بخشی از مقاله
چکیده
یکی از راههای پیشبینی جبههی رطوبتی و میزان رطوبت در نقاط مختلف خاک تحت آبیاری استفاده از مدلهای مورد تأیید میباشد که میتوانند قبل از نصب سیستم آبیاری، نحوهی توزیع آب درون خاک را با توجه به شرایط خاک و شرایط آب و هوا، نوع گیاه و نوع سیستم آبیاری شبیهسازی کنند. امروزه، با توجه به محدود بودن منابع آب، کشت بدون خاکورزی به دلیل دارا بودن راندمان بالای کاربرد آب مورد توجهی بسیاری از مهندسین قرار گرفته است.
در این تحقیق، عملکرد مدل HYDRUS-2D تحت کشت بدون خاکورزی برای شبیهسازی جرکت آب در خاک مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور، مزرعه ایی تحت کشت ذرت و تحت آبیاری با تیپ در نظر گرفته شد و رطوبت خاک توسط یک نوترونمتر در اعماق مختلف قبل و بعد از آبیاری در مزرعهی مذکور اندازهگیری شد و با رطوبتهای شبیهسازی شده با مدل توسط آمارههای RMSE و EF مقایسه شد. نتایج با ارائه ی RMSEهای 0/011 و 0/023 - cm3/cm3 - و EFهای %91 و % 87 بهترتیب در ابتدا و انتهای دورهی شبیهسازی نشان داد که مدل قادر است رطوبت خاک را پس از آبیاری، تحت کشت بدون خاکورزی به خوبی شبیهسازی کند.
مقدمه
کشت بدون خاکورزی، به کاشت محصول در خاکی گفته می شود که هیچگونه عملیاتی از زمان برداشت تا کاشت بر روی زمین صورت نگیرد و برای حفاظت مناسب بذر، یک شکاف، شیار یا نوار دارای عرض و عمق کافی ایجاد شود و هیچ گونه عملیات دیگری برای آماده سازی خاک، انجام نگردد
در واقع کشت بدون خاکورزی یک روش مدیریت خاک است که راندمان بالاتری را در ارتقاء کیفیت خاک نسبت به روشهای کشت سنتی دارد، اگرچه مؤثر بودن آن، بستگی زیادی به وضعیت آب و هوایی، مقدار مالچ روی سطح خاک و مدیریت خاک دارد. شخم زدن میتواند تأثیر زیادی در توزیع و اندازه ی خلل و فرج خاک داشته باشد. خاک تحت کشت با اعمال خاکورزیعموماً چگالی ظاهری کمتر و درصد تخلخل بیشتری را نسبت به خاک بدون خاکورزی بهخصوص در لایهی شخم خورده دارا میباشد
رابطه ی بین وضعیت خلل و فرج حاصل از شخم زدن خاک و نفوذ، نقش مهمی را در ویژگیهای انتقال آب و املاح در خاک ایفاء می کند . در کشت بدون خاکورزی، به دلیل جریان های گذرنده از تخلخلهای ماکرو و مؤثر ایجاد شده توسط میکروارگانیسم ها، کرم ها و ریشه ی گیاهان، شدت نفوذ افزایش می یابد - لامپورلانس و کانترو-مارتینز، - 2006؛ تخلخلی که سازل و همکاران - 2006 - آن را به عنوان خلل و فرج های زیستی1 عنوان نمودند و آن را در حرکت آب و املاح جهت رشد ریشه بسیار مؤثر دانسته اند، زیرا این خلل و فرج ها پیچ و خمهای کمتری دارند و همچنین پیوسته و ممتد هستند و درنتیجه پایدارتر از خلل و فرجهایی هستند که توسط شخم زدن ایجاد میشوند
براساس نوشته فیلیپس و فیلیپس - 1984 - ، در اواخر دهه چهل میلادی، همزمان با معرفی تنظیمکنندههای رشد گیاه، در طول جنگ جهانی دوم، روش کم خاکورزی، مورد توجه قرار گرفت. کلینگمن درکارولینای شمالی در اواخر سال 1940، بهکارگیری عملیات کشاورزی بدون خاکورزی را گزارش داد. در سال 1951، بارونز، دیویدسون و فیتزگراد ، از شرکت شیمیایی Dow، کاربرد موفق روشهای بدون خاکورزی را گزارش دادند. در دهه 1960، اسپراگو در نیوجرسی، گزارش داد که برای احیای مراتع از مواد شیمیایی به جای خاکورزی استفاده کردهاند. پورتر از نیوزلند در اوایل دهه 1960، برای گیاه توت فرنگی، کشت بدون خاکورزی را گزارش داد و به دنبال آن، هود و جیتر در تپه های جیلات انگلستان در مورد کشت غلات دانه ریز بدون خاکورزی گزارش دادند.
