Γεωπονική Σχολή, Α.Π.Θ., 54124, Θεσσαλονίκη

Transcript

1 ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΤΟΥ ΕΔΑΦΙΚΟΥ ΝΕΡΟΥ ΜΕ ΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ SWBACROS ΣΕ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΒΑΜΒΑΚΙΟΥ ΣΕ ΛΥΣΙΜΕΤΡΑ Χ. Παρασκευάς 1,*, Π. Γεωργίου 1, Α. Ηλίας 2, Α. Πανώρας 2, Χ. Μπαμπατζιμόπουλος 1 1 Τομέας Εγγείων Βελτιώσεων, Εδαφολογίας και Γεωργικής Μηχανικής, Γεωπονική Σχολή, Α.Π.Θ., 54124, Θεσσαλονίκη 2 ΕΘ.Ι.ΑΓ.Ε., Ινστιτούτο Εγγείων Βελτιώσεων, 57400, Σίνδος * paraskevasb@gmail.com ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην εργασία αυτή μελετήθηκε η δυναμική του εδαφικού νερού με τη βοήθεια δύο λυσιμέτρων ελεύθερης στράγγισης σε καλλιέργεια βαμβακιού. Στα δύο λυσίμετρα γινόταν συνεχής καταγραφή της εδαφικής υγρασίας μέσω δύο βαθμονομημένων αισθητήρων τεχνολογίας FDR. Τα δεδομένα από το λυσίμετρο 2 χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό φυτικών συντελεστών με τη μέθοδο του υδατικού ισοζυγίου, από όπου προέκυψαν αυξημένες τιμές στη διάρκεια του μέσου σταδίου. Οι αυξημένες τιμές οφείλονταν στο «φαινόμενο όασης» (oasis effect) λόγω ύπαρξης πολύ μικρού σε επιφάνεια και ακτίνα περιβάλλοντα χώρου. Τα δεδομένα από το λυσίμετρο 1 χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη της δυναμικής του εδαφικού νερού με το μαθηματικό μοντέλο SWBACROS χρησιμοποιώντας τόσο τους φυτικούς συντελεστές που προσδιορίστηκαν, όσο και βιβλιογραφικούς φυτικούς συντελεστές. Από τις προσομοιώσεις προέκυψε ότι το «φαινόμενο όασης» πρέπει να λαμβάνεται σοβαρά υπόψη κατά τη μελέτη του υδατικού ισοζυγίου καλλιεργούμενων εδαφών. STUDY OF THE SOIL WATER DYNAMICS USING SWBACROS MODEL IN A LYSIMETER COTTON PLOT C. Paraskevas 1,*, P. Georgiou 1, A. Ilias 2, A. Panoras 2, C. Babajimopoulos 1 1 Department of Hydraulics, Soil Science and Agricultural Engineering, School of Agriculture, Aristotle University, Thessaloniki N.AG.RE.F., Land Reclamation Institute, 57400, Sindos * paraskevasb@gmail.com ABSTRACT The soil water dynamics was studied out in two free-drainage lysimeters cultivated with cotton with the SWBACROS model. Soil moisture was measured for the whole soil profile with two sensors based on FDR technology. The sensors were calibrated with gravimetric moisture samples. The soil water balance method was used to estimate crop coefficients in lysimeter 2. These coefficients were higher than literature s coefficients during the mid-season stage due to oasis effect. The local crop coefficients of lysimeter 2 were used for the simulation of the water movement in lysimeter 1 by the SWBACROS model. Simulated results obtained with the local crop coefficients were much better than those obtained with literature s coefficients indicating that oasis effect is very important in the study of the water balance of cultivated soils. 1

2 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα λυσίμετρα είναι δοχεία με διαταραγμένους ή αδιατάρακτους όγκους εδάφους, εγκατεστημένα στην επιφάνεια του εδάφους τα οποία υπολογίζουν τη στράγγιση / έκπλυση από το κάτω μέρος του εδάφους με διάφορες μεθόδους (Lanthaler, 2004). Τα λυσίμετρα απομονώνουν υδρολογικά το έδαφος το οποίο περιέχουν από αυτό που το περιβάλλει (Kutílek and Nielsen, 1994) και θεωρούνται ότι προσομοιώνουν καλύτερα τις φυσικές συνθήκες του αγρού σε σχέση με τις εργαστηριακές στήλες εδάφους (Bergström, 1990, Abdou and Flury, 2004). Ακόμη τα λυσίμετρα χρησιμοποιούνται ευρέως για τη μελέτη της ροής του νερού στο έδαφος και στη μεταφορά των ουσιών (Bergström and Jarvis, 1993, Abdou and Flury, 2004) καθώς και στη βαθμονόμηση μοντέλων και στον προγραμματισμό των αρδεύσεων με πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα (Flury et al., 1999, Zhou et al., 2007). Ο προγραμματισμός των αρδεύσεων απαιτεί τον υπολογισμό της χωροχρονικής διακύμανσης του διαθέσιμου στα φυτά εδαφικού νερού. Ο έλεγχος της ποιότητας του νερού το οποίο επιστρέφει στους αποδέκτες, η συσσώρευση των αλάτων στο ριζόστρωμα λόγω της άρδευσης, της εξάτμισης και της πρόσληψης του νερού με τις ρίζες και η ρύπανση των επιφανειακών και υπόγειων νερών, εξαρτάται από την κίνηση και την α- νακατανομή του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους (Αντωνόπουλος, 1999). Τα παραπάνω οδηγούν στην ανάγκη μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας για τον προσδιορισμό της κίνησης του εδαφικού νερού στην ακόρεστη ζώνη, ώστε να είναι δυνατή η καλύτερη διαχείριση του νερού στην ζώνη αυτή. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκαν σύνθετα μαθηματικά μοντέλα προσομοίωσης της δυναμικής του νερού σε καλλιεργούμενα εδάφη (Feddes et al., 1978, Babajimopoulos et al., 1995, Simunek et al., 1998, Αντωνόπουλος, 1998). Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη της κίνησης του νερού στο έδαφος καλλιεργούμενο με βαμβάκι με χρήση λυσιμέτρων. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν δύο λυσίμετρα ελεύθερης στράγγισης στο Ινστιτούτο Εγγείων Βελτιώσεων του Ε- ΘΙΑΓΕ στην περιοχή της Σίνδου Θεσσαλονίκης κατά την καλλιεργητική περίοδο του 2007, στα οποία γινόταν συνεχής καταγραφή της εδαφικής υγρασίας μέσω δύο βαθμονομημένων αισθητήρων τεχνολογίας FDR. Επιπλέον, συγκεντρώθηκαν όλα τα απαιτούμενα δεδομένα (εδαφολογικά, αγρονομικά και μετεωρολογικά) για τη μελέτη της δυναμικής του εδαφικού νερού. Με τη βοήθεια των δεδομένων του λυσιμέτρου 2, προσδιορίστηκαν τοπικοί φυτικοί συντελεστές με τη μέθοδο του υδατικού ισοζυγίου. Οι φυτικοί συντελεστές που προέκυψαν είχαν αυξημένες τιμές, οι οποίες οφείλονταν στο «φαινόμενο όασης» (oasis effect) λόγω ύπαρξης πολύ μικρού σε επιφάνεια και ακτίνα περιβάλλοντα χώρου. Οι τιμές των φυτικών συντελεστών, μαζί με τα υπόλοιπα δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη της κίνησης του νερού στο λυσίμετρο 1 με την εφαρμογή του μαθηματικού μοντέλου SWBACROS (Babajimopoulos et al., 1995). Η ανταπόκριση του μοντέλου με τη χρήση των τοπικών φυτικών συντελεστών ήταν πολύ καλύτερη από ότι με τη χρήση βιβλιογραφικών φυτικών συντελεστών πράγμα που δείχνει ότι το «φαινόμενο όασης» πρέπει να λαμβάνεται πολύ σοβαρά υπόψη κατά τη μελέτη του ισοζυγίου καλλιεργούμενων εδαφών. 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ 2.1. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΥ ΛΥΣΙΜΕΤΡΩΝ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Τα δεδομένα για την μελέτη της κίνησης του νερού συγκεντρώθηκαν σε πειραματικό αγρό με δύο λυσίμετρα ελεύθερης στράγγισης (λυσίμετρα 1 και 2), στο Ινστιτούτο Εγγείων Βελτιώσεων του Εθνικού Ιδρύματος Αγροτικής Έρευνας στην περιοχή της 2

3 Σίνδου Θεσσαλονίκης, κατά την καλλιεργητική περίοδο του Τα λυσίμετρα αυτά έχουν διαταραγμένο εδαφικό προφίλ και εσωτερική διάμετρο 4 m 2. Τα τοιχώματα των λυσιμέτρων είναι κατασκευασμένα από σκυρόδεμα και έχουν πάχος 20 cm. Τo βάθος του εδάφους μέσα στα λυσίμετρα φτάνει το 1 m και μετά από αυτό υπάρχει χονδρόκοκκο υλικό (άμμος και χαλίκια) για να διευκολύνεται η στράγγιση. Η καλλιέργεια που επιλέχθηκε είναι αυτή του βαμβακιού, ενώ οι πρακτικές που ακολουθήθηκαν είναι οι συνήθεις που ακολουθούνται στην πεδιάδα της Θεσσαλονίκης. Η σπορά πραγματοποιήθηκε στις 11/5/2007 και η ποικιλία που επιλέχθηκε ήταν η Fibermax Celia μια μεσοπρώιμη ποικιλία που συναντάται αρκετά στον ελληνικό χώρο. Σε κάθε λυσίμετρο σπάρθηκαν εσωτερικά αυτού τρεις γραμμές, μία κεντρική γραμμή στο μέσο του και εκατέρωθέν της σε απόσταση 70 εκατοστών άλλες δύο, ενώ εξωτερικά σπάρθηκε μία ακόμη γραμμή σε απόσταση 25 εκατοστών από αυτό. Η βασική λίπανση έγινε στις 18/5/2007. Η πυκνότητα των φυτών ήταν φυτά/m φύτευσης. Τέλος, η συγκομιδή της καλλιέργειας έγινε στις 25/9/2007. Η άρδευση στο πειραματικό γινόταν με τη μέθοδο της στάγδην άρδευσης, με ποσοστό ύγρανσης της επιφάνειας του εδάφους στο 100% (πλήρης διαβροχή). Σε κάθε γραμμή καλλιέργειας αντιστοιχούσαν δύο σταλακτηφόροι σωλήνες με απόσταση 20 cm εκατέρωθέν της. Κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου έλαβαν χώρα 8 συνολικά αρδεύσεις, με συνολικό ύψος άρδευσης mm. Τα μετεωρολογικά δεδομένα (θερμοκρασία Τ, σχετική υγρασία RH, ταχύτητα α- νέμου u 2, προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία R s και ύψος βροχόπτωσης R) μετρήθηκαν από μετεωρολογικό σταθμό που ήταν εγκατεστημένος πλησίον του πειραματικού, σε ωριαίο χρονικό βήμα. Στον Πίνακα 1 δίνονται οι μέσες μηνιαίες τιμές των μετεωρολογικών παραμέτρων. 