ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΓΕΩΠΟΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΓΕΩΡΓΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΓΕΩΠΟΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΓΕΩΡΓΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΒΑΣΙΛΕΙΟΥ Γ. ΑΣΧΟΝΙΤΗ ΠΤΥΧΙΟΥΧΟΥ ΓΕΩΠΟΝΟΥ, ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΥΧΟΥ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗΣ, ΦΥΣΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΕΔΑΦΟΥΣ ΚΑΙ ΙΣΟΖΥΓΙΟΥ ΝΕΡΟΥ, ΑΖΩΤΟΥ ΚΑΙ ΦΩΣΦΟΡΟΥ ΣΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΑΡΔΕΥΟΜΕΝΩΝ ΟΡΥΖΩΝΩΝ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2012

2

3 ΒΑΣΙΛΕΙΟΥ Γ. ΑΣΧΟΝΙΤΗ ΠΤΥΧΙΟΥΧΟΥ ΓΕΩΠΟΝΟΥ, ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΥΧΟΥ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗΣ, ΦΥΣΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΕΔΑΦΟΥΣ ΚΑΙ ΙΣΟΖΥΓΙΟΥ ΝΕΡΟΥ, ΑΖΩΤΟΥ ΚΑΙ ΦΩΣΦΟΡΟΥ ΣΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΑΡΔΕΥΟΜΕΝΩΝ ΟΡΥΖΩΝΩΝ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Υποβλήθηκε στη Γεωπονική Σχολή, Ημερομηνία Προφορικής Εξέτασης: 8 Ιουνίου, 2012 Εξεταστική Επιτροπή Καθηγητής Β. Αντωνόπουλος, Επιβλέπων Καθηγητής Δ. Παπαμιχαήλ, Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής Αναπ. Καθηγήτρια Α. Παυλάτου-Βε, Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής Καθηγητής Χ. Μπαμπατζιμόπουλος, Εξεταστής Καθηγητής Α. Λουκάς, Εξεταστής Αναπ. καθηγητής Ε. Μπαλτάς, Εξεταστής Επίκ. καθηγήτρια Σ. Κωστοπούλου, Εξεταστής

4 Βασίλειος Γ. Ασχονίτης Α.Π.Θ. ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗΣ, ΦΥΣΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΕΔΑΦΟΥΣ ΚΑΙ ΙΣΟΖΥΓΙΟΥ ΝΕΡΟΥ, ΑΖΩΤΟΥ ΚΑΙ ΦΩΣΦΟΡΟΥ ΣΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΑΡΔΕΥΟΜΕΝΩΝ ΟΡΥΖΩΝΩΝ ISBN «Η έγκριση της παρούσης Διδακτορικής Διατριβής από τη Γεωπονική Σχολή του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωμών του συγγραφέως» (Ν. 5343/1932, άρθρο 202, παρ. 2)

5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΠΡΟΛΟΓΟΣ Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και εφαρμογή μαθηματικών μοντέλων για την περιγραφή των μεταβολών των φυσικών ιδιοτήτων του εδάφους, της εξατμισοδιαπνοής της καλλιέργειας του ρυζιού καθώς και των συνιστωσών του ισοζυγίου νερού, αζώτου και φωσφόρου των ορυζώνων υπό συνθήκες κατάκλυσης. Η μαθηματική διερεύνηση αφορά την ανάπτυξη και εφαρμογή μεμονωμένων μαθηματικών εξισώσεων για την περιγραφή των επιμέρους συνιστωσών που διέπουν το σύστημα καθώς και τον συνδυασμό τους για την εφαρμογή πιο πολύπλοκων μαθηματικών μοντέλων όπως το μοντέλο GLEAMS. Το μοντέλο GLEAMS τροποποιήθηκε για την περιγραφή του ισοζυγίου νερού, αζώτου και φωσφόρου στο περιβάλλον των αρδευόμενων ορυζώνων. Η μαθηματική διερεύνηση βασίζεται σε πειραματικές μετρήσεις που ελήφθησαν από πειραματικά λυσίμετρα και πειραματικούς ορυζώνες. Απώτερος στόχος της διατριβής είναι η εξαγωγή συμπερασμάτων που αφορούν την κατανόηση των διαδικασιών που συμβαίνουν στους ορυζώνες μέσω της περιγραφής τους από μαθηματικά μοντέλα καθώς και την εφαρμογή των μοντέλων αυτών για την εξαγωγή συμπερασμάτων που αφορούν την εξοικονόμηση νερού, τη μείωση των απωλειών αζώτουφωσφόρου και τη διατήρηση της ισορροπίας μεταξύ της παραγωγής ρυζιού και της προστασίας του περιβάλλοντος στα συστήματα των αρδευόμενων ορυζώνων. Η διατριβή εκπονήθηκε στα πλαίσια του Δεύτερου Κύκλου του Μεταπτυχιακού Προγράμματος Σπουδών της Ειδίκευσης Γεωργικής Μηχανικής και Υδατικών Πόρων της Γεωπονικής Σχολής του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά: Τον καθηγητή της Γεωπονικής Σχολής κ. Β. Αντωνόπουλο, επιβλέποντα καθηγητή της διατριβής και των μεταπτυχιακών σπουδών μου, για τη συνεχή καθοδήγηση και προσφορά γνώσεων κατά την εκπόνηση της έρευνας, τις υποδείξεις του στη διαμόρφωση της δομής της διατριβής, την εμπιστοσύνη που έδειξε στο πρόσωπό μου, την συμπαράστασή του καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου και την οικονομική ενίσχυση μέσω ερευνητικών προγραμμάτων. Τα μέλη της Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής, τον καθηγητή κ. Δ. Παπαμιχαήλ και την αναπληρώτρια καθηγήτρια Α. Παυλάτου-Βε για την πολύτιμη συνεισφορά τους στην καθοδήγηση της έρευνας και στη συγγραφή της διατριβής. Τα υπόλοιπα μέλη της Εξεταστικής Επιτροπής, τον καθηγητή κ. Χ. Μπαμπατζιμόπουλο, τον καθηγητή κ. Α. Λουκά, τον αναπληρωτή καθηγητή κ. Ε. Μπαλτά και την επίκουρη καθηγήτρια κα. Σ. Κωστοπούλου που με τις παρατηρήσεις τους συνέβαλαν στην ποιοτική βελτίωση του τελικού κειμένου και στην ανάδειξη των ευρημάτων της διατριβής. Τον λέκτορα Π. Γεωργίου της Γεωπονικής Σχολής καθώς και τους ερευνητές M. Mastrocicco, N. Colombani, E. Salemi και G. Castaldelli, του Πανεπιστημίου της Ferrara για τις επισημάνσεις και την πληροφόρηση πάνω σε εξειδικευμένα θέματα που αφορούσαν την έρευνα. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τον καθηγητή Δ. Καραμούζη της Γεωπονικής Σχολής για την αμέριστη συμπαράσταση και εμπιστοσύνη που έδειξε στο πρόσωπό μου καθώς και για την σημαντική οικονομική ενίσχυση που μου πρόσφερε στα πλαίσια της επισκευής των λυσιμέτρων. Τους συναδέλφους και συνεργάτες Ε. Λεκάκη, Β. Λίτσκα, Σ. Κωτσόπουλο, Μ. Rahil και Μ. Αλαμάνου, Θ. Μαργαριτίδη, Νικολέτα Πετρίδου και Σωτηρία Κουκούλη για την στήριξή τους και την ανεκτίμητη βοήθεια τους στην περάτωση των πειραματικών μετρήσεων. Επίσης, ευχαριστώ τον Δ/ντή του Ινστιτούτου Εγγείων Βελτιώσεων κ. Α. Πανώρα για τη διάθεση του εδαφολογικού εργαστηρίου του Ινστιτούτου καθώς και τους ερευνητές και το προσωπικό, για το άριστο πνεύμα συνεργασίας που επέδειξαν και την πολύτιμη βοήθειά τους στην περάτωση μέρους των πειραματικών μετρήσεων. Τους καθηγητές και το ερευνητικό προσωπικό των εργαστηρίων Γενικής και Γεωργικής Υδραυλικής και Βελτιώσεων καθώς και του εργαστηρίου Εδαφολογίας του ΑΠΘ για τις i

6 ΠΡΟΛΟΓΟΣ πολύτιμες γνώσεις και την τεχνική υποστήριξη που μου προσέφεραν κατά τη διάρκεια των σπουδών μου. Τον διευθυντή του αγροκτήματος της Γεωπονικής Σχολής του ΑΠΘ κ. Αναστάσιο Λιθουργίδη για τη διάθεση των πειραματικών λυσιμέτρων, την καθηγήτρια της Γεωπονικής Σχολής του ΑΠΘ κ. Δέσποινα Παπακώστα για τη διάθεση συσκευής εξατμισημέτρου και τον κ. Δημήτριο Καλαμπίδη για την προσφορά του σε τεχνικά ζητήματα που αφορούσαν τον πειραματικό σχεδιασμό. Ευχαριστώ τα μέλη της οικογένειάς μου και τη σύντροφό μου, για την κατανόηση και ηθική στήριξη που μου παρείχαν καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω το Ίδρυμα Κρατικών Υποτροφιών (Ι.Κ.Υ.) για την χορήγηση υποτροφίας στα πλαίσια του δεύτερου κύκλου των μεταπτυχιακών σπουδών μου. Θεσσαλονίκη 2012 Βασίλειος Γ. Ασχονίτης ii

7 ΠΕΡΙΛΗΨΗ - ABSTRACT ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗΣ, ΦΥΣΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΕΔΑΦΟΥΣ ΚΑΙ ΙΣΟΖΥΓΙΟΥ ΝΕΡΟΥ, ΑΖΩΤΟΥ ΚΑΙ ΦΩΣΦΟΡΟΥ ΣΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΑΡΔΕΥΟΜΕΝΩΝ ΟΡΥΖΩΝΩΝ Διδακτορική διατριβή του Ασχονίτη Β.Γ., Γεωπόνου MSc Γεωπονική Σχολή Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης Τομέας Εγγείων Βελτιώσεων, Εδαφολογίας και Γεωργικής Μηχανικής Αντικείμενο της διατριβής είναι η ανάπτυξη και εφαρμογή μαθηματικών μοντέλων για την περιγραφή των φυσικών ιδιοτήτων του εδάφους, των αγρονομικών παραμέτρων με έμφαση στην εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας του ρυζιού καθώς και των συνιστωσών του ισοζυγίου νερού, αζώτου και φωσφόρου των ορυζώνων υπό συνθήκες κατάκλυσης. Απώτερος στόχος της διατριβής είναι η εξαγωγή συμπερασμάτων που αφορούν την κατανόηση των διαδικασιών που συμβαίνουν στους ορυζώνες μέσω της περιγραφής τους από μαθηματικά μοντέλα καθώς και την εφαρμογή των μοντέλων αυτών για την εξαγωγή συμπερασμάτων που αφορούν την εξοικονόμηση νερού, τη μείωση των απωλειών αζώτου-φωσφόρου και τη διατήρηση της ισορροπίας μεταξύ της παραγωγής ρυζιού και της προστασίας του περιβάλλοντος στα συστήματα των αρδευόμενων ορυζώνων. Η μαθηματική διερεύνηση των παραπάνω διαδικασιών βασίζεται σε πειραματικές μετρήσεις που ελήφθησαν από δύο πειραματικούς ορυζώνες και δεκατέσσερα πειραματικά λυσίμετρα με ρύζι υπό κατάκλυση. Η διερεύνηση των φυσικών ιδιοτήτων του εδάφους των υπό κατάκλυση ορυζώνων βασίστηκε στις μεταβολές που υφίσταται η χαρακτηριστική καμπύλη και μέσω αυτής η κατανομή μεγέθους των πόρων, η κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα και ο βαθμός συμπύκνωσης του εδάφους. Αναπτύχθηκαν δύο νέες εξισώσεις κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας κι ένας νέος δείκτης CPV index για την ανάλυση των μεταβολών της κατανομής μεγέθους των πόρων. Οι μεταβολές που υφίσταται το υπό κατάκλυση έδαφος οδηγούν σε συμπύκνωση και για το λόγο αυτό αναπτύχθηκαν και δύο μεθοδολογίες για τη μελέτη της συμπύκνωσης του εδάφους, οι οποίες είναι α) ένας νέος δείκτης (KSC index), ο οποίος βασίζεται στην κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα του εδάφους, για συγκρίσεις μεταξύ διαφορετικών εδαφών και β) μια νέα γραφο-αναλυτική μέθοδος, η οποία οδηγεί στη δημιουργία ενός νομογραφήματος συμπύκνωσης για κάθε τύπο εδάφους. Από τη διερεύνηση των αγρονομικών παραμέτρων της καλλιέργειας του ρυζιού αναπτύχθηκαν συναρτήσεις μεταβολής για το ύψος της καλλιέργειας, το μήκος των ριζών, το αποτελεσματικό βάθος ριζοστρώματος, το δείκτη φυλλικής επιφάνειας, τον αριθμό αδελφιών, το δείκτη συγκομιδής και το δείκτη αναλογίας καρπού-σταχιού. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην παράμετρο του δείκτη φυλλικής επιφάνειας όπου αναπτύχθηκε βαρυμετρική μέθοδος υπολογισμού της. Η μέθοδος επεκτάθηκε για τον έμμεσο υπολογισμό του LAI σε όλη την καλλιεργητική περίοδο χωρίς ενδιάμεσες δειγματοληψίες μόνο με βάση το συγκομιζόμενο προϊόν, με στόχο την εφαρμογή της σε πειράματα που αφορούν μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής σε πειραματικές διατάξεις λυσιμέτρων, όπου οι δειγματοληψίες φυτών είναι απαγορευτικές γιατί μεταβάλλουν το σύστημα. Η μελέτη της εξατμισοδιαπνοής χωρίζεται σε δύο μέρη α) στο πρώτο μέρος έγινε ανάλυση των εφτά κυριότερων μεθόδων εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς για τις συνθήκες της πεδιάδος Θεσσαλονίκης, με ιδιαίτερη έμφαση στη μέθοδο ASCE-standardized Penman-Monteith, ενώ διερευνήθηκαν και έξι εξισώσεις υπολογισμού του συντελεστή εξατμισημέτρου με βάση μετρήσεις εξατμισημέτρου Class-A pan, β) στο δεύτερο μέρος έγινε ανάλυση και εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής της καλλιέργειας του ρυζιού, της εξάτμισης και της θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης με βάση τις μετρήσεις που ελήφθησαν από λυσίμετρα με στόχο την ανάπτυξη νέων εξισώσεων για τον υπολογισμό τους. iii

8 ΠΕΡΙΛΗΨΗ - ABSTRACT Για την εκτίμηση του ισοζυγίου νερού, αζώτου και φωσφόρου σε συνθήκες εδαφών υπό κατάκλυση με καλλιέργεια ρυζιού γίνεται εφαρμογή του νέου τροποποιημένου μοντέλου GLEAMS. Στο μοντέλο ενσωματώθηκαν εξισώσεις παραμέτρων, οι οποίες αναπτύχθηκαν στις προηγούμενες εφαρμογές ενώ αναλύονται και επιπλέον τροποποιήσεις οι οποίες αφορούν το ισοζύγιο νερού, αζώτου και φωσφόρου στο νερό κατάκλυσης. Επιπλέον, έγινε ενσωμάτωση υπομοντέλου ανάπτυξης φυκών, τα οποία συνυπάρχουν με την καλλιέργεια και επηρεάζουν το ισοζύγιο αζώτου και φωσφόρου στο νερό κατάκλυσης. Το μοντέλο ρυθμίστηκε και επιβεβαιώθηκε με δεδομένα δύο πειραματικών αγρών της πεδιάδος Θεσσαλονίκης και από τα αποτελέσματα της προσομοίωσης εξήχθησαν συμπεράσματα για τη διαχείριση νερού και θρεπτικών στους υπό κατάκλυση ορυζώνες της περιοχής μελέτης. iv

9 ΠΕΡΙΛΗΨΗ - ABSTRACT MODELING OF EVAPOTRANSPIRATION, PHYSICAL SOIL PROPERTIES AND WATER, NITROGEN AND PHOSPHORUS BALANCE IN FLOODED RICE FIELDS PhD Thesis of Aschonitis V.G., Agricultural Engineer MSc Aristotle University of Thessaloniki, School of Agriculture Department of Hydraulics, Soil Science and Agricultural Engineering Objective of this study is the development and application of mathematical models for the description of soil physical properties, agronomic characteristics including evapotranspiration and water, nitrogen, phosphorous balance in flooded rice fields. The mathematical approach of the aforementioned processes was based on experimental measurements from two rice-fields and fourteen lysimeters with flooded rice. The analysis in soil physical properties of the flooded rice-fields was based on the water retention curve (WRC) changes and consequently the changes of the pore size distribution (PSD), the saturated hydraulic conductivity (K s ) and the degree of soil compaction. Two new K s equations and a new index CPV index for the detailed analysis of PSD changes were developed. The rice cultivation lead to soil compaction and for this reason two methods for soil compaction assessment were developed a) a new index KSC-index based on saturated hydraulic conductivity for compaction state comparisons among different soil types and b) a new grapho-analytical method for the development of compaction state nomographs separately for each soil type. The analysis of the agronomic parameters of rice crop leaded to equations development for the simulation of the crop height, the root length, the effective rooting depth, the leaf area index, the tillers number, the harvest index and the grain straw ratio. Special attention was given on the parameter of LAI, where the gravimetric method for LAI determination was developed. The method was expanded and used for the indirect determination of LAI during the total season using only the final dry biomass without intermediate measurements in order to be used in lysimeter experiments for evapotranspiration, where plant samplings are restrictive because they alter the system. The process of evapotranspiration was investigated in two steps a) in the first step, analysis was performed on seven methods of reference crop evapotranspiration for the environmental conditions of Thessaloniki plain in Greece giving special attention to the ASCE-standardized Penman-Monteith method, while analysis on another six methods of pan coefficient based on Class-A pan measurements was also performed, b) in the second step, analysis and assessment of rice crop evapotranspiration was performed, where new equations for the crop factor, evaporation from ponding water and water temperature were developed based on measurements from lysimeters. For the water, nitrogen and phosphorus balance assessment in flooded rice-fields, the modified GLEAMS model was applied. Modifications that concern the water, nitrogen and phosphorus balance in the ponding water and the inclusion of other equations that concern parameters, which were discussed in the previous applications are adopted. Additional subroutines that concern the Algae growth were also incorporated in the model due to their significant effects in the nitrogen and phosphorus balance in the ponding water. The model was calibrated and validated using data from two experimental rice fields of Thessaloniki plain in Greece, where the simulation results were used for the derivation of conclusions that concern the water and nutrient management in the flooded rice-fields of the study area. v

10 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Εισαγωγή Σκοπός της διατριβής Δομή της διατριβής Συμβολή της διατριβής Πρωτότυπα σημεία 3 2. Στοιχεία για την καλλιέργεια του ρυζιού Εισαγωγή Γενικά χαρακτηριστικά του ρυζιού Συνθήκες ανάπτυξης ρυζιού Κλιματικές συνθήκες Εδαφικές συνθήκες Θρεπτικά στοιχεία - άζωτο και φώσφορος Εισροές αζώτου και φωσφόρου και απώλειες με τη διήθηση, επιφανειακή απορροή, διάβρωση Μετασχηματισμοί του αζώτου στο έδαφος Μετασχηματισμοί του φωσφόρου στο έδαφος Μαθηματική διερεύνηση των ιδιαιτεροτήτων του συστήματος έδαφος-φυτόατμοσφαιρικό περιβάλλον των αρδευόμενων ορυζώνων 14 Βιβλιογραφία Διερεύνηση των μεταβολών των φυσικών-υδραυλικών ιδιοτήτων του εδάφους υπό συνθήκες κατάκλυσης και καλλιέργειας ρυζιού Εισαγωγή Θεωρητικό υπόβαθρο μαθηματικής περιγραφής των υδραυλικών-φυσικών ιδιοτήτων του εδάφους Η σχέση της χαρακτηριστικής καμπύλης συγκράτησης του εδαφικού νερού με το πορώδες του εδάφους και την κατανομή μεγέθους των πόρων Χαρακτηριστική καμπύλη συγκράτησης του εδαφικού νερού το μοντέλο του van Genuchten Κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα Συμπύκνωση των εδαφών Μεταβολές στις παραμέτρους της χαρακτηριστικής καμπύλης, της κατανομής μεγέθους των πόρων, της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας και του βαθμού συμπύκνωσης του εδάφους υπό συνθήκες καλλιέργειας ρυζιού Πειραματικά δεδομένα Χαρακτηριστική καμπύλη του van Genuchten σε εδάφη υπό συνθήκες καλλιέργειας ρυζιού Διερεύνηση της μεταβολής της κατανομής μεγέθους των πόρων με βάση τα δομικά-υδραυλικά χαρακτηριστικά τους και με χρήση του δείκτη CPV Προσδιορισμός της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας ως συνάρτηση των παραμέτρων της χαρακτηριστικής καμπύλης και του πορώδους Προσδιορισμός του βαθμού συμπύκνωσης των εδαφών με χρήση των παραμέτρων της εξίσωσης του van Genuchten Συγκρίσεις του βαθμού συμπύκνωσης σε δείγματα του ίδιου ή διαφορετικού εδαφικού τύπου με χρήση του δείκτη KSC index Ανάπτυξη γραφο-αναλυτικής μεθόδου για την αξιολόγηση του βαθμού συμπύκνωσης. 47 vi

11 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Διόρθωση του σημείου αλλαγής κύρτωσης στις χαρακτηριστικές καμπύλες του van Genuchten Συμπεράσματα. 52 Βιβλιογραφία Αγρονομικές παράμετροι της καλλιέργειας ρυζιου Εισαγωγή Ύψος φυτού, μήκος ριζών και αποτελεσματικό βάθος ριζοστρώματος Δείκτης φυλλικής επιφάνειας Παραλλαγές του δείκτη φυλλικής επιφάνειας Μέθοδοι προσδιορισμού του δείκτη φυλλικής επιφάνειας Άμεσες μέθοδοι προσδιορισμού του LAI Έμμεσες μέθοδοι υπολογισμού του LAI Ανασκόπηση των μεθόδων προσδιορισμού του LAI για την καλλιέργεια ρυζιού Ανάπτυξη της βαρυμετρικής μεθόδου μέτρησης του LAI για την καλλιέργεια του ρυζιού πειραματική εφαρμογή σε λυσίμετρα Ποιοτικά, ποσοτικά και ενεργειακά χαρακτηριστικά της παραγωγής ρυζιού Βήματα υπολογισμού της διακύμανσης του LAI και FAI με χρήση μετρήσεων στο συγκομιζόμενο προϊόν Συμπεράσματα 83 Βιβλιογραφία Εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας ρυζιού Εισαγωγή Εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας αναφοράς Παράμετροι υπολογισμού της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς Μέθοδοι υπολογισμού της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς Υπολογισμός της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς Εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας ρυζιού Εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής ρυζιού σε πειραματικά λυσίμετρα Εκτίμηση του φυτικού συντελεστή και της εξατμισοδιαπνοής για την καλλιέργεια ρυζιού Εξάτμιση από το νερό κατάκλυσης υπό συνθήκες σκίασης από την καλλιέργεια ρυζιού Εκτίμηση της θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης Σχέση απόδοσης και εξατμισοδιαπνοής ρυζιού Συμπεράσματα 118 Βιβλιογραφία Εκτίμηση του ισοζυγίου νερού, αζώτου και φωσφόρου σε επίπδεδο αγρού υπό συνθήκες καλλιέργειας ρυζιού με χρήση μαθηματικού μοντέλου Εισαγωγή Τροποποιήσεις στο μοντέλο GLEAMS για συνθήκες καλλιέργειας ρυζιού υπό κατάκλυση Υπομοντέλο υδατικού ισοζυγίου Γενικό ισοζύγιο νερού 125 vii

12 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Επιφανειακή απορροή Κίνηση του νερού στο έδαφος Εξατμισοδιαπνοή Υπομοντέλο θερμοκρασίας νερού κατάκλυσης και εδάφους Υπομοντέλο διάβρωσης Υπομοντέλο θρεπτικών στοιχείων (άζωτο - φώσφορος) Εισροή αζώτου και φωσφόρου στους ορυζώνες με την άρδευση Πρόσληψη αζώτου και φωσφόρου από τα φύκη (Green Algae) Ισοζύγιο αζώτου και φωσφόρου στο νερό κατάκλυσης Πρόσληψη αζώτου και φωσφόρου από την καλλιέργεια ρυζιού Ανοργανοποίηση του οργανικού αζώτου και φωσφόρου Ακινητοποίηση του αζώτου και του φωσφόρου Αεριοποίηση του αμμωνιακού αζώτου Νιτροποίηση του αμμωνιακού αζώτου Απονιτροποίηση του νιτρικού αζώτου Προσρόφηση-εκρόφηση αζώτου και φωσφόρου Ισοζύγιο αζώτου και φωσφόρου στο έδαφος Πειραματικά δεδομένα για την εφαρμογή του μοντέλου Εφαρμογή του μοντέλου - αποτελέσματα και συζήτηση Ισοζύγιο νερού Ισοζύγιο αζώτου και φωσφόρου Συμπεράσματα 164 Βιβλιογραφία Συμπεράσματα - Συζήτηση Εισαγωγή Φυσικές ιδιότητες του εδάφους των ορυζώνων Αγρονομικές παράμετροι και εξατμισοδιαπνοή του ρυζιού Ισοζύγιο νερού, αζώτου και φωσφόρου στους ορυζώνες Προτάσεις συνέχισης της έρευνας viii

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο Κεφάλαιο 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Σκοπός της διατριβής Η μαθηματική διερεύνηση και περιγραφή του συστήματος έδαφος-φυτό-ατμοσφαιρικό περιβάλλον για την περίπτωση των αρδευόμενων ορυζώνων αποτελεί μία από τις πιο δύσκολες προκλήσεις λόγω της πολυπλοκότητας των παραγόντων και των σημαντικών διαφοροποιήσεων συγκριτικά με άλλες καλλιέργειες που διέπουν το σύστημα, οι οποίες οφείλονται στη μέθοδο άρδευσης (κατάκλυση) που εφαρμόζεται για την επίτευξη των ιδανικών συνθηκών ανάπτυξης της καλλιέργειας. Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και εφαρμογή μαθηματικών μοντέλων για την περιγραφή των μεταβολών των φυσικών ιδιοτήτων του εδάφους, της εξατμισοδιαπνοής της καλλιέργειας του ρυζιού καθώς και των συνιστωσών του ισοζυγίου νερού, αζώτου και φωσφόρου των ορυζώνων υπό συνθήκες κατάκλυσης. Η μαθηματική διερεύνηση αφορά την ανάπτυξη και εφαρμογή μεμονωμένων μαθηματικών εξισώσεων για την περιγραφή των επιμέρους συνιστωσών που διέπουν το σύστημα καθώς και τον συνδυασμό τους για την εφαρμογή πιο πολύπλοκων μαθηματικών μοντέλων όπως το μοντέλο GLEAMS, το οποίο τροποποιήθηκε για την προσομοίωση του ισοζυγίου νερού, αζώτου και φωσφόρου σε συνθήκες καλλιέργειας ρυζιού. Η μαθηματική διερεύνηση βασίζεται σε πειραματικά δεδομένα που ελήφθησαν από πειραματικά λυσίμετρα και πειραματικούς ορυζώνες. Απώτερος στόχος της διατριβής είναι η εξαγωγή συμπερασμάτων που αφορούν την κατανόηση των διαδικασιών που συμβαίνουν στους ορυζώνες μέσω της περιγραφής τους από μαθηματικά μοντέλα καθώς και την εφαρμογή των μοντέλων αυτών για την εξαγωγή συμπερασμάτων που αφορούν την εξοικονόμηση νερού, τη μείωση των απωλειών αζώτου-φωσφόρου και τη διατήρηση της ισορροπίας μεταξύ της παραγωγής ρυζιού και της προστασίας του περιβάλλοντος στα συστήματα των αρδευόμενων ορυζώνων. Τα πειραματικά δεδομένα, στα οποία στηρίχθηκε η διατριβή, προέρχονται από μετρήσεις που διεξήχθησαν σε πειραματικά λυσίμετρα του Αγροκτήματος της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ. καθώς και σε μετρήσεις που διεξήχθησαν σε πειραματικούς ορυζώνες της περιοχής Σίνδου Θεσσαλονίκης. Οι μετρήσεις στους πειραματικούς ορυζώνες έγιναν στα πλαίσια του ερευνητικού προγράμματος με τίτλο «Διαχείριση νερού και αζώτου σε ορυζώνα για εξοικονόμηση νερού και προστασία υδάτινου περιβάλλοντος», το οποίο χρηματοδοτήθηκε από την Ειδική Υπηρεσία Διαχείρισης ΕΠΕΑΕΚ - ΠΥΘΑΓΟΡΑΣ ΙΙ από πόρους του ΥΠ.Ε.Π.Θ και της Ε.Ε, με επιστημονικό υπεύθυνο τον καθηγητή της Γεωπονικής Σχολής Β.Ζ. Αντωνόπουλο. Οι αναλύσεις των φυσικών ιδιοτήτων του εδάφους και των αγρονομικών χαρακτηριστικών του ρυζιού έγινα στις εγκαταστάσεις του Εργαστηρίου Γενικής και Γεωργικής Υδραυλικής στο Αγρόκτημα της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ.. Οι χημικές αναλύσεις των δειγμάτων εδάφους και νερού έγιναν στο Εδαφολογικό Εργαστήριο του Ινστιτούτου Εγγείων Βελτιώσεων (ΕΘ.Ι.ΑΓ.Ε.) και στο Εργαστήριο Εδαφολογίας της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ.. Η επεξεργασία των δεδομένων και η ανάπτυξη των - 1 -

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο μαθηματικών εφαρμογών έγιναν στο Εργαστήριο Γενικής και Γεωργικής Υδραυλικής και Βελτιώσεων της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ Δομή της διατριβής Η διατριβή αποτελείται από εφτά κεφάλαια. Στο παρόν κεφάλαιο δίνεται ο σκοπός και η δομή της διατριβής. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή των χαρακτηριστικών της καλλιέργειας του ρυζιού και των περιβαλλοντικών συνθηκών (κλίμα, νερό, θρεπτικά στοιχεία) στις οποίες αναπτύσσεται. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση των μεταβολών των φυσικών ιδιοτήτων του εδάφους υπό συνθήκες κατάκλυσης και καλλιέργειας ρυζιού, δίνοντας έμφαση στις μεταβολές που υφίσταται η χαρακτηριστική καμπύλη και μέσω αυτής η κατανομή μεγέθους των πόρων, η κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα και ο βαθμός συμπύκνωσης του εδάφους. Λαμβάνοντας υπόψη τις πιο ευαίσθητες παραμέτρους του μοντέλου του van Genuchten στη συμπίεση αναπτύχθηκαν νέες εξισώσεις κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας, ενώ για την ανάλυση των μεταβολών της κατανομής μεγέθους των πόρων εφαρμόστηκε ένας νέος δείκτης ο CPV index, ο οποίος εντοπίζει την ισοδύναμη διάμετρο των πόρων μεταξύ των πόρων δομής-υφής. Οι μεταβολές που υφίσταται το υπό κατάκλυση έδαφος οδηγούν σε συμπύκνωση και για το λόγο αυτό αναπτύχθηκαν και δύο μεθοδολογίες για τη μελέτη της συμπύκνωσης του εδάφους, οι οποίες είναι α) ο δείκτης (KSC index), ο οποίος βασίζεται στην κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα του εδάφους, δίνοντας τη δυνατότητα σύγκρισης του βαθμού συμπύκνωσης μεταξύ διαφορετικών τύπων εδάφους και β) μια νέα γραφο-αναλυτική μέθοδος για την αξιολόγηση του βαθμού συμπύκνωσης ενός τύπου εδάφους, η οποία οδηγεί στη δημιουργία ενός νομογραφήματος συμπύκνωσης για κάθε τύπο εδάφους ξεχωριστά. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή και ανάλυση βασικών αγρονομικών παραμέτρων της καλλιέργειας του ρυζιού με χρήση συναρτήσεων μεταβολής. Οι παράμετροι οι οποίες μελετηθήκαν είναι η μεταβολή του ύψους της καλλιέργειας, του μήκους των ριζών, του αποτελεσματικού βάθους ριζοστρώματος, του δείκτη φυλλικής επιφάνειας LAI, του αριθμού αδελφιών TILN, το βάρος των 1000 κόκκων του παραγόμενου προϊόντος, ο δείκτης συγκομιδής ΗΙ (harvest index) και ο δείκτης αναλογίας καρπού-σταχιού GS (grain straw ratio). Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην παράμετρο του LAI και τους τρόπους υπολογισμού της, καθώς εκφράζει την πυκνότητα των φυτών, η οποία επηρεάζει τις περισσότερες από τις προαναφερθείσες παραμέτρους ενώ παράλληλα αποτελεί και την κύρια παράμετρο που καθορίζει την εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας του ρυζιού. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκε βαρυμετρική μέθοδος υπολογισμού του LAI για το ρύζι και επέκτασής της για τον έμμεσο υπολογισμό του σε όλη την καλλιεργητική περίοδο χωρίς ενδιάμεσες δειγματοληψίες μόνο με βάση το συγκομιζόμενο προϊόν, με στόχο την εφαρμογή της σε πειράματα που αφορούν μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής σε πειραματικές διατάξεις λυσιμέτρων, όπου οι δειγματοληψίες φυτών είναι απαγορευτικές γιατί μεταβάλλουν το σύστημα. Η βαρυμετρική μέθοδος αυτοματοποιήθηκε σε πρόγραμμα GLAIsoft-rice σε περιβάλλον EXCEL για την εύκολη εφαρμογή της από μελλοντικούς χρήστες. Το πέμπτο κεφάλαιο χωρίζεται σε δύο μέρη α) στο πρώτο μέρος γίνεται ανάλυση των εφτά κυριότερων μεθόδων εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς για τις συνθήκες της πεδιάδος Θεσσαλονίκης, με ιδιαίτερη έμφαση στη μέθοδο ASCE-standardized Penman- Monteith, ενώ διερευνήθηκαν και έξι εξισώσεις υπολογισμού του συντελεστή εξατμισημέτρου με βάση μετρήσεις εξατμισημέτρου Class-A pan, β) στο δεύτερο μέρος γίνεται ανάλυση και εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής της καλλιέργειας του ρυζιού, της εξάτμισης υπό συνθήκες φυτοσκίασης και της θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης με βάση τις μετρήσεις που - 2 -

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ελήφθησαν από πειραματικά λυσίμετρα του Αγροκτήματος Θεσσαλονίκης με στόχο την ανάπτυξη νέων εξισώσεων για τον υπολογισμό τους. Στο έκτο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή του νέου τροποποιημένου μοντέλου GLEAMS (σε γλώσσα FORTRAN), το οποίο χρησιμοποιείται για την εκτίμηση του ισοζυγίου του νερού, αζώτου και φωσφόρου σε συνθήκες εδαφών υπό κατάκλυση με καλλιέργεια ρυζιού. Στο μοντέλο ενσωματώθηκαν εξισώσεις παραμέτρων, οι οποίες αναπτύχθηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια (π.χ. εξισώσεις κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας, αγρονομικών χαρακτηριστικών και εξατμισοδιαπνοής), ενώ αναλύονται και επιπλέον τροποποιήσεις οι οποίες αφορούν το ισοζύγιο νερού, αζώτου και φωσφόρου στο νερό κατάκλυσης. Επιπλέον, έγινε ενσωμάτωση υπομοντέλου ανάπτυξης φυκών, τα οποία συνυπάρχουν με την καλλιέργεια και επηρεάζουν το ισοζύγιο αζώτου και φωσφόρου στο νερό κατάκλυσης. Το μοντέλο εφαρμόζεται με βάση τα δεδομένα που ελήφθησαν από δύο πειραματικούς ορυζώνες. Τα εξαγόμενα αποτελέσματα του μοντέλου αναλύονται λεπτομερώς, από τα οποία εξάγονται πολύτιμα συμπεράσματα και προτάσεις για τη διαχείριση νερού και αζώτου-φωσφόρου στα συστήματα των ορυζώνων. Στο έβδομο κεφάλαιο δίνονται τα τελικά συμπεράσματα της διατριβής και προτάσεις για τη συνέχιση της έρευνας. 1.3 Συμβολή της διατριβής Πρωτότυπα σημεία Η συμβολή της παρούσας διατριβής επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μαθηματικών μεθοδολογιών, οι οποίες εφαρμόζονται στο περιβάλλον των υπό κατάκλυση ορυζώνων. Τα πρωτότυπα σημεία της διατριβής είναι τα ακόλουθα: A. Ανάπτυξη μεθοδολογίας ανάλυσης των φυσικών-υδραυλικών ιδιοτήτων του εδάφους και των μεταβολών τους. Η μεθοδολογία στηρίχθηκε σε δεδομένα ορυζώνων, λυσιμέτρων με καλλιέργεια ρυζιού και δεδομένων της διεθνούς βιβλιογραφίας και περιλαμβάνει τα εξής: 1. Δύο εξισώσεις κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας. 2. Έναν δείκτη ανάλυσης (CPV index) των μεταβολών της κατανομής μεγέθους των πόρων του εδάφους. 3. Δύο μεθόδους, μία αναλυτική (KSC index) και μία γραφοαναλυτική (νομογράφημα h i - 1/a), για την περιγραφή της συμπύκνωσης του εδάφους. Β. Διερεύνηση των αγρονομικών χαρακτηριστικών του ρυζιού με στόχο την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής στους υπό κατάκλυση ορυζώνες. Από τη διερεύνηση προέκυψαν τα εξής: 1. Συναρτήσεις περιγραφής των αγρονομικών χαρακτηριστικών της καλλιέργειας (ύψος της καλλιέργειας, μήκος των ριζών, αποτελεσματικό βάθος ριζοστρώματος, δείκτης φυλλικής επιφάνειας, αριθμός αδελφιών, δείκτης συγκομιδής και δείκτης αναλογίας καρπού-σταχιού). 2. Ανάπτυξη της βαρυμετρικής μεθόδου προσδιορισμού του δείκτη φυλλικής επιφάνειας της καλλιέργειας του ρυζιού και ανάπτυξη λογισμικού για τον έμμεσο προσδιορισμό του με βάση το συγκομιζόμενο προϊόν. Η συγκεκριμένη μέθοδος ενδείκνυται στην περίπτωση πειραμάτων εξατμισοδιαπνοής σε λυσίμετρα όπου είναι απαγορευτική η δειγματοληψία φυτών γιατί μεταβάλει το σύστημα. 3. Εκτίμηση και αξιολόγηση της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς με βάση τις πιο δημοφιλείς εξισώσεις της διεθνούς βιβλιογραφίας, συμπεριλαμβανομένου και των μεθόδων εξατμισημέτρου. Η αξιολόγηση έγινε με βάση τη μέθοδο ASCE-standardized Penman-Monteith και παρατηρήσεις από εξατμισήμετρο

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο 4. Πειραματικές μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής της καλλιέργειας του ρυζιού σε διατάξεις λυσιμέτρων και ανάπτυξη εξισώσεων υπολογισμού του φυτικού συντελεστή και της διαπνοής του φυτού, της εξάτμισης και της θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης. Γ. Ανάπτυξη μαθηματικού μοντέλου για την προσομοίωση του ισοζυγίου νερού, αζώτου και φωσφόρου στο περιβάλλον των ορυζώνων. Ο στόχος επετεύχθει μέσω της τροποποίησης του μοντέλου GLEAMS, στο οποίο εντάχθηκαν τα εξής: 1. Εξισώσεις των αγρονομικών χαρακτηριστικών και της εξατμισοδιαπνοής που αναπτύχθηκαν στα προηγούμενα στάδια της έρευνας. 2. Τροποποιήσεις του υπομοντέλου υδατικού ισοζυγίου για την ένταξη της υπερκείμενης στρώσης του νερού κατάκλυσης. 3. Τροποποιήσεις του υπομοντέλου θερμοκρασίας με βάση την εξίσωση υπολογισμού της θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης. 4. Τροποποιήσεις στα ισοζύγια αζώτου και φωσφόρου για την βέλτιστη περιγραφή τους υπό συνθήκες κατάκλυσης τόσο στο έδαφος όσο και στο νερό κατάκλυσης. 5. Υπομοντέλο ανάπτυξης φυκών. Τα παραγόμενα αποτελέσματα της διατριβής υπό μορφή δημοσιευμένων εργασιών έχουν ως εξής: 1. Δημοσιευμένες εργασίες σε περιοδικά και συνέδρια Aschonitis, V.G., Kostopoulou, S.K., Antonopoulos, V.Z., Methodology to assess the effects of rice cultivation under flooded conditions on van Genuchten's model parameters and pore size distribution. Transport in Porous Media 91(3), Aschonitis, V.G., Antonopoulos, V.Z., Papamichail, D.M., Evaluation of pan coefficient equations in a semi-arid Mediterranean environment using the ASCE standardized Penman-Monteith method. Agricultural Sciences 3(1), Ασχονίτης, Β.Γ. και Αντωνόπουλος, Β.Ζ., Επίδραση της κατάκλυσης των ορυζώνων σις παραμέτρους της χαρακτηριστικής καμπύλης της εξίσωσης van Genuchten. 5ο Συνέδριο Γεωργικής Μηχανικής, 8-10 Οκτωβρίου, Θεσσαλονίκη. Ασχονίτης, Β.Γ., Κωστοπούλου, Σ.Κ., Αντωνόπουλος, Β.Ζ., Επίδραση της κατάκλυσης των ορυζώνων στην κατανομή μεγέθους των πόρων του εδάφους. Πρακτικά του 12 ου Πανελλήνιου Συνεδρίου της Ελληνικής Εδαφολογικής Εταιρείας, Πύργος, Σεπτεμβρίου, σελ Εργασίες που έχουν υποβληθεί Aschonitis, V.G., Antonopoulos, V.Z., New equations for the determination of soil saturated hydraulic conductivity using the van Genuchten model parameters and effective porosity. Irrigation & Drainage (under review)

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Κεφάλαιο 2 ο ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΡΥΖΙΟΥ 2.1 Εισαγωγή Το ρύζι αποτελεί ένα από τα πιο σπουδαία φυτά για την παραγωγή τροφίμων παγκοσμίως. Σύμφωνα με τον Chatainger (1994) πάνω από το 90% της παγκόσμιας ποσότητας παράγεται και καταναλώνεται στην Ασία, όπου κατοικεί πάνω από το 50% του πληθυσμού της γης. Το υπόλοιπο ποσοστό παραγωγής μοιράζεται σε περιοχές της Ευρώπης, της Αμερικής, της Αφρικής και της Αυστραλίας που έχουν κυρίως μεσογειακό, υποτροπικό και τροπικό κλίμα. Παρ όλο που είναι ένα από τα αρχαιότερα καλλιεργούμενα φυτά, οι ερευνητές για πολλά χρόνια δεν έδωσαν αρκετή σημασία στο φυτό αυτό. Η ίδρυση το 1960 του Διεθνούς Ινστιτούτου Έρευνας Ρυζιού (International Rice Research Institute ή IRRI) που εδρεύει στις Φιλιππίνες, έδωσε ώθηση στην έρευνά του, με αποτέλεσμα να βελτιωθεί η τεχνική καλλιέργειας και να δημιουργηθούν νέες ποικιλίες, με τις οποίες σχεδόν διπλασιάσθηκε η μέση παγκόσμια απόδοση, από τη δεκαετία του 60 έως τη δεκαετία του 80 (IRRI, 1989a). Στην Ελλάδα, αντίστοιχες προσπάθειες ξεκίνησαν το 1961 με την ίδρυση του Ινστιτούτου Σιτηρών, το οποίο αρχικά υπαγόταν στο Υπουργείο Γεωργίας ενώ από το 1990 και μετά ενσωματώθηκε στο ΕΘ.Ι.ΑΓ.Ε. (Εθνικό Ίδρυμα Αγροτικής Έρευνας). Οι ορυζώνες της πεδιάδας Θεσσαλονίκης, οι οποίοι αποτελούν και το αντικείμενο μελέτης της διατριβής, καλύπτουν εκτάσεις που κυμαίνονται μεταξύ km 2 (MED-Rice, 2003). Στο παρόν κεφάλαιο γίνεται περιγραφή των χαρακτηριστικών της καλλιέργειας του ρυζιού και των περιβαλλοντικών συνθηκών (κλίμα, νερό, θρεπτικά στοιχεία) στις οποίες αναπτύσσεται. Στόχος της προσπάθειας αυτής είναι να δοθούν στον αναγνώστη οι απαραίτητες πληροφορίες τόσο για την καλλιέργεια του ρυζιού όσο και για την κατανόηση των θεμάτων που αναπτύσσονται στα επόμενα κεφάλαια. 2.2 Γενικά χαρακτηριστικά του ρυζιού Το ρύζι (Σχήμα 2.1) παρουσιάζει πολλές ομοιότητες με τα χειμερινά σιτηρά. Το ριζικό του σύστημα αποτελείται από μία εμβρυακή ρίζα και από πολυάριθμες μόνιμες ρίζες, των οποίων ο όγκος, η μορφή, η πυκνότητα και το βάθος επέκτασης εξαρτώνται από διάφορους παράγοντες όπως η ποικιλία, το σύστημα καλλιέργειας, η πυκνότητα της σποράς, η δομή και η γονιμότητα του εδάφους, οι οποίοι επηρεάζουν και την τάση δημιουργίας αδελφωμάτων. Συνήθως σχηματίζονται 4 με 5 αδέλφια ανά φυτό. Στο ρύζι που καλλιεργείται με κατάκλυση, ο μεγαλύτερος όγκος της ρίζας συγκεντρώνεται στα πρώτα cm ενώ σχηματίζει και εναέριες ρίζες πάνω στην επιφάνεια του εδάφους. Το στέλεχος (καλάμι) είναι κενό εσωτερικά και φέρει 10 έως 20 μεσογονάτια. Οι πρώιμες ποικιλίες έχουν λιγότερα μεσογονάτια συγκριτικά με τις όψιμες. Το ύψος των φυτών, για τα ελληνικά δεδομένα, φτάνει συνήθως τα cm ενώ σε άλλες ποικιλίες, ανά τον κόσμο, μπορούν να φτάσουν και τα 180 cm

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Τα φύλλα αποτελούνται από το έλασμα και τον κολεό. Ο κολεός είναι επιμήκης και δεν περιβάλλει πλήρως σε όλο το μήκος του το αντίστοιχο τμήμα του στελέχους. Το έλασμα είναι επίμηκες, κενό, τραχύ στην υφή, δύσκαμπτο και φέρει στη βάση του ωτίδια, τα οποία διαθέτουν τριχίδια. Χαρακτηριστικός επίσης είναι και ο σχηματισμός γλωσσιδίου στο σημείο ένωσης του κολεού με το έλασμα. Η ταξιανθία του ρυζιού είναι χαλαρή φόβη μήκους 10 έως 25 cm. Ο κεντρικός άξονας της φόβης είναι προέκταση του στελέχους. Η φόβη φέρει από 75 έως 150 σταχύδια και κάθε σταχύδιο αποτελείται συνήθως από ένα ανθίδιο. Τα ανθίδια περιέχουν έξι στήμονες, στύλο με δισχιδές στίγμα και περιβάλλονται από το χιτώνα και τη λεπίδα. Είναι αυτογονιμοποιούμενο φυτό με μικρό ποσοστό φυσικής σταυρογονιμοποίησης. Ο κόκκος είναι καρύοψη και αποτελείται από το περικάρπιο, το ενδοσπέρμιο και το έμβρυο ενώ περιβάλλεται από λέπυρα, τα οποία παραμένουν ενωμένα με το σπόρο και μετά τον αλωνισμό. Η καρύοψη δεν είναι προσκολλημένη στο χιτώνα και τη λεπίδα αλλά βρίσκεται ελεύθερη στο μεταξύ τους χώρο. Το ρύζι που έχει αυτή τη μορφή διεθνώς ονομάζεται paddy. Σε ορισμένες ποικιλίες οι κόκκοι φέρουν μικρό άγανο, το οποίο είναι προέκταση του χιτώνα. Το χρώμα του ενδοσπερμίου είναι συνήθως λευκό ή ελαφρώς κιτρινοκάστανο ενώ ποικιλίες με κόκκινους κόκκους θεωρούνται κατώτερης ποιότητας (Παπακώστα, 2001). Σχήμα 2.1 Το φυτό του ρυζιού σε πλήρη ανάπτυξη πριν τη συγκομιδή. Τα στάδια ανάπτυξης του ρυζιού διαχωρίζονται σε τρεις βασικές φάσεις, οι οποίες είναι: Η φάση ανάπτυξης (vegetative phase): περιλαμβάνει τα τέσσερα πρώτα στάδια μέχρι την έναρξη ανάπτυξης της φόβης. Η φάση αυτή έχει ποικίλη διάρκεια ανάλογα με την ποικιλία (από 30 έως 80 ημέρες) αλλά επηρεάζεται και από τις περιβαλλοντικές συνθήκες και κυρίως από τη θερμοκρασία και τη φωτοπερίοδο. Οι καλλιεργητικές πρακτικές όπως η λίπανση, η καταπολέμηση ζιζανίων, εντόμων και ασθενειών περατώνονται κατά τη διάρκεια της φάσης αυτής. Η φάση αναπαραγωγής (reproductive phase): περιλαμβάνει τα στάδια από την έναρξη ανάπτυξης της φόβης μέχρι το τέλος του σταδίου της κορύφωσης. Η φάση αυτή διαρκεί περίπου 35 ημέρες, δεν επηρεάζεται από την φωτοπερίοδο αλλά από τις χαμηλές θερμοκρασίες, την έλλειψη νερού και τις συνθήκες υψηλής αλατότητας του εδάφους με - 6 -

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο αποτέλεσμα την στείρωση των αναπαραγωγικών οργάνων, τα οποία οδηγούν στην εμφάνιση άδειων κόκκων. Στη φάση αυτή επίσης παρατηρείται και απόρριψη των στείρων αδελφιών. Η φάση ωρίμανσης (maturity phase): περιλαμβάνει τα στάδια από την έναρξη της ανθοφορίας μέχρι την πλήρη ωριμότητα και διαρκεί περίπου 30 ημέρες. Στις πρώτες 15 ημέρες, από το στάδιο της ανθοφορίας μέχρι το στάδιο της ζύμωσης, το φυτό είναι ευαίσθητο στις δυσμενείς κλιματικές συνθήκες όπως οι υψηλές θερμοκρασίες, οι ισχυροί άνεμοι και η έλλειψη νερού. Στο δεύτερο δεκαπενθήμερο, οι δυσμενείς συνθήκες δεν έχουν καμία επίδραση στα φυτά, ενώ η παύση της άρδευσης και η σταδιακή ξήρανση του εδάφους ομογενοποιεί την ωρίμανση των σπόρων διευκολύνοντας τη συγκομιδή. Στην Ελλάδα καλλιεργούνται ποικιλίες τύπου indica και japonica. Το Ινστιτούτο Σιτηρών έχει δημιουργήσει αρκετές ποικιλίες τύπου japonica, οι οποίες παρουσιάζουν και τη μεγαλύτερη διάδοση. Οι ποικιλίες τύπου indica είναι κυρίως εισαγόμενες αλλά τα τελευταία χρόνια έχουν δημιουργηθεί και ελληνικές ποικιλίες πολύ παραγωγικές. Οι ελληνικές ποικιλίες προτιμώνται από τους παραγωγούς γιατί παρουσιάζουν σταθερή και υψηλή απόδοση, καλύτερη ποιότητα προϊόντος, μεγαλύτερη ανθεκτικότητα σε έντομα και ασθένειες και χαμηλότερη τιμή σπόρου σε σχέση με τις εισαγόμενες (Koutroubas and Ntanos, 2003; Koutroubas et al., 2004). Το ρύζι έχει υποστεί πολλές βελτιώσεις οδηγώντας στην εισαγωγή νέων υβριδίων, τα οποία δίνουν 20-30% μεγαλύτερες αποδόσεις. Τη δεκαετία του 90, στόχος των επιστημόνων που ασχολούνταν με την βελτίωση ρυζιού ήταν οι μελλοντικές ποικιλίες α) να δίνουν απόδοση από 1300 έως 1500 kg/στρέμμα β) να φέρουν 3-4 φόβες ανά φυτό με σπόρους ανά φόβη, γ) να έχουν μόνο παραγωγικά αδέλφια, δ) να έχουν δυνατό ριζικό σύστημα και ισχυρά στελέχη τα οποία να είναι ανθεκτικά στο πλάγιασμα, ε) να έχουν φύλλα όρθια για τη μείωση της αλληλοσκίασης σε μεγάλη πυκνότητα σποράς, στ) το ύψος τους να είναι cm, ζ) η βλαστική τους περίοδος να είναι ημέρες, η) να παρουσιάζουν συνδυασμένη αντοχή σε εχθρούς και ασθένειες, θ) ο δείκτης συγκομιδής τους να πλησιάζει το 0.6 και ι) να έχουν μεγαλύτερη ικανότητα απορρόφησης και χρήσης των θρεπτικών στοιχείων με μεγαλύτερη βαρύτητα στο άζωτο (IRRI, 1989b; Singh et al., 1998). Οι παραπάνω γενετικές βελτιώσεις έχουν σχεδόν επιτευχθεί με τα νέα υβρίδια ρυζιού να αποτελούν ένα νέο είδος φυτού, το οποίο τείνει να συμπεριληφθεί στην κατηγορία των C4 φυτών και όχι στην C3 λόγω των υψηλών ρυθμών φωτοσύνθεσης και των υψηλών αποδόσεων (Evans et al., 2000; Sheehy et al., 2000). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ανάγκη επανακαθορισμού των βασικών χαρακτηριστικών της καλλιέργειας, τα οποία συνδέονται άμεσα με την κατανάλωση νερού για την κάλυψη των αναγκών της καλλιέργειας αλλά και την πρόσληψη θρεπτικών σε ελληνικές συνθήκες. 2.3 Συνθήκες ανάπτυξης ρυζιού Κλιματικές συνθήκες Το ρύζι παρουσιάζει μεγάλη ικανότητα προσαρμογής και αναπτύσσεται σε περιοχές με τροπικό, υποτροπικό και εύκρατο-μεσογειακό κλίμα, με το τελευταίο να δίνει και τις μεγαλύτερες αποδόσεις. Καλλιεργείται από 53 ο ΒΠ μέχρι 35 ο ΝΠ και μπορεί να αναπτυχθεί σε υψόμετρο, το οποίο φτάνει από 0 μέχρι και τα 2400 m για ορισμένες ποικιλίες (Yoshida, 1981; Παπακώστα, 2001). Η μέση θερμοκρασία πρέπει να είναι μεγαλύτερη των 20 ο C σε όλη τη διάρκεια του βιολογικού κύκλου του ρυζιού ενώ η άριστη είναι στους ο C. Η ελάχιστη θερμοκρασία ανοχής ειδικά στα πρώτα στάδια ανάπτυξής του, είναι ο C (MED-Rice, 2003)

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Η έντονη παραλλακτικότητα των κλιματικών συνθηκών που παρουσιάζουν οι περιοχές που καλλιεργείται το ρύζι σε παγκόσμιο επίπεδο έχει ως αποτέλεσμα την έντονη διαφοροποίηση της συμπεριφοράς της καλλιέργειας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ανάγκη διερεύνησης της επίδρασης των κλιματικών συνθηκών στο περιβάλλον των ελληνικών ορυζώνων, οι οποίες συνδέονται άμεσα με την εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας Εδαφικές συνθήκες Τα εδάφη, στα οποία αναπτύσσεται το ρύζι, είναι κυρίως βαριά εδάφη με κακή στράγγιση, η οποία ρυθμίζεται είτε από κάποιο αδιαπέρατο υπόστρωμα (hardpan) ή από υψηλή υπόγεια στάθμη, ενώ τα ελαφρά εδάφη αποφεύγονται λόγω αυξημένων απωλειών νερού και θρεπτικών με τη διήθηση. Η επιθυμητή μηχανική σύσταση των εδαφών, που επιλέγονται για την καλλιέργεια του ρυζιού, ανήκει συνήθως στις εξής κλάσεις: αργιλώδες (C- Clay), ιλυώδης άργιλος (SiC-Silty Clay), ιλυοπηλώδες (SL- Silty Loam) και ιλυώδης αργιλοπηλός (SiCL-Silty Clay Loam) (MED-Rice, 2003). Η μέθοδος της κατάκλυσης συντελεί μεν στη δημιουργία των απαραίτητων υγροτοπικών και εδαφικών συνθηκών που ευνοούν την ανάπτυξη του ρυζιού (De Datta, 1981), αλλά διαφοροποιεί σημαντικά τις συνθήκες των ορυζώνων συγκριτικά με τους συμβατικούς αγρούς με δύο τρόπους: Μεταβάλει τις φυσικές-υδραυλικές ιδιότητες του εδάφους λόγω της δημιουργίας λάσπης. Οι συνθήκες αυτές χαρακτηρίζονται από υποβάθμιση της δομής του εδάφους, η οποία αντικατοπτρίζεται στα υδραυλικά χαρακτηριστικά του εδάφους μετά την απομάκρυνση του νερού στο τέλος της καλλιεργητικής περιόδου. Διαφοροποιεί τις βιοχημικές διεργασίες που συμβαίνουν στο έδαφος λόγω της δημιουργίας κορεσμένων-αναγωγικών-αναερόβιων συνθηκών. Η διερεύνηση των επιδράσεων της κατάκλυσης τόσο στις φυσικές-υδραυλικές ιδιότητες όσο και στις βιοχημικές διεργασίες με έμφαση το φώσφορο και το άζωτο αποτελεί βασικό παράγοντα για τη βέλτιστη περιγραφή των συνιστωσών τόσο του ισοζυγίου νερού όσο και των θρεπτικών στοιχείων του αζώτου-φωσφόρου στο περιβάλλον των ορυζώνων Θρεπτικά στοιχεία - άζωτο και φώσφορος Το ιδιαίτερο περιβάλλον των υπό κατάκλυση ορυζώνων έχει ως αποτέλεσμα την έντονη διαφοροποίηση του κύκλου των θρεπτικών στοιχείων σε σχέση με τα τυπικά καλλιεργήσιμα εδάφη στα οποία επικρατούν ως επί το πλείστον αερόβιες συνθήκες. Για την κατανόηση των διαφοροποιήσεων γίνεται περιγραφή του κύκλου των θρεπτικών στοιχείων του αζώτου και του φωσφόρου στα αγροτικά συστήματα και των διαφοροποιήσεων που συμβαίνουν στις ιδιαίτερες συνθήκες των υπό κατάκλυση ορυζώνων Εισροές αζώτου και φωσφόρου και απώλειες με τη διήθηση, επιφανειακή απορροή, διάβρωση. Η εφαρμογή ανόργανων και οργανικών λιπασμάτων αποτελεί τη βασικότερη εισροή αζώτου και φωσφόρου στα γεωργικά συστήματα. Περίπου το 10% της παγκόσμιας κατανάλωσης λιπασμάτων εφαρμόζεται στους ορυζώνες (FAI, 1997). Άλλες πηγές εισροής αζώτου και φωσφόρου αποτελούν το νερό άρδευσης είτε χωρίς είτε με ανάμειξη του με λύματα (Antonopoulos, 2010; Papadopoulos et al., 2009). Οι κυριότερες απώλειες αζώτου και φωσφόρου στα αγροτικά συστήματα οφείλονται στην έκπλυση και στην επιφανειακή απορροή. Οι διάφορες μορφές φωσφόρου και το αμμωνιακό άζωτο είναι δυσκίνητα λόγω της προσρόφησής τους στο έδαφος ενώ το νιτρικό άζωτο είναι αυτό το οποίο κατά κύριο λόγο χάνεται μέσω της διήθησης του νερού. Οι απώλειές τους είναι ανάλογες της συγκέντρωσης τους στο εδαφικό διάλυμα και της ποσότητας του νερού που χάνεται με την διήθηση. Σημαντικές απώλειες αμμωνιακού αζώτου και - 8 -

