ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS V3.0 ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΟΥ ΙΣΟΖΥΓΙΟΥ ΝΕΡΟΥ ΚΑΙ ΑΖΩΤΟΥ ΣΕ ΟΡΥΖΩΝΕΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΓΕΩΠΟΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΓΕΩΡΓΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS V3.0 ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΟΥ ΙΣΟΖΥΓΙΟΥ ΝΕΡΟΥ ΚΑΙ ΑΖΩΤΟΥ ΣΕ ΟΡΥΖΩΝΕΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΑΣΧΟΝΙΤΗΣ Γ. ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΠΤΥΧΙΟΥΧΟΣ ΓΕΩΠΟΝΟΣ Α.Π.Θ. ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΑΝΤΩΝΟΠΟΥΛΟΣ Ζ. ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2007

2 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΓΕΩΠΟΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΓΕΩΡΓΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS V3.0 ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΟΥ ΙΣΟΖΥΓΙΟΥ ΝΕΡΟΥ ΚΑΙ ΑΖΩΤΟΥ ΣΕ ΟΡΥΖΩΝΕΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΑΣΧΟΝΙΤΗΣ Γ. ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΠΤΥΧΙΟΥΧΟΣ ΓΕΩΠΟΝΟΣ Α.Π.Θ. ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΑΝΤΩΝΟΠΟΥΛΟΣ Ζ. ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2007

3 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΓΕΩΠΟΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΓΕΩΡΓΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS V3.0 ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΟΥ ΙΣΟΖΥΓΙΟΥ ΝΕΡΟΥ ΚΑΙ ΑΖΩΤΟΥ ΣΕ ΟΡΥΖΩΝΕΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΑΣΧΟΝΙΤΗΣ Γ. ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΠΤΥΧΙΟΥΧΟΣ ΓΕΩΠΟΝΟΣ Α.Π.Θ. ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΑΝΤΩΝΟΠΟΥΛΟΣ Ζ. ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ, ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ ΠΑΠΑΜΙΧΑΗΛ Δ., ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΠΑΥΛΑΤΟΥ-ΒΕ Α., ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΡΙΑ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2007

4 Υπάρχει πάντα ένα αύριο και η ζωή μας δίνει κι άλλες ευκαιρίες για να κάνουμε τα πράγματα όπως πρέπει, τι θα συμβεί όμως αν κάποια στιγμή η γη αναλάβει να λύσει το πρόβλημα από μόνη της; Gabriel Jose Garcia Marquez

5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ i ΠΡΟΛΟΓΟΣ Το μεγαλύτερο μέρος των διαθέσιμων υδατικών πόρων χρησιμοποιείται από την αρδευόμενη γεωργία. Η καλλιέργεια του ρυζιού έχει τις μεγαλύτερες απαιτήσεις αρδευτικού νερού από κάθε άλλη καλλιέργεια επειδή για μεγάλο μέρος της καλλιεργητικής περιόδου το έδαφος πρέπει να είναι πλημμυρισμένο. Η μέθοδος άρδευσης (κατάκλυση) που εφαρμόζεται στους ορυζώνες χαρακτηρίζεται από μεγάλες απώλειες νερού είτε με την επιφανειακή απορροή είτε με τη στράγγιση, γεγονός το οποίο καθιστά αναγκαία τη διερεύνηση της συνεισφορά τους στις εκροές αζώτου προς τους επιφανειακούς και υπόγειους υδάτινους αποδέκτες καθώς και την εφαρμογή των κανόνων της ορθής γεωργικής πρακτικής. Η βέλτιστη διαχείριση του νερού και του αζώτου στους ορυζώνες με σκοπό την εξοικονόμηση νερού, τη μείωση των απωλειών αζώτου και τη διατήρηση υψηλών αποδόσεων παραγόμενου προϊόντος παρουσιάζει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον λόγω των ιδιαίτερων υδροδυναμικών συνθηκών που επικρατούν σε αυτούς. Για την εκτίμησή τους είναι απαραίτητη η περιγραφή του ισοζυγίου του νερού και του αζώτου με τη βοήθεια μαθηματικών μοντέλων. Η ανάπτυξη και εφαρμογή μαθηματικών μοντέλων για την καλλιέργεια του ρυζιού βρίσκεται ακόμα στα αρχικά στάδια έρευνας. Η βέλτιστη εφαρμογή της άρδευσης και της αζωτούχου λίπανσης στους ορυζώνες επιτυγχάνεται όταν είναι γνωστές οι σχέσεις που διέπουν το σύστημα έδαφος-νερό-φυτό-ατμόσφαιρα, μέσα στο οποίο αναπτύσσεται το φυτό. Οι σχέσεις αυτές είναι σύνθετες και επηρεάζονται σημαντικά από αρκετούς βιολογικούς, φυσικούς και χημικούς παράγοντες. Το αντικείμενο της μεταπτυχιακής διατριβής είναι η ανάλυση και η προσομοίωση του συστήματος νερού-εδάφους-ατμόσφαιρας στα συστήματα των ορυζώνων σε ελληνικές συνθήκες με τη βοήθεια του μοντέλου GLEAMS V3.0, το οποίο τροποποιήθηκε για τις ανάγκες της έρευνας στο νέο μοντέλο GLEAMS-PR. Η ανάλυση του συστήματος γίνεται για όλες τις επιμέρους διαδικασίες που αφορούν το νερό και το άζωτο, μελετώντας την επίδραση της κάθε μίας στην κάλυψη των αναγκών της καλλιέργειας και στις απώλειες τους. Η εκτίμηση των επιμέρους διαδικασιών γίνεται από τις πειραματικές μετρήσεις και από τα αποτελέσματα του μοντέλου. Τα συμπεράσματα της διατριβής αφορούν την εξοικονόμηση νερού και τη μείωση των απωλειών αζώτου στα συστήματα των ορυζώνων. Τα πειραματικά δεδομένα, στα οποία στηρίχθηκε η ανάλυση και η εφαρμογή του μοντέλου, προέρχονται από μετρήσεις σε δύο πειραματικούς ορυζώνες της περιοχής Σίνδου