3 Πίνακας 1. Μέσες μηνιαίες τιμές μετεωρολογικών παραμέτρων κατά τη διάρκεια του πειραματικού (2007) Μήνας Τ ( o C) u 2 (m/s) R s (kw/m 2 ) RH (%) R (mm) Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέμβριος Τέλος, στο κέντρο κάθε λυσιμέτρου εγκαταστάθηκαν σωλήνες PVC για την μέτρηση της εδαφικής υγρασίας από τους αισθητήρες τεχνολογίας FDR (frequencydomain reflectometry), Diviner 2000 και EnviroScan της εταιρείας Sentek. Συγκριμένα στο λυσίμετρο 1 χρησιμοποιήθηκε το Diviner 2000, για τη μέτρηση της εδαφικής υγρασίας σε ημερήσιο χρονικό βήμα, ενώ στο λυσίμετρο 2, το EnviroScan για τη μέτρηση της εδαφικής υγρασίας σε ωριαίο χρονικό βήμα. Τα όργανα επιλέχθηκε να βαθμονομηθούν με τη λήψη δειγμάτων εδάφους σε διάφορες υγρασιακές καταστάσεις (ξηρή, μέση, υγρή) και προσδιορισμό της υγρασίας με τη βαρυμετρική μέθοδο. Η βαθμονόμηση βελτίωσε κατά πολύ τις μετρήσεις όπως αυτές παίρνονταν από τα όργανα. Περισσότερες πληροφορίες για τους παραπάνω αισθητήρες καθώς και για τα αποτελέσματα της βαθμονόμησης παρουσιάζονται στις εργασίες των Παρασκευάς κ.άλ. (2011) και Paraskevas et al. (2012). Η καταγραφή της αύξησης του μήκους του ριζοστρώματος γινόταν μετά από προσεκτική εξαγωγή της ρίζας με εκσκαφή. Ακολουθούσε ξέπλυμά της με νερό και μέτρηση του μήκους της. Ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας (LAI) υπολογίσθηκε με τη συσκευή SunScan Canopy Analysis System. Οι μετρήσεις του LAI γίνονταν κάθε φορά

4 επί της κεντρικής γραμμής του λυσιμέτρου και σε 4 διαφορετικές θέσεις αυτού. Οι μέσοι όροι των τιμών αυτών αποτέλεσαν τις τελικές τιμές των μετρήσεων. Στο Σχήμα 1 φαίνεται η ημερήσια διακύμανση του LAI και του βάθους του ριζοστρώματος προσαρμόζοντας τις μετρήσεις σε δύο εξισώσεις. ημέρα του έτους ημέρα του έτους LAI Λυσίμετρο Λυσίμετρο δείκτηςφυλλικήςεπιφάνειας(lai) (m 2 m -2 ) Μετρήσεις LAI δείκτης φυλλικής επιφάνειας (LAI) (m 2 m -2 ) βάθος ριζοστρώματος (cm) βάθος ριζοστρώματος μετρημένεςτιμέςβάθουςριζοστρώματος βάθος ριζοστρώματος (cm) /5 9/6 21/6 3/7 15/7 27/7 8/8 20/8 1/9 13/9 25/9 ημερομηνία 28/5 9/6 21/6 3/7 15/7 27/7 8/8 20/8 1/9 13/9 25/9 ημερομηνία Σχήμα 1. Ημερήσια διακύμανση του δείκτη φυλλικής επιφάνειας LAI και του βάθους του ριζοστρώματος Στο λυσίμετρο 1 έγινε δειγματοληψία μέχρι το βάθος των 90 cm για τον προσδιορισμό των εδαφικών στρώσεων και της μηχανικής σύστασης. Για τον υπολογισμό του φαινόμενου ειδικού βάρους και τον προσδιορισμό της χαρακτηριστικής καμπύλης εδαφικής υγρασίας, λήφθηκαν αδιατάρακτα δείγματα εδάφους από το μέσο κάθε εδαφικής στρώσης. Τα αποτελέσματα των εδαφολογικών αναλύσεων δίνονται στον Πίνακα 2. 4 Πίνακας 2. Μηχανική ανάλυση και φαινόμενο ειδικό βάρος p b λυσιμέτρου 1 Βάθος Άμμος Ιλύς Άργιλος (cm) (%) ρ b (gr/cm 3 ) Χαρακτηρισμός Clay Loam Loam Loam Επίσης, τα αποτελέσματα της προσαρμογής των ζευγών τιμών υγρασίας-πίεσης στην εξίσωση Van Genuchten (1980), για τον προσδιορισμό της χαρακτηριστικής καμπύλης εδαφικής υγρασίας, δίνονται στον Πίνακα 3. Οι τιμές της υγρασίας κορεσμού θ s αφορούν μετρημένες τιμές, ενώ οι τιμές της υπολειμματικής υγρασίας θ r και των σταθερών α, n και m είναι υπολογισμένες με τη βοήθεια παλινδρόμησης. Πίνακας 3. Παράμετροι της εξίσωσης Van Genuchten στο λυσίμετρο 1 Βάθος θ s θ r Α m n (cm) (cm 3 cm -3 ) (m -1 ) (=1-1/n) ΜΟΝΤΕΛΟ SWBACROS H περιγραφή της μονοδιάστατης κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του ε- δάφους γίνεται με την εξίσωση του Richards: h h C(h) = K(θ) 1 S(h) t z z (2.1) όπου: C(h) (= θ/ h) η υδραυλική χωρητικότητα του εδάφους (1/L), h το ύψος πίεσης