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο φωσφόρου με τη διήθηση παρατηρούνται σε εδάφη με περιεκτικότατα σε άργιλο κάτω από 10% και στην περίπτωση ύπαρξης στραγγιστικών αγωγών λόγω της απότομης στράγγισης πριν επιτευχθεί η προσρόφησή τους (Αddiscott, 2005; Pierzynski et al., 2000). Επίσης, απώλειες αζώτου-φωσφόρου παρατηρούνται και μέσω της επιφανειακής απορροήςδιάβρωσης, ιδίως στην περίπτωση μεγάλων κλίσεων εδάφους και στην παρουσία στραγγιστικών τάφρων, όπου ευνοείται η μεταφορά ιζημάτων (Pierzynski et al., 2000; Paul and Clark, 1989). Στην περίπτωση των υπό κατάκλυση ορυζώνων οι απώλειες αζώτου με τη διήθηση κυμαίνονται μεταξύ 30-50% των συνολικών απωλειών και αφορούν κατά κύριο λόγο το νιτρικό άζωτο (Ghosh and Bhat, 1998) λόγω της προσρόφησης του αμμωνιακού αζώτου και του φωσφόρου στα συνήθως βαριά-αργιλώδη εδάφη όπου καλλιεργείται το ρύζι. Οι απώλειες αζώτου και φωσφόρου με επιφανειακή απορροή είναι σχετικώς ελεγχόμενες λόγω των περιφερειακών αναχωμάτων και της ελεγχόμενης επιφανειακής στράγγισης στα σύγχρονα αγροτικά συστήματα όπου καλλιεργείται ρύζι. Πρόβλημα απωλειών με επιφανειακή απορροή παρουσιάζεται στους ορυζώνες της Κίνας και της Κορέας κατά την υγρή περίοδο καθώς πάνω από το 50% των εισροών νερού προέρχεται από τις βροχές, οι οποίες στις περιοχές αυτές ξεπερνούν τα 1000 mm με μεγαλύτερη ένταση, διάρκεια και συχνότητα στις περιόδους των λιπάνσεων (Cho et al., 2001) Μετασχηματισμοί του αζώτου στο έδαφος Ο κύκλος του αζώτου είναι ιδιαίτερα πολύπλοκος διότι πέρα από τις εισροές και απώλειες με διήθηση και επιφανειακή απορροή περιλαμβάνει ενδιάμεσα στάδια μετασχηματισμών, πρόσληψης από φυτικούς οργανισμούς, προσρόφησης και απωλειών με αέριες μορφές αζώτου, τα οποία έχουν ως εξής: Ανοργανοποίηση-ακινητοποίηση του οργανικού αζώτου Η ποσότητα του αζώτου, το οποίο περιέχεται στα οργανικά υλικά, απελευθερώνεται μέσω της διαδικασίας της ανοργανοποίησης ως ανόργανο άζωτο, ενώ η διαδικασία της ακινητοποίησης αφορά την επαναδέσμευση του ανόργανου αζώτου από μικροοργανισμούς. Είναι συνήθης η παράλληλη δράση της ανοργανοποίησης με την ταυτόχρονη ακινητοποίηση του ανοργανοποιημένου αζώτου από τους μικροοργανισμούς για την δημιουργία αμινοξέων (Paul and Clark, 1989). Η ένταση των δύο επιμέρους διαδικασιών εξαρτάται από την αναλογία C/N, καθώς για τιμές C/N>30 η ποσότητα του αζώτου που ακινητοποιείται είναι περισσότερη από την ποσότητα του αζώτου που απελευθερώνεται από την πραγματική ανοργανοποίηση με αποτέλεσμα η καθαρή ανοργανοποίηση να είναι αρνητική. Για τιμές 20<C/N<30 οι διαδικασίες βρίσκονται σχεδόν σε ισορροπία, ενώ για C/N<20 υπερισχύει η ανοργανοποίηση με απελευθέρωση ανόργανου αζώτου που είναι διαθέσιμο για τα φυτά (Pierzynski et al., 2000; Θεριός, 2005). Σε καλά αεριζόμενα με κανονικά επίπεδα οργανικής ουσίας (1-5%), η ανοργανοποίηση οδηγεί σε απελευθέρωση περίπου του 1-3% του αζώτου (15 έως 70 kg N/ha/year), ποσοστά τα οποία εξαρτώνται και από τον βαθμό ενσωμάτωσης φυτικών υπολειμμάτων (Pierzynski et al., 2000). Στην περίπτωση των υπό κατάκλυση εδαφών, η ανοργανοποίηση προχωρεί με πάρα πολύ αργούς ρυθμούς λόγω α) της περιορισμένης διαθεσιμότητας οξυγόνου β) του ανταγωνισμού για οξυγόνο με τη διαδικασία της νιτροποίησης. Ανοργανοποίηση παρατηρείται στη ανώτερη στρώση των ιζημάτων όπου συνυπάρχει μαζί με την ακινητοποίηση και η επικράτηση εκ των δύο εξαρτάται από τους λόγους C/N. Νιτροποίηση του αμμωνιακού αζώτου Η παραγωγή της νιτρικής μορφής του αζώτου επιτυγχάνεται μέσω βιολογικών διαδικασιών, στις οποίες συμμετέχουν συγκεκριμένες ομάδες νιτροποιητικών βακτηρίων. Η - 9 -

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο νιτροποίηση γίνεται σε δύο στάδια όπου στο πρώτο στάδιο κυρίως αυτότροφα βακτήρια μετατρέπουν το αμμωνιακό άζωτο σε νιτρώδες με τη βοήθεια του οξυγόνου. Το δεύτερο στάδιο επιτυγχάνεται κυρίως μέσω ετερότροφων βακτηρίων τα οποία μετατρέπουν το νιτρώδες άζωτο σε νιτρικό (Pierzynski et al., 2000; Addiscott, 2005; Αντωνόπουλος, 2010). Στην περίπτωση των υπό κατάκλυση εδαφών, η νιτροποίηση λαμβάνει χώρα στην επιφανειακή ζώνη των ιζημάτων (ζώνη οξείδωσης πάχους περίπου 5-10 mm) λιμνών και ποταμών λόγω διάχυσης του διαλυμένου οξυγόνου από το νερό προς τα ιζήματα. Οι ρυθμοί νιτροποίησης εξαρτώνται από τη συγκέντρωση και την ανανέωση του διαλυμένου οξυγόνου στο νερό καθώς και από την ένταση των κυματισμών-ρευμάτων τα οποία αναμοχλεύουν την επιφανειακή ζώνη κι ευνοούν τη διάχυση του οξυγόνου από το νερό προς τα ιζήματα. Επιπλέον παράμετρος είναι η ύπαρξη υγροτοπικών φυτών όπως στην περίπτωση του ρυζιού, όπου μέσω του αερεγχύματος το οξυγόνο οδηγείται στις ρίζες. Το οξυγόνο αυτό εκλύεται στην εξωτερική στοιβάδα των ριζών όπου πραγματοποιείται νιτροποίηση, η οποία ευνοεί την πρόσληψη αζώτου λόγω πιο εύκολης πρόσληψης του νιτρικού έναντι του αμμωνιακού αζώτου (Howard-Williams and Downes, 1993). Πειράματα τα οποία αφορούσαν μετρήσεις οξυγόνου στα εδάφη των ορυζώνων έδειξαν ότι το οξυγόνο δεν εισέρχεται κάτω από 3-6 mm (Revsbech et al. 1999; Liesack et al., 2000). Αεριοποίηση του αμμωνιακού αζώτου Η διαδικασία αφορά τις απώλειες αέριας αμμωνίας ΝΗ 3 στην ατμόσφαιρα. Στην περίπτωση των υπό κατάκλυση ορυζώνων, η διαδικασία της αεριοποίησης της αμμωνίας μπορεί να είναι από ασήμαντη έως και 60% των συνολικών απωλειών αζώτου και εξαρτάται από τον τύπο λιπάσματος, τον τρόπο ενσωμάτωσής του στο έδαφος, το βάθος κατάκλυσης, το ph και την θερμοκρασία (Ghosh and Bhat, 1998). Η διαδικασία είναι αμελητέα οταν το ph είναι κάτω από 7.4, ενώ αρχίζει να είναι σημαντική όταν το ph φτάσει την τιμή 9.3, αν και εφόσον υπάρχει διαθέσιμο αμμωνιακό άζωτο στο νερό κατάκλυσης προς αεριοποίηση. Στην περίπτωση αυτή οι απώλειες συμβαίνουν στην ανώτερη στρώση του νερού κατάκλυσης, το οποίο έρχεται σε επαφή με τον ατμοσφαιρικό αέρα (Vymazal, 2007) (περίπτωση υγροτοπικών συστημάτων). Στην περίπτωση των ορυζώνων έχει διαπιστωθεί ότι η ενσωμάτωση της βασικής λίπανσης στο βάθος άροσης εκμηδενίζει την αεριοποίηση (Mikkelsen et al., 1978). Η μελέτη των Chauhan and Mishra (1989) έδειξε ότι η ενσωμάτωση ουρίας τύπου Urea Super Granule (η συνήθης πλέον μορφή ουρίας που χρησιμοποιείται στα σύγχρονα λιπάσματα) κάτω από τη ζώνη οξείδωσης, οδήγησε περίπου σε 1% απώλειες της εφαρμοζόμενης ποσότητας αμμωνιακού αζώτου και επέδειξε πολύ μικρή διαλυτοποίηση στο νερό κατάκλυσης με συγκεντρώσεις αμμωνιακού αζώτου κοντά στο 1 ppm. Στην περίπτωση της επιφανειακής λίπανσης η χρήση θειικής αμμωνίας ελαττώνει το ph και αναστέλλεται έντονα η διαδικασία και γι αυτό ενδείκνυται πιο πολύ από την ουρία ειδικά στα αλκαλικά εδάφη. Επίσης βρέθηκε ότι η αεριοποίηση της αμμωνίας είναι ανάλογη και της συγκέντρωσης του αμμωνιακού αζώτου στο νερό, όπου για τιμές κάτω από 1 ppm, η αεριοποίηση είναι σχεδόν αμελητέα (Chauhan and Mishra, 1989). Επίσης το βάθος κατάκλυσης παίζει ρόλο καθώς είναι εύκολη η επαναδιαλυτοποίηση της αέριας αμμωνίας κατά την άνοδό της προς την επιφάνεια (Ritter and Bengstrom, 2001; Ritter and Shirmohammadi, 2001). Πειραματικές εφαρμογές σε ορυζώνες έδειξαν ότι όποιες κι αν είναι οι απώλειες αέριας αμμωνίας, αυτές συμβαίνουν ως επί το πλείστον εντός της πρώτης εβδομάδας μετά την εφαρμογή λίπανσης (Chauhan and Mishra, 1989; Li et al., 2005). Προσρόφηση αζώτου στο έδαφος Η προσρόφηση του αζώτου στο έδαφος αφορά την προσρόφηση του αμμωνιακού αζώτου λόγω του θετικού φορτίου του από την αρνητικά φορτισμένη άργιλο και την οργανική ουσία. Τη μεγαλύτερη προσρόφηση αμμωνιακού αζώτου παρουσιάζουν τα εδάφη που

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο περιέχουν μεγάλα ποσά από οργανική ουσία, βερμικουλίτη, ιλλίτη και μοντμοριλλονίτη (ορυκτά 2:1). Το δεσμευμένο αμμωνιακό άζωτο μπορεί να απελευθερωθεί από κατιόντα που διογκώνουν το πλέγμα (Ca, Mg, Na, H), όχι όμως και από αυτά που προκαλούν συστολή του ενδοστοιβαδικού χώρου, όπως Κ, Rb και Cs (Paul and Clark, 1989; Θεριός, 2005). Το φαινόμενο της προσρόφησης εντείνεται κυρίως κατά την ξήρανση του εδάφους. Το προσροφημένο αμμωνιακό άζωτο της αργίλου είναι δύσκολα διαθέσιμο τόσο στους μικροοργανισμούς όσο και στα φυτά (Paul and Clark, 1989) και απελευθερώνεται πολύ δύσκολα σε μη όξινα εδάφη (Αddiscott, 2005). Τεχνική μείωσης της προσρόφησης του αμμωνιακού αζώτου αποτελεί η χορήγηση αμμωνιακού αζώτου μετά την χορήγηση καλίου, το οποίο ήδη θα καταλάβει τις θέσεις του ενδοστοιβαδικού χώρου των τεμαχιδίων της αργίλου με αποτέλεσμα την αύξηση της παραγωγής λόγω της μεγαλύτερης διαθεσιμότητας του αμμωνιακού αζώτου (Θεριός, 2005). Στην περίπτωση των υπό κατάκλυση εδαφών η άργιλος διογκώνεται με αποτέλεσμα την απελευθέρωση κατιόντων των οποίων τη θέση μπορεί να καταλάβει το αμμωνιακό άζωτο και αντίστροφα. Στην περίπτωση μειωμένων συγκεντρώσεων καλίου, η προσρόφηση του αμμωνιακού αζώτου είναι έντονη με το φαινόμενο να εντείνεται ακόμη περισσότερο κάτω από συνθήκες κύκλων-ύγρανσης ξήρανσης (Θεριός, 2005). Απονιτροποίηση του νιτρικού αζώτου Η διαδικασία της απονιτροποίησης αποτελεί κυρίως βιοχημική αντίδραση του νιτρικού αζώτου κάτω από αναερόβιες συνθήκες και τη μετατροπή του σε αέριες μορφές όπως τα Ν 2 και Ν x O με τη βοήθεια βακτηρίων (Paul and Clark, 1989; Vymazal, 2007, Mastrocicco et al., 2011). Επίσης η διαδικασία της απονιτροποίησης μπορεί να συμβεί χωρίς τη συμμετοχή μικροοργανισμών (χημική απονιτροποίηση) και κάτω από αερόβιες συνθήκες αλλά σε πολύ μικρότερη ένταση (Paul and Clark, 1989). Στην περίπτωση των υπό κατάκλυση εδαφών με καλλιέργεια ρυζιού, η απονιτροποίηση αποτελεί μια από τις κυριότερες αιτίες απωλειών αζώτου, οι οποίες κυμαίνονται κατά μέσο όρο μεταξύ 10-30% των συνολικών απωλειών (Ghosh and Bhat, 1998), ενώ μπορεί να φτάσει μέχρι και 68% ανάλογα με την περιεκτικότητα του εφαρμοζόμενου λίπασματος σε νιτρικό άζωτο (De Datta, 1981). Λόγω των αναγωγικών συνθηκών που επικρατούν στους ορυζώνες επικρατεί η βιοχημική απονιτροποίηση, η οποία είναι πάρα πολύ έντονη μετά από την εφαρμογή των λιπάνσεων και όσο υπάρχει διαθέσιμο νιτρικό άζωτο προς απονιτροποίηση (Liesack et al. 2000). Η διαδικασία είναι ισχυρά αλληλένδετη με τη διαδικασία της νιτροποίησης, η οποία όμως διατηρείται κυρίως στην επιφανειακή ζώνη οξείδωσης των ιζημάτων και στην περιοχή των ριζών. Στις περιοχές αυτές τα απονιτροποιητικά βακτήρια παρουσιάζουν υψηλή συγκέντρωση με αποτέλεσμα το νιτρικό άζωτο που δεν προλαβαίνει να προσλάβει το φυτό ή εκπλύνεται ή απονιτροποιείται άμεσα (Liesack et al. 2000). Για τον λόγο αυτό σε μετρήσεις που έχουν διεξαχθεί σε υπό κατάκλυση ορυζώνες, οι συγκεντρώσεις του νιτρικού αζώτου στο έδαφος σχεδόν μηδενίζονται περίπου είκοσι μέρες μετά από την εφαρμογή της λίπανσης (Tangi et al., 2003). Πρόσληψη αζώτου Η μορφή αζώτου που προτιμάται από τους φυτικούς οργανισμούς για τη σύνθεση πρωτεϊνών είναι το αμμωνιακό παρά το νιτρικό άζωτο. Το αμμωνιακό άζωτο μπορεί χρησιμοποιηθεί κατευθείαν για τη σύνθεση αμινοξέων ενώ το νιτρικό πρέπει πρώτα να αναχθεί πριν τη χρήση του χρησιμοποιώντας ενέργεια προερχόμενη από τη φωτοσύνθεση (Θεριός, 2005). Στην περίπτωση του ρυζιού, στα πρώτα στάδια ανάπτυξης υπάρχει μια σχετική προτίμηση προς το αμμωνιακό άζωτο, η οποία σιγά-σιγά εξισορροπείται με την προτίμηση προς το νιτρικό άζωτο λίγο πριν την έναρξη του σταδίου αναπαραγωγής (Wells et al., 1993). Εκτός από την περίπτωση πρόσληψης του εδαφικού αζώτου από τα φυτά έχει παρατηρηθεί και

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο πρόσληψη αζώτου από πράσινα φύκη (Green Algae), τα οποία αναπαράγονται σε μεγάλες ποσότητες δεσμεύοντας το διαλυμένο άζωτο και το φώσφορο του νερού κατάκλυσης και του επιφανειακού ιζήματος. Βιολογικές διεργασίες και υδατικό δυναμικό του εδάφους Τόσο ο κύκλος του αζώτου όσο και ο κύκλος του φωσφόρου εξαρτώνται κατά κύριο λόγο από επιμέρους βιολογικές διεργασίες, οι οποίες απαιτούν την ύπαρξη μικροοργανισμών και κατάλληλες συνθήκες για την επιβίωσή τους. Το υδατικό δυναμικό του εδάφους, το οποίο συνδέεται άμεσα με τη διάμετρο των πόρων που είναι γεμάτοι με νερό, επιδρά όχι μόνο στη διάχυση-διασπορά αερίων και ουσιών που είναι απαραίτητα για την επιβίωσή τους αλλά και στη μετακίνηση-εξάπλωση των μικροοργανισμών καθώς τα περισσότερα από αυτά δεν διαθέτουν όργανα (hyphal system) για τη μετακίνηση από ένα σημείο σε άλλο όπου παρεμβάλλεται κενό αέρα. Η κίνηση των μικροοργανισμών αυτών δυσχεραίνεται έντονα όταν οι γεμάτοι με νερό πόροι είναι μικρότεροι από το μέγεθός τους καθιστώντας αδύνατη τη μετακίνηση-εξάπλωσή τους. Στα πλαίσια συνεδρίου που διεξήχθηκε στο Ιλινόις και στο Σικάγο των ΗΠΑ από την Αμερικάνικη Εδαφολογική Εταιρεία (Soil Science Society of America), παρουσιάστηκαν οι πρώτες εργασίες οι οποίες αποτέλεσαν τη βάση για τη μελέτη της μικροβιακής δραστηριότητας ως συνάρτηση του υδατικού δυναμικού του εδάφους (Parr et al., 1981). Τα αποτελέσματα των ερευνών έδειξαν ότι αερόβιες διαδικασίες όπως η ανοργανοποίηση ή η νιτροποίηση παρουσιάζουν τους μέγιστους ρυθμούς τους σε συνθήκες κοντά στην υδατοϊκανότητα για δύο λόγους α) η υγρασία συγκρατείται από το έδαφος σε υδατικά δυναμικά τα οποία αντιστοιχούν σε διαμέτρους πόρων μεγαλύτερες από 3 μm, οι οποίες επιτρέπουν την εύκολη κίνηση των μικροοργανισμών και β) το μακροπορώδες δεν έχει νερό και επιτρέπει τον αερισμό του εδάφους. Στην περίπτωση αναερόβιων διαδικασιών όπως η απονιτροποίηση οι μέγιστοι ρυθμοί επιτυγχάνονται στον κορεσμό όπου η μετακίνησηεξάπλωση και οι ανοξικές συνθήκες είναι βέλτιστες (Parr et al., 1981) Μετασχηματισμοί του φωσφόρου στο έδαφος Ο κύκλος του φωσφόρου είναι πιο απλός από του αζώτου και πέρα από τις εισροές και απώλειες με διήθηση και επιφανειακή απορροή περιλαμβάνει ενδιάμεσα στάδια μετασχηματισμών, πρόσληψης από φυτικούς οργανισμούς και προσρόφησης, τα οποία έχουν ως εξής: Προσρόφηση-εκρόφηση και κατακρήμνιση-διαλυτοποίηση φωσφόρου στο έδαφος Ο ανόργανος φώσφορος απαντάται σε μεγάλες συγκεντρώσεις κυρίως στις ενώσεις μητρικών πετρωμάτων όπως απατίτης, υδροξυαπατίτης, φωσφορικό αργίλιο, φθοριοαπατίτης, οξυαπατίτης, βρουσίτης, βαρισκίτης κλπ. αλλά και ως οργανικός στα νουκλεικά οξέα, τα φωσφολιπίδια και την ινοσιτόλη της οργανικής ουσίας (Pierzynski, 2000; Θεριός, 2005; Κεραμίδας και Σικάνης, 2007). Ο βαθμός διάβρωσης των εδαφών καθορίζει τη συγκέντρωση των μορφών φωσφόρου, ενώ οι ιονικές μορφές του στο εδαφικό διάλυμα είναι τέσσερεις (H 3 PO 4, H 2 PO 4 -, HPO 4-2, PO 4-3) και η συγκέντρωσή τους εξαρτάται από το ph (Pierzynski, 2000). Εκτός των ιονικών μορφών ο φώσφορος στο εδαφικό διάλυμα μπορεί να βρίσκεται και με τη μορφή ευδιάλυτων συμπλόκων με το Al +3, Ca +2 και Mg -2. Οι ανόργανες ενώσεις του εδαφικού φωσφόρου έχουν πολύ μικρή διαλυτότητα με αποτέλεσμα η συγκέντρωσή του στο εδαφικό διάλυμα να είναι σχετικά μικρή της τάξης των mg L -1 (Κεραμίδας και Σινάνης, 2007). Ο φώσφορος της στερεάς φάσης χωρίζεται σε δύο κλάσεις, τον φώσφορο που μπορεί να μετακινηθεί σχετικά γρήγορα στο εδαφικό διάλυμα και ονομάζεται εύκολα κινητοποιήσιμος φώσφορος labile phosphorus και τον υπόλοιπο φώσφορο ο οποίος κινητοποιείται με πολύ αργούς ρυθμούς και ονομάζεται δύσκολα κινητοποιήσιμος φώσφορος non labile

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο phosphorus. Η συγκέντρωση του προσροφημένου ανόργανου φωσφόρου στη στερεά φάση και του ανόργανου φωσφόρου στο εδαφικό διάλυμα καθορίζεται από τις διαδικασίες της προσρόφησης-εκρόφησης. Οι παράγοντες που επιδρούν στην αύξηση της προσρόφησης του φωσφόρου στο έδαφος είναι η αύξηση της περιεκτικότητας του εδάφους σε άργιλο, σίδηρο, αργίλιο, ανθρακικό ασβέστιο και οργανική ουσία. Στην άργιλο προσροφάται κυρίως στα 1:1 ορυκτά της αργίλου (π.χ. καολινίτης) ενώ η προσρόφηση στα κολλοειδή της οργανικής ουσίας οδηγεί στο σχηματισμό οργανικών συμπλόκων μη αφομοιώσιμων για τα φυτά. Ο σχηματισμός ενώσεων του φωσφόρου με το σίδηρο, το αργίλιο, το ασβέστιο και το μαγνήσιο καλείται και κατακρήμνιση. Ο παράγοντας του ph του εδάφους παίζει ρόλο ως προς το ποιος από τους παραπάνω παράγοντες κυριαρχεί στη κατακρήμνιση, όπου σε όξινες συνθήκες ευνοείται ο σχηματισμός ενώσεων του σιδήρου και του αργιλίου ενώ σε αλκαλικές συνθήκες ο σχηματισμός ενώσεων του ασβεστίου και του μαγνησίου με τη μέγιστη διαθεσιμότητα φωσφόρου να παρουσιάζεται για τιμές ph μεταξύ (Campbell and Dwayne, 2001; Κεραμίδας και Σινάνης, 2007). Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι σε αναγωγικές συνθήκες δεν είναι μόνο η εκρόφηση μεγαλύτερη αλλά και η προσρόφηση του φωσφόρου, με τις δύο διαδικασίες να κυριαρχούν η μία ως προς την άλλη ανάλογα με τη αρχική συγκέντρωση του φωσφόρου στο εδαφικό διάλυμα. Μικρές αρχικές συγκεντρώσεις ευνοούν την εκρόφηση, ενώ μεγάλες ευνοούν την προσρόφηση. Σημαντική επίσης επίδραση στις παραπάνω διαδικασίες ασκεί και η πρόσληψη νερού και φωσφόρου από τα φυτά (Campbell and Dwayne, 2001). Ξήρανση του εδάφους οδηγεί σε οξείδωση και μείωση του ph και διευκολύνει τη μετατροπή του του Fe 2+ ή του ενυδατωμένου (Fe 3 O 4 ) σε άμορφα υδροξείδια Fe. Το φωσφορικό λίπασμα που προστίθεται στο έδαφος ταχέως μετατρέπεται σε μη διαθέσιμη μορφή, όσο μειώνεται η εδαφική υγρασία και όσο μεγαλύτερος είναι ο χρόνος επαφής με το έδαφος. Ο διαλυτός φώσφορος δεσμεύεται ταχύτατα στη στερεά φάση του εδάφους, ιδιαίτερα στα άμορφα οξυ-υδροξείδια Fe. Η δέσμευση φωσφόρου είναι πιο έντονη και λιγότερο αντιστρεπτή, κάτω από εναλλασσόμενες συνθήκες κορεσμού-ξήρανσης. Στην περίπτωση των υπό κατάκλυση εδαφών, ο κορεσμός του εδάφους αυξάνει τη διαθεσιμότητα του εδαφικού φωσφόρου. Επίσης παρατηρείται υδρόλυση των ενώσεων του φωσφόρου με το σίδηρο ή το αργίλιο ή το αργίλιο με αύξηση του ph και διαλυτοποίηση του φωσφορικού Ca, λόγω της μεγαλύτερης πίεσης CO 2 στο εδαφικό διάλυμα (Θεριός, 2005). Ανοργανοποίηση-ακινητοποίηση του φωσφόρου Η διαφορά του φωσφόρου έναντι του αζώτου είναι ότι η ένταση των δύο επιμέρους διαδικασιών εξαρτάται από την αναλογία C/P, καθώς για τιμές C/P>300 η ποσότητα του φωσφόρου που ακινητοποιείται είναι περισσότερη από την ποσότητα του φωσφόρου που απελευθερώνεται από την πραγματική ανοργανοποίηση με αποτέλεσμα η καθαρή ανοργανοποίηση να είναι αρνητική. Για τιμές 200<C/P<300 οι διαδικασίες βρίσκονται σχεδόν σε ισορροπία, ενώ για C/P<200 υπερισχύει η ανοργανοποίηση με απελευθέρωση ανόργανου αζώτου που είναι διαθέσιμο για τα φυτά (Campbell and Dwayne, 2001). Οι βέλτιστες αναλογίες μεταξύ άνθρακα, αζώτου και φωσφόρου για τη βέλτιστη διαθεσιμότητα των δύο θρεπτικών προς τα φυτά βρέθηκε C/N/P = 100/10/1 (Θεριός, 2005). Σημαντικό ρόλο στην αύξηση της ανοργανοποίησης του φωσφόρου παίζουν και ένζυμα όπως οι φωσφατάσες οι οποίες παράγονται από τα φυτά, τους μύκητες, τις μυκόρριζες και τους γαιοσκώληκες. Φωσφατάσες έχουν εντοπιστεί και στα εδάφη των ορυζώνων της πεδιάδος Θεσσαλονίκης (Αλαμάνου κ.α., 2007; Αλαμάνου, 2008). Πρόσληψη φωσφόρου Ο φώσφορος στο εδαφικό διάλυμα των καλλιεργήσιμων εδαφών απαντάται κυρίως ως H 2 PO 4 - ή HPO 4-2 λόγω του ph (συνήθεις τιμές μεταξύ 5-9) και μπορεί να απορροφηθεί από τα φυτά είτε παθητικά με διάχυση είτε με ενεργητική απορρόφηση. Οι ιδανικές συγκεντρώσεις

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο φωσφόρου στο εδαφικό διάλυμα για την ανάπτυξη του ρυζιού πρέπει να είναι μεταξύ mg P L -1 με τη συγκέντρωση 0.1 mg P L -1 να είναι το ελάχιστο όριο για την επίτευξη του 90% της αναμενόμενης παραγωγής (Fageria et al., 2003). 2.4 Μαθηματική διερεύνηση των ιδιαιτεροτήτων του συστήματος έδαφος-φυτόατμοσφαιρικό περιβάλλον των αρδευόμενων ορυζώνων Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω γίνεται αντιληπτό ότι η καλλιέργεια του ρυζιού αναπτύσσεται σε ένα ιδιαίτερα πολύπλοκο περιβάλλον. Το σύστημα των υπό κατάκλυση ορυζώνων παρουσιάζει σημαντικές ιδιαιτερότητες και διαφοροποιήσεις έναντι άλλων καλλιεργειών, οι οποίες έχουν ως εξής: Το ίδιο το φυτό έχει υποστεί σημαντικές γενετικές βελτιώσεις, οι οποίες σε συνδυασμό με τις κλιματικές συνθήκες της κάθε περιοχής καθιστούν αναγκαίο τον επαναπροσδιορισμό των βασικών χαρακτηριστικών της καλλιέργειας, τα οποία συνδέονται άμεσα με την εξατμισοδιαπνοή. Ιδιαίτερης σημασίας για τη βέλτιστη περιγραφή του υδατικού ισοζυγίου αποτελεί ο διαχωρισμός της εξατμισοδιαπνοής σε διαπνοή και εξάτμιση καθώς η πρώτη συμβαίνει στο έδαφος ενώ η δεύτερη στο νερό κατάλυσης. Το έδαφος είναι μόνιμα κατακλυσμένο οδηγώντας σε σημαντικές μεταβολές των φυσικών ιδιοτήτων, οι οποίες με τη σειρά τους επιδρούν στις βιοχημικές διεργασίες του εδάφους. Το ισοζύγιο νερού χαρακτηρίζεται από μεγάλες ποσότητες εισρεόμενου νερού για τη διατήρηση της κατάκλυσης, η οποία οδηγεί και σε μεγάλες ποσότητες εκροής με τη στράγγιση αλλά και με την επιφανειακή απορροή. Το γεγονός αυτό έχει ως αποτέλεσμα και τη διαφοροποίηση του κύκλου των θρεπτικών με ιδιαίτερη έμφαση στο άζωτο και τον φώσφορο λόγω των κορεσμένων-ανοξικών-αναγωγικών συνθηκών με αποτέλεσμα οι επιμέρους διαδικασίες τους να μην ακολουθούν τη συνήθη πορεία ενός τυπικού καλλιεργούμενου εδάφους με οποιοδήποτε άλλη καλλιέργεια. Οι συνθήκες του συστήματος είναι παρόμοιες με τις συνθήκες ενός έντονα παραγωγικού φυσικού υγροτόπου. Οι παραπάνω ιδιαιτερότητες είναι και αυτές που μελετώνται στην παρούσα διατριβή, στοχεύοντας στη μαθηματική τους διερεύνηση και εν τέλει στην ανάπτυξη μαθηματικών μεθοδολογιών και σχέσεων για την περιγραφή τους. Η μαθηματική διερεύνηση των παραπάνω θεμάτων βασίστηκε σε πειραματικά δεδομένα από ορυζώνες και λυσίμετρα, στα οποία έγινε εφαρμογή των παρακάτω εργαλείων: Χρήση μεθόδων στατιστικής ανάλυσης (π.χ. ανάλυση διακύμανσης ANOVA) σε πειραματικά δεδομένα για τον εντοπισμό τυχόν διαφοροποιήσεων των μελετούμενων παραμέτρων, λόγω μεταβολής των διαφόρων παραγόντων επίδρασης με τη βοήθεια λογισμικών όπως το StatGraphics Centurion XV (StatPoint Technologies Inc., 2005) και το SPSS 17.0 (SPSS Inc., 2008). Συνδυασμένη χρήση λογισμικών για την εύρεση και μορφοποίηση της βέλτιστης μορφής εξισώσεων για την περιγραφή επιμέρους συνιστωσών του συστήματος. Τα λογισμικά που χρησιμοποιήθηκαν γι αυτόν τον σκοπό ήταν το StatGaphics (StatPoint Technologies Inc., 2005) και το CurveExpert (Hyams, 2010), στα οποία έγινε εφαρμογή της μεθόδου της παλινδρόμησης στις προτεινόμενες εξισώσεις με βάση πειραματικές μετρήσεις. Χρήση λογισμικών πακέτων περιγραφής κίνησης του νερού στο έδαφος και χημικών ουσιών όπως το GLEAMS V3.0 (Knisel and Davis, 2000), και επιμέρους φυσικών ιδιοτήτων του εδάφους όπως η χαρακτηριστική καμπύλη με το λογισμικό RETC (van Genuchten et al., 1991). Ο έλεγχος αξιοπιστίας των διαφόρων μοντέλων έγινε με τη βοήθεια στατιστικών κριτηρίων, τα οποία βασίζονται στη σύγκριση των υπολογισμένων τιμών του κάθε μοντέλου με τις αντίστοιχες μετρημένες τιμές των διαφόρων μελετούμενων παραμέτρων

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Τα στατιστικά κριτήρια που χρησιμοποιήθηκαν στην εργασία αυτή για τη διερεύνηση της ικανότητας των μοντέλων να περιγράψουν το φυσικό πρόβλημα είναι (Antonopoulos and Wyseure, 1998): - το τετράγωνο του συντελεστή συσχέτισης r 2 (εύρος τιμών από 0 έως 1) ή συντελεστής προσδιορισμού (square correlation coefficient): C C O O i m i m 2 i1 r (2.1) N N 2 2 C i Cm Oi Om i1 i1 N - το σφάλμα του τετραγώνου των αποκλίσεων RMSE (εύρος τιμών από 0 έως + ) (root mean square error): N 1 2 RMSE C i O i (2.2) N i1 - το μέσο σφάλμα ME ή MBE (εύρος τιμών από - έως + ) (mean error or mean bias error): 1 N i i ME MBE C O (2.3) N i 1 όπου C: οι υπολογισμένες τιμές, Ο: οι μετρημένες τιμές, Ν: ο αριθμός των ζευγών τιμών, i: ο δείκτης i-οστού ζεύγους τιμών, m: ο δείκτης μέσου όρου των τιμών. Τα στατιστικά κριτήρια εφαρμόστηκαν κατ επιλογή στα διάφορα μοντέλα που αναπτύχθηκαν ανάλογα με τη χρήση τους σε αντίστοιχες περιπτώσεις της διεθνούς βιβλιογραφίας. Να σημειωθεί ότι το στατιστικό κριτήριο του R 2 εφαρμόστηκε σε όλες τις περιπτώσεις αν και έχουν εκφραστεί επιφυλάξεις για την ευρεία χρήση του ιδίως στην περίπτωση μη γραμμικών μοντέλων υπολογισμού διαφόρων παραμέτρων, των οποίων η ρύθμιση γίνεται με δεδομένα που δεν τηρούν την κανονική κατανομή (Cameron and Windmeijer, 1997). Το στατιστικό κριτήριο RMSE είναι το πιο αξιόπιστο και το πιο ευαίσθητο για την λεπτομερή σύγκριση μοντέλων καθώς δεν λαμβάνει υπόψη το πρόσημο του σφάλματος σε αντίθεση με το κριτήριο MBE στο οποίο τα σφάλματα προσθαφαιρούνται μεταξύ τους ανάλογα με το πρόσημο τους. Το ΜΒΕ ενδείκνυται στην περίπτωση μοντέλων, τα οποία αναφέρονται περισσότερο στην ακρίβεια του ισοζυγίου μάζας. Βιβλιογραφία Ελληνική Αλαμάνου, M., Η διακύμανση της μικροβιακής δραστηριότητας σε ορυζώνες κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου. Μεταπτυχιακή Διατριβή. Γεωπονική Σχολή Α.Π.Θ., σελ Αλαμάνου, Μ., Παυλάτου-Βε, Α., Ασχονίτης, Β., Λίτσκας, Β., Αντωνόπουλος, Β., Η διακύμανση της μικροβιακής δραστηριότητας σε έναν ορυζώνα κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου. Πρακτικά 5 ου Εθνικού Συνεδρίου Γεωργικής Μηχανικής και Υδατικών Πόρων, Λάρισα Δεκεμβρίου, Αντωνόπουλος, Β.Ζ., Υδραυλική περιβάλλοντος και ποιότητα επιφανειακών υδάτων. Εκδόσεις Τζιόλα, σελ Κεραμίδας, Β., Γονιμότητα εδαφών. Υπηρεσία Δημοσιευμάτων Α.Π.Θ., Θεσσαλονίκη, σελ Κεραμίδας, Β., Σινάνης, Κ., Εδαφολογία. Υπηρεσία Δημοσιευμάτων Α.Π.Θ., Θεσσαλονίκη, σελ Ελευθεροχωρινός, Η.Γ., Ζιζανιολογία. Αγρότυπος Α.Ε., Αθήνα Θεριός, Ι.Ν., Ανόργανη θρέψη και λιπάσματα. Εκδόσεις Γαρταγάνης, σελ

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Παπακώστα Δ., Σημειώσεις Ειδικής Γεωργίας Ι Σιτηρά, Ψυχανθή, Χορτοδοτικά φυτά. Υπηρεσία Δημοσιευμάτων Α.Π.Θ., σελ Ξενόγλωσση Addiscott, T.M., Nitrate, agriculture and the environment. CABI Publishing, Wallingford, UK, pp.279. Antonopoulos V.Z. and G.C.L. Wyseure, Modeling of water and nitrogen dynamics on an undisturbed soil and a restored soil after open-cast mining. Agricultural Water Management 37, Antonopoulos, V.Z., 2010.Modelling of water and nitrogen balances in the ponded water and soil profile of rice fields in Northern Greece. Agricultural Water Management 98, Cameron, A.C., Windmeijer, F.A.G., An R-squared measure of goodness of fit for some common nonlinear regression models. Journal of Econometrics 77, Campbell, K.L., Dwayne, R.E., Phosphorus and water quality impacts. In: Agricultural non point source pollution. Lewis Publishers, 342 pp., Eds: Ritter, W.F., Shirmohammadi, A., p Chatainger, J., The rice situation in the South and East Mediterranean Cahiers Options Méditerranéennes 15, pp Chauchan, H.S., Mishra, B., Ammonia volatilization from a flooded rice field fertilized by amended urea materials. Fertilizer Research 19, Cho, J.Y., Choi, J.K., Nitrogen and phosphorus losses from a broad paddy field in central Korea. Communications in Soil Science and Plant Analysis 32, De Datta, S.K., Principles and practices of rice production. Wiley, pp Evans, J.R., von Caemmerer, S., Would C4 rice produce more biomass than C3 rice?. In: Redesigning Rice Photosynthesis to Increase Yield, Ed: J.E. Sheehy, P.L. Mitchell, B. Hardy, International Rice Research Institute, Los Baños, Philippines, p FAI, Fertilizer statistics. Fertilizer association of India, pp.75. Fageria, N.K., Slaton, N.A., Balingar, V.C., Nutrient management for improving lowland rice productivity and sustainability. Advances in Agronomy 80, Ghosh, B.C., Bhat, R., Environmental hazards of nitrogen loading in wetland rice fields. Environmental Pollution 102(S1), Howard-Williams, C., Downes, M.T., Nitrogen cycling in wetlands. In: Nitrate: processes, patterns and management, Eds: Burt, T.P., Heathwaite, A.L., Studgill, S.T.. Joh Wiley and Sons Ltd, p Hyams, G.D., CurveExpert Basic Release 1.4. pp.77 International Rice Research Institute, 1989a. Toward 2000 and beyond. IRRI website. International Rice Research Institute, 1989b. Planning for 1990 s. IRRI website. Knisel, W.G., Davis, F.M., GLEAMS, Groundwater Loading Effects from Agricultural Management Systems V3.0, Publ. No. SEWRL-WGK/FMD , U.S.D.A., Tifton, Georgia. Koutroubas, S.D., Mazzini, F., Pons, B., Ntanos, D.A., Grain quality variation and relationships with morpho-physiological traits in rice Oryza sativa L. genetic resources in Europe. Field Crops Research 86, Koutroubas, S.D., Ntanos, D.A., Genotypic differences for grain yield and nitrogen utilization in Indica and Japonica rice under Mediterranean conditions. Field Crops Research 83, Li, H., Liang, X. Chen, Y., Tian, G., Zhang, Z., Ammonia volatilization from urea in rice fields with zero-drainage water management. Agricultural Water Μanagement 95, Liesack, W., Schnell, S., Revsbech, N.P., Microbiology of flooded rice paddies. FEMS Microbiology Reviews 24, Mastrocicco, M., Colombani, N., Salemi, E., Castaldelli, G., Reactive modelling of denitrification in soils with natural and depleted organic matter. Water Air & Soil Pollution 222, Mikkelsen, D.S., De Datta, S.K., Obcemea, W.N., Ammonia Volatilization Losses from Flooded Rice Soils. Soil Science Society of America Journal 42(5),

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο MED-Rice, Guidance Document for Environmental Risk Assessments of Active Substances used on Rice in the EU for Annex I Inclusion. EU Doc. Ref. SANCO/1090/2000-Rev.1, Brussels, June 2003, 108 pp. Papadopoulos, F., Parissopoulos, G., Papadopoulos, A., Ζdragas, Α., Ntanos, D., Prochaska, C., Metaxa, I., Assessment of Reclaimed Municipal Wastewater Application on Rice Cultivation. Environmental Management 43(1), Parr, J.F., Gardner, W.R., Elliott, L.F., Water potential relations in soil microbiology. Soil Science Society of America special publication no. 9. Soil Science Society of America, Madison, Wis., 149 pp. Paul, E.A., Clark, F.E., Soil microbiology and biochemistry. Academic Press, San Diego, California, pp.273. Pierzynski, G.M., Sims, J.T., Vance, G.F., Soils and environmental quality. CRC Press, 2 nd Edition, pp.459. Revsbech, N.P., Pedersen, O., Reichardt, W. and Brions, A., 1999/ Microsensor analysis of oxygen and ph in the rice rhizosphere under field and laboratory conditions. Biology & Fertility of Soils 29, Ritter, W.F., Shirmohammadi, A., Agricultural non point source pollution. Lewis Publishers, 342 pp. Ritter, W.F., Bengstrom, L., Nitrogen and water quality. In: Agricultural non point source pollution. Lewis Publishers, 342 pp., Eds: Ritter, W.F., Shirmohammadi, A., p Sheehy, J.E., Limits to yield for C3 and C4 rice: an agronomist s view. In: Redesigning Rice Photosynthesis to Increase Yield, Ed: J.E. Sheehy, P.L. Mitchell, B. Hardy, International Rice Research Institute, Los Baños, Philippines, p Singh, U., Ladha, J.K., Castilloa, E.G., Punzalanb, G., Tirol-Padre, A., Duqueza, A., Genotypic variation in Nitrogen use efficiency in medium and long duration rice. Field Crops Research 58, SPSS Inc., SPSS Statistics Base 17.0 User s Guide. SPSS Inc., pp StatPoint Technologies Inc., The user s guide to Statgraphics Centurion XV. StatPoint Technologies Inc., pp Tanji, K.K., Gao, S., Scardaci, S.C., Chow, A.T., Characterizing redox status of paddy soils with incorporated rice straw. Geoderma 114, van Genuchten, M.Th., Leij, F.J., Yates, S.R.M., The RETC code for quantifying the hydraulic functions of unsaturated soils. USDA, Agr. Res. Service, Riverside, California. pp 85. Vymazal, J., Removal of nutrients in various types of constructed wetlands. Science of the Total Environment 380, Yoshida, S., Fundamentals of rice crop science. International Rice Research Institute (IRRI), Philippines, 269 pp

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Κεφάλαιο 3 ο ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΒΟΛΩΝ ΤΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ-ΥΔΡΑΥΛΙΚΏΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΤΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ ΥΠΟ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΚΑΤΑΚΛΥΣΗΣ ΚΑΙ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑΣ ΡΥΖΙΟΥ 3.1 Εισαγωγή Η μέθοδος της κατάκλυσης αποτελεί την κύρια πρακτική άρδευσης των ορυζώνων παγκοσμίως. Αυτή η μέθοδος άρδευσης εφαρμόζεται και στους ελληνικούς ορυζώνες, των οποίων η σποροκλίνη προετοιμάζεται με χειμερινό όργωμα στα cm, ισοπέδωση, φρεζάρισμα με ταυτόχρονη βασική λίπανση και κατάκλυση πριν την σπορά. Η κατάκλυση συντελεί στη δημιουργία των απαραίτητων υγροτοπικών και εδαφικών συνθηκών που ευνοούν την ανάπτυξη του ρυζιού (μεγαλύτερη επιτυχία σποράς-μεταφύτευσης λόγω του χαλαρού εδαφικού υποστρώματος), τη δημιουργία στρώσης μειωμένης περατότητας κάτω από το ριζόστρωμα (μείωση της υδραυλικής αγωγιμότητας), η οποία περιορίζει τις απώλειες του νερού με τη στράγγιση και την έκπλυση των θρεπτικών στοιχείων, ενώ παράλληλα λόγω των αναερόβιων συνθηκών και της ύπαρξης συνθηκών κατάκλυσης περιορίζεται η ανάπτυξη των ζιζανίων (De Datta, 1982; Sharma and De Datta, 1985). Η πρακτική της κατάκλυσης παρόλο που ευνοεί την καλλιέργεια του ρυζιού, έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία προβλημάτων διαχείρισης του εδάφους κατά την εναλλαγή καλλιεργειών στα αγροτικά οικοσυστήματα που έχουν ως βάση την καλλιέργεια του ρυζιού (So et al., 2000; Kirchhof and So, 2005). Οι συνθήκες κατάκλυσης οδηγούν σε υποβάθμιση της δομής του εδάφους, η οποία αντικατοπτρίζεται στην κατανομή μεγέθους των πόρων μετά την απομάκρυνση του νερού στο τέλος της καλλιεργητικής περιόδου. Μετά το πέρας της καλλιεργητικής περιόδου του ρυζιού τα εδάφη επιδεικνύουν έλλειψη πόρων στράγγισης, συμπαγή δομή και μειωμένη ικανότητα αερισμού, γεγονός το οποίο επηρεάζει τις φυσικές ιδιότητες και τις βιοχημικές διεργασίες που συμβαίνουν στο έδαφος (Cass et al., 1994; Ringrose Voase et al. 2000; Kirchhof and So, 2005). Οι διεργασίες που συμβαίνουν σταδιακά σε ένα έδαφος, στο οποίο καλλιεργείται ρύζι υπό κατάκλυση, δίνονται στο Σχήμα 3.1 κι έχουν ως εξής: Στην φάση 1 δίνεται η αρχική κατάσταση ριζοστρώματος και της υποκείμενης ζώνης πριν την έναρξη της κατάκλυσης. Στην φάση 2 δίνεται η έναρξη της κατάκλυσης και η επίτευξη της ζώνης κατάκλυσης περίπου μετά από 1-2 ημέρες, της οποίας το πάχος κυμαίνεται μέσα στην καλλιεργητική περίοδο κατά μέσο όρο στα 10 cm τόσο στους ελληνικούς όσο και στους ευρωπαϊκούς ορυζώνες (MED-RICE, 2003). Στη φάση 3, όπως φαίνεται και από το Σχήμα 3.1, η δομή της επιφανειακής ζώνης του ριζοστρώματος (περίπου cm) αλλάζει ριζικά και από μία κατάσταση δομημένου πορώδους μεταπίπτει πλήρως σε κατάσταση λάσπης μέσα σε λίγο χρόνο (2-3 ημέρες) μετά

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο από την επίτευξη του κορεσμού του εδάφους και της λίμνασης του νερού. Το φαινόμενο οφείλεται στη διόγκωση και στη διασπορά της αργίλου με αποτέλεσμα την κατάρρευση των συσσωματωμάτων και τη δημιουργία συνθηκών υπερκορεσμού και αιώρησης εδάφους στο άνω όριο. Η ένταση του φαινόμενου εξαρτάται από τον τύπο και τη δομή του εδάφους καθώς και από το ύψος νερού και τη διάρκεια της κατάκλυσης (Kirchhof and So, 2005). Στο άνω όριο της λάσπης τα εδαφικά τεμαχίδια που είναι σε κατάσταση αιώρησης καταλαμβάνουν το 20-30% του όγκου του αιωρήματος με την φαινόμενη πυκνότητα της λάσπης να αυξάνεται με το βάθος (Wopereis et al., 1994). Το αρχικό πάχος της ζώνης του ριζοστρώματος (φάση 1,2) που μεταπίπτει σε κατάσταση λάσπης και το τελικό πάχος της λάσπης (διακεκομμένη γραμμή - φάση 3) είναι ασαφές. Η ασάφεια έγκειται στη δυσκολία προσδιορισμού της διαφοράς μεταξύ της απώλειας όγκου των πόρων που καταστρέφονται λόγω κατάρρευσης των συσσωματωμάτων και της αύξησης του όγκου που οφείλεται στη διόγκωση της αργίλου και την έκταση της αιώρησης στο άνω όριο. Επίσης, η σταδιακή αύξηση του βάθους των ριζών κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου σε συνδυασμό με την κατάκλυση παίζει ρόλο στη σταδιακή αύξηση του βάθους και της έντασης του φαινομένου της μετάβασης της εδαφικής δομής σε κατάσταση λάσπης λόγω της μετακίνησης νερού κατά μήκος των ριζών μέσω επιλεκτικής ροής (Sander et al., 2008). Σημαντική επίσης είναι και η επίδραση των γεωσκωλήκων στο φαινόμενο της επιλεκτικής ροής στα εδάφη των ορυζώνων (Sander et al., 2009), στα οποία οι συνθήκες της υψηλής εδαφικής υγρασίας και του χαλαρού υποστρώματος ευνοούν την αύξηση του πληθυσμού τους (Berry et al., 2001). Σχήμα 3.1 Μεταβολές του εδαφικού προφίλ κατά την καλλιεργητική περίοδο του ρυζιού. Στη φάση 4 (όλη η περίοδος κατάκλυσης περίπου 120 ημέρες), η υποκείμενη ζώνη του ριζοστρώματος (Σχήμα 3.1) αρχίζει να συμπυκνώνεται λόγω της συνεχούς κίνησης του νερού, η οποία χαλαρώνει και αποδιοργανώνει τη δομή του εδάφους, καθώς και λόγω των δυνάμεων συμπίεσης υπό το βάρος του νερού κατάκλυσης και της υπερκείμενης λάσπης (Wopereis et al., 1994). Το άνω όριο της ζώνης αυτής με πάχος περίπου 5-10 cm

32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο αναφέρεται στη διεθνή βιβλιογραφία και ως «plow sole» (Wopereis et al., 1992; Liu et al., 2001). Η διερεύνηση των φυσικο-υδραυλικών συνθηκών της ζώνης αυτής είναι μέγιστης σημασίας καθώς μετά την ολοκλήρωση της φάσης 3 (συνθήκες λίμνασης και δημιουργία λάσπης), η διήθηση του νερού από την επιφάνεια του εδάφους εξαρτάται από την κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα της ζώνης αυτής (Wopereis et al., 1992). Λόγω ύπαρξης αυτής της ζώνης, υπάρχει η πιθανότητα δημιουργίας ακόρεστων συνθηκών κάτω από αυτήν παρόλο που τα υπερκείμενα στρώματα είναι κορεσμένα (Wopereis et al., 1992), φαινόμενο το οποίο θα μπορούσε να παρομοιαστεί με τη λειτουργία της κλεψύδρας. Στις φάσεις 5,6,7 και 8 μετά την παύση της κατάκλυσης, οι φυσικές ιδιότητες του επιφανειακού εδάφους μεταβάλλονται λόγω της αποχώρησης του εδαφικού νερού και τη σταδιακή ξήρανση, μέχρι οι συνθήκες να επιτρέψουν τον θερισμό (η διάρκεια των φάσεων 5,6,7 είναι περίπου ημέρες). Οι μεταβολές αυτές ξεκινούν με αρχική συρρίκνωση της λασπώδους στρώσης μέχρι ένα σημείο, μετά από το οποίο ξεκινά η δημιουργία ρωγμών, των οποίων το εύρος είναι συνάρτηση της αντοχής στον εφελκυσμό (tensile strength). Η παράμετρος αυτή εξαρτάται από την εδαφική υγρασία, τη συγκέντρωση των κατιόντων στο εδαφικό διάλυμα, το ποσοστό της οργανικής ουσίας, το ποσοστό της αργίλου στο έδαφος, την ορυκτολογική σύστασή της και το ποσοστό διασποράς της (Ringrose-Voase et al., 1996; Rahimi et al., 2000). Η δημιουργία των ρωγμών εμφανίζεται συνήθως μετά τον θερισμό (πιο γρήγορη ξήρανση λόγω έκθεσης του εδάφους στην ηλιακή ακτινοβολία και στον αέρα) και είναι κατά πολύ πιο έντονη στις τροπικές-υποτροπικές χώρες καθώς εκεί, η καλλιέργεια του ρυζιού γίνεται συνήθως την υγρή περίοδο με εναλλαγή σε άλλη ή στην ίδια καλλιέργεια κατά την ξηρή περίοδο. Στις συνθήκες αυτές λόγω της ξηρασίας που ακολουθεί και της ανόδου της θερμοκρασίας, οι ρωγμές μπορούν να φτάσουν σε βάθος από 10 έως 20 cm, με την κατανομή τους να μειώνεται με το βάθος (Ringrose-Voase et al., 1996). Στις χώρες αυτές για την αντιμετώπιση του φαινομένου και τη μείωση των απωλειών νερού κατά τη διάρκεια της κατάκλυσης του ρυζιού, εφαρμόζεται η μέθοδος της υγρής άροσης (puddling) για την καταστροφή των μακροπόρων που δημιουργούνται από τις ρωγμές της προηγούμενης καλλιεργητικής περιόδου. Στις ελληνικές συνθήκες λόγω των φθινοπωρινών-χειμερινών βροχών και τη σταδιακή μείωση της θερμοκρασίας μετά την καλλιεργητική περίοδο, το φαινόμενο είναι πιο περιορισμένο σε ένταση και η εμφάνιση του διαρκεί λίγο είτε λόγω της χειμερινής άροσης που ακολουθεί είτε λόγω της εμφάνισης των βροχοπτώσεων πριν την άροση. Λόγω των παραπάνω μεταβολών κατά τη διάρκεια της καλλιέργειας του ρυζιού, οι εδαφικοί ορίζοντες των εδαφών που χρησιμοποιούνται για καλλιέργεια ρυζιού αρχίζουν και μεταβάλλονται χρόνο με το χρόνο με αποτέλεσμα τη δημιουργία νέων διακριτών οριζόντων, οι οποίοι δεν οφείλονται σε φυσικές διεργασίες αλλά στην επίδραση των καλλιεργητικών πρακτικών που εφαρμόζονται στο ρύζι (Σχήμα 3.2, Janssen et al., 2007). Οι επιδράσεις της καλλιέργειας του ρυζιού στις φυσικές ιδιότητες του εδάφους δεν είναι σαφώς προσδιορισμένες και είναι δύσκολο να περιγραφούν μαθηματικά κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου είτε λόγω της πολυπλοκότητας του φαινομένου (άλλοτε συνδυασμένη και άλλοτε ετεροχρονισμένη επίδραση κύκλων ύγρανσης-ξήρανσης, συμπίεσης, συμπύκνωσης, διασποράς της αργίλου, καταστροφής συσσωματωμάτων, συμμετοχής της καλλιέργειας μέσω της ανάπτυξης των ριζών) είτε λόγω των διαφορετικών πρακτικών που ακολουθούνται σε παγκόσμιο επίπεδο όπως η πρακτική άροσης ξηρού εδάφους πριν την κατάκλυση και σπορά στα πεταχτά (π.χ. Ευρώπη, Αυστραλία, ΗΠΑ) ή η πρακτική υγρής άροσης κατακλυσμένου εδάφους (soil puddling) και μεταφύτευση, η οποία εφαρμόζεται κυρίως στην Ασία. Για το λόγο αυτό η διερεύνηση και ανάλυση του φαινομένου περιορίζεται στον εντοπισμό και σύγκριση των μεταβολών μέσω μετρήσεων των φυσικών ιδιοτήτων κυρίως πριν και μετά την καλλιεργητική περίοδο και κάτω από διαφορετικές μεταχειρίσεις (Guidi et al., 1988; Ringrose-Voase et al., 2000; Kirchhof and So., 2005). Στις έρευνες αυτές

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο δεν λαμβάνεται υπόψη ο παράγοντας του χρόνου (η περίοδος μελέτης είναι όλη η καλλιεργητική περίοδος), ούτε η μαθηματική περιγραφή της εξέλιξης του συνολικού φαινομένου και των επιμέρους διεργασιών του. Σχήμα 3.2 Διαμόρφωση οριζόντων σε τρία εδάφη ορυζώνων ανάλογα με τα χρόνια επίδρασης της καλλιέργειας του ρυζιού (3, 20 και 100 χρόνια) με την πρακτική της υγρής άροσης Ap: επιφανειακή στρώση υγρής άροσης (puddled topsoil), P: αδιαπέρατη στρώση, C: υποκείμενο έδαφος (Janssen et al., 2007). Στο τρίτο έδαφος οι πολλαπλές στρώσεις Ap και P οφείλονται στο διαφορετικό βάθος άροσης που εφαρμοζόταν κατά καιρούς στη διάρκεια των 100 χρόνων. Οι μπάρες διακριτοποιούν τις κύριες στρώσεις. Οι βασικές υδραυλικές παράμετροι που χρησιμοποιούνται στα μαθηματικά μοντέλα για την κίνηση του νερού στο έδαφος, οι οποίες και μεταβάλλονται κατά τη διάρκεια της καλλιέργειας του ρυζιού είναι κυρίως η χαρακτηριστική καμπύλη και συνεπώς η κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα, οι οποίες καθορίζονται κατά κύριο λόγο από το ολικό πορώδες και την κατανομή μεγέθους πόρων. Μοντέλα μεταβολών των παραπάνω παραμέτρων με το χρόνο έχουν δοθεί για άλλου τύπου επιδράσεις όπως η επίδραση της μηχανικής συμπίεσης στη μεταβολή της κατανομής μεγέθους των πόρων, του ολικού πορώδους και της χαρακτηριστικής καμπύλης (Leij et al., 2002) (περιπτώσεις μη συμμετοχής του νερού και διεργασιών όπως η διασπορά της αργίλου και του φαινομένου της διόγκωσής της), ή για επιμέρους διεργασίες όπως η προσομοίωση της συρρίκνωσης και της δημιουργίας ρωγμών κατά την ξήρανση των εδαφών χωρίς τη συμμετοχή της αντίστροφης διαδικασίας διόγκωσης (Chertkov, 2007; Yoshida et al., 2004). Τα μοντέλα αυτά δεν περιγράφουν τις μεταβολές στα εδάφη των ορυζώνων κατά τη διάρκεια της κατάκλυσης και δεν μπορούν να ενσωματωθούν σε μοντέλα προσομοίωσης της κίνησης του νερού στους ορυζώνες. Επίσης ένα βασικό ερώτημα είναι και το αν και κατά πόσο μεταβάλλεται το αρχικά δοθέν πάχος του προφίλ μελέτης (άνω και κάτω όρια) κατά τη διάρκεια της κατάκλυσης, φαινόμενο του οποίου η περιγραφή είναι τυπικά αδύνατη εφόσον δεν μπορούν να περιγραφούν οι επιμέρους διαδικασίες που το προκαλούν,