6 ΠΡΟΛΟΓΟΣ ii 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 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., ενώ η επεξεργασία των δεδομένων και η εφαρμογή του μαθηματικού μοντέλου έγιναν στο Εργαστήριο Γενικής και Γεωργικής Υδραυλικής και Βελτιώσεων της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ.. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στα πλαίσια 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 την υπόδειξη του θέματος, 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 και την πολύτιμη συμπαράστασή του καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. Την αναπληρώτρια καθηγήτρια της Γεωπονικής Σχολής κ. Α. Παυλάτου, μέλος της εξεταστικής επιτροπής, για την πολύτιμη βοήθειά της στην περάτωση των πειραματικών μετρήσεων και τις χρήσιμες συμβουλές της καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης της έρευνας. Τον καθηγητή της Γεωπονικής Σχολής κ. Δ. Παπαμιχαήλ, μέλος της εξεταστικής επιτροπής για τις χρήσιμες συμβουλές του καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης της έρευνας. Τους συναδέλφους και συνεργάτες μου στο ερευνητικό πρόγραμμα Μ. Rahil, Ε. Λεκάκη, Β. Λίτσκα και τη Μ. Αλαμάνου για την ανεκτίμητη βοήθεια τους στην περάτωση των πειραματικών μετρήσεων. Τον λέκτορα Π. Γεωργίου, την επίκουρη καθηγήτρια κ. Σ. Κωστοπούλου και την υπ. διδάκτωρ Σ. Γιαννιού για τις επισημάνσεις και την πληροφόρηση πάνω σε εξειδικευμένα θέματα που αφορούσαν την έρευνα. 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.

7 ΠΡΟΛΟΓΟΣ iii Τους καθηγητές και το ερευνητικό προσωπικό του εργαστηρίου Γεωργικής Υδραυλικής και Βελτιώσεων για τις πολύτιμες γνώσεις που μου προσέφεραν κατά τη διάρκεια των προπτυχιακών και μεταπτυχιακών σπουδών μου. Τέλος, ευχαριστώ τα μέλη της οικογένειάς μου, για την κατανόησή τους και την ηθική στήριξη που μου παρείχαν καθ όλη τη διάρκεια των μεταπτυχιακών σπουδών μου. Θεσσαλονίκη 2007 Βασίλειος Γ. Ασχονίτης

8 ΠΕΡΙΛΗΨΗ - ABSTRACT iv Γεωπονική Σχολή Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης Μεταπτυχιακό Πρόγραμμα Σπουδών - Ειδίκευση Γεωργικής Μηχανικής και Υδατικών Πόρων Τροποποίηση του μοντέλου GLEAMS V3.0 για την εκτίμηση του ισοζυγίου του νερού και αζώτου σε ορυζώνες Μεταπτυχιακή διατριβή του Ασχονίτη Β.Γ., Γεωπόνου Επιβλέπων: Αντωνόπουλος Β.Ζ., Καθηγητής Περίληψη Για την άρδευση των ορυζώνων εφαρμόζεται η μέθοδος της κατάκλυσης, η οποία έχει ως αποτέλεσμα την αυξημένη κατανάλωση νερού και τις αυξημένες απώλειες αζώτου προς τους υδάτινους επιφανειακούς αποδέκτες. Το γεγονός αυτό καθιστά αναγκαία την άμεση εφαρμογή πρακτικών βέλτιστης διαχείρισης (Best Management Practices BMPs) του αρδευτικού νερού και της αζωτούχου λίπανσης στα συστήματα των ορυζώνων. Για την εφαρμογή τους, είναι απαραίτητο να διερευνηθούν οι παράμετροι που διέπουν τα συστήματά τους σε συνδυασμό με την εφαρμογή μαθηματικών μοντέλων για την εξαγωγή συμπερασμάτων που αφορούν τις συνιστώσες του ισοζυγίου του νερού και του αζώτου. Σκοπός της διατριβής είναι η ανάπτυξη και η εφαρμογή ενός μαθηματικού μοντέλου για την περιγραφή του ισοζυγίου νερού και αζώτου τόσο στο νερό κατάκλυσης όσο και στο έδαφος των ορυζώνων που βρίσκονται σε περιοχές της Ελλάδας με υψηλή υπόγεια στάθμη. Η ανάπτυξη του μοντέλου επιτεύχθηκε μέσω της τροποποίησης των υπομοντέλων νερού και χημικών ουσιών του μοντέλου GLEAMS V3.0, το οποίο εξειδικεύτηκε στην καλλιέργεια του ρυζιού και μετονομάστηκε σε GLEAMS-PR. Οι τροποποιήσεις στο υπομοντέλο νερού περιλαμβάνουν την εκτίμηση του ισοζυγίου νερού στη λεκάνη κατάκλυσης και στο έδαφος των ορυζώνων, λαμβάνοντας υπόψη τη διαφοροποίηση των υδραυλικών παραμέτρων και της εξατμισοδιαπνοής σε συνθήκες κατακλυσμένου εδάφους. Η επιφανειακή απορροή και το μέγιστο ύψος του νερού κατάκλυσης εξαρτώνται από το ύψος του αναχώματος. Η εξατμισοδιαπνοή εκτιμάται λαμβάνοντας υπόψη ότι η εξάτμιση συμβαίνει είτε από το έδαφος είτε από το νερό κατάκλυσης, ανάλογα με το αν το έδαφος είναι κατακλυσμένο. Η εδαφική υγρασία υπολογίζεται με βάση τις υδραυλικές ιδιότητες του διογκωμένου εδάφους (λάσπη) όταν βρίσκεται υπό κατάκλυση. Οι τροποποιήσεις του υπομοντέλου χημικών ουσιών περιλαμβάνουν την εκτίμηση του ισοζυγίου αζώτου και ενέργειας στο νερό κατάκλυσης. Για τη βέλτιστη περιγραφή του ισοζυγίου αζώτου του νερού κατάκλυσης ενσωματώθηκε και η πρόσληψη αζώτου από τα φύκη. Το ισοζύγιο ενέργειας χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση της