5 του εδαφικού νερού (L), K(θ) η ακόρεστη υδραυλική αγωγιμότητα (L/T), θ η εδαφική υγρασία κατ όγκο (L 3 /L 3 ), z η κατακόρυφη συντεταγμένη (με θετική φορά προς τα κάτω) (L), t ο χρόνος (T) και S η προσλαμβανόμενη ποσότητα νερού από το ριζικό σύστημα του φυτού (1/T). Το μοντέλο SWBACROS βασίζεται στην αριθμητική επίλυση της Εξίσωσης (2.1) με τη μέθοδο Douglas-Jones (Douglas and Jones, 1963, Babajimopoulos, 1991, 2000) και παράλληλα συμπεριλαμβάνει και την πρόσληψη του εδαφικού νερού από τις ρίζες των φυτών. Η πρόσληψη του νερού από το ριζικό σύστημα S(h), υπολογίζεται σύμφωνα με τη σχέση (Belmans et al., 1983): S(h) = α(h) S max (2.2) όπου: α(h) ένας περιοριστικός παράγοντας, ο οποίος είναι μία αδιάστατη συνάρτηση του ύψους πίεσης, S max η μέγιστη δυνατή πρόσληψη νερού από το ριζικό σύστημα. O υπολογισμός του S max γίνεται με τη σχέση των Feddes et al. (1978): S = T /L max p (2.3) όπου: T p η δυναμική διαπνοή και L το βάθος του ριζικού συστήματος. Ο υπολογισμός της δυναμικής διαπνοής απαιτεί τον υπολογισμό της δυναμικής εξατμισοδιαπνοής, ο οποίος στο μοντέλο γίνεται με τη μέθοδο FAO Penman-Monteith (Allen et al., 1998), ενώ η δυναμική εξάτμιση από την επιφάνεια του εδάφους γίνεται με τη βοήθεια των σχέσεων των Al-Kfafaf et al. (1978). Τέλος, η χαρακτηριστική καμπύλη και η υδραυλική αγωγιμότητα περιγράφονται στο μοντέλο SWBACROS με τις εξισώσεις του Van Genuchten (1978, 1980). Αναλυτική περιγραφή του μοντέλου SWBACROS δίνεται στην εργασία των Babajimopoulos et al. (1995), ενώ εφαρμογές του μοντέλου για διάφορες καλλιέργειες βρίσκονται στις εργασίες των Μπίλας (1995), Μπαμπατζιμόπουλος κ.άλ. (1995), Γούκος (1999), Μπαμπατζιμόπουλος και Πανώρας (2000) και Γεωργούσης (2007). 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 3.1. ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΦΥΤΙΚΩΝ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΩΝ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ ΤΟΥ ΥΔΑΤΙΚΟΥ ΙΣΟΖΥΓΙΟΥ Με τη βοήθεια των βαθμονομημένων αισθητήρων (Diviner 2000 και Enviroscan), γινόταν η παρακολούθηση της διακύμανσης της εδαφικής υγρασίας σε όλο το εδαφικό προφίλ και των δύο λυσιμέτρων. Οι εισροές νερού (μέσω της βροχόπτωσης και της άρδευσης) παρουσίαζαν πολύ καλή απόκριση στα δεδομένα υγρασίας (Paraskevas et al., 2012). Παρόλα αυτά υπήρχε ασυμφωνία ανάμεσα στις μετρήσεις εδαφικής υγρασίας και στην εξατμισοδιαπνοής της καλλιέργειας, όπως αυτή υπολογιζόταν με τη βοήθεια της δυναμικής εξατμισοδιαπνοής (μέθοδος FAO Penman - Monteith) με τη χρήση βιβλιογραφικών φυτικών συντελεστών (Allen et al., 1998, Παπαζαφειρίου, 1999). Στον Πίνακα 4 δίνονται οι συνολικές ανάγκες σε νερό της καλλιέργειας του βαμβακιού, όπως υπολογίστηκαν με τη μέθοδο FAO Penman - Monteith και τη χρήση των αντίστοιχων φυτικών συντελεστών. Στον Πίνακα 5 παρουσιάζεται το υδατικό ισοζύγιο της βλαστικής περιόδου, το οποίο όπως φαίνεται στην δεύτερη γραμμή είναι ελλειμματικό (Δθ<0) παίρνοντας την διαφορά των υγρασιακών καταστάσεων στην αρχή του πειραματικού (16/05/07) και στο τέλος αυτού (25/09/07). Αυτό σημαίνει ότι οι βροχοπτώσεις και οι αρδεύσεις δεν επαρκούσαν για την κάλυψη των αναγκών της καλλιέργειας με αποτέλεσμα να χρησιμοποιηθεί μέρος του αποθηκευμένου νερού του εδάφους (για το λυσίμετρο 1 ίσο 5

6 με mm και για το λυσίμετρο 2 ίσο με mm), αφού δεν απομακρύνθηκε νερό από το λυσίμετρο με βαθιά διήθηση. Οι ανάγκες της καλλιέργειας φαίνονται στην τελευταία γραμμή του Πίνακα 5, όπου υπολογίζεται το συνολικό ισοζύγιο νερού της καλλιεργητικής περιόδου σύμφωνα με τις συνολικές εισροές νερού και τη μεταβολή του αποθηκευμένου νερού στα λυσίμετρα. 