34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ενώ το ίδιο το πρόβλημα από τη φύση του είναι πολύπλοκο ακόμα και για πιο απλές περιπτώσεις (π.χ. μηχανική συμπίεση) και αποτελεί από μόνο του ολόκληρο αντικείμενο μελέτης. Παρόλ αυτά, το υδατικό ισοζύγιο στους υπό κατάκλυση ορυζώνες μπορεί να μελετηθεί με χρήση μαθηματικών μοντέλων, με την προσομοίωση όμως της κίνησης του νερού στο έδαφος να βασίζεται σε παραδοχές. Εκτενής ανασκόπηση και ανάλυση αυτών των μαθηματικών μοντέλων και των παραδοχών αυτών γίνεται στο κεφάλαιο 6. Στόχοι του κεφαλαίου είναι να περιγραφούν οι μεταβολές των φυσικών ιδιοτήτων του εδάφους υπό συνθήκες κατάκλυσης και καλλιέργειας ρυζιού, δίνοντας έμφαση στις μεταβολές που υφίσταται η χαρακτηριστική καμπύλη και μέσω αυτής η κατανομή μεγέθους των πόρων, η κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα και ο βαθμός συμπύκνωσης του εδάφους. Εξετάζονται οι μεταβολές που υφίσταται η χαρακτηριστική καμπύλη των εδαφών που υπόκεινται σε καλλιέργεια ρυζιού μέσω των μεταβολών των παραμέτρων της εξίσωσης van Genuchten καθώς και των χαρακτηριστικών της στο σημείο αλλαγής κύρτωσης. Λαμβάνοντας υπόψη τις πιο ευαίσθητες παραμέτρους του μοντέλου του van Genuchten στη συμπύκνωση αναπτύσσονται νέες εξισώσεις κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας, ενώ για την ανάλυση των μεταβολών της κατανομής μεγέθους των πόρων αναπτύχθηκε ο δείκτης CPV index. Οι μεταβολές που υφίσταται το υπό κατάκλυση έδαφος οδηγούν σε συμπύκνωση και για το λόγο αυτό αναπτύχθηκαν και δύο μεθοδολογίες για τη μελέτη του φαινόμενου, οι οποίες είναι α) ο δείκτης (KSC index), ο οποίος βασίζεται στην κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα του εδάφους, δίνοντας τη δυνατότητα σύγκρισης του βαθμού συμπύκνωσης μεταξύ διαφορετικών τύπων εδάφους και β) μια γραφο-αναλυτική μέθοδος, η οποία οδηγεί στη δημιουργία ενός νομογραφήματος για την αξιολόγηση του βαθμού συμπύκνωσης κάθε τύπου εδάφους ξεχωριστά. 3.2 Θεωρητικό υπόβαθρο μαθηματικής περιγραφής των υδραυλικών-φυσικών ιδιοτήτων του εδάφους Η σχέση της χαρακτηριστικής καμπύλης συγκράτησης του εδαφικού νερού με το πορώδες του εδάφους και την κατανομή μεγέθους των πόρων Οι βασικότερες παράμετροι του εδάφους για τη μελέτη της κίνησης του νερού και των διαλυμένων ουσιών σε αυτό, είναι το ολικό πορώδες και η κατανομή μεγέθους των πόρων, οι οποίες καθορίζουν τη χαρακτηριστική καμπύλη και την υδραυλική αγωγιμότητα του εδάφους. Οι πλέον διαδεδομένες μέθοδοι προσδιορισμού του ολικού πορώδους και της κατανομής μεγέθους των πόρων είναι η βαρυμετρική μέθοδος (διαφορά βάρους μεταξύ κορεσμένου και ξηρού εδάφους) και η μέθοδος εκρόφησης νερού με χρήση συσκευής δίσκων πίεσης, αντίστοιχα (Dane και Hopmans, 2002). Ο συνδυασμός των δύο μεθόδων εφαρμόζεται για τον προσδιορισμό της χαρακτηριστικής καμπύλης συγκράτησης του εδαφικού νερού. Από τα δεδομένα της χαρακτηριστικής καμπύλης (ζεύγη τιμών περιεχόμενης κατ όγκο υγρασίας και πίεσης) υπολογίζεται και η κατανομή μεγέθους των πόρων καθώς το ύψος πίεσης αντιστοιχεί σε συγκεκριμένη διάμετρο πόρων σύμφωνα με τη θεωρία της τριχοειδούς ανύψωσης (capillary rise theory) (Flint and Flint, 2002). Σύμφωνα με τη θεωρητική προσέγγιση της τριχοειδούς ανύψωσης και με την παραδοχή ότι οι πόροι είναι κυλινδρικής μορφής, η αποτελεσματική ακτίνα (effective pore radius) ή ισοδύναμη διάμετρος (equivalent diameter) συγκράτησης νερού των πόρων για δεδομένο ύψος πίεσης δίνεται από την ακόλουθη σχέση (Τερζίδης, 1985): 4 cos D 2r (3.1) gh w

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο όπου σ: η επιφανειακή τάση (N m -1 ή kg sec -2 ), γ: η γωνία επαφής της διεπιφάνειας του νερού με τα τοιχώματα των πόρων, ρ w : η πυκνότητα του νερού (kg m -3 ), g: η επιτάχυνση της βαρύτητας (m s -2 ) και h: το ύψος πίεσης (m). Για τον υπολογισμό της παραπάνω εξίσωσης γίνεται η παραδοχή ότι γ 0 ενώ οι τιμές των παραμέτρων σ και ρ w είναι συναρτήσεις της θερμοκρασίας και δίνονται στον Πίνακα 3.1. Η εξίσωση 3.1 μετά από απλοποιήσεις έχει τη μορφή D = 2980/ h, όπου D σε (μm) και h σε (cm hpa). Πίνακας 3.1 Η πυκνότητα του νερού και η επιφανειακή τάση ως συνάρτηση της θερμοκρασίας. Θερμοκρασία o C Πυκνότητα p w gr/cm 3 Επιφανειακή τάση σ kg/sec 2 ή Ν/m Η κατανομή μεγέθους των πόρων υπολογίζεται από τα μετρημένα ζεύγη τιμών (θ,h). Εναλλακτική λύση αποτελεί η χρήση των υπολογισμένων ζευγών (θ,h) από διάφορα μοντέλα χαρακτηριστικής καμπύλης (π.χ. μοντέλο van Genuchten), όταν η επιλογή των διαμέτρων για τον διαχωρισμό των κλάσεων δεν συμπίπτει με τα μετρημένα (θ,h) ή όταν είναι διαθέσιμα μόνο οι παράμετροι των χαρακτηριστικών καμπυλών (σύνηθες στη διεθνή βιβλιογραφία). Το % ποσοστό συμμετοχής μιας κλάσης πόρων (Pore Size Volume) στο συνολικό πορώδες, με διάμετρο μεταξύ D j-1 και D j, τα οποία αντιστοιχούν στα ύψη πίεσης h j-1 και h j σύμφωνα με την εξ. (3.1) και με τη σειρά τους στις κατ όγκο εδαφικές υγρασίες θ j-1 και θ j (Σχήμα 3.3), δίνεται από τη σχέση: 1 1, 100 j PSV j j j (3.2) s Ανάλογα με το είδος της μελέτης ο διαχωρισμός των κλάσεων των πόρων μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους, οι οποίοι βασίζονται στα μορφολογικά, στα δομικά ή στα υδραυλικά τους χαρακτηριστικά όπως φαίνεται και από το Σχήμα 3.4. Από τους παραπάνω τρόπους διαχωρισμού ιδιαίτερη αξία έχουν ο διαχωρισμός των πόρων με βάση τα δομικά και τα υδραυλικά τους χαρακτηριστικά. O διαχωρισμός των πόρων με βάση τα δομικά χαρακτηριστικά τους δίνει τη δυνατότητα διερεύνησης για το κατά πόσο το πορώδες του εδάφους περιέχει δίκτυο πόρων, των οποίων τα τοιχώματα προκύπτουν από τη συσσωμάτωση των εδαφικών τεμαχιδίων της άμμου, της ιλύος, και της αργίλου (πόροι δομής), και όχι μόνο από ασυνεχή διάκενα, τα οποία διαμορφώνονται από τη μη απόλυτη επαφή των ίδιων των εδαφικών τεμαχιδίων μεταξύ τους (πόροι υφής). Ένα έδαφος το οποίο έχει μόνο πόρους υφής θεωρείται ότι δεν έχει δομή

36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Ο διαχωρισμός των πόρων με βάση τα υδραυλικά χαρακτηριστικά τους δίνει τη δυνατότητα διερεύνησης της ικανότητας στράγγισης-συγκράτησης του εδαφικού νερού καθώς και της ικανότητας αερισμού του εδάφους. Σχήμα 3.3 Χαρακτηριστική καμπύλη συγκράτησης νερού και συσχετισμός με τις ισοδύναμες διαμέτρους των πόρων. Σχήμα 3.4 Μεγέθη τεμαχιδίων, πόρων και χλωρίδας-πανίδας του εδάφους. (Από πάνω προς τα κάτω) μέγεθος τεμαχιδίων (μm) κατά USDA; κατανομή μεγέθους πόρων με βάση τα μορφολογικά χαρακτηριστικά τους; κατανομή μεγέθους πόρων με βάση τα δομικά χαρακτηριστικά τους; κατανομή μεγέθους πόρων με βάση τα υδραυλικά χαρακτηριστικά τους; μέγεθος ριζών (σιτηρά) και έμβιων οργανισμών (Dexter, 1988, Leij et al., 2002, Cameron and Buchan, 2006). Η εφαρμογή των παραπάνω τρόπων διαχωρισμού κλάσεων του πορώδους δίνει τη δυνατότητα λεπτομερούς μελέτης των μεταβολών που συμβαίνουν σε ένα έδαφος, το οποίο υπόκειται τόσο σε καλλιέργεια ρυζιού (Guidi et al., 1988; Ασχονίτης κ.α., 2008) όσο και σε άλλους τύπους μηχανικής συμπίεσης (Richard et al., 1999). Για πιο λεπτομερή ανάλυση των μεταβολών των επιμέρους κλάσεων του πορώδους χρησιμοποιήθηκε ένας νέος δείκτης ο CPV index (Change in Pore Volume), ο οποίος προσδιορίζει την ποσοστιαία μεταβολή του όγκου

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο των επιμέρους κλάσεων του πορώδους και την τάση μεταβολής τους (αύξηση ή μείωση του όγκου) ενώ ταυτόχρονα προσδιορίζεται και το κατώφλι αλλαγής των μεταβολών (π.χ. μείωση του όγκου ορισμένων κλάσεων του μακροπορώδους και ταυτόχρονη αύξηση του όγκου κλάσεων του μικροπορώδους). Ο δείκτης αυτός χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη των μεταβολών της κατανομής μεγέθους των πόρων από τη επίδραση της καλλιέργειας του ρυζιού, η οποία παρατηρείται μετά την καλλιεργητική περίοδο, και δίνεται από τη σχέση: Vi Vi CPVi 100 (3.3) V Vi j j 1 και V i j j 1 όπου V i και V i : ο όγκος των πόρων της κλάσης μεγέθους πόρων i (cm 3 cm -3 ) και θ j and θ j : η κατ όγκο εδαφική υγρασία (cm 3 cm -3 ) πριν και μετά την καλλιεργητική περίοδο του ρυζιού, αντίστοιχα. Οι δείκτες (j, j+1 ) αναφέρονται στις αντίστοιχες μυζήσεις που εφαρμόζονται στη σειρά για την επίτευξη των αντίστοιχων υγρασιών. Οι θετικές τιμές του CPV δείχνουν αύξηση και οι αρνητικές μείωση του όγκου της κάθε κλάσης. Οι τιμές του δείκτη κυμαίνονται από -100% έως Χαρακτηριστική καμπύλη συγκράτησης του εδαφικού νερού το μοντέλο του van Genuchten Για την περιγραφή της χαρακτηριστικής καμπύλης σ όλο το πεδίο τιμών της έχουν προταθεί πολλά μοντέλα (Αντωνόπουλος, 1999), τα κυριότερα από τα οποία είναι των Brooks- Corey (1964), του van Genuchten (1980) και του Kosugi (1999), ενώ υπάρχουν και πολλά άλλα, τα οποία αποτελούν παραλλαγές ή συνδυασμούς των τριών αυτών μοντέλων (Khlosi, 2008). Επίσης έχει αναπτυχθεί πλειάδα εμπειρικών εξισώσεων υπολογισμού των παραμέτρων της χαρακτηριστικής καμπύλης, οι οποίες βασίζονται σε εύκολα μετρήσιμες παραμέτρους του εδάφους, όπως η μηχανική σύσταση, η οργανική ουσία, η φαινομένη πυκνότητα κ.α. και είναι γνωστές ως πεδοσυναρτήσεις (Pedotransfer functions) (Αντωνόπουλος, 1999). Η πιο διαδεδομένη σχέση τόσο για την ανάλυση των μετρήσεων, όσο και για τη χρήση της σε μαθηματικά μοντέλα προσομοίωσης της κίνησης του νερού στο έδαφος είναι η εξίσωση του van Genuchten. Η χαρακτηριστική καμπύλη συγκράτησης του εδαφικού νερού θ(h), σύμφωνα με τον van Genuchten (1980) δίνεται από τη σχέση: s r r (3.4) n m 1 ah όπου θ: η κατ όγκο εδαφική υγρασία (cm 3 cm -3 ) h: το ύψος πίεσης (cm), θ s : η εδαφική υγρασία στον κορεσμό (cm 3 cm -3 ), θ r : η υπολειμματική υγρασία (cm 3 cm -3 ), a (cm -1 ), n και m (αδιάστατες) είναι εμπειρικές παράμετροι προσαρμογής που καθορίζουν τη μορφή της καμπύλης. Το αντίστροφο της παραμέτρου a σχετίζεται με το ύψος πίεσης εισόδου αέρα ή ύψος πίεσης φυσαλίδων αέρα (air entry pressure head ή bubbling pressure head). Η παράμετρος n σχετίζεται με τη διάμετρο των πόρων που κατανέμονται μεταξύ της υγρασίας κορεσμού και της υγρασίας στο σημείο πίεσης φυσαλίδων αέρα, ενώ το γινόμενο nm σχετίζεται με τη διάμετρο των πόρων που κατανέμονται μεταξύ της υγρασίας στο σημείο πίεσης φυσαλίδων αέρα και του σημείου πλήρους ξήρανσης (Durner and Flühler, 2005). Για πρακτικούς λόγους η εξίσωση του van Genuchten εφαρμόζεται με τον περιορισμό m+1/n = i (i = 1, 2,...), ο οποίος μειώνει την ευελιξία της εξίσωσης αλλά έχει το πλεονέκτημα ότι δίνει κλειστού τύπου εκφράσεις (closed form expressions), δηλαδή εξισώσεις που οδηγούν σε μία και μοναδική λύση, των εξισώσεων υδραυλικής αγωγιμότητας. Σύμφωνα με τον van Genuchten (1980), η κλίση της καμπύλης θ(h) για οποιαδήποτε τιμή του ύψους πίεσης, η οποία καλείται και υδραυλική χωρητικότητα C(h), δίνεται από τη σχέση: i

38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο d n m1 n n1 Ch ( ) Smns r1 ( ah) ah dh (3.5) Η καμπύλη θ(h) του van Genuchten, λόγω της μορφής της, παρουσιάζει ένα σημείο αλλαγής κύρτωσης για το οποίο ισχύει{d 2 θ i /d(h i ) 2 =0}, για μια δεδομένη τιμή ύψους πίεσης h i, η οποία αντιστοιχεί σε μια υγρασία θ i. Η δεύτερη παράγωγος της θ(h) δίνεται από τη σχέση: 2 d n n2 n m1 n n n 1 mn 2 s ra h 1 ( ah) ( n 1) na h ( m 1) 1 ( ah) dh (3.6) Με μηδενισμό της εξίσωσης εξ.(3.6), της οποίας μοναδική λύση προκύπτει μόνο με μηδενισμό του μεσαίου όρου της εξίσωσης (για h = 0 δεν υφίσταται αλλαγή κύρτωσης), και για m=1-1/n προκύπτει η τιμή του ύψους πίεσης h i από τη σχέση: 1 1m hi m (3.7) a Αύξηση της παραμέτρου m 1-m συνεπάγεται αύξηση της παραμέτρου n. Με αντικατάσταση της εξ.(3.7) στις εξ.(3.4) και (3.5) προκύπτουν οι σχέσεις της μέγιστης κλίσης S i (μέγιστη υδραυλική χωρητικότητα) και της εδαφικής υγρασίας στο σημείο αλλαγής κύρτωσης, αντίστοιχα από τις σχέσεις: 1m 1 m 1 i i s r m1 S C h m na m (3.8) (3.9) i r s r m Με βάση την απλοποιημένη εξίσωση της τριχοειδούς ανύψωσης (εξ.3.1) και σε συνδυασμό με την εξ. (3.7), το ύψος πίεσης h i στο σημείο αλλαγής κύρτωσης αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη αποτελεσματική ακτίνα r i (effective radius) ή αλλιώς στην αντίστοιχη ισοδύναμη διάμετρο D i (equivalent diameter) πόρων συγκράτησης νερού, η οποία δίνεται από τη σχέση: Di 2ri 2980 hi (3.10) όπου D σε (μm) και h σε (cm hpa). Η ανάλυση των μεταβολών των παραμέτρων της χαρακτηριστικής καμπύλης του μοντέλου του Van Genuchten και ιδιαίτερα αυτών που αφορούν το σημείο αλλαγής κύρτωσης, δίνει τη δυνατότητα λεπτομερούς μελέτης των μεταβολών της δομής του εδάφους μέσω του πορώδους, το οποίο υπόκειται τόσο σε καλλιέργεια ρυζιού (Ασχονίτης και Αντωνόπουλος, 2009) όσο και σε άλλους τύπους μηχανικής συμπίεσης (Startsev and McNabb, 2001; Dexter and Bird, 2001; Dexter, 2004; Guimaraes-Santos et al., 2011; Aschonitis et al., 2012). Η κλίση στο σημείο αλλαγής κύρτωσης S i έχει προταθεί και ως δείκτης συμπύκνωσης από τους Dexter (2004) και Guimaraes-Santos et al. (2011). Στην παρούσα εργασία το ύψος πίεσης h i και η κλίση S i στο σημείο αλλαγής κύρτωσης προσδιορίζεται με βάση το αρχικό μοντέλο του Van Genuchten ως συνάρτηση της κατ όγκο εδαφικής υγρασίας θ και όχι της βαρυμετρικής W όπως έχει προταθεί από τους παραπάνω ερευνητές λόγω του ότι η κατ όγκο εδαφική υγρασία περιλαμβάνει τη φαινομένη πυκνότητα ρ b (θ=ρ b W όταν η πυκνότητα του νερού λαμβάνεται ίση με 1 gr cm -3 ), η οποία επηρεάζεται σημαντικά από τη συμπύκνωση. Οι εξισώσεις 3.5 και 3.8 δίνουν διαφορετικές τιμές της υδραυλικής χωρητικότητας (κλίσης S) συγκριτικά με αυτές που προτείνουν οι Dexter (2004) και Guimaraes-Santos et al. (2011), πλεονεκτώντας έναντι αυτών γιατί μπορούν να ανταποκριθούν σε ιδιάζουσες περιπτώσεις μεταβολών της χαρακτηριστικής καμπύλης λόγω συμπύκνωσης (π.χ. στην περίπτωση συμπύκνωσης μικρής κλίμακας ο υπολογισμός του S σύμφωνα με την προσέγγιση των Dexter ή Guimaraes-Santos μπορεί να οδηγήσει στην ίδια ή σε μεγαλύτερη τιμή της κλίσης στο σημείο αλλαγής κύρτωσης, η οποία να εμφανίζεται σε χαμηλότερο δυναμικό πίεσης h i μετά την συμπύκνωση χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η μεταβολή στη φαινομένη πυκνότητα)

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα Η κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα αποτελεί τον βασικότερο παράγοντα για τον προσδιορισμό του ρυθμού διήθησης, τον σχεδιασμό άρδευσης και στράγγισης, τον προσδιορισμό της επιφανειακής απορροής, της επαναπλήρωσης των υπόγειων υδάτων και της μεταφοράς των διαλυμένων ουσιών στο έδαφος (Aimrum et al., 2004). Οι μέθοδοι μέτρησης της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας παραμένουν δαπανηρές και χρονοβόρες ενώ η μεγάλη χωρική παραλλακτικότητα αλλά και η χρονική μεταβλητότητα του εδάφους εισάγει μεγάλη αβεβαιότητα ως προς την εγκυρότητα των μετρήσεων αυτών {σύμφωνα με τους Warrick and Nielsen, (1980), απαιτούνται περίπου 1300 μετρήσεις για έκταση 10 εκταρίων για τον ακριβή προσδιορισμό της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας σε συνθήκες πεδίου}, γεγονός το οποίο οδήγησε τους ερευνητές στην περιγραφή της με μαθηματικά μοντέλα που βασίζονται σε λίγες και εύκολα μετρήσιμες φυσικές ιδιότητες (van Genuchten and Nielsen, 1985; Mualem, 1992). Οι σπουδαιότερες μέθοδοι μέτρησης της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας είναι του σταθερού και του μεταβαλλόμενου υδραυλικού φορτίου για τις οποίες έχουν αναπτυχθεί διάφορες συσκευές είτε για μετρήσεις εργαστηρίου (περατόμετρο με φιάλη Mariott σταθερού φορτίου, περατόμετρο μεταβαλλόμενου φορτίου με προσαρμοσμένο κύλινδρο με νερό μεταβαλλόμενης στάθμης πάνω από το δείγμα) είτε για μετρήσεις πεδίου (περατόμετρο Guelph σταθερού φορτίου, περατόμετρο διπλών μεταλλικών δακτυλίων μεταβαλλόμενου φορτίου για τη μέτρηση επιφανειακής διήθησης) (Τερζίδης και Καραμούζης, 1985; Klute and Dirksen, 1986; Reynolds and Elrick, 1986). Οι διάφορες μεθοδολογίες υπολογισμού της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας των εδαφών με μαθηματικά μοντέλα, βασίζονται μεμονωμένα ή συνδυαστικά στους παράγοντες που επιδρούν σε αυτή, όπως η κατανομή μεγέθους των κόκκων και των πόρων του εδάφους, η μηχανική σύσταση, η φαινομένη πυκνότητα, η θερμοκρασία του νερού, το ποσοστό οργανικής ουσίας, η ηλεκτρική αγωγιμότητα και το ποσοστό εναλλακτικού νατρίου (ESP) στο έδαφος. Τα μοντέλα αυτά είναι δύο κατηγοριών: α) μοντέλα στα οποία γίνεται προσέγγιση της δομής του εδάφους, όπως είναι των Kozeny- Carman (Corey, 1977) (κίνηση του νερού σε πορώδες μέσο όπου οι πόροι αντιμετωπίζονται ως τριχοειδείς σωλήνες capillary theory) και των Rieu and Sposito (1991) (κίνηση του νερού σε πορώδες μέσο, όπου οι πόροι λαμβάνονται υπόψη ως κενά μεταξύ των εδαφικών τεμαχιδίων και συσσωματωμάτων και το σχήμα τους διαμορφώνεται από το σχήμα των στερεών fractal theory) κ.α. β) μοντέλα πεδοσυναρτήσεων, τα οποία δεν έχουν φυσική βάση και έχουν προκύψει από παλινδρόμηση συνδυάζοντας είτε βασικές φυσικές ιδιότητες όπως τα ποσοστά άμμου-ιλύοςαργίλου, φαινομένης πυκνότητας και οργανικής ουσίας (Vereecken et al., 1990; Rawls and Brakensiek,1982;1985; Jabro,1992; Wösten et al., 1995; 1999; Aimrum et al., 2009) είτε και χημικές ιδιότητες όπως το ESP (Ali Hassan Shah et al., 1997). H προσέγγιση των Kozeny-Carman είναι η πιο δημοφιλής και βασίζεται στη θεώρηση των Hagen-Poiseuille, σύμφωνα με την οποία το συνολικό πορώδες του εδάφους κατανέμεται σε πόρους κλάσεων διαφορετικής ισοδύναμης διαμέτρου, στους οποίους η κίνηση του νερού προσομοιάζεται με την κίνηση σε τριχοειδείς κυλινδρικούς αγωγούς (Aimrum et al., 2004). Με βάση τη θεώρηση αυτή, η εξίσωση των Kozeny-Carman (Corey, 1977) εκφράζει την εσωτερική περατότητα του μέσου (intrinsic permeability), η οποία είναι ισοδύναμη με την κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα, ως συνάρτηση του πορώδους κι εμφανίζεται με δύο μορφές: Ks C ST ή K (3.11α,β) c( ) S όπου Φ: το ολικό πορώδες (cm 3 cm -3 ), S: η επιφάνεια του μέσου ανά μονάδα ξηρού όγκου (cm 2 cm -3 ), T: ο συντελεστής δαιδαλώδους των πόρων (cm cm -1 ) και C: η σταθερά

40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο προσαρμογής. Η εξίσωση (3.11) έχει παρουσιαστεί με διάφορες τροποποιήσεις με την κυριότερη αυτή των Ahuza et al., (1984) {βελτιωμένη εκδοχή των Brooks and Corey, (1964) και Brutsaert, (1967)} στην οποία γίνεται η θεώρηση ότι η κίνηση του νερού γίνεται κυρίως μέσω του μακροπορώδους ή αποτελεσματικού πορώδους Φ e (effective porosity), υψωμένο σε έναν σταθερό εκθέτη, ο οποίος αναπροσαρμόζεται ανάλογα με τα δεδομένα. Η εξίσωση αυτή έχει χρησιμοποιηθεί είτε με βάση το αποτελεσματικό πορώδες είτε με βάση το ολικό πορώδες (Franzmeier, 1991; Flint et al., 2003; Aimrum et al., 2004; Regalado et al., 2004) κι έχει την εξής μορφή: K s B ή n e Ks n B (3.12) όπου Φ και Φ e : το ολικό και το αποτελεσματικό πορώδες, αντίστοιχα (L 3 L -3 ), Β και n: παράμετροι προσαρμογής. Το αποτελεσματικό πορώδες Φ e αποτελεί σύμφωνα με τους Brooks and Corey (1964) και Brutsaert (1967) το βασικότερο παράγοντα κίνησης του νερού στο έδαφος κάτω από συνθήκες κορεσμού και ο όγκος του είναι περίπου ίσος με τη διαφορά της υγρασίας στην υδατοϊκανότητα (-33 kpa για ελαφρά-μέσα εδάφη και -66 kpa για τα βαριά-αργιλώδη εδάφη) (Brutsaert, 1967; Corey, 1977; Ahuza et al., 1984; Aimrum et al., 2004) από το ολικό πορώδες του εδάφους (υγρασία εδάφους στον κορεσμό). Τροποποιήσεις της εξίσωσης (3.12) παρουσιάζονται συνεχώς με τις πιο πρόσφατες να αφορούν την εισαγωγή παραμέτρων από μοντέλα χαρακτηριστικής καμπυλης όπως του van Genuchten (1980) ή των Brooks-Corey (1964). Οι Timlin et al. (1999) και Han et al. (2008) πρότειναν τροποποιήσεις της εξίσωσης των Kozeny and Carman χρησιμοποιώντας τις παραμέτρους της χαρακτηριστικής καμπύλης των Brooks and Corey. Στις εξισώσεις αυτές χρησιμοποιήθηκε το αποτελεσματικό πορώδες Φ e υψωμένο σε εκθέτη που είναι συνάρτηση της παραμέτρου λ της χαρακτηριστικής καμπύλης. Η εφαρμογή του μεταβαλλόμενου εκθέτη ως συνάρτηση του λ έδωσε καλύτερα αποτελέσματα συγκριτικά με αποτελέσματα που εξήχθησαν με σταθερό εκθέτη. O Guarracino (2007) παρουσίασε μια εξίσωση κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας με βάση το ολικό πορώδες και την παράμετρο a της εξίσωσης του van Genuchten: K C a 2 s 1 (3.13) όπου K s : η κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα (cm d -1 ), φ: το ολικό πορώδες (cm 3 cm -3 ), a: η παράμετρος του van Genuchten (cm -1 ) και C 1 : παράμετρος προσαρμογής. Οι Mishra and Parker, (1990) παρουσίασαν μία τροποποίηση της εξίσωσης των Kozeny and Carman χρησιμοποιώντας τις παραμέτρους της χαρακτηριστικής καμπύλης του van Genuchten, με βάση το πορώδες που ορίζεται μεταξύ του θ s και θ r υψωμένο σε σταθερό εκθέτη: 5/ 2 2 ή K C 2 K C a s 1 s r s 1 s r C 2 a (3.14α,β) όπου θ s, θ r, α: οι παράμετροι της εξίσωσης van Genuchten και C 1,2 : παράμετροι προσαρμογής. Η εξίσωση (3.14α) είναι η αρχικά δοθείσα εξίσωση των Mishra and Parker (1990) όπου ο εκθέτης 2.5 έχει εξαχθεί μέσω αναλυτικής διαδικασίας. Στην περίπτωση της εξίσωσης (3.14β) ο εκθέτης αντικαταστάθηκε με μία σταθερά στοχεύοντας στην επαναρύθμισή του στις εφαρμογές που ακολουθούν Συμπύκνωση εδαφών Ένα έδαφος θεωρείται συμπυκνωμένο όταν το ολικό πορώδες και ειδικότερα το αεροπορώδες παρουσιάζει τόσο χαμηλή τιμή, η οποία έχει ως συνέπεια τον περιορισμό του αερισμού, της διήθησης του νερού και της ανάπτυξης των ριζών των φυτών (Hillel, 2004). Σύμφωνα με τους Jones et al., (2003), Hamza et al., (2005) και Ahmad, (2009), η υποβάθμιση των εδαφών λόγω συμπύκνωσης χαρακτηρίζεται από τα εξής:

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο 1. Αύξηση της μύζησης που πρέπει να ασκηθεί από τα φυτά για την πρόσληψη νερού και αντίστοιχη μείωση της δυνατότητας πρόσληψης θρεπτικών στοιχείων. 2. Αύξηση της πλευρικής κίνησης του πλεονάζοντος νερού, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της ρύπανσης των επιφανειακών υδάτων από τα εφαρμοζόμενα λιπάσματα και φυτοφάρμακα. 3. Μείωση του όγκου του εδάφους που λειτουργεί ως φίλτρο των ρύπων. 4. Αύξηση της επιφανειακής απορροής και της διάβρωσης των εδαφών. 5. Αύξηση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, τα οποία προέρχονται από αναερόβιες διαδικασίες όπως η απονιτροποίηση. Σημαντικές ερευνητικές προσπάθειες έχουν γίνει για να βρεθούν οι γενικοί κανόνες που διέπουν το φαινόμενο της συμπύκνωσης των εδαφών και των επιδράσεών της πάνω στις φυσικές ιδιότητες του εδάφους (Gupta and Raper, 1994; O Sullivan and Simota, 1995; Defossez et al. 2002). Αρκετές επίσης είναι και οι έρευνες για τον προσδιορισμό του βαθμού συμπύκνωσης των εδαφών κάτω από την επίδραση διαφόρων τύπων συμπίεσης με τη χρήση δεικτών. Οι βασικότερες παράμετροι των δεικτών αυτών είναι η φαινομένη πυκνότητα και το ολικό πορώδες (Canarache, 1991; Hakansson et al., 2000, Lipiec and Hatano, 2003), οι οποίες όμως είναι ανεπαρκείς γιατί περιορίζονται στις μεταβολές του ολικού πορώδους και δεν περιγράφουν τις μεταβολές της κατανομής μεγέθους των πόρων, ενώ συσχετίζονται με διάφορες ποιοτικές παραμέτρους (π.χ. ο βαθμός συμπύκνωσης ως συνάρτηση της απόδοσης σε σοδειά), οι οποίες όμως είναι ελλιπείς διότι για τις ίδιες εφαρμογές συμπύκνωσης προκύπτουν διαφορετικές καμπύλες απόκρισης όταν μελετώνται διαφορετικοί τύποι εδάφους (Hakansson, 2000). Εναλλακτική λύση για τη μελέτη των επιπτώσεων της συμπύκνωσης αποτελεί η μελέτη της χαρακτηριστικής καμπύλης, μέσα από την οποία μπορούν να διερευνηθούν οι μεταβολές της κατανομής μεγέθους των πόρων και των επιπτώσεών τους στη συγκράτηση-διαθεσιμότητα του εδαφικού νερού καθώς και στην υδραυλική αγωγιμότητα. Σύμφωνα με προηγούμενες έρευνες (Startsev and McNabb, 2001; Dexter, 2004; Guimaraes-Santos et al., 2011; Aschonitis et al., 2012) έχει διαπιστωθεί ότι η συμπύκνωση του εδάφους οδηγεί σε συγκεκριμένες μεταβολές των παραμέτρων της χαρακτηριστικής καμπύλης και των χαρακτηριστικών της στο σημείο αλλαγής κύρτωσης όταν αυτή περιγράφεται με διάφορα μαθηματικά μοντέλα, όπως του van Genuchten (1980). Με βάση τις μεταβολές αυτές αναπτύχθηκαν δύο μέθοδοι, μία αναλυτική και μία γραφοαναλυτική, για την αντιμετώπιση των προαναφερθέντων προβλημάτων που διέπουν τις μελέτες συμπύκνωσης των εδαφών. Η αναλυτική μέθοδος αναπτύχθηκε με στόχο τη σύγκριση του βαθμού συμπύκνωσης μεταξύ διαφορετικών τύπων εδάφους, έχοντας ως βάση την κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα. Η χρήση της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας K s διαθέτει τρία σημαντικά πλεονεκτήματα, τα οποία είναι τα εξής: 1) επηρεάζεται άμεσα από τη συμπύκνωση και δίνει τη δυνατότητα συγκρίσεων του βαθμού συμπύκνωσης μεταξύ διαφορετικών τύπων εδάφους, 2) δίνει τη δυνατότητα προσδιορισμού της τρωτότητας του εδάφους στη συμπύκνωση δίνοντας το εύρος της μεταβολής της K s που προκύπτει κάτω από διαφορετικά επίπεδα συμπύκνωσης και 3) μπορεί είτε να μετρηθεί απευθείας είτε να προσδιοριστεί έμμεσα από συγκεκριμένες παραμέτρους, οι οποίες παρουσιάζουν συγκεκριμένη μεταβολή κάτω από συνθήκες συμπύκνωσης. Για το σκοπό αυτό και λαμβάνοντας υπόψη το θεωρητικό υπόβαθρο της προηγούμενης ενότητας αναπτύχθηκε μια νέα εξίσωση κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας εκφρασμένη ως συνάρτηση των αντίστοιχων παραμέτρων του van Genuchten, οι οποίες επηρεάζονται από τη συμπύκνωση, στοχεύοντας στην παράλληλη χρήση της για συγκρίσεις του βαθμού συμπύκνωσης μεταξύ του ίδιου ή διαφορετικών εδαφών. Το μειονέκτημα που παρουσιάζουν οι δείκτες ως προς την αξιολόγηση του βαθμού συμπύκνωσης (π.χ. μικρός ή μεγάλος βαθμός συμπύκνωσης), αντιμετωπίστηκε μέσω της ανάπτυξης μιας γραφο-αναλυτικής μεθόδου. Με τη μέθοδο αυτή η

42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο αξιολόγηση επιτυγχάνεται μέσω της διακριτοποίησης σε ζώνες φυσικής, μικρής, μέσης και υψηλής κατάστασης συμπύκνωσης ενός συγκεκριμένου τύπου εδάφους ενώ παράλληλα γίνεται σύνδεση και με τις τιμές του δείκτη. 3.3 Μεταβολές στις παραμέτρους της χαρακτηριστικής καμπύλης, της κατανομής μεγέθους των πόρων, της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας και του βαθμού συμπύκνωσης του εδάφους υπό συνθήκες καλλιέργειας ρυζιού Πειραματικά δεδομένα Για την κατανόηση όλου του προαναφερθέντος θεωρητικού υποβάθρου και έχοντας ως στόχο την ανάπτυξη μαθηματικών μεθοδολογιών για την περιγραφή των μεταβολών των φυσικών-υδραυλικών ιδιοτήτων που υφίστανται τα εδάφη των υπό κατάκλυση ορυζώνων χρησιμοποιήθηκαν δύο σετ δεδομένων, τα οποία έχουν ως εξής: α) Δεδομένα από βαριά εδάφη δύο γειτονικών αγρών της περιοχής Σίνδου Θεσσαλονίκης (N , E ), οι οποίοι καλλιεργούνται με αμειψισπορά ρυζιού (2-3 έτη)-αραβόσιτου (1-2 έτη) (Εικ. 3.1) (Αντωνόπουλος, 2007). Πριν την καλλιεργητική περίοδο του έτους 2005 (δεύτερο έτος ρυζιού), ελήφθησαν διαταραγμένα δείγματα από τρεις θέσεις και τέσσερα βάθη για τον προσδιορισμό της μηχανικής σύστασης, της οργανικής ουσίας, του ph και της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του εδάφους καθώς και αδιατάρακτα δείγματα τόσο πριν (4 Μαΐου) όσο και μετά (3 Νοεμβρίου) την καλλιεργητική περίοδο για τον προσδιορισμό χαρακτηριστικών καμπυλών από τα βάθη: 5-10, 35-40, 65-70, cm σε δίσκους πίεσης για πιέσεις μεταξύ 0 έως kpa (Dane and Hopmans, 2002). Στα μετρημένα ζεύγη τιμών (θ,h) των χαρακτηριστικών καμπυλών προσαρμόστηκε η εξίσωση του Van Genuchten (1980) (εξ. 3.4), της οποίας οι παράμετροι προσδιορίστηκαν με χρήση του λογισμικού RETC (van Genuchten et al., 1991), ενώ έγινε διερεύνηση και των χαρακτηριστικών της στο σημείο αλλαγής κύρτωσης. Παράλληλα, με χρήση της εξίσωσης τριχοειδούς ανύψωσης (εξ.3.1) προσδιορίστηκε η κατανομή μεγέθους των πόρων για τις κλάσεις ισοδύναμης διαμέτρου >75, 75-30, 30-9, 9-5, 5-3, 3-1.5, 1.5-1, 1-0.5, , και <0.2 μm. Το ολικό πορώδες προσδιορίστηκε με βάση την υγρασία των αδιατάρακτων δειγμάτων στον κορεσμό. Τα δεδομένα των δύο αγρών χρησιμοποιήθηκαν ως επαναλήψεις και παρουσιάζονται οι μέσοι όροι των ιδιοτήτων τους, ενώ η ανάλυση των δεδομένων των δύο αγρών παρουσιάζεται από τους Aschonitis et al. (2012). β) Mετρήσεις σε αδιατάρακτα δείγματα από δύο βάθη 14 λυσιμέτρων του Αγροκτήματος του Α.Π.Θ. (Εικ. 3.2) με τεχνητό έδαφος μέσης σύστασης. Τα λυσίμετρα ήταν σε κατάσταση ακαλλιέργειας για 35 χρόνια και καλλιεργήθηκε για πρώτη φορά ρύζι με την ίδια πρακτική που εφαρμόζεται στους ορυζώνες της πεδιάδας Θεσσαλονίκης για την καλλιεργητική περίοδο του Τα γενικά χαρακτηριστικά των εδαφών των δύο σετ δεδομένων δίνονται στον Πίνακα 3.2. Επιπλέον, για την αιτιολόγηση διαφόρων διαδικασιών οι οποίες αφορούν τις μεταβολές των παραμέτρων της εξίσωσης van Genuchten, χρησιμοποιήθηκε και ένα τρίτο σετ δεδομένων, το οποίο αποτελείται από μία συλλογή 345 χαρακτηριστικών καμπυλών από εδάφη διαφορετικής προέλευσης και κατάστασης συμπύκνωσης, τα οποία καλύπτουν το εύρος των 12 κλάσεων μηχανικής σύστασης κατά USDA (Rawls et al. 1982; Carsel and Parrish 1988; Hills et al., 1989; Schaap et al., 1998; Babajimopoulos et al., 1996; 2007; Antonopoulos, 2000; Goncalves et al., 2001; Startsev and McNabb, 2001; Hodnett and Tomasella, 2002; Galal, 2004; Zhang et al., 2006; Rahil and Antonopoulos, 2007; Γεωργούσης, 2007; Martinez et al., 2008)

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Εικ. 3.1 Πειραματικοί ορυζώνες της περιοχής Χαλάστρας-Σίνδου. Εικ. 3.2 Πειραματικές διατάξεις λυσιμέτρων με καλλιέργεια ρυζιού. Πίνακας 3.2 Γενικά χαρακτηριστικά των εδαφών των δύο σετ δεδομένων Πειραματικοί αγροί Λυσίμετρα Βάθος (cm) Μηχ.Σύσταση SiC SiC SiCL L SiL SiL Άργιλος (%) Ιλύς (%) Άμμος (%) O.M. % ph EC (μs cm -1 ) Μέθοδος πυκνόμετρου Βουγιούκου, 2 Μέθοδος Black, 3 Πάστα κορεσμού 1:1 4 Εκχύλισμα πάστας κορεσμού Χαρακτηριστική καμπύλη του van Genuchten σε εδάφη υπό συνθήκες καλλιέργειας ρυζιού Το πρώτο βήμα για τη διερεύνηση των μεταβολών των φυσικο-υδραυλικών χαρακτηριστικών του εδάφους έγινε με βάση τις μεταβολές της χαρακτηριστικής καμπύλης, όπως αυτές εκφράζονται μέσω των μεταβολών των παραμέτρων της εξίσωσης van Genuchten καθώς επίσης και των μεταβολών της φαινομένης πυκνότητας και του αποτελεσματικού πορώδους. Στους Πίνακες 3.3 και 3.4 δίνονται οι παράμετροι θ s, θ r, a, n, Φ e, h i, S i, ρ b, τόσο πριν (BF) όσο και μετά την καλλιεργητική περίοδο (AF), για τα εδάφη των ορυζώνων και το έδαφος των λυσιμέτρων, αντίστοιχα. Οι χαρακτηριστικές καμπύλες των δύο σετ δεδομένων δίνονται αντίστοιχα στα Σχήματα 3.5 και

44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Λαμβάνοντας υπόψη τις παρατηρήσεις των μεταβολών των χαρακτηριστικών καμπυλών των ορυζώνων και των λυσιμέτρων προέκυψαν τα εξής: Μείωση των τιμών της παραμέτρου θ s και αύξηση όλων των τιμών της φαινομένης πυκνότητας ρ b μετά την καλλιεργητική περίοδο. Μείωση του αποτελεσματικού πορώδους Φ e. Μείωση της παραμέτρου a, η οποία συνεπάγεται αύξηση του ύψους πίεσης εισόδου αέρα ή ύψους πίεσης φυσαλίδων αέρα (air entry pressure head). Αύξηση της παραμέτρου n. Η μεταβολή των τιμών της παραμέτρου θ r δεν παρουσιάζει κάποια συγκεκριμένη πορεία και λειτουργεί περισσότερο ως παράμετρος προσαρμογής της καμπύλης. Μετακίνηση του σημείου αλλαγής κύρτωσης της καμπύλης του van Genuchten σε χαμηλότερες τιμές υδατικού δυναμικού h i, οι οποίες αντιστοιχούν και σε μικρότερες ισοδύναμες διαμέτρους πόρων D i και μείωση της απόλυτης τιμής της παραμέτρου S i (υδραυλική χωρητικότητα στο σημείο αλλαγής κύρτωσης). Οι μεταβολές αυτές είναι πιο εμφανείς και πιο κατανοητές στα γραφήματα της υδραυλικής χωρητικότητας C(h) (κλίση S) σε σχέση με την ισοδύναμη διάμετρο των πόρων D των δύο σετ δεδομένων (Σχήματα 3.6 και 3.8), η οποία είναι συνάρτηση του h. Πίνακας 3.3 Παράμετροι της εξίσωσης van Genuchten, χαρακτηριστικά της στο σημείο αλλαγής κύρτωσης, αποτελεσματικό πορώδες και φαινομένη πυκνότητα για τα τέσσερα βάθη του προφίλ των ορυζώνων, πριν (BF) και μετά (AF) την καλλιεργητική περίοδο. Βάθος (cm) BF Ορυζώνες θ s (cm 3 /cm 3 ) 0.52 a 0.59 a 0.58 a 0.58 a θ r (cm 3 /cm 3 ) 0.37 a 0.31 a 0.35 a 0.20 b α (cm -1 ) 1.3E-03 a 3.7E-03 a 3.5E-03 a 5.4E-03 a n (n>1) 1.74 b 1.74 b 1.44 b 2.19 a Φ e (cm 3 /cm 3 ) 1.2E-02 a 8.8E-02 a 4.8E-02 a 2.2E-01 a h i (cm) b b b b ls i l 5.6E-05 a 3.3E-04 a 1.7E-04 a 9.3E-04 a ρ b (g cm -3 ) 1.29 b 1.08 b 1.10 b 1.11 b AF Ορυζώνες θ s (cm 3 /cm 3 ) 0.51 a 0.52 b 0.56 a 0.54 b θ r (cm 3 /cm 3 ) 0.35 a 0.30 a 0.31 a 0.37 a α (cm -1 ) 6.8E-04 b 9.0E-04 b 1.1E-03 b 9.0E-04 b n (n>1) 2.52 a 2.71 a 2.32 a 2.34 a Φ e (cm 3 /cm 3 ) 2.3E-03 b 5.3E-03 b 1.8E-02 b 6.2E-03 b h i (cm) a a a a ls i l 5.5E-05 a 1.1E-04 b 1.3E-04 a 7.5E-05 b ρ b (g cm -3 ) 1.31 a 1.27 a 1.18 a 1.22 a Μέσος όρος, n=2 Ανάλυση διακύμανσης ANOVA για P<0.05. Διαφορετικά μικρά γράμματα δείχνουν στατιστικά σημαντικές διαφορές στην παράμετρο κάθε στρώσης πριν και μετά την καλλιεργητική περίοδο

45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Πίνακας 3.4 Παράμετροι της εξίσωσης van Genuchten, χαρακτηριστικά της στο σημείο αλλαγής κύρτωσης, αποτελεσματικό πορώδες και φαινομένη πυκνότητα για τα δύο βάθη του προφίλ των λυσιμέτρων, πριν (BF) και μετά (AF) την καλλιεργητική περίοδο. Βάθος (cm) BF Λυσίμετρα θ s (cm 3 /cm 3 ) 0.60 a 0.56 a θ r (cm 3 /cm 3 ) 0.01 a 0.02 a α (cm -1 ) 7.7E-02 a 5.8E-02 a n (n>1) 1.22 b 1.24 b Φ e (cm 3 /cm 3 ) 0.30 a 0.27 a h i (cm) 3.1 b 4.6 b ls i l 6.0E-03 a 4.4E-03 a p b (g cm -3 ) 1.09 b 1.21 b AF Λυσίμετρα θ s (cm 3 /cm 3 ) 0.50 b 0.46 b θ r (cm 3 /cm 3 ) 0.00 a 0.00 a α (cm -1 ) 6.5E-03 b 3.8E-03 b n (n>1) 1.33 a 1.33 a Φ e (cm 3 /cm 3 ) 0.14 b 0.09 b h i (cm) 53.8 a 93.1 a ls i l 5.8E-04 b 3.1E-04 b p b (g cm -3 ) 1.16 a 1.34 a Μέσος όρος, n=14 Ανάλυση διακύμανσης ANOVA για P<0.05. Διαφορετικά μικρά γράμματα δείχνουν στατιστικά σημαντικές διαφορές στην παράμετρο κάθε στρώσης πριν και μετά την καλλιεργητική περίοδο

46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο cm (BF) θ (cm 3 cm -3 ) cm (BF) cm (AF) ,000 10, ,000 h(cm) cm (AF) ,000 10, ,000 h(cm) θ (cm 3 cm -3 ) cm (BF) cm (AF) ,000 10, ,000 h(cm) cm (BF) cm (AF) ,000 10, ,000 h(cm) Σχήμα 3.5 Χαρακτηριστικές καμπύλες της εξίσωσης van Genuchten για τα τέσσερα βάθη του εδαφικού προφίλ των ορυζώνων, πριν (BF) και μετά (AF) την καλλιεργητική περίοδο. θ (cm 3 cm -3 ) θ (cm 3 cm -3 )

47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο 7.E-05 6.E-05 5.E-05 5.E cm (BF) 5-10 cm (AF) 4.E cm (BF) cm (AF) 4.E-05 3.E-05 3.E-04 2.E-04 C(h) (cm -1 ) C(h) (cm -1 ) 2.E-05 1.E-05 1.E-04 0.E D(h) (μm) 0.E D(h) (μm) 2.5E E cm (BF) cm (AF) 1.2E E cm (BF) cm (AF) 1.5E E E E E-04 C(h) (cm -1 ) C(h) (cm -1 ) 5.0E E E D(h) (μm) 0.0E D(h) (μm) Σχήμα 3.6 Υδραυλική χωρητικότητα C(h) σε σχέση με την ισοδύναμη διάμετρο των πόρων για τα τέσσερα βάθη του εδαφικού προφίλ των ορυζώνων, πριν (BF) και μετά (AF) την καλλιεργητική περίοδο

48 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο 7.E-03 6.E-03 5.E-03 4.E-03 3.E-03 2.E-03 1.E-03 0.E+00 5.E-03 4.E-03 3.E-03 2.E-03 C(h) (cm -1 ) C(h) (cm -1 ) cm (BF) 5-10 cm (AF) ,000 10, ,000 h(cm) cm (BF) cm (AF) ,000 10, ,000 h(cm) Σχήμα 3.7 Χαρακτηριστικές καμπύλες της εξίσωσης van Genuchten για τα δύο βάθη του εδαφικού προφίλ των λυσιμέτρων πριν (BF) και μετά (AF) την καλλιεργητική περίοδο cm (BF) 5-10 cm (AF) D(h) (μm) 1.E cm (BF) cm (AF) 0.E D(h) (μm) Σχήμα 3.8 Υδραυλική χωρητικότητα C(h) σε σχέση με την ισοδύναμη διάμετρο των πόρων για τα δύο βάθη του εδαφικού προφίλ των λυσιμέτρων πριν (BF) και μετά (AF) την καλλιεργητική περίοδο. θ (cm 3 cm -3 ) θ (cm 3 cm -3 )

49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Με βάση τις παρατηρήσεις των μεταβολών των φυσικο-υδραυλικών χαρακτηριστικών του εδάφους υπό συνθήκες καλλιέργειας ρυζιού κρίθηκε απαραίτητη η διερεύνηση του κατά πόσο οι μεταβολές των παραμέτρων της χαρακτηριστικής καμπύλης του van Genuchten ακολουθούν την ίδια πορεία σε συνθήκες άλλου τύπου συμπύκνωσης μικρότερης έντασης. Για το λόγο αυτό εξετάσθηκαν άλλα δύο σετ δεδομένων από τη διεθνή βιβλιογραφία όπως τα δεδομένα των Startsev and McNabb (2001), που αφορούν μεταβολές σε Silt Loam, Loam and Clay Loam εδάφη λόγω χιονοδρομικής δραστηριότητας, και τα δεδομένα των Zhang et al. (2006), που αφορούν μεταβολές σε Silty Loam εδάφη λόγω μηχανικής συμπίεσης. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης στα δεδομένα αυτά σε συνδυασμό και με τα αποτελέσματα του ρυζιού έδειξαν ότι οι παράμετροι του θ s, ρ b και n δεν είναι τόσο ευαίσθητες παράμετροι συγκριτικά με τις παραμέτρους Φ e, a, h i και S i, οι οποίες διαπιστώθηκε ότι ακολουθούν πάντοτε την ίδια πορεία μεταβολών κάτω από οποιοδήποτε τύπο συμπίεσης, με το εύρος των μεταβολών να οδηγεί σε στατιστικά σημαντικές διαφορές ακόμα και σε μικρής έντασης συμπιέσεις. Στα ζεύγη τιμών (h i,1/a) των δεδομένων των εδαφικών στρώσεων των ορυζώνων και των λυσιμέτρων προσαρμόστηκαν δύο συναρτήσεις, μία γραμμική και μία δευτέρου βαθμού πολυωνυμική εξίσωση: h b 1/ a (3.15) i 1 2 h c 1/ a c 1/ a (3.16) i 2 1 όπου h i : το ύψος πίεσης στο σημείο αλλαγής κύρτωσης (cm), a: η παράμετρος του μοντέλου του van Genuchten (cm -1 ) και b 1, c 1, c 2 : οι συντελεστές παλινδρόμησης. Τόσο η κλίση της εξίσωσης (3.15) όσο και της (3.16) σχετίζεται με τον παράγοντα m 1-m, σύμφωνα με την εξίσωση (3.7). Για το λόγο αυτό, για να ισχύει ( lim( h ) 0 ) όπως και στην εξίσωση (3.7), δεν i 1/ a0 περιλήφθηκε σταθερός όρος στις εξισώσεις (3.15) και (3.16). Η κλίση της εξίσωσης (3.15) είναι b 1 ενώ της (3.16) δίνεται από τη σχέση: dhi 2c21 / a c1 (3.17) d 1/ a Στα Σχήματα (3.9) και (3.10) δίνονται τα γραφήματα h i -1/a για τα σετ δεδομένων των ορυζώνων και των λυσιμέτρων, καθώς και οι προσαρμοσμένες εξισώσεις (3.15) και (3.16). Για την ανάπτυξη των Σχημάτων (3.9) και (3.10) χρησιμοποιήθηκαν τα ζεύγη (h i,1/a) από όλες τις αρχικές χαρακτηριστικές καμπύλες και όχι τις μέσες των Πινάκων 3.3 και 3.4, έτσι ώστε να φανούν ακόμα καλύτερα οι συσχετίσεις των δύο παραμέτρων σύμφωνα με τις σχέσεις (3.15) και (3.16). Και στα δύο γραφήματα οι χαμηλές τιμές (h i,1/a) αντιστοιχούν στις χαρακτηριστικές καμπύλες πριν την καλλιεργητική περίοδο ενώ οι υψηλές στις χαρακτηριστικές καμπύλες μετά την καλλιεργητική περίοδο, το οποίο φαίνεται και από τις μέσες τιμές που δίνονται στους Πίνακες 3.3 και 3.4. Από τα γραφήματα αυτά γίνεται αντιληπτή η έντονη επίδραση της συμπύκνωσης, που υφίσταται το έδαφος λόγω καλλιέργειας ρυζιού, πάνω στα ζεύγη τιμών (h i,1/a), οι οποίες όχι μόνο παρουσιάζουν ταυτόχρονη αύξηση αλλά παρουσιάζουν και έντονη γραμμική συσχέτιση σύμφωνα με την εξ.(3.15). Όσον αφορά τη μεταβολή του παράγοντα m 1-m και συνεπώς της παραμέτρου n, η εξίσωση (3.15) δίνει τη μέση κλίση (τη μέση τιμή του παράγοντα m 1-m ) των μεταβολών αυτών ενώ η εξίσωση (3.16) δίνει την τάση διακύμανσής του παράγοντα m 1-m και συνεπώς της παραμέτρου n λόγω διαφορετικού βαθμού συμπύκνωσης του ίδιου τύπου εδάφους. Από την παλινδρόμηση της εξίσωσης 3.16 τόσο στην περίπτωση των ορυζώνων όσο και στην περίπτωση των λυσιμέτρων, προκύπτει ότι όσο αυξάνεται η τιμή του 1/α τόσο αυξάνεται και η κλίση της καμπύλης (εξ.3.17), η οποία αντιστοιχεί σε αύξηση του παράγοντα m 1-m και συνεπώς της παραμέτρου n. Αντίστοιχες καμπύλες παράχθηκαν και στην περίπτωση των δεδομένων του Startsev and

50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο McNabb (2001) και Zhang et al. (2006) όπου κι εκεί διαπιστώθηκε η ισχυρά γραμμική συσχέτιση μεταξύ των τιμών (h i,1/a) hi (cm) y = x x R 2 = y = x R 2 = (hi, 1/a) ορυζώνες Eq.15 γραμμική Eq.16 πολυωνυμική /a (cm) Σχήμα 3.9 Προσαρμογή των εξισώσεων (3.15) και (3.16) στα δεδομένα των ορυζώνων. hi (cm) y = x x R 2 = y = x R 2 = (hi, 1/a) λυσίμετερα Eq.15 γραμμική Eq.16 πολυωνυμική /a (cm) Σχήμα 3.10 Προσαρμογή των εξισώσεων (3.15) και (3.16) στα δεδομένα των λυσιμέτρων Διερεύνηση της μεταβολής της κατανομής μεγέθους των πόρων με βάση τα δομικά-υδραυλικά χαρακτηριστικά τους και με χρήση του δείκτη CPV Στον Πίνακα 3.5 δίνονται τα αποτελέσματα της κατανομής μεγέθους των πόρων είτε με βάση τα υδραυλικά είτε με βάση τα δομικά τους χαρακτηριστικά (Σχήμα 3.4) για τις τέσσερις στρώσεις του εδαφικού προφίλ των ορυζώνων, και τις δύο στρώσεις των λυσιμέτρων πριν (BF) και μετά (AF) την καλλιεργητική περίοδο του ρυζιού. Για ακόμη πιο λεπτομερή ανάλυση των μεταβολών των διαφόρων κλάσεων του πορώδους δίνεται και η διακύμανση του δείκτη CPV τόσο για τα εδάφη των ορυζώνων όσο και για τα εδάφη των λυσιμέτρων στα Σχήματα 3.11 και 3.12, αντίστοιχα. Λαμβάνοντας υπόψη τις τιμές του ολικού πορώδους, το οποίο θεωρείται ότι ταυτίζεται με την παράμετρο θ s (Πίνακες 3.3 και 3.4), τα αποτελέσματα του Πίνακα 3.5 και τα αποτελέσματα του CPV (Σχήματα 3.11 και 3.12) ακολουθεί μία περιγραφή των μεταβολών του πορώδους για τα δύο σετ ξεχωριστά

51 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Πίνακας 3.5 Κατανομή μεγέθους πόρων PSD (%) πριν (BF) και μετά (AF) την καλλιεργητική περίοδο του ρυζιού για τα δεδομένα των ορυζώνων και των λυσιμέτρων με βάση τα υδραυλικά και τα δομικά τους χαρακτηριστικά. Ορυζώνες Λυσίμετρα BF BF Βάθος Πορώδες στράγγισης (>30 μm) 0.3% 3.2% 2.3% 5.3% 36.2% 34.7% Πόροι αποθήκευσης ( μm) 25.0% 42.8% 30.7% 51.1% 40.8% 42.8% Πόροι ακινητοποίησης (<0.2 μm) 74.7% 54.0% 67.0% 43.6% 22.9% 22.6% Δομικό πορώδες (>9 μm) 2.3% 14.9% 8.6% 27.4% 49.9% 49.3% Πορώδες υφής (<9 μm) 97.7% 85.1% 91.4% 72.6% 50.1% 50.7% Ολικό πορώδες 100% 100% 100% 100% 100% 100% AF AF Πορώδες στράγγισης (>30 μm) 0.0% 0.0% 0.2% 0.1% 10.6% 5.9% Πόροι αποθήκευσης ( μm) 30.0% 41.3% 42.9% 31.3% 67.5% 68.1% Πόροι ακινητοποίησης (<0.2 μm) 70.0% 58.6% 56.9% 68.7% 21.9% 26.0% Δομικό πορώδες (>9 μm) 0.4% 0.9% 2.3% 1.0% 28.2% 19.2% Πορώδες υφής (<9 μm) 99.6% 99.1% 97.7% 99.0% 71.8% 80.8% Ολικό πορώδες 100% 100% 100% 100% 100% 100% CPV cm cm cm cm > <0.2 D (μm) Σχήμα 3.11 Διακύμανση του δείκτη CPV για τα τέσσερα βάθη των ορυζώνων. CPV cm cm > <0.2 D (μm) Σχήμα 3.12 Διακύμανση του δείκτη CPV για τα δύο βάθη των λυσιμέτρων