9 ΠΕΡΙΛΗΨΗ - ABSTRACT v θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης. Η υπορουτίνα υπολογισμού της θερμοκρασίας του εδάφους στο υπομοντελο χημικών ουσιών, τροποποιήθηκε έτσι ώστε να λαμβάνει υπόψη τη θερμοκρασία του νερού κατάκλυσης με σκοπό τη βελτίωση της εκτίμησης των μετασχηματισμών του αζώτου στο έδαφος. Για τον έλεγχο του μετασχηματισμού της νιτροποίησης, το εδαφικό προφίλ χωρίστηκε σε δύο ζώνες, μια επιφανειακή ζώνη οξείδωσης και μια υποκείμενη ζώνη, στην οποία επικρατούν ανοξικές συνθήκες. Για τη ρύθμιση και επιβεβαίωση του μοντέλου πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε δύο πειραματικούς ορυζώνες (Α και Β) στην περιοχή της Σίνδου-Θεσσαλονίκης για ένα έτος (2005). Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν ανά τακτά χρονικά διαστήματα και αφορούν την εισροή νερού με την άρδευση, την εκροή νερού με την επιφανειακή απορροή, τις υδραυλικές παραμέτρους του εδάφους, την εισροή αζώτου με τη λίπανση και την άρδευση, το ολικό περιεχόμενο άζωτο της φυτομάζας, τις συγκεντρώσεις ολικού ανόργανου αζώτου (νιτρικό+αμμωνιακό) στο αρδευτικό νερό, στο νερό επιφανειακής απορροής και στο έδαφος καθώς και τα ημερήσια μετεωρολογικά δεδομένα από παρακείμενο στους αγρούς σταθμό. Η διαχείριση των δύο πειραματικών αγρών έγινε με διαφορετικό τρόπο (π.χ. στον αγρό Α εφαρμόστηκε η κοινή πρακτική διαχείρισης που εφαρμόζεται στην περιοχή ενώ στον αγρό Β εφαρμόστηκε μικρότερη ποσότητα αρδευτικού και διαφορετική λίπανση) με σκοπό την εξαγωγή συμπερασμάτων που αφορούν την πρακτική διαχείρισης που εφαρμόζεται στην περιοχή. Το μοντέλο ρυθμίστηκε με τα δεδομένα του αγρού Α και επιβεβαιώθηκε με τα δεδομένα του αγρού Β. Η διάρκεια της προσομοίωσης ήταν από τον Μάιο μέχρι τον Οκτώβριο του έτους Από τη σύγκριση μετρημένων και υπολογισμένων τιμών των διαφόρων συνιστωσών του ισοζυγίου νερού και αζώτου προέκυψε ικανοποιητική ακρίβεια. Σύμφωνα με τα παραπάνω, το μοντέλο GLEAMS-PR μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη των εκροών αζώτου από τα συστήματα των ορυζώνων, δίνοντας τη δυνατότητα ανάπτυξης σεναρίων βέλτιστης διαχείρισης (BMPs) του αρδευτικού νερού και της αζωτούχου λίπανσης. Από την ανάλυση των πειραματικών μετρήσεων και των αποτελεσμάτων του μοντέλου προέκυψε ότι στην περιοχή μελέτης γίνεται υπερβολική κατανάλωση νερού, η οποία έχει ως συνέπεια τις αυξημένες απώλειες νερού και αζώτου. Όσον αφορά τις απώλειες νερού, προέκυψε ότι η εξατμισοδιαπνοή και η βαθιά διήθηση είναι σχετικά απαραίτητες για την εξασφάλιση της ανάπτυξης των φυτών και της έκπλυσης αλάτων από το ριζόστρωμα, ενώ η επιφανειακή απορροή είναι ανεπιθύμητη. Όσον αφορά το ισοζύγιο αζώτου, προέκυψε ότι οι απώλειες του οφείλονται κυρίως στο νιτρικό άζωτο λόγω της έντονης αύξησης του ρυθμού απονιτροποίησης κάτω από αναερόβιες συνθήκες και της εντονότερης έκπλυσής του επειδή δεν προσροφάται στα τεμαχίδια της αργίλου όπως το αμμωνιακό άζωτο.

10 ΠΕΡΙΛΗΨΗ - ABSTRACT vi Aristotle University of Thessaloniki, School of Agriculture Postagraduate Program - Agricultural Engineering and Water Resources Modification of GLEAMS V3.0 model for assessing water and nitrogen balance in paddy-rice fields Abstract MSc Thesis: Aschonitis V.G., Agriculture Engineer Supervisor: Antonopoulos V.Z., Professor The submergence irrigation method results in excessive water use and high nutrient losses to surface waters in paddy-rice fields. This situation necessitates the direct application of best irrigation water and nitrogen management practices (BMPs). Their implementation requires the use of mathematical models in order to investigate the components that concern the rice-fields water and nitrogen balance. The objective of this study was to develop and use a mathematical model for the simulation of water and nitrogen balance both in the ponding water and the soil of the lowland paddy-rice fields under Greek conditions. The development of the model was achieved by modifying the hydrological and chemical sub-models of the GLEAMS V3.0 model into a new model called GLEAMS-PR specialized in paddy-rice. The modifications in the hydrological sub-model include the evaluation of the water balance in the ponded water and the diversification of the soil hydraulic parameters and evapotranspiration under ponded conditions. The ponded depth routing method was used to handle ponded water conditions of rice-fields. Evapotranspiration was evaluated taking into account the evaporation either from the soil or the ponded water and soil water content accounted for the tumescent soil porous media (mud) under ponded conditions. The modifications in the chemical sub-model included the evaluation of nitrogen and energy balance in the ponded water. For the best assessment of nitrogen balance in the ponded water, an algae growth subroutine was incorporated. The energy balance was used to assess the ponded water temperature. Soil temperature subroutine in the chemical sub-model was modified by taking into account the ponded water temperature, so as to improve model s evaluation of the soil nitrogen transformations. In order to control nitrification, the soil profile in the root zone was divided into oxidized and reduced zones. For the calibration and evaluation of the model, experimental measurements were performed in two experimental rice-fields (A and B) in Sindos region, at Thessaloniki plain in northern Greece for one year (2005). Field data includes meteorological data, irrigation water input, surface runoff water, soil hydraulic parameters, fertilization, total nitrogen concentration

11 ΠΕΡΙΛΗΨΗ - ABSTRACT vii of dry plant biomass, concentrations of total mineral nitrogen (T-N) (nitrate+ammonia nitrogen) in irrigation and rain water, surface runoff water and soil. The experimental fields were managed in a different way (e.g. field A was freely managed by the farmer representing a typical field in which the common practice of the region is applied, while in field B less irrigation water and different fertilizers were applied) in order to draw conclusions about the common practice in the rice-fields of the study area. The model was calibrated and evaluated by comparing simulation results with measured data of the field A and B, respectively. The simulation period lasted from May to October of the year 2005 and the comparisons of simulation results with measured data exhibited reasonably good agreement. Hence, the GLEAMS-PR model can be used to predict nutrient loadings from paddy fields and to develop BMPs in paddy-rice cultivation, aiming to reduce surface water pollution from paddy field drainage water. From the analysis and elaboration of the model s results and the measured data, resulted that there is an excessive use of irrigation water, which causes high water and nitrogen losses from the rice-fields of the study area. Regarding water balance under ponding conditions, resulted high loses due to evapotranspiration, surface runoff and deep percolation. Evapotranspiration and deep percolation losses are relatively necessary so as to ensure plants growth and salt leaching, respectively, while surface runoff is undesirable. Regarding nitrogen balance under ponding conditions, resulted that nitrate-nitrogen is more susceptible to loses than ammonia form due to denitrification, which is higher under anaerobic conditions and due to leaching because nitrate is not absorbed as the ammonia form by the clay particles.