6 Πίνακας 4. Συνολικές ανάγκες σε νερό της καλλιέργειας του βαμβακιού (mm) από τις 16/5-25/9 με τη χρήση βιβλιογραφικών φυτικών συντελεστών Συνολικές ανάγκες σε νερό καλλιέργειας (ET c =ΣETr k c ) (mm) Παπαζαφειρίου (1999) Allen et al. (1998) Πίνακας 5. Συνολικό ισοζύγιο νερού (mm) στα δύο λυσίμετρα κατά τη διάρκεια του πειραματικού Ύψη νερού (mm) Λυσίμετρο 1 Λυσίμετρο 2 Δθ=Σθ (0-90)(26/9) -Σθ (0-90)(16/5) Ωφέλιμη Βροχή (R) Άρδευση (IR) Στράγγιση (DP) ET c =R+IR-Δθ-DP Όπως προκύπτει από τα παραπάνω, οι πραγματικές ανάγκες σε νερό της καλλιέργειας (ET c ) (Πίνακας 5), όπως υπολογίστηκαν με βάση τις μετρήσεις εισροών και εκροών ήταν κατά πολύ μεγαλύτερες από αυτές που υπολογίστηκαν με τη μέθοδο FAO Penman - Monteith και τη χρήση βιβλιογραφικών φυτικών συντελεστών (Πίνακας 4). Τα παραπάνω οδήγησαν στην αναζήτηση φυτικών συντελεστών, οι οποίοι θα αντικατόπτριζαν τις αυξημένες ημερήσιες ανάγκες σε νερό της καλλιέργειας του βαμβακιού στο πειραματικό των λυσιμέτρων. Η εκτίμηση των φυτικών συντελεστών για το λυσίμετρο 2 έγινε με τη μέθοδο του υδατικού ισοζυγίου. Ο υπολογισμός του ημερήσιου φυτικού συντελεστή έγινε με τη βοήθεια της σχέσης: Ra in(t) + Irrigation(t) ΔS(t) kc (t) = (3.1) ETr (t) όπου: k c(t) προσαρμοσμένος φυτικός συντελεστής ημέρας t, Rain (t) και Irrigation (t) βροχή και άρδευση την ημέρα t αντίστοιχα (mm), ΔS (t) μεταβολή της αποθηκευμένης υγρασίας σε όλο το λυσίμετρο (mm) την ημέρα t, ΕΤ r(t) εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας αναφοράς την ημέρα t (mm/day) όπως αυτή υπολογίζεται με τη μέθοδο Penmnan Monteith (Allen et al., 1998). Οι ημερήσιες τιμές που προέκυψαν φαίνονται στο Σχήμα 2. Από τις τιμές αυτές εξαιρέθηκαν αυτές που αναφέρονταν σε ημέρα με βροχόπτωση ή άρδευση. Στον Πίνακα 6 δίνονται οι μέσες τιμές των φυτικών συντελεστών που εκτιμήθηκαν με τη μέθοδο του υδατικού ισοζυγίου καθώς και οι αντίστοιχες βιβλιογραφικές τιμές. Από τον Πίνακα 6 φαίνεται ότι οι τιμές των ισοζυγιακά εκτιμημένων φυτικών συντελεστών είναι ιδιαίτερα αυξημένες στο στάδιο της μέσης περιόδου. Η διαφορά είναι της τάξης των 75% περίπου, το οποίο οφείλεται στον φαινόμενο όασης (oasis effect) λόγω της ύπαρξης πολύ μικρού σε επιφάνεια και ακτίνα περιβάλλοντα χώρου. Οι τιμές των βιβλιογραφικών φυτικών συντελεστών έχουν προκύψει από πειραματισμούς σε μεγάλης έκτασης καλλιέργειες με όμοια φυσιολογικά χαρακτηριστικά. Υπάρ-

7 χουν περιπτώσεις, που οι συνθήκες αυτές δεν υπάρχουν πάντα, όπως σε απομονωμένους αγρούς, μικρούς κήπους και μικρά αστικά πάρκα. Στις συγκεκριμένες περιπτώσεις παρατηρείται διαφορά στο ενεργειακό ισοζύγιο (μεταξύ του περιβάλλοντα χώρου και της καλλιεργούμενης έκτασης) προκαλώντας έτσι συνθήκες αυξημένης εξατμισοδιαπνοής. Συγκεκριμένα ο Oke (1987) παρατήρησε ότι, σε ένα αγρό βαμβακιού που παρουσιάζει το φαινόμενο όασης, η ενέργεια που απαιτείται για εξάτμιση μπορεί να φτάσει μέχρι 2.5 φορές παραπάνω από αυτή που δίνεται μέσω της ακτινοβολίας. Οι Spornken- Smith et al. (2000) παρατήρησαν σε αντίστοιχες συνθήκες, αυξημένες κατά 130% των αναμένομενων τιμών εξάτμισης. Επίσης, οι Eigenmann et al. (2011) αναφέρουν αυξημένες τιμές εξατμισοδιαπνοής σε αγρούς καλαμποκιού στη Γερμανία λόγω του φαινομένου όασης. Το φαινόμενο όασης έχει παρατηρηθεί σε διάφορες κλιματολογικές συνθήκες καθώς και σε αγροτικά και αστικά περιβάλλοντα (Oke, 1987, Taha et al., 1991, Spronken-Smith et al., 2000, Jonsson, 2004, Potchter et al., 2008). Για τον λόγο αυτό ο όρος «φαινόμενο όασης» έχει ένα ευρύτερο εννοιολογικό ορισμό από τον κλασικό (Potchter et al., 2008). Οι τιμές των φυτικών συντελεστών που υπολογίστηκαν στο λυσίμετρο 2, χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη της κίνησης του νερού στο έδαφος με το μοντέλο SWBACROS στο λυσίμετρο 1, όπως θα δοθεί στη συνέχεια. Σχήμα 2. Εκτίμηση φυτικών συντελεστών για το λυσίμετρο 2 με τη μέθοδο του υδατικού ισοζυγίου 7 Πίνακας 6. Τιμές βιβλιογραφικών και ισοζυγιακά εκτιμημένων φυτικών συντελεστών καλλιέργειας βαμβακιού k c(ini) k c(mid) k c(end) Παπαζαφειρίου (1999) Allen et al. (1998) k c λυσιμέτρου ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΕΔΑΦΙΚΟΥ ΝΕΡΟΥ Η προσομοίωση της δυναμικής του εδαφικού νερού με το μοντέλο SWBACROS έλαβε χώρα για τη χρονική περίοδο μεταξύ 16/5/07 έως 25/9/07 για το λυσίμετρο 1. Η επίλυση της εξίσωσης Richards (Εξίσωση (2.1)) στην εδαφική κατατομή, έγινε σε 16 κόμβους, πάχους 5 cm ο καθένας και μέχρι βάθους 80 cm. Το εδαφικό προφίλ χωρίστηκε σε τρεις στρώσεις ανάλογα με την κοκκομετρική σύσταση του καθενός. Ως κάτω