52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Εδάφη ορυζώνων Πριν την καλλιεργητική περίοδο, το ολικό πορώδες της επιφανειακής στρώσης (5-10cm) έχει μικρότερη τιμή συγκριτικά με τις αντίστοιχες τιμές των υποκείμενων στρώσεων (Πίνακας 3.3). Το γεγονός αυτό δείχνει τη δημιουργία μιας επιφανειακής στρώσης μειωμένου πορώδους, πιθανόν λόγω της συνδυασμένης επίδρασης της προηγούμενης καλλιεργητικής περιόδου του ρυζιού και της ισοπέδωσης του εδάφους πριν την έναρξη της επόμενης. Μετά το πέρας της προηγούμενης καλλιεργητικής περιόδου η σταδιακή συρρίκνωση της λάσπης στην επιφάνεια λόγω ξήρανσης οδηγεί σε συμπαγή δομή του εδάφους (Guidi et al., 1988), ενώ η ισοπέδωση του εδάφους πριν την επόμενη καλλιεργητική περίοδο οδηγεί σε κατάρρευση των πόρων σε σημείο που να θεωρείται ότι το έδαφος δεν έχει δομή (Brye et al., 2005). Στις παραπάνω διαπιστώσεις θα μπορούσαν να προστεθούν άλλοι δύο σημαντικοί παράγοντες: α) οι κλιματικές συνθήκες που επικρατούν στην περιοχή (Μεσογειακό κλίμα, θερμό-ξηρό καλοκαίρι, υγρός-ψυχρός χειμώνας) δεν ευνοούν την έντονη ξήρανση του εδάφους κατά την περίοδο Νοεμβρίου-Μαίου, και β) η αργή απομάκρυνση του νερού διαμέσου του μικρού ποσοστού μακροπόρων, που απέμειναν από την προηγούμενη καλλιεργητική περίοδο, διατηρεί την υγρασία σε υψηλά επίπεδα πριν την έναρξη της επόμενης καλλιεργητικής περιόδου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τον περιορισμό φαινόμενων έντονης ξήρανσης του εδάφους σε σημείο που να ευνοεί τη δημιουργία ρωγμών-μακροπόρων. Μετά την καλλιεργητική περίοδο (Νοέμβριος), η επιφανειακή στρώση (5-10cm) εμφάνισε και πάλι τη μικρότερη τιμή ολικού πορώδους συγκριτικά με τις υποκείμενες στρώσεις, παρόλο που η μείωσή του στις υποκείμενες στρώσεις ήταν εντονότερη. Τη μεγαλύτερη μεταβολή του ολικού πορώδους, παρουσίασαν η δεύτερη (35-40 cm) και η τέταρτη στρώση ( cm). Η έντονη μεταβολή στη δεύτερη στρώση οφείλεται στο γεγονός ότι βρίσκεται στην υποκείμενη ζώνη ριζοστρώματος plow sole, η οποία συμπυκνώνεται από το βάρος της λάσπης και του νερού κατάκλυσης (Wopereis et al., 1994) (Πίνακας 3.3). Η έντονη μείωση στην τέταρτη στρώση πιθανόν να οφείλεται στο γεγονός ότι δέχεται την συνδυασμένη επίδραση της διήθησης του νερού και της ανύψωσης της υπόγειας στάθμης, η οποία ρυθμίζεται από τη στάθμη του νερού στο στραγγιστικό δίκτυο. Το γεγονός αυτό επιβεβαιώνεται και από τους Mishra et al. (1991) και Augeard et al. (2008), οι οποίοι αναφέρουν ότι υψηλές τιμές υγρασίας λόγω ανύψωσης της υπόγειας στάθμης οδηγούν σε κατάρρευση των πόρων και συμπύκνωση των συσσωματωμάτων σε μεγαλύτερες δομικές μονάδες. Προς αυτή την κατεύθυνση συνηγορεί και η στατιστικώς σημαντική αύξηση της παραμέτρου θ r, η οποία παρατηρήθηκε στην τέταρτη στρώση των εδαφών των ορυζώνων (Πίνακας 3.3). Από τις επιμέρους κλάσεις του πορώδους προκύπτει ότι στην επιφανειακή στρώση των ορυζώνων (5-10 cm), οι πόροι δομής (>9 μm) αποτελούσαν πολύ μικρό ποσοστό του συνολικού πορώδους πριν την καλλιεργητική περίοδο, λόγω των διαπιστώσεων που αναφέρθηκαν για το ολικό πορώδες της επιφανειακής στρώσης. Οι Cass et al., (1994) επίσης αναφέρουν ότι η άροση των ορυζώνων πριν την επόμενη καλλιεργητική περίοδο μπορεί να δημιουργήσει μακροπόρους, οι οποίοι όμως είναι χαμηλής αντοχής με τάση κατάρρευσης από μια επικείμενη βροχόπτωση ή ισοπέδωση. Μετά την καλλιεργητική περίοδο, οι πόροι δομής (>9 μm) σχεδόν εξαλείφθηκαν σε όλες τις στρώσεις με μία ταυτόχρονα σημαντική αύξηση των πόρων υφής (Πινακας 3.5). Στην επιφανειακή στρώση η ολική εξάλειψη του δομικού πορώδους δεν ακολουθείται από αντίστοιχη μείωση του ολικού πορώδους καθώς όπως επιβεβαιώνεται από τα δεδομένα και όπως αναφέρουν και οι Kooistra et al. (1994), το ολικό πορώδες μειώνεται λιγότερο από τη συμπύκνωση από ότι το μακροπορώδες λόγω αύξησης του μικροπορώδους. Στην προκειμένη περίπτωση, μετά την καλλιεργητική περίοδο το πορώδες υφής ξεπέρασε το 98% σε όλες τις στρώσεις. Από την κατηγοριοποίηση του πορώδους με βάση τα υδραυλικά τους χαρακτηριστικά, παρατηρήθηκε ότι το πορώδες στράγγισης ήταν ήδη πολύ μικρό πριν την καλλιεργητική

53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο περίοδο και εξαλείφθηκε σχεδόν τελείως μετά την καλλιεργητική περίοδο σε όλες τις στρώσεις. Επίσης, σε όλες τις στρώσεις, τόσο πριν όσο και μετά την καλλιεργητική περίοδο, οι πόροι ακινητοποίησης (<0.2 μm) παρουσίασαν την υψηλότερη ποσοστιαία συμμετοχή στο ολικό πορώδες (Πίνακας 3.5), γεγονός το οποίο μπορεί να αποδοθεί στην καταστροφή του μακροπορώδους και την απόφραξή του από μικρότερα τεμαχίδια. τα οποία παρασύρονται εύκολα από τη συνεχή διήθηση, κατά τη μακροχρόνια χρήση των εδαφών για καλλιέργεια ρυζιού (Guidi et al., 1988). Οι παραπάνω παρατηρήσεις γίνονται πιο εύκολα κατανοητές από τη διακύμανση του δείκτη CPV (Σχήμα 3.11) όπου σε όλες τις στρώσεις ξεπέρασε την τιμή -50% για τους πόρους μεγέθους >9μm. Οι πόροι μεγέθους 5 έως 3 μm αποτέλεσαν το κατώφλι μεταβολής από αρνητικές τιμές σε θετικές τιμές του δείκτη CPV όπου η ποσοστιαία συμμετοχή των πόρων υφής άρχισε να αυξάνει. Στις τρεις πρώτες στρώσεις (5-10, και 65-70cm) η αύξηση αυτή παρουσιάστηκε στους πόρους μεταξύ 5 έως 0.5 μm ισοδύναμης διαμέτρου με ένα νέο κατώφλι μεταβολής από θετικές σε αρνητικές τιμές του δείκτη να εμφανίζεται στους πόρους μm ισοδύναμης διαμέτρου. Αντίστοιχες μεταβολές έχουν παρατηρηθεί από τους Bruand and Cousin (1995) και Richard et al. (2001), οι οποίοι διαπίστωσαν μείωση του μακροπορώδους και αύξηση των πόρων 1-4 μm ισοδύναμης διαμέτρου σε εδάφη τύπου loamy-clay και silty, τα οποία υπέστησαν συμπίεση κάτω από υγρές συνθήκες. Τους πόρους αυτούς τους ονόμασαν υπολειμματικούς πόρους relict pores (ασυνεχείς κατακερματισμένοι πόροι δομής), οι οποίοι επικοινωνούν μόνο μέσω των πόρων υφής και για το λόγο αυτό προσδιορίζονται ως τέτοιοι. Με βάση τις τιμές του δείκτη CPV, στην τέταρτη στρώση ( cm) παρατηρήθηκε η μεγαλύτερη μεταβολή στην κατανομή μεγέθους των πόρων μετά την καλλιεργητική περίοδο συγκριτικά με τις υπερκείμενες στρώσεις. Στην συγκεκριμένη στρώση παρατηρήθηκε επιπλέον αύξηση, σε αντίθεση με τις άλλες στρώσεις, της ποσοστιαίας συμμετοχής των πόρων διαμέτρου <0.5 μm. Οι έντονες μεταβολές στη στρώση αυτή οφείλονται πιθανόν στην ύπαρξη της υπόγειας στάθμης, της οποίας η επίδραση περιγράφηκε προηγουμένως κατά τον σχολιασμό των μεταβολών του ολικού πορώδους. Εδάφη λυσιμέτρων Στον Πίνακα 3.5 δίνεται η κατανομή μεγέθους των πόρων σε δύο στρώσεις του εδαφικού προφίλ των λυσιμέτρων, πριν και μετά την καλλιεργητική περίοδο του ρυζιού. Να σημειωθεί ότι τα εδάφη αυτά ήταν σε καθεστώς ακαλλιέργειας για περίπου 35 χρόνια πριν την έναρξη των πειραμάτων. Σύμφωνα με τον Πίνακα 3.4, το ολικό πορώδες μειώθηκε σημαντικά και στις δύο στρώσεις επιβεβαιώνοντας την έντονη επίδραση της καλλιέργειας του ρυζιού στη δομή του εδάφους. Οι πόροι δομής (>9 μm) και των δύο στρώσεων αποτελούσαν περίπου το 50% του συνολικού πορώδους, πριν την καλλιεργητική περίοδο, παρουσιάζοντας σημαντική μείωση μετά την καλλιεργητική περίοδο. Όσον αφορά τους πόρους υφής (<9 μm) διαπιστώνεται αύξησή τους, όπως και στην περίπτωση των ορυζώνων (Πίνακας 3.5). Σημαντική είναι η διαφοροποίηση της συμπεριφοράς της επιφανειακής στρώσης των λυσιμέτρων σε σχέση με των ορυζώνων, η οποία υπέστη πολύ μεγάλες απώλειες σε μακροπόρους λόγω του γεγονότος ότι εφαρμόστηκε για πρώτη φορά καλλιέργεια ρυζιού. Οι παραπάνω παρατηρήσεις γίνονται πιο εύκολα κατανοητές από τη διακύμανση του δείκτη CPV (Σχήμα 3.12) όπου και στις δύο στρώσεις ξεπέρασε την τιμή -50% για τους πόρους μεγέθους >30μm. Οι πόροι μεγέθους 30 έως 9 μm αποτέλεσαν το κατώφλι μεταβολής από αρνητικές τιμές σε θετικές τιμές του δείκτη CPV όπου η ποσοστιαία συμμετοχή των πόρων υφής άρχισε να αυξάνει, ενώ ένα νέο κατώφλι μεταβολής από θετικές σε αρνητικές τιμές του δείκτη εμφανίζεται στους πόρους <0.2 μm ισοδύναμης διαμέτρου. Από την εφαρμογή του δείκτη CPV για τα δύο σετ δεδομένων προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα:

54 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο α) Ο δείκτης προσδιορίζει λεπτομερώς τη μεταβολή της κατανομής μεγέθους των πόρων. β) Ο δείκτης εντοπίζει το σημείο αλλαγής, το οποίο αντιστοιχεί σε ένα συγκεκριμένο και περιορισμένο εύρος ισοδύναμης διαμέτρου πόρων, μεταξύ των κλάσεων που αυξάνουν με εκείνες που μειώνουν τη συμμετοχή τους στο ολικό πορώδες. Υπάρχει ένδειξη ότι το σημείο αυτό εντοπίζει το σημείο διαχωρισμού των πόρων υφής και δομής, το οποίο από τη διεθνή βιβλιογραφία αντιστοιχεί περίπου στα 9 μm ισοδύναμης διαμέτρου πόρων. Από την εφαρμογή προκύπτει ότι το θεωρητικό κατώφλι των 9 μm ισοδύναμης διαμέτρου μπορεί να διαφοροποιείται για διαφορετικούς τύπους εδαφών. Στην περίπτωση των ορυζώνων, όπου τα εδάφη ήταν πιο λεπτόκοκκα το κατώφλι μεταβολής εντοπίστηκε στο εύρος πόρων 5-3 μm, ενώ στην περίπτωση των λυσιμέτρων που τα εδάφη ήταν πιο χονδρόκοκκα, το κατώφλι μεταβολής εντοπίστηκε στο εύρος πόρων 30-9 μm, αναδεικνύοντας ότι το κατώφλι διαχωρισμού μεταξύ πόρων υφής και δομής μπορεί είναι μεγαλύτερο όσο πιο χονδρόκοκκα είναι τα εδάφη. Φυσικά η θεωρητική τιμή των 9 μm, δεν αναιρείται καθώς αποτελεί τη μέση τιμή για όλα τα εδάφη αλλά και τη μέση τιμή των δύο σετ δεδομένων. γ) Η καλλιέργεια του ρυζιού οδηγεί σε σημαντική κατάρρευση των πόρων δομής, η οποίοι είναι υπεύθυνοι για την κίνηση του νερού αλλά και αερισμού του εδάφους καθώς και σε αύξηση των πόρων υφής και στα δύο σετ δεδομένων. Αντίστοιχη και μεγαλύτερης εντάσεως είναι η μείωση του αεροπορώδους ή αλλιώς των πόρων στράγγισης (πόροι διαμέτρου>30μm με βάση την προσέγγιση των υδραυλικών χαρακτηριστικών του εδάφους), το οποίο παρουσίασε μικρότερες τιμές από την οριακή τιμή των 0.1 cm 3 /cm 3 (Startsev and McNabb, 2001) μετά την καλλιεργητική περίοδο και στα δύο σετ δεδομένων, γεγονός το οποίο αναδεικνύει την ανεπαρκή ικανότητα αερισμού και στράγγισης των εδαφών αυτών, μετά την επίδραση της καλλιέργειας του ρυζιού. Επιπλέον επιδράσεις της μείωσης του αεροπορώδους είναι η μεταβολή των βιοχημικών διεργασιών του εδάφους, οι οποίες διεξάγονται σε πιο αναερόβιο περιβάλλον, ενώ παράλληλα δυσχεραίνεται η ανάπτυξη του ριζικού συστήματος των επόμενων καλλιεργειών κατά την εναλλαγή καλλιεργειών. Το αεροπορώδες των εδαφών των ορυζώνων ακόμα και πριν την καλλιεργητική περίοδο παρουσίαζε σε όλες τις στρώσεις μικρότερες τιμές από την οριακή τιμή των 0.1 cm 3 /cm 3, αναδεικνύοντας την επίδραση της μακροχρόνιας καλλιέργειας του ρυζιού στα εδάφη αυτά Προσδιορισμός της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας ως συνάρτηση των παραμέτρων της χαρακτηριστικής καμπύλης και του πορώδους Στην ενότητα διαπιστώθηκε ότι οι περισσότερες εξισώσεις της υδραυλικής αγωγιμότητας κορεσμού εξαρτώνται από το μακροπορώδες και τις παραμέτρους της εξίσωσης χαρακτηριστικής καμπύλης του van Genuchten, ενώ στην ενότητα εντοπίστηκε ότι οι παράμετροι a, h i, S i και Φ e είναι οι πιο ευαίσθητες στη συμπύκνωση. Για το λόγο αυτό, διερευνήθηκε η συμμετοχή τους σε εξισώσεις υπολογισμού της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας Κ s. Από τη διερεύνηση αυτή, η παράμετρος h i παραλήφθηκε γιατί οι μεταβολές της σχετίζονται άμεσα με τις μεταβολές του α. Για τη μορφοποίηση των εξισώσεων, υιοθετήθηκε η προσέγγιση των Kozeni-Carman (Ahuja et al., 1984), η οποία περιγράφεται από μια εκθετική συνάρτηση του αποτελεσματικού πορώδους Φ e (K s =AΦ n e ). Επιπλέον, υιοθετήθηκε και η προσέγγιση του μεταβαλλόμενου εκθέτη των Timlin et al. (1999), μέσω μιας συνάρτησης η οποία σχετίζεται με την κατανομή μεγέθους των πόρων. Για την ανάπτυξη νέων εξισώσεων κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας χρησιμοποιήθηκε ως βάση αλλά και ως εκθέτης η συνάρτηση f, η οποία δίνεται από τη σχέση: f a e (3.18) Η συνάρτηση f περιλαμβάνει την παράμετρο a, με σκοπό την περιγραφή της κατανομής πόρων που συμμετέχουν στο αποτελεσματικό πορώδες Φ e. Με βάση τη συνάρτηση αυτή αναπτύχθηκαν δύο νέες εξισώσεις (μια διπαραμετρική και μια τριπαραμετρική) (εξ και 3.20) στις οποίες η συμμετοχή της συνάρτησης f στον εκθέτη τους περιγράφει την αύξηση της

55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ταχύτητας κίνησης του νερού λόγω αύξησης της ισοδύναμης διαμέτρου των μακροπόρων που συμμετέχουν στην κυρίως ροή, η οποία οφείλεται στη μείωση της επίδρασης του τριχοειδούς φαινομένου και των τριβών στα τοιχώματα. Η παράμετρος S i συμπεριλήφθηκε στην τριπαραμετρική εξίσωση (3.20) με σκοπό να εισάγει την επίδραση των μεταβολών της μέγιστης υδραυλικής χωρητικότητας, η οποία συνδέεται με τη μεταβολή του όγκου των πόρων που αποτελούν το μεγαλύτερο ποσοστό του ολικού πορώδους. Οι μορφές της δι-παραμετρικής και τρι-παραμετρικής εξίσωσης κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας που διερευνήθηκαν έχουν ως εξής: C 2 f K C f (3.19) s 1 s 1 i 2 C3 f K C S C f (3.20) όπου S i : η απόλυτη τιμή της κλίσης στο σημείο αλλαγής κύρτωσης της χαρακτηριστικής καμπύλης του van Genuchten, a: η παράμετρος της εξίσωσης του van Genuchten model (cm -1 ) και Φ e : το αποτελεσματικό πορώδες (cm 3 cm -3 ), το οποίο προσδιορίζεται ως Φ e = θ s θ fc (θ fc στα 33 kpa) και C 1,2,3 : συντελεστές ρύθμισης. Πίνακας 3.6 Παράμετροι της εξίσωσης της χαρακτηριστικής καμπύλης του van Genuchten, κλίση στο σημείο αλλαγής κύρτωσης, αποτελεσματικό πορώδες και κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα για τις 12 κλάσεις εδαφών του σετ ρύθμισης των Carsel and Parrish (1988). Αριθμός θ s θ r a n IS i l Φ e K s Τάξη εδάφους δειγμάτων cm 3 cm -3 cm 3 cm -3 cm cm 3 cm -3 cm day -1 Sand E Loamy Sand E Sandy Loam E Loam E Silt E Silt Loam E Sandy Clay Loam E Clay Loam E Silty Clay Loam E Sandy Clay E Silty Clay E Clay E Πίνακας 3.7 Παράμετροι της εξίσωσης της χαρακτηριστικής καμπύλης του van Genuchten, κλίση στο σημείο αλλαγής κύρτωσης, αποτελεσματικό πορώδες και κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα για τις 12 κλάσεις εδαφών του σετ επιβεβαίωσης των Schaap et al. (1998). Αριθμός θ s θ r a n IS i l Φ e K s Τάξη εδάφους δειγμάτων cm 3 cm -3 cm 3 cm -3 cm cm 3 cm -3 cm day -1 Sand E Loamy Sand E Sandy Loam E Loam E Silt E Silt Loam E Sandy Clay Loam E Clay Loam E Silty Clay Loam E Sandy Clay E Silty Clay E Clay E

56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Η ρύθμιση των συντελεστών των εξισώσεων (3.19 και 3.20) έγινε με μη γραμμική παλινδρόμηση στο σετ δεδομένων χαρακτηριστικής καμπύλης και κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας των Carsel and Parrish (1988) (Πίνακας 3.6) ενώ η επιβεβαίωση με το αντίστοιχο σετ των Schaap et al. (1998) (Πίνακας 3.7). Η ίδια διαδικασία εφαρμόστηκε και στις εξισώσεις των Guarracino (2007) (εξ. 3.13), η οποία έχει ήδη ρυθμιστεί από τον ίδιο τον ερευνητή με τα ίδια δεδομένα, και των Mishra and Parker, (1990) (εξ. 3.14β) με στόχο τη σύγκρισή τους με τις δύο νέες εξισώσεις. Για την εκτίμηση της ακρίβειας των εξισώσεων υδραυλικής αγωγιμότητας (3.13, 3.14β, 3.19, 3.20), τόσο για το σετ δεδομένων ρύθμισης όσο και για το σετ δεδομένων επιβεβαίωσης, χρησιμοποιήθηκαν στατιστικά τεστ, όπως το τετράγωνο του συντελεστή συσχέτισης (R 2 ) και το σφάλμα του τετραγώνου των αποκλίσεων (RMSE). Τα αποτελέσματα ρύθμισης και επιβεβαίωσης των εξισώσεων δίνονται στον Πίνακα 3.8 με τους αντίστοιχους συντελεστές ρύθμισης. Κατά τη διαδικασία ρύθμισης (Πίνακας 3.8) και τη σύγκριση των δι-παραμετρικών εξισώσεων του Guarracino (3.13) (μοντέλο 3) και της εξίσωσης (3.19) (μοντέλο 1) όπως επίσης και τη σύγκριση των τρι-παραμετρικών εξισώσεων των Mishra and Parker (3.14β) (μοντέλο 4) και της εξίσωσης (3.20) (μοντέλο 2), προκύπτει ότι η εισαγωγή του αποτελεσματικού πορώδους Φ e, η χρήση της συνάρτησης f στον εκθέτη και η εισαγωγή της παραμέτρου S i αυξάνει σημαντικά την ακρίβεια υπολογισμού της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας. Πίνακας 3.8 Υπολογισμένες τιμές κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας K s (cm day -1 ) με τις τέσσερεις εξισώσεις και τιμές των στατιστικών κριτηρίων για τα σετ δεδομένων ρύθμισης (Carsel and Parrish, 1988) και επιβεβαίωσης (Schaap et al., 1998). Δεδομένα Ρύθμιση Επιβεβαίωση Μοντέλο C C C Sand Loamy Sand Sandy Loam Loam Silt Silt Loam Sandy Clay Loam Clay Loam Silty Clay Loam Sandy Clay Silty Clay Clay R RMSE Μοντέλο 1 εξ. (3.19); Μοντέλο 2 εξ. (3.20); Μοντέλο 3 εξ. (3.13); Μοντέλο 4 (εξ.3.14β). Κατά τη διαδικασία της επιβεβαίωσης (Πίνακας 3.8) και τη σύγκριση των διπαραμετρικών εξισώσεων του Guarracino (3.13) (μοντέλο 3) και της εξίσωσης (3.19) (μοντέλο 1) προκύπτει και πάλι επικράτηση της δεύτερης επιβεβαιώνοντας τα συμπεράσματα που αφορούν την εισαγωγή του αποτελεσματικού πορώδους Φ e και της συναρτήσεως f στον εκθέτη των προτεινόμενων εξισώσεων. Από τη σύγκριση των τρι-παραμετρικών εξισώσεων των Mishra and Parker (3.14β) (μοντέλο 4) και της εξίσωσης (3.20) (μοντέλο 2), προκύπτει ότι κατά τη διαδικασία της επιβεβαίωσης η δεύτερη επέδειξε πολύ υψηλότερο συντελεστή

57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο συσχέτισης R 2 ενώ η πρώτη επέδειξε υψηλότερη τιμή του κριτηρίου RMSE. Από τη σύγκριση και των τεσσάρων μοντέλων η δι-παραμετρική εξίσωση (3.19) επέδειξε τη μεγαλύτερη ακρίβεια λαμβάνοντας υπόψη και τα δύο κριτήρια. Με στόχο τη βελτίωση των συντελεστών των τεσσάρων εξισώσεων επαναλήφθηκε η διαδικασία ρύθμισης με χρήση και των δύο σετ δεδομένων των Πινάκων 3.7 και 3.8 (Σχήμα 3.13). Οι τελικοί συντελεστές επαναρύθμισης για τις τέσσερις εξισώσεις κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας K s (cm day -1 ) έχουν ως εξής: f K 5.69 f (Μοντέλο 1) (3.21) s s i 30.9 f K S 3.9 f (Μοντέλο 2) (3.22) 3 Ks a 2 s (Μοντέλο 3) (3.23) K a s s r 2 (Μοντέλο 4) (3.24) 1000 R 2 =0.998 RMSE= R 2 =0.998 RMSE= Ks (cm d -1 ) 10 Ks (cm d -1 ) Ks (cm d -1 ) model Ks (cm d -1 ) model R 2 =0.996 RMSE= R 2 =0.998 RMSE= Ks (cm d -1 ) 10 Ks (cm d -1 ) Ks (cm d -1 ) model Ks (cm d -1 ) model 4 Σχήμα 3.13 Σύγκριση των μετρημένων τιμών K s με τις υπολογισμένες τιμές κάθε μοντέλου με χρήση των συντελεστών επαναρύθμισης και για τα δύο σετ δεδομένων. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων κάθε εξίσωσης σε σχέση με τις μετρημένες τιμές κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας και των δύο σετ καθώς και οι τιμές των στατιστικών τεστ δίνονται στο Σχήμα Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των στατιστικών τεστ, η

58 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ικανότητα προσαρμογής των εξισώσεων στις μετρημένες τιμές αξιολογήθηκε με την εξής σειρά κατάταξης: Μοντέλο 2 > Μοντέλο 1 > Μοντέλο 4 > Μοντέλο Προσδιορισμός του βαθμού συμπύκνωσης των εδαφών με χρήση των παραμέτρων της εξίσωσης του van Genuchten Συγκρίσεις του βαθμού συμπύκνωσης σε δείγματα του ίδιου ή διαφορετικού εδαφικού τύπου με το δείκτη KSC index Όπως προαναφέρθηκε και στην ενότητα ένα από τα βασικότερα προβλήματα που παρουσιάζονται σε μελέτες που αφορούν τη συμπύκνωση είναι η σύγκριση του βαθμού συμπύκνωσης μεταξύ διαφορετικών τύπων εδάφους, όπου και αναφέρθηκαν οι λόγοι επιλογής της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας. Στην ενότητα αναπτύχθηκε μια τριπαραμετρική εξίσωση κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας (εξ.3.20), η οποία περιλαμβάνει εκείνες τις παραμέτρους της εξίσωσης van Genuchten και το μέρος του πορώδους, τα οποία είναι πιο ευαίσθητα στη συμπύκνωση. Οι συντελεστές της εξίσωσης ρυθμίστηκαν με βάση τα δύο πιο ολοκληρωμένα σετ δεδομένων της διεθνούς βιβλιογραφίας (Carsel and Parrish, 1988; Schaap et al., 1998) και εκτός από τον έμμεσο υπολογισμό της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας (εξ.3.22) προτείνεται και ως δείκτης (KSC-index) του βαθμού συμπύκνωσης. Λαμβάνοντας υπόψη ότι οι πιο ευαίσθητες παράμετροι είναι οι a, h i, S i και Φ e, έγινε ανάλυση των μεταβολών των τιμών του KSC-index (εξ.3.22) σε σχέση με τις παραμέτρους αυτές για κάθε μία ξεχωριστά χρησιμοποιώντας το σετ δεδομένων των 345 χαρακτηριστικών καμπυλών από εδάφη διαφορετικής προέλευσης και κατάστασης συμπύκνωσης (Σχήμα 3.14). Στα Σχήματα 3.14α,β,γ,δ φαίνεται ο τρόπος επίδρασης της κάθε παραμέτρου στην τελική τιμή του KSC-index. Επίσης επιβεβαιώνεται ότι ο δείκτης ακολουθεί την πορεία των μεταβολών των παραμέτρων, όπως αυτή θα αναμενόταν υπό συνθήκες συμπύκνωσης οδηγώντας σε μείωση της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας. Το γεγονός ότι ο δείκτης περιέχει τις παραμέτρους αυτές και ανταποκρίνεται αναλόγως στις αντίστοιχες μεταβολές τους σε εδάφη διαφορετικής προέλευσης ενδυναμώνει την άποψη χρήσης του ως δείκτη του βαθμού συμπύκνωσης μεταξύ διαφορετικών τύπων εδάφους. Επιπλέον, οι εξισώσεις που δίνονται στα Σχήματα 3.14α,β,γ,δ μπορούν να χρησιμοποιηθούν και ως μονοπαραμετρικές εξισώσεις κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας, με βάση τις εν λόγω παραμέτρους. Ο δείκτης ΚSC (εξ.3.22) χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας και για την αξιολόγηση του βαθμού συμπύκνωσης των εδαφών των ορυζώνων και των λυσιμέτρων (Πίνακας 3.9). Από τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στον Πίνακα 3.9 είναι εμφανής ο υψηλός βαθμός συμπύκνωσης στα εδάφη των ορυζώνων και ειδικότερα στην επιφανειακή στρώση πριν και μετά την καλλιεργητική περίοδο λόγω της διαρκούς χρήσης των εδαφών αυτών για καλλιέργεια ρυζιού. Όπως φαίνεται και από τα αποτελέσματα τα εδάφη αυτά (βαριά αργιλώδη εδάφη) δεν είναι εύκολο να επανέλθει σε φυσιολογικές συνθήκες ακόμα και μετά τις καλλιεργητικές εργασίες πριν την καλλιεργητική περίοδο (άροση και φρεζάρισμα), το οποίο ευνοεί την καλλιέργεια του ρυζιού αλλά δεν ευνοεί τις άλλες καλλιέργειες που εφαρμόζονται κατά την εναλλαγή καλλιεργειών (καλαμπόκι, βαμβάκι κλπ.). Στην περίπτωση των λυσιμέτρων, τα οποία καλλιεργήθηκαν για πρώτη φορά με ρύζι μετά από 35 χρόνια ακαλλιέργειας παρατηρήθηκε σημαντική μείωση στις τιμές του δείκτη, οι οποίες μετά την καλλιεργητική περίοδο ήταν ελαφρώς μεγαλύτερες από αυτές των ορυζώνων λόγω της μέσης μηχανικής τους σύστασης (ιλυο-πηλώδη εδάφη)

59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο KSC-index (cm d -1 ) KSC-index (cm d -1 ) α) β) y = x y = x R 2 = a (cm -1 ) γ) y= x x 2.51 R 2 = lsil (cm -1 ) KSC-index (cm d -1 ) KSC-index (cm d -1 ) R 2 = hi (cm) δ) y = e x R 2 = Φe (cm 3 cm -3 ) Σχήμα 3.14 Συσχέτιση του δείκτη KSC-index με τις παραμέτρους a, h i, S i και Φ e για τα δεδομένα των 345 χαρακτηριστικών καμπυλών από εδάφη διαφορετικής προέλευσης και κατάστασης συμπύκνωσης. Πίνακας 3.9 Τιμές του KSC index (cm d -1 ) (εξίσωση 3.21) για τα εδάφη των ορυζώνων και των λυσιμέτρων πριν (BF) και μετά (AF) την καλλιεργητική περίοδο. KSC-index Ορυζώνες Λυσίμετρα Βάθος (cm) BF AF Βάθος (cm) BF AF Ανάπτυξη γραφο-αναλυτικής μεθόδου για την αξιολόγηση του βαθμού συμπύκνωσης Βασικό πρόβλημα που παρουσιάζει τόσο η εφαρμογή του δείκτη KSC-index όσο και όλων των υπόλοιπων δεικτών συμπύκνωσης, οι οποίοι παρουσιάζονται στη διεθνή βιβλιογραφία, είναι ότι δεν μπορούν να κατηγοριοποιήσουν το βαθμό συμπύκνωσης ενός τύπου εδάφους. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκε μια γραφο-αναλυτική μέθοδος, της οποίας στόχος είναι η αξιολόγηση του βαθμού συμπύκνωσης μέσω ενός νομογραφήματος το οποίο βασίζεται στα γραφήματα h i -1/a και στις εξισώσεις 3.15, 3.16 και Το γράφημα h i -1/a

60 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως νομογράφημα για τη διερεύνηση της έντασης που μπορούν να λάβουν οι επιδράσεις της συμπύκνωσης σε ένα συγκεκριμένο τύπο εδάφους μέσω των παραμέτρων της εξίσωσης του van Genuchten και να διακριτοποιηθούν σε ζώνες φυσικής, χαμηλής, μέσης και υψηλής συμπύκνωσης. Για την ανάπτυξη του νομογραφήματος απαιτούνται χαρακτηριστικές καμπύλες του ίδιου τύπου εδάφους που αφορούν την κατάσταση συμπύκνωσης υπό κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος και την κατάσταση της μέγιστης δυνατής συμπύκνωσης, η οποία μπορεί να επέλθει μηχανικά, αντιστοίχως. Με βάση τα ζεύγη τιμών (h i,1/a), από τις χαρακτηριστικές καμπύλες που περιγράφουν οι δύο αυτές καταστάσεις, δημιουργείται το γράφημα h i -1/a, στο οποίο προσαρμόζονται και οι δύο εξισώσεις (3.15) και (3.16) (Σχήμα 3.15). Στη συνέχεια το γράφημα διαιρείται με τη βοήθεια τριών ευθειών τομής σε τέσσερις ζώνες, οι οποίες αντιστοιχούν σε τέσσερις κλάσεις του βαθμού συμπύκνωσης. Οι ευθείες τομής τέμνουν κάθετα την καμπύλη της εξίσωσης (3.16) σε τρία σημεία. Η πρώτη ευθεία την τέμνει στο σημείο 1 όπου η κλίση της εξ.(3.16) είναι ίση με τη κλίση της εξ.(3.15), η δεύτερη ευθεία την τέμνει στο σημείο 2 όπου η κλίση της εξ.(3.16) είναι ίση με τη μέση κλίση του τμήματος μεταξύ του σημείου 0 και 1 πάνω στην καμπύλη και η τρίτη ευθεία την τέμνει στο σημείο 3 όπου η κλίση της εξ.(3.16) είναι ίση με τη μέση κλίση του τμήματος μεταξύ του σημείου 0 και 2 πάνω στην καμπύλη. Με τον τρόπο αυτό, οι ευθείες τομής διαιρούν το γράφημα σε τέσσερις ζώνες, τη ζώνη φυσικής συμπύκνωσης (Zone A), χαμηλού βαθμού συμπύκνωσης (Zone B), μέσου βαθμού συμπύκνωσης (Zone C) και υψηλού βαθμού συμπύκνωσης (Zone D) (Σχήμα 3.15). Στο Σχήμα 3.15 παρουσιάζονται δύο θεωρητικές περιπτώσεις εδάφους όπου στην πρώτη περίπτωση (Σχήμα 3.15α) το έδαφος τείνει σε αύξηση της κλίσης της εξ.(3.16) όταν υπόκειται σε συμπύκνωση ενώ στη δεύτερη περίπτωση τείνει σε μείωση (Σχήμα 3.15β). hi (cm) 0 A B 3 2 C εξ D 1/a (cm) εξ.3.15 α) hi (cm) 0 A B 3 C 2 1 D 1/a (cm) εξ.3.16 εξ.3.15 Σχήμα 3.15 Γενικό διάγραμμα ανάπτυξης του νομογραφήματος a) θεωρητική περίπτωση εδάφους στο οποίο εμφανίζεται τάση αύξησης της κλίσης της εξ.(3.16) όταν υπόκειται σε συμπύκνωση και β) θεωρητική περίπτωση εδάφους στο οποίο εμφανίζεται τάση μείωση της κλίσης της εξ.(3.16) όταν υπόκειται σε συμπύκνωση. Τα βήματα για την ανάπτυξη του νομογραφήματος δίνονται αναλυτικά στη συνέχεια: Βήμα 1: Σε ένα γράφημα h i -1/a τοποθετούνται όλα τα ζεύγη (h i,1/a) από τις χαρακτηριστικές καμπύλες που συλλέχθηκαν. Βήμα 2: Προσαρμογή της εξ.(3.15) στα δεδομένα (h i,1/a) για τον υπολογισμό της κλίσης b 1 : h ( / ) i b1 1 a b 1 =s 1 (3.25) Βήμα 3: Προσαρμογή της εξ.(3.16) στα δεδομένα (h i,1/a) με στόχο τον προσδιορισμό των συντελεστών β)

61 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο της: 2 hi c2( 1/ a) c1( 1/ a) c 1, c 2 (3.26) Η κλίση της εξ.(3.26) υπολογίζεται σύμφωνα με την εξ.(3.16) ως εξής: sj 2c21/ a c 1 s j (3.27) όπου j: είναι ο δείκτης που καθορίζεται από το κάθε σημείο τομής πάνω στην καμπύλη. Βήμα 4: Μετά την προσαρμογή των εξ.(3.25) και (3.26), ορίζεται το σημείο 1 πάνω στην καμπύλη της εξ.(3.26). Στο σημείο 1 η εξ.(3.26) έχει την ίδια κλίση με την εξ.(3.25) και είναι ίση με s 1 (βήμα 1 ο ). Οι συντεταγμένες του σημείου 1 (h i,1/a) 1 πάνω στην εξ.(3.26) δίνονται από τις εξ.(3.26, 3.27): s1 c1 1/ a 1/ a 1 2c 1 (3.28) 2 2 hi 1 c2( 1/ a) 1 c1( 1/ a) h 1 i 1 (3.29) Βήμα 5: Τοποθέτηση του σημείου 2 πάνω στην καμπύλη της εξ.(3.26). Η κλίση της εξ.(3.26) στο σημείο 2 είναι ίση με τη μέση τιμή των κλίσεων s 1 and s 0 των σημείων 1 και 0 {(h i,1/a) 0 =(0,0)}, αντίστοιχα. Η κλίση στο σημείο 0 είναι s 0 =c 1 σύμφωνα με την εξ.(3.26). Επομένως η κλίση στο σημείο 2 θα είναι: s1 s0 s2 (3.30) 2 Οι συντεταγμένες του σημείου 2 (h i,1/a) 2 πάνω στην εξ.(3.25) δίνονται από τις εξ.(3.25, 3.26): s2 c1 1/ a 1/ a 2 2c 2 (3.31) 2 2 h c ( 1/ a) c ( 1/ a) h 2 i 2 (3.32) i Βήμα 6: Τοποθέτηση του σημείου 3 πάνω στην καμπύλη της εξ.(3.26). Η κλίση της εξ.(3.26) στο σημείο 3 είναι ίση με τη μέση τιμή των κλίσεων s 2 and s 0 των σημείων 2 και 0, αντίστοιχα. Επομένως η κλίση στο σημείο 3 θα είναι: s2 s0 s3 2 (3.33) Οι συντεταγμένες του σημείου 3 (h i,1/a) 3 πάνω στην εξ.(3.26) δίνονται από τις εξ.(3.26, 3.27): s3 c1 1/ a 1/ a 3 2c 3 2 (3.34) h 2 c ( 1/ a) c ( 1/ a) 3 i 3 (3.35) i Βήμα 7: Δημιουργία τριών ευθειών, οι οποίες τέμνουν κάθετα την καμπύλη της εξ.(3.26) στα σημεία 1, 2 και 3. Οι γραμμές διαιρούν το γράφημα στις τέσσερις ζώνες, τη ζώνη φυσικής συμπύκνωσης (Zone A), χαμηλού βαθμού συμπύκνωσης (Zone B), μέσου βαθμού συμπύκνωσης (Zone C) και υψηλού βαθμού συμπύκνωσης (Zone D) (Σχήμα 3.15α,β). Οι συντελεστές των ευθειών βρίσκονται με την εξής διαδικασία: Ευθεία στο σημείο τομής 1: h k 1/ 2 a k 1 (3.36) i

62 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο και k h k 1/ a 1 k2 tan tan s i 1 2 k 1 1, k 2 (3.37) Ευθεία στο σημείο τομής 2: h 2 1/ a 1 (3.38) i 1 s και h 1/ i tan tan Ευθεία στο σημείο τομής 3: a λ 1, λ 2 (3.39) h 2 1/ i a 1 1 s και h i 1/ tan tan (3.40) a ω 1, ω 2 (3.41) όπου tan -1 : η αντίστροφη συνάρτηση εφαπτομένης για την μετατροπή της τιμής της εφαπτομένης σε μοίρες γωνίας. Βήμα 8: Σύνδεση του νομογραφήματος h i -1/a, με τις τιμές του KSC-index σύμφωνα με τις σχέσεις KSC(a) ή KSC(h i ), οι οποίες δίνονται στα Σχήματα 3.14α και 3.14β, αντίστοιχα. Σύμφωνα με τις σχέσεις αυτές μπορεί να υπολογιστεί η τιμή του KSC-index στα σημεία τομής 1, 2 και 3 είτε με βάση τις τιμές του 1/a είτε με βάση τις τιμές του h i. Με τον τρόπο αυτό δίνονται οι τιμές του δείκτη οι οποίες αντιστοιχούν στα σημεία διαχωρισμού των κλάσεων του νομογραφήματος. Λαμβάνοντας υπόψη ότι το έδαφος των λυσιμέτρων ήταν σε καθεστώς ακαλλιέργειας για 35 χρόνια, μπορεί να θεωρηθεί ότι ο βαθμός συμπύκνωσής του πριν την εγκατάσταση της καλλιέργειας του ρυζιού ήταν στα φυσιολογικά επίπεδα που ορίζουν οι περιβαλλοντικές συνθήκες της περιοχής. Από την άλλη μεριά οι νέες συνθήκες που επικράτησαν μετά την καλλιεργητική περίοδο μπορούν να θεωρηθούν ότι αντιπροσωπεύουν υψηλές συνθήκες συμπύκνωσης λόγω της έντονης επίδρασης των συνθηκών κατάκλυσης και καλλιέργειας ρυζιού. Με βάση τη θεώρηση αυτή εφαρμόστηκε η γραφο-αναλυτική μέθοδος για τη διερεύνηση της έντασης και διαβάθμισης της συμπύκνωσης λόγω των επιδράσεων της καλλιέργειας του ρυζιού και της κατάκλυσης στα εδάφη αυτά. Με βάση τις αρχικές 56 χαρακτηριστικές καμπύλες που αντιστοιχούσαν στις συνθήκες πριν και μετά την καλλιεργητική περίοδο αναπτύχθηκε το τελικό διάγραμμα h i -1/a της γραφο-αναλυτικής μεθόδου για τον προσδιορισμό του βαθμού συμπύκνωσης των εδαφών των λυσιμέτρων (Σχήμα 3.16). Στο σχήμα αυτό μπορούν πλέον να εισάγονται ζεύγη τιμών (h i,1/a) διαφόρων δειγμάτων του συγκεκριμένου τύπου εδάφους, των οποίων η θέση σε μια από τις τέσσερις ζώνες να αξιολογεί το βαθμό συμπύκνωσης. Σύμφωνα με το Σχήμα 3.16, 27 δείγματα τοποθετούνται στη ζώνη φυσικής συμπύκνωσης (Zone A), 4 δείγματα στη ζώνη χαμηλού βαθμού συμπύκνωσης (Zone B), 9 δείγματα στη ζώνη μέσου βαθμού συμπύκνωσης (Zone C), και 16 δείγματα στη ζώνη υψηλού βαθμού συμπύκνωσης (Zone D). Με βάση τη διαδικασία του βήματος 8 έγινε και σύνδεση του KSC-index του εδάφους των λυσιμέτρων με το νομογράφημα χρησιμοποιώντας την εξίσωση KSC(a) (Σχήμα 3.14α) για τα σημεία 1, 2 και 3 του νομογραφήματος του Σχήματος Από τη διαδικασία προέκυψε ότι τα εύρη τιμών του KSC-index που αντιστοιχούν στις τέσσερις ζώνες του νομογραφήματος είναι τα εξής: KSC>5.1 για τη ζώνη A, 5.1>KSC> 2.0 για τη ζώνη B, 2.0>KSC>0.8 για τη ζώνη C και KSC<0.8για τη ζώνη D

63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο hi (cm) A B 3 2 C 1 D /a (cm) BF 5-10 cm BF cm AF 5-10 cm AF cm Intersection points Intersection lines Linear 2nd deg. polynomial Σχήμα 3.16 Τελικό διάγραμμα διαβάθμισης της συμπύκνωσης των εδαφών των λυσιμέτρων με τις αντίστοιχες ζώνες Α: Ζώνη φυσικής συμπύκνωσης, Β: Ζώνη χαμηλού βαθμού συμπύκνωσης, C: Ζώνη μέσου βαθμού συμπύκνωσης και D: Zώνη υψηλού βαθμού συμπύκνωσης Διόρθωση του σημείου αλλαγής κύρτωσης στις χαρακτηριστικές καμπύλες του van Genuchten Σύμφωνα με αναφορές διαφόρων ερευνητών, διαπιστώθηκε ότι κατά την εφαρμογή της εξίσωσης του van Genuchten παρουσιάζεται ορισμένες φορές πρόβλημα στον εντοπισμό του σημείου αλλαγής κύρτωσης της χαρακτηριστικής καμπύλης, είτε γιατί το υπολογισμένο σημείο αλλαγής κύρτωσης αποκλίνει από αυτό των μετρημένων τιμών (Cavalieri et al., 2008), είτε γιατί ορισμένες φορές οι μετρημένες τιμές της χαρακτηριστικής καμπύλης παρουσιάζουν δύο σημεία αλλαγής κύρτωσης, τα οποία συνήθως τοποθετούνται στο πορώδες της δομής και υφής, αντιστοίχως (bi-modal porosity) (Dexter et al., 2008). Το πρώτο πρόβλημα παρουσιάζεται γιατί θυσιάζονται λεπτομέρειες όπως η σύγκλιση του σημείου αλλαγής κύρτωσης μεταξύ των μετρημένων και των υπολογισμένων τιμών προκειμένου να περιγραφεί στο σύνολό της η χαρακτηριστική καμπύλη βελτιστοποιώντας τον συντελεστή συσχέτισης κατά την παλινδρόμηση. Το δεύτερο πρόβλημα οφείλεται στον περιορισμό της εξίσωσης να περιγράφει πάνω από δύο σημεία αλλαγής κύρτωσης. Για τη σωστή χρήση του σημείου αλλαγής κύρτωσης τόσο στη γραφο-αναλυτική μέθοδο όσο και στον υπολογισμό της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας και του KSC index, πρέπει να γίνει διόρθωση των παραμέτρων της εξίσωσης του van Genuchten όταν παρατηρείται απόκλιση μεταξύ του μετρημένου και του υπολογισμένου σημείου αλλαγής κύρτωσης. Η διόρθωση αυτή μπορεί να επιτευχθεί με επαναπροσδιορισμό των παραμέτρων αφαιρώντας μετρημένα ζεύγη (θ,h) από την περιοχή χαμηλού υδατικού δυναμικού (μικροπορώδες) έως ότου επιτευχθεί σύγκλιση του μετρημένου και του υπολογισμένου σημείου αλλαγής κύρτωσης στην περιοχή υψηλού δυναμικού (μακροπορώδες) (η ακραία μέτρηση των ζευγών (θ,h) στην περιοχή χαμηλού δυναμικού μπορεί να μην παραληφθεί αν δεν δημιουργεί πρόβλημα στη διαδικασία της διόρθωσης). Η διαδικασία βελτιώνει την κατανομή μεγέθους των πόρων στην περιοχή υψηλού υδατικού δυναμικού όταν περιγράφεται μέσω της χαρακτηριστικής καμπύλης. Όσον αφορά την περίπτωση ύπαρξης δύο σημείων αλλαγής κύρτωσης στις μετρημένες τιμές της χαρακτηριστικής καμπύλης, η προηγούμενη διαδικασία μπορεί να εφαρμοστεί με σκοπό τη διόρθωση του σημείου αλλαγής κύρτωσης στην περιοχή

64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο υψηλού δυναμικού εξαλείφοντας την ύπαρξη του δεύτερου στην περιοχή χαμηλού δυναμικού. Η διόρθωση της χαρακτηριστικής καμπύλης με την προτεινόμενη μέθοδο στοχεύει στη βελτίωση των αποτελεσμάτων της γραφο-αναλυτικής μεθόδου, τον υπολογισμό της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας και του KSC-index, τα οποία βασίζονται κατά κύριο λόγο στις μεταβολές του μακροπορώδους. 3.4 Συμπεράσματα Στο 3 ο κεφάλαιο έγινε διερεύνηση των μεταβολών των φυσικών ιδιοτήτων του εδάφους λόγω των συνθηκών κατάκλυσης που εφαρμόζονται στην καλλιέργεια του ρυζιού, οι οποίες όπως διαπιστώθηκε οδηγούν σε συμπύκνωση του εδάφους. Η διερεύνηση επικεντρώθηκε στις μεταβολές που υφίσταται η χαρακτηριστική καμπύλη και μέσω αυτής η κατανομή μεγέθους των πόρων, η κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα και ο βαθμός συμπύκνωσης του εδάφους. Οι μεταβολές στη χαρακτηριστική καμπύλη διερευνήθηκαν μέσω των μεταβολών των παραμέτρων της εξίσωσης van Genuchten καθώς και των χαρακτηριστικών της στο σημείο αλλαγής κύρτωσης. Λαμβάνοντας υπόψη τις πιο ευαίσθητες παραμέτρους του μοντέλου του van Genuchten, οι οποίες ακολουθούν συγκεκριμένες μεταβολές λόγω συμπύκνωσης, αναπτύχθηκαν νέες εξισώσεις κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας από τις οποίες διερευνήθηκε και το εύρος των μεταβολών των τιμών της λόγω των επιδράσεων της κατάκλυσης στην καλλιέργεια του ρυζιού. Για την ανάλυση των μεταβολών της κατανομής μεγέθους των πόρων εφαρμόστηκε ο νέος δείκτης ο CPV index μέσω του οποίου διαπιστώθηκε ότι οι επιδράσεις οδηγούν σε σημαντική μείωση του όγκου των μακροπόρων, οι οποίοι μεταπίπτουν σε μικροπόρους αυξάνοντας το μικροπορώδες. Για την περιγραφή του φαινομένου της συμπύκνωσης στα εδάφη των ορυζώνων αναπτύχθηκαν και δύο μέθοδοι α) ο δείκτης (KSC index), ο οποίος βασίζεται στην κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα του εδάφους, δίνοντας τη δυνατότητα σύγκρισης του βαθμού συμπύκνωσης μεταξύ διαφορετικών τύπων εδάφους και β) η γραφο-αναλυτική μέθοδος, η οποία οδηγεί σε ένα νομογράφημα συμπύκνωσης για την αξιολόγηση του βαθμού συμπύκνωσης ενός τύπου εδάφους. Η συνδυασμένη εφαρμογή των δεικτών CPV και KSC καθώς και της γραφοαναλυτικής μεθόδου στα δεδομένα των ορυζώνων και των λυσιμέτρων ήταν επιτυχής αναδεικνύοντας με λεπτομέρεια τις μεταβολές των φυσικών ιδιοτήτων του εδάφους των ορυζώνων υπό την επίδραση της κατάκλυσης. Βιβλιογραφία Ελληνική Αντωνόπουλος, Β.Ζ., Υδρολογία της ακόρεστης ζώνης του εδάφους. Υπηρεσία δημοσιευμάτων Α.Π.Θ., Θεσσαλονίκη, σελ Αντωνόπουλος Β.Ζ., Διαχείριση νερού και αζώτου σε ορυζώνα για εξοικονόμηση νερού και προστασία του υδάτινου περιβάλλοντος, Υπουργείο Εθνικής Παιδείας και Θρησκευμάτων, Ειδική Υπηρεσία Διαχείρισης ΕΠΕΑΕΚ, ΠΥΘΑΓΟΡΑΣ ΙΙ Ενίσχυση Ερευνητικων Ομαδων στα Πανεπιστημια, Επιτροπή Ερευνών ΑΠΘ, Θεσσαλονίκη. Ασχονίτης, Β.Γ., Κωστοπούλου, Σ.Κ., Αντωνόπουλος, Β.Ζ., Επίδραση της κατάκλυσης των ορυζώνων στην κατανομή μεγέθους των πόρων του εδάφους. Πρακτικά του 12 ου Πανελλήνιου Συνεδρίου της Ελληνικής Εδαφολογικής Εταιρείας, Πύργος, Σεπτεμβρίου, σελ Ασχονίτης, Β.Γ. και Αντωνόπουλος, Β.Ζ., Επίδραση της κατάκλυσης των ορυζώνων σις παραμέτρους της χαρακτηριστικής καμπύλης της εξίσωσης van Genuchten. 5ο Συνέδριο Γεωργικής Μηχανικής, 8-10 Οκτωβρίου, Θεσσαλονίκη

65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Γεωργούσης, Χ., Προγραμματισμός των αρδεύσεων με εφαρμογή μαθηματικών μοντέλων και συστημάτων γεωγραφικών πληροφοριών Διδακτορική διατριβή, Γεωπονική Σχολή Α.Π.Θ. Rahil, M., Άρδευση με επεξεργασμένα αστικά λύματα. πειραματικές μετρήσεις, προσομοιώσεις και επιπτώσεις στο έδαφος, τα φυτα και το περιβάλλον. Διδακτορική διατριβή, Γεωπονική Σχολή Α.Π.Θ. Τερζίδης, Γ.Α., Μαθήματα Υδραυλικής 1. Γενική Υδραυλική. Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη, σελ Ξενόγλωσση Aimrum, W., Amin, M.S.M., Eltaib, S.M., Effective porosity of paddy soils as an estimation of its saturated hydraulic conductivity. Geoderma 121, Aimrun, W., Amin, M.S.M., Pedo-transfer function for saturated hydraulic conductivity of lowland paddy soils. Paddy and Water Environment 7, Ali Hassan Shah, Lone, M.I., Anderson, S.H., Regression model to predict hydraulic conductivity from simple soil physical and chemical properties. 7th ICID international drainage workshop Drainage for the 21st Century, Malaysia. Ahmad, N., Hassan, F.U., Belford, R.K., Effects of soil compaction in the sub-humid cropping environment in Pakistan on uptake of NPK and grain yield in wheat (Triticum aestivum) II: Alleviation. Field Crops Research 110, Ahuja, L.R., Naney, J.W., Green, P.E., Nielsen, D.R., Macroporosity to characterise spatial variability of hydraulic conductivity and effects of land management. Soil Science Society of America Journal 48, Antonopoulos, V.Z., Modelling of soil water dynamics in an irrigated corn field using direct and pedotransfer functions for hydraulic properties. Irrigation and Drainage Systems 14, Aschonitis, V.G., Kostopoulou, S.K., Antonopoulos, V.Z., Methodology to assess the effects of rice cultivation under flooded conditions on van Genuchten's model parameters and pore size distribution. Transport in Porous Media 91(3), Augeard, B., Bresson, L.M., Assouline, S., Kao, C., Vauclin, M., Dynamics of soil surface bulk density: Role of water table elevation and rainfall. Soil Science Society of America Journal 72, Babajimopoulos, C., Panoras, A., Georgoussis, H., Arampatzis, G., Hatzigiannakis, E., Papamichail, D., Contribution to irrigation from shallow water table under field conditions. Agricultural Water Management 92, Babajimopoulos, C., Panoras, A., Mavroudis, I., Bilas, G., The computation of the water balance and the modelling of the irrigation schedule of a cotton crop with the model SWBACROS. In: Blain, W.R. (Ed.), Hydraulic Engineering Software IV. Computational Mechanics Publications, Southampton, pp Berry, E.C., Jordan, D., Temperature and soil moisture content effects on the growth of Lumbricus terrestris (Oligochaeta: Lumbricidae) under laboratory conditions. Soil Biology & Biochemistry 33, Brooks, R.H., Corey, A.T., Hydraulic Properties of Porous Media. Hydrology Paper, vol. 3. Colorado State University, Fort Collins. Bruand, A., Cousin, I., Variation of textural porosity of a clay loam soil during compaction. European Journal of Soil Science 46, Brutsaert, W., Some methods of calculating unsaturated permeability. Transactions of ASAE 10, Brye, K.R., Slaton, N.A., Norman R.J., Penetration resistance as affected by shallow cut land levelling and cropping. Soil & Tillage Research 81, Cameron, C.K., Buchan, D.G., Porosity and pore size distribution. In: Lal R. (Ed.), Encyclopedia of Soil Science 2 nd Edition, Vol.2, Taylor and Francis Group, pp Canarache, A., Factors and indices regarding excessive compactness of agricultural soils. Soil & Tillage Research 19, Carsel, R.F., Parrish, R.S., Developing joint probability distributions of soil water retention characteristics. Water Resources Research 24,

66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Cass, A., Gusli, S., MacLeod, D.A., Sustainability of soil structure quality in rice paddy-soyabeen cropping systems in South Sulawesi, Indonesia. Soil & Tillage Research 31, Cavalieri, K.M.V., Arvidsson, J., da Silva, A.P, Keller, T., Determination of precompression stress from uniaxial compression tests. Soil & Tillage Research 98, Chertkov, V.Y., The reference shrinkage curve of clay soil. Theoretical and Applied Fracture Mechanics 48, Corey, A.T., Mechanics of Heterogeneous Fluids in Porous Media. Water Resour. Pub, Fort Collins. Dane, J.H., Hopmans, J.W., Water retention and storage. In: Methods of Soil Analysis (Part 4 Physical Methods), SSSA. pp De Datta, S.K., Principles and practices of rice production. Wiley, New York, 628 p. Defossez, P., Richard, G., Models of soil compaction due to traffic and their evaluation. Soil & Tillage Research 67, Dexter, A.R., Strength of soil aggregates and of aggregate beds. In: Impact of Water and External Forces on Soil Structure (eds. J. Drescher, R. Horn and M. de Boodt). Catena, Cremlingen, Germany, Catena Supplement 11, Dexter, A.R., and Bird, N.R.A., Methods for predicting the optimum and the range of soil water contents for tillage based on the water retention curve. Soil & Tillage Research 57, Dexter, A.R., Soil physical quality: Part I, Theory, effects of soil texture, density, and organic matter, and effects on root growth. Geoderma 120, Dexter, A.R., Czyz, E.A., Richard, G., Reszkowska, A., A user-friendly water retention function that takes account of the textural and structural pore spaces in soil. Geoderma 143, Durner, W., Flühler, H., Soil Hydraulic Properties. In: Anderson M. G. (Ed.), Encyclopedia of Hydrological Sciences.John Wiley & Sons, Chichester, pp Flint, L.E., Flint, A.L., Porosity. In: Dane, J.H., Topp, G.C. (Eds.), Methods of Soil Analysis. Franzmeier, D.P., Estimation of hydraulic conductivity from effective porosity data for some Indiana soils. Soil Science Society of America Journal 55, Guimarães Santos, G., Medrado da Silva, E., Leandro Marchão, R., Marques da Silveira, P., Bruand, A., James, F., and Becquer, T., Analysis of physical quality of soil using the water retention curve: Validity of the S-index. Comtes Rendus Geoscience 343, Galal, M.E., Estimating Soil Hydraulic Parameters In El-Tina Plain Using RETC Program. Part 4. Physical Methods. SSSA, Inc., Madison, WI, pp International Conf. on Water Resources & Arid Environment. Goncalves, M.C., Leij, F.J., Schaap, M.G., Pedotransfer functions for solute transport parameters of Portuguese soils. European Journal of Soil Science 52, Guarracino, L., Estimation of saturated hydraulic conductivity Ks from the van Genuchten shape parameter a. Water Resources Research, vol. 43, w11502, doi: /2006wr Guidi, G., Pini, R., Poggio, G., Porosity in a puddled rice soil as measured with mercuryintrusion porosimetry. Soil Science 145, Gupta, S.C., Raper, R.L., Prediction of soil compaction under vehicle. In: Soane, B.D., van Ouwerkerk, C. (Eds.), Soil Compaction in Crop Production, Developments in Agricultural Engineering, Vol. 11. Elsevier, Amsterdam, pp Hakansson, I., Lipiec, J., A review of the usefulness of relative bulk density values in studies of soil structure and compaction. Soil & Tillage Research 53, Hamza, M.A., Anderson, W.K., Soil compaction in cropping systems: A review of the nature, causes and possible solutions. Soil & Tillage Research 82, Han, H., Giménez, D., Lilly, A., 2008, Textural averages of saturated soil hydraulic conductivity predicted from water retention data. Geoderma 146, Hillel, D., Introduction to environmental soil physics. Elsevier Academic Press, pp.494. Hills, R.G., Porro, I., Hudson, D.B., Wierenga, P.J., Modeling one-dimensional infiltration into very dry soils 1. Model development and evaluation. Water Resources Research 27, Hodnett, M.G., Tomasella, J., Marked differences between van Genuchten soil water-retention parameters for temperate and tropical soils: a new water-retention pedo-transfer function developed for tropical soils. Geoderma 108,

