مقاله کاربرد زیر مدل LEACHW‌ برای تخمین تبخیر و تعرق

بخشی از مقاله

چکیده

به منظور بررسی حرکت آب در خاک تحت شرایط تنش آبی ،آزمایشی بر روی خاک بدون گیاه و خاک تحت کشت گیاه ذرت دانه ای انجام شد.در این آزمایش به کمک زیر مدل LEACHW شبیه سازی لازم صورت گرفت .این زیر مدل حرکت آب در خاک غیر اشباع را بر اساس معادله ریچاردز پیشگویی نموده و قادر است ارتباط مناسبی با روابط برنامه ریزی آبیاری برقرار نماید.

برای این منظور آزمایشی با چهار نوع رقم ذرت هیبریدسینگل کراس به عنوان چهار تکرار و سه تیمار بدون تنش آبی - شاهد - ، تنش آبی کوتاه مدت و تنش آبی بلند مدت در دو منطقه انجام شد. هدف از این پژوهش بررسی تأثیر بافت خاک در فرمولهای تبخیر و تعرق گیاه و بررسی اهمیت تبخیر نسبت به تعرق در روزهای اولیه کشت و بالعکس شدن آن با گذشت زمان از ابتدای دوره رشد بود.

نتایج نشان داد که بافت خاک به عنوان یک پارامتر مؤثر میبایست در روابط تبخیر و تعرق تأثیر داده شود.همچنین مقادیر تبخیر و تعرق تجمعی پیشبینی شده توسط زیر مدل برای تیمارهای بدون تنش آبی، تنش آبی کوتاه مدت و تنش آبی بلند مدت به ترتیب 740، 640، 520 میلیمتر شد. در حالیکه مقدار تبخیر و تعرق پیشبینی شده توسط تشتک تبخیر معادل 770 میلیمتر بود.

-1 مقدمه

با توجه به اهمیت آب در امر کشاورزی و کمبود این عنصر حیاتی در کشور ، لزوم سنجش دقیق آن امری اجتناب ناپذیر است . زمانی میتوان از آب استفاده صحیح نمود که میزان مصرف آن برای اهداف مختلف مشخص شده باشد . اندازهگیری دقیق تبخیر و تعرق گیاه این امکان را بوجود میآورد که بتوان از منابع آبی بنحو احسن استفاده نموده و از هدر رفتن و استفاده بیهوده آن جلوگیری کرد و بر اساس میزان مورد نیاز ، آن را مصرف نمود . یکی از ملاکهای شبیه سازی که میتواند حرکت آب در پروفیل خاک را بررسی نماید مدل LEACHM است . این مدل ، از انواع مدلهای پژوهشی بوده که در صورت اندازهگیری دادههای ورودی میتواند بعنوان یک مدل مدیریتی استفاد شود .

در مدل LEACHM تبخیر و تعرق بر اساس روشهای چایلدز و هنکز - 1975 - برنامهریزی شده است . به دلخواه میتوان روشهای دیگر را پس از تغییر در زیر برنامه تبخیر و تعرق مدل مورد استفاده قرار داد که از آن جمله میتوان به محاسبه تبخیر و تعرق پتانسیل روزانه و محاسبه تعرق پتانسیل روزانه اشاره نمود . از آنجا که متداولترین حرکت آب در خاک به شکل غیر اشباع بوده و این نوع حرکت عموماً تحت تأثیر پتانسیل ماتریک است . لذا ، اصلیترین معادله عمومی که بتواند حرکت غیر اشباع آب در خاک را بهتر از سایر معادلات بیان کند معادله ریچاردز است

مدل LEACHM مدلی است که از معادله عمومی حرکت آب در محیط متخلخل جهت حل عددی حرکت آب در خاک استفاده می نماید. این مدل دارای پنج زیر مدل بوده که یکی از آنها زیرمدل LEACHW است . این مدل در سال 1992 توسط هاتسون و وگنت ارائه شده و بعد از آن جهت شبیه سازی حرکت آب در خاک از این مدل به عنوان یک مدل کارا توسط افراد دیگر مورد تأیید و استفاده قرار گرفته است

کانگ و همکاران - 2001 - ضمن ارائه مدلی برای بررسی حرکت آب در پروفیل خاک از آن برای شبیه سازی در مزرعه گندم استفاده نمودند . پارامترهای هیدرولیکی خاک و گیاه بوسیله اندازهگیری های مزرعهای و آزمایشگاهی تعیین گردید .

نتایج نشان داد که یک برازش خوبی بین مقادیر رطوبت ، تبخیر از سطح خاک ، تعرق گیاه و جذب آب شبیه سازی شده با اندازهگیری شده وجود دارد . تحقیقات بیلی و اسپاخمن - 1996 - نشان داد که برای تخمین تغییرات رطوبت خاک و مقدار تبخیر و تعرق میتوان مدلی را ارائه نمود . دادههای ورودی عبارت بودند از عمق لایه بالایی خاک ، مقدار ظرفیت لایه بالایی و پائینی خاک ، مشخصههای گیاه و داده های اقلیمی .

ابتدا مدل مقدار تبخیر و تعرق را تخمین زده و سپس اثرات تنش آبی را در مقادیر تبخیر و تعرق لحاظ میکند . معادله استفاده شده در این مدل معادله ریچاردز بوده و همبستگی بالایی بین مقادیر اندازهگیری شده و شبیه سازی شده وجود داشت . تشتک تبخیر یکی از وسایل بسیار ساده جهت ارتباط اطلاعات با  ET  است . تشتکها تأثیر تشعشع ،باد ، درجه حرارت و رطوبت را در تبخیر از یک سطح آب اندازهگیری میکنند

با وجود اختلاف بین تشتک تبخیر و تبخیر و تعرق از سطوح دارای گیاه، استفاده از تشتکها در پیشگویی ET برای دورههای 10 روزه یا طولانیتر مناسب است . تشتکها عموماً تبخیر را بیشتر از تبخیر و تعرق واقعی گیاه نشان میدهند . لذا ، برای تعدیل اعداد نیاز به ضریب تشتک احساس میگردد . - 1 - شرایط آب و هوایی بقدری بر نتایج حاصل از تشتک مؤثر است که اعداد حاصله فقط حدود 40 درصد مقدار واقعی است

در نواحی خشک و نیمه خشک تبخیر از سطح آب جزء مهمی از بیلان آب در خاک محسوب می شود. در شرایطی که سطح آب زیرزمینی بالا است مقدار قابل توجهی آب از این منبع توسط صعود موئینگی از سطح خاک تبخیر می شود.تبخیر سبب شور شدن تدریجی خاک شده و تلفات آب را به همراه دارد

از آنجا که تبخیر یک فرایند طبیعی و غیر خطی است لذا پژوهشگران باید در مطالعات خود روشهای دقیقی را جهت شبیه سازی مورد توجه قرار دهند 

امروزه پژوهشگران به کمک شبکه های عصبی به نتایج با ارزشی دست یافته اند

هدف اصلی این پژوهش بررسی زیر مدل LEACHW در تخمین دقیق مقادیر تبخیر و تعرق و همچنین تفکیک مقادیر توام برآورد شده است.

- 2 مواد و روشها

بمنظور بررسی پدیده تبخیر و تعرق از خاک بدون کشت و خاک تحت کشت گیاه ذرت دانه ای آزمایشی در دو منطقه استان خراسان رضوی ،شهرستان تربت حیدریه و شهرستان مشهد انجام شد.

-1-2 شهرستان تربت حیدریه

این طرح در دو تیمار A و B با سه تکرار انجام شد . ابعاد تیمارها به ترتیب A - 1/5×1/5 - و B - 2×2 - متر مربع بود . پروفیل تیمار A تا عمق 150 سانتیمتری دارای پنج لایه 150 - 130 و 130 100 ، 100 60 ، 6030 ، 30 - 0 سانتیمتری بابافت های سیلتی لوم ، لوم ، لوم ، لوم شنی و شن لومی بود.کرت B تا همان عمق دارای سه لایه 150 - 60 ، 60 30 ، 30 - 0 سانتیمتری و بافت های لوم ، سیلتی رسی لوم و سیلتی لوم بود . پس از نمونهگیری جهت ثبت شرایط رطوبت اولیه خاک، به تیمارهای A و B به ترتیب 225 و 400 لیتر معادل 100 میلیمتر توسط یک گالن مدرج آب اضافه شد . آبیاری دوم پس از گذشت 60 روز انجام گرفت . با توجه به نصب تشتک تبخیر در محل اجرای طرح ، متوسط تبخیر روزانه از طریق افت سطح آب موجود در تشتک تبخیر تعیین گردید

. فاصله دو تیمار A و B انتخاب شده حدود 1000 متر بود .

-2-2 شهرستان مشهد

در این تحقیق ذرت کشت شده در قالب بلوکهای کامل تصادفی با سه تیمار و چهار تکرار بررسی شد

پروفیل این تکرارها تا عمق 150 سانتیمتری دارای چهار لایه 150 - 110 و 110 80 ، 80 20 ، 20 - 0 سانتیمتری و نام علمی لایهها به ترتیب لوم ، شنی رسی لوم ، شنی رسی و لوم شنی بود . ابتدا از لایه های مختلف تکرارها جهت برداشت شرایط رطوبت اولیه نمونه برداری شد .

در تکرارهای مورد بررسی چهار رقم ذرت هیبرید سینگل کراس 704 ، 647 ، 604 و 301 با تراکم های مطلوب 60000 ، 65000 ، 70000 و 75000 بوته در هکتار کشت شد . تیمارهای مورد بررسی عبارت بودند از تیمار اول بدون تنش آبی - شاهد - ، تیمار دوم تنش آبی کوتاه مدت و تیمار سوم تنش آبی بلند مدت . پس از آماده سازی بستر مناسب جهت کاشت بذر ردیفهای کاشت به فاصله 75 سانتیمتر ایجاد شد . تنشهای آبیاری به طور مجزا در هر یک از تکرارهای مربوط اعمال گردید .

در تیمار بدون تنش آبی ، تنش آبی کوتاه مدت و تنش آبی بلند مدت به ترتیب 16 ، 13 و 11 آبیاری انجام گرفت . آبیاریهای اول و دوم به فاصله چهار روز برای هر سه تیمار انجام شد . پس از آبیاری دوم تیمارهای با تنش آبی کوتاه مدت و تنش آبی بلند مدت به ترتیب 70 - 33 در صد تخلیه مجاز رطوبتی - و 90 - 53 درصد تخلیه مجاز رطوبتی - روز آبیاری نشدند ، که علت آن تداخل زمان آبیاری گیاه ذرت کشت شده با غلات زمستانه است. اما این دو تیمار در بقیه ایام دوره کشت گیاه ذرت مطابق عرف هر 10 روز یکبار آبیاری شدند .

معیار ورود به دوره تنش در دو تیمار تنش آبی کوتاه مدت و تنش آبی بلند مدت رسیدن به 70 و 90 درصد تخلیه مجاز رطوبتی بود . برای اعماق مختلف خاک فاکتورهای جرم مخصوص ظاهری،ظرفیت زراعی،نقطه پژمردگی،آب قابل دسترس و هدایت هیدرولیکی به عنوان پارامترهای مهم ورودی مدل با دقت اندازه گیری شد.آنالیز حساسیت مدل نشان داد که زیر مدل LEACHW به پارامتر جرم مخصوص ظاهری بسیار حساس است.به همین منظور پارامتر مذکور از دو روش پارافین و استوانه اندازه گیری شد.

-3 نتایج و بحث

-1-3 تعیین نیاز آبی گیاه

-1 -1 -3 روش تشتک تبخیر

تشتک تبخیر تقریباً در اکثر ایستگاه های هواشناسی نصب است و یکی از وسایل بسیار سادهای است که اگر مقدار تبخیر از آن به دقت اندازهگیری و ثبت شده باشد آمار آن می تواند در تخمین نیاز آبی گیاهان در دورههای کوتاه مدت 10 روزه مورد استفاده قرار گیرد. مراحل دوره رشد گیاه به مرحله ابتدایی رشد ، مرحله توسعه گیاه ، مرحله میانی و مرحله نهایی تقسیم بندی میشود

بالاترین مقدار ضریب گیاهی K c گیاه ذرت دانهای 1,23 و در روز نود و پنجم تعیین شد. در حالت رسیدگی کامل گیاه ذرت حدود 0,8 از سطح منطقه کشت خود را پوشش داده و بر این اساس ضریب تشتک K p    که تابعی از نوع تشت ، محل نصب تشت ، متوسط رطوبت نسبی و مسیری که باد قبل از رسیدن به تشت از روی آن میگذرد برابر 0,6 است

در شکل - 1 - تبخیر و تعرق واقعی گیاه ذرت دانهای بر اساس روش تشتک تبخیر ترسیم شده است . یعنی اگر به گیاه ذرت دانهای در اقیلم شهرستان مشهد 770 میلیمتر آب داده شود گیاه به مراحل رشد نهایی رسیده و قابل برداشت است.

در لایههای مختلف پروفیل خاک این تیمار مربوط دانست . در روزهای اولیه بخشی از آب به صورت تبخیر و در بقیه به شکل تبخیر و تعرق از دسترس گیاه خارج میگردد . رشد ریشه در روز یکصد و نهم به بالاترین حد خود یعنی حدود 91 سانتیمتر رسید . در این شرایط به دلیل تعرق بالای گیاه تا آخر دوره رشد ، مقادیر تبخیر و تعرق برآورد شده توسط مدل در تیمار بدون تنش آبی کمتر از مقادیر تبخیر و تعرق محاسبه شده توسط تشتک تبخیر بود.

شکل1 تبخیر و تعرق واقعی گیاه ذرت دانه ای        

شکل2 مقایسه مقادیر تبخیر وتعرق برآورد شده مدل و    

محاسبه شده تشتک تبخیر    
 
با گذشت زمان مقادیر ضریب گیاهی تا یک حدی افزایش یافته و پس از آن سیر نزولی را طی میکند . تغییرات منحنی ضریب گیاهی تابعی از رشد گیاه و درجه حرارت محیط است . با ثابت بودن ضریب تشتک تبخیر تنها ضریب گیاهی میتواند در روزهای گرم یا خنک به دقت نتیجه تشتک تبخیر کمک نماید .

312 پیش بینی زیر مدل LEACHW

مقادیر تبخیر و تعرق گیاه ذرت دانهای برآورد شده توسط مدل در شرایط مختلف تنش آبی در شکل - 2 - نشان داده شده است . برای مقایسه تبخیر و تعرق برآورد شده با تبخیر و تعرق واقعی اندازه گیری شده گیاه ذرت دانهای منحنیهای مربوط در یک نمودار ترسیم شد . تا روز بیست و یکم مقادیر آب داده شده در تیمارهای مختلف آبیاری نسبت به شرایط واقعی بیشتر بود .

بر خلاف تصورات قبلی که راندمان آبیاری در دورهای اولیه را کم میدانستند این نتیجه حاصل شد که دو آبیاری سنگین اولیه در زمین تحت کشت گیاه ذرت سبب ذخیره سازی آب در لایههای دوم و سوم شده و تصور نفوذ عمقی شدن آب آبیاری به دلیل عدم رشد گیاه و اینکه گیاه هنوز به رشد تکاملی خود نرسیده صحیح نیست . دلیل این ادعا را میتوان در تبخیر و تعرق گیاه در شرایط مختلف تنش آبی مشاهده نمود . تا روز یکصد و ششم در تیمار بدون تنش آبی مقادیر تبخیر و تعرق گیاه شبیه سازی شده ذرت دانهای بیشتر از مقدار تبخیر و تعرق اندازهگیری شده توسط تشتک تبخیر بود. که علت آن را میتوان به ذخیره شدن آب در تیمار تنش آبی کوتاه مدت، از روز بیست و یکم مقدار تبخیر و تعرق برآورد شده توسط مدل تا پایان دوره رشد همواره کمتر از مقدار محاسبه شده توسط تشتک تبخیر بود . یعنی اعمال یک دوره تنش 33 روزه سبب کاهش میزان تبخیر و تعرق شده که حتی تنظیم دور آبیاری بر اساس شرایط عرف نمیتواند کمبود آب داده شده را جبران نماید .

تا روز بیست و یکم در تنش آبی بلند مدت، مقادیر تبخیر و تعرق پیشیبینی شده توسط مدل نسبت به شرایط پیش بینی شده توسط تشتک تبخیر بیشتر است . اما در روزهای بعد از روز ذکر شده مقادیر تبخیر و تعرق برآورد شده توسط مدل همواره کمتر از مقدار تبخیر و تعرق پیشبینی شده توسط تشتک تبخیر بود . اگرچه به گیاهان کشت شده در تیمارهای تنش آبی کوتاه مدت و تنش آبی بلند مدت کمتر از مقدار واقعی آب دادیم .

اما بدلیل ذخیره شدن آب در پروفیل خاک این دو تیمار نهایتاً به لحاظ رشد ریشه که بیانگر عملکرد محصول است به بالاترین مقدار خود رسیدند . مقادیر تبخیر و تعرق تجمعی پیشبینی شده توسط مدل برای تیمارهای بدون تنش آبی ، تنش آبی کوتاه مدت و تنش آبی بلند مدت به ترتیب 740 ، 640 و 520 میلیمتر است . آنچه مسلم است آبیاریهای سنگین اولیه برای گیاهانی که میخواهند در یک دوره زمانی بلند مدت وارد مرحله تنش شوند الزامی است . چون در این حالت آب در خاک ذخیره شده و با توجه به نیاز گیاه در اختیارش قرار میگیرد.