12 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ viii ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Γενικά Σκοπός της διατριβής Δομή της διατριβής ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΡΥΖΙΟΥ Η εξάπλωση της καλλιέργειας του ρυζιού στην Ευρώπη Ταξινόμηση και μορφολογικά χαρακτηριστικά του ρυζιού Ταξινόμηση Μορφολογικά χαρακτηριστικά Συνθήκες ανάπτυξης ρυζιού Κλιματικές συνθήκες Εδαφολογικές συνθήκες Ρύζι υπό κατάκλυση Καλλιεργητική τεχνική του ρυζιού Αμειψισπορά Προετοιμασία του ορυζώνα Λίπανση - θρέψη Σπορά Έλεγχος ζιζανίων Άρδευση Ωρίμανση-συγκομιδή ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ & ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ Γενική ανασκόπηση των μοντέλων κίνησης του νερού και μεταφοράς μάζας στο έδαφος Ανασκόπηση μοντέλων για την καλλιέργεια του ρυζιού Επιλογή μαθηματικού μοντέλου Λόγοι επιλογής του μοντέλου GLEAMS Χρήσεις και εφαρμογές του μοντέλου GLEAMS ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS Δομή αρχείων - απαιτούμενα δεδομένα εισόδου και περιορισμοί του μοντέλου Υπομοντέλο υδρολογίας Επιφανειακή απορροή Διήθηση Εκροή από βαθιά διήθηση και επίδραση της υπόγειας στάθμης Εξατμισοδιαπνοή Μέθοδοι υπολογισμού της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής των Priestly-Taylor και Penman-Monteith Μέθοδος υπολογισμού της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής με τη μέθοδο του Ritchie... 61

13 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ix Απώλειες νερού λόγω της ΕΤ στις εδαφικές στρώσεις Εισροή νερού από άρδευση-βροχόπτωση Εισροή νερού από το λιώσιμο του χιονιού Ισοζύγιο νερού Τροποποιήσεις του υδρολογικού υπομοντέλου για συνθήκες καλλιέργειας ρυζιού Εξατμισοδιαπνοή σε συνθήκες καλλιέργειας ρυζιού Εκτίμηση του βάθους λίμνασης και του ισοζυγίου νερού κατά την κατάκλυση των ορυζώνων Υπομοντέλο διάβρωσης Τροποποιήσεις του υπομοντέλου διάβρωσης για συνθήκες καλλιέργειας ρυζιού Υπομοντέλο χημικών ουσιών Άζωτο Ανοργανοποίηση του αζώτου (αμμωνιοποίηση και νιτροποίηση) Ανοργανοποίηση του οργανικού αζώτου του χούμου Ανοργανοποίηση του οργανικού αζώτου των φρέσκων φυτικών και ζωικών υπολειμμάτων Ακινητοποίηση αζώτου Απονιτροποίηση Μεταβολή της συγκέντρωσης του αζώτου λόγω επιφανειακής απορροής, διάβρωσης και διήθησης Πρόσληψη αζώτου από την καλλιέργεια Αεριοποίηση της αμμωνίας Άζωτο άρδευσης-βροχόπτωσης και λίπανσης Ισοζύγιο αζώτου στο έδαφος Φώσφορος Φυτοφάρμακα Θερμοκρασία εδάφους Τροποποιήσεις του υπομοντέλου χημικών ουσιών για τις συνθήκες καλλιέργειας ρυζιού Εκτίμηση της θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης και του εδάφους Εισροή αζώτου στους ορυζώνες με την άρδευση και τη βροχόπτωση Πρόσληψη αζώτου από τα φύκη (Algae) Ισοζύγιο αζώτου στο νερό κατάκλυσης ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ - ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ Περιοχή μελέτης - πειραματικοί αγροί Μετεωρολογικά δεδομένα Μετρήσεις φυσικών - υδραυλικών παραμέτρων του εδάφους Ταξινόμηση του εδάφους Μηχανική σύσταση του εδάφους Υδραυλικές ιδιότητες του εδάφους Χαρακτηριστική καμπύλη και φαινόμενη πυκνότητα του εδάφους Κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα του εδάφους Μετρήσεις εδαφικής υγρασίας Μετρήσεις ποιοτικών παραμέτρων του εδάφους Οργανική ουσία και C/N. 123

14 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ x Ηλεκτρική αγωγιμότητα και ph του εδάφους Άζωτο του εδάφους Μετρήσεις στο νερό εισροής - επιφανειακής απορροής Βροχόπτωση - Άρδευση - Επιφανειακή απορροή Ποιοτικές παράμετροι του νερού εισροής-επιφανειακής απορροής Μετρήσεις στα φυτά Φυτικός συντελεστής του ρυζιού Ύψος φυτών - βάθος ριζικού συστήματος - LAI Απόδοση σε ξηρή μάζα και ολικό άζωτο στα φυτά Μετρήσεις στα φύκη (Algae) Καλλιεργητικές εργασίες-λίπανση ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Ρύθμιση και εφαρμογή του τροποποιημένου μοντέλου GLEAMS-PR Έλεγχος αξιοπιστίας του μοντέλου Ισοζύγιο νερού Εξατμισοδιαπνοή Επιφανειακή απορροή Εδαφική υγρασία Αποτελέσματα του υδατικού ισοζυγίου και συζήτηση Θερμοκρασία του νερού κατάκλυσης και του εδάφους Ισοζύγιο αζώτου Εισροή αζώτου με την άρδευση Πρόσληψη αζώτου από τα φυτά Πρόσληψη αζώτου από τα φύκη (Algae) Άζωτο στο νερό επιφανειακής απορροής Άζωτο στο έδαφος Αποτελέσματα του ισοζυγίου αζώτου και συζήτηση για τις επιπτώσεις του στους υδάτινους αποδέκτες ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ - ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ Ι. Ενδεικτικές τιμές παραμέτρων για την εφαρμογή του μοντέλου GLEAMS ΙΙ. Ευρετήριο όρων του μοντέλου GLEAMS-PR. 208 II.1 Ευρετήριο όρων του υδρολογικού υπομοντέλου II.2 Ευρετήριο όρων του υπομοντέλου χημικών ουσιών

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1 1 o ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Γενικά Η διαχρονική αύξηση του πληθυσμού της γης έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της ζήτησης σε γεωργικά προϊόντα, γεγονός που οδηγεί στην εντατικοποίηση των γεωργικών εκμεταλλεύσεων και της αρδευόμενης γεωργίας. Σε πολλές περιοχές του πλανήτη με ξηρές ή ημίξηρες κλιματικές συνθήκες, η αρδευόμενη γεωργία είναι υπεύθυνη για την κατανάλωση του 80% περίπου των διαθέσιμων υδατικών πόρων (Αντωνόπουλος, 2003). Η μεγάλη κατανάλωση νερού για την κάλυψη των αναγκών της δημιουργεί επιπλέον και ποιοτική επιβάρυνση των υδάτων λόγω της έκπλυσης των διαφόρων αγροχημικών ουσιών. Ένα από τα πιο σπουδαία καλλιεργήσιμα φυτά για την κάλυψη της υψηλής ζήτησης γεωργικών προϊόντων είναι το ρύζι, του οποίου η καλλιέργεια έχει τις υψηλότερες απαιτήσεις σε νερό λόγω της εφαρμοζόμενης μεθόδου άρδευσης (κατάκλυση) (Αντωνόπουλος κ.α., 2007). 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. Το γεγονός αυτό κάνει αναγκαία τη διερεύνηση των συνθηκών που επικρατούν στους ορυζώνες, προς την κατεύθυνση του κατάλληλου σχεδιασμού πρακτικών βέλτιστης διαχείρισης των υδατικών πόρων στα γεωργικά συστήματα. Επίσης, αξίζει να αναφερθεί ότι πέρα από τη μεγάλη κατανάλωση νερού και έκπλυση θρεπτικών, η καλλιέργεια του ρυζιού χαρακτηρίζεται και από μεγάλες εκπομπές μεθανίου (CH 4 ) λόγω της έντονης αναερόβιας αποικοδόμησης της οργανικής ουσίας στα εδάφη των ορυζώνων (Oremland, 1988; Pathak et al., 2004). Το μεθάνιο αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα αέρια που συμμετέχουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου και οι εκπομπές του από τους ορυζώνες εκτιμώνται περίπου στα 60 Τg/yr, τα οποία αποτελούν το 20 % περίπου των συνολικών ανθρωπογενών εκπομπών παγκοσμίως (IPCC, 1996).

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ 2 Για την επίτευξη του στόχου της βέλτιστης διαχείρισης των υδατικών πόρων, της προστασίας του περιβάλλοντος και της αειφόρου ανάπτυξης είναι αναγκαίο να εκτιμηθούν οι συνιστώσες του ισοζυγίου του νερού και του αζώτου στα συστήματα των ορυζώνων. Βασική προϋπόθεση για την εκτίμησή τους, είναι η λήψη πειραματικών μετρήσεων καθώς και η ανάπτυξη και εφαρμογή ενός μαθηματικού μοντέλου προσομοίωσης όλων των διαδικασιών που λαμβάνουν χώρα στα συστήματα των ορυζώνων. Η ανάπτυξη μαθηματικών μοντέλων προσομοίωσης των συνιστωσών του νερού και του αζώτου σε καλλιεργούμενα εδάφη βρίσκεται διεθνώς σε πάρα πολύ καλό επίπεδο. Στην Ελλάδα όμως, η ανάπτυξη και εφαρμογή των μοντέλων αυτών βρίσκεται ακόμα στα αρχικά στάδια λόγω της έλλειψης ολοκληρωμένων σετ δεδομένων. Επιπλέον οι εφαρμογές αυτές αναφέρονται σε χώρες εκτός της ζώνης των μεσογειακών χωρών που έχουν ως βασικό χαρακτηριστικό την έντονα ξηροθερμική περίοδο του καλοκαιριού. Όσον αφορά τα μοντέλα που περιγράφουν τις συνθήκες που επικρατούν σε αγρούς που καλλιεργείται ρύζι, υπήρξε μία καθυστέρηση διεθνώς, λόγω των ειδικών συνθηκών που οφείλεται στη μέθοδο άρδευσης (κατάκλυση), με τις πρώτες οργανωμένες προσπάθειες να εμφανίζονται μόλις την τελευταία δεκαετία. Στις ελληνικές συνθήκες δεν έχουν παρουσιαστεί ακόμα αντίστοιχες εφαρμογές που να αφορούν το ρύζι, γεγονός που αναδεικνύει την σπουδαιότητα της συγκεκριμένης έρευνας, της οποίας στόχος είναι η διερεύνηση των συνθηκών άρδευσης και λίπανσης των ορυζώνων καθώς και των επιπτώσεών τους στο περιβάλλον, με τη βοήθεια ενός ολοκληρωμένου μαθηματικού μοντέλου. 1.2 Σκοπός της διατριβής Στους σκοπούς της διατριβής περιλαμβάνονται α) η διερεύνηση των συνθηκών άρδευσης και αζωτούχου λίπανσης στους ορυζώνες της πεδιάδας Θεσσαλονίκης, β) η ανάπτυξη ή επέκταση ενός ολοκληρωμένου μαθηματικού μοντέλου για την περιγραφή του ισοζυγίου του νερού και του αζώτου σε αυτούς, γ) η εφαρμογή του μοντέλου για την προσομοίωση των συνθηκών σε επίπεδο αγρού, δ) η λήψη ποσοτικών και ποιοτικών στοιχείων για το νερό και το άζωτο που χρησιμοποιούνται στους ορυζώνες και ε) η διερεύνηση των επιπτώσεών τους στο υδάτινο περιβάλλον. Το μοντέλο θα αποτελέσει εργαλείο διαχείρισης, σκοπεύοντας στη μείωση των δυσμενών επιπτώσεων από την υπερκατανάλωση νερού και την απελευθέρωση υπολειμμάτων των αζωτούχων λιπασμάτων στο υδάτινο περιβάλλον (νιτρορύπανση), η αντιμετώπιση των οποίων επιβάλλεται από νόμους και διεθνείς κανονισμούς όπως οι Οδηγίες 2000/60/ΕΚ και 91/676/ΕΟΚ και η ΚΥΑ 16190/1335/97. Πιο συγκεκριμένα, το μοντέλο που θα αναπτυχθεί, θα χρησιμοποιηθεί για τη διερεύνηση των παρακάτω:

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ 3 Την εκτίμηση της υγρασιακής κατάστασης του εδάφους κατά τη διάρκεια της βλαστικής περιόδου, η οποία είναι αποτέλεσμα των εισροών νερού από την άρδευση και τη βροχή, των εξατμισοδιαπνευστικών αναγκών της καλλιέργειας του ρυζιού και των εκροών λόγω βαθιάς διήθησης και επιφανειακής απορροής. Την ανάπτυξη διαχειριστικών σεναρίων βέλτιστης εφαρμογής του αρδευτικού νερού, με την παράλληλη ικανοποίηση των αναγκών της καλλιέργειας και τη μείωση των εισροών και εκροών. Την εκτίμηση και πρόβλεψη των διαφόρων μορφών αζώτου καθ όλη τη βλαστική περίοδο μέσα στον αγρό. Τη διαχείριση των εισροών και των εκροών αζώτου για τη βέλτιστη αξιοποίησή του από τα φυτά και τη μείωση των απωλειών με έκπλυση προς τα υπόγεια και επιφανειακά νερά. 1.3 Δομή της διατριβής Η διατριβή αποτελείται από εφτά κεφάλαια και τρία παραρτήματα. Στο παρόν κεφάλαιο δίνεται ο σκοπός και η δομή της διατριβής. Στο δεύτερο κεφάλαιο δίνονται στοιχεία για την καλλιέργεια του ρυζιού, τα οποία περιλαμβάνουν την εξάπλωση της καλλιέργειας στην Ευρώπη και στην Ελλάδα, τα μορφολογικά χαρακτηριστικά της, τις συνθήκες ανάπτυξής της και την καλλιεργητική τεχνική της. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται ανασκόπηση των μαθηματικών μοντέλων που χρησιμοποιούνται γενικά στα αγροτικά συστήματα για την εκτίμηση του ισοζυγίου του νερού και του αζώτου. Αναλύονται οι λόγοι επιλογής κάποιου από αυτά για την εφαρμογή του σε συνθήκες καλλιέργειας ρυζιού. Η επιλογή του καταλληλότερου μοντέλου ήταν αρκετά δύσκολη λόγω των ιδιαίτερων υδροδυναμικών συνθηκών που επικρατούν στους ορυζώνες και βασίστηκε στην ικανότητά του να προσεγγίσει καλύτερα το φυσικό πρόβλημα αλλά και στην ευκολία τροποποίησής του και ενσωμάτωσης διαφόρων υπορουτινών, οι οποίες αφορούν τις επιπλέον διαδικασίες που συμβαίνουν στους ορυζώνες σε σχέση με τις άλλες καλλιέργειες. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή του μαθηματικού μοντέλου GLEAMS V3.0. Αναλύονται όλες οι διαδικασίες που περιλαμβάνονται στο μοντέλο για την εκτίμηση του ισοζυγίου του νερού και του αζώτου, με τις αντίστοιχες εξισώσεις τους, καθώς και τις αντίστοιχες τροποποιήσεις-επεκτάσεις που ενσωματώθηκαν για τη βέλτιστη περιγραφή των συνθηκών στους ορυζώνες. Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφονται οι δύο πειραματικοί ορυζώνες και αναλύονται οι πειραματικές μετρήσεις που έγιναν σε αυτούς για να προσδιοριστούν οι μεταβλητές και οι

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ 4 παράμετροι του συστήματος έδαφος νερό φυτό ατμόσφαιρα, με λεπτομερή αναφορά στις μεθόδους υπολογισμού τους. Επίσης, γίνεται αναφορά και στις καλλιεργητικές πρακτικές που εφαρμόστηκαν στους δύο αγρούς. Το έκτο κεφάλαιο περιλαμβάνει τα αποτελέσματα του μοντέλου και τη συζήτηση. Περιγράφεται η ρύθμιση-βαθμονόμηση του μοντέλου με τα δεδομένα του ενός πειραματικού ορυζώνα και η εφαρμογή-επιβεβαίωση με τα δεδομένα του δεύτερου. Τα εξαγόμενα αποτελέσματα του μοντέλου αναλύονται λεπτομερώς, από τα οποία εξάγονται πολύτιμα συμπεράσματα και προτάσεις για τη διαχείριση νερού και αζώτου στα συστήματα των ορυζώνων. Οι πληροφορίες που αφορούν τις παραμέτρους του μοντέλου ενσωματώθηκαν σε δύο παραρτήματα. Στα πρώτο παράρτημα δίνονται πληροφορίες για τις παραμέτρους που χρησιμοποιούνται για την εφαρμογή του μοντέλου και στο δεύτερο παράρτημα δίνεται ένα λεπτομερές ευρετήριο των όρων των εξισώσεών του, έτσι ώστε να διευκολυνθούν οι αναγνώστες και οι πιθανοί μελλοντικοί χρήστες του.

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΡΥΖΙΟΥ 5 2 o ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΡΥΖΙΟΥ 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). 2.1 Η εξάπλωση της καλλιέργειας του ρυζιού στην Ευρώπη Σύμφωνα με τo IRRI (2007), κατά το έτος 2000, η συνολική έκταση των ορυζώνων στην Ευρωπαϊκή Ένωση ήταν περίπου 401.5x10 3 (ha), με τις πιο σημαντικές χώρες στη καλλιέργεια του ρυζιού (Σχήμα 2.1) να είναι η Ιταλία, η Ισπανία, η Ελλάδα, η Πορτογαλία και η Γαλλία, με αντίστοιχες εκτάσεις 220.8, 115.2, 23.0, 24 και 18.5 x10 3 (ha) (Σχήμα 2.2). Την περίοδο , οι εκτάσεις που χρησιμοποιήθηκαν για την καλλιέργεια του ρυζιού στις χώρες αυτές, παρουσίασαν αύξηση εκτός της Πορτογαλίας (Σχήμα 2.3). Την ίδια περίοδο, η απόδοση του ρυζιού στις ευρωπαϊκές χώρες παρουσίασε αυξητική τάση, με τη μέση απόδοση των ελληνικών ορυζώνων να είναι κατά 15.7% υψηλότερη από τη συνολική μέση απόδοση στην Ευρώπη (Σχήμα 2.4) (Ntanos, 2000a,b; IRRI, 2007).