67 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Jabro, J.D., Estimation of saturated hydraulic conductivity of soils from particle size distribution and bulk density data. Transactions of ASAE 35, Janssen, Μ., Lennartz, Β., Horizontal and vertical water and solute fluxes in paddy rice fields. Soil & Tillage Research 94, Jones, R.J.A., Spoor, G., Thomasson, A.J., Vulnerability of subsoils in Europe to compaction: a preliminary analysis. Soil & Tillage Research 73, Khlosi, Μ., Cornelis, W.M., Douaik, Α., van Genuchten, M.Th., Gabriels D., Performance evaluation of models that describe the Soil water retention curve between saturation and oven dryness Vadose Zone Journal 7, Kirchhof, G., So., H.B, Soil puddling for rice production under glasshouse conditions- its quantification and effect on soil physical properties. Australian Journal of Soil Research 43, Klute, A., Dirksen, C., Hydraulic conductivity and diffusivity: laboratory methods, In: Klute, A. (Ed.), Methods of Soil Analysis, Part 1. Physical and Mineralogical Methods, 2nd ed. Agronomy, vol. 9. American Society of Agronomy, Madison, WI, pp Kooistra, M.J., Effects of compaction on soil microstructure. In: Soane B.D. and van Ouwerkerk, C. (Eds.), Soil compaction in crop production, Elsevier, Amsterdam pp Kosugi, K., General model for unsaturated hydraulic conductivity for soils with log-normal poresize distribution. Soil Science Society of America Journal 63, Leij, F.J., Ghezzehei, T.A., Or, D., Modelling the dynamics of the soil pore-size distribution. Soil & Tillage Research 64, Lipiec, J., Hatano, R., Quantification of compaction effects on soil physical properties and crop growth. Geoderma 116, Liu C.W., Chen S.K., Jou S.W., Kuo S.F., Estimation of the infiltration rate of a paddy field in Yun-Lin, Taiwan. Agricultural Systems 68, Martinez, E., Fuentes, J-P, Silva, P., Valle, S., Acevedo, E., Soil physical properties and wheat root growth as affected by no-tillage and conventional tillage systems in a Mediterranean environment of Chile. Soil & Tillage Research 99, MED-Rice, Guidance Document for Environmental Risk Assessments of Active Substances used on Rice in the EU for Annex I Inclusion. EU Doc. Ref. SANCO/1090/2000-Rev.1, Brussels, June 2003, 108 pp. Mishra, H.S., Rathore, T.R., Pant, R.C., Effect of varying regimes on soil physical properties and yield of rice in mollisols of Tarai region. Agricultural Water Management 20, Mishra, S., Parker, J.C., On the ralation between saturated conductivity and capillary retention characteristics. Ground Water 28(5), Mualem, Y., Modelling the hydraulic conductivity of unsaturated porous media. In: Van Genuchten, M.Th., et al. (Ed.), Indirect Methods for Estimating the Hydraulic Properties of Unsaturated Soils. University of California, Riverside, pp O Sullivan, M.F., and Simota, C., Modelling the environmental impacts of soil compaction: a review. Soil & Tillage Research 35, Rahil, M.H., Antonopoulos, V.Z., Simulating soil water flow and nitrogen dynamics in a sunflower field irrigated with reclaimed wastewater. Agricultural Water Management 92, Rahimi, Η., Pazira, E., Tajik, F., Effect of soil organic matter, electrical conductivity and sodium adsorption ratio on tensile strength of aggregates. Soil & Tillage Research 54, Rawls, W.J., Brakensiek, D.L., Saxton, K.E., Estimation of soil water properties. Transactions of ASAE 108, Rawls, W.J., Brakensiek, D.L., Prediction of soil water properties for hydrologic modelling. In: E. Jones and T.J. Ward (Editors), Watershed Management in the Eighties. Proc. Symp. ASCE, Denver, CO. 30 April-2 May ASCE, New York, pp Regalado, C.M., Muñoz-Carpena, R., Estimating the saturated hydraulic conductivity in a spatially variable soil with different permeameters: a stochastic Kozeny Carman relation. Soil & Tillage Research 77,

68 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Reynolds, W.D., Elrick, D.E., A method for simultaneous in situ measurement in the vadose zone of field-saturated hydraulic conductivity, sorptivity and the conductivity-pressure head relationship.ground Water Monitoring & Remediation 6, Richard, G., Cousin, I., Sillon, J.F., Bruand, A., Guerif, J., Effect of compaction on the porosity of a silty soil: influence on unsaturated hydraulic properties. European Journal of Soil Science 52, Richard, G., Boizard, H., Roger-Estrade, J., Boiffin, J., Guerif, J., Field study of soil compaction due to traffic in northern France: pore space and morphological analysis of the compacted zones. Soil & Tillage Research 51, Rieu, M., Sposito, G., Fractal fragmentation, soil porosity and soil water properties: I. Theory. Soil Science Society of America Journal 55, Ringrose-Voase, A.J., Sanidad, W.B., A method for measuring the development of surface cracks in soils: application to crack development after lowland rice. Geodenna 71, Ringrose-Voase, A.J., Kirby, J.M., Djoyowasito, G., Sanidad, W.B., Serrano, C., Lando, T.M., Changes to the physical properties of soils puddled for rice during drying. Soil & Tillage Research 56, Sander, T., Gerke, H.., Modelling field-data of preferential flow in paddy soil induced by earthworm burrows. Journal of Contaminant Hydrology 104, Sander, T., Gerke, H., Rogasik, H., Assessment of Chinese paddy-soil structure using X-ray computed tomography. Geoderma 145, Schaap, M.G, Leij, F.L., van Genuchten, M.Th., Neural network analysis for hierarchical prediction of soil hydraulic properties. Soil Science Society of America Journal 62, Sharma, P.K., De Datta, S.K., Effects of puddling on soil physical properties and processes. In: Soil physics and rice. IRRI, Los Banos, Philippines, pp So, H.B., Ringrose-Voase, A.J., Management of clay soils for rainfed lowland rice-based cropping systems: an overview. Soil & Tillage Research 56, Startsev, A.D., McNabb, D.H., Skidder traffic effects on water retention, pore size distribution and van Genuchten parameters of boreal forest soils. Soil Science Society of America Journal 65, Timlin, D.J., Ahuja, L.R., Pachepsky, Ya., Williams, R.D., Gimenez, D., Rawls W., Use of Brooks-Corey Parameters to Improve Estimates of Saturated Conductivity from Effective Porosity. Soil Science Society of America Journal 63, van Genuchten, M.Th., A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal 44, van Genuchten, M.Th., Nielsen, D.R., On describing and predicting the hydraulic properties of unsaturated soils. Annals of Geophysics 3, van Genuchten, M.Th., Leij, F.J., Yates, S.R.M., The RETC code for quantifying the hydraulic functions of unsaturated soils. USDA, Agr. Res. Service, Riverside, California. pp 85. Vereecken, H., Maes, J., Feyen, J., Estimating unsaturated hydraulic conductivity from easily measured soil properties. Soil Science 149, Warrick, A.W., Nielsen, D.R., Spatial variability of soil physical properties in the field. In: Hillel D (ed) Application of soil physics. Academic Press, New York, pp Wopereis, M.C.S., Wοsten, J.H.M., Bouma J. and Woodhead, T., Hydraulic resistance in puddled rice soils: measurement and effects on water movement. Soil & Tillage Research, 24: Wopereis, M.C.S., Bouman, B.A.M., Kropff, M.J., ten Berge, H.F.M., Maligaya, A.R., Water use efficiency of flooded rice fields. I.Validation of the soil-water balance model SAWAH. Agricultural Water Management 26, Wösten, J.H.M., Finke, P.A., Jansen, M.J.W., Comparison of class and continuous pedotransfer functions to generate soil hydraulic characteristics. Geoderma 66, Wösten, J.H.M., Lilly, A., Nemes, A., Le Bas C., Development and use of a database of hydraulic properties of European soils. Geoderma, 90, Yoshida, S., Adachi, K., Numerical analysis of crack generation in saturated deformable soil under row planted vegetation. Geoderma 120, Zhang, S., Grip, H., Lovdahl, L., Effect of soil compaction on hydraulic properties of two loess soils in China. Soil & Tillage Research 90,

69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο Κεφάλαιο 4 ο ΑΓΡΟΝΟΜΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΤΗΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑΣ ΡΥΖΙΟΥ 4.1 Εισαγωγή Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή και ανάλυση βασικών αγρονομικών παραμέτρων της καλλιέργειας του ρυζιού με χρήση συναρτήσεων μεταβολής. Η ανάλυση βασίστηκε σε μετρήσεις που διεξήχθησαν σε λυσίμετρα διαστάσεων 2x2 m του αγροκτήματος της Γεωπονικής σχολής του ΑΠΘ την περίοδο και αφορούν την εξελιγμένη ποικιλία Thaibonnet (Oryza sativa L. ssp. indica), η οποία είναι από τις πιο διαδεδομένες στην περιοχή της πεδιάδας Θεσσαλονίκης. Στα λυσίμετρα εφαρμόστηκε ίδια λίπανση 180 kg N ha -1 και τις δύο χρονιές και σπορά 250 kg ha -1 και 200 kg ha -1, για το έτος 2008 και 2009, αντίστοιχα. Οι παράμετροι οι οποίες μελετηθήκαν είναι η μεταβολή του ύψους της καλλιέργειας, του μήκους των ριζών, του αποτελεσματικού βάθους ριζοστρώματος, του δείκτη φυλλικής επιφάνειας LAI, του αριθμού αδελφιών TILN, το βάρος των 1000 κόκκων του παραγόμενου προϊόντος, ο δείκτης συγκομιδής ΗΙ (harvest index) και ο δείκτης αναλογίας καρπού-σταχιού GS (grain straw ratio). Οι παραπάνω παράμετροι παρουσιάζουν υψηλή συσχέτιση είτε με βάση τις ημέρες ανάπτυξης (DAS), είτε μεταξύ τους. Το γεγονός αυτό δίνει τη δυνατότητα περιγραφής τους από συναρτήσεις μεταβολής, οι οποίες μπορούν να ενσωματωθούν σε αγρονομικά μαθηματικά μοντέλα προσομοίωσης του ισοζυγίου νερού, θρεπτικών στοιχείων και απόδοσης της καλλιέργειας του ρυζιού ή στον έμμεσο προσδιορισμό των δύσκολα μετρήσιμων παραμέτρων. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην παράμετρο του LAI και τους τρόπους υπολογισμού της, καθώς εκφράζει την πυκνότητα των φυτών, η οποία επηρεάζει τις περισσότερες από τις προαναφερθείσες παραμέτρους ενώ παράλληλα αποτελεί και την κύρια παράμετρο που καθορίζει την εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας του ρυζιού. Παράλληλα γίνεται ανάπτυξη της βαρυμετρικής μεθόδου υπολογισμού του LAI για το ρύζι και επέκτασής της για τον έμμεσο υπολογισμό του σε όλη την καλλιεργητική περίοδο χωρίς ενδιάμεσες δειγματοληψίες και μόνο με βάση το συγκομιζόμενο προϊόν. Η συγκεκριμένη μέθοδος αναπτύχθηκε με στόχο την εφαρμογή της σε πειράματα που αφορούν μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής σε πειραματικές διατάξεις λυσιμέτρων, όπου οι δειγματοληψίες φυτών είναι απαγορευτικές γιατί μεταβάλλουν το σύστημα. 4.2 Ύψος φυτού, μήκος ριζών και αποτελεσματικό βάθος ριζοστρώματος Η προσομοίωση της διακύμανσης του ύψους των φυτών h c, του μήκους των ριζών R d και του αποτελεσματικού βάθους του ριζοστρώματος R ef μπορεί εύκολα να γίνει με τη βοήθεια εμπειρικών εξισώσεων που προκύπτουν μέσω παλινδρόμησης στις αντίστοιχες μετρημένες τιμές των παραμέτρων αυτών. Οι συνήθεις εξισώσεις που χρησιμοποιούνται υπάγονται στην ευρύτερη κατηγορία των μοντέλων ανάπτυξης growth models με ευρεία εφαρμογή στις

70 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο βιολογικές επιστήμες. Οι εξισώσεις είναι συνήθως σιγμοειδούς μορφής με τις πιο γνωστές αυτές των Gompertz, Logistic, Morgan-Mercer-Flodin και Richards (Draper and Smith, 1998; Hyams, 2010), οι οποίες εμφανίζονται και σε διάφορες παραλλαγές ανάλογα με το φυσικό πρόβλημα. Από την ανάλυση των παραπάνω εξισώσεων και των παραλλαγών τους, την βέλτιστη απόκριση ως προς τις μετρημένες τιμές των παραπάνω παραμέτρων παρουσίασε μία παραλλαγή της λογιστικής εξίσωσης (Draper and Smith, 1998; Αντωνόπουλος, 1999; Αντωνόπουλος και Παυλάτου, 2001) και η εξίσωση των Morgan-Mercer-Flodin, οι οποίες δίνονται αντίστοιχα από τις παρακάτω σχέσεις: LOG a bexp 0.5 t c / d (4.1) d ab ct MMF (4.2) d b t όπου t: ο χρόνος, ο οποίος στην προκειμένη περίπτωση μετράται σε ημέρες από την σπορά (DAS). Οι εξισώσεις (4.1) και (4.2) προσαρμόστηκαν σε δεδομένα ύψους φυτών h c, μήκους ριζικού συστήματος R d και αποτελεσματικού βάθους ριζοστρώματος R ef σε cm που ελήφθησαν από πειραματικά λυσίμετρα (μέσης σύστασης εδάφη) για τις καλλιεργητικές περιόδους 2008 και Η προσαρμογή των δύο εξισώσεων στα δεδομένα των υπό μελέτη παραμέτρων προέκυψε πάρα πολύ καλή. Οι συντελεστές της εξίσωσης (4.1) και της εξίσωσης (4.2) για τις μελετούμενες παραμέτρους των δύο ετών δίνονται αντίστοιχα στους Πίνακες 4.1 και 4.2. Στα Σχήματα 4.1, 4.2 και 4.3 δίνεται η χρονική διακύμανση των παραμέτρων h c, R d και R ef με τις προσαρμοσμένες εξισώσεις και τις μετρημένες τιμές τους, αντίστοιχα, για τα δύο έτη. 2 Πίνακας 4.1 Τιμές των συντελεστών της εξίσωσης (4.1) για τις παραμέτρους h c, R d και R ef στα λυσίμετρα για τα έτη 2008 και Παράμετρος Final a b c d R 2 RMSE h c (t) a h c (t) a R d (t) b R d (t) b R ef (t) c R ef (t) c Πίνακας 4.2 Τιμές των συντελεστών της εξίσωσης (4.2) για τις παραμέτρους h c, R d και R ef στα λυσίμετρα για τα έτη 2008 και Παράμετρος Final a b c d R 2 RMSE h c (t) a h c (t) a R d (t) b R d (t) b R ef (t) c R ef (t) c Τελική μέγιστη μετρημένη τιμή, σύγκριση μεταξύ των δύο ετών για κάθε παράμετρο (Anova p<0.05), RMSE σε cm

71 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο h c (t) cm Lysimeters 2008 Lysimeters 2009 LOG Lysimeters 2008 LOG Lysimeters 2009 MMF Lysimeters 2008 MMF Lysimeters DAS Σχήμα 4.1 Χρονική μεταβολή των μετρημένων και υπολογισμένων τιμών του ύψους των φυτών h c στα λυσίμετρα κατά τα έτη 2008 και R d (t) cm Lysimeters 2008 Lysimeters 2009 LOG Lysimeters 2008 LOG Lysimeters 2009 MMF Lysimeters 2008 MMF Lysimeters DAS Σχήμα 4.2 Χρονική μεταβολή των μετρημένων και υπολογισμένων τιμών του μήκους των ριζών R d στα λυσίμετρα κατά τα έτη 2008 και R ef (t) cm Lysimeters 2008 Lysimeters 2009 LOG Lysimeters 2008 LOG Lysimeters 2009 MMF Lysimeters 2008 MMF Lysimeters DAS Σχήμα 4.3 Χρονική μεταβολή των μετρημένων και υπολογισμένων τιμών του αποτελεσματικού βάθους ριζοστρώματος R ef στα λυσίμετρα κατά τα έτη 2008 και *DAS Ημέρα από τη σπορά (Day after sowing )

72 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο Η εξίσωση (4.1) έδειξε σχετικώς καλύτερη προσαρμογή στη διακύμανση του ύψους των φυτών ενώ η εξίσωση (4.2) σχετικώς καλύτερη προσαρμογή στη διακύμανση του μήκους των ριζών και του αποτελεσματικού ριζοστρώματος. Οι διαφορές που εντοπίστηκαν ως προς την συμπεριφορά των δύο εξισώσεων είναι ότι η εξίσωση (4.2) είναι σχετικώς πιο εύκαμπτη στις αρχικές τιμές ανάπτυξης. Η εφαρμογή των εξισώσεων αυτών στις συγκεκριμένες παραμέτρους της καλλιέργειας του ρυζιού, περιορίζεται μέχρι την 100 η ημέρα από τη σπορά, καθώς από εκεί και μετά οι τιμές των μελετούμενων παραμέτρων σταθεροποιούνται σε μια τελική τιμή. Επίσης, θα πρέπει να σημειωθεί ότι στις πρώτες 3-4 περίπου ημέρες παρατηρούνται κάποιες φορές πολύ μικρές αρνητικές τιμές των υπολογισμένων τιμών. Οι διαφοροποιήσεις στις μέγιστες τελικές μετρημένες τιμές των μελετούμενων παραμέτρων ήταν στατιστικά μη σημαντικές (LSD για επίπεδο εμπιστοσύνης 95%) μεταξύ των δύο ετών, γεγονός το οποίο δεν οδήγησε σε συμπεράσματα που να αφορούν μεταβολές λόγω της επαναλαμβανόμενης καλλιέργειας του ρυζιού ή της διαφορετικής πυκνότητάς τους λόγω χρήσης διαφορετικής ποσότητας σπόρου. 4.3 Δείκτης φυλλικής επιφάνειας Παραλλαγές του δείκτη φυλλικής επιφάνειας Μία από τις σημαντικότερες αγρονομικές παραμέτρους, είναι η φυλλική επιφάνεια των φυτών, της οποίας οι βασικές ιδιότητες είναι οι εξής: απορρόφηση-ανάκλαση της ηλιακής ακτινοβολίας και επίδραση στην ανάπτυξη και απόδοση των φυτών (Wilhelm et al., 2000). διαμόρφωση του μικροκλίματος μέσα και κάτω από το φύλλωμα του φυτού, το οποίο καθορίζει τη διαπνοή του, τη συγκράτηση του νερού της βροχής και της άρδευσης από το φύλλωμα (όταν η μέθοδος άρδευσης είναι ο καταιονισμός) και την ανταλλαγή αερίων και ενέργειας με την ατμόσφαιρα (Brėda, 2003). Η συμμετοχή της φυλλικής επιφάνειας στα διάφορα μοντέλα ανάπτυξης καλλιεργειών και προσομοίωσης ισοζυγίου νερού και θρεπτικών στοιχείων γίνεται συνήθως μέσω του δείκτη φυλλικής επιφάνειας, ο οποίος σύμφωνα με τον Watson (1947), ορίζεται ως ο λόγος της συνολικής επιφάνειας της μίας πλευράς του φωτοσυνθετικού ιστού των φυτών ανά μονάδα επιφάνειας του εδάφους. Για τη μέτρηση του δείκτη έχουν αναπτυχθεί πάρα πολλές μέθοδοι που διακρίνονται σε άμεσες και έμμεσες (Brėda, 2003), των οποίων τα ειδικά χαρακτηριστικά έχουν διερευνηθεί εκτενώς από τους Jonckheere et al. (2004). Ο λόγος για τον οποίο αναπτύχθηκαν τόσες πολλές μέθοδοι και ειδικότερα οι έμμεσες, είναι γιατί κυρίως σε δενδρώδεις καλλιέργειες και δασικά είδη είναι δύσκολο να εφαρμοστούν οι άμεσες, οι οποίες απαιτούν: σχετικά ομοιόμορφη κατανομή των φυτών και της φυτοκόμης μη παρεμβολή άλλων φυτικών ειδών επίπονες και χρονοβόρες δειγματοληψίες φυτικών ιστών, οι οποίες γίνονται συνήθως για περιορισμένες θέσεις (λιγότερες επαναλήψεις για κάθε μέτρηση), για λιγότερες μετρήσεις κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου και για μικρότερα εμβαδά επιφάνειας εδάφους (Stroppiana et al., 2006). Από την άλλη μεριά όμως οι άμεσες μέθοδοι θεωρούνται οι πιο ακριβείς (Chen et al., 1997) και γι αυτό χρησιμοποιούνται για τη ρύθμιση των έμμεσων μεθόδων μέτρησης (Cutini et al., 1998). Οι έμμεσες μέθοδοι εκτιμούν το δείκτη φυλλικής επιφάνειας μέσω της παρατήρησης άλλων εύκολα μετρήσιμων παραμέτρων (π.χ. ακτινοβολίας) με χρήση οπτικών οργάνων (Welles and Cohen, 1996). Τα όργανα αυτά λαμβάνουν κατά βάση μετρήσεις φυτοσκίασης, οι οποίες όμως δεν αντιστοιχούν στον πραγματικό δείκτη φυλλικής επιφάνειας

73 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο Για την καλύτερη κατανόηση των παραπάνω, θεωρήθηκε απαραίτητο να δοθούν οι διάφορες παραλλαγές του δείκτη που έχουν προταθεί ανάλογα με την περίπτωση κι έχουν ως εξής: Δείκτης Φυλλικής Επιφάνειας - Leaf Area Index (LAI) Εκφράζει το εμβαδόν της μίας πλευράς των φωτοσυνθετικών ιστών (μόνο των φύλλων χωρίς τη συμμετοχή άλλων ιστών) ανά μονάδα επιφάνειας εδάφους (Watson, 1947). O δείκτης αναφέρεται σε μετρήσεις που γίνονται με την άμεση μέθοδο εμβαδομέτρησης μόνο των φύλλων. Δείκτης Φωτοσυνθετικής Φυτικής Επιφάνειας - Foliage Area Index (FAI) Εκφράζει το εμβαδόν της μίας πλευράς όλων των μερών του φυλλώματος και των υπόλοιπων στελεχών όπως κλάδοι και βλαστοί, τα οποία συμμετέχουν στην απορρόφησηανάκλαση της ακτινοβολίας ανά μονάδα επιφάνειας εδάφους (Welles and Norman, 1991). Ο όρος αυτός αναφέρεται σε φυτά στα οποία φωτοσυνθέτουν όλα τα στελέχη τους και χρησιμοποιήθηκε στην περίπτωση υγροτοπικών φυτών όπως τα phragmites australis από τους Kim et al., (1998) και Arkebauer et al., (2001). O δείκτης αναφέρεται σε μετρήσεις που γίνονται με την άμεση μέθοδο εμβαδομέτρησης. Δείκτης Φυτικής Επιφάνειας - Plant Area Index ή Vegetation Area Index (PAI ή VAI) Εκφράζει το εμβαδόν εκείνων των μερών της υπέργειας φυτομάζας (φύλλα, στελέχη, κλάδοι, ταξιανθίες) που συμμετέχουν στη συγκράτηση της ακτινοβολίας, τα οποία είτε φωτοσυνθέτουν είτε όχι (Neumann et al., 1989; Fassnacht et al., 1994). Η διαφορά του PAI με το VAI είναι ότι το πρώτο αναφέρεται σε ένα τύπο φυτών (π.χ. καλλιεργήσιμα φυτά) ενώ το δεύτερο αφορά την φυτοκάλυψη φυσικών οικοσυστημάτων. Οι δείκτες αυτοί αφορούν τις οπτικές μεθόδους μέτρησης και οι μετρήσεις που δίνουν δεν αντιστοιχούν στο πραγματικό LAI ή FAI. Οι Chen and Black (1992) πρότειναν οι όροι PAI και VAI να μετονομαστούν σε ενεργός δείκτης φυλλικής επιφάνειας (Effective LAI, L e ), ο οποίος εκφράζει το ενεργό εμβαδό της φυτικής επιφάνειας, η οποία συμμετέχει στη μείωση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας στο έδαφος και μετράται με τις οπτικές μεθόδους μέτρησης. Με βάση την ανασκόπηση της διεθνούς βιβλιογραφίας, υπάρχει μια σχετική σύγχυση των παραπάνω παραλλαγών γιατί σε όλες τις περιπτώσεις χρησιμοποιείται ο όρος «δείκτης φυλλικής επιφάνειας - LAI» εκτιμώντας τον είτε με άμεσες είτε με έμμεσες οπτικές μεθόδους για διαφορετικούς τύπους φυτών είτε σε αγροτικά είτε σε φυσικά οικοσυστήματα Μέθοδοι προσδιορισμού του δείκτη φυλλικής επιφάνειας Άμεσες μέθοδοι προσδιορισμού του LAI Στις άμεσες μεθόδους διαχωρίζονται τα φύλλα από τα άλλα μέρη του φυτού και προσδιορίζεται το συνολικό εμβαδόν τους (άμεση καταστροφική μέθοδος εμβαδομέτρησης - planimetric method). Το γινόμενο του μέσου εμβαδού των φύλλων ανά φυτό και της πυκνότητας των φυτών δίνει το δείκτη φυλλικής επιφάνειας (LAI). Εναλλακτικά με αυτές τις μεθόδους το LAI μπορεί να μετρηθεί και χωρίς την καταστροφή των φυτών. Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιούνται εμπειρικές σχέσεις που συνδέουν το εμβαδόν των φύλλων με τις διαστάσεις τους (Bréda, 2003). Η μέθοδος άμεσης εμβαδομέτρησης με καταστροφή των φύλλων, πέρα από το γεγονός ότι είναι η πιο ακριβής μέθοδος, παρουσιάζει και το πλεονέκτημα ότι από αυτήν μπορεί να προκύψει και μία άλλη πιο απλοποιημένη και λιγότερο επίπονη μέθοδος, η οποία καλείται βαρυμετρική μέθοδος (gravimetric method). Σύμφωνα με τους Brėda, (2003) και Jonckheere et al. (2004), κατά τη βαρυμετρική μέθοδο χρησιμοποιούνται οι λόγοι SLA (cm 2 /g) (green leaf area to dry weight ratio ή specific leaf area) για κάθε ημέρα ανάπτυξης, οι οποίοι δίνονται από τη σχέση:

74 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο SLAi LAi / DML i (4.3) όπου LA: το εμβαδόν της φυλλικής επιφάνειας (cm 2 ), DML: το ξηρό βάρος (g) των εμβαδομετρημένων φύλλων και i: το χρονικό βήμα (day) από την ημέρα της σποράς. Ο λόγος της μάζας της φυλλικής επιφάνειας ανά μονάδα εμβαδού επιφάνειας εδάφους LMA (g cm -2 ) (leaf mass per unit area) δίνεται από τη σχέση: LMAi DMLi / A (4.4) όπου Α: η επιφάνεια του εδάφους (cm 2 ). Οι λόγοι SLA μπορούν να προσδιοριστούν πειραματικά για ένα αντιπροσωπευτικό αριθμό ημερών, για τα διάφορα στάδια ανάπτυξης σε όλη την καλλιεργητική περίοδο. Η τιμή του LAI (cm 2 cm -2 ) μπορεί στη συνέχεια να υπολογίζεται με ζύγιση του ξηρού βάρους των φύλλων που αντιστοιχεί σε μια ορισμένη επιφάνεια του εδάφους για τις ημέρες που προσδιορίστηκαν οι λόγοι SLA, σύμφωνα με τη σχέση: LAIi SLAi LMA i (4.5) Έμμεσες μέθοδοι υπολογισμού του LAI A) Μέθοδοι εκτίμησης του LAI με μετρήσεις ακτινοβολίας ημισφαιρικών εικόνων Η εκτίμηση του LAI με χρήση οργάνων που μετρούν την ακτινοβολία στηρίζεται στο νόμο των Beer Lambert, ο οποίος αναφέρεται στην εξασθένισή της όταν αυτή διαπερνά ένα μέσο (π.χ. υγρό, αέριο κ.α.) (Rich, 1990). Οι Monsi και Saeki (1953) επέκτειναν τη θεωρία για την περίπτωση μείωσης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας στο έδαφος λόγω φυτοκόμης, σύμφωνα με τη σχέση: I Ioexp( kext LAI) (4.6) όπου Ι ο : η ολική προσπίπτουσα ακτινοβολία, Ι: η προσπίπτουσα ακτινοβολία κάτω από την φυτοκόμη, LAI: ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας και k ext : ο συντελεστής ανάσχεσης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας λόγω φυτοσκίασης από τη φυτοκόμη, ο οποίος παίρνει τιμές από 0 έως 1. Με την παραπάνω μέθοδο υπολογίζεται ο λόγος μείωσης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας λόγω φυτοκόμης (gap fraction) με βάση τις τιμές του LAI. Ο λόγος μείωσης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας λόγω φυτοκόμης (gap fraction) προσδιορίζεται είτε χειροκίνητα (πηχάκια μέτρησης σκίασης-φωτισμού), είτε με μεθόδους ανάλυσης εικόνας (Digital Plant Canopy Imager CI 100, MVI), είτε υπολογίζοντας τη διαφορά της ακτινοβολίας πάνω και κάτω από τη φυτοκόμη (AccuPAR, DΕΜΟΝ, Licor LAI-2000 Plant Canopy Analyzer). Το μέγιστο υπολογισμένο LAI με τα όργανα αυτά είναι συνήθως μικρότερο από αυτό που υπολογίζεται από τις άμεσες μεθόδους φτάνοντας ασυμπτωτικά σε μία μέγιστη τιμή γύρω στο 5-6 (Gower et al.,1999), η οποία οφείλεται στην αλληλοεπικάλυψη των φύλλων. Β) Τηλεπισκοπική μέθοδος εκτίμησης του LAI H μελέτη φυτικών παραμέτρων όπως το LAI με χρήση μεθόδων τηλεπισκόπισης είναι ιδιαίτερα πολύπλοκη, καθώς η ανάκλαση του φωτός από τη φυτοκόμη δεν εξαρτάται μόνο από τα μορφολογικά και φυσιολογικά χαρακτηριστικά των φυτών αλλά και από τα εδαφικά χαρακτηριστικά, την ίδια την ακτινοβολία, τις συνθήκες της ατμόσφαιρας και τη γωνία παρατήρησης. Για τη μείωση του σφάλματος των παραπάνω εξωγενών παραμέτρων που υπεισέρχεται στην ανάκλαση της φυτοκόμης, αναπτύχθηκαν κάποιοι φυτικοί δείκτες (vegetation indices Vis). Οι δείκτες Vis βασίζονται στην προϋπόθεση ότι η φασματική συμπεριφορά της φυτοκόμης συσχετίζεται με κάποια ειδικά χαρακτηριστικά. Για παράδειγμα το φάσμα του ερυθρού χρώματος (Red reflectance-r) με μήκος κύματος nm απορροφάται από τη χλωροφύλλη δίνοντας πολύ χαμηλές τιμές του λόγου της ανακλώμενης προς την προσπίπτουσα ακτινοβολία ενώ το φάσμα της εγγύτερης υπέρυθρης ακτινοβολίας

75 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο (Very near infrared-vnir) με μήκος κύματος nm ανακλάται ισχυρά από τις μικροκυτταρικές δομές των φύλλων (Vaesen et al., 2001). Οι σημαντικότεροι από τους δείκτες αυτούς είναι ο Simple Ratio SR (Jordan, 1969), o Normalized Difference Vegetation Index NDVI (Rouse et al., 1973), ο Perpendicular Vegetation Index PVI (Richardson and Wiegand, 1977) και ο Weighted Difference Vegetation Index WDVI (Clevers, 1989) (Αλεξανδρής, 2003). Το ποσοστό κάλυψης του εδάφους (Ground Cover GC) υπολογίζεται έμμεσα από την απορρόφηση της φωτοσυνθετικά ενεργής ακτινοβολίας (PAR nm) από τη φυτοκόμη. Ο λόγος της ανακλώμενης προς την εισρεόμενη PAR μειώνεται εκθετικά με την αύξηση του LAI και δίνεται από τη σχέση: kext LAI fpar 1e GC (4.7) Μετά τον υπολογισμό του GC γίνεται συσχέτισή του με μετρημένες φυτικές παραμέτρους όπως το LAI και το βάρος της υπέργειας φυτομάζας. Για τη μέθοδο αυτή χρησιμοποιούνται είτε δορυφορικές εικόνες, είτε γίνονται μετρήσεις με ειδικά όργανα μέτρησης (hand held radiometer) από μικρό ύψος πάνω από τη φυτοκόμη Ανασκόπηση των μεθόδων προσδιορισμού του LAI για την καλλιέργεια ρυζιού Η άμεση μέθοδος εμβαδομέτρησης του LAI έχει χρησιμοποιηθεί εκτενώς σε πάρα πολλές δημοσιευμένες εργασίες. Οι τιμές που δίνουν οι διάφοροι ερευνητές παρουσιάζουν μεγάλες διακυμάνσεις ανάλογα με την ποικιλία, τις εδαφο-κλιματικές συνθήκες και τις μεταχειρίσεις που υφίσταται η καλλιέργεια. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η εργασία των Belder et al., (2004), οι οποίοι παρουσίασαν τιμές του LAI (LAI max = από 1 έως 10) με βάση διαφορετικές μεταχειρίσεις στη λίπανση και στην άρδευση, του Sheehy (2000) σύμφωνα με τον οποίο οι νέες ποικιλίες κάτω από ιδανικές συνθήκες δίνουν τιμές κοντά στο 11 με τη μέγιστη καταγεγραμμένη να φτάνει στο 17, των Evans and von Caemmerer (2000) σύμφωνα με τους οποίους οι τιμές του LAI για ιδανικές συνθήκες είναι μεταξύ 6-10 και των Kiniry et al. (2001), οι οποίοι κατέγραψαν τιμές μεταξύ στις ΗΠΑ. Πολύ μικρότερες τιμές του δείκτη παρατηρούνται στις πειραματικές εφαρμογές που αφορούν ασιατικές χώρες στις οποίες δεν γίνεται σπορά αλλά μεταφύτευση σε σειρές όπου οι πυκνότητες αλλά και οι αποδόσεις είναι πολύ μικρότερες. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι εργασίες, στις οποίες γίνεται σύγκριση της άμεσης και κάποιας από τις έμμεσες μεθόδους μέτρησης του LAI με τις κυριότερες να δίνονται στη συνέχεια. Μετρήσεις με το όργανο LAI-2000 Η λειτουργία του συγκεκριμένου οργάνου βασίζεται στην πρώτη περίπτωση των έμμεσων μεθόδων προσδιορισμού του δείκτη φυλλικής επιφάνειας και είναι από τα πλέον χρησιμοποιούμενα. Το όργανο αυτό αναλύει την φωτεινή-σκοτεινή αντίθεση του διαχεόμενου φωτός (<490 nm) που δημιουργεί η φυτοκόμη κάτω από αυτήν, δίνοντας εκτιμήσεις του VAI ή PAI (LI-COR, 1992). Η συγκεκριμένη μέθοδος εφαρμόστηκε από τους Dinghuhn et al. (1999) και Stroppiana et al. (2006) για την περίπτωση του ρυζιού, οι οποίοι την συνέκριναν με την άμεση μέθοδο εμβαδομέτρησης προσδιορισμού του LAI. Οι μετρήσεις των Dinghuhn et al. (1999) έγιναν σε πειραματικά αγροτεμάχια ρυζιού στην Ακτή Ελεφαντοστού με λίπανση (60 kg N ha -1, 20 kg P και 20 kg K ha -1 ) για τρεις ποικιλίες ρυζιού. Στις μετρήσεις του LAI με την άμεση μέθοδο εμβαδομέτρησης μετρήθηκαν μόνο τα φύλλα και όχι οι βλαστοί. Από την συσχέτιση των μετρημένων τιμών του LAI με εμβαδομέτρηση και του LAI-2000 προέκυψε καλή συμφωνία (Y=1.04X+0.03 με R 2 =0.83, n=34, εύρος μετρήσεων LAI μεταξύ ). Ο συντελεστής k ext εκτιμήθηκε για διάφορα στάδια ανάπτυξης με μέσες τιμές μεταξύ Παρόμοια αποτελέσματα για τον συντελεστής k ext δίνουν και οι Katsura et al. (2008)

76 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο Οι μετρήσεις των Stroppiana et al. (2006) έγιναν ακολουθώντας την ίδια μεθοδολογία των Dinghuhn et al. (1999) σε δύο πειραματικά αγροτεμάχια της βόρειας Ιταλίας με δύο διαφορετικές μεταχειρίσεις αζωτούχου λίπανσης (0 και 160 kg N ha -1 ). Με την άμεση μέθοδο εμβαδομέτρησης οι μέγιστες τιμές του LAI που μετρήθηκαν στις δύο μεταχειρίσεις ήταν περίπου 4.6 και 7.25, αντίστοιχα. Στις μετρήσεις αυτές μετρήθηκαν μόνο τα φύλλα και όχι οι βλαστοί. Από τα αποτελέσματα της έρευνας προέκυψε καλή συμφωνία μεταξύ των δύο μεθόδων (LAI vs LAI2000) (R 2 =0.7, RRMSE=33%, EF=0.66). Η μέθοδος παρουσίασε μειονέκτημα για τιμές LAI<1, όπου ο συντελεστής k ext ξεπερνούσε κατά πολύ ( ) τις αποδεκτές τιμές (αποδεκτές τιμές σύμφωνα με τους Kiniry et al., 2001), γεγονός το οποίο αιτιολογήθηκε από τους συγγραφείς στην αραιή κατανομή και το μικρό μέγεθος των φυτών στο αρχικό στάδιο ανάπτυξης. Σύμφωνα με τους ερευνητές, στις υψηλές τιμές του LAI>6 η μέθοδος δεν παρουσίασε πρόβλημα, γεγονός το οποίο έρχεται σε αντίθεση με αναφορές άλλων ερευνητών όπως οι Gower et al. (1999), οι οποίοι υποστηρίζουν ότι οι οπτικές μέθοδοι λόγω της υψηλής πυκνότητας των φυτών μπορούν να μετρήσουν το LAI μέχρι μια ορισμένη τιμή (συνήθως όχι πάνω από 5-6). Μετρήσεις με την τηλεπισκοπική μέθοδο Η μελέτη του ρυζιού με τη μέθοδο αυτή διαφέρει σημαντικά από τις υπόλοιπες καλλιέργειες επειδή το νερό κατάκλυσης, το βάθος του, η θολότητά του και το χρώμα του υγρού εδάφους κάτω από αυτό επηρεάζει σημαντικά τη φασματική ανάκλαση (Vaesen et al., 2001). Σημαντικές εργασίες που έχουν παρουσιαστεί για τη μέτρηση του LAI στο ρύζι με αυτή τη μέθοδο είναι των Casanova et al. (1998) και Vaesen et al. (2001). Στην εργασία των Casanova et al. (1998), η οποία διεξάχθηκε στην Ισπανία, έγινε συσχέτιση των τεσσάρων προαναφερθέντων δεικτών VIs με το ποσοστό κάλυψης του εδάφους f PAR. Από τις συσχετίσεις των τεσσάρων δεικτών επιλέχθηκε η WDVI - f PAR, γιατί είχε το μικρότερο σφάλμα και γιατί λαμβάνει υπόψη την ανάκλαση του εδάφους και του νερού κάτω από τη φυτοκόμη. Αξίζει επιπλέον να αναφερθεί ότι στο πρώιμο στάδιο της καλλιέργειας οι συσχετίσεις των τεσσάρων δεικτών υπερεκτιμούν το f PAR. Ο WDVI χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια για τον υπολογισμό του LAI και του ξηρού βάρους της υπέργειας φυτομάζας. Τα αποτελέσματα του LAI συγκρίθηκαν με μετρημένες τιμές (R 2 =0.67, μετρημένο LAI max 5.8), οι οποίες ελήφθησαν με την άμεση μέθοδο. Πολύ σημαντικό εύρημα των ερευνητών ήταν ότι το ξηρό βάρος της υπέργειας φυτομάζας (WA) σε (g m -2 ) σχετίζεται με την αθροιστική προσλαμβανόμενη φωτοσυνθετικά ενεργή ακτινοβολία (AI PAR ) σε MJ m -2, σύμφωνα με την παρακάτω σχέση: WA 2.25 AI PAR (R 2 =0.97) (4.8) Παρόμοιες σχέσεις έδωσαν και οι Kiniry et al. (2001). Η σχέση (4.8) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της συνολικής ηλιακής ενέργειας που απορροφάται από την καλλιέργεια του ρυζιού με μετρήσεις του ξηρού βάρους της υπέργειας φυτομάζας κατά τη συγκομιδή. Παρόμοια με την εργασία των Casanova et al. (1998) ήταν και η εργασία των Vaesen et al. (2001), η οποία διεξάχθηκε στη Σενεγάλη. Σημαντικές επίσης εργασίες είναι των Shibayama et al. (1993), οι οποίοι χρησιμοποίησαν τους δείκτες VIs για τον εντοπισμό έλλειψης νερού στο ρύζι, καθώς και των Nguyen et al. (2006), οι οποίοι τους χρησιμοποίησαν για την εκτίμηση του περιεχόμενου αζώτου στη φυτομάζα του ρυζιού Ανάπτυξη της βαρυμετρικής μεθόδου μέτρησης του LAI για την καλλιέργεια του ρυζιού πειραματική εφαρμογή σε λυσίμετρα Στην περίπτωση των λυσιμέτρων όπου γίνονται πειράματα με ρύζι υπό κατάκλυση αλλά και σε οποιαδήποτε άλλη περίπτωση ζυγιστικού λυσιμέτρου που χρησιμοποιείται για την μέτρηση της εξατμισοδιαπνοής, είναι απαγορευτικό να γίνει δειγματοληψία φυτών για

77 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο μέτρηση του LAI γιατί μεταβάλλεται το σύστημα. Η λύση φυσικά για ένα τέτοιο πρόβλημα είναι η χρήση μιας από τις έμμεσες μεθόδους μέτρησης του LAI, οι οποίες όμως απαιτούν υψηλό κόστος αγοράς οργάνων και είναι πιο αξιόπιστες στην περίπτωση δασικών ειδών και δένδρων παρά χαμηλών καλλιεργήσιμων φυτών. Ειδικότερα για την περίπτωση του ρυζιού, το οποίο καλλιεργείται σε υψηλότερες πυκνότητες σύμφωνα με τα αμερικάνικα και ευρωπαϊκά πρότυπα όπου η φύτευση γίνεται με σπορά στα πεταχτά και όχι με μεταφύτευση σε σειρές, οι έμμεσες μέθοδοι πιθανόν να καθίστανται ανεπαρκείς στο να προσδιορίσουν την ακριβή τιμή του LAI όταν αυτό φτάνει σε υψηλές τιμές. Μια άλλη λύση είναι η ανάπτυξη μιας έμμεσης μεθόδου, η οποία θα συσχετίζει την τελική συγκομιζόμενη υπέργεια φυτομάζα με το δείκτη φυλλικής επιφάνειας. Για το σκοπό αυτό είναι αναγκαία η χρήση της βαρυμετρικής μεθόδου, με την οποία προσδιορίζεται η διακύμανση του LAI με βάση την ανάπτυξη της φυτομάζας και το τελικό συγκομιζόμενο προϊόν, γεγονός το οποίο θα δίνει τη δυνατότητα καθορισμού του LAI προς τα πίσω χωρίς ενδιάμεσες δειγματοληψίες. Μερικές από τις ιδιαιτερότητες του ρυζιού που πρέπει να ληφθούν υπόψη είναι οι εξής: Στις πρώτες ημέρες ανάπτυξης του ρυζιού δεν ξεχωρίζει ο βλαστός από τα φύλλα με αποτέλεσμα να υπάρχει πρόβλημα διαχωρισμού του LAI από το FAI. Οι περισσότεροι ερευνητές που μετρούν το LAI με εμβαδομέτρηση μόνο των φύλλων και το συγκρίνουν με έμμεσες μεθόδους αναφέρουν σημαντικά σφάλματα κατά τα πρώτα στάδια (συνήθως για LAI<1) (Dinghuhn et al., 1999; Stroppiana et al., 2006). Για το λόγο αυτό κατά τη βαρυμετρική μέθοδο που θα αναπτυχθεί στη συνέχεια υπολογίζεται το FAI και από αυτό έμμεσα το LAI. Επίσης το FAI πλεονεκτεί του LAI καθώς δεν χρειάζεται να γίνεται διαχωρισμός φύλλων-βλαστών και συσχετίζεται πιο εύκολα με τη φυτοσκίαση, η οποία εξαρτάται από όλη τη φυτομάζα. Στο αρχικό στάδιο ανάπτυξης (πρώτες ημέρες περίπου), το φυτό δεν παρουσιάζει αδέλφια, ενώ στη συνέχεια και για μια περίοδο ημερών (περίοδος αδελφώματος) παρατηρείται η ανάπτυξη αδελφιών των οποίων ο αριθμός σταθεροποιείται περίπου κατά την 80 η ημέρα. Για το λόγο αυτό απαιτείται και η ανάλυση της μεταβολής του αριθμού των αδελφιών κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου. Στη συνέχεια γίνεται η πλήρης περιγραφή της μεθόδου που αναπτύχθηκε για τον έμμεσο προσδιορισμό του LAI στις πειραματικές διατάξεις των λυσιμέτρων τα οποία χρησιμοποιούνταν για τον υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής. Η μέθοδος κατά βήματα 1) Τυχαία επιλογή 126 φυτών από 14 λυσίμετρα (8-10 από κάθε λυσιμέτρο), τα οποία σημαδεύτηκαν με ταμπελάκια και σύρμα στη βάση της ρίζας, για την καταγραφή της διακύμανσης του αριθμού των αδελφιών TILN την περίοδο αδελφώματος του ρυζιού. Με βάση τις μετρημένες τιμές, η περίοδος του αδελφώματος μπορεί να χωριστεί σε δύο υποπεριόδους, την υποπερίοδο ταχείας ανάπτυξης (30 η έως 60 η ημέρα από τη σπορά) και την υποπερίοδο σταθεροποίησης (60 η έως 90 η ημέρα από τη σπορά) όπου εμφανίζεται μία σχετική μείωση των αδελφιών (μη παραγωγικά αδέλφια), η ένταση της οποίας ποικίλει κι εξαρτάται από την ένταση του ανταγωνισμού μεταξύ των φυτών λόγω πυκνότητας ή γονιμότητας (Yang et al., 2006; Zhao et al., 2008). Μετά την 90 η ημέρα από τη σπορά ο αριθμός των αδελφιών σταθεροποιείται σε μια τελική τιμή. Τόσο ο μέγιστος όσο και ο τελικός αριθμός αδελφιών εξαρτάται κατά κύριο λόγο από την ποικιλία. Σημαντική όμως είναι και η επίδραση της πυκνότητας σποράς όπου στα συστήματα που εφαρμόζεται σπορά στα πεταχτά συνήθως ο αριθμός είναι μικρότερος σε σχέση με τη μεταφύτευση σε σειρές (Moldenhauer and Slaton, 2006). Στις μετρημένες τιμές έγινε η ανάλυση προσαρμογής εξισώσεων για την προσομοίωση της διακύμανσης του αριθμού των αδελφιών. Από την ανάλυση προέκυψε ότι η εξίσωση του Richards (Draper and Smith, 1998) και η εξίσωση του βασικού μοντέλου πίεσης υδρατμών

78 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο (Hyams, 2010) είναι οι ιδανικότερες για την περιγραφή του φαινομένου και δίνονται αντίστοιχα από τις σχέσεις: a RCD (4.9) b ct d 1 e 1/ b a cnt t VP e (4.10) όπου t: ο χρόνος σε ημέρες από την σπορά (DAS). Με βάση τις μετρήσεις του TILN προσδιορίστηκαν οι παράμετροι των εξισώσεων (4.9) και (4.10) χωριστά για κάθε χρονιά και δίνονται στους Πίνακες 4.3 και 4.4, αντίστοιχα. Πίνακας 4.3 Τιμές των συντελεστών της εξίσωσης (4.9) για τη διακύμανση του αριθμού των αδελφιών του ρυζιού στα λυσίμετρα για τα έτη 2008 και Παράμετρος Final a b c d R 2 RMSE TILN a TILN b Πίνακας 4.4 Τιμές των συντελεστών της εξίσωσης (4.10) για τη διακύμανση του αριθμού των αδελφιών του ρυζιού στα λυσίμετρα για τα έτη 2008 και Παράμετρος Final a b c R 2 RMSE TILN a TILN b Τελική μετρημένη τιμή, σύγκριση μεταξύ των δύο ετών (Anova p<0.05) RMSE σε αριθμό αδελφιών Στο Σχήμα 4.4 δίνεται η διακύμανση του αριθμού αδελφιών ανά φυτό για τις καλλιεργητικές περιόδους 2008 και 2009 μαζί με τις προσαρμοσμένες καμπύλες. Όσον αφορά την ακρίβεια περιγραφής των δύο καμπυλών, η εξίσωση RCD έδωσε σχετικώς καλύτερα αποτελέσματα. Βασική διαφορά των δύο εξισώσεων είναι ότι η πρώτη είναι πιο ακριβής στο στάδιο ταχείας ανάπτυξης αδελφιών και μόλις φτάνει στη μέγιστη τιμή μετατρέπεται σε ευθεία παράλληλη με τον άξονα x, χωρίς να πιάνει όμως τη μείωση που συμβαίνει στον αριθμό των μη παραγωγικών αδελφιών που παρατηρείται συνήθως μεταξύ 60 ης -80 ης ημέρας. Αντιθέτως, η δεύτερη εξίσωση δεν είναι τόσο ακριβής αλλά περιγράφει την μείωση των μη παραγωγικών αδελφιών. Η εφαρμογή των δύο εξισώσεων περιορίζεται μεταξύ της 30 ης και 90 ης ημέρας. Σε γενικές γραμμές ο μέσος αριθμός αδελφιών ανά φυτό της συγκεκριμένης ποικιλίας κυμάνθηκε σε πολύ χαμηλά επίπεδα σε σχέση με τις περισσότερες δοθείσες τιμές της διεθνούς βιβλιογραφίας, οι οποίες στην πλειοψηφία τους αφορούν ρύζι που μεταφυτεύεται, ενώ ήταν ελαφρώς υψηλότερες από καταγεγραμμένες τιμές άλλων όμως ποικιλιών που αναπτύχθηκαν σε ελληνικές συνθήκες (Ntanos and Koutroubas, 2002). Το εύρος που παρουσιάζεται στην βιβλιογραφία για διάφορους τύπους ποικιλιών, εδάφους, κλίματος, σποράς-μεταφύτευσης και άρδευσης είναι από 3 έως 25 αδέλφια (De Datta and Broadbend, 1993; Ntanos and Koutroubas, 2002; Castejon-Munoz, 2007; Zhao et al., 2008; Roy et al., 2009). Η διαφοροποίηση του τελικού αριθμού αδελφιών μεταξύ του 2008 και 2009 ήταν στατιστικώς σημαντική, γεγονός το οποίο αποδίδεται στην υψηλότερη πυκνότητα των φυτών της πρώτης χρονιάς σε σχέση με τη δεύτερη (η πυκνότητα περιγράφεται παρακάτω μέσω του LAI)

79 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο TILN Αριθμός αδελφιών 2008 Αριθμός αδελφιών 2009 RCD 2008 RCD 2009 VP 2008 VP DAS Σχήμα 4.4 Διακύμανση του μέσου αριθμού αδελφιών ανά φυτό κατά την περίοδο αδελφώματος της καλλιεργητικής περιόδου 2008 και 2009 στα λυσίμετρα. 2) Επιλογή φυτών ανά τακτά χρονικά διαστήματα από τρία λυσίμετρα, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για τη δειγματοληψία φυτών. Η επιλογή των φυτών σε κάθε δειγματοληψία έγινε με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε να επιτευχθεί η συλλογή φυτών σε κλάσεις σύμφωνα με τον αριθμό αδελφιών (π.χ. 5 φυτά με τρία αδέλφια, 5 φυτά με 4 αδέλφια, κ.ο.κ). Από τα λυσίμετρα που έγιναν οι δειγματοληψίες το 1/4 της επιφάνειάς τους έμεινε ανέπαφο για τον υπολογισμό της διακύμανσης του LAI και σε αυτά. Σε κάθε δειγματοληψία γίνεται μέτρηση του ύψους h c, εμβαδομέτρηση όλης της φυτικής επιφάνειας FA και εμβαδομέτρηση μόνο των φύλλων LA, χωριστά για κάθε φυτό. Η εμβαδομετρήσεις του FA και του LA έγιναν σε σαρωτή ειδώλου (scanner) μεγαλύτερων διαστάσεων (Α3) και χρήση ειδικού προγράμματος (Delta-T SCAN version 2.04nc) αφού οι εικόνες επεξεργάστηκαν με το πρόγραμμα Adobe Photoshop (Σχήμα 4.5). Στις σαρωμένες εικόνες, τα φύλλα και οι βλαστοί διαχωρίζονται και εμβαδομετρούνται χώρια, με σκοπό τον υπολογισμό του λόγου: LFi LAi / FA i (4.11) όπου LF: ο λόγος της φυλλικής επιφάνειας προς τη συνολική φυτική επιφάνεια (cm 2 cm -2 ), LA: εμβαδόν φυλλικής επιφάνειας (cm 2 ), FA: το εμβαδόν της φυτικής επιφάνειας (cm 2 ) και i: το χρονικό βήμα (day) από την ημέρα της σποράς. Η διακύμανση του παράγοντα LF για τα δύο έτη (2008 και 2009) δίνεται στο Σχήμα 4.6. α) β) γ) Σχήμα 4.5 α) Σάρωση φύλλων-βλαστών β) επεξεργασία εικόνας για την εμβαδομέτρηση της φυτικής επιφάνειας FA και γ) αφαίρεση των βλαστών για την εμβαδομέτρηση της φυλλικής επιφάνειας LA

80 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο 0.9 LF DAS Σχήμα 4.6 Διακύμανση του λόγου LF κατά την καλλιεργητική περίοδο του 2008 και ) Ξήρανση του κάθε φυτού στους 75 o C και ζύγιση όλου του ξηρού βάρους της υπέργειας φυτομάζας DMF (g). Για κάθε ημερομηνία δειγματοληψίας, το ξηρό βάρος της υπέργειας φυτομάζας DMF (g) συσχετίζεται με το εμβαδόν της φυτικής επιφάνειας FA (cm 2 ) και αυτά με τη σειρά τους εκφράζονται ως συναρτήσεις του αριθμού αδελφιών TILN: FAi = a DMFi + b, FAi = c TILNi + d, DMFi = e TILNi + f (4.12 α,β,γ) όπου DMF: το ξηρό βάρος της υπέργειας φυτομάζας φυτού (g), FA: εμβαδόν φυτικής επιφάνειας φυτού (cm 2 ), TILN i : ο αριθμός αδελφιών του φυτού, i: το χρονικό βήμα (day) από την ημέρα της σποράς, a,c,e: οι κλίσεις των αντίστοιχων γραμμικών εξισώσεων (slope) και b,d,f: οι σταθερές τομής των γραμμικών εξισώσεων στον κατακόρυφο άξονα (intercept). Η ρύθμιση των εξισώσεων (4.11) και (4.12α,β,γ) αποτελούν τη βάση της βαρυμετρικής μεθόδου και με βάση αυτές και το μέσο αριθμό αδελφιών μπορεί να υπολογίζεται το FAI και το LAI μόνο με μετρήσεις ξηρού βάρους φυτομάζας για τις συγκεκριμένες ημερομηνίες ρύθμισης. Τα αποτελέσματα εφαρμογής των εξισώσεων (4.12α,β,γ) δίνονται ανάλογα με τις ημέρες δειγματοληψιών στον Πίνακα 4.5 για τα έτη 2008 και 2009, αντίστοιχα, όπου όλοι οι συντελεστές συσχέτισης των εξισώσεων παρουσιάζουν επίπεδο εμπιστοσύνης (p<0.05) και ικανοποιητική προσαρμογή στα δεδομένα με μέση, μέγιστη και ελάχιστη τιμή (0.71, 0.82, 0.55) για την εξίσωση 4.12α, (0.82, 0.89, 0.69) για την εξίσωση 4.12β και (0.73, 0.85, 0.39) για την εξίσωση 4.12γ. Ο χαμηλός συντελεστής προσδιορισμού σε ορισμένες περιπτώσεις των τριών εξισώσεων οφείλεται στη μεγάλη παραλλακτικότητα του βάρους κάποιων φυτών με ίδιο αριθμό αδελφιών που έτυχε να ληφθούν σε κάποιες από τις δειγματοληψίες. Ο συντελεστής προσδιορισμού για τις εξισώσεις που περιέχουν την παράμετρο του αριθμού αδελφιών TILN δεν δίνεται για την πρώτη δειγματοληψία των ετών 2008 και 2009 γιατί το TILN=1. Κατά την ημέρα i από τη σπορά, όπου είναι γνωστός ο μέσος αριθμός των αδελφιών ανά φυτό (Σχήμα 4.4), μπορεί να υπολογιστεί το ξηρό βάρος της υπέργειας φυτομάζας DMF, το εμβαδόν φυτικής επιφάνειας FA και φυλλικής επιφάνειας LA για ένα φυτό με το μέσο αντιπροσωπευτικό αριθμό αδελφιών (Σχήματα 4.7, 4.8, 4.9) για τις αντίστοιχες ημερομηνίες των μετρήσεων (ημέρες από τη σπορά) για τα δύο έτη

81 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο Πίνακας 4.5 Ανάλυση γραμμικής παλινδρόμησης μεταξύ των FA-DMF, FA-TILN, DMF-TILN, μέσος αριθμός αδελφιών ανά φυτό και αριθμός φυτών για κάθε ημερομηνία δειγματοληψίας των δύο ετών 2008 και /6/2008 (DAS=20) 1/7/2008 (DAS=40) y FA FA DMF y FA FA DMF x DMF TILN TILN x DMF TILN TILN slope slope intercept intercept R R TILN 1 Samples 32 TILN 2.5 Samples 30 21/7/2008 (DAS=60) 10/8/2008 (DAS=80) y FA FA DMF y FA FA DMF x DMF TILN TILN x DMF TILN TILN slope slope intercept intercept R R TILN 5.8 Samples 36 TILN 5.4 Samples 42 1/9/2008 (DAS=102) 1/10/2008 (DAS=132) y FA FA DMF y FA FA DMF x DMF TILN TILN x DMF TILN TILN slope slope intercept intercept R R TILN 5.4 Samples 42 TILN 5.4 Samples 36 11/6/2009 (DAS=20) 1/7/2009 (DAS=40) y FA FA DMF y FA FA DMF x DMF TILN TILN x DMF TILN TILN slope slope intercept intercept R R TILN 1 Samples 32 TILN 2.3 Samples 30 21/7/2009 (DAS=60) 10/8/2009 (DAS=80) y FA FA DMF y FA FA DMF x DMF TILN TILN x DMF TILN TILN slope slope intercept intercept R R TILN 6.3 Samples 36 TILN 6.1 Samples 42 1/9/2009 (DAS=102) 1/10/2009 (DAS=132) y FA FA DMF y FA FA DMF x DMF TILN TILN x DMF TILN TILN slope slope intercept intercept R R TILN 6.1 Samples 42 TILN 6.1 Samples 36 DAS: ημέρα από τη σπορά