در اواخر قرن هیجدهم تکامل وسیله ی شخم به کمک آلمانیها، هلندیها و انگلیسیها صورت گرفت و تقریبا به شکل کامل یک گاوآهن برگرداندار - تیغه پهن - که خاک را تا 135 درجه می چرخاند و در کنترل علفهای هرز بسیار مؤثر بود، ساخته شد. این وسیله، در اواخر قرن هیجدهم، مردم را از مرگ حتمی نجات داد، زیرا تنها وسیلهای بود که به طور مؤثری توانست علف هرزی بنام quack grass که تمام اروپا را پوشانده بود و با ابزارهای متداول قابل کنترل نبود را کنترل کند. از آنجا که این گاوآهن جدید، اروپا را از فقر و قحطی نجات داد، نماد - سمبل - کشاورزی پیشرفته شد و بسیاری از مؤسسات تحقیقاتی کشاورزی، دانشگاهها و مدارس کشاورزی و غیره از این وسیله استفاده کردند.
اما بعدها در مواجه با مسئله فرسایش در مناطق گرمسیر، تلاش بیشتری برای انتقال روش کشت بدون خاکورزی جهت تولید پایدار به خصوص در نواحی حارهای و قسمتهای گرمتر آفریقا و آسیا صورت گرفت. دلیل آن، این است که تاکنون هیچ کدام از روشهایی که بشر در هر کجای دنیا ابداع کرد نتوانست از فرسایش خاک جلوگیری کند و تولید محصولات غذایی را به صورت پایدار حفظ نماید
هم چنین شخم زدن علاوه بر فرسایش، باعث می شود که میکروارگانسیم های هوازی خاک که در سطح خاک هستند به لایه ی زیرین خاک و میکروارگانیسم های بی هوازی روی سطح خاک منتقل شوند و این باعث می شود که مواد آلی تولید شده توسط میکروارگانیسم های هوازی نیز به لایه ی زیرین سطح خاک منتقل شده و پس از آبیاری از منطقه ی توسعهی ریشه زهکش شود، درحالی که در کشت بدون خاکورزی مواد آلی در سطح خاک حفظ میشوند و در طول دورهی رشد گیاه و در طی آبیاری به پای ریشه گیاه منتقل میشوند و به مصرف گیاه میرسند. تحقیقات ارشاد و همکاران - 1990 - و وست و مارلند - 2002 - نشان داده است که کربن معدنی موجود در خاک تحت کشت بدون خاکورزی هم از نظر کیفیت و هم از نظر کمیت بیشتر از خاک تحت کشت سنتی است.
با توجه به اینکه امروزه استفاده از مدلها جهت تعیین الگوی پیاز رطوبتی بسیار رایج شده است، باید کارایی مدلها تحت شرایط مختلف سنجیده شود و چنانچه کارایی مدل تأیید گردد می توان از آن، برای طراحی و مدیریت سیستم ها استفاده نمود، مدل های تجربی، تحلیلی و عددی زیادی برای این منظور معرفی شده است که می توان به مدل تجربی کندلوس و همکاران - 2008 - و مدل تحلیلی سپاس خواه و چیتساز - 2004 - اشاره نمود اما مدل عددی HYDRUS-2D - سیمونک و همکاران، - 1999 یکی از کاربرپسندترین مدل هاست که تحت سیستم عامل ویندوز قابل استفاده است و میتواند حرکت آب، املاح و گرما را درون خاک بهخوبی شبیه سازی کند.
هم چنین این مدل قادر است ویژگی های هیدرولیکی خاک را به روش حل معکوس شبیه سازی نماید. مطالعات سیال و اسکگز - - 2009، لیگا و اسلاک - 2004 - ، کت و همکاران - 2003 - و کندلوس و همکاران - 1385 - کارایی این مدل را در شبیه سازی جبهه ی رطوبتی در شرایط آبیاری قطره ای سطحی و زیر سطحی تأیید نموده اند. تحقیقی در سطح مزرعه در کالیفرنیا جامان شد که در طی سه زمان آبیاری، بر روی یک نمونه بافت خاک نسبتاً سبک، توسط لولههایی که به فواصل مساوی قطرهچکانهایی روی آن تعبیه شده بود، آبیاری صورت گرفت و با مقایسهی نتایج مشاهده شده با نتایج حاصل از مدل، کارآیی مدل HYDRUS-2D در شبیهسازی ابعاد پیاز رطوبتی تأیید شد
عباسی و تاجیک - 1386 - با استفاده از این مدل به طور همزمان، پارامترهای هیدرولیکی و انتقال املاح در خاک را تحت آبیاری جویچه ای و به روش حل معکوس به دست آوردند. کندلوس و سیمونک - 2010 - ، حرکت گرما و مواد محلول و نحوه ی توزیع رطوبت در اطراف قطره چکان را تحت خاک لومیرسی با مدل HYDRUS شبیه سازی نمودند و با نتایج آزمایشگاهی و صحرایی مقایسه کردند که نتایج همبستگی بسیار خوب مقادیر شبیهسازی شده و اندازهگیری شده را نشان داد.
با وجود تحقیقات بسیاری که جهت بررسی عملکرد مدل HYDRUS-2D و نحوهی توزیع حرکت آب در خاک صورت گرفته است، در زمینهی نحوهی حرکت آب در سیستم کشت بدون خاکورزی اطلاعات کمی در دسترس میباشد، در این سیستم کشت، ساختمان خاک سطحی به طور طبیعی و طی بلند مدت تغییر میکند، ولی در خاک شخم خورده حفرههای خاک به دلیل برگردان و دیسک خوردن خاک درشتتر می شودن که این عامل تاًثیری بسیاری در پارامترهای هیدرولکی خاک به خصوص هدایت هیدرولیکی خاک دارد.
بافت و ساختمان خاک و متعاقباً نحوه ی حرکت آب درون خاک در این دو نوع سیستم کشت با یکدیگر متفاوت است. قابل ذکر است که در بسیاری از مطالعات، عملکرد بهتر تیپ نسبت به قطرهچکانها به دلیل کارگذاری نواری و ایجاد پیاز رطوبتی یکپارچه آن، تأیید شده است - روبرتز و همکاران، - 2008 ولی مطالعات کمی به منظور شبیه سازی جبهه رطوبتی حاصل از آبیاری با تیپ در کشت بیخاکورزی صورت گرفته است. از این رو، در این تحقیق، عملکرد مدل HYDRUS-2D جهت شبیهسازی جبهه ی رطوبتی خاک، تحت آبیاری با تیپ در یک مزرعه تحت کشت ذرت به صورت سیستم کشت بدون خاکورزی، ارزیابی شد.
مواد و روشها
در 24 آوریل سال 2007، در مزرعهایی واقع در ایستگاه تحقیقاتی لاوالت، در شهر مونپلیه فرانسه 43° 40ʼ1 - و 50ʼ - - 3°، گیاه ذرت با فواصل ردیفی 0/75 متر از یکدیگر کشت شدند. پوشش خاک بهوسیله مالچ سبب کاهش تبخیر از سطح خاک میشود. در دو ماه اول فصل زراعی به دلیل بارندگی های بهاره در منطقه، آبیاری انجام نشد و در ابتدای ماه ژوئن، نوارهای تیپ آبیاری که فواصل قطرهچکانهای آن از هم 30 سانتیمتر بود یکی در میان در بین ردیفهای گیاهی قرار داده شد یعنی به ازای هر دو ردیف کشت، یک ردیف تیپ آبیاری مستقر شد، بنابراین فواصل بین لاترالها 1/5 متر بود.
دبی تیپ 3/67 لیتر بر ساعت بر متر بود و اولین آبیاری در مرحله 12برگیِ توسعه گیاه حدود 2 ماه بعد از کاشت و در تاریخ 19 ژوئن برای مدت تقریبی 7/5 ساعت انجام شد، در سایر روزها طبق برنامه ریزی، آبیاری به مدت 3 ساعت اعمال شد و در روزهای قبل و بعد از روزهای تعطیل - شنبه و یکشنبه - آبیاری تکمیلی انجام گردیدیعنی مجموعاً به مدت 6 ساعت آبیاری اعمال شد. رطوبت خاک، در هر 10 سانتیمتر از عمق 0-150 سانتیمتر در روزهای 18، 20، 27 ژوئن و 3، 6، 10، 13 و 17 جولای توسط یک نوترونمتر در محل ردیف گیاهی و در بین دو گیاه، قرائت شد.
چون فواصل بین قطره چکانها روی تیپ خیلی کم است - 30 سانتیمتر - ، به جز دقایق اولیه آبیاری که حرکت آب سه بعدی است، تیپ میتواند به عنوان یک منبع خطی مورد بررسی قرار گیرد، از این رو، میتوان از یک بعد صرفنظر کرد و جریان را در دو بعد z - و - x بررسی نمود - اسکگز و همکاران، - 2004، شبیهسازی جریان آب در خاک در مدل با استفاده از حل عددی معادلهی دو بعدی ریچاردز - معادله - 1 انجام میشود که با فرض خاک همروند و یکنواخت به صورت زیر ارائه میگردد:
که در آن، رطوبت حجمی خاک، t زمان، h پتانسیل فشاری آب موجود در خاک، x محور افقی و z محور عمودی - رو به بالا؛ مثبت - ، K - h - هدایت هیدرولیکی و S - h, x, z - جذب آب توسط ریشهی گیاه است که بر اساس مدل Feddes موجود در نرمافزار HYDRUS-2D محاسبه شد
نیمرخ عمودی خاک به صورت متقارن و دو بعدی در نظر گرفته شد. پروفیل شبیهسازی شده شامل یک تیپ آبیاری و دو ردیف کشت است، همان طور که در شکل - 1 - مشاهده می کنید. بعد افقی حوزه 1/5 متر، برابر با فواصل بین تیپهای آبیاری و بعد عمودی آن نیز 1/5 متر فرض شد که ستون خاک اندازهگیری شده را شامل میشود. جریان آب لاترال در طول مرز صفر فرض شده است و مرز زیرین به عنوان مرز زهکش آزاد برای مدل تعریف شد.
تبخیر و تعرق پتانسیل با مدل PILOTE برآورد شد. مدل PILOTE مدلی کاربردی است که بر اساس شبیهسازی شاخص سطح برگ - LAI - و اطلاعات ورودی اعم از اطلاعات مربوط به گیاه، خاک، برنامهریزی آبیاری و اطلاعات هواشناسی، بیلان آب و محصول را شبیهسازی می کند.