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΡΥΖΙΟΥ 6 Σχήμα 2.1 Οι κυριότερες περιοχές της Ευρώπης όπου καλλιεργείται ρύζι Γαλλία 5% Ελλάδα 6% Πορτογαλία 6% Ιταλία Γαλλία Ελλάδα Πορτογαλία Ισπανία Ιταλία 54% Ισπανία 29% Σχήμα 2.2 Κατανομή των εκτάσεων για την καλλιέργεια του ρυζιού στην Ευρωπαϊκή Ένωση για το έτος 2000 Έκταση (ha x 10 3 ) % % +54.4% +36.9% -20.7% +65.2% Ιταλία Γαλλία Ελλάδα Πορτογαλία Ισπανία Σύνολο Σχήμα 2.3 Διακύμανση της συνολικής έκτασης των ορυζώνων στην Ευρωπαϊκή Ένωση για την περίοδο

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΡΥΖΙΟΥ 7 12 Απόδοση (t/ha) Ελλάδα Ευρώπ η +4.7% +4.1% +34.1% +21.6% +9.0% +19.6% +15.7% M.A. 15 ετών Σχήμα 2.4 Διακύμανση της απόδοσης ρυζιού (t/ha) στην Ευρωπαϊκή Ένωση για την περίοδο Η άρδευση των καλλιεργειών στην Ευρωπαϊκή Ένωση γίνεται κυρίως από νερό που προέρχεται από ποταμούς όπως ο Po στην Ιταλία, ο Ebro στην Ισπανία, ο Rhone στη Γαλλία, οι ποταμοί Tejo, Sado και Mondego στην Πορτογαλία και ο ποταμός Αξιός στην Ελλάδα καθώς και από κάποιες λίμνες. Εκτιμάται ότι κάτω από το 5% του αρδευόμενου νερού των ορυζώνων, προέρχεται από γεωτρήσεις και αυτό γιατί οι αυξημένες ανάγκες τoυς σε νερό καθιστούν ασύμφορη την άντληση νερού από γεωτρήσεις. Η καλλιέργεια του ρυζιού στις περιοχές αυτές γίνεται συνήθως σε βαριά αλατούχα εδάφη, για τη μείωση των απωλειών διήθησης και για την έκπλυση αλάτων. Τα γενικά χαρακτηριστικά των εδαφών και των καλλιεργητικών πρακτικών σε όλες τις χώρες της Ευρώπης δίνονται στον Πίνακα 2.1 (MED- Rice, 2003). Η καλλιέργεια του ρυζιού στην Ελλάδα γίνεται κυρίως στην Β. Ελλάδα (Νομοί Θεσσαλονίκης, Σερρών και Ημαθίας) ενώ τα τελευταία χρόνια έχει διαδοθεί η καλλιέργεια και στους Νομούς Αιτωλοακαρνανίας, Φθιώτιδας, Πιερίας, Πέλλας και Ξάνθης. Η κατανομή των ορυζώνων στον ελλαδικό χώρο και η απόδοσή τους ανά περιοχή, για το έτος 1998, δίνεται στον Πίνακα 2.2. Οι ορυζώνες της πεδιάδας Θεσσαλονίκης, οι οποίοι αποτελούν και το αντικείμενο μελέτης της διατριβής, καλύπτουν εκτάσεις που κυμαίνονται μεταξύ km 2 (MED-Rice, 2003). Οι εκτάσεις αυτές βρίσκονται εντός των δέλτα Αξιού, Γαλλικού και Αλιάκμονα, τα οποία αποτελούν οικοσυστήματα διεθνούς σημασίας με καθεστώς προστασίας, που ορίζεται από συμβάσεις και κοινοτικές οδηγίες, όπως της Βαρκελώνης (1976), 79/409/ΕΕ, Ν 1335/83- ΦΕΚ 32/Α/ , ΚΥΑ 1487/3291/98-ΦΕΚ 687/Β/98, Ramsar - ΦΕΚ 350/Α/ , ΝΑTURA 2000/92/43.

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΡΥΖΙΟΥ 8 Πίνακας 2.1 Συνοπτικά χαρακτηριστικά των εδαφών και των καλλιεργητικών τεχνικών στις χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης (MED-Rice, 2003). Χαρακτηριστικά Γαλλία Ελλάδα Ιταλία Πορτογαλία Ισπανία Μηχανική σύσταση SiL (Silty Loam) SiCL (Silty Clay Loam) SiL (Silty Loam) SiCL (Silty Clay Loam) C (Clay) S(Sandy) SC (Sandy Clay) CL (Clay Loam) C (Clay) C (Clay) L (Loam) SL (Sandy Loam) Οργανική ουσία % ph Άργιλος % Clay: Sandy: Σύστημα άρδευσης % των εκτάσεων (τρία συστήματα άρδευσης) Σύστημα στράγγισης % των εκτάσεων Ύψος νερού (cm) Παροχή εκροήςστράγγισης (l/sec/ha) Παροχή εισροήςάρδευσης (l/sec/ha) Περίοδος κατάκλυσης Χρόνος από την έναρξη της άρδευσης μέχρι την πλήρη κατάκλυση (ημέρες) Βάθος των τάφρων στράγγισης (m) Εναλλαγή καλλιεργειών Ρυθμός διήθησης (mm/day) max 20 cm min 10 cm 100 (δύο συστήματα) 2-10 cm 10 cm 2-10 cm 100 max 20 cm min 10 cm Μάιος- Αύγουστος Μάιος- Σεπτέμβριος Μάιος- Σεπτέμβριος Απρίλιος- Σεπτέμβριος Απρίλιος- Αύγουστος ναι ναι (80%) όχι όχι Μέσο 4 Μέγιστο 8 όχι (μόνο σε λίγες περιοχές) Χρήση του νερού στράγγισης Εναέρια εφαρμογή χημικών όχι όχι όχι όχι (μόνο σε μερικές περιπτώσεις για άρδευση) ναι όχι όχι ναι όχι Θερμοκρασία ( o C) >14 >12 >14 >16-22 >14-20 όχι Αερόβιες/Αναερόβιες συνθήκες στη διεπιφάνεια εδάφουςνερού αερόβιες αερόβιες αερόβιες αερόβιες αερόβιες