8 οριακή συνθήκη επιλέχθηκε αυτή της ελεύθερης στράγγισης και ως αρχική συνθήκη πάρθηκε η μέτρηση στις 16/05/07. Τέλος, οι τιμές της υδραυλικής αγωγιμότητας στον κορεσμό υπολογίστηκαν μέσω της επιλογής που δίνει το μοντέλο για ρύθμιση με τη μέθοδο Rosenbrock (Kuester and Mize, 1973). Η ρύθμιση της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας έγινε από την αρχή του πειραματικού 16/5 μέχρι και την ημέρα που ο- λοκληρώθηκε η φύτρωση στα λυσίμετρα στις 24/5, μέρες στις οποίες η εξάτμιση από το έδαφος ήταν ο μοναδικός καταναλωτής νερού από το έδαφος. Στη συνέχεια έγινε εφαρμογή του μοντέλου για δύο περιπτώσεις: Στην 1 η περίπτωση χρησιμοποιήθηκαν οι φυτικοί συντελεστές όπως αυτοί υπολογίστηκαν με τη μέθοδο του υδατικού ισοζυγίου στην Παράγραφο 3.1 και στη 2 η περίπτωση χρησιμοποιήθηκαν οι φυτικοί συντελεστές του Παπαζαφειρίου (1999). Στο σημείο αυτό πρέπει να σημειωθεί ότι έγινε και εφαρμογή του μοντέλου, με τη χρήση των φυτικών συντελεστών όπως αυτοί δίνονται από τους Allen et al. (1998) αλλά οι προσομοιώσεις δεν παρουσιάζουν ιδιαίτερες διαφορές με αυτές με τη χρήση των φυτικών συντελεστών του Παπαζαφειρίου. Έτσι παρουσιάζονται οι προσομοιώσεις μόνο με τη χρήση των φυτικών συντελεστών του Παπαζαφειρίου (1999) για τον επιπλέον λόγο ότι αυτοί αναφέρονται στις Ελληνικές συνθήκες. Στο Σχήμα 3 φαίνονται οι μετρημένες και οι υπολογισμένες από το μοντέλο και για τις δύο περιπτώσεις τιμές υγρασίας και στις τρεις στρώσεις του λυσιμέτρου 1. Επίσης, στον Πίνακα 7 δίνονται τα αντίστοιχα στατιστικά κριτήρια RMSE, ME και CRM (Loague and Green, 1991), για τις τρεις στρώσεις και στις δύο περιπτώσεις. Για την πρώτη στρώση (0-30 cm) η εκτέλεση με φυτικούς συντελεστές του Παπαζαφειρίου (1999) επιστρέφει RMSE ίσο με 63.99%, για την δεύτερη στρώση (30-60 cm) αυξάνεται και γίνεται ίσο με 97.66% και για την τρίτη στρώση οι τιμές του γίνονται αντίστοιχα %. Επίσης, το μέσο σφάλμα (ME) είναι για την πρώτη στρώση, και για τη δεύτερη και τρίτη στρώση, αντίστοιχα. Τέλος, το CRM είναι , και για τις τρεις στρώσεις, αντίστοιχα. Είναι φανερό ότι η εκτέλεση με τη χρήση των βιβλιογραφικών φυτικών συντελεστών υπερεκτιμά κατά πολύ το υδατικό ισοζύγιο και στις τρεις στρώσεις, μέσω του οποίου δεν αντικατοπτρίζονται οι αυξημένες σε νερό ανάγκες της καλλιέργειας. Οι ανάγκες αυτές φαίνεται να ικανοποιούνται κατά πολύ περισσότερο με τη χρήση ισοζυγιακά εκτιμημένων φυτικών συντελεστών. Το RMSE μειώνεται στην τιμή του 25.34% για την πρώτη στρώση, για την δεύτερη στρώση στην τιμή του 33.29% και τέλος για την τελευταία στρώση στην τιμή του 26.75%. Ανάλογη βελτίωση παρουσιάζουν και τα άλλα στατιστικά κριτήρια. Βέβαια στην περίπτωση αυτή εξακολουθεί το υδατικό ισοζύγιο της βλαστικής περιόδου - σε μικρότερο βαθμό σε σχέση με την προηγούμενη - να υπερεκτιμά την περιεχόμενη εδαφική υγρασία. Γενικά, στην εφαρμογή και των δύο περιπτώσεων φυτικών συντελεστών φαίνεται ότι υπερεκτιμάται η υγρασία του εδάφους ιδιαίτερα μετά την 162 ημέρα (DOY) (πρώτες ημέρες σταδίου ταχείας ανάπτυξης φυτού), το οποίο φαίνεται και από τις αρνητικές τιμές του CRM και τις θετικές του ΜΕ. Η υπερεκτίμηση αυτή μεγαλώνει και άλλο, ι- διαίτερα μετά τα μέσα Ιουλίου, όταν η καλλιέργεια φτάνει στο στάδιο μέσης ανάπτυξης και οι απαιτήσεις της σε νερό μεγιστοποιούνται. 8

9 Σχήμα 3. Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θ comp των τριών στρώσεων του λυσιμέτρου 1 με τις μετρημένες τιμές θ meas, με φυτικούς συντελεστές ισοζυγιακά υπολογισμένους και με φυτικούς συντελεστές του Παπαζαφειρίου (1999). 9

10 Πίνακας 7. Στατιστικά κριτήρια εκτέλεσης του μοντέλου με τους φυτικούς συντελεστές Παπαζαφειρίου (1999) και τους ισοζυγιακά υπολογισμένους k c Παπαζαφειρίου k c ισοζυγιακά υπολογισμένος Στρώση (cm) RMSE (%) ME (cm 3 cm -3 ) CRM ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η χρήση λυσιμέτρων αποτελεί ένα πολύ καλό εργαλείο για τη διερεύνηση της δυναμικής του εδαφικού νερού σε καλλιεργούμενους αγρούς με τη χρήση μαθηματικών μοντέλων. Η ευκολία που δίνει για ακριβή υπολογισμό φάσεων του υδρολογικού κύκλου δίνει τη δυνατότητα στον επιστήμονα να επικεντρωθεί και να διερευνήσει άλλους παράγοντες του υδατικού ισοζυγίου. Παράλληλα ένας συνδυασμός λυσιμέτρων με αισθητήρες μέτρησης της υγρασίας μπορεί να αποτελέσει ένας πολύ καλό συνδυασμό δίνοντας τη δυνατότητα για ακριβέστερες και ποιοτικότερες μετρήσεις. Στην εργασία αυτή έγινε η μελέτη της κίνησης του νερού σε έδαφος καλλιεργούμενο με βαμβάκι με χρήση δύο λυσιμέτρων στα οποία γινόταν συνεχής καταγραφή της εδαφικής υγρασίας και των άλλων συνιστωσών του υδατικού ισοζυγίου. Μέσω των μετρήσεων υγρασίας και της μεθόδου του υδατικού ισοζυγίου στο λυσίμετρο 2, προέκυψαν φυτικοί συντελεστές για την καλλιέργεια του βαμβακιού έντονα επηρεασμένων από το φαινόμενο όασης. Οι φυτικοί συντελεστές που εξήχθησαν ελέγχθηκαν μέσω εφαρμογής τους στο μοντέλο SWBACROS. Οι εκτελέσεις έγιναν με χρήση βιβλιογραφικών φυτικών συντελεστών και των ισοζυγιακά υπολογισμένων για τον έλεγχο και την επιβεβαίωσή τους. Η υπεροχή των αποτελεσμάτων με χρήση των ισοζυγιακά υπολογισμένων φυτικών συντελεστών ήταν ξεκάθαρη. Το γεγονός αυτό οδηγεί στο συμπέρασμα ότι το φαινόμενο όασης πρέπει να λαμβάνεται πολύ σοβαρά υπόψη στη μελέτη του υδατικού ισοζυγίου καλλιεργούμενων εδαφών. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Abdou, H.M. and Flury, M., Simulation of water flow and solute transport in free-drainage lysimeters and field soils with heterogeneous structures. European Journal of Soil Science, 55: Al-Khafaf, S., Wierenga, P.J. and Williams, B.C., Evaporative flux from irrigated cotton as related to leaf area index, soil water and evaporative demand. Agronomy Journal, 70: Allen, R.G., Pereira, L.S., Raes, D. and Smith, M., Crop Evapotranspiration : Guidelines for Computing Crop Water Requirements. FAO Irrigation and Drainage Paper, No 56. Babajimopoulos, C., A Douglas-Jones Predictor-Corrector Program in Simulating One-Dimensional unsaturated flow in soil. Ground Water, 29, 2: Babajimopoulos, C., Revisiting the Douglas-Jones method for modelling unsaturated flow in a cultivated soil. Environmental Modelling & Software, 15: Babajimopoulos, C., Budina, A. and Kalfountzos, D., SWBACROS : A model for estimation of the water balance of a cropped soil. Environmental Software, 10, 3: Belmans, C., Wesseling, J.G. and Feddes, R.A., Simulation model of the water balance of a cropped soil. SWATRE. Journal of Hydrology, 63:

11 Bergström, L.F., Use of lysimeters to estimate leaching of pesticides in agricultural soils. Environmental Pollution, 67: Bergström, L.F. and Jarvis, N.J., Leaching of dichlorprop, bentazon, and 36Cl in undistributed field lysimeters of different agricultural soils. Weed Science, 41: Douglas, J.J. and Jones, B.F., One Predictor-Corrector Method for Non Linear Parabolic Differential Equations. Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics, 11: Eigenmann, R., Kalthoff, N., Foken, T., Dorninger, M., Kohler, M., Legain, D., Pigeon, G., Piguet, B., Schüttemeyer, D. and Traulle, O., Surface energy balance and turbulence network during the Convective and Orographically-induced Precipitation Study (COPS). Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 137: Feddes, R.A., Kowalic, P.J. and Zaradny, H., Simulation of field water use and crop yield. Simulation Monographs, PUDOC, Wageningen, Netherlands. Flury, M., Yates, M.V. and Jury, W.A., Numerical analysis of the effect of the lower boundary condition on solute transport in lysimeters. Soil Science Society of America Journal, 63: Jonsson, P., Vegetation as an urban climate control in the subtropical city of Gaborone, Botswana. International Journal of Climatology, 24: Kuester, J.L. and Mize, J.H., Optimization techniques with FORTRAN. McGraw- Hill Book Company. Kutílek, M. and Nielsen, D.R., Soil Hydrology - GeoEcology Textbook. Catena Verlag, Cremlingen-Destedt, Germany. Lanthaler, C., Lysimeter Stations and Soil Hydrology Meausirng Sites in Europe - Purpose, Equipment, Research Results, Future Developments. Diploma Thesis, School of Natural Sciences, Karl-Franzens-University Graz. Loague, K., Green, R., Statistical and graphical methods for evaluating solute transport models : Overview and applications. Journal of Contaminant Hydrology, 7: Oke, T.R., Boundary Layer Climates, second ed. Methuen, London. Paraskevas, C., Georgiou, P., Ilias, A., Panoras, A. and Babajimoupolos, C., Calibration Equations for two Capacitance Water Content Probes in a Lysimeter Field. International Agrophysics (In Printing) Potchter, O., Goldman, D., Kadish, D. and Iluz, D., The oasis effect in an extremely hot and arid climate: The case of Southern Israel. Journal of Arid Environments, 72: Simunek, J., Huang, K. and Van Genuchten, M.Th., The HYDRUS code for simulating the one-dimensional movement of water, heat, and multiple solutes in variably-saturated media. Version 6.0, Research Report No. 144, U.S. Salinity Laboratory, U.S. Department of Agriculture (USDA), ARS, Riverside, California. Spronker-Smith, R.A., Oke, T.R. and Lowry, W.P., Advection and the surface energy balance across an irrigated urban park. International Journal of Climatology, 20: Taha, H., Akbari, H. and Rossenfeld, A., Heat island and oasis effects of vegetative canopies: micrometeorological field measurements. Theoretical and Applied Climatology, 44: Van Genuchten, M.Th., Calculating the unsaturated hydraulic conductivity with a new, closed-form analytical model. Research Report 78-WR-08, Water Resources Program, Department of Civil Engineering, Princeton University, Princeton New Jersey. 11

12 Van Genuchten, M.Th., A closed-form equation for prediction hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal, 44: Zhou, Q., Kang, S., Zhang, L. and Li, F., Comparison of APRI and Hydrus-2D models to simulate soil water dynamics in a vineyard under alternate partial root zone drip irrigation. Plant Soil, 291: Αντωνόπουλος, Β.Ζ., Υδρολογία της ακόρεστης ζώνης του εδάφους. Έκδοση Υπηρεσίας Δημοσιευμάτων, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης. Αντωνόπουλος, Β.Ζ., W.A.NI.SIM. Μονοδιάστατο μαθηματικό μοντέλο προσομοίωσης της δυναμικής του νερού και του αζώτου στο έδαφος. Μονογραφία, Τμήμα Γεωπονίας, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης. Γεωργούσης, Χ., Προγραμματισμός των αρδεύσεων με εφαρμογή μαθηματικών μοντέλων και συστημάτων γεωγραφικών πληροφοριών. Διδακτορική διατριβή, Γεωπονική Σχολή, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης. Γούκος, Δ., Εφαρμογή του μοντέλου S.W.BA.CRO.S. στη μελέτη του υδατικού ισοζυγίου ενός αγρού ζαχαρότευτλων - Διερεύνηση των σχέσεων πρόσληψης νερού από τα φυτά. Μεταπτυχιακή διατριβή, Τμήμα Γεωπονίας, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης. Μπαμπατζιμόπουλος, Χ., Πανώρας, Α., Μαυρουδής, Ι., Μπίλας, Γ. και Παπαγιαννακόπουλος, Ν., Προγραμματισμός των αρδεύσεων με χρήση μαθηματικών μοντέλων. Υπουργείο Βιομηχανίας, Ενέργειας και Τεχνολογίας, Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας, Διεύθυνση Υποστήριξης Ερευνητικών Προγραμμάτων, 91ΕΔ457, Τελική έκθεση. Μπαμπατζιμόπουλος, Χ. και Πανώρας, Α., Εφαρμογή της πληροφορικής στη μελέτη υδατικού ισοζυγίου του εδάφους ενός αγρού ζαχαρότευτλων. Τελική έκθεση Ερευνητικού Προγράμματος, Εργαστήριο Γενικής και Γεωργικής Υδραυλικής και Βελτιώσεων Γεωπονική Σχολή, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης. Μπίλας, Γ., Εφαρμογή του μοντέλου S.W.BA.CRO.S. στην πρόβλεψη της παραγωγής και στον προγραμματισμό της άρδευσης του βαμβακιού. Μεταπτυχιακή διατριβή, Τμήμα Γεωπονίας, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης. Παπαζαφειρίου, Ζ.Γ., Οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών. Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη. Παρασκευάς, Χ., Γεωργίου, Π., Ηλίας, Α., Πανώρας, Α. και Μπαμπατζιμόπουλος, Χ., Εξισώσεις βαθμονόμησης δύο αισθητήρων μέτρησης εδαφικής υγρασίας σε λυσίμετρα. 7 ο Πανελλήνιο Συνέδριο της Εταιρείας Γεωργικών Μηχανικών Ελλάδας (Ε.Γ.Μ.Ε.), Νοεμβρίου 2011, Γεωπονικό Πανεπιστήμιο Αθηνών. 12