبیاری به عنوان فاکتور اصلی در فواصل 10، 20 و 30 روزه و کود ازت به عنوان فاکتور فرعی در شش سطح 0 - ، 40، 80، 120، 160، - 200 کیلوگرم نیتروژن در هکتار به صورت کرت های خرد شده و در قالب طرح بلوکهای کامل تصادفی با 3 تکرار اجرا شد، رقم مورد استفاده در این تحقیق الوند بود. عملیات تهیه زمین در پائیز 1389 اجرا گردید. جهت آماده سازی زمین عملیات شخم و دیسک زدن مجدّد زمین به منظور خرد شدن کلوخه ها و ماله کشی در اوایل اسفند و بعد از بهبود نسبی دمای هوا صورت گرفت.
براساس آزمون خاک و نیز اجرای تیمارهای کودی، نیمی از کود نیتروژن که بار هر کرت بر حسب تمیارها متفاوت بود، همزمان با کاشت و همراه با آبیاری اول و 50 درصد دیگر آن در ابتدای گلدهی به صورت سرک مورد استفاده قرار گرفت.
اولین آبیاری در تاریخ 15 اسفند بلافاصله بعد از کاشت بذور به صورت کرتی انجام شد. شروع جوانه زنی حدود 9-12 روز بعد از تاریخ کاشت اتفاق افتاد. عملیات آبیاری با توجه به برنامه های 10، 20 و 30 روزه به طور متناوب انجام گردید و در این فاصله نیز بارندگی های مکرر در فصل بهار نیاز آبی گیاه تأمین شد. سایر عملیات داشت نظیر کوددهی - کود اوره به صورت سرک - ، مبارزه مکانیکی با علف های هرز و مبارزه شیمیایی با سن گندم در مراحل مختلف رشد انجام شد.
کود اوره به صورت سرک حدود اواسط خرداد به صورت دستپاش به کرت ها اضافه شد. مبارزه شیمیایی با سن گندم در اواخر اردیبهشت و اوایل خرداد پس از تهیه سم دسیس به صورت تقریبی 500cc در هکتار مورد استفاده قرار گرفت. کنترل علف های هرز به صورت شیمیایی و دستی انجام شد. قطع آبیاری در تاریخ های 91/3/15 در کرت های آبیاری 30 روزه، 91/3/5 در کرتهای آبیاری 20 روزه و 91/3/15 در کرتهای آبیاری 10 روزه انجام گرفت. در طول فصل هر 10 روز یکبار 9 نمونه خاک از اعماق 0-20، 20-40 و 40-60 سانتیمتر خاک توسط اوگر برداشت و برای ارزیابی کیفی به آزمایشگاه ارسال گردید و پس از توزین با ترازو در آون خشک شده و میزان رطوبت وزنی آنها اندازه گیری گردید. البته در آغاز تحقیق قرار بود که نمونهبرداری خاک هر 7 روز یکبار 27 نمونه خاک برداشت کرد که با توجه به ابعاد و شرایط تقریباً یکنواخت زمین زمان و نحوه انجام آن تغییر یافت.
مدل CERES-Wheat دارای قسمتهای مختلفی است که پس از وارد کردن اطلاعات هر قسمت مدل آماده اجرا میشود. قسمتهای مدل CERES-Wheat عبارتاند از:
Crop Management Data -1، قسمت مدیریت مزرعه: در این قسمت اطلاعات مدیریتی مزرعه در اختیار مدل قرار میگیرد. این قسمت از بخش های مختلفی تشکیل شده است و اطلاعاتی در مورد نحوه اجرای آزمایش و چگونگی کاشت، آنالیز خاک، ارقام مورد استفاده، تاریخ و نحوه آبیاری، کودهای مورد استفاده، تاریخ و چگونگی برداشت محصول و....که توسط مدل خواسته شده است در اختیار آن قرار میگیرد.
Soil Data -2، قسمت اطلاعات مربوط به خاک محل آزمایش: در این قسمت خصوصیات خاک مربوط به محل آزمایش شامل رنگ و نوع خاک، درصد شن، رس و سیلت و... در اختیار مدل قرار میگیرد.
Experimental Data - 3 ، قسمت وارد نمودن دادههای مشاهده شده: این قسمت از دو بخش AFile و TFile که به ترتیب مربوط به دادههای عملکرد و اجزای عملکرد و دادههای در طول فصل رشد 6 - مرحله نمونهگیری از مزرعه - تشکیل شده است، که این اطلاعات در قالب فایلهای جداگانه در اختیار مدل قرار میگیرد.
Weather Data -4، قسمت اطلاعات مربوط به آب و هوای محل آزمایش: حداقل دادههای هواشناسی جهت اجرای مدل گیاه زراعی عبارت اند از: حداقل و حداکثر دمای روزانه، بارندگی روزانه و تشعشع خورشیدی روزانه؛ این دادهها باید برای دوره مورد انتظار شبیه سازی گیاه و چند روز قبل و بعد از آن تهیه و در یک فایل وارد شوند. این فایل همچنین باید شامل سال میلادی دادههای هواشناسی و نیز تاریخ هرروز در طی سال باشد. دلیل استفاده از سال میلادی یکنواخت سازی فایل هواشناسی مورد استفاده با آنچه سایرین استفاده میکنند، میباشد.
جهت اجرای مدل CERES-Wheat دو دسته داده مورد نیاز است:
-1 اندازهگیری شده ، که همان دادههای مشاهده شده در مزرعه است.
-2 دادههای شبیهسازی شده، که مدل CERES-Wheat با استفاده از اطلاعات ورودی، شبیه سازی را انجام می دهد. که در نهایت با مقایسه دادههای مشاهده شده و شبیه سازی شده میتوان توانایی مدل را در شبیهسازی مورد بررسی قرار داد.
برای مقایسه دادههای شبیهسازی شده با دادههای بهدست آمده از آزمایشات مزرعهای از شاخصهای ارزیابی، مجذور میانگین مربعات خطا - RMSE - ، شاخص توافق ویلموت - Willmott, 1982 - ، - d - و ضریب تبیین - R2 - 1 حاصل از آنالیز رگرسیون خطی و خط 1:1 استفاده گردید.
چنانچه در نتایج شبیه سازی توسط مدل مقدار RMSE بدست آمده از فرمول زیر کمتر از 10% میانگین دادههای اندازهگیری شده باشد، مبین توانایی خوب مدل CERES-Wheat در شبیهسازی میباشد همانطور که در آزمایشات اندرزیان و همکاران - 1389 - و کیانی و همکاران - 1383 - مشاهده شده است.