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΡΥΖΙΟΥ 9 Πίνακας 2.2 Κατανομή των ορυζώνων και της απόδοσής τους ανά περιοχή στον ελλαδικό χώρο, για το έτος 1998 (Ntanos, 2000). Νομός Έκταση (ha x 1000) Ποσοστό % της συνολικής έκτασης Απόδοση (t/ha) Θεσσαλονίκη Σέρρες Ημαθία Φθιώτιδα Αιτωλοακαρνανία Καβάλα Πιερία Υπόλοιπες περιοχές Σύνολο Ταξινόμηση και μορφολογικά χαρακτηριστικά του ρυζιού Ταξινόμηση Το ρύζι ανήκει στο γένος Oryza, το οποίο περιλαμβάνει 19 είδη με χρωμοσωμικό αριθμό (2n) 24 ή 48 (Chang, 1964). Τα καλλιεργούμενα είδη ρυζιού είναι το Oryza sativa L. και το Oryza glaberrima Steud. Το πρώτο είναι το πλέον διαδομένο, θεωρείται ότι έχει μεγαλύτερη ικανότητα αναπαραγωγής και αντοχή στις ασθένειες ενώ είναι και αυτό με το οποίο ασχολήθηκαν οι περισσότεροι ερευνητές για τη βελτίωση των ποικιλιών του. Το δεύτερο καλλιεργείται ελάχιστα (κυρίως στη Δ.Αφρική). Στο Oryza sativa L. διακρίνονται τρεις βιότυποι ο indica, japonica και javanica, οι οποίοι παρουσιάζουν μεγάλη παραλλακτικότητα μεταξύ τους και δικαιολογούν την ευρεία διάδοση και προσαρμοστικότητα του ρυζιού (Stotskopf, 1985), με τους δύο πρώτους να είναι οι πλέον διαδεδομένοι. Αρχικά, οι τύποι indica και japonica παρουσίαζαν μεγάλες διαφορές ως προς τα μορφολογικά τους χαρακτηριστικά ενώ η διασταύρωσή τους για τη δημιουργία υψηλοαποδοτικών ποικιλιών, έχει κάνει τις διαφορές τους να μην είναι και τόσο εμφανείς (Παπακώστα, 2001). Οι καλλιεργούμενες ποικιλίες ταξινομούνται με διάφορους τρόπους οι οποίοι έχουν ως εξής (Παπακώστα, 2001): Ταξινόμηση σε δύο κατηγορίες ποικιλιών, αυτές που καλλιεργούνται σε περιοχές χαμηλού υψομέτρου με υψηλή υπόγεια στάθμη (lowland ή paddy) και αυτές μεγαλύτερου υψομέτρου (upland). Οι lowland ποικιλίες καλλιεργούνται σε τροπικές, υποτροπικές και εύκρατες περιοχές και αναπτύσσονται σε αγρούς που κατακλύζονται τεχνητά ή φυσικά με νερό κατά το μεγαλύτερο διάστημα της καλλιεργητικής περιόδου. Από την άλλη μεριά, οι

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΡΥΖΙΟΥ 10 upland ποικιλίες καλλιεργούνται μόνο σε τροπικές περιοχές με υψηλές βροχοπτώσεις και οι καλλιεργητικές πρακτικές που εφαρμόζονται είναι ίδιες με αυτές των υπόλοιπων φυτών. Ταξινόμηση με βάση τις διαστάσεις του κόκκου. Στον Πίνακα 2.3 παρουσιάζεται η ταξινόμηση που ισχύει για τις χώρες τις Ευρωπαϊκής Ένωσης (Οδηγία 3877/87). Ταξινόμηση σύμφωνα με την εμφάνιση των κόκκων, κατά την οποία οι ποικιλίες διακρίνονται σε κρυσταλλόμορφες με διαφανή, κρυσταλλώδη τομή κόκκων (περιεκτικότητα μόνο αμυλοπηκτίνης) και σε μη κρυσταλλόμορφες με αδιαφανή εμφάνιση σαν κιμωλία (περιεκτικότητα περίπου 25% αμυλόζη και 75% αμυλοπηκτίνη). Ταξινόμηση σύμφωνα με τη διάρκεια του βιολογικού κύκλου, κατά την οποία έχουμε πολύ πρώιμες, πρώιμες, μέσης πρωιμότητας και όψιμες ποικιλίες. Πίνακας 2.3 Ταξινόμηση με βάση τις διαστάσεις του κόκκου που ισχύει για τις χώρες τις Ευρωπαϊκής Ένωσης (Οδηγία 3877/87). Indica Japonica Λευκό ρύζι Μακρόσπερμο Β Μακρόσπερμο Λ Μεσόσπερμο Στρογγυλό Μήκος (mm) > 6.0 > < 5.2 Μήκος/Πλάτος > < 2.0 Στην Ευρώπη και 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 ενώ έχουν δημιουργηθεί και πολλά υβρίδια τα οποία δίνουν 20-30% μεγαλύτερες αποδόσεις. Σύμφωνα με τους βελτιωτές ρυζιού, οι μελλοντικές ποικιλίες θα πρέπει 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 (IRRI, 1989b) και ι) να έχουν μεγαλύτερη

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΡΥΖΙΟΥ 11 ικανότητα απορρόφησης και χρήσης των θρεπτικών στοιχείων με μεγαλύτερη βαρύτητα στο άζωτο (Singh et al., 1998) Μορφολογικά χαρακτηριστικά Το ρύζι 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 αδελφώματα 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. 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).

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΡΥΖΙΟΥ 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 40 ο ΝΠ και μπορεί να αναπτυχθεί σε υψόμετρο, το οποίο φτάνει μέχρι και τα 2400 m για ορισμένες ποικιλίες (Παπακώστα, 2001). Το μεσογειακό κλίμα χαρακτηρίζεται από θερμές, ξηρές και ανέφελες ημέρες με μακρές περιόδους ανάπτυξης, οι οποίες ευνοούν τους υψηλούς φωτοσυνθετικούς ρυθμούς και τις υψηλές αποδόσεις παραγωγής. Σε σχέση με τα τροπικά και τα υποτροπικά κλίματα, το μεσογειακό κλίμα πλεονεκτεί γιατί τη νύχτα δεν έχουμε μεγάλη πτώση της θερμοκρασίας, κατά την περίοδο σχηματισμού της ταξιανθίας και της γύρης, με αποτέλεσμα την αποτροπή του παγώματος του άνθους και της στείρωσής του. Το φυτό του ρυζιού είναι απαιτητικό όσον αφορά τη θερμοκρασία. 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, για τα πρώτα στάδια ανάπτυξής του, είναι ο C. Χαμηλές θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια της νύχτας μπορούν να προκαλέσουν στειρότητα και μη κανονικό γέμισμα των σπόρων. Η χαμηλή σχετικά υγρασία κατά την περίοδο ανