بخشی از مقاله
چکیده
پویایی رطوبت در خاک از عوامل کلیدی در تولید محصولات کشاورزی است. شبیهسازی رطوبت اعماق خاک با توجه به عدم اندازهگیریهای مستقیم در مزرعه، جهت مدیریت و برنامهریزی آبیاری در پوششهای گیاهی مختلف حائز اهمیت میباشد. در این پژوهش کارایی مدلCOUP در شبیهسازی پویایی رطوبت خاک، در زیر پوششگیاهی ذرت در مقایسه با نیمرخ خاک بدون پوششگیاهی در اقلیم کرج مورد ارزیابی قرارگرفت.
جهت اجرای مدل، متغیرهای هواشناسی، خصوصیات فیزیکی خاک و پارامترهای رشد گیاهی مورد نیاز در مقیاس زمانی روزانه در طول فصل کشت جمعآوری گردید. پس از اجرای مدل، مقادیر بدست آمده از شبیهسازی مدل با دادههای مشاهده شده مقایسه و اختلافات موجود مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. نتایج این مطالعه، قابلیت کاربرد مدل را نشان داد، لیکن برای حصول به برآوردهای دقیقتر از رطوبت خاک واسنجی بیشتری مورد نیاز است.
مقدمه
پویایی رطوبت در خاک از عوامل کلیدی در تولید محصولات کشاورزی است. رطوبت خاک نقش مهمی در گنجایش حرارتی خاک ایفا میکند. همچنین میزان رطوبت خاک در انتقال حرارت خاک نیز تاثیر میگذارد - محمودی،. - 1382 با توجه به اثر متقابل و بازخوردی دما و رطوبت خاک که از شرایط اقلیمی و مشخصات گیاهی تاثیر میپذیرد و اهمیت آگاهی از چگونگی تغییرات رطوبتی در نیمرخ خاک در آبیاری و زهکشی و به ویژه در ناحیه توسعه ریشهها به سبب آنکه در سیستم رشد و نمو گیاه نقش عمده را ایفا میکند، حائز اهمیت می باشد.
امروزه به کمک مدلهای رایانهای امکان شبیه سازی رفتار و پویایی رطوبت خاک با دقت قابل قبولی فراهم شده است. این مدلها جهت اجرا نیازمند داده های ورودی شامل متغیرهای هواشناسی - مهمترین آنها بارندگی، دمای هوا، رطوبت هوا، سرعت باد و ابرناکی یا ساعات آفتابی - خصوصیات فیزیکی خاک و پارامترهای گیاهی هستند. در اکثر مدلهای شبیهسازی موجود چگونگی رفتار رطوبتی و دمایی خاک با تکنیکهای حل عددی معادلات دیفرانسیلی جفت شدهی رطوبت و دما در خاک تخمین و قابل تجزیه و تحلیل است.کاربست این مدلها نیازمند اندازه گیری های دقیق میدانی است. در این صورت، این شبیهسازیها به درک فرآیندهای اساسی هیدرولوژیکی و بیولوژیکی در سیستم خاک، گیاه و اتمسفر کمک میکند.
فیلیپ و دفریس - 1975 - 1 دریافتند که انتشار دما در خاک بوسیله خصوصیات حرارتی خاک کنترل میشود. در دو دهه اخیر محققان زیادی در جهت توسعه مدلهای شبیه سازی توامان پویایی رطوبت و دما در خاک تلاش نموده اند. از نخستین افراد میتوان یانسن و هالدین2 را نام برد که در سال 1979به مدلسازی این فرایندها پرداختند. یانسن و تانهام1990 - 3، - 1991 از مدل ساده و پیشرفته SOIL برای پیش بینی دمای خاک و حل معادلات جریان رطوبت و دما در نیمرخ خاک استفاده نمودند.
این مدلها مبتنی بر تئوری پیشنهادی فیلیپ و دفریس می باشند، که در سال 1957 و 1958 در استرالیا به شبیه سازی دو بعدی دما و رطوبت خاک در شرایط ماندگار پرداختند. اغلب مطالعات صورت گرفته از سال 1958 تا 1981 دقیقا از تئوری و اساس فیزیکی ارائه شده توسط این دو محقق و یا با کمی تغییر و اصلاح صورت پذیرفته است. پس از ارائه مدل SOIL و SOILN در سال 1998 بترتیب توسط یانسن، اکرستن4 و همکاران با تلفیق معادلات جریان رطوبتی و دمایی خاک به طور همزمان این فرآیند توامان مدلسازی و شبیهسازی شد. و تحت عنوان مدل COUP توسط یانسن و موون - 2001 - 5 ارائه شد.
مدل SHAW نیز یک مدل شبیه سازی یک بعدی است که به منظور شبیه سازی فرایند های یخ زدن و ذوب یخ در خاک خاک توسعه دادهشد و در نهایت این مدل توانایی شبیه سازی انتقال حرارت و رطوبت خاک را درحالات پوشیده از گیاه، برف، رسوبات و باقی ماندههای گیاهی در اقلیمهای مختلف داراست
ایراننژاد و شائو - 1998 - طرحوارههای سطح خشکیها را بر پایه مدلهای چند لایه خاک همراه با پوشش گیاهی جهت پیشبینی عددی و شبیهسازی رطوبت و دمای خاک در مطالعات بزرگ مقیاس ارائه کردند. ایراننژاد و شائو - 2002 - 7 برای بیان بهتر شرایط در خاکهای غیرهمگن نیز با کوتاهکردن گامهای زمانی به حل عددی معادلات پرداختند. حبیبی - - 1388 به برآورد شارهای سطحی انرژی، دما و رطوبت خاک در چند ایستگاه ایران با استفاده از طرحواره پارامتره سازی سطح خشکی - ALSIS - پرداخت.
پس از تدوین نسحه نهایی مدل COUP، یانسن - - 2005 در کشور چین به شبیه سازی پویایی دما و رطوبت در خاک تحت شرایط آب و هوایی متفاوت با اقلیم منطقه توسعه مدل COUP پرداخت، که نتایج حاصله رضایتبخش بود.
هدف از این مطالعه، ارزیابی مدل شبیه سازی COUP جهت برآورد رطوبت سطحی خاک در شرایط پوشش گیاهی ذرت در مقایسه با خاک عاری از پوشش در اقلیم کرج میباشد.
مواد و روش ها
مدل شبیه سازی فرآیند پویایی دما و رطوبت خاک، با هدف تخمین و مدلسازی چگونگی رفتار رطوبتی و دمایی خاک با تکنیکهای حل عددی صریح معادلات دیفرانسیلی جفت شدهی رطوبت و دما در خاک بنا نهاده شده است. که از متغیرهای استاندارد هواشناسی روزانه استفاده میکند، در حالیکه مقادیر پارامترهای مدل نیز همانند متغیرهای محرک با گذر زمان تغییر میکنند. اساسیترین متغیرهای ورودی هواشناسی روزانه مورد نیاز برای اجرای این مدل، بارش، دمای هوا، رطوبت نسبی، سرعت باد و ابرناکی - یا ساعات آفتابی - هستند.
جزئیات فیزیکی بیشتر مدل توسط - یانسن و کارلبرگ1، - 2005 و تشریح مدل از جنبه الگوریتم رایانهای نیز - یانسن و موون2، - 2001 ارائه شده است. در این مقاله خلاصهای کوتاه از چگونگی شبیهسازی زیربخش رطوبت اعماق خاک ارائه میشود.
مفروضات اساسی در جهت ساده سازی معادلات نیمرخ رطوبتی خاک به شرح ذیل در نظر گرفته شده است.
-1 قانون پایستگی جرم و انرژی، -2 جریانها در اثر وجود یک شیب پتانسیلی پدید میآیند که در مورد رطوبت، حاصل از شیب پتانسیلی بوده و از قانون دارسی پیروی میکند. جریان رطوبت در نیمرخ خاک از ترکیب قانون دارسی با قانون پایستگی جرم برآورد میشود. در نهایت مدلCOUP با اجرای فرضیات فوق و تعیین شرایط مرزی مناسب، رطوبت خاک را شبیهسازی میکند.
مدل جریان رطوبت در خاک که مکش رطوبتی خاک، Cv ظرفیت گرمایی بخار آب هوای خاک، Dv ضریب پخش برای بخار داخل خاک است. در نهایت با فرض جریان ورقهای آرام آب در خاک، میزان جریان رطوبت در خاک را مطابق با قانون دارسی کمی سازی نموده و به پارامترهای معرفی شده در مدل و تغییرات آنها با عمق مرتبط میسازد. برخی از ضرایب نیز در این دو معادله اصلی از روابط ارائه شده و معتبر دیگر محققین، برای تخمین و سادهسازی برآورد میشوند. در ادامه با ترکیب قانون پایستگی جرم با معادله - 1 - ، معادله عمومی جریان آب در خاکهای غیر اشباع به صورت، میباشد که در آن Sw نمایانگر مخزن یا چاهک است.
این مدل نیمرخ خاک را به تعدادی لایه تقسیم میکند، که هر لایه و مرزهای بین لایه ها، دو اصل اساسی این تقسیمبندی محسوب میشوند. جهت محاسبه جریان رطوبت در خاک با پوششهای متفاوت اطلاعات مورد لازم خاک و گیاه نیز مورد نیاز است. که منحنی مشخصه - نگهداری - رطوبت خاک، تابع برآورد هدایت هیدرولیکی خاک در حالت اشباع و غیر اشباع و... و همچنین چگونگی توسعه و نمو توزیع عمودی ریشه و... از مهمترین این پارامترها در اجرای مدل میباشند. متغیرهای موثر فوق نقش اساسی در راهبرد و چگونگی انتقال جریانات در مرز میان جو و خاک و همچنین بین گیاه و جو ایفا میکنند.