82 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο DMF (gr/plant) DAS Σχήμα 4.7 Διακύμανση του ξηρού βάρους της υπέργειας φυτομάζας DMF ανά φυτό με μέσο αριθμό αδελφιών 2008 και FA (cm 2 /plant) DAS Σχήμα 4.8 Διακύμανση του εμβαδού φυτικής επιφάνειας FΑ ανά φυτό με μέσο αριθμό αδελφιών 2008 και LA (cm 2 /plant) DAS Σχήμα 4.9 Διακύμανση του εμβαδού φυλλικής επιφάνειας LΑ ανά φυτό με μέσο αριθμό αδελφιών 2008 και

83 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο 4) Κατά τη συγκομιδή θερίζεται όλη η υπέργεια φυτομάζα του κάθε λυσιμέτρου (επιφάνεια Α=4 m 2 ) και ζυγίζεται. Σε αντιπροσωπευτικό δείγμα της φυτομάζας (1 kg υγρού φυτικού υλικού) γίνεται καταμέτρηση του συνολικού αριθμού αδελφιών, διαχωρισμός του σπόρου από τα στάχυ και ξήρανσή τους στους 75 o C, για τον υπολογισμό του ποσοστού της υγρασίας στα δύο μέρη της υπέργειας φυτομάζας, τη συνολική υπέργεια ξηρή φυτομάζα και τον υπολογισμό του συνολικού αριθμού αδελφιών σε κάθε λυσίμετρο. Με βάση τις παραπάνω μετρήσεις υπολογίζεται ο αριθμός των φυτών ανά μονάδα επιφάνειας: Αριθμός αδελφιών ανά λυσίμετρο N = (4.13) TILN A όπου N: ο αριθμός των φυτών ανά μονάδα επιφάνειας (αριθμός/m 2 ), TILN final : ο μέσος τελικός αριθμός αδελφιών ανά φυτό, Α: η επιφάνεια του λυσιμέτρου (m 2 ). Τα αποτελέσματα των μετρήσεων δίνονται στους Πίνακες 4.6 και 4.7 για τα έτη 2008 και 2009, αντίστοιχα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των Πινάκων 4.6 και 4.7 παρατηρήθηκε δυσανάλογη πυκνότητα φυτών μεταξύ πρώτης και δεύτερης χρονιάς σε σχέση με τη σπορά (250 kg ha -1 και 200 kg ha -1 σπόρου για το έτος 2008 και 2009, αντίστοιχα), γεγονός το οποίο μπορεί να αποδοθεί σε τρεις λόγους: 1) διαφορετική φυτρωτική ικανότητα του σπόρου λόγω πιθανών διαφοροποιήσεων των συνθηκών αποθήκευσης, 2) πιθανή επίδραση του γεγονότος ότι η πρώτη χρονιά ήταν η πρώτη φορά μετά από 35 χρόνια που εγκαταστάθηκε καλλιέργεια στα λυσίμετρα επιδρώντας θετικά ως προς την απόδοση ενώ στη δεύτερη χρονιά οι επιπτώσεις στο έδαφος της προηγούμενης χρονιάς να επέδρασαν αρνητικά (Κεφάλαιο 3) και 3) παρατηρήθηκε ότι στο αρχικό στάδιο επίτευξης της ριζοβολίας και σταθεροποίησης του φυτού (10-20 ημέρες μετά την σπορά) τα φυτά είναι ευαίσθητα στους ισχυρούς ανέμους και στους κυματισμούς που δημιουργούν, γεγονός το οποίο είχε ως αποτέλεσμα τη δεύτερη χρονιά να παρατηρηθεί το φαινόμενο της επίπλευσης νεαρών φυταρίων και αποτυχία ριζοβολίας μεγάλου ποσοστού τους (ημερομηνίες 6-7/5/2009, 15 ημέρες μετά την σπορά) λόγω σχετικά ισχυρών ανέμων, οι οποίοι ξεπέρασαν τα 3-4 m s -1. final

84 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο Πίνακας 4.6 Υγρό και ξηρό βάρος υπέργειας φυτομάζας, αριθμός αδελφιών και φυτών ανά μονάδα επιφάνειας και τελική απόδοση αναποφλοίωτου προϊόντος (14% υγρασία) των λυσιμέτρων για το έτος Υγρό βάρος υπέργειας φυτομάζας κατά τη συγκομιδή Ξηρό βάρος υπέργειας φυτομάζας Φυτά και απόδοση προϊόντος Νο. Σπόρος αναπ/τος (kg/ha) Υπέργειο χωρίς σπόρο (kg/ha) % υγρασία σπόρου % υγρασία υπέργειου χωρίς σπόρο Σπόρος αναπ/τος (kg/ha) Υπέργειο χωρίς σπόρο (kg/ha) Συνολικό υπέργειο (kg/ha) αδέλφια/m 2 Φυτά/m 2 Σπόρος αναπ/τος με 14% υγρασία (kg/ha) % 56.74% % 52.11% % 58.35% % 60.78% % 55.84% % 53.40% % 53.18% % 57.96% % 56.05% % 54.80% % 54.43% % 51.46% % 63.44% % 50.77% Average % 55.66% StDev % 3.60%

85 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο Πίνακας 4.7 Υγρό και ξηρό βάρος υπέργειας φυτομάζας, αριθμός αδελφιών και φυτών ανά μονάδα επιφάνειας και τελική απόδοση αναποφλοίωτου προϊόντος (14% υγρασία) των λυσιμέτρων για το έτος Υγρό βάρος υπέργειας φυτομάζας κατά τη συγκομιδή Ξηρό βάρος υπέργειας φυτομάζας Φυτά και απόδοση προϊόντος Νο. Σπόρος αναπ/τος (kg/ha) Υπέργειο χωρίς σπόρο (kg/ha) % υγρασία σπόρου % υγρασία υπέργειου χωρίς σπόρο Σπόρος αναπ/τος (kg/ha) Υπέργειο χωρίς σπόρο (kg/ha) Συνολικό υπέργειο (kg/ha) αδέλφια/m 2 Φυτά/m 2 Σπόρος αναπ/τος με 14% υγρασία (kg/ha) % 63.51% % 61.05% % 59.66% % 57.44% % 55.39% % 60.83% % 59.88% % 57.32% % 56.38% % 56.73% % 54.47% % 52.54% % 49.61% Average % 57.29% StDev % 3.79%

86 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο 5) Ο υπολογισμός του LAI-FAI κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου για το κάθε λυσίμετρο γίνεται με βάση τον αριθμό των φυτών N σύμφωνα με τις σχέσεις: FAI = 10 FA N και LAI = 10 LA N (4.14) i i όπου N: ο αριθμός των φυτών ανά μονάδα επιφάνειας (αριθμός/m 2 ), FA i 1 : η διακύμανση του εμβαδού της φυτικής επιφάνειας ενός φυτού με μέσο αριθμό αδελφιών (cm 2 ), LA i 1 : η διακύμανση του εμβαδού της φυλλικής επιφάνειας (cm 2 ), FAI i : η διακύμανση του δείκτη φυτικής επιφάνειας (cm 2 cm -2 ) και LAI i : η διακύμανση του δείκτη φυλλικής επιφάνειας (cm 2 cm -2 ). Στα Σχήματα 4.10 και 4.11 δίνεται η διακύμανση του δείκτη φυτικής επιφάνειας FAI και φυλλικής επιφάνειας αντίστοιχα για όλα τα λυσίμετρα και των δύο ετών ( ). i i FAI Σχήμα 4.10 Διακύμανση της παραμέτρου FAI για κάθε λυσίμετρο σε όλη την καλλιεργητική περίοδο του 2008 (γκρι γραμμές) και 2009 (μαύρες γραμμές). DAS LAI DAS Σχήμα 4.11 Διακύμανση της παραμέτρου LAI για κάθε λυσίμετρο σε όλη την καλλιεργητική περίοδο του 2008 (γκρι γραμμές) και 2009 (μαύρες γραμμές)

87 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο 4.4 Ποιοτικά, ποσοτικά και ενεργειακά χαρακτηριστικά της παραγωγής ρυζιού Tα βασικότερα ποιοτικά, ποσοτικά και ενεργειακά χαρακτηριστικά που ερευνώνται στην περίπτωση του ρυζιού είναι το βάρος των 1000 κόκκων του παραγόμενου προϊόντος, ο δείκτης συγκομιδής ΗΙ (harvest index), ο δείκτης αναλογίας καρπού-σταχιού GS (grain straw ratio), η σχέση του LAI με το τελικό προϊόν καθώς και η σχέση αγρονομικών χαρακτηριστικών με την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας. Παράγοντες που επηρεάζουν τις συγκεκριμένες παραμέτρους, εκτός από την ποικιλία, είναι οι κλιματικές συνθήκες, η θερμοκρασία του νερού άρδευσης, η μέθοδος άρδευσης, η ηλεκτρική αγωγιμότητα του εδάφους, η τοξικότητα σε βαρέα μέταλλα, η μηχανική σύσταση, η πυκνότητα των φυτών και η επάρκεια θρεπτικών (Casanova et al. 1998; Sheehy, 2000; Peng et al., 2000; Baloch et al., 2002; San-oh et al., 2004; Xu et al., 2006; Zhao et al., 2007; Wu et al., 2008; Zhao et al., 2009; Lin et al., 2009; Clermont-Dauphin, 2010, Hasamuzzaman et al., 2009; Barison et al., 2010). Με βάση τη διεθνή βιβλιογραφία οι τιμές του βάρους 1000 κόκκων ρυζιού για συνθήκες συνεχούς κατάκλυσης χωρίς την επίδραση αρνητικών επιδράσεων κυμαίνονται μεταξύ g για 14% υγρασία. Στον Πίνακα 4.8 δίνονται οι τιμές βάρους 1000 κόκκων παραγόμενου προϊόντος που μετρήθηκαν στα λυσίμετρα, οι οποίες εμφανίζονται μέσες σε σχέση με τα διεθνή δεδομένα. Τη δεύτερη χρονιά οι τιμές της παραμέτρου εμφανίστηκαν ελαφρώς υψηλότερες πιθανόν λόγω της μικρότερης πυκνότητας των φυτών. Την πρώτη χρονιά διαπιστώθηκε υγρασία των σπόρων κάτω από το 14%, γεγονός το οποίο πιθανόν να οδηγεί στο συμπέρασμα ότι οι υψηλότερες τιμές LAI συνδέονται με την ταχύτερη ξήρανση των φυτών μέχρι την ημέρα συγκομιδής σε επίπεδα κάτω του επιθυμητού, λόγω γρηγορότερης εξάντλησης του εδαφικού νερού μετά τη λήξη της κατάκλυσης. Πίνακας 4.8 Μετρήσεις βάρους 1000 κόκκων ρυζιού από λυσίμετρα Βάρος 1000 αναποφλοίωτων σπόρων 2008 Λυσίμετρα 2009 Λυσίμετρα Νο.* Υγρό βάρος Ξηρό κατά τη βάρος (gr) συγκομιδή (gr) % υγρασία κατά τη συγκομιδή βάρος με 14% υγρασία (gr) Υγρό βάρος Ξηρό κατά τη βάρος (gr) συγκομιδή (gr) % υγρασία κατά τη συγκομιδή βάρος με 14% υγρασία (gr) % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % Μ.Ο % 24.59a % 26.63b Stdev *n=3 επαναλήψεις για κάθε μέτρηση Σύγκριση μεταξύ των δύο ετών (Anova p<0.05)

88 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο Πίνακας 4.9 Μέγιστος δείκτης φυλλικής επιφάνειας LAImax, δείκτης συγκομιδής HI, δείκτης αναλογίας καρπού σταχιού GS, τελική συγκομιζόμενη υπέργεια φυτομάζα DWB (Mg ha -1 ) και ολική προσλαμβανόμενη φωτοσυνθετικά ενεργή ακτινοβολία AIPAR (MJ m -2 )για τα δύο έτη μετρήσεων των λυσι μέτρων Νο. LAI max HI GS DWB AI PAR LAI max HI GS DWB AI PAR Average 10.00a 0.48a 0.93a 24.06a a 5.49b 0.51b 1.04b 12.39b b StDev Σύγκριση μεταξύ των δύο ετών (Anova p<0.05)

89 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο Σύμφωνα με τον Yoshida (1981) οι σχέσεις που περιγράφουν τον δείκτη συγκομιδής ΗΙ (harvest index) και το δείκτη αναλογίας καρπού-σταχιού GS (grain straw ratio), δίνονται αντίστοιχα από τις σχέσεις: economic yield DWG HI = biological yield = DWB (4.15) DWG GS = (4.16) DWS όπου DWG: το ξηρό βάρος των σπόρων (Μg ha -1 ), DWS: το ξηρό βάρος του σταχιού χωρίς τον σπόρο (Μg ha -1 ) και DWB: το ξηρό βάρος όλης της υπέργειας φυτομάζας (Μg ha -1 ). Ο δείκτης συγκομιδής κυμαίνεται μεταξύ 0.3 για τις παραδοσιακές ποικιλίες και 0.5 για τις βελτιωμένες, ενώ αντίστοιχα ο δείκτης αναλογίας καρπού-σταχιού μεταξύ 0.4 και 1.3 (Chandler, 1969; Yoshida, 1981; Peng et al., 2000). Στον Πίνακα 4.9 δίνονται οι τιμές του HI και GS με βάση τα δεδομένα των Πινάκων 4.6 και 4.7, από τις οποίες προκύπτει ότι η συγκεκριμένη ποικιλία ρυζιού σε ελληνικές συνθήκες επιτυγχάνει υψηλές τιμές των δεικτών αυτών. Είναι ενδεικτικό επίσης ότι οι τιμές των παραμέτρων ΗΙ και GS του πρώτου έτους με τη μεγαλύτερη πυκνότητα ήταν χαμηλότερες από του δεύτερου έτους. Για το λόγο αυτό έγινε ανάλυση συσχέτισης των HI και GS με τη μέγιστη τιμή του LAI max από την οποία προέκυψαν οι σχέσεις (Σχήματα 4.12 και 4.13): HI = LAI R 2 =0.24 (p<0.05) (4.17) GS = LAImax R 2 =0.24 (p<0.05) (4.18) Οι εξισώσεις (4.17) και (4.18) παρουσιάζουν μικρό συντελεστή προσδιορισμού και η χρήση τους έγκειται στην ανάλυση της τάσης αύξησης-μείωσης των παραμέτρων HI και GS με βάση τις μεταβολές του LAI max. Από τις σχέσεις (4.17) και (4.18) προέκυψε ότι η αύξηση της πυκνότητας των φυτών, εκφρασμένη ως συνάρτηση του LAI, συνηγορεί μεν στην αύξηση της ετήσιας απόδοσης προϊόντος λόγω αύξησης της πυκνότητας αλλά παράλληλα έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση των παραμέτρων HI και GS, γεγονός το οποίο οδηγεί στην αύξηση του κόστους παραγωγής λόγω μεγαλύτερης κατανάλωσης νερού και λιπασμάτων. max HI = LAI max R 2 = 0.24 HI LAI max Σχήμα 4.12 Συσχέτιση του δείκτη συγκομιδής HI με τον μέγιστο δείκτη φυλλικής επιφάνειας LAI max των λυσιμέτρων για τα έτη 2008 και

90 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο GS = LAI max R 2 = 0.24 GS LAI max Σχήμα 4.13 Συσχέτιση του δείκτη αναλογίας καρπού-σταχιού GS με τον μέγιστο δείκτη φυλλικής επιφάνειας LAI max των λυσιμέτρων για τα έτη 2008 και Σύμφωνα με τους (Venkateswarlu et al., 1976; Ying et al., 1998; Sinclair and Sheehy, 1999; Sheehy, 2000, Mae et al., 2006), υπάρχει υψηλή συσχέτιση μεταξύ των τιμών της μέγιστης μετρημένης τιμής του LAI max και του τελικού συγκομιζόμενου προϊόντος καρπού. Με βάση τα δεδομένα των παραπάνω ερευνητών έγινε συσχέτιση μεταξύ LAI max και απόδοσης σε σπόρο, τα οποία συνολικά μαζί με τα αποτελέσματα των λυσιμέτρων δίνονται στο Σχήμα Από τα αποτελέσματα προκύπτει μια σχετικά παρόμοια συμπεριφορά και απόδοση σε σχέση με το LAI max μεταξύ των νεότερων ποικιλιών (Ying et al., 1998; Sinclair and Sheehy, 1999; Sheehy, 2000; Mae et al., 2006), σε αντίθεση με τα δεδομένα των (Venkateswarlu et al., 1976), τα οποία να σημειωθεί ότι αναφέρονται σε αποδόσεις που ελήφθησαν τουλάχιστον είκοσι χρόνια πριν από των προηγούμενων και για συνθήκες πλήρους επάρκειας αζώτου (200 kg N ha -1 ). Με βάση τα δεδομένα των λυσιμέτρων, η σχέση που προέκυψε μεταξύ των τιμών του LAI max και του παραγόμενου προϊόντος σπόρου GY (Mg ha -1 ) με 14% υγρασία είναι η εξής: GY = 1.32LAImax R 2 =0.85 (p<0.0001) (4.19) Αντίστοιχη ανάλυση έγινε και για την περίπτωση του συνολικού ξηρού βάρους της συγκομιζόμενης υπέργειας φυτομάζας DWB (Mg ha -1 ) με τη μέγιστη τιμή του LAI max (Σχήμα Πίνακας 4.9), σύμφωνα με την οποία προέκυψε η σχέση: DWB = 2.35LAImax R 2 =0.93 (p<0.0001) (4.20) Οι εξισώσεις (4.19) και (4.20) μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εργαλεία για την πρόβλεψη της τελικής οικονομικής και βιολογικής απόδοσης του ρυζιού με βάση τη μέτρηση του LAI max τουλάχιστον δύο μήνες πριν τη συγκομιδή, γεγονός το οποίο δίνει τη δυνατότητα πρώιμων προβλέψεων απόδοσης, οι οποίες είναι πολύ σημαντικές στον εμπορικό και πολιτικό σχεδιασμό καθώς και στον αρχικό καθορισμό των τιμών των διαφόρων προϊόντων, ο οποίος βασίζεται σε πρώιμες προβλέψεις (Hoogenboom, 2000; Lobell et al., 2006). Αντίστροφα, με βάση τις τελικές μετρημένες αποδόσεις μπορεί να υπολογιστεί και η μέγιστη τιμή του LAI max. Όσον αφορά την ενεργειακή αξιοποίηση της φωτοσυνθετικά ενεργής ακτινοβολίας ΑΙ PAR (PAR nm) χρησιμοποιήθηκε η εξίσωση των Casanova et al. (1998) (εξ.4.8) για τον υπολογισμό της τελικής αθροιστικής προσλαμβανόμενης ΑΙ PAR (MJ m -2 ) με βάση το συνολικό ξηρό βάρος της υπέργειας φυτομάζας του κάθε λυσιμέτρου (Πίνακες 4.6 και 4.7). Τα αποτελέσματα της ανάλυσης δίνονται στον Πίνακα 4.9 μαζί με τις μέγιστες τιμές του LAI max, οι οποίες συσχετίστηκαν με σκοπό τον υπολογισμό της τελικής προσλαμβανόμενης AI PAR ανά μονάδα αύξησης του LAI max (Σχήμα 4.16): AI = LAI R 2 =0.93 (p<0.0001) (4.21) PAR max

91 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο GY = LAI max R 2 = GY (Mg ha -1 ) LAI max Lysimeters Sinclair and Sheehy (1999), y=1.433x Reference cultivars (Mae et al., 2006), y=0.998x+1.91 rsq.=0.82 Akita-63 (Mae et al., 2006), y=0.848x+3.99, rsq.=0.61 Venkatesw arlu (1976), y=0.8255x rsq.=0.75 Ying et al. (2006), y=1.386x rsq.=0.58 Γραμμική (Lysimeters ) Σχήμα 4.14 Συσχέτιση του παραγόμενου προϊόντος σπόρου με υγρασία 14% GY με τον μέγιστο δείκτη φυλλικής επιφάνειας LAI max για τα έτη 2008 και 2009 και σύγκριση με άλλες δημοσιευμένες συσχετίσεις DWB (Mg ha -1 ) DWB = 2.35LAI max R 2 = LAI max Σχήμα 4.15 Συσχέτιση του βιολογικού παραγόμενου προϊόντος (συνολικό ξηρό βάρος υπέργειας φυτομάζας) DWB με τον μέγιστο δείκτη φυλλικής επιφάνειας LAI max των λυσιμέτρων για τα έτη 2008 και

92 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο AI PAR (MJ m -2 ) AI PAR = LAI max R 2 = LAI max Σχήμα 4.16 Συσχέτιση της αξιοποιήσιμης φωτοσυνθετικά ενεργής ακτινοβολίας ΑΙ PAR με τον μέγιστο δείκτη φυλλικής επιφάνειας LAI max των λυσιμέτρων για τα έτη 2008 και Βήματα υπολογισμού της διακύμανσης του LAI και FAI με χρήση μετρήσεων στο συγκομιζόμενο προϊόν Με βάση τη βαρυμετρική μέθοδο που αναπτύχθηκε στην ενότητα για την εξελιγμένη ποικιλία Thaibonnet που χρησιμοποιείται στους ορυζώνες της πεδιάδας Θεσσαλονίκης, είναι εύκολος ο προσδιορισμός της διακύμανσης του LAI και του FAI σε όλη την καλλιεργητική περίοδο με βάση μετρήσεις στο συγκομιζόμενο προϊόν. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκε μία εφαρμογή σε περιβάλλον excel (GLAIsoft) (Πίνακες 4.10α και 4.10β), η οποία υπολογίζει τη διακύμανση του LAI και του FAI από την ημέρα της σποράς με απλές μετρήσεις της υπέργειας φυτομάζας κατά τη συγκομιδή σύμφωνα με τα παρακάτω βήματα: Bήμα 1 ο : Δειγματοληψία και καταμέτρηση όλων των φυτών Ν κατά τη συγκομιδή από συγκεκριμένη επιφάνεια Α (m 2 ). Ξήρανση και ζύγιση του ξηρού βάρους της συνολικής υπέργειας φυτομάζας DW (gr). Τα Ν, A και DW είναι τα δεδομένα εισόδου του προγράμματος. Πρέπει να τονιστεί ότι για να αυξηθεί η ακρίβεια των δεδομένων εισόδου απαιτούνται τουλάχιστον τρεις επαναλήψεις των δειγματοληψιών. Στα επόμενα βήματα οι υπολογισμοί γίνονται αυτόματα από το πρόγραμμα. Βήμα 2 ο : Υπολογισμός του αριθμού φυτών ανά τετραγωνικό (plants m -2 ), του μέσου ξηρού βάρους ανά φυτό με μέσο αριθμό αδελφιών (gr plant -1 ) και του ξηρού βάρους της συνολικής υπέργειας φυτομάζας (Mg ha -1 ). Bήμα 3 ο : Με την εξίσωση (4.20) προσδιορίζεται η τιμή ελέγχου του LAI max και γίνεται εισαγωγή της τιμής κατωφλίου LAI max για αραιή-κανονική ή πυκνή φυτοκάλυψη. Στην προκειμένη περίπτωση ορίστηκε η τιμή 8 σύμφωνα και με τις μετρήσεις του Πίνακα 4.9. Βήμα 4: Για LAI max <8 χρησιμοποιούνται οι τιμές του LF (Σχήμα 4.6) και οι εξισώσεις 4.11, 4.12α,β,γ και 4.14 με τους συντελεστές του Πίνακας 4.5 του έτους 2009, τα οποία αφορούν την αραιή-κανονική φυτοκάλυψη, ενώ για LAI max 8 χρησιμοποιούνται τα αντίστοιχα του 2008 για πυκνή φυτοκάλυψη. Τα αποτελέσματα του LAI και του FAI για LAI max <8 δίνονται στον Πίνακα Ι του excel (Πίνακας 4.10α), ενώ για LAI max 8 στον Πίνακα ΙΙ (Πίνακας 4.10β)

93 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο Πίνακας 4.10a) Παρουσίαση των προγράμματος GLAIsoft για θεωρητική περίπτωση αραιήςκανονικής φυτοκάλυψης LAI max <8. Step 1 Parameter Inputs A Sampling area (m 2 ) 0.5 N Number of plants 45 DW Dry weight (gr) 675 Step 2 plants/m 2 90 gr/plant 15.0 above ground biomass (Mg ha -1 ) 13.5 Step 3 checking value of LAI max 5.7 threshold of LAI max 8.0 Step 4 TABLE I Days after sowing (DAS) Average reference number of tillers per plant Final average number of tillers per plant DMF (gr/plant) FA (cm 2 /plant) LF LA (cm 2 /plant) FAI LAI

94 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο Πίνακας 4.10β) Παρουσίαση των προγράμματος GLAIsoft για θεωρητική περίπτωση αραιήςκανονικής φυτοκάλυψης LAI max 8. Step 1 Parameter Inputs A Sampling area (m 2 ) 0.5 N Number of plants 70 DW Dry weight (gr) 980 Step 2 plants/m gr/plant 14.0 above ground biomass (Mg ha -1 ) 19.6 Step 3 checking value of LAI max 8.3 threshold of LAI max 8.0 Step 4 TABLE II Days after sowing (DAS) Average reference number of tillers per plant Final average number of tillers per plant DMF (gr/plant) FA (cm 2 /plant) LF LA (cm 2 /plant) FAI LAI

95 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο 4.6 Συμπεράσματα Από τη μαθηματική διερεύνηση των αγρονομικών παραμέτρων της εξελιγμένης ποικιλίας Thaibonnet (Oryza sativa L. ssp. indica) διαπιστώθηκε η υψηλή συσχέτιση τους είτε με βάση τις ημέρες ανάπτυξης (DAS), είτε μεταξύ τους. Το γεγονός αυτό έδωσε τη δυνατότητα περιγραφής τους από εξισώσεις μεταβολής, οι οποίες μπορούν να ενσωματωθούν σε αγρονομικά μαθηματικά μοντέλα προσομοίωσης του ισοζυγίου νερού, θρεπτικών στοιχείων και απόδοσης της καλλιέργειας του ρυζιού ή στον έμμεσο προσδιορισμό των δύσκολα μετρήσιμων παραμέτρων. Έλεγχος των εξισώσεων που αναπτύχθηκαν με δεδομένα ορυζώνων γίνεται στο 6 ο κεφάλαιο. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην παράμετρο του LAI για την οποία αναπτύχθηκε η βαρυμετρική μεθόδος υπολογισμού της για την συγκεκριμένη ποικιλία ρυζιού. Η συγκεκριμένη μέθοδος αναπτύχθηκε με στόχο την εφαρμογή της σε πειράματα που αφορούν μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής σε πειραματικές διατάξεις λυσιμέτρων. Με τη μέθοδο αυτή γίνεται έμμεσος υπολογισμός του LAI σε όλη την καλλιεργητική περίοδο χωρίς ενδιάμεσες δειγματοληψίες και μόνο με βάση το συγκομιζόμενο προϊόν καθώς οι δειγματοληψίες φυτών είναι απαγορευτικές γιατί μεταβάλλουν το σύστημα. Βιβλιογραφία Ελληνική Αλεξανδρής, Θ., Επίδραση κλίμακας στη μέτρηση υδατικών παραμέτρων και παραμέτρων βλάστησης με τεχνικές τηλεπισκόπισης και γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών. Διδακτορική Διατριβή, Γεωπονική Σχολή Α.ΠΘ, σελ Αντωνόπουλος Β.Ζ., Υδρολογία της ακόρεστης ζώνης του εδάφους. Υπηρεσία Δημοσιευμάτων Α.Π.Θ., σελ Αντωνόπουλος, Β., και Παυλάτου-Βε, Α., Προσαρμογή συναρτήσεων ανάπτυξης των μορφολογικών χαρακτηριστικών και της φυτομάζας του αραβοσίτου. Γεωτεχνικά Επιστημονικά Θέματα, Σειρά VI, 114, Ξενόγλωσση Arkebauer, T.J., Chanton, J.P., Verma, S.B., Kim J, Field measurements of internal pressurization in phragmites australis (poaceae) and implications for regulation of methane emissions in a midlatitude prairie wetland. American Journal of Botany 88(4), Baloch, A.W., Soomro, A.M., Javed, M.A., Ahmed, M., Bughio, H.R., Bughio, M.S., Mastoi, N.N., Optimum plant density for high yield in rice (Oryza sativa L.). Asian Journal of Plant Sciences 1, Barison, J., Uphoff N., Rice yield and its relation to root growth and nutrient-use efficiency under SRI and conventional cultivation: an evaluation in Madagascar. Paddy Water Environment. DOI /s z Belder, P., Bouman, B.A.M., Cabangon, R., Lu Guoan, Quilang, E.J.P., Li Yuanhua, Spiertz, J.H.J., Tuong, T.P., Effect of water saving irrigation on rice yield and water use in typical lowland conditions in Asia. Agricultural Water Management 63, Breda, N.J.J., Ground-based measurements of leaf area index: a review of methods, instruments and current controversies. Journal of Experimental Botany 54, Casanova, D., Epema, G.F., Goudriaan, J., Monitoring rice reflectance at field level for estimating biomass and LAI. Field Crops Research 55, Castejón-Muñoz, M., Lara-Álvarez, I., Aguilar, M., Resistance of rice cultivars to Pyricularia oryzae in Southern Spain. Spanish Journal of Agricultural Research 5(1),

96 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο Chandler, R.F. jr Plant morphology and stand geomehy in relation to nitrogen. In: Physiological aspects of crop yield. J.D. Eastin, EA. Haskins, C.Y. Sullivan, C.H.M. van Bavel, eds. American Society of Agronomy, Crop Science Society of America, Madison, Wisconsin, Chen, J.M., Black, T.A., Defining leaf-area Index for non-flat leaves. Plant Cell & Environment 15, Chen, J.M., Rich, P.M., Gower, S.T., Norman, J.M., Plummer, S., Leaf area index of boreal forests: Theory, techniques, and measurements. Journal of Geophysical Research Atmospheres 102, 29,429-29,443. Clevers, J.G.P.W., The application of a weighted infrared-red vegetation index for estimating leaf area index by correcting for soil moisture. Remote Sensing & Environment 29, Clermont-Dauphin, C., Suwannang, N., Grünberger, O., Hammecker, C., Maeght, J.L., Yield of rice under water and soil salinity risks in farmers fields in northeast Thailand. Field Crops Research (118)3, Cutini, A., Matteucci, G., Mugnozza, G. S., Estimation of leaf area index with the Li-Cor LAI 2000 in deciduous forests. Forest Ecology & Management 105, De Datta, S.K., Broadbent, F.E., Development changes related to nitrogen-use efficiency in rice. Field Crops Research, 34, Dingkuhn, M., Johnson, D.E., Sow, A., Audebert, A.Y., Relationships between upland rice canopy characteristics and weed competitiveness. Field Crops Research 61, Draper, N.R., Smith, H., Applied regression analysis. John Wiley and Sons, New York. p.706. Evans, J.R., von Caemmerer, S., Would C4 rice produce more biomass than C3 rice?. In: Redesigning Rice Photosynthesis to Increase Yield, Ed: J.E. Sheehy, P.L. Mitchell, B. Hardy, International Rice Research Institute, Los Baños, Philippines, p Fassnacht, K.S., Gower, S.T., Norman, J.M., McMurtrie, R.E., A comparison of optical and direct methods for estimating foliage surface area index in forests. Agricultural & Forest Meteorology 71, Gower, S.T., Kucharik, C.J., Norman, J.M., Direct and indirect estimation of leaf area index, fapar, and net primary production of terrestrial ecosystems. Remote Sensing & Environment 70, Hasamuzzaman, M., Rahman, M.L., Roy, T.S, Ahmed, J.U., Zobaer, A.S.M., Plant characters, yield cmponents and yield of late transplanted Aman rice as affected by plant spacing and number of seedling per hill. Advances in Biological Research 3(5-6), Hoogenboom, G., Contribution of agrometeorology to the simulation of crop production and its application. Agricultural & Forest Meteorology 103, Hyams, D.G., Curve Expert Basic Release 1.4 Manual. p. 83 Jonckheere, I., Fleck, S., Nackaerts, K., Muys, B., Coppin, P.,Weiss, M., Baret, F., Review of methods for in situ leaf area index determination, Part I. Theories, sensors and hemispherical photography. Agricultural & Forest Meteorology 121, Jordan, C.F., Derivation of leaf area index from quality of light on the forest floor. Ecology 50, Katsura, K., Maeda, S., Lubis, I., Horie, T., Cao, W., Shiraiwa, T., The high yield of irrigated rice in Yunnan, China A cross-location analysis. Field Crops Research 107, Kim, J., Verma, B.S., Billesbach D.P., Seasonal variation in methane emission from a temperate phragmites-dominated marsh: effect on growth stage and plant-mediated transport. Global Change Biology 5, Kiniry, J.R., McCauley, G., Xie, Y., Arnold, J.G., Rice Parameters Describing Crop Performance of Four U.S. Cultivars. Agronomy Journal 93, LI-COR, LAI-2000 Plant Canopy Analyzer Operating Manual. Li-Cor, Lincoln, NE, 90 pp. Lin, Xian-qing, Zhu, De-feng, Chen, Hui-zhe, Zhang, Yu-ping, Effects of Plant Density and Nitrogen Application Rate on Grain Yield and Nitrogen Uptake of Super Hybrid Rice. Rice Science (16)2, Lobell, D.B., Cahill, K.N., Field C.B., Weather-based yield forecasts developed for 12 California crops. California Agriculture 60,

97 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο Mae, T., Inaba, A., Kaneta, Y., Masaki, S., Sasaki, M., Aizawa, M., Okawa, S., Hasegawa, S., Makino, A., A large-grain rice cultivar, Akita 63, exhibits high yields with high physiological N-use efficiency. Field Crops Research 97(2-3), Moldenhauer, K., Slaton, N., Rice Growth and Development. In: Rice production handbook. Ed: Slaton N..Publications of the University of Arkansas, p Monsi, M., Saeki, T., Über den Lichtfaktor in den Pflanzengesellschaften und seine Bedeutung für die Stoffproduktion. Japanese Journal of Botany 14, Neumann, H.H., Den Hartog, G.D., Shaw, R.H., Leaf-Area measurements based on hemispheric photographs and leaf-litter collection in a deciduous forest during autumn leaf-fall. Agricultural & Forest Meteorology 45, Nguyen, H.T., Lee, B.W., Assessment of rice leaf growth and nitrogen status by hyperspectral canopy reflectance and partial least square regression. European Journal of Agronomy 24, Ntanos, D.A., Koutroubas, S.D., Dry matter and N accumulation and translocation for Indica and Japonica rice under Mediterranean conditions. Field Crops Research 74, Peng, S., Laza, R.C., Visperas, R.M., Sanico, A.L., Cassman, K. G., Khush, G. S., Grain Yield of Rice Cultivars and Lines Developed in the Philippines since Crop Science 40, Rich, P. M., Characterizing Plant canopies with hemispherical photographs. Remote Sensing Reviews 5, Richardson, A.J., Wiegand, C.L., Distinguishing vegetation from soil background information. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing 43, Rouse, J.W. Jr., Haas, R.H., Schell, J.A., Deering, D.W., Monitoring vegetation systems in the Great Plains with ERTS. In: Proceedings of the Earth Research Technical Satellite-1 Symposium. Goddard Space Flight Center, Washington, DC, pp Roy, R., Mazumder, P.B., Sharma, G.D., Proline, catalase and root traits as indices of drought resistance in bold grained rice (Oryza sativa) genotypes. African Journal of Biotechnology 8(23), San-oh, Y., Mano, Y., Ookawa, T., Hirasawa, T., Comparison of dry matter production and associated characteristics between direct-sown and transplanted rice plants in a submerged paddy field and relationships to planting patterns. Field Crops Research 87, Sheehy, J.E., Limits to yield for C3 and C4 rice: an agronomist s view. In: Redesigning Rice Photosynthesis to Increase Yield, Ed: J.E. Sheehy, P.L. Mitchell, B. Hardy, International Rice Research Institute, Los Baños, Philippines, p Shibayama, M., Takahashi, W., Morinaga, S., Akiyama, T., Canopy water defecit detection in paddy rice using a high resolution field spectroradiometer. Remote Sensing & Environment 45, Sinclair, TR, Sheehy, JE Erect leaves and photosynthesis in rice. Science 283, Stroppiana, D., Boschetti, M., Confalonieri, R., Bocchi, S., Brivio, P.A., Evaluation of LAI-2000 for leaf area index monitoring in paddy rice. Field Crops Research 99, Vaesen, K., Gilliams, S., Nackaerts, K., Coppin, P., Ground-measured spectral signatures as indicators of ground cover and leaf area index: the case of paddy rice. Field Crops Research 69, Venkateswarlu, B., Rao, K., Rao, A.V., Canopy analysis on the rlationships between leaf area index and productivity in lowland rice, Oryza Sativa L., Plant & Soil 45, Watson, D.J., Comparative physiological studies in the growth of field crops. I: Variation in net assimilation rate and leaf area between species and varieties, and within and between years. Annals of Botany 11, Welles, J.M., Cohen, S., Canopy structure measurement by gap fraction analysis using commercial instrumentation. Journal of Experimental Botany 302, Welles, J.M., Norman, J.M., Instrument for indirect measurement of canopy architecture. Agronomy Journal 83, Wilhelm, W.W., Ruwe, K., Schlemmer, M.R., 2000.Comparison of three leaf area index meters in a corn canopy. Crop Science 40, Wu, W.G., Zhang, H.C., Qian, Y.F., Cheng, Y., Wu, G.C., Zhai C.Q., Dai, Q.G., Analysis on dry matter production characteristics of super hybrid rice. Rice Science 15(2),

98 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο Xu, Jiakuan, Yang, Lianxin, Wang, Ziqiang, Dong, Guichun, Huang, Jianye, Wang, Yulong, Toxicity of copper on rice growth and accumulation of copper in rice grain in copper contaminated soil. Chemosphere (62)4, Yang, Y., Hang, H., Hu, X., Dai, Q., Zhang, Y., Characteristics of growth and yield formation of rice in rice-fish farming system. Agricultural Sciences in China 5(2), Ying, J., Peng, S., He, O., Yang, H., Yang,C., Visperas, R.M., Cassman, K.G., Comparison of high-yield rice in tropical and subtropical environments: I. Determinants of grain and dry matter yields. Field Crops Research 57(1), Yoshida, S., Fundamentals of rice crop science. IRRI, Los Baños, Laguna, Philippines, p.269. Zhao, Hai-Yan, Yao, Feng-Mei, Zhang, Yong, Xu, Bin, Yuan, Jing, Hu, Ya-Nan, Xu, Yin-Long, Correlation analysis of rice seed setting rate and weight of 1000-grain and agro-meteorology over the middle and lower reaches of the Yangtze River, China. Agricultural Sciences in China (6)4, Zhao, F., Liu, G., Zhu H., Ding X., Zeng R., Zhang Z., Li W., Zhang G., Unconditional and conditional QTL Mapping for tiller numbers at various stages with single segment substitution lines in rice (Oryza sativa L.) Agricultural Sciences in China 7(3), Zhao, Guo-zhen, Liu, Ji-xin, Yang, Sea-jun, Yea, Jong-doo, Liao, Xin-hua, Su, Zhen-xi Zhen-xi Shi, Zhen-xi, Jiang, Cong, Dai, Lu-yuan, Effect of Cold-Water Irrigation on Grain Quality Traits in japonica Rice Varieties from Yunnan Province, China. Rice Science (16) 3,

99 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Κεφάλαιο 5 ο ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗ ΤΗΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑΣ ΡΥΖΙΟΥ 5.1 Εισαγωγή Η εξατμισοδιαπνοή των καλλιεργειών αποτελεί τη βασικότερη συνιστώσα του υδατικού ισοζυγίου των καλλιεργούμενων εδαφών γιατί είναι ο βασικότερος παράγοντας καθορισμού της ποσότητας του νερού άρδευσης. Ο υπολογισμός βασίζεται στην ακριβή εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς και του φυτικού συντελεστή της κάθε καλλιέργειας. Στην περίπτωση της καλλιέργειας του ρυζιού, η οποία είναι η κατεξοχήν καλλιέργεια με τις μεγαλύτερες απαιτήσεις σε νερό, ο υπολογισμός της εξατμισοδιαπνοής αποτελεί το κλειδί για τη βέλτιστη διαχείριση των υδατικών πόρων των αγροτικών συστημάτων που τη φιλοξενούν. Για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής της καλλιέργειας αναφοράς ή της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής έχουν προταθεί αρκετές μέθοδοι, οι οποίες βασίζονται στο ισοζύγιο ενέργειας. Οι σημαντικότερες είναι η μέθοδος Penman (1948,1956,1963), η Blaney-Criddle (1950), η τροποποιημένη Blaney-Criddle κατά FAO-24 (Doorembos and Pruitt, 1977), η Priestley-Taylor (1972), η τροποποιημένη FAO-24 (Allen and Pruitt, 1991), η Kimberly Penman (Wright, 1982), η CIMIS Penman (Snyder and Pruitt, 1985), η Shuttleworth and Wallace (1985), η Hargreaves (Hargreaves and Samani, 1982, 1985), η FAO-56 Penman- Monteith (Allen et al., 1998) και η ASCE-standardized Penman-Monteith (Allen et al. 2005), με τις δύο τελευταίες να αποτελούν τις ακριβέστερες μεθόδους. Επίσης, έχει παρουσιαστεί πληθώρα εμπειρικών μη γραμμικών εξισώσεων τοπικής εμβέλειας, οι οποίες έχουν προκύψει με παλινδρόμηση σε μετρήσεις από λυσίμετρα ή με προσαρμογή στις παραπάνω εξισώσεις. Αναλυτική ανασκόπηση των μεθόδων υπολογισμού της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς δίνεται από τους Παπαζαφειρίου (1999) και Κερκίδη και Τσακίρη (2006). Σημαντικές εργασίες εφαρμογής και ανάλυσης της εξατμισοδιαπνοής σε ελληνικές συνθήκες έχουν παρουσιαστεί από τους Παπαμιχαήλ κ.α. (1994), Papamichail and Terzidis (1996), Kotsopoulos and Babajimpoulos (1997), Παπαμιχαήλ και Γεωργίου (1999), Παπαζαφειρίου (1999), Γεωργίου κ.α. (2000), Anadranistakis et al. (2000), Dalezios et al., 2002), Loukas et al. (2005) και Ampas et al. (2007), οι οποίοι ασχολήθηκαν με τον υπολογισμό και την ανάλυση ευαισθησίας των διαφόρων παραμέτρων και του χρονικού βήματος των παραπάνω μεθόδων για δεδομένα από διαφορετικές περιοχές της Ελλάδας. Οι Alexandris and Kerkidis (2003) και Alexandris et al. (2006) ανέπτυξαν ένα νέο εμπειρικό μοντέλο Copais model για τον υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς σε ωριαίο χρονικό βήμα, ενώ ο Valiatntzas (2006) ανέπτυξε εμπειρικά μοντέλα μειωμένων παραμέτρων για τον υπολογισμό της εξάτμισοδιαπνοής με βάση την εξίσωση του Penman. Οι Παπαζαφειρίου (1996) και Πανώρας κ.α., (2001) προσάρμοσαν τους φυτικούς συντελεστές διαφόρων καλλιεργειών της πεδιάδος Θεσσαλονίκης για έξι μεθόδους εξατμισοδιαπνοής με βάση φυτικούς συντελεστές από τις ΗΠΑ. Δυστυχώς, η έλλειψη ζυγιστικών λυσιμέτρων στην

100 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ελληνική επικράτεια μέχρι και σήμερα, έχει ως αποτέλεσμα την χρήση φυτικών συντελεστών για τις διάφορες καλλιέργειες με βάση τα διάφορα δημοσιεύματα του FAO και της ASCE. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζεται παγκοσμίως για την εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας του ρυζιού καθώς αποτελεί ένα από τα κυριότερα ζητήματα για τη διαχείριση των υδατικών πόρων ειδικά στις χώρες της Ασίας, οι οποίες κατέχουν πάνω από το 90% της παγκόσμιας παραγωγής. Λόγω των μεγάλων διαφοροποιήσεων ως προς τον τρόπο σποράς (σπορά ή μεταφύτευση σε σειρές) (Εικ. 5.1α,β), πυκνότητας, ποικιλιών και μεθοδολογίας άρδευσης από περιοχή σε περιοχή, η εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής του ρυζιού είναι ιδιαίτερα πολύπλοκη. Οι παραπάνω λόγοι έχουν ως αποτέλεσμα να παρατηρούνται σημαντικές διαφοροποιήσεις στις τιμές του φυτικού συντελεστή, στις οποίες να σημειωθεί ότι δεν γίνεται καμία σύνδεση με το δείκτη φυλλικής επιφάνειας, την πυκνότητα των φυτών ή δεδομένα αποδόσεων (Shah et al., 1986; Rao et al., 1988; Mohan and Arumugam, 1994; Tyagi et al., 2000; Shah and Edling, 2000; Bethune et al., 2001; Παπαζαφειρίου, 1996, 1999; Πανώρας κ.α., 2001; Vu et al., 2005). Από πολύ νωρίς διαπιστώθηκε ότι οι φυτικοί συντελεστές που δίνει ο FAO για το ρύζι αλλά και για άλλες καλλιέργειες υποεκτιμούν την εξατμισοδιαπνοή των καλλιεργειών (Mohan et al., 1994). Αξίζει να σημειωθεί ότι αντίστοιχες εφαρμογές που να συνδέουν τον φυτικό συντελεστή με το LAI είναι ελάχιστες και αφορούν άλλες καλλιέργειες όπως τα ζαχαρότευτλα (Shih, 1989). Με βάση τα ευρήματα των παραπάνω εργασιών καθώς και άλλων εργασιών που προσδιορίζουν τον φυτικό συντελεστή του ρυζιού με άλλες μεθόδους όπως η μέθοδος του εξατμισημέτρου, διαπιστώθηκαν μεγαλύτερες τιμές εξατμισοδιαπνοής από αυτές που υπολογίζονται με βάση τους συντελεστές του FAO και την εξατμισοδιαπνοή αναφοράς (Tomar and O'Toole, 1980; Wopereis et al., 1994). α) β) Εικ.5.1 α) Ρύζι με μεταφύτευση σε σειρές σε περιοχή της Κίνας και β) ρύζι με σπορά στα πεταχτά στην περιοχή Χαλάστρας Θεσσαλονίκης. Στο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση των κυριότερων μεθόδων εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς για τις συνθήκες της πεδιάδος Θεσσαλονίκης και ανάλυση και εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής της καλλιέργειας του ρυζιού, της εξάτμισης υπό συνθήκες φυτοσκίασης και της θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης με βάση τις μετρήσεις που ελήφθησαν από πειραματικά λυσίμετρα του Αγροκτήματος Θεσσαλονίκης (Εικ. 5.2)

101 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Εικ. 5.2 Πειραματική εφαρμογή λυσιμέτρων για τον υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής του ρυζιού. 5.2 Εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας αναφοράς Παράμετροι υπολογισμού της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς Ο υπολογισμός της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς ΕΤ ο γίνεται με βάση τα μετεωρολογικά στοιχεία που λαμβάνονται από αγρομετεωρολογικούς σταθμούς θεωρώντας ότι τα χαρακτηριστικά της καλλιέργειας αναφοράς είναι σταθερά καθ όλη τη διάρκεια του έτους. Υπολογίζεται σε ωριαίο ή ημερήσιο βήμα ανάλογα με τη μέθοδο υπολογισμού. Σύμφωνα με τους Allen et al. (2005), έχουν καθοριστεί δύο τύποι καλλιέργειας αναφοράς, των οποίων τα χαρακτηριστικά {το ύψος h (cm) και η αεροδυναμική αντίσταση r s (m s -1 )}δίνονται στον Πίνακα 5.1 με βάση το χρονικό βήμα υπολογισμού της ΕΤ ο. Πίνακας 5.1 Χαρακτηριστικά των δύο τύπων καλλιέργειας αναφοράς (Allen et al., 2005). χαμηλή καλλιέργεια ψηλή καλλιέργεια Χρονικό βήμα υπολογισμού γρασίδι alfa-alfa της ΕΤ ο h (m) r s (s m -1 ) h (m) r s (s m -1 ) Ημέρα Ώρα (κατά τη διάρκεια της ημέρας R n >0) Ώρα (κατά τη διάρκεια της νύχτας R n <0) R n : η καθαρή ηλιακή ακτινοβολία Ο υπολογισμός των μετεωρολογικών παραμέτρων και ο καθορισμός των ανάλογων μονάδων ανάλογα με το βήμα υπολογισμού δίνονται στη συνέχεια (Παπαζαφειρείου, 1999; Allen et al., 1998; 2005; Μπαλτάς, 2006). Προσδιορισμός των παραμέτρων σε ωριαίο χρονικό βήμα Η ατμοσφαιρική πίεση P (kpa) δίνεται από την εξίσωση: z P (5.1)

102 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο όπου z: το υψόμετρο από την επιφάνεια της θάλασσας (m). Η ταχύτητα ανέμου στα 2 m από το έδαφος u 2 (m sec -1 ) δίνεται από την εξίσωση: 4.87 u2 uz ln 67.8z 5.42 όπου u z : η μετρούμενη ταχύτητα ανέμου (m sec -1 ) στο ύψος z w από την επιφάνεια του εδάφους (m). H λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης λ (MJ kg -1 ), η κλίση της καμπύλης στη σχέση πίεσης κορεσμού υδρατμών και θερμοκρασίας Δ (kpa o C -1 ) και η ψυχρομετρική σταθερά γ (kpa o C -1 ) δίνονται αντίστοιχα από τις εξισώσεις: Τ hmean (5. 3) w Τ 2 hmean (5.2) 4098 e / (5. 4) s Pc p (5. 5) όπου T hmean : η μέση ωριαία θερμοκρασία ( o C), c p : η ειδική θερμότητα αέρα υπό σταθερή πίεση με τιμή 1,013x10-3 (MJ kg -1 o C -1 ), P: η ατμοσφαιρική πίεση (kpa), e s : η πίεση κορεσμού υδρατμών (kpa), λ: η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης (MJ kg -1 ) και ε: ο λόγος των μοριακών βαρών υδρατμών/ξηρού αέρα (ε=0.622). Η πίεση κορεσμού υδρατμών e s (kpa) και η πραγματική πίεση υδρατμών e a (kpa) δίνονται αντίστοιχα από τις εξισώσεις: Τ o hmean es e T0.6108exp (5. 6) Τhmean RH o hmean ea e Τhmean (5. 7) 100 όπου RH hmean : η μέση ωριαία σχετική υγρασία (%) και T hmean : η μέση ωριαία θερμοκρασία ( o C). Η μέση ωριαία καθαρή ηλιακή ακτινοβολία R n (MJ m -2 h -1 ) δίνεται από την εξίσωση: R n = R ns - R nl (5. 8) όπου R ns : η μέση ωριαία καθαρή ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος (MJ m -2 h -1 ) και R nl : η μέση ωριαία καθαρή ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος (MJ m -2 h -1 ). Η μέση ωριαία καθαρή ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος R ns (MJ m -2 h -1 ) δίνεται από την εξίσωση: Rns 1 a R (5. 9) s όπου R s : η μέση ωριαία προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία (MJ m -2 h -1 ) και α: η σταθερά ανάκλασης (albedo) πλήρους κάλυψης από χορτοτάπητα με τιμή Η μέση ωριαία καθαρή ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος R nl (MJ m -2 h -1 ) δίνεται από την εξίσωση: h mean R f e Τ (5. 10) nl cd a Κ όπου σ: η σταθερά Stefan-Boltzman με τιμή (MJ K -4 m -2 h -1 ), e α : η πίεση κορεσμού υδρατμών (kpa), Τ Κhmean : η μέση ωριαία θερμοκρασία ( ο K) και f cd : η συνάρτηση νεφοκάλυψης, η οποία παίρνει τιμές από 0.05 f cd 1.0 (αδιάστατη). Η συνάρτηση νεφοκάλυψης f cd προσδιορίζεται ως εξής: Rs fcd (κατά τη διάρκεια της ημέρας) (5.11) R fcd fcd 0.3 so (νωρίς το πρωί, τη νύχτα και αργά το απόγευμα όταν β<0.3) όπου R s : η μέση ωριαία προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία (MJ m -2 h -1 ) και R sο : η μέση ωριαία μικρού μήκους κύματος ακτινοβολία ολικής αιθρίας (MJ m -2 h -1 ) με 0.3 R s /R so 1.0, β: η γωνία

103 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο του ήλιου σε σχέση με τον ορίζοντα κατά τη διάρκεια του 24ώρου (rad). Όταν η τιμή του β<0.3 ( 17 ο ), η οποία επιτυγχάνεται νωρίς το πρωί, αργά το απόγευμα και τη νύχτα τότε η τιμή του f cd είναι ίση με την τελευταία τιμή του f cd που υπολογίστηκε για β>0.3. Η μέση ωριαία μικρού μήκους κύματος ακτινοβολία ολικής αιθρίας R sο (MJ m -2 h -1 ) δίνεται από την εξίσωση: -5 Rso ( z) R a (5.12) όπου z: το υψόμετρο από την επιφάνεια της θάλασσας (m). και R a : η μέση ωριαία εξωγήινη ηλιακή ακτινοβολία (MJ m -2 h -1 ). Η μέση ωριαία εξωγήινη ηλιακή ακτινοβολία R a (MJ m -2 h -1 ) δίνεται από την εξίσωση: 12 Ra = Gscd é r ( w2-w1) sinf sin d + cosf cosd ( sin w2-sin w ù 1 p ë ) û (5.13) όπου G sc : η ηλιακή σταθερά ( 4.92 MJ m 2 h -1 ), φ: το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής (rad), δ: η μέση ημερήσια κλίση του ήλιου (rad) και d r : η σχετική απόσταση γης-ηλίου, ω 1 και ω 2: οι ηλιακές γωνίες στην αρχή και στο τέλος της χρονικής περιόδου (rad). Οι παράμετροι δ, d r, ω 1 και ω 2 δίνονται αντίστοιχα από τις παρακάτω εξισώσεις: æ sin p = ç J ö d - çè ø (5.14) d r = cos(2πJ/365) (5.15) pt1 w1 = w- (5.16) 24 pt1 w1 = w+ (5.17) 24 όπου J: o αριθμός της ημέρας του έτους, t 1 : η διάρκεια της χρονικής περιόδου (h) (t 1 =1) και ω: η ηλιακή γωνία στο μέσο του χρονικού διαστήματος (ώρα ή μικρότερο) (rad), η οποία δίνεται από τη σχέση: p w = éét ( Lz- Lm) + S ù c -12ù 12 êë ë û úû (5.18) όπου t: η ωρολογιακή ώρα στο μέσο της χρονικής περιόδου (h) (π.χ. για την περίοδο μεταξύ 09:00-10:00 είναι t=9.5 και για 17:00-18:00 είναι t=17.5), L z : το γεωγραφικό μήκος του κέντρου της τοπικής χρονικής ζώνης, σε δεκαδικές μοίρες δυτικά του Greenwich (για την Ελλάδα L z =330 o ), L m : το γεωγραφικό μήκος του τόπου των μετρήσεων, σε δεκαδικές μοίρες δυτικά του Greenwich (π.χ. για το Διδυμότειχο L m =333.5 o, για την Αθήνα L m =336.3 o και για την πόλη της Κέρκυρας L m =340.1 o ) και S c : η εποχιακή διόρθωση του ηλιακού χρόνου (h), η οποία υπολογίζεται από τη σχέση: S = sin 2b cosb-0.025sin b (5.19) c ( ) όπου b: η γωνιακή παράμετρος (rad) και δίνεται από την εξίσωση: 2p( J -81) b = (5.20) 364 H γωνία του ήλιου σε σχέση με τον ορίζοντα κατά τη διάρκεια του 24ώρου (rad) δίνεται από τη σχέση: b = arcsin sin f sin d+ cosf cosd cosw (5.21) [ ] Ο αριθμός της ημέρας του έτους J συμπεριλαμβανομένου και των δίσεκτων ετών υπολογίζεται με την εξίσωση: M æ 3 ö æ M Mod ( Y;4) ö J = DM Int(275 ) + 2Int Int ç M (5.22) è + ø èç ø όπου J: η ημέρα του έτους, D M : η ημέρα του μήνα (1-31), Μ: ο μήνας (1-12), Υ: το έτος (π.χ

104 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο 1996) και Int και Μod: η εντολή μετατροπής σε ακέραιο και η εντολή καταχώρησης υπολοίπων, αντίστοιχα. Η μεταβολή της θερμικής ενέργειας ή αλλιώς η ροή θερμότητας από ή προς το έδαφος G (MJ m 2 h -1 ) δίνεται από τη σχέση: DTs G= r scsd (5.23) Dt όπου ρ s : η πυκνότητα του εδάφους (Mg m -3 ), c s : η ειδική αποθηκευτικότητα θερμότητας του εδάφους (ΜJ kg -1 o C -1 ), d: το πάχος του εδάφους (m), T s : η θερμοκρασία του εδάφους ( o C), t: το χρονικό βήμα (h). Για τους υπολογισμούς της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς η παραπάνω σχέση δεν χρησιμοποιείται καθώς το έδαφος αποτελεί ετερογενές μίγμα ορυκτών υλικών, ποικίλης υγρασίας και οργανικών υλικών με διαφορετική πυκνότητα και ειδική αποθηκευτικότητα θερμότητας ενώ ποικίλει και το βάθος μέχρι το οποίο παρατηρούνται μεταβολές της θερμοκρασίας σε ωριαίο ή ημερήσιο χρονικό βήμα. Για το λόγο αυτό ο υπολογισμός του G (MJ m 2 h -1 ), σε ωριαίο χρονικό βήμα ανάλογα με την καλλιέργεια αναφοράς, γίνεται με τις παρακάτω εμπειρικές εξισώσεις: G = 0.1R (την ημέρα για χαμηλή καλλιέργεια αναφοράς) (5.24) h daytime n G = 0.5R (την νύχτα για χαμηλή καλλιέργεια αναφοράς) (5.25) h nighttime n G = 0.04R (την ημέρα για ψηλή καλλιέργεια αναφοράς) (5.26) h daytime n G = 0.2R (την νύχτα για ψηλή καλλιέργεια αναφοράς) (5.27) h nighttime n όπου R n : η καθαρή ηλιακή ακτινοβολία (MJ m -2 h -1 ). Η ημέρα ορίζεται όταν R n >0 και η νύχτα όταν R n <0. Όταν το έδαφος θερμαίνεται το G είναι θετικό και όταν ψύχεται είναι αρνητικό. Υπολογισμοί σε ημερήσιο χρονικό βήμα Για τον υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς σε ημερήσιο χρονικό βήμα παρατηρείται διαφοροποίηση μεταξύ των μεθόδων επειδή γίνεται διαφορετικά ο προσδιορισμός της μέσης ημερήσιας θερμοκρασίας. Σε πολλούς αγρομετεωρολογικούς σταθμούς καταγράφονται μόνο οι θερμοκρασίες από ελαχιστοβάθμια ή μεγιστοβάθμια θερμόμετρα, σε άλλους γίνεται πλήρης καταγραφή με ηλεκτρονικό αισθητήρα και σε άλλους δίνονται μόνο μέσες ημερήσιες τιμές. Επίσης, θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι εξισώσεις που αναπτύχθηκαν για τον υπολογισμό της παραμέτρου της μεγάλου μήκους ακτινοβολίας βασίζονται στη μέγιστη και ελάχιστη ημερήσια θερμοκρασία και όχι στη μέση. Λόγω των παραπάνω, για να μπορεί να γίνεται ο υπολογισμός της ΕΤ ο σε ημερήσιο βήμα με τον ίδιο τρόπο για όλους τους σταθμούς έχει καθιερωθεί η μέση ημερήσια θερμοκρασία να δίνεται από τη σχέση: Tmax + Tmin Tmean = (5.28) 2 όπου Τ mean, Τ max, Τ min : η μέση, η μέγιστη και η ελάχιστη ημερήσια θερμοκρασία αέρα, αντίστοιχα ( o C). Σε πολλά σετ δεδομένων, είναι δυνατόν να δίνεται μόνο η Τ mean και να λείπουν οι Τ max και Τ min, οι οποίες χρησιμοποιούνται για τους υπολογισμούς των παραμέτρων ακτινοβολίας. Ένας έμμεσος υπολογισμός τους γίνεται με την εξίσωση (5.28) και την εξίσωση των Hargreaves and Samani (1982): 2 æ R ö s Rs = krsra Tmax -Tmin ( Tmax - Tmin ) =ç ç ç k R (5.29) çè ø T æ R ö = +ç ç ç k R çè ø s max Tmean /2 Rs a 2 και T Rs æ R ö = -ç ç ç k R çè ø s min Tmean /2 Rs a a 2 (5.30, 5.31)

105 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο όπου R s : η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία (MJ m -2 day -1 ), R a : η ολική ημερήσια εξωγήινη ηλιακή ακτινοβολία (MJ m -2 day -1 ), Τ mean, Τ max, Τ min : η μέση, η μέγιστη και η ελάχιστη o ημερήσια θερμοκρασία αέρα, αντίστοιχα (C) και k Rs : ο συντελεστής ακτινοβολίας του Hargreaves-Samani ( o C -0.5 ) με τιμές k Rs 0.16 για ηπειρωτικές περιοχές και k Rs 0.19 για παραλιακές περιοχές. Η ατμοσφαιρική πίεση P (kpa) και η ταχύτητα του ανέμου στα δύο μέτρα από την επιφάνεια του εδάφους u 2 (m sec -1 ) υπολογίζονται από τις εξισώσεις (5.1) και (5.2), αντίστοιχα και η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης λ (MJ kg -1 ), η κλίση της καμπύλης στη σχέση πίεσης o -1 o -1 κορεσμού υδρατμών και θερμοκρασίας Δ (kpa C ) και η ψυχρομετρική σταθερά γ (kpa C ) υπολογίζονται με βάση τη μέση ημερήσια θερμοκρασία Τ mean αντίστοιχα από τις σχέσεις (5.3), (5.4) και (5.5), αντίστοιχα. Η πίεση κορεσμού υδρατμών e s (kpa) και η πραγματική πίεση υδρατμών e a (kpa) για ημερήσιο χρονικό βήμα δίνονται ανά λογα με τα υπάρχοντα δεδομένα από τις εξισώσεις: o 1 o RH hmean e s e ( Thmean) 24 και ea e Τhmean (5.32, 5.33) ή o RH min o RH max o o e e Tmax e T T min max e Tmin e e s και a (5.34, 5.35) 2 2 ή o RHmean o RH mean o o e Tmax e T e min Tmax e Tmin es και e a (5.36, 5.37) 2 2 ή o o RH mean es e Tmean και ea e Tmean (5.38, 5.39) 100 όπου Τ hmean : η μέση ωριαία θερμοκρασία αέρα ( o C), RH hmean : η μέση ωριαία σχετική υγρασία (%), Τ mean, Τ max, Τ min : η μέση, η μέγιστη και η ελάχιστη ημερήσια θερμοκρασία αέρα αντίστοιχα ( o C)και RH mean, RH max και RH min, : η μέση, η μέγιστη και η ελάχιστη ημερήσια σχετική υγρασία, αντίστοιχα (%). Τα ζεύγη των εξισώσεων (5.32) και (5.33), (5.34) και (5.35), (5.36) και (5.37), (5.38) και (5.39) παρουσιάζονται με σειρά ακρίβειας (Allen et al., 1998; 2005). Η καθαρή ηλιακή ακτινοβολία R n (MJ m -2 day -1 ) δίνεται από την εξίσωση: R n = R ns - R nl (5.40) -2-1 όπου R ns : η καθαρή ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος (MJ m day ) και R nl : η καθαρή -2-1 ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος (MJ m day ). Η καθαρή ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος R ns (MJ m -2 day -1 ) δίνεται από την εξίσωση: Rns 1 a R (5.41) s όπου R s : η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία (MJ m -2 day -1 ) και α: η σταθερά ανάκλασης (albedo) πλήρους κάλυψης από χορτοτάπητα με τιμή Η καθαρή ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος R nl (MJ m day ) δίνεται από τις εξισώσεις, ανάλογα με τα δεδομένα και σειρά προτίμησης: 4 4 Τmax Τmin Rnl fcd ea (5.42) 2 ή mean R f e Τ (5.43) nl cd a

106 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο όπου σ: η σταθερά Stefan-Boltzman με τιμή (MJ K -4 m -2 d -1 ), e α : η πίεση κορεσμού υδρατμών (kpa), Τ Kmean Τ Kmax και Τ Kmin : η μέση, η μέγιστη και η ελάχιστη ημερήσια ο θερμοκρασία ( K) και f cd : η συνάρτηση νεφοκάλυψης, η οποία παίρνει τιμές από 0.05 f cd 1.0 (αδιάστατη) και δίνεται από την εξίσωση: Rs fcd (5.44) Rso -2-1 όπου R s : η μέση ημερήσια προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία (MJ m day ) και R sο : η μέση ημερήσια μικρού μήκους κύματος ακτινοβολία ολικής αιθρίας (MJ m -2 day -1 ) με 0.3 R s /R so 1.0. Η μέση ημερήσια μικρού μήκους κύματος ακτινοβολία ολικής αιθρίας R sο (MJ m -2 day -1 ) δίνεται από την εξίσωση: -5 Rso ( z) R a (5.45) όπου z: το υψόμετρο σε m και R a : η μέση ημερήσια εξωγήινη ηλιακή ακτινοβολία (MJ m -2 day -1 ). Η μέση ημερήσια εξωγήινη ηλιακή ακτινοβολία (MJ m -2 day -1 ) δίνεται από την εξίσωση: 24 Ra = Gscd é r ssin( ) sin( ) + cos( ) cos( ) sin( s) ù ë w f d f d w p û (5.46) όπου G sc : η ηλιακή σταθερά ( 4.92 MJ m 2 h -1 ), φ: το γεωγραφικό πλάτος (rad), δ: η κλίση του ήλιου (rad) και d r : η σχετική απόσταση γης-ηλίου, ω s : η γωνία της ώρας δύσης του ηλίου (rad), παράμετροι οι οποίες δίνονται από τις παρακάτω εξισώσεις: ω s = arccos(-tanφ tanδ) (5.47) æ 2 ö 0.409sin p d = ç J (5.48) çè365 ø d r = cos(2πJ/365) (5.49) όπου J: o αριθμός της ημέρας του έτους όπως υπολογίζεται από την εξ.(5.22). O ακριβής υπολογισμός της παραμέτρου G γίνεται μέσω της εξίσωσης (5.23) με ημερήσιο χρονικό βήμα αλλά και πάλι για τους λόγους που προαναφέρθηκαν υπολογίζεται εμπειρικά. Λόγω των μικρών διαφοροποιήσεων της θερμοκρασίας εδάφους μεταξύ δύο διαδοχικών ημερών, οι οποίες μετρούνται την ίδια ώρα θεωρείται ότι: G» 0 (5.50) Μέθοδοι υπολογισμού της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς daily Η μέθοδος Penman-Monteith κατά ASCE και κατά FAO-56 Η εξίσωση των Penman-Monteith κατά ASCE, η οποία προτάθηκε από την ASCE- EWRI Task Committee, αποτελεί βελτίωση της εξίσωσης κατά FAO-56 (Allen et al., 1998) και υπολογίζεται είτε σε ημερήσιο είτε σε ωριαίο χρονικό βήμα για δύο τύπους καλλιέργειας αναφοράς (χαμηλή και ψηλή καλλιέργεια αναφοράς) και δίνεται από τη σχέση (Allen et al., 2005): Rn G Cn / T u 2 ( es ea) ETo (5.51) (1 Cu d 2) όπου ΕΤ ο : η εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας αναφοράς (mm day -1 για ημερήσιο χρονικό βήμα και mm h -1 για ωριαίο χρονικό βήμα), R n : η καθαρή ακτινοβολία (MJ m -2 d -1 για ημερήσιο χρονικό βήμα και MJ m -2 h -1 για ωριαίο χρονικό βήμα), u 2 : η ταχύτητα ανέμου στα 2 m από την επιφάνεια του εδάφους (m sec -1 ), T: η μέση ημερήσια ή ωριαία θερμοκρασία αέρα ανάλογα με το χρονικό βήμα υπολογισμού ( o C), G: η κατακόρυφη ροή ενέργειας από το έδαφος που μετατρέπεται σε λανθάνουσα θερμική ενέργεια (MJ m -2 d -1 για ημερήσιο χρονικό

107 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο βήμα και MJ m -2 h -1 για ωριαίο χρονικό βήμα), e s : η ημερήσια ή η ωριαία πίεση κορεσμού υδρατμών ανάλογα με το χρονικό βήμα υπολογισμού (kpa), e a : η ημερήσια ή ωριαία πραγματική πίεση υδρατμών ανάλογα με το χρονικό βήμα υπολογισμού (kpa), Δ: η κλίση της καμπύλης στη σχέση πίεσης κορεσμού υδρατμών και θερμοκρασίας (kpa o C -1 ), γ: η ψυχρομετρική σταθερά (kpa o C -1 ), C n : ο συντελεστής του τύπου της καλλιέργειας αναφοράς και Cd: ο συνδυαστικός συντελεστής επίδρασης αεροδυναμικής αντίστασης λόγω πυκνότητας και ύψους της φυτοκάλυψης της καλλιέργειας αναφοράς. Ανάλογα με το χρονικό βήμα υπολογισμού και τον τύπο της καλλιέργειας αναφοράς οι παράμετροι C n, C d και G διαφοροποιούν την εξίσωση (5.51) ως εξής: σε τρεις περιπτώσεις για ωριαίο χρονικό βήμα υπολογισμού, την ΑSCE-PMos(h) που είναι για χαμηλή καλλιέργεια αναφοράς, την ASCE-PMrs(h) που είναι για υψηλή καλλιέργεια αναφοράς και την FAO56-PM(h) που είναι για χαμηλή καλλιέργεια αναφοράς. σε δύο περιπτώσεις για ημερήσιο χρονικό βήμα υπολογισμού, την ΑSCE-PMos(d) που είναι ίδια με την FAO56-PM(d) για χαμηλή καλλιέργεια αναφοράς και την ASCE-PMrs(d) που είναι για υψηλή καλλιέργεια αναφοράς. Οι συντελεστές των παραπάνω περιπτώσεων της εξίσωσης (5.51) και οι εξισώσεις υπολογισμού του G, e s, ea και R nl δίνονται στον Πίνακα 5.2. Η μέθοδος Hargreaves Η εξίσωση των Hargreaves and Samani (1985) υπολογίζεται μόνο σε ημερήσιο χρονικό βήμα HG(d) και δίνεται από τη σχέση: o c h ET a T b T T R (5.52) h mean h max min όπου ΕΤ ο : η εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας αναφοράς (mm day -1 ), T mean : η μέση ημερήσια θερμοκρασία αέρα ( o C), T min : η ελάχιστη ημερήσια θερμοκρασία αέρα ( o C), T max : η μέγιστη o ημερήσια θερμοκρασία αέρα ( C) και R a : η ολική ημερήσια εξωγήινη ηλιακή ακτινοβολία -1 (mm day ) και α h : εμπειρικός συντελεστής της εξίσωσης του Hargreaves (a h =0.0023, b h =17.8, c h =0. 5). Ένα από τα βασικότερα προβλήματα κατά τον υπολογισμό της ΕΤ ο σε ημερήσιο βήμα είναι η επιλογή των εξισώσεων υπολογισμού της πίεσης κορεσμού υδρατμών e s, της πραγματικής πίεσης υδρατμών e a και της ηλιακής ακτινοβολίας μεγάλου μήκους κύματος R nl, καθώς υπάρχουν παραλλαγές των εξισώσεων αυτών που χρησιμοποιούν μέγιστες, μέσες και ελάχιστες τιμές της θερμοκρασίας αέρα και σχετικής υγρασίας. Στα περισσότερα σετ δεδομένων δίνονται μόνο οι μέσες τιμές θερμοκρασίας και υγρασίας. Από τις μέσες τιμές ημερήσιας θερμοκρασίας μπορούν να εξαχθούν έμμεσα οι ελάχιστες και οι μέγιστες με χρήση των εξισώσεων (5.30 και 5.31) ενώ από τη μέση ημερήσια σχετική υγρασία δεν υπάρχει έμμεσος τρόπος υπολογισμού της μέγιστης και της ελάχιστης ημερήσιας τιμής της. Για το λόγο αυτό, στην παρούσα διατριβή επιλέχθηκαν οι εξισώσεις (5.36, 5.37 και 5.42) για τον υπολογισμό της e s, e a και R nl έτσι ώστε να προσδιοριστεί η απόκλιση των μεθόδων υπολογισμού της ΕΤ ο σε ημερήσιο βήμα από αυτές που υπολογίζονται σε ωριαίο βήμα και είναι πιο ακριβείς. a

108 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Πίνακας 5.2 Τιμές των συντελεστών και των εξισώσεων υπολογισμού του G, es, ea και Rnl για τις εξεταζόμενες μεθόδους της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς (Allen et al., 2005). Μέθοδος Εξίσωση Βήμα υπολογισμού Συντελεστές Εξισώσεις υπολογισμού του G Εξισώσεις υπολογισμού των e s, e a, R nl ASCE-PMos(h) (5.51) hour C n =37, C d =0.24 για Rn>0 C n =37, C d =0.96 για Rn<0 G=0.1Rn για Rn>0 G=0.5Rn για Rn<0 (5.6),(5.7),(5.10) ASCE-PMrs(h) (5.51) hour C n =66, C d =0.25 για Rn>0 C n =66, C d =1.7 για Rn<0 G=0.04Rn για Rn>0 G=0.2Rn για Rn<0 (5.6),(5.7),(5.10) FAO56-PM(h) (5.51) hour C n =37, C d =0.34 για Rn>0 C n =37, C d =0.34 για Rn<0 G=0.1Rn για Rn>0 G=0.5Rn για Rn<0 (5.6),(5.7),(5.10) FAO56PM(d) ASCE-PMos(d) (5.51) day C n =900, C d =0.34 G 0 (5.36),(5.37),(5.42) ASCE-PMrs(d) (5.51) day C n =1600, C d =0.38 G 0 (5.36),(5.37),(5.42) HG(d) (5.52) day a h =

109 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Η μέθοδος του εξατμισημέτρου Μια από τις πιο διαδεδομένες μεθόδους υπολογισμού της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς ΕΤ ο είναι μέσω των μετρήσεων εξάτμισης από εξατμισήμετρο Ε pan και τη χρήση ειδικών συντελεστών εξατμισημέτρου k p, οι οποίοι εξαρτώνται και από τη φύση του περιβάλλοντος χώρου στο οποίο είναι τοποθετημένο (πράσινη επιφάνεια ή γυμνό έδαφος) (Allen et al., 1998; Παπαζαφειρίου, 1999). Στην περίπτωση που είναι τοποθετημένο πάνω από την επιφάνεια του εδάφους καλείται Class A pan και στην περίπτωση που είναι βυθισμένο στο έδαφος καλείται Sunken pan (Allen et al., 1998). Η γενική εξίσωση της μεθόδου είναι η εξής: ET k E (5.53) o p pan όπου E pan : η καταγεγραμμένη εξάτμιση από το εξατμισήμετρο (mm day -1 ) και k p : ο συντελεστής του εξατμισημέτρου. Σύμφωνα με τους Allen et al. (1998), η διακύμανση του συντελεστή k p είναι αντιστρόφως ανάλογη με την αύξηση της ταχύτητας του ανέμου και ανάλογη με τη σχετική υγρασία. Όσον αφορά τη διαμόρφωση του περιβάλλοντος χώρου, στην περίπτωση που είναι τοποθετημένο σε πράσινη επιφάνεια ή είναι βυθισμένο στο έδαφος Sunken pan οι τιμές του k p είναι μεγαλύτερες σε σχέση με το γυμνό εδάφος ή όταν είναι πάνω από το έδαφος Class A pan. Με βάση τη διεθνή βιβλιογραφία το εύρος των τιμών του k p είναι περίπου από 0.3 έως 1.1 (Snyder, 1992; Allen et al., 1998; Gundekar et al., 2008; Rahimikhoob, 2009; Sabziparvar et al., 2010). Πολλές προσπάθειες έχουν γίνει για τον έμμεσο υπολογισμό του k p απευθείας από τα μετεωρολογικά δεδομένα και τα χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος χώρου με τις σημαντικότερες από αυτές των Cuenca (1989), Allen and Pruitt (1991), Snyder (1992), Pereira et al. (1995), Orang (1998) και Raghuwanshi and Wallender (1998), οι οποίες αφορούν τη χαμηλή καλλιέργεια αναφοράς και δίνονται αντίστοιχα από τις παρακάτω σχέσεις: k u RH F p RH F -810 RH u H F 2 (5.54) 2 2 nrh k u n F n RH p n F (5.55) 2 k u 0.024n F RH (5.56) p kp u 0.85 / (5.57) k u n F RH (5.58) p 2 k X X p X X X X 3 (5.59) όπου RH: η μέση ημερήσια σχετική υγρασία (%), u 2 : η μέση ημερήσια ταχύτητα του ανέμου στα 2 m από το έδαφος (km d -1 ) για τις εξισώσεις (5.54, 5.55, 5.56, 5.58) και σε (m sec -1 ) για την εξίσωση (5.57) και F: η απόσταση από αναπτυσσόμενη καλλιέργεια στην προσάνεμη πλευρά της μέσης διεύθυνσης του ανέμου (m). Για την εξίσωση (5.59) οι παράγοντες έχουν ως εξής Χ 1 =ln(f), X 2, X 3 και Χ 4 : οι κλάσεις εύρους της ταχύτητας του ανέμου ,

110 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο και >700 km d -1, αντίστοιχα, οι οποίες ορίζονται με 0 ή 1 ανάλογα με την παρουσία τους (για ταχύτητες <175 km d -1 όλα είναι μηδέν), X 5 και Χ 6 : οι κλάσεις εύρους της σχετικής υγρασίας 40-70% και >70%, αντίστοιχα, οι οποίες ορίζονται με 0 ή 1 ανάλογα με την παρουσία τους (για σχετική υγρασία 40% όλα είναι μηδέν) Υπολογισμός της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς Ο υπολογισμός της ημερήσιας εξατμισοδιαπνοής της καλλιέργειας αναφοράς έγινε με βάση τις μεθόδους του Πίνακα 5.2 για την εαρινή-αρδευτική περίοδο Απριλίου-Οκτωβρίου στην περιοχή της Θεσσαλονίκης. Από αυτές, η μέθοδος ASCE-PM για ωριαίο χρονικό βήμα, είτε για χαμηλή είτε για υψηλή καλλιέργεια αναφοράς, αποτελεί την ακριβέστερη μέθοδο μετά από αναθεώρηση όλων των μεθοδολογιών υπολογισμού της ΕΤ ο στα πλαίσια εργασιών της επιτροπής ειδικών της ASCE-EWRI Task Committee (Allen et al., 2005), και με βάση αυτή γίνετα ι η σύγκριση όλων των υπόλοιπων μεθοδολογιών. Πίνακας 5.3 Μέσες μηνιαίες τιμές Οκτώβριος της τριετίας των μετεωρολογικών παραμέτρων των μηνών Απρίλιος- Μήνας Μέση μηνιαία θερμοκρασία T ( o C) Μέση μηνιαία σχετική υγρασία RH(%) Μέση μηνιαία ηλιακή Μέση μηνιαία ακτινοβολία ταχύτητα του ανέμου R s (W/m 2 ) u 2 (m s -1 ) Μέση μηνιαία βρο χόπτωση (mm) Απρ Μαι Ιουν Ιουλ Αυγ Σεπ Οκτ Ο υπολογισμός της ημερήσιας εξατμισοδιαπνοής έγινε με βάση τα δεδομένα του μετεωρολογικού σταθμού που είναι εγκατεστημένος στο Αγρόκτημα της Γεωπονικής Σχολής Α.Π.. (40 ο ο Θ Ν, Ε), ο οποίος περιγράφει ικανοποιητικά και τις συνθήκες των περιοχών χαμηλού υψόμετρου της πεδιάδος Θεσσαλονίκης. Τα δεδομένα που συλλέχθηκαν είναι η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία, η ταχύτητα του ανέμου, η θερμοκρασία αέρα, η βροχόπτωση και η σχετική υγρασία σε ωριαίο χρονικό βήμα για την εαρινή-αρδευτική περίοδο Απρίλιος-Οκτώβριος της τριετίας , των οποίων οι μέσες τιμές δίνονται στον Πίνακα 5.3. Ανάλυση των εξισώσεων υπολογισμού του ελλείμματος πίεσης κορεσμού υδρατμών και μεγάλου μήκους ακτινοβολίας Όπως προαναφέρθηκε και στην ενότητα 5.2.1, ο υπολογισμός σε ημερήσιο χρονικό βήμα της πίεσης κορεσμού υδρατμών e s, της πραγματικής πίεσης υδρατμών e a και συνεπώς του ελλείμματος πίεσης κορεσμού υδρατμών de=e s -e a επιτυγχάνεται είτε με το ζεύγος εξισώσεων (5.32 και 5.33) και αναφέρεται ως de 1, το οποίο απαιτεί ωριαία δεδομένα, είτε με τα ζεύγη (5.34 και 5.35) ως de 2, (5.36 και 5.37) ως de 3, (5.38 και 5.39) ως de 4, τα οποία απαιτούν ημερήσια δεδομένα. Το ζεύγος των εξισώσεων de 1, το οποίο απαιτεί ωριαία δεδομένα, θεωρείται ότι είναι το ακριβέστερο ως προς τον προσδιορισμό του de και για το λόγο αυτό τα de 2, de 3 και de 4 συγκρίθηκαν με αυτό (Πίνακας 5.4 και Σχήματα 5.1α,β,γ). Η σύγκριση έγινε για την εύρεση του καλύτερου ζεύγους εξισώσεων υπολογισμού του de όταν είναι διαθέσιμες μόνο μέσες ημερήσιες και όχι μέσες ωριαίες τιμές των e s και e a

111 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Πίνακας 5.4 Σύγκριση των τριών μεθόδων υπολογισμού του μέσου ημερήσιου ελλείμματος πίεσης κορεσμού υδρατμών (kpa) με το υπολογισμένο από ωριαία δεδομένα (Απρίλιος- Οκτώβριος ). Ζεύγη (y,x) slope intercept R 2 RMSE MBE de 1 vs de de 1 vs de de 1 vs de Από τις συγκρίσεις προέκυψε ότι το ζεύγος εξισώσεων de 2, υπερεκτιμά το έλλειμμα πίεσης κορεσμού υδρατμών, ενώ τα ζεύγη εξισώσεων de 3 και de 4 το υποεκτιμούν σύμφωνα με τις τιμές της κλίσης (slope) και του σταθερού όρου (intercept). Οι τιμές του de 3 παρουσιάζουν την υψηλότερη συσχέτιση σύμφωνα με το R 2 και την μικρότερη απόκλιση σύμφωνα με το RMSE και το MBE με τις αντίστοιχες τιμές του de 1 (Πίνακας 5.4) και για το λόγο αυτό επιλέχθηκε για τον υπολογισμό της ΕΤ ο σε ημερήσιο χρονικό βήμα. 4 3 y = x R 2 = y = x R 2 = de 1 (kpa) 2 de 1 (kpa) de 2 (kpa) α) β) de 3 (kpa) 4 3 y = x R 2 = de 1 (kpa) de 4 (kpa) Σχήμα 5.1 Σύγκριση των τριών μεθόδων υπολογισμού του μέσου ημερήσιου ελλείμματος πίεσης κορεσμού υδρατμών de 2, de 3 και de 4 με το υπολογισμένο από ωριαία δεδομένα de 1 α) de 1 vs de 2, β) de 1 vs de 3 και γ) de 1 vs de 4 (Απρίλιος-Οκτώβριος ). Η ίδια διαδικασία ακολουθήθηκε και για τον υπολογισμό της μεγάλου μήκους καθαρής ηλιακής ακτινοβολίας R nl σε ημερήσιο χρονικό βήμα, σύμφωνα με την εξίσωση (5.42) η οποία αναφέρεται ως R nl2 και την εξίσωση (5.43) ως R nl3, οι οποίες απαιτούν ημερήσια δεδομένα. Οι εξισώσεις αυτές συγκρίθηκαν με τις μέσες ημερήσιες τιμές που υπολογίστηκαν από τις αντίστοιχες ωριαίες σύμφωνα με τη σχέση (5.10), η οποία αναφέρεται ως R nl1 (Πίνακας 5.5 και γ)

112 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Σχήματα 5.2 α,β). Να σημειωθεί ότι για τον υπολογισμό των R nl2 και R nl3 χρησιμοποιήθηκε το e a που υπολογίζεται από τη σχέση (5.37), η οποία επιλέχθηκε και για τον υπολογισμό του ελλείμματος πίεσης κορεσμού υδρατμών de. Από τη σύγκριση προέκυψε μία σχετική υποεκτίμηση των R nl2 και R nl3 στις χαμηλές τιμές και μια σχετική υπερεκτίμηση στις υψηλές τιμές συγκριτικά με τις τιμές του R nl1 σύμφωνα με τις τιμές της κλίσης και του σταθερού όρου. Τα R nl2 και R nl3 παρουσίασαν σχεδόν παρόμοια συσχέτιση με το R nl1 σύμφωνα με το R 2 και σχεδόν παρόμοιες αποκλίσεις σύμφωνα με το RMSE και το MBE (Πίνακας 5.5 και Σχήμα 5.2α,β). Η εξίσωση (5.42) R nl2 επιλέχθηκε τελικά για τον υπολογισμό της ΕΤ ο σε ημερήσιο χρονικό βήμα γιατί είναι η περισσότερο χρησιμοποιούμενη στη διεθνή βιβλιογραφία. Rnl1 (MJ m-2 day -1 ) y = x R 2 = Rnl1 (MJ m-2 day -1 ) y = x R 2 = Rnl 2 (MJ m -2 d -1 ) 1 α) β) Rnl 3 (MJ m -2 d -1 ) Σχήμα 5.2 Σύγκριση των δύο μεθόδων υπολογισμού της μέσης ημερήσιας μεγάλου μήκους καθαρής ηλιακής ακτινοβολίας R nl2 και R nl3 με την υπολογισμένη από ωριαία δεδομένα R nl1 α) R nl1 vs R nl2 και β) R nl1 vs R nl3 (Απρίλιος-Οκτώβριος ). Πίνακας 5.5 Σύγκριση των δύο μεθόδων υπολογισμού της μέσης ημερήσιας μεγάλου μήκους καθαρής ηλιακής ακτινοβολίας (MJ m -2 day -1 ) με την υπολογισμένη από ωριαία δεδομένα (Απρίλιος-Οκτώβριος ). Ζεύγη (y,x) slope intercept R 2 RMSE MBE Rnl 1 vs Rnl Rnl 1 vs Rnl Υπολογισμός της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς με τις μεθόδους ASCE, FAO-56 και Hargreaves Ο υπολογισμός της ET o έγινε με τις μεθόδους υπολογισμού της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς, των οποίων οι συντελεστές και οι εξισώσεις υπολογισμού του G, e s, e a και R nl δίνονται αναλυτικά στον Πίνακα 5.2. Οι μέθοδοι που περιγράφουν την εξατμισοδιαπνοή χαμηλής καλλιέργειας αναφοράς συγκρίθηκαν με τη μέθοδο ASCE-PMos(h) (Σχήμα 5.3α,β,γ) ενώ οι μέθοδοι που αφορούν την υψηλή καλλιέργεια αναφοράς με τη μέθοδο ASCE-PMrs(h) (Σχήμα 5.3δ). Από τα αποτελέσματα των στατιστικών κριτηρίων της σύγκρισης όλων των μεθόδων (Πίνακας 5.6) προκύπτει μια σχετική υποεκτίμηση της ΕΤ ο σε ημερήσιο χρονικό βήμα, σύμφωνα με τις τιμές της κλίσης και του σταθερού όρου, τόσο για τη χαμηλή όσο και για την υψηλή καλλιέργεια αναφοράς σε σχέση με την ενδεδειγμένη μέθοδο ASCE-PM, η οποία υπολογίζεται σε ωριαίο χρονικό βήμα για τους δύο τύπους καλλιεργειών αναφοράς. Αξίζει να σημειωθεί η καλή απόδοση του μοντέλου του Hargreaves, το οποίο σε γενικές γραμμές

113 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο παρουσιάζει μεγαλύτερες αποκλίσεις στις ημέρες που η ταχύτητα του ανέμου ξεπερνάει τα m s -1. Οι μέσες ημερήσιες τιμές της ΕΤ ο (mm day -1 ) των μηνών Απρίλιος-Οκτώβριος της τριετίας με βάση τις εξεταζόμενες μεθόδους δίνονται στον Πίνακα 5.7. Στον Πίνακα 5.8 δίνονται οι παράγοντες προσαρμογής για κάθε μέθοδο σε σχέση με τη μέθοδο ASCE-PMos(h) για χαμηλή καλλιέργεια αναφοράς. -1 ) ASCE-PMos(h) (mm day y = x R 2 = FAO56-PM(h) (mm day -1 ) -1 ) ASCE-PMos(h) (mm day y = 1.006x R 2 = α) β) FAO56-PM(d) (mm day -1 ) -1 ) ASCE-PMos(h) (mm day y = x R 2 = HG(d) (mm day -1 ) γ) -1 ) ASCE-PMrs(h) (mm day y = x R 2 = ASCE-PMrs(d) (mm day -1 ) Σχήμα 5.3 Σύγκριση των μεθόδων υπολογισμού α) FAO56-PM(h), β) FAO56-PM(d) και γ) HG(d) με τη μέθοδο ASCE-PMos(h) για χαμηλή καλλιέργεια αναφοράς και δ) ASCE- PMrs(d) με την ASCE-PMrs(h) για υψηλή καλλιέργεια αναφοράς (Απρίλιος-Οκτώβριος ). δ) Πίνακας 5.6 Σύγκριση των μεθόδων υπολογισμού της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς (mm day -1 ) για διαφορετικά χρονικά βήματα με τη μέθοδο ASCE-PM(h) για τους δύο τύπους καλλιεργειών αναφοράς (Απρίλιος-Οκτώβριος ). Ζεύγη (y,x) slope intercept R 2 RMSE MBE ASCE-PMos(h) vs FAO56-PM(h) ASCE-PMos(h) vs FAO56-PM(d) ASCE-PMos(h) vs HG(d) ASCE-PMrs(h) vs ASCE-PMrs(d)

114 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Πίνακας 5.7 Μέσες ημερήσιες τιμές της υπολογισμένης ΕΤ ο (mm day -1 ) των μηνών Απρίλιος- Οκτώβριος της τριετίας για τις εξεταζόμενες μεθόδους. Μήνας ASCE-PMos(h) (mm d -1 ) ASCE-PMrs(h) (mm d -1 ) FAO56-PM(h) (mm d -1 ) ASCE-PMos(d) FAO56-PM(d) (mm d -1 ) ASCE-PMrs(d) (mm d -1 ) HG(d) (mm d -1 ) Απρ 3.13 ± ± ± ± ± ± 0.12 Μαι 4.78 ± ± ± ± ± ± 0.12 Ιουν 5.48 ± ± ± ± ± ± 0.13 Ιουλ 6.22 ± ± ± ± ± ± 0.07 Αυγ 5.35 ± ± ± ± ± ± 0.08 Σεπ 3.38 ± ± ± ± ± ± 0.12 Οκτ 1.98 ± ± ± ± ± ± 0.09 Standard error of the mean SE.. = s/ n, n = ημέρες του μήνα x 3 έτη Πίνακας 5.8 Παράγοντες προσαρμογής για κάθε μέθοδο σε σχέση με τη μέθοδο ASCE-PMos(h). Μήνας ASCE-PMos(h) ASCE-PMrs(h) FAO56-PM(h) ASCE-PMos(d) FAO56-PM(d) ASCE-PMrs(d) HG(d) Απρ Μαι Ιουν Ιουλ Αυγ Σεπ Οκτ Εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς από μετρήσεις εξατμισημέτρου Class-A pan Οι μετρήσεις εξατμισημέτρου τύπου Class-A pan (Απρίλιος-Οκτώβριος ), το οποίο τοποθετήθηκε σε απόσταση F=0.25 m από αναπτυσσόμενη καλλιέργεια και οι υπολογισμένες τιμές εξατμισοδιαπνοής χαμηλής καλλιέργειας αναφοράς με τη μέθοδο ASCE- PMos(h) χρησιμοποιήθηκαν για τον έλεγχο των υπολογισμένων τιμών του k p από τις εξισώσεις των Cuenca (1989), Allen and Pruitt (1991), Snyder (1992), Pereira et al. (1995) Orang (1998) και Raghuwanshi and Wallender (1998). Στα Σχήματα 5.4α,β,γ,δ,ε,στ δίνονται οι αντίστοιχες συγκρίσεις. Η εξίσωση του Cuenca (1989) έδειξε την καλύτερη προσαρμογή στα δεδομένα των μετρήσεων του εξατμισημέτρου έναντι των άλλων εξισώσεων ως προς την περιγραφή της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς με βάση τη μέθοδο εξατμισοδιαπνοής χαμηλής καλλιέργειας αναφοράς ASCE-PMos(h) (Πίνακας 5.9). Από τα αποτελέσματα προκύπτει ότι, όλες οι μέθοδοι εκτός από αυτήν των Pereira et al. (1985) παρουσίασαν υποεκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς για την περίοδο Απριλίου-Οκτωβρίου των ετών 2008 και Η σειρά ακριβείας των μεθόδων είναι Cuenca > Raghuwanshi & Wallender> Allen & Pruitt > Pereira et al. > Orang > Snyder. Στον Πίνακα 5.10 δίνονται επίσης και οι μέσες μηνιαίες υπολογισμένες τιμές του k p με τις έξι μεθόδους καθώς και οι μετρημένες τιμές του k p ως λόγος ET o /E pan. Οι μέσες μετρημένες τιμές του k p με βάση την εξατμισοδιαπνοή χαμηλής καλλιέργειας αναφοράς ASCE-PMos(h) για την περίοδο Απριλίου-Οκτωβρίου των ετών 2008 και 2009 προσδιορίστηκε 0.7 και 0.71, αντίστοιχα

115 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ASCE-PMos(h) (mm d -1 ) y = x R 2 = RMSE=0.607 MBE= k p E pan Cuenca (mm d -1 ) ASCE-Pmos(h) (mm d -1 ) y = x R 2 = RMSE=0.74 MBE= α) β) k p E pan Allen-Pruitt (mm d -1 ) ASCE-PMos(h) (mm d -1 ) y = x R 2 = RMSE=2.725 MBE= k p E pan Snyder (mm d -1 ) ASCE-PMos(h) (mm d -1 ) y = x R 2 = RMSE=0.929 MBE=0.546 γ) δ) k p E pan Pereira (mm d -1 ) ASCE-PMos(h) (mm d -1 ) y = 0.995x R 2 = RMSE=0.892 MBE= k p E pan Orang (mm d -1 ) ASCE-PMos(h) (mm d -1 ) y = x R 2 = RMSE=0.705 MBE= ε) στ) k p E pan Raghuw anshi (mm d -1 ) Σχήμα 5.4 Σύγκριση της μεθόδου ASCE-PMos(h) με τις αντίστοιχες μεθόδους υπολογισμού του συντελεστή k p και μετρήσεων εξατμισημέτρου Class-A pan α) Cuenca,,β) Allen-Pruitt, γ) Snyder, δ) Pereira, ε) Orang,,στ) Raghuwanshi and Wallender για την περίοδο Απριλίου- Οκτωβρίου των ετών 2008 και

116 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Πίνακας 5.9 Σύγκριση των μεθόδων υπολογισμού της εξατμισοδιαπνοής χαμηλής καλλιέργειας αναφοράς με βάση τις προτεινόμενες σχέσεις του συντελεστή k p και μετρήσεων Class-A pan σε σχέση με τη μέθοδο ASCE-PMos(h) (περίοδος Απριλίου-Οκτωβρίου). Ζεύγη (y,x) slope intercept R 2 RMSE MBE ASCE-PMos(h) vs Epan kp (Cuenca) ASCE-PMos(h) vs Epan kp (Allen-Pruitt) ASCE-PMos(h) vs Epan kp (Snyder) ASCE-PMos(h) vs Epan kp (Pereira) ASCE-PMos(h) vs Epan kp (Orang) ASCE-PMos(h) vs Epan kp (Raghuwanshi) Πίνακας 5.10 Μέσες μηνιαίες τιμές των μετρημένων τιμών του k p (ET o /E pan ) και μέσες μηνιαίες τιμές των έξι διαφορετικών εξισώσεων του k p. Μήνας ET o /E pan Snyder Pereira et al. Orang Allen & Pruitt Cuenca Raghuwanshi & Wallender Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέμβριος Οκτώβριος Μ.Ο Η ET o υπολογίζεται με τη μέθοδο ASCE-PMos(h) Λαμβάνοντας υπόψη αντίστοιχες εφαρμογές των εξισώσεων υπολογισμού του k p (Gundekar et al., 2008; Rahimikhoob, 2009; Sabziparvar et al., 2010) διαπιστώθηκε ότι παρουσιάζουν διαφορετική σειρά ακριβείας, γεγονός το οποίο οφείλεται α) στη χρήση διαφορετικής εξίσωσης υπολογισμού της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς για τη σύγκριση των εξισώσεων και β) στις διαφορετικές κλιματικές-περιβαλλοντικές συνθήκες της κάθε περιοχής. Το γεγονός αυτό οδηγεί στο συμπέρασμα ότι είναι απαραίτητος ο έλεγχος των εξισώσεων του k p πριν την εφαρμογή τους (Aschonitis et al., 2012). 5.3 Εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας ρυζιού Η εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής των καλλιεργειών γίνεται με την εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας αναφοράς και τον φυτικό συντελεστή της κάθε καλλιέργειας σύμφωνα με τη σχέση (Doorenbos and Pruitt, 1977; Παπαζαφειρίου, 1999): ETc Kc ET o (5.60) όπου ΕΤ ο : η εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας αναφοράς (mm day -1 ) και K c : ο φυτικός συντελεστής της καλλιέργειας. Σύμφωνα με τον Παπαζαφειρίου (1999) οι παράγοντες που καθορίζουν το φυτικό συντελεστή των καλλιεργειών είναι α) το φυτικό είδος, β) η ανακλαστικότητα της καλλιέργειας, γ) το ποσοστό κάλυψης του εδάφους και η πυκνότητα της καλλιέργειας, δ) το ύψος της καλλιέργειας και η τραχύτητα του φυλλώματος, ε) το βάθος και η πυκνότητα του ριζικού συστήματος, στ) ο τύπος εδάφους, ζ) το στάδιο της καλλιέργειας και η) η βροχόπτωση και η άρδευση

117 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Παρόλο που οι κλιματικές παράμετροι εμπεριέχονται μέσα στον υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς, οι Allen et al. (1994α,β;1996) διαπίστωσαν ότι οι τιμές του θεωρητικού φυτικού συντελεστή Κ c πρέπει να αναπροσαρμόζονται για συνθήκες διαφορετικές από αυτές ενός ημίυγρου κλίματος που έχει μέση ελάχιστη σχετική υγρασία RH min = 45% και μέση ταχύτητα ανέμου u 2 = 2 m sec -1, οι οποίες αποτελούν συνθήκες βάσης για την εκτίμηση των τιμών του θεωρητικού φυτικού συντελεστή, τιμές του οποίου χρησιμοποιούνται ακόμα και στις ελληνικές συνθήκες για διαφορετικές καλλιέργειες (Παπαζαφειρίου, 1999). Συναρτήσεις του φυτικού συντελεστή έχουν παρουσιαστεί από τους Allen et al. (1996; 1998) και οι παράμετροι που χρησιμοποιούν είναι η μέση ελάχιστη σχετική υγρασία (RH min ), η ταχύτητα του ανέμου (u 2 ), το ύψος της καλλιέργειας (h c ) και φυτικοί συντελεστές βάσης (K c stage ), οι οποίοι αφορούν το μέσο (mid) και το τελικό (end) στάδιο ανάπτυξης: hc Kc Kcstage u2 2RHmin 45 (5.61) 3 Η καλλιέργεια του ρυζιού με κατάκλυση παρουσιάζει πολλές ιδιαιτερότητες, οι οποίες διαφοροποιούν σημαντικά το περιβάλλον και την ένταση της εξατμισοδιαπνοής σε σχέση με άλλες καλλιέργειες όπως: η εξάτμιση συμβαίνει από την ελεύθερη επιφάνεια του νερού κατάκλυσης και όχι από ένα έδαφος το οποίο είναι στην υδατοϊκανότητα ή σε οποιαδήποτε άλλη υγρασιακή κατάσταση. το βάθος του νερού κατάκλυσης μεταβάλλεται με αποτέλεσμα να διαφοροποιείται η αποθηκευμένη θερμότητα του μέσου. ο συντελεστής ανάκλασης του νερού είναι διαφορετικός από αυτόν του εδάφους και διαφέρει σημαντικά από περιοχή σε περιοχή και ανά εποχή ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος, γεγονός το οποίο διαφοροποιεί σημαντικά τον βασικότερο παράγοντα του ισοζυγίου ενέργειας που είναι η καθαρή ακτινοβολία. οι ημέρες άρδευσης αποτελούν πάνω από 50% των ημερών της συνολικής καλλιεργητικής περιόδου. η καλλιέργεια παρουσιάζει μεγάλες διαφορές ως προς την εγκατάστασή της καθώς σε άλλες χώρες και κυρίως στις χώρες της Ασίας, εφαρμόζεται μεταφύτευση σε σειρές με αποτέλεσμα μικρότερη πυκνότητα, μικρότερες αποδόσεις και επομένως μικρότερες ανάγκες σε νερό λόγω μικρότερης εξατμισοδιαπνοής, σε αντίθεση με τις δυτικές όπου εφαρμόζεται σπορά στα πεταχτά με μεγαλύτερες πυκνότητες και πολύ μεγαλύτερες αποδόσεις. η καλλιέργεια είναι ετήσια με βιολογικό κύκλο που μεταβάλλεται ανάλογα με την ποικιλία (από 120 έως 150 ημέρες), γεγονός το οποίο διαφοροποιεί το ρυθμό διαπνοής στα διάφορα στάδια σε σχέση με το γρασίδι, το οποίο παρουσιάζει πιο σταθερό ρυθμό διαπνοής. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, αναπτύχθηκε πειραματική εφαρμογή για τη μέτρηση της εξατμισοδιαπνοής του ρυζιού σε λυσίμετρα του Αγροκτήματος Θεσσαλονίκης, με στόχο την εκτίμηση του φυτικού συντελεστή με βάση τα ειδικά χαρακτηριστικά της καλλιέργειας, την μέθοδο εγκατάστασης και τις ελληνικές κλιματικές συνθήκες. Η εξίσωση του προσαρμοσμένου φυτικού συντελεστή που αναπτύχθηκε από τα δεδομένα της εφαρμογής αποτελεί συνάρτηση των εξής παραγόντων: K f DAS, LAI, u, WD, hc, a (5.62) w c όπου DAS: ημέρα από τη σπορά (days), LAI: ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας (cm 2 cm -2 ), u 2 : η ταχύτητα του ανέμου στα 2 m από την επιφάνεια του εδάφους (m sec -1 ), WD: το ύψος νερού κατάκλυσης (cm), h c : το ύψος της καλλιέργειας (cm) και a w : ο συντελεστής ανάκλασης του νερού (albedo)

118 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Όλες οι παράμετροι του φυτικού συντελεστή της εξ.(5.62) έχουν ήδη συζητηθεί σε προηγούμενες παραγράφους εκτός από την παράμετρο του συντελεστή ανάκλασης του νερού. Ο συντελεστής ανάκλασης της φυτοκόμης του ρυζιού έχει τιμή a p =0.22 (Tomar and O Toole, 1980; Takeshi, 1987), η οποία είναι περίπου ίδια με αυτή της χαμηλής καλλιέργειας αναφοράς πλήρους κάλυψης εδάφους με τιμή 0.23 (Allen et al., 1998). Σε αντίθεση με την καλλιέργεια αναφοράς, η καλλιέργεια του ρυζιού αναπτύσσεται στο νερό και καλύπτει σταδιακά την επιφάνεια του. Το γεγονός αυτό, από την άποψη του ενεργειακού ισοζυγίου, επηρεάζει σημαντικά την καθαρή ακτινοβολία για τρεις λόγους α) το ισοζύγιο ενέργειας στα αρχικά στάδια ανάπτυξης λαμβάνει χώρα μόνο στο νερό και η καθαρή ακτινοβολία εξαρτάται καθαρά από το συντελεστή ανάκλασης του νερού, ο οποίος είναι πολύ μικρότερος από αυτόν της καλλιέργειας, β) στις περιόδους πλήρους κάλυψης της επιφάνειας του νερού από την καλλιέργεια ρυζιού, το ισοζύγιο ενέργειας διαχωρίζεται σε αυτό που λαμβάνει χώρα στο νερό και σε αυτό που λαμβάνει χώρα πάνω από τη φυτοκόμη, όπου στην περίπτωση του πρώτου η μεγάλου μήκους εκπεμπόμενη ακτινοβολία εξαρτάται από τη θερμοκρασία του νερού και το συντελεστή ανάκλασής του και γ) ο συντελεστής ανάκλασης του νερού μεταβάλλεται και κατά τη διάρκεια του έτους αλλά και λόγω του γεωγραφικού πλάτους. Οι παραπάνω λόγοι κάνουν αναγκαία την εισαγωγή του συντελεστή ανάκλασης του νερού a w στους υπολογισμούς του φυτικού συντελεστή του ρυζιού. Στον Πίνακα 5.10 δίνονται οι μέσες μηνιαίες τιμές του a w από τρία διαφορετικά σετ δεδομένων των Fresnel, Sivkov και Grishchenko (Cogley, 1979) για γεωγραφικό πλάτος 35 o και 40 ο (κάτω και άνω όριο γεωγραφικού πλάτους της ελληνικής επικράτειας). Oι ημερήσιες τιμές του a w μπορούν να υπολογιστούν με γραμμική παρεμβολή μεταξύ των μέσων μηνιαίων τιμών. Πίνακας 5.10 Μηνιαία διακύμανση του συντελεστή ανάκλασης του νερού στα γεωγραφικά πλάτη 40 ο και 35 ο (Cogley, 1979). Γ.Π. 40 ο 35 ο Μήνας Fresnel Grishchenko Sivkov Μ.Ο. Fresnel Grishchenko Sivkov Μ.Ο. Ι Φ M A M Ι Ι A Σ O N Δ Εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής ρυζιού σε πειραματικά λυσίμετρα Εκτίμηση του φυτικού συντελεστή και της εξατμισοδιαπνοής για την καλλιέργεια ρυζιού Για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής του ρυζιού πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε 14 μη ζυγιστικά λυσίμετρα διαστάσεων 2x2x1 m τα έτη 2008 και Κατά το δεύτερο έτος, ένα λυσίμετρο στο κέντρο της διάταξης παρέμεινε μονίμως κατακλυσμένο χωρίς φυτά (Σχήμα 5.5), με σκοπό να εξεταστεί και η περίπτωση εξάτμισης από ελεύθερη επιφάνεια νερού και της επίδρασης της περιφερειακής ανάπτυξης της καλλιέργειας στην ταχύτητα του ανέμου (περίπτωση καλλιέργειας ρυζιού σε σειρές με μεγάλα κενά μεταξύ των σειρών). Η στάθμη του νερού στα λυσίμετρα κυμαίνονταν μεταξύ 2-15 cm. Η καλλιέργεια παρουσίασε μεταβλητότητα ως προς την πυκνότητα με βάση και τις υπολογισμένες τιμές του LAI (εύρος LAI max = 4-12), οι οποίες δίνονται αναλυτικά στο

119 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Κεφάλαιο 4. Η πειραματική εφαρμογή περιελάμβανε ημερήσιες μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής, εξάτμισης και θερμοκρασίας νερού. Η εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε με βάση τις μετρήσεις μεταβολής στάθμης σε βυθισμένο σταθμήμετρο διαμέτρου 10 cm και ύψους 30 cm, του οποίου η βάση σταθεροποιήθηκε σε βάθος περίπου 10 cm από την επιφάνεια του εδάφους. Τόσο στη βάση έδρασης όσο και στον κατακόρυφο κορμό του σταθμημέτρου στο ύψος της επιφάνειας του εδάφους, ανοίχτηκαν τρύπες διαμέτρου 5 mm για να υπάρχει επικοινωνία με το έδαφος-νερό. Οι μετρήσεις εξάτμισης έγιναν με αντίστοιχα κλειστά βυθισμένα σταθμήμετρα. Οι καταγραφές της στάθμης έγιναν με σταθμημέτρη χειρός αντίστοιχο με αυτό του Class-A pan. Οι μετρήσεις θερμοκρασίας νερού έγιναν με αισθητήρες θερμοκρασίας στα 0.5 cm από την επιφάνεια του εδάφους, προσαρμοσμένους σε Data Logger της εταιρείας HOBO, οι οποίοι λάμβαναν μετρήσεις κάθε 4 min για την εξαγωγή δεδομένων μέσης ωριαίας θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης. No crop Σχήμα 5.5 Διάταξη λυσιμέτρων για τα δύο έτη μελέτης της εξατμισοδιαπνοής του ρυζιού. Με βάση τις ημερήσιες μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής που ελήφθησαν από τα λυσίμετρα, τις υπολογισμένες μέσες ημερήσιες τιμές εξατμισοδιαπνοής της καλλιέργειας αναφοράς σύμφωνα με την ακριβέστερη μέθοδο ASCE-PMos(h) σε (mm day -1 ), τις ημερήσιες τιμές των μετεωρολογικών δεδομένων και τα χαρακτηριστικά της καλλιέργειας (LAI και h c ), αναπτύχθηκε μια νέα σχέση φυτικού συντελεστή για το ρύζι της οποίας η γενική μορφή είναι η εξής: 3 2 Kc a1das a2das a3das a4lai ( 1o μέρος) au 5 2 a6 (5.63) aa 7 w awd 8 a9 (2oμέρος) (1 hlai c ) όπου DAS: ημέρα από τη σπορά (days), LAI: ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας (cm 2 cm -2 ), u 2 : η ταχύτητα του ανέμου στα 2 m από την επιφάνεια του εδάφους (m sec -1 ), WD: το ύψος νερού κατάκλυσης (cm), h c : το ύψος της καλλιέργειας (cm), a w : ο συντελεστής ανάκλασης του νερού (albedo) και a 1,..9 : οι συντελεστές προσαρμογής. Η εξίσωση (5.63) περιλαμβάνει εννέα παραμέτρους προσαρμογής. Για τον προσδιορισμό τους ακολουθήθηκε μια διαδικασία σταδιακής ρύθμισης. Για παράδειγμα το 2 ο μέρος της εξίσωσης (5.63) ρυθμίστηκε ξεχωριστά με βάση τις μετρήσεις του λυσιμέτρου χωρίς φυτά κατά το δεύτερο έτος μετρήσεων, έτσι ώστε να προσδιοριστεί τόσο ο παράγοντας επίδρασης του ύψους της καλλιέργειας h c και της πυκνότητάς της (μέσω του LAI) στην ταχύτητα του ανέμου και στον τρόπο επίδρασής του στην εξάτμιση από ελεύθερη επιφάνεια νερού μικρού βάθους (παράγοντας αεροδυναμικής αντίστασης) όσο και των παραγόντων επίδρασης του ύψους νερού κατάκλυσης και του συντελεστή ανάκλασης του νερού χωρίς την ύπαρξη φυτών που διαπνέουν. Στη συνέχεια εισήχθη και το πρώτο μέλος της εξίσωσης, το οποίο αφορά τη

120 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο διαπνοή και την επίδραση της φυτοκόμης στη μείωση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας στο νερό με τα δεδομένα των λυσιμέτρων που είχαν φυτά. Στην περίπτωση του λυσιμέτρου χωρίς καλλιέργεια, το LAI του πρώτου μέρους τέθηκε ίσο με μηδέν και το LAI του δεύτερου ίσο με το μέσο LAI των περιφερειακών λυσιμέτρων. Με τη μέθοδο της παλινδρόμησης υπολογίστηκαν οι συντελεστές για την πλήρη μορφή της εξίσωσης (5.63), η οποία είναι και η προτεινόμενη, καθώς και απλούστερες μορφές της με απαλοιφή των λιγότερο σημαντικών παραμέτρων (Πίνακας 5.11, Σχήματα 5.6α,β,γ,δ,ε), δίνοντας τη δυνατότητα υπολογισμού του φυτικού συντελεστή με λιγότερα δεδομένα. Πίνακας 5.11 Συντελεστές των μοντέλων της εξίσωσης (5.63) για τον υπολογισμό του φυτικού συντελεστή του ρυζιού. Model a x x x x x10-8 a x x x x x10-6 a x x x x x10-4 a x x x x x10-2 a a a a x10-5 a Slope Intercept -3.16E E E E E-05 R RMSE MBE Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων των μοντέλων παρατηρείται υψηλή συσχέτιση μεταξύ υπολογισμένων και παρατηρούμενων τιμών του φυτικού συντελεστή και για τα πέντε μοντέλα σύμφωνα με τα στατιστικά κριτήρια του Πίνακα Οι διαφοροποιήσεις εμφανίζονται στις μικρότερες τιμές και στις μηδενικές του LAI (στις τιμές που βρίσκονται στην κυκλική περιοχή των Σχημάτων 5.6), όπου είναι εμφανής η επίδραση του παράγοντα ανάκλασης του νερού a w και του παράγοντα αεροδυναμικής αντίστασης, γεγονός το οποίο καθιστά αναγκαία τη χρήση τους. Η χρήση τριτοβάθμιας πολυωνυμικής εξίσωσης στο πρώτο μέρος της εξίσωσης (5.63) παρουσιάζει το μειονέκτημα ότι απαιτεί υψηλή ακρίβεια των συντελεστών της αλλά οδηγεί σε σχεδόν μηδενικό μέσο σφάλμα σε όλες τις περιπτώσεις (Πίνακας 5.11). Πλεονέκτημα του μοντέλου 5 (πλήρης μορφή της εξίσωσης 5.63) έναντι των άλλων μοντέλων είναι ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως μοντέλο υπολογισμού της εξάτμισης από ελεύθερη επιφάνεια νερού χωρίς φυτά λαμβάνοντας υπόψη τη μετατόπιση του μηδενικού επιπέδου λόγω περιφερειακής ανάπτυξης φυτών. Αυτό επιτυγχάνεται μηδενίζοντας το LAI του πρώτου μέρους της εξίσωσης (5.63) και εισάγοντας τιμές του LAI και h c των φυτών που αναπτύσσονται περιφερειακά στο δεύτερο μέρους της εξίσωσης (5.63)

121 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Kc ASCE-PMos(h) y = x - 3E-05 R 2 = Kc ASCE-PMos(h) y = x - 2E-05 R 2 = α) Kc model β) Kc model 2 Kc ASCE-PMos(h) y = x - 9E-06 R 2 = Kc ASCE-PMos(h) y = x - 3E-05 R 2 = γ) Kc model δ) Kc model 4 Kc ASCE-PMos(h) y = x - 6E-05 R 2 = ε) Kc model 5 Σχήμα 5.6 Σύγκριση του ημερήσιου παρατηρούμενου φυτικού συντελεστή με χρήση της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς κατά ASCE-PΜos(h) σε mm day -1 με τους υπολογισμένους φυτικούς συντελεστές των πέντε μοντέλων του Πίνακα Στη συνέχεια έγινε ανάλυση ευαισθησίας των επιμέρους παραγόντων της εξίσωσης (5.63), για την διερεύνηση της επίδρασής τους στον σταθερό όρο α 9 για κάθε μοντέλο και συνεπώς στην τελική τιμή του φυτικού συντελεστή:

122 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Ο συντελεστής του δείκτη φυλλικής επιφάνειας ή αλλιώς η συνάρτηση των ημερών από τη σπορά (a 1 DAS 3 +a 2 DAS 2 +a 3 DAS+a 4 ) της εξίσωσης (5.63) εκφράζει α) τη μείωση του ρυθμού διαπνοής ανά μονάδα επιφάνειας φυλλώματος κατά τη διάρκεια ανάπτυξης των φυτών και β) τη μείωση της εξάτμισης από το νερό κατάκλυσης λόγω της μείωσης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας κάτω από τη φυτοκόμη. Η διακύμανση της συνάρτησης των ημερών από τη σπορά είναι σχεδόν όμοια και στα πέντε μοντέλα (Σχήμα 5.7). Λόγω της ομοιότητας και των πέντε μοντέλων δίνεται το γινόμενο της συνάρτησης για τρεις περιπτώσεις αναπτυσσόμενου LAI (αραιό, μέσο και πυκνό) με μέγιστες τιμές 3,6 και 12 στο Σχήμα 5.8 με χρήση μόνο του μοντέλου a 1 DAS 3 +a 2 DAS 2 +a 3 DAS+a Model 1 Model 2 Model 3 Model 4 Model DAS Σχήμα 5.7 Διακύμανση της συνάρτησης των ημερών από τη σπορά για τα πέντε μοντέλα. (a 1 DAS 3 +a 2 DAS 2 +a 3 DAS+a 4 )LAI Model 5 (LAImax =3) Model 5 (LAImax =6) Model 5 (LAImax =12) DAS Σχήμα 5.8 Διακύμανση του γινομένου της συνάρτησης των ημερών από τη σπορά με αναπτυσσόμενο LAI του οποίου η μέγιστη τιμή φτάνει στο 3, 6 και 12 για το μοντέλο 5. Ο συντελεστής ανάκλασης (albedo) του νερού a w παίζει σημαντικότερο ρόλο από την ταχύτητα του ανέμου και την επίδραση της αεροδυναμικής αντίστασης της φυτοκόμης όπως προκύπτει και από τη σύγκριση των μοντέλων 2 και 3. Σύμφωνα με τις τιμές του συντελεστή ανάκλασης a w για γεωγραφικό πλάτος 40 ο της περιόδου 23/5 έως 1/10, η οποία αντιστοιχεί στις ημέρες 1 έως 130 από τη σπορά, υπολογίστηκαν οι τιμές του παράγοντα επίδρασης του συντελεστή ανάκλασης του νερού (το γινόμενο α 7 α w της εξίσωσης 5.63), οι οποίες δίνονται στο Σχήμα 5.9 για τα μοντέλα 3, 4 και 5. Όπως παρατηρείται και από το Σχήμα 5.9, στο πρώτο μισό της καλλιεργητικής περιόδου το γινόμενο παρουσιάζει μια

123 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο σταθερότητα ενώ κατά το δεύτερο μισό παρουσιάζει μείωση και στις τρεις περιπτώσεις των μοντέλων Model 3 Model 4 Model 5 a 7 a w DAS Σχήμα 5.9 Διακύμανση του παράγοντα επίδρασης του συντελεστή ανάκλασης του νερού για γεωγραφικό πλάτος 40 ο (23/5-1/10) για τα μοντέλα 3,4 και (a 5 u 2 +a 6 )/(1+h c LAI) DAS Model 5 (u2=1 m/s, LAImax=0, hcmax=90 cm) Model 5 (u2=1 m/s, LAImax=3, hcmax=90 cm) Model 5 (u2=1 m/s, LAImax=6, hcmax=90 cm) Model 5 (u2=1 m/s, LAImax=12, hcmax=90 cm) Model 5 (u2=3 m/s, LAImax=0, hcmax=90 cm) Model 5 (u2=3 m/s, LAImax=3, hcmax=90 cm) Model 5 (u2=3 m/s, LAImax=6, hcmax=90 cm) Model 5 (u2=3 m/s, LAImax=12, hcmax=90 cm) Σχήμα 5.10 Διακύμανση του παράγοντα αεροδυναμικής αντίστασης του μοντέλου 5 για δύο ταχύτητες ανέμου 1 και 3 m s -1, τέσσερις περιπτώσεις αναπτυσσόμενου LAI με μέγιστες τιμές 0,3,6,12 και μέγιστο αναπτυσσόμενο ύψος καλλιέργειας h c = 90 cm. Αντίστοιχη ανάλυση για την επίδραση της αεροδυναμικής αντίστασης δίνεται στο Σχήμα 5.10 μόνο για το μοντέλο 5, καθώς ο παράγοντας δείχνει παρόμοια διακύμανση για όλα τα μοντέλα που τον περιέχουν. Στο Σχήμα 5.10 γίνεται ανάλυση του παράγοντα για τέσσερις περιπτώσεις αναπτυσσόμενου LAI με μέγιστες τιμές 0,3,6 και 12, αναπτυσσόμενο ύψος καλλιέργειας h c με μέγιστη τιμή 90 cm και δύο περιπτώσεις ταχύτητας ανέμου 1 και 3 m sec -1. Τόσο από το Σχήμα 5.10 όσο και από την ανάλυση διαφόρων τιμών του LAI στην περίοδο της μέγιστης ανάπτυξης για ύψος καλλιέργειας h c =90 cm προέκυψε ότι η αεροδυναμική αντίσταση από αρνητική αρχίζει να γίνεται θετική για τιμές ταχύτητας

124 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ανέμου πάνω από m sec -1. Παρόλο που η διαφοροποίηση του παράγοντα αεροδυναμικής αντίστασης από αρνητικές τιμές σε θετικές παρουσιάζεται στο ίδιο κατώφλι ταχύτητας ανέμου (2 m sec -1 ) με τον αντίστοιχο παράγοντα της εξίσωσης (5.61) των Allen et al. (1996; 1998), δυστυχώς δεν ήταν δυνατή η εξήγηση του μηχανισμού που οδηγεί σε αυτή τη διαφοροποίηση. Λαμβάνοντας υπόψη το εύρος των καταγεγραμμένων τιμών του ύψους νερού κατάκλυσης παρατηρήθηκε πολύ μικρή επίδραση στο φυτικό συντελεστή (Σχήμα 5.11). Η επίδρασή του αρχίζει να γίνεται εμφανής για τιμές, οι οποίες είναι εκτός του εύρους μετρήσεων της παρούσας εφαρμογής και θα μπορούσαν να εμφανιστούν στην περίπτωση συγκεκριμένων ποικιλιών ρυζιού (deep water rice) που αναπτύσσονται σε βαθύ νερό φτάνοντας και τα δύο μέτρα (Kende et al., 1998), ή στην περίπτωση υγροτόπων Model a 8 WD WD cm Σχήμα 5.11 Διακύμανση του παράγοντα επίδρασης του ύψους νερού κατάκλυσης. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, υπολογίστηκαν δέκα περιπτώσεις του φυτικού συντελεστή με το μοντέλο 5 χρησιμοποιώντας σταθερή ταχύτητα ανέμου u 2 =1 και 3 m s -1 (Σχήματα 5.12 και 5.13), σταθερό ύψος κατάκλυσης WD=10 cm, αναπτυσσόμενο ύψος καλλιέργειας με τελικό ύψος h c =90 cm, συντελεστή ανάκλασης a w για την περίοδο 24/5 έως 2/10, η οποία αντιστοιχεί στις ημέρες 1 έως 130 από τη σπορά. Οι περιπτώσεις αφορούν αραιή, μέση και πυκνή φυτοκάλυψη με αναπτυσσόμενο LAI που φτάνει σε μέγιστες τιμές 3,6 και 12, αντίστοιχα καθώς και δύο περιπτώσεις από ελεύθερη επιφάνεια νερού χαμηλής σταθμής χωρίς καλλιέργεια με ή χωρίς αεροδυναμική αντίσταση λόγω περιφερειακής πυκνά αναπτυσσόμενης καλλιέργειας (LAI=12). Για την περίπτωση ταχύτητας ανέμου u 2 =1 m s -1, ο μέσος φυτικός συντελεστής όλης της καλλιεργητικής περιόδου των περιπτώσεων με αραιή, μέση και πυκνή φυτοκάλυψη (LAI=3,6,12) υπολογίστηκε 1.44, 1.77 και 2.42, αντίστοιχα, ενώ για τις δύο περιπτώσεις ελεύθερης επιφάνειας νερού μικρού βάθους με ή χωρίς περιφερειακή καλλιέργεια υπολογίστηκε 1.13 και 0.96, αντίστοιχα. Για την περίπτωση ταχύτητας ανέμου u 2 =3 m s -1, ο μέσος φυτικός συντελεστής όλης της καλλιεργητικής περιόδου των περιπτώσεων με αραιή, μέση και πυκνή φυτοκάλυψη (LAI=3,6,12) υπολογίστηκε 1.53, 1.84 και 2.49, αντίστοιχα, ενώ για τις δύο περιπτώσεις ελεύθερης επιφάνειας νερού μικρού βάθους με ή χωρίς περιφερειακή καλλιέργεια υπολογίστηκε 1.19 και 1.38, αντίστοιχα. Η ίδια διαδικασία υπολογισμών επαναλήφθηκε για ταχύτητα ανέμου u 2 =2 m s -1 από την οποία εξήχθηκαν οι τιμές φυτικού συντελεστή του ρυζιού ανά 10ήμερο για τις τέσσερεις περιπτώσεις αναπτυσσόμενου LAI με μέγιστες τιμές (LAI=0,3,6,12) (Πίνακας 5.12). Σχολιασμός για τις τιμές του φυτικού συντελεστή και σύγκριση με τιμές άλλων ερευνητών γίνεται στην ενότητα

125 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Kc model DAS Kc (LAImax=12) Kc (LAImax=6) Kc (LAImax=3) Kc (LAI=0, χωρίς περιφερειακή καλλιέργεια) Kc (LAI=0, με περιφερειακή καλλιέργεια LAI =12) u2=3 m sec -1 hc final=90 cm WD=10 cm aw=24/5 έως 1/10 Σχήμα 5.12 Διακύμανση του φυτικού συντελεστή του ρυζιού με χρήση του μοντέλου 5 για πέντε περιπτώσεις φυτοκάλυψης όταν η ταχύτητα ανέμου είναι u 2 =1 m sec -1. Kc model DAS Kc (LAImax=12) Kc (LAImax=6) Kc (LAImax=3) Kc (LAI=0, χωρίς περιφερειακή καλλιέργεια) Kc (LAI=0, με περιφερειακή καλλιέργεια LAI =12) u2=1 m sec -1 hc final=90 cm WD=10 cm aw=24/5 έως 1/10 Σχήμα 5.13 Διακύμανση του φυτικού συντελεστή του ρυζιού με χρήση του μοντέλου 5 για πέντε περιπτώσεις φυτοκάλυψης όταν η ταχύτητα ανέμου είναι u 2 =3 m sec

126 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Πίνακας 5.12 Τιμές φυτικού συντελεστή για την καλλιέργεια του ρυζιού ανά 10ήμερο από την ημέρα της σποράς για σταθερή ταχύτητα ανέμου u 2 =2 m s -1, σταθερό βάθος κατάκλυσης WD=10 cm και αναπτυσσόμενο ύψος καλλιέργειας h cfinal =90 cm σύμφωνα με το μοντέλο 5. DAS K c (LAI max =12) K c (LAI max =6) K c (LAI max =3) K c (LAI=0) M.O Εξάτμιση από το νερό κατάκλυσης υπό συνθήκες σκίασης από την καλλιέργεια ρυζιού Αντίστοιχη διερεύνηση με αυτή του φυτικού συντελεστή έγινε και για την περίπτωση ρύθμισης εξισώσεων εκτίμησης της εξάτμισης από το νερό κατάκλυσης. Με βάση τις μετρήσεις εξάτμισης από τα κλειστά βυθισμένα σταθμήμετρα έγινε διερεύνηση διαφόρων συνδυασμών των παραγόντων επίδρασης από την οποία η καλύτερη προσαρμογή επετεύχθη είτε με βάση την προσπίπτουσα ακτινοβολία είτε με βάση την εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας αναφοράς σύμφωνα με τις δύο παρακάτω σχέσεις: au 3 2 a4 A: Ew a1rsexp( a2lai) a5aw a6 (mm day -1 ) (5.64) 1 hlai c au 3 2 a4 B: Ew a1etoexp( a2lai) a5 (mm day -1 ) (5.65) 1 hlai c όπου R s : η ημερήσια προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία (MJm -2 day -1 ), ET o : η εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας αναφοράς (mm day -1 ), LAI: ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας (cm 2 cm -2 ), u 2 : η ταχύτητα του ανέμου στα 2 m από την επιφάνεια του εδάφους (m sec -1 ), h c : το ύψος της καλλιέργειας (cm), a w : ο συντελεστής ανάκλασης του νερού (albedo) και a 1,..6 : οι συντελεστές προσαρμογής. Με τη μέθοδο της παλινδρόμησης υπολογίστηκαν οι συντελεστές των εξισώσεων (5.64) και (5.65) για έξι μοντέλα, από τα οποία τα τέσσερα έχουν ως βάση τη σχέση Α (εξ. 5.64) και τα άλλα δύο τη σχέση Β (εξ. 5.65). Τα μοντέλα Α4 και Β2, τα οποία είναι και τα προτεινόμενα, αποτελούν τις πλήρεις μορφές των δύο εξισώσεων ενώ στα υπόλοιπα γίνεται απαλοιφή των λιγότερο σημαντικών παραμέτρων (Πίνακας 5.13, Σχήματα 5.14α,β,γ,δ,ε,στ), δίνοντας τη δυνατότητα υπολογισμού της εξάτμισης από το νερό κατάκλυσης με λιγότερα δεδομένα

127 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο E w (mm day -1 ) α) y = x R 2 = E w (mm day -1 ) Model A1 E w (mm day -1 ) β) y = x R 2 = E w (mm day -1 ) Model A2 E w (mm day -1 ) γ) y = x R 2 = E w (mm day -1 ) Model A3 E w (mm day -1 ) δ) y = x R 2 = E w (mm day -1 ) Model A4 E w (mm day -1 ) ε) y = x R 2 = E w (mm day -1 ) Model Β1 E w (mm day -1 ) στ) y = x R 2 = E w (mm day -1 ) Model Β2 Σχήμα 5.14 Σύγκριση της ημερήσιας υπολογισμένης εξάτμισης των έξι μοντέλων του Πίνακα 5.13 με τις αντίστοιχες μετρήσεις εξάτμισης από τα λυσίμετρα σε mm day

128 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Πίνακας 5.13 Συντελεστές των εξισώσεων (5.63) και (5.64) για τον υπολογισμό της εξάτμισης από το νερό κατάκλυσης. Model A1 A2 A3 A4 B1 B2 a a a a a a Slope Intercept R RMSE MBE Εκτίμηση της θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης Η εκτίμηση της θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης έγινε με αναπροσαρμογή της γενικής εξισώσης του ισοζυγίου ενέργειας (Confalonieri and Bocchi, 2005; Aschonitis and Antonopoulos, 2008), η οποία έχει ως εξής: Rnw Gw λεw Tw Td (5.66) γλ f u όπου T w : η μέση ημερήσια θερμοκρασία του νερού κατάκλυσης ( o C), T d : η μέση ημερήσια θερμοκρασία του αέρα ( o C), G w : η ενέργεια που αποθηκεύεται ή χάνεται από το νερό κατάκλυσης (MJ m -2 day -1 ), R nw : η ροή ενέργειας της καθαρής ακτινοβολίας από την ατμόσφαιρα υπό συνθήκες φυτοσκίασης προς την επιφάνεια του νερού (MJ m -2 day -1 ), λε w : η ροή ενέργειας λόγω εξάτμισης υπό συνθήκες φυτοσκίασης προς την ατμόσφαιρα (MJ m -2 day - 1 ), λ : η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης (MJ kg -1 ), γ: η ψυχρομετρική σταθερά (kpa o C -1 ) και f(u): η συνάρτηση της ταχύτητας του ανέμου. Ένα από τα βασικότερα προβλήματα στον υπολογισμό της παραπάνω εξίσωσης είναι o υπολογισμός του παράγοντας G w καθώς υπεισέρχεται σφάλμα λόγω του μεγάλου αριθμού ημερών άρδευσης, της μεταβαλλόμενης θερμοκρασίας νερού άρδευσης και της μεγάλης ποσότητας νερού που διηθείται. Για το λόγο αυτό, τροποποιήθηκε η παραπάνω σχέση σε μία ημιεμπειρικού τύπου για την αποφυγή υπολογισμού όλων των παραγόντων του ισοζυγίου ενέργειας, η οποία έχει την εξής μορφή: ar 2 sexp( alai 3 ) awd 4 λεw Tw at 1 d a7aw a8 (5.67) au 5 2 a6 όπου R s : η ημερήσια προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία (MJm -2 day -1 ), LAI: ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας (cm 2 cm -2 ), u 2 : η ταχύτητα του ανέμου στα 2 m από την επιφάνεια του εδάφους (m sec -1 ), a w : ο συντελεστής ανάκλασης του νερού (albedo), WD: το ύψος του νερού κατάκλυσης (cm), Ε w : η εξάτμιση νερού υπό συνθήκες φυτοσκίασης σύμφωνα με ένα από τα μοντέλα των εξισώσεων (5.64) και (5.65) (mm day -1 ), λ: η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης (MJ kg -1 ) και a 1,..8 : οι συντελεστές προσαρμογής. Να σημειωθεί ότι για τον υπολογισμό των συντελεστών της εξ.(5.67) εξετάστηκαν και τα έξι μοντέλα υπολογισμού του E w, απ όπου το μοντέλο Β2 έδωσε τα καλύτερα αποτελέσματα για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας νερού T w. Χρησιμοποιώντας τo μοντέλο Β2 για τον υπολογισμό του E w, υπολογίστηκαν οι συντελεστές της εξίσωσης (5.67), οι οποίοι δίνονται στον Πίνακα Στο Σχήμα 5.15 δίνεται η σύγκριση μεταξύ μετρημένων και υπολογισμένων τιμών της θερμοκρασίας νερού. Ο σταθερός όρος της εξίσωσης α 8 =22.25 εκφράζει τη θερμοκρασία του νερού άρδευσης, το οποίο στη συγκεκριμένη πειραματική

129 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο διαδικασία προέρχεται από γεώτρηση και η θερμοκρασία του ήταν μεταξύ ο C καθ όλη τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου, χωρίς να παρουσιάζει σημαντικές αυξομειώσεις. T w ( o C) obs y = x R 2 = T w ( o C) comp. Σχήμα 5.15 Σύγκριση μεταξύ υπολογισμένων και μετρημένων τιμών της θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης. Πίνακας 5.14 Συντελεστές του μοντέλου (5.67) για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας νερού κατάκλυσης. Model a a a a a a a a Slope Intercept R RMSE MBE Σχέση απόδοσης και εξατμισοδιαπνοής ρυζιού Λαμβάνοντας υπόψη τα ευρήματα άλλων ερευνητών παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφοροποιήσεις στις προσδιορισμένες τιμές του φυτικού συντελεστή, στις οποίες δεν γίνεται καμία σύνδεση με το δείκτη φυλλικής επιφάνειας ή την πυκνότητα των φυτών και με ελάχιστα δεδομένα αποδόσεων (Shah et al., 1986; Rao et al., 1988; Mohan et al., 1994; Tyagi et al., 2000; Shah and Edling, 2000; Bethune et al., 2001; Παπαζαφειρίου, 1996, 1999; Πανώρας κ.α., 2001; Vu et al., 2005). Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων των παραπάνω ερευνητών και από τα αποτελέσματα των λυσιμέτρων προκύπτει ότι ο φυτικός συντελεστής αποτελεί συνάρτηση των τοπικών κλιματικών συνθηκών και της πυκνότητας των φυτών. Για να γίνει κατανοητή η διαφοροποίηση που μπορεί να υφίσταται από τόπο σε τόπο, εκτιμήθηκε η σχέση απόδοσης σε καρπό GY (Mg ha -1 ) και εξατμισοδιαπνοής ΕΤ c (mm) 130 ημερών με βάση την εξίσωση φυτικού συντελεστή της εξίσωσης (5.63-μοντέλο 5) για τα δύο έτη δεδομένων (2008 και 2009) των λυσιμέτρων (Σχήμα 5.16): GY 0.012ET c (R 2 =0.91 p< ) (5.68) Στο Σχήμα 5.16 έγινε επίσης εισαγωγή δεδομένων από την εργασία των Bethune et al. (2001), για καλλιέργεια ρυζιού υπό κατάκλυση στην Αυστραλία. Από το Σχήμα 5.16 προκύπτει ότι τα δεδομένα των Bethune et al. (2006) προσαρμόζονται ικανοποιητικά στην καμπύλη απόδοσης-εξατμισοδιαπνοής των λυσιμέτρων. Για περίοδο κατάκλυσης 125 ημερών η εξατμισοδιαπνοή αναφοράς στο πειραματικό των Bethune (2006) προσδιορίστηκε περίπου στα 950 mm με μέσο φυτικό συντελεστή περιόδου 1.3 και μέση απόδοση 9 Mg ha -1. Για τα λυσίμετρα η εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας αναφοράς εκτιμήθηκε στα 688 και 629 mm για τα έτη 2008 και 2009, αντίστοιχα, και με βάση τις αντίστοιχες αποδόσεις ο φυτικός συντελεστής προκύπτει 1.9. Να σημειωθεί ότι και το πείραμα των λυσιμέτρων και το πείραμα των Bethune, ήταν πλήρους λίπανσης και θερμομονάδων (growing degree days - με μία σχετική πλεονάζουσα υπεροχή των Benthune ως προς τις θερμομονάδες λόγω κλίματος), γεγονός το οποίο οδηγεί στο συμπέρασμα ότι κάτω από ιδανικές συνθήκες η πυκνότητα και η

130 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο εξατμισοδιαπνοή αναφοράς καθορίζουν με τέτοιο τρόπο τον φυτικό συντελεστή έτσι ώστε να καταλήγουμε σε παρόμοιες τιμές απόδοσης ανά μονάδα εξατμισοδιαπνεόμενου νερού. Αντίστοιχα, με χρήση της μεθόδου Epan και k p =0.71 (Πίνακας 5.10), o φυτικός συντελεστής για τα λυσίμετρα με μέση απόδοση 9 Mg ha -1 προκύπτει 1.33, τιμή η οποία εμπεριέχεται στο εύρος τιμών των Tomar and O'Toole (1980) (εύρος φυτικού συντελεστή για Epan) και κοντά στην δοθείσα τιμή των Wopereis et al. (1994) (φυτικός συντελεστής 1.44 για Epan) GY = 0.012ETc R 2 = GY (Mg ha -1 ) Lysimeters Bethune et al. (2001) 2 Γραμμική (Lysimeters ) ET c (mm) Σχήμα 5.16 Σχέση απόδοσης σε καρπό και εξατμισοδιαπνοής της καλλιέργειας ρυζιού για τα έτη 2008 και 2009 και σύγκριση με τα δεδομένα των Bethune et al. (2001). 5.4 Συμπεράσματα Στο 5 ο κεφάλαιο έγινε α) διερεύνηση των μεθόδων υπολογισμού της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς για την εαρινή καλλιεργητική περίοδο (Απριλίου-Οκτωβρίου) και β) ανάπτυξη ημι-εμπερικών εξισώσεων για τον υπολογισμό του φυτικού συντελεστή του ρυζιού, της εξάτμισης από το νερό κατάκλυσης για το διαχωρισμό εξάτμισης και διαπνοής καθώς επίσης και της θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης με βάση τις μετρήσεις δύο ετών σε λυσίμετρα με ρύζι υπό κατάκλυση. Όσον αφορά την εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας αναφοράς, μελετήθηκαν τα εξής: α) ο υπολογισμός της με εφτά μεθόδους με βάση τα δεδομένα αγρο-μετεωρολογικού σταθμού, συμπεριλαμβανομένης και της μεθόδου ASCE-standardized Penman-Monteith (Allen et al. 2005) υπολογισμένη σε ωριαίο χρονικό βήμα, η οποία είναι και η ακριβέστερη μέθοδος και β) ο υπολογισμός της με έξι μεθόδους υπολογισμού του συντελεστή k p και μετρήσεις εξάτμισης από εξατμισήμετρο τύπου Class-A pan. Στόχος της πρώτης προσέγγισης ήταν η εύρεση συντελεστών προσαρμογής των τιμών εξατμισοδιαπνοής των άλλων μεθόδων στις τιμές της ASCE ενώ στόχος της δεύτερης προσέγγισης ήταν η εύρεση της καταλληλότερης εξίσωσης υπολογισμού του συντελεστή εξατμισημέτρου k p για τον υπολογισμό της ΕΤ ο. Οι συγκρίσεις των εξισώσεων της παραμέτρου k p έγιναν με βάση τα αποτελέσματα της ASCE. H εξίσωση του Cuenca (1989) έδωσε τα καλύτερα αποτελέσματα για τις περιβαλλοντικές-μετεωρολογικές συνθήκες της περιοχής της Θεσσαλονίκης. Όσον αφορά την εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας του ρυζιού αναπτύχθηκαν πλήρεις εξισώσεις και εξισώσεις μειωμένων παραμέτρων για τον υπολογισμό του φυτικού συντελεστή, της εξάτμισης από το νερό κατάκλυσης και της θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης. Στις εξισώσεις αυτές πέρα από τις μετεωρολογικές παραμέτρους συμμετέχουν η ημέρα από τη σπορά DAS, ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας LAI, το ύψος της καλλιέργειας h c και ο

131 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο συντελεστής ανάκλασης του νερού a w. Όλες οι εξισώσεις παρουσίασαν ικανοποιητική προσαρμογή στις μετρήσεις των λυσιμέτρων. Διαπιστώθηκε σημαντική επίδραση των παραμέτρων LAI και DAS, οι οποίες περιγράφουν τις μεταβολές της διαπνεόμενης επιφάνειας των φύλλων και το ρυθμό διαπνοής ανά μονάδα επιφάνειας, αντίστοιχα. Πέρα από τις εξισώσεις πλήρους μορφής, οι οποίες δίνουν τα καλύτερα αποτελέσματα, οι απλουστευμένες εξισώσεις δίνουν τη δυνατότητα υπολογισμών για περιπτώσεις έλλειψης δεδομένων. Χαρακτηριστικές περιπτώσεις απλής διαδικασίας υπολογισμού της εξατμισοδιαπνοής του ρυζιού είναι οι εξής: α) Χρήση της εξίσωσης (5.68) για τον υπολογισμό της συνολικής πραγματικής εξατμισοδιαπνοής των 130 ημερών από την ημέρα της σποράς με βάση την τελική απόδοση του τελικού συγκομιζόμενου προϊόντος αναποφλοίωτου ρυζιού. β) Χρήση του μοντέλου Hargreaves, των συντελεστών μετάβασης της συγκεκριμένης μεθόδου σε τιμές της μεθόδου ASCE (Πίνακας 5.7) και χρήση των μοντέλων 1 (Πίνακας 5.11) και Β1 (Πίνακας 5.12) μόνο με δεδομένα θερμοκρασίας και LAI για τον υπολογισμό της εξατμισοπδιαπνοής και της εξάτμισης από το νερό κατάκλυσης σε ημερήσιο χρονικό βήμα. Η διακύμανση των τιμών του LAI μπορεί να υπολογιστεί έμμεσα με χρήση της βαρυμετρικής μεθόδου λαμβάνοντας υπόψη τα δεδομένα του τελικού συγκομιζόμενου προϊόντος. Εναλλακτικά για τον υπολογισμό του φυτικού συντελεστή μπορεί να χρησιμοποιηθεί o Πίνακας 5.12 σε συνδυασμό με τις εξισώσεις 4.19 ή 4.20 με βάση τα δεδομένα συγκομιδής. Βιβλιογραφία Ελληνική Γεωργίου, Π.Ε., Παπαμιχαήλ, Δ.Μ., Παπαζαφειρίου, Ζ., Συγκριτική Αξιολόγηση των Μεθόδων Penman και Penman-Monteith με τη Βοήθεια Εκτιμήσεων Εξατμισοδιαπνοής Αναφοράς στην Ελλάδα. Πρακτικά 5 ου Πανελλήνιου Συνεδρίου Μετεωρολογίας - Κλιματολογίας - Φυσικής της Ατμόσφαιρας, Θεσσαλονίκη, σελ Κερκίδης, Π., Τσακίρης, Γ., Οι ανάγκες σε νερό για άρδευση. Τσακίρης Γ.(Εκδ.), Υδραυλικά έργα, σχεδιασμός και διαχείριση, Τόμος ΙΙ. Εγγειοβελτιωτικά έργα. Εκδόσεις Συμμετρία, Αθήνα., σελ Μπαλτάς, Ε., Εφαρμοσμένη μετεωρολογία. Εκδόσεις Ζήτη, σελ.363. Πανώρας, Α., Παπαζαφειρίου, Ε., Πουλτσίδου, Θ., Υπολογισμός φυτικών συντελεστών για έξι μεθόδους εξατμισοδιαπνοής στο νότιο τμήμα της πεδιάδας Θεσσαλονίκης. Αγροτική Έρευνα 241, Παπαζαφειρίου, Γ.Ζ., Προσδιορισμός φυτικών συντελεστών προσαρμοσμένων στις ελληνικές συνθήκες. Παραδοτέο έργου με τίτλο Πειραματική εφαρμογή νεότερων μεθόδων άρδευσης, Γεωπονική Σχολή Α.Π.Θ., σελ. 28. Παπαζαφειρίου, Γ.Ζ., Οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών. Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη, σελ.176. Παπαμιχαήλ, Δ., Κωτσόπουλος, Σ. και Γεωργίου, Π., Συγκριτική Ανάλυση των Έμμεσων Μεθόδων Εκτίμησης της Εξατμισοδιαπνοής της Καλλιέργειας Αναφοράς. Πρακτικά 2 ου Πανελλήνιου Συνεδρίου Μετεωρολογίας - Κλιματολογίας - Φυσικής της Ατμόσφαιρας, Θεσσαλονίκη, σελ Παπαμιχαήλ, Δ.Μ., Γεωργίου, Π.Ε., Συγκριτική Ανάλυση των Ωριαίων και Ημερήσιων Εκτιμήσεων της Εξατμισοδιαπνοής Αναφοράς με τη Μέθοδο FAO Penman - Monteith. Πρακτικά 4 ου Εθνικού Συνεδρίου ΕΕΔΥΠ, Βόλος, τεύχος Α, σελ Ξενόγλωσση Alexandris, S., Kerkides, P., Liakatas, A., Daily reference evapotranspiration estimates by the Copais approach. Agricultural Water Management 82(3), Alexandris, S., Kerkides, P., New empirical formula for hourly estimations of reference evapotranspiration. Agricultural Water Management 60(3), Allen, R.G., Pruitt, W.O., FAO-24 reference evapotranspiration factors. Journal of Irrigation and Drainage Engineering 117(5),

132 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Allen, R.G., Walter, I.A., Elliott, R., Howell, T., Itenfisu, D., Jensen, M., The ASCE standardized reference evapotranspiration equation. Final Report (ASCE-EWRI). Pr. In: Allen, R.G., Walter, I.A., Elliott, R., Howell, T., Itenfisu, D., Jensen, M. (Eds.), Environmental and Water Resources Institute, Task Committee on Standardization of Reference Evapotranspiration of the Environmental and Water Resources Institute. Allen, R.G., Pereira, L.S., Raes, D., Smith, M., Crop Evapotranspiration: Guidelines for computing crop water requirements. Irrigation and Drainage Paper 56, Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome, 300 pp. Allen, R.G., Smith, M., Perrier, A., Pereira, L.S., 1994a. An update for the definition of reference evapotranspiration. ICID Bulletin 432, Allen, R.G., Smith, M., Perrier, A., Pereira, L.S., 1994b. An update for the calculation of reference evapotranspiration. ICID Bulletin 432, Allen, R.G., Smith, M., Perrier, A., Pruitt, W.O., Proposed revision to the FAO procedure for estimating crop water requirements. Proc. of the 2 nd International Symposium on Irrigation of Horticultural Crops, vol.1, Ampas, V., Baltas, E., Papamichail, D., Comparison of Different Methods for the Estimation of the Reference Crop Evapotranspiration in the Florina Region. WSEAS Transactions on Environment and Development 12(2), Anadranistakis, M., Liakatas, A., Kerkides, P., Rizos, S., Gavanosis, J., Poulovassilis, A., Crop water requirements model tested for crops grown in Greece. Agricultural Water Management 45, Aschonitis, V.G., Antonopoulos, V.Z., Evaluation of the water balance and the soil and ponding water temperature in paddy-rice fields with the modified GLEAMS model. In: E-Proceedings of Agricultural Engineering Conference, Crete, Greece, p. 15. Aschonitis, V.G., Antonopoulos, V.Z., Papamichail, D.M., Evaluation of pan coefficient equations in a semi-arid Mediterranean environment using the ASCE standardized Penman- Monteith method. Agricultural Sciences 3(1), Bethune, M., Austin, N., Maher, S., Quantifying the water budget of irrigated rice in the Shepparton Irrigation region, Australia. Irrigation Science 20, Blaney, H.F., Criddle, W.D., Determining water requirements in irrigated areas from climatological and irrigation data. USDA/SCS, SCS-TP 96., p.44. Cogley, J.G., The albedo of water as a function of latitude. American Meteorological Society, June, Confalonieri R., Bocchi S., Evaluation of CropSyst for simulating the yield of flooded rice in northern Italy. European Journal of Agronomy 23, Cuenca, R.H., Irrigation system design: an engineering approach. Prentice Hall, Englewood Cliffs, p.552. Dalezios, N.R., Loukas, A.,Bampzelis, D., Spatial variability of reference evapotranspiration in Greece. Physics and Chemistry of the Earth 27 (23-24), Doorenbos, J., Pruitt, W.O., Guidelines for predicting crop water requirements, Irrig. and Drain. Paper 24, (1st and 2nd ed). Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome, 179 and 156 pp. Gundekar, H.G., Khodke, U.M., Sarkar, S., Rai, R.K., Evaluation of pan coefficient for reference crop evapotranspiration for semi-arid region. Irrigation Science 26, Hargreaves, G.H., Samani, Z.A., Estimating potential evapotranspiration. Journal of Irrigation and Drainage Engineering 108, Hargreaves, G.H., Samani, Z.A., Reference crop evapotranspiration from temperature. Transaction of ASAE 1(2), Kende, H., van der Knaap, E., Cho, H.T., Deepwater rice: a model plant to study stem elongation. Plant Physiology 118, Kotsopoulos, S., Babajimopoulos, C., Analytical estimation of modified penman equation parameters. Journal of Irrigation and Drainage Engineering 123(4), Loukas, A., Vasiliades, L.,Domenikiotis, C., Dalezios, N.R Basin-wide actual evapotranspiration estimation using NOAA/AVHRR satellite data. Physics and Chemistry of the Earth30 (1-3),

133 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Mohan, S., Arumugam, N., lrrigation crop coefficients for lowland rice. lrrigation and Drainage Systems 8, Orang, M., Potential accuracy of the popular non-linear regression equations for estimating pan coefficient values in the original and FAO-24 tables. Unpublished rep. California Department of Water Resources, Sacramento. Papamichail, D.M., Terzidis, G.A., Assessment of the Meteorological Parameters Effects on the Daily Penman Reference Evapotranspiration. 2 nd International Symposium on Irrigation of Horticultural Crops, Chania, Acta Horticulturae, 49(1), Penman, H.L., Natural evaporation from open water, bare soil and grass. Proceedings of the Royal Society London, A193, Penman, H.L Estimating evaporation. Transactions of American Geophysical Union 37, Penman, H.L Vegetation and hydrology. Tech. Comm. No. 53, Commonwealth Bureau of Soils, Harpenden, England. 125 pp. Pereira, A.R., Villanova, N., Pereira, A.S., Baebieri, V.A., A model for the class-a pan coefficient. Agricultural Water Management 76, Priestley, C.H.B., Taylor, R.J., On the assessment of surface heat flux and evaporation using large-scale parameters. Monthly Weather Review 100, Raghuwanshi, N.S., Wallender, W.W., Converting from pan evaporation to evapotranspiration. Journal of Irrigation and Drainage Engineering 118 (6), Rahimikhoob, A., An evaluation of common pan coefficient equations to estimate reference evapotranspiration in a subtropical climate (north of Iran). Irrigation Science 27, Rao, A.S., Alexander, D., Prediction of evapotranspiration and grain yield of rice (Oryza sativa L. cv Thriveni) in a humid tropical climate. International Journal of Biometeorology 32, Sabziparvar, A.-A., Tabari, H., Aeini, A., Ghafouri, M., Evaluation of Class-A pan coefficient models for estimation of reference crop evapotranspiration in cold semi-arid and warm arid climates. Water Resources Management 24, Shah S.B., Edling, R.J., Daily Evapotranspiration Prediction from Louisiana Flooded Rice Field. Journal of Irrigation and Drainage Engineering 126(8), Shah, M.H., Bhatti, M.A., Jensen, J.R., Crop coefficient over a rice field in the central plain of Thailand. Field Crops Research 13, Shih, S.F., Relating Calculated Leaf Area Index, Evapotranspiration, and Irrigation Method of Sugarcane. Agronomy Journal 81, Shuttleworth, W.J., Wallace, J.S., Evaporation from sparse crops an energy combination theory. Quarterly Journal of Royal Meteorological Society 111, Snyder, R.L., Pruitt, W.O., Estimating reference evapotranspiration with hourly data. VII-1-VII- 3. R. Snyder, D. W. Henderson, W. O., Pruitt, and A. Dong (Eds.), California Irrigation Management Systems, Final Report, University of California, Davis. Snyder, R.L., Equation for evaporation pan to evapotranspiration conversions. Journal of Irrigation and Drainage Engineering 118(6), Takeshi, H., A model for evaluating climatic productivity of water balance of irrigated rice and its application to Southeast Asia. Southeast Asian Studies 25, Tomar, V.S., O Toole, J.C., Water use in lowland rice cultivation in Asia: A review of evapotranspiration. Agricultural Water Management 3(2), Tyagi, N.K., Sharma, D.K., Luthra, S.K., Determination of evapotranspiration and crop coefficients of rice and sunflower with lysimeter. Agricultural Water Management 45, Valiantzas, J.D., Simplified versions for the Penman evaporation equation using routine weather data. Journal of Hydrology 331(3-4), Vu, S.H., Watanabe, H., Takagi, K., Application of FAO-56 for evaluating evapotranspiration in simulation of pollutant runoff from paddy rice field in Japan. Agricultural Water Management 76, Wopereis M.C.S., Bouman B.A.M., Kropff M.J., Ten Berge H.F.M., Maligaya A.R., Water use efficiency of flooded rice fields. I.Validation of the soil-water balance model SAWAH. Agricultural Water Management 26, Wright, J.L.,1982. New evapotranspiration crop coefficients. Journal of Irrigation and Drainage Engineering 108,

134 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο Κεφάλαιο 6 ο ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΟΥ ΙΣΟΖΥΓΙΟΥ ΝΕΡΟΥ, ΑΖΩΤΟΥ ΚΑΙ ΦΩΣΦΟΡΟΥ ΣΕ ΕΠΙΠΕΔΟ ΑΓΡΟΥ ΥΠΟ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑΣ ΡΥΖΙΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ 6.1 Εισαγωγή Ένα από τα σπουδαιότερα καλλιεργήσιμα φυτά με την υψηλότερη ζήτηση για την κάλυψη των διατροφικών αναγκών του ανθρώπου είναι το ρύζι, του οποίου η καλλιέργεια έχει τις υψηλότερες απαιτήσεις σε νερό λόγω της εφαρμοζόμενης μεθόδου άρδευσης (κατάκλυση) (Αντωνόπουλος κ.α., 2007α,β). Οι ειδικές υδρολογικές συνθήκες που επικρατούν στους ορυζώνες σε συνδυασμό με τις καλλιεργητικές πρακτικές (π.χ. λίπανση, άροση κ.λ.π.) ασκούν έντονες επιδράσεις στην τύχη των θρεπτικών στοιχείων και στη συνεισφορά τους στη μη σημειακή ρύπανση. Βασική προϋπόθεση για τη διερεύνησή τους, είναι η λήψη πειραματικών μετρήσεων καθώς και η ανάπτυξη και εφαρμογή μαθηματικών μοντέλων προσομοίωσης όλων των διαδικασιών που λαμβάνουν χώρα στα συστήματα των ορυζώνων. Μια από τις πρώτες οργανωμένες προσπάθειες προσομοίωσης του υδατικού ισοζυγίου σε ορυζώνες έγινε από τους Wopereis et al. (1994) και Bouman et al. (1994), οι οποίοι προσέγγισαν το φυσικό πρόβλημα με την παραδοχή ότι οι συνθήκες καλλιέργειας ρυζιού υπό κατάκλυση μοιάζουν με τις συνθήκες που επικρατούν στους υγροτόπους. Η προσομοίωση έγινε με το μοντέλο SAWAH (Ten Berge et al., 1992), το οποίο είναι εξειδικευμένο για υδάτινα οικοσυστήματα. Το συγκεκριμένο μοντέλο είναι μονοδιάστατο και περιγράφει την κορεσμένη και ακόρεστη ροή στο έδαφος. Βασικό χαρακτηριστικό του είναι ότι διαχωρίζει το εδαφικό προφίλ σε τρεις ζώνες, την επιφανειακή ζώνη λάσπης και τις υποκείμενες ζώνες του κορεσμένου και ακόρεστου εδάφους, ενώ λαμβάνει υπόψη και τη διακύμανση του ύψους του νερού κατάκλυσης. Το μοντέλο δεν περιγράφει τη μεταφορά και τους μετασχηματισμούς των χημικών ουσιών αλλά ούτε και τη μεταφορά θερμότητας. Εφαρμογές του μοντέλου έγιναν αργότερα από τους Singh et al. (2001) σε ορυζώνες της Ινδίας για τον υπολογισμό των απωλειών νερού σε διάφορους τύπους εδάφους καθώς επίσης και από τους Liu et al. (2001), οι οποίοι διαπίστωσαν ότι τόσο η διήθηση του νερού από την επιφάνεια όσο και οι απώλειες νερού εξαρτώνται κατά κύριο λόγο από την υδραυλική αγωγιμότητα της υποκείμενης στρώσης κάτω από το ριζόστρωμα (plow sole). Τα ίδια αποτελέσματα προέκυψαν μετά από μετρήσεις και εφαρμογή μοντέλων για την ανάλυση της κίνησης του νερού σε τρεις διαστάσεις στους ορυζώνες συγκρίνοντας το μοντέλο SAWAH με το τρισδιάστατο μοντέλο FEMWATER (Lin et al., 1996) από τους Chen and Liu (2002) και Chen et al. (2002). Η ανάλυση των συγκεκριμένων ερευνητών με το μοντέλο FEMWATER, έδειξε επιπλέον ότι η οριζόντια κίνηση του νερού αρχίζει να γίνεται σημαντική κοντά στα όρια των αγρών. Ιδιαίτερη ανάλυση της κίνησης του νερού στα όρια των αγρών που εδράζονται τα αναχώματα έχει γίνει από τους Huang et al. (2003) με το μοντέλο FEMWATER. Οι Anastacio et al. (1999a,b,c) και Nielsen et al. (1999), λαμβάνοντας υπόψη ότι το περιβάλλον των υπό κατάκλυση ορυζώνων αποτελεί από μόνο του ένα ιδιαίτερο οικοσύστημα

135 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο στο οποίο συνυπάρχουν η καλλιέργεια του ρυζιού, φύκη (Algae) και άλλοι οργανισμοί (π.χ. τα οστρακόδερμα Procambarus clarkii), ανέπτυξαν και χρησιμοποίησαν το μονοδιάστατο μοντέλο CRISP. Το μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για την περιγραφή του ισοζυγίου νερού και αζώτου σε ορυζώνες στην περιοχή του ποταμού Mondego στην Πορτογαλία καθώς και άλλων διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στο ευρύτερο οικοσύστημα των ορυζώνων. Οι επιπλέον διεργασίες που συμπεριλήφθηκαν ήταν η περιγραφή της ανάπτυξης των φυκών και η πρόσληψη θρεπτικών στοιχείων από αυτά, της δυναμικής του πληθυσμού των οστρακόδερμων και το ισοζύγιο οξυγόνου, το οποίο αποτελεί βασική συνιστώσα για τους μετασχηματισμούς των θρεπτικών στοιχείων. Το μοντέλο λαμβάνει υπόψη όλους τους μετασχηματισμούς του αζώτου (αεριοποίηση αμμωνίας, νιτροποίηση, απονιτροποίηση, ανοργανοποίηση, ακινητοποίηση του αζώτου και πρόσληψή του από τα φυτά). Βασικό χαρακτηριστικό του μοντέλου είναι ότι περιγράφει τις συνθήκες στην επιφανειακή ζώνη του λιμνάζοντος νερού και σε δύο εδαφικές ζώνες, την επιφανειακή στρώση εδάφους (περίπου 10 cm-ζώνη οξείδωσης), στην οποία λαμβάνει χώρα η νιτροποίηση και την υποκείμενη αυτής, στην οποία δεν λαμβάνει χώρα η νιτροποίηση. Οι Chowdary et al. (2004) ανέπτυξαν ένα μοντέλο, το οποίο εκτιμά το ισοζύγιο του νερού και του αζώτου διαχωρίζοντας τις διαδικασίες που συμβαίνουν στο νερό κατάκλυσης και στο έδαφος. Οι ερευνητές εισήγαγαν στους μετασχηματισμούς του αζώτου και την υδρόλυση της ουρίας. Μοντέλα όπως το PADDIMOD (Jeon et al., 2005), HSPF-Paddy (Jeon et al., 2007), CREAMS-PADDY (Chin et al., 2002) και GLEAMS-PADDY (Chung et al., 2003), χρησιμοποιήθηκαν για την εκτίμηση του ισοζυγίου του νερού, του αζώτου αλλά και του φωσφόρου μόνο στο νερό κατάκλυσης με στόχο τον προσδιορισμό των εκροών τους μέσω επιφανειακής απορροής και στράγγισης. Οι Kim et al. (2007), χρησιμοποίησαν τα μοντέλα HSPF-Paddy και CREAMS-PADDY και για την αποτίμηση των εκροών αζώτου και φωσφόρου από ορυζώνες στους οποίους έγινε άρδευση με λύματα. Αντίστοιχες προσπάθειες για την εκτίμηση του ισοζυγίου τόσο του φωσφόρου όσο και του αζώτου, έχουν διεξαχθεί διεξοδικά στα συστήματα των ορυζώνων της Κορέας και της Κίνας από τους Cho et al. (2001;2002a,b; 2003; 2008), Guo et al. (2004), Zhang et al. (2002; 2003; 2004; 2007), Yoon et al. (2003; 2006) και Zhao et al. (2009). Κατά τις εφαρμογές αυτές προσδιορίστηκαν τα φορτία αζώτου και φωσφόρου που χάνονται με την επιφανειακή απορροή και στράγγιση με απλές σχέσεις. Ιδιαίτερη βαρύτητα στις εφαρμογές αυτές δίνεται στις απώλειες των θρεπτικών στοιχείων με την επιφανειακή απορροή καθώς πάνω από το 50% των εισροών νερού προέρχεται από τις βροχές, οι οποίες στις περιοχές αυτές ξεπερνούν τα 1000 mm με μεγαλύτερη ένταση, διάρκεια και συχνότητα στις περιόδους των λιπάνσεων. Μοντέλα με ιδιαίτερη έμφαση στην προσομοίωση της ανάπτυξης-απόδοσης των καλλιεργειών, στα οποία γίνεται εφαρμογή λεπτομερών εξισώσεων επίδρασης βιοτικώναβιοτικών παραγόντων που δρουν ανασταλτικά στην ανάπτυξη του φυτού και στην τελική απόδοση προϊόντος χαρακτηρίζονται και ως crop-growth models. Εφαρμογές τέτοιων μοντέλων για την περίπτωση του ρυζιού έχουν παρουσιαστεί από τους Chahal et al. (2007) με το μοντέλο CROPMAN, τους Aggarwal et al. (2006) με το μοντέλο InfoCrop, τους Bouman et al. (2006) με το μοντέλο ORYZA2000, τους Timsina et al. (2006) με το μοντέλο CERES, τους Confalonieri et al. (2005) με το μοντέλο CropSyst κ.α.. Στην Ευρωπαϊκή Ένωση δημιουργήθηκε η ερευνητική ομάδα MED-Rice, η οποία είχε σαν σκοπό την αξιολόγηση των υπαρχόντων μοντέλων (MED-Rice, 2003) αλλά και την ανάπτυξη νέων που να περιγράφουν την κίνηση και το ισοζύγιο νερού, τη μεταφορά μάζας, τους μετασχηματισμούς και την έκπλυση φυτοφαρμάκων σε ορυζώνες. Το 2003, η ερευνητική ομάδα παρουσίασε μια συνολική έκθεση των χαρακτηριστικών των εδαφών, των υδρολογικών συνιστωσών και των καλλιεργητικών πρακτικών που αφορούν τα φυτοφάρμακα σε ορυζώνες που καλλιεργούνται σε μεσογειακές χώρες της Ευρώπης όπως η Ελλάδα, η Ιταλία, η

136 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο Πορτογαλία, η Γαλλία και η Ισπανία. Βασικός στόχος τους ήταν η διερεύνηση των διαδικασιών που περιγράφουν το υδατικό ισοζύγιο και την τύχη των φυτοφαρμάκων στους ορυζώνες με τη βοήθεια μαθηματικών μοντέλων, τα οποία μελετήθηκαν από τους Linders and Alfarroba (2001) σαν συνέχεια της γενικευμένης έρευνας της ομάδας FOCUS (FOCUS, 1996a,b) για τα μοντέλα που περιγράφουν την τύχη των φυτοφαρμάκων στα αγροτικά συστήματα. Από την έρευνα αυτή κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι ο συνδυασμός των μοντέλων RICEWQ (Williams et al., 2004) και του VADOFT, το οποίο αποτελεί υπομοντέλο διήθησης του μοντέλου PRZM (Carsel et al., 1998), μπορεί να δώσει ικανοποιητικά αποτελέσματα στην περιγραφή των παραπάνω διαδικασιών. Το μοντέλο RICEWQ περιγράφει ικανοποιητικά τις διαδικασίες αυτές στο νερό κατάκλυσης ενώ δεν περιγράφει τη διήθησή του και την κατανομή των φυτοφαρμάκων στο έδαφος. Για το λόγο αυτό κρίθηκε αναγκαίος ο συνδυασμός του με το μοντέλο VADOFT, το οποίο λαμβάνει υπόψη τη διήθηση του νερού, τη μεταφορά και τις διάφορες διαδικασίες που υφίστανται τα φυτοφάρμακα στο έδαφος (Karpouzas and Capri, 2004). Εφαρμογές του μοντέλου RICEWQ έχουν παρουσιαστεί από τους Christen et al. (2005) και του συνδυασμένου μοντέλου RICEWQ-VADOFT από τους Miao et al. (2003a,b). Αντίστοιχα μοντέλα τα οποία μελετήθηκαν στα πλαίσια της έρευνας για την περιγραφή της τύχης των φυτοφαρμάκων στους ορυζώνες, είναι το PADDY (Inao & Kitamura, 1999), το RICEMOD (Hossang, 1999), το PCPF-1 (Watanabe et al., 2005) και το PCPF-SWMS (Turnebize et al., 2006). Τα μοντέλα αυτά ενώ περιγράφουν τα ισοζύγια νερού και φυτοφαρμάκων, δεν περιλαμβάνουν ισοζύγια θρεπτικών όπως του αζώτου και του φωσφόρου. Η έρευνα και η εφαρμογή μαθηματικών μοντέλων για την προσομοίωση του νερού και αζώτου για την καλλιέργεια του ρυζιού σε ελληνικές συνθήκες ξεκίνησε μόλις το 2005, με την πρώτη προσπάθεια να γίνεται στα πλαίσια του τριετούς ερευνητικού προγράμματος Πυθαγόρας ΙΙ (Αντωνόπουλος, 2007α,β). Στα πλαίσια του προγράμματος διοργανώθηκαν πειραματικές μετρήσεις, οι οποίες αφορούσαν μετρήσεις εισροών-εκροών νερού, δειγματοληψίες νερού, εδάφους και φυτών για την παρακολούθηση του αζώτου και του φωσφόρου σε δύο πειραματικούς αγρούς στην περιοχή της Χαλάστρας της πεδιάδας Θεσσαλονίκης. Οι μετρήσεις χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη και ρύθμιση δύο μαθηματικών μοντέλων, προσαρμοσμένων στις ελληνικές συνθήκες. Η πρώτη εφαρμογή αφορούσε την ανάπτυξη ενός μαθηματικού μοντέλου για την προσομοίωση του ισοζυγίου νερού και αζώτου μόνο στο νερό κατάκλυσης (Antonopoulos, 2007; 2008), το οποίο στη συνέχεια επεκτάθηκε για να λαμβάνει υπόψη και τις διαδικασίες στο εδαφικό προφίλ (Αντωνόπουλος και Παυλάτου, 2009; Antonopoulos, 2010). Το μοντέλο λαμβάνει υπόψη τις διαδικασίες της νιτροποίησης, απονιτροποίησης, αεριοποίησης της αμμωνίας, ανοργανοποίησης, πρόσληψης από τα φυτά και από τα Algae καθώς και τις απώλειες με επιφανειακή απορροή και διήθηση σε ημερήσιο χρονικό βήμα. Οι διαδικασίες της νιτροποίησης, απονιτροποίησης, αεριοποίησης και ανοργανοποίησης περιγράφονται από πρώτης τάξης κινητικές αντιδράσεις ενώ οι διαδικασίες της πρόσληψης από τα φυτά και τα φύκη προσδιορίζονται με βάση την προσέγγιση των Michaelis Menten. Οι διαδικασίες των μετασχηματισμών του αζώτου δεν λαμβάνουν υπόψη τη διακύμανση της εδαφικής υγρασίας λόγω των μόνιμων συνθηκών κορεσμού και τη διακύμανση της θερμοκρασίας του νερού και του εδάφους. Παράλληλα, αναπτύχθηκε και ένα δεύτερο μοντέλο ως τροποποίηση του υπάρχοντος λογισμικού GLEAMS v3.0 (Knisel and Davis, 2000) για συνθήκες καλλιέργειας ρυζιού υπό κατάκλυση. Οι αρχικές τροποποιήσεις του μοντέλου GLEAMS βασίστηκαν στις παραδοχές των Chung et al. (2003) για το ισοζύγιο νερού και αζώτου στη ζώνη κατάκλυσης και στο έδαφος και ακολούθησαν τροποποιήσεις που αφορούσαν τον υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής και της θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης με χρήση των εξισώσεων του 5 ου κεφαλαίου, τροποποιήσεις για την εισαγωγή του ισοζυγίου του φωσφόρου τόσο στο νερό κατάκλυσης όσο και στο έδαφος και τροποποιήσεις για την πρόσληψη των θρεπτικών

137 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο στοιχείων του αζώτου αλλά και του φωσφόρου από τα Algae (Ασχονίτης, 2007; 2010; Aschonitis and Antonopoulos, 2008). Λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα των μοντέλων για την περίπτωση των ορυζώνων της περιοχής Χαλάστρας της πεδιάδας Θεσσαλονίκης έγινε επίσης και ανάλυση της επίδρασή τους στην ποιότητα των υδάτων του στραγγιστικού δικτύου της περιοχής (Litskas et al., 2010). Στο 6 ο κεφάλαιο γίνεται συνολική περιγραφή όλων των τροποποιήσεων του μοντέλου GLEAMS v3.0, οι οποίες βασίζονται στα ευρήματα των προηγούμενων εργασιών καθώς και στα ευρήματα των πειραμάτων των λυσιμέτρων, με στόχο την εφαρμογή του για την εκτίμηση του ισοζυγίου του νερού και των θρεπτικών στοιχείων του αζώτου και του φωσφόρου σε δύο πειραματικούς ορυζώνες. Οι τροποποιήσεις που έγιναν στο πρόγραμμα GLEAMS για την περιγραφή των συνθηκών των ορυζώνων περιλαμβάνουν τα εξής: Ενσωμάτωση της επιφανειακής ζώνης κατάκλυσης με ελεγχόμενη εκροή. Υπολογισμός της εξατμισοδιαπνοής, της εξάτμισης και της θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης με βάση τις εξισώσεις του 5 ου κεφαλαίου. Ενσωμάτωση περιγραφής αγρονομικών χαρακτηριστικών με εξισώσεις που αναπτύχθηκαν στο 4 ο κεφάλαιο. Εκτίμηση του ισοζυγίου αζώτου και φωσφόρου στη λεκάνη κατάκλυσης. Τροποποίηση των μετασχηματισμών των θρεπτικών στοιχείων του εδάφους για συνθήκες κατάκλυσης (διαχωρισμός του προφίλ σε ζώνη οξείδωσης και αναγωγική ζώνη). Μοντέλο ανάπτυξης και πρόσληψης θρεπτικών στοιχείων για τα φύκη στο νερό κατάκλυσης. 6.2 Τροποποιήσεις στο μοντέλο GLEAMS για συνθήκες καλλιέργειας ρυζιού υπό κατάκλυση Το μοντέλο GLEAMS V3.0 (Groundwater Loading Effects of Agricultural Management Systems) είναι ένα ημιεμπειρικό-ντετερμινιστικό μοντέλο (semi-conceptual and deterministic model), μονοδιάστατο κατά την κατακόρυφη διεύθυνση (Knisel and Davis, 2000) και αποτελεί την εξελιγμένη έκδοση του μοντέλου CREAMS, το οποίο αναπτύχθηκε από την USDA-ARS στις αρχές της δεκαετίας του 80 (Knisel, 1980). Για την προσομοίωση της πληθώρας των πολύπλοκων διαδικασιών που συμβαίνουν μέσα σ ένα αγρό, το μοντέλο διαχωρίζεται σε υπομοντέλα που περιγράφουν την υδρολογία, τη διάβρωση και τη μεταφορά μάζας των χημικών ουσιών (λιπάσματα και φυτοφάρμακα). Η γενική περιγραφή και οι τροποποιήσεις που εντάχθηκαν στο μοντέλο για την προσομοίωση των υπό κατάκλυση συνθηκών στους ορυζώνες δίνονται στη συνέχεια Υπομοντέλο υδατικού ισοζυγίου Γενικό ισοζύγιο νερού Το ισοζύγιο νερού του μοντέλου GLEAMS (Σχήμα 6.1) τροποποιήθηκε έτσι ώστε να περιλαμβάνει εκτός από το ισοζύγιο νερού στο έδαφος και το ισοζύγιο νερού στη λεκάνη κατάκλυσης. Το ισοζύγιο νερού για το σύστημα έδαφος νερό κατάκλυσης εκτιμάται σύμφωνα με τη συνδυαστική εξίσωση: dwd dsm P IR ET O Q (6.1) dt dt όπου WD: το ύψος του νερού κατάκλυσης (cm d -1 ), SM: αποθηκευμένη υγρασία στο εδαφικό προφίλ (cm), Ο: εκροή νερού λόγω βαθειάς διήθησης (cm d -1 ), Q: εκροή νερού από

138 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο επιφανειακή απορροή (cm d -1 ), P: εισροή νερού από τη βροχόπτωση (cm d -1 ), ΙR: εισροή νερού από άρδευση (cm d -1 ) και ΕΤ: εκροή νερού λόγω εξατμισοδιαπνοής (cm d -1 ). Σχήμα 6.1 Αναπαράσταση του συστήματος εκτίμησης του υδατικού ισοζυγίου τυπικού ορυζώνα. (P: βροχή, IR: άρδευση, ΕΤ: εξατμισοδιαπνοή, Q: επιφανειακή απορροή, O: βαθειά διήθηση, F: διήθηση, WD: ύψος νερού κατάκλυσης) Επιφανειακή απορροή Η επιφανειακή απορροή υπολογίζεται σύμφωνα με τη μέθοδο SCS Curve Number method (U.S.-S.C.S., 1972; 1984) μετά από τροποποίησή της από τους Williams and LaSeur (1976). Στην περίπτωση του ρυζιού τα χωράφια είναι ισοπεδωμένα με σχεδόν μηδενική κλίση και ύπαρξη περιφερειακών αναχωμάτων όπου η επιφανειακή απορροή καθορίζεται από το ύψος πάνω από το έδαφος HD, στο οποίο είναι τοποθετημένος ο σωλήνας ή το όρυγμα εκροής επί του αναχώματος στα κατάντη. Για το λόγο αυτό το μοντέλο τροποποιήθηκε έτσι ώστε να γίνεται υπολογισμός του βάθους νερού κατάκλυσης WD και η απορροή να συμβαίνει μόνο όταν το νερό ξεπερνά το ύψος αναχώματος HD σύμφωνα με την παραδοχή των Chung et al. (2003), η οποία βελτιώθηκε έτσι ώστε να λαμβάνει υπόψη και την εξάτμιση από το νερό κατάκλυσης. Η επιφανειακή απορροή κάτω από αυτές τις συνθήκες δίνεται από την εξίσωση: Όταν WD i 1 IR i P i F i E swi HD τότε Qi WDi 1 IRi Pi Fi Eswi HD και WD i HD (6.2) αλλιώς Qi 0 και WDi WDi 1 IRi Pi Fi Esw i όπου WD: το ύψος νερού στην επιφάνεια του εδάφους (cm), HD: το ύψος αναχώματος (cm) για την επίτευξη της λίμνασης, Q: η επιφανειακή απορροή (cm d -1 ), P: εισροή νερού από τη βροχόπτωση (cm d -1 ), ΙR: εισροή νερού από άρδευση (cm d -1 ), F: η διήθηση από το νερό κατάκλυσης προς το έδαφος (cm d -1 ) E sw : η εξάτμιση από το νερό κατάκλυσης (cm d -1 ) και i: χρονικό βήμα ημέρας Κίνηση του νερού στο έδαφος H κίνηση του νερού στο έδαφος εξαρτάται από τις υδραυλικές παραμέτρους, οι οποίες μπορεί να διαφοροποιούνται για κάθε ορίζοντα του εδάφους. Οι παράμετροι που λαμβάνονται υπόψη είναι η υδραυλική αγωγιμότητα στον κορεσμό, η περιεχόμενη εδαφική υγρασία, η εδαφική υγρασία στον κορεσμό, στην υδατοϊκανότητα και στο σημείο μόνιμης μάρανσης. Η μέθοδος που χρησιμοποιείται στο μοντέλο για την περιγραφή της μετακίνησης του νερού λόγω διήθησης από κάθε στρώση προς την υποκείμενη ονομάζεται μέθοδος αποθήκευσης-διόδευσης και δίνεται από τις παρακάτω εξισώσεις: F F SM για F SM FC (6.3) j j j j1 j j1 j