بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به وجود مشکلات کمآبی زمینهای زراعی در بیشتر مناطق کشور در زمانهای مختلف، لازم است شیوههای مناسبی برای استفاده بهینه آب در بخش کشاورزی اتخاذ نمود. با توجه به تغییرات آب و هوایی و مصرف بیرویه آن، داشتن کشاورزی دقیق، نیازمند بررسی و جستجوی راهکارهای مدیریتی مناسب جهت افزایش کارایی استفاده از آب است. در این راستا هوشمند سازی سیستمهای آبیاری و کنترل برخط راهحلی مناسب برای بهرهوری بهتر آن میباشد. در این شیوه با استفاده از سنسور رطوبتسنج خاک میزان رطوبت اندازهگیری شد.
با استفاده از سیستم کنترل و پردازش مرکزی، دادههای دریافتی از سنسور رطوبتسنج از طریق بیسیم و الگوریتم نحوه آبیاری مورد پردازش قرار گرفت. آنگاه این سیستم ، زمان شروع و پایان آبیاری را انجام میدهد . در این پژوهش با مبنا قرار دادن این عوامل در مدیریت مصرف منابع آب، میزان نفوذپذیری به میزان %97 تحت تاثیر زمان میباشد با تعیین اندازهگیری پیوسته رطوبت در لایههای خاک بهترین زمان آبیاری تشخیص داده شد. همچنین با مشخص شدن شاخصهای تأثیرگذار رطوبتی خاک مانند ظرفیت زراعی، نقطه پژمردگی و اشباع، مقدار آب مورد نیاز گیاه تعیین میگردد.
مقدمه
در دهههای اخیر با توجه به مطرح شدن کمآبی در کشور، کشاورزان بهواسطه محدودیت آن، ارزش این ماده حیاتی را درک نموده و با سختکوشی و تلاش فراوان در توزیع آب در مزرعه موفقتر عمل مینمایند. آبیاری غرقابی شبانه باهدف استفاده حداکثر از آب بهدلیل تبخیر کمتر آن از سطح خاک، اتخاذ قوانین سختگیرانه از طرف دولت در بین کشاورزان در جهت انطباق الگوی کشت همراه با ظرفیت آبی موجود و ایجاد مخازن کوچک آب در باغ و مزارع برای ذخیره آب مازاد درگذشتههای نهچندان دور در ایران نشانگر سختکوشی نیاکان ما در مدیریت مصرف بهتر آب بوده است
محدودیت منابع تولید به خصوص محدودیت منابع آبی، افزایش تولید از طریق افزایش سطح زیرکشت را محدود میسازد. خشکسالیهای اخیر این موضوع را حادتر مینماید به نحوی که با افزایش روز افزون کمبود آب خطر کاهش سطح زیرکشت نیز روزبهروز افزایش مییابد. بهعبارتدیگر در شرایط کنونی، در درجه اول حفظ و پسازآن افزایش سطح زیرکشت محصولات کشاورزی مستلزم استفاده بهینه از منابع آب کشاورزی است.
در این راستا استفاده از تکنولوژیهای جدید به منظور افزایش راندمان آبیاری اجتنابناپذیر و ترویج این تکنولوژیها مستلزم انجام تحقیقات چند جانبه - از لحاظ فنی و اقتصادی - بر روی سیستمهای ارایه شده میباشد
با پیشرفت علم و فناوری، شیوههای نوین در آبیاری ابداعشدهاند اما هنوز در بسیار از کشورهای جهان، آبیاری سطحی یکی از مهمترین روشهای آبیاری اراضی فاریاب است. در ایران و بسیاری از کشورهای دیگر، بیش از 90 درصد اراضی فاریاب با روشهای سطحی آبیاری میشوند. کشور ایران با حدود 8/3 میلیون هکتار اراضی فاریاب، ششمین کشور جهان از این جنبه است
آب بخش عمدهای از بدن گیاهان زنده را تشکیل میدهد و به همین دلیل تغییر در میزان آب به شکل افزایندهای، رشد و متابولیسم گیاهان را تحت تاثیر قرار میدهد. بنابراین با صرفهجویی در مصرف آب و کنترل شرایط رشد گیاه به صورت همزمان، میتوان به سطح پایینی از مصرف آب دستیافت . لذا با توجه به اهمیت مصرف آب و بازده عملکرد گیاه در شرایط بحرانی آب، ارائه راهکاری مناسب جهت تشخیص زود هنگام پژمردگی موردنیاز میباشد
این مساله سبب میشود تا مکانیزمهای متعددی جهت حفظ رشد گیاهان در شرایط سخت کمآبی و تنشهای ناشی از آن مورد توجه قرار گیرند - برگر و همکاران، . - 2010 در بسیاری از روشهای تامین حد نیاز آبی گیاه بهصورت هوشمند، با بهکارگیری تعداد زیادی از پارامترهایی وجود دارد که باید مورداندازهگیری قرار گیرند. زیاد بودن پارامترهای تاثیر گذار بر نیاز آبی گیاه موجب افزایش تعداد سنسورها در مزرعه و نهایتاً باعث افزایش هزینههای ثابت خواهد شد
تعداد پارامترهای یک عامل اساسی در انتخاب روش مناسب برای هوشمند نمودن سیستم آبیاری میباشد. آنچه در برآورد نیاز آبی گیاه بهصورت هوشمند حایز اهمیت است ارائه روشی کارا و ساده برای تعیین زمان آبیاری را براساس تنش رطوبتی اطراف ریشه گیاه در نظر میگیرند، آنها محدوده رطوبتی مطلوب رشد گیاه را در نظر داشته و با اندازهگیری مداوم آن اقدام به زمانبندی خودکار آبیاری مینماید
در زمینه کنترل هوشمند سیستمهای آبیاری قطرهای عبدالرحمانی رزکه و فرخی تیمورلو در سال - 1392 - ، پس از طراحی و ساخت سخت افزار واحد کنترل و بررسی عملکرد سامانه در گلخانه مشخص شد که این حسگر قابلیت کنترل رطوبت و دقت خوبی را دارا میباشد و سامانه بهصورت خودکار محدود رطوبتی اطراف ریشه را کنترل مینماید. دادههای دریافتی از دو شیوه دستی و خودکار حاکی از آن بود که هیچ تفاوت بخصوصی در عملکرد محصول وجود ندارد بلکه آنچه بهعنوان یک تفاوت مهم در بررسی دو سامانه مشهود بود میزان مصرف آب میباشد
در تحقیقی که در سال 2012 توسط موحدصالح و همکاران انجامگرفته است یک سیستم آبیاری مجهز به تزریق کود بصورت خودکار ابداع گردیده است. در این پژوهش از سنسورهای اندازهگیری خصوصیات خاک نظیر رطوبت، قابلیت هدایت الکتریکی و PH، سطح آب در مخزن استفاده گردیده که این امر موجب پیچیده شدن سیستم میشود. خصوصیات مختلف خاک در مزرعه محدودیت استفاده از سیستمهای که چندین سنسور لازم دارد را به وجود میآورد. چنانچه برای هر قسمت از زمین که دارای خصوصیات متفاوتی میباشد از سنسورهای بیانشده استفاده گردد موجب افزایش تعداد سنسورها و افزایش هزینه میگردد
با این توصیف در این میان مساله کمبود آب و حساسیتهای قابل درکی که در سالیان اخیر در قبال موضوع حفظ محیطزیست و حفظ منابع انرژی ایجادشده است و نظر به اینکه سیستمهای سنتی کشاورزی با مدیریت نامناسب آب و از طرفی مصرف بیرویه کودها، علفکشها و آفتکشهای شیمیایی از مهمترین منابع آلودگی محیطزیست بوده است لذا متخصصین مهندسی زراعی در سالیان اخیر به دنبال شیوههای نوینی در مدیریت مزرعه بودهاند که علاوه بر بهینهسازی مصرف نهادههای عملکرد را نیز افزایش داده و درنهایت بازده اقتصادی تولید را بالا ببرد و باید گفت که تکنولوژی کنترل برخط در سیستم آبیاری هوشمند ازجمله این شیوه مدیریت موفق مزرعه است.
مواد روشها
آنچه را که در طراحی سیستمهای هوشمند آبیاری مهم میباشد، یکسان گشتن دبی خروجی از قطرهچکان با میزان نفوذپذیری خاک میباشد که مانع از بوجود آمدن رواناب گردد. لازم است اطلاعات در مورد خاکی که قرار است سیستم آبیاری هوشمند در آن اجرا شود در دست باشد.
اولین فرآیند در تعیین پارامترهای خاک، نمونهبرداری از آن است تا در مرحله بعد با تجزیهوتحلیلهای لازم از اطلاعات بهدستآمده در برنامهریزی ایستگاه مرکز کنترل و پردازش سیستم هوشمند آبیاری به عمل آید. خاک مورد استفاده برای آزمایش به صورت تصادفی از چند نقطه و عمقهای متفاوت زمین جمعآوری و جهت انجام آزمایشهای لازم به آزمایشگاه خاک انتقال یافت.
بافت خاک
جهت تعیین بافت خاک از روش هیدرومتری استفاده شد که نوع بافت خاک حاصل از آزمایش بهدستآمده لومی رسی بوده است.
تعیین وزن مخصوص ظاهری خاک
برای این آزمایش ظرفهای 100سانتیمتر مکعبی در داخل خاک قرار داده شد، سپس ظرفها را خارج نموده بهطوریکه حجم خاک داخل ظرف بهصورت دستنخورده باقی بماند. نمونهها در آون و در دمای 110 درجه سانتیگراد به مدت 24 ساعت قرار دادهشده و سپس وزن شدند، این آزمایش در سه تکرار انجام گرفت، برای اندازهگیری چگالی خاک با در نظر گرفتن حجم ظرف مورد استفاده و وزن خاک خشکشده وزن ظاهری مخصوص خاک با استفاده از رابطه - 1 - محاسبه شد
: P وزن مخصوص ظاهری خاک :m, - gr/cm3 - جرم خاک :v, - gr - حجم خاک - cm3 -
تعیین ظرفیت زراعی - FC -
جهت تعیین ظرفیت زراعی، به مقدار از خاک خشکشده با وزن معلوم مقدار آب اضافه گردید تا به حد اشباع برسد. گل اشباع حاصل 24 ساعت به حالت خود رها شد تا آب کاملا جذب دانههای خاک گردد، سپس 50 گرم از نمونه گل اشباع به داخل ظرف فلزی با وزن معلوم ریخته شد و در دمای 105 درجه سانتیگراد در آون قرار داده شد. پس از 24 ساعت نمونه از آون بیرون آورده شده و اندازهگیری گردید. با استفاده از رابطه - 2 - میزان رطوبت اشباع خاک مشخص و به صورت تقریبی 0/65 و 0/7 آن به عنوان ظرفیت زراعی انتخاب میگردد - علیزاده . - 1387 با تعیین شدن ظرفیت زراعی با استفاده از رابطه - 3 - که مربوط به خاکی با بافت لومی رسی میباشد نقطه پژمردگی دائم - PWP - نیز تعیین میشود
با بهکارگیری از دو استوانه متحدالمرکز، عمق آب قابل نفوذ به خاک در زمان معین اندازهگیری شد. این استوانهها فلزی و قطر استوانه میانی 30 سانتیمتر و استوانه بیرونی دارای قطری 50 سانتیمتر بود ارتفاع استوانهها 25 سانتیمتر بوده که 10سانتیمتر آن در داخل خاک قرار گرفت. سپس در استوانه داخلی و فضای بین استوانه داخلی و خارجی تا ارتفاع 15-10 سانتیمتر آب پرشده و با استفاده از یک خط کش میزان نفوذ آب در استوانه داخلی در زمانهای 5، 10، 20، 60، 30، 90 و 180 دقیقه اندازهگیری شد. جهت جلوگیری از به هم خوردن خاک در زمان پر کردن استوانه روی سطح خاک داخل استوانهها پارچه کشیده شد. این آزمایش در سه تکرار انجام شد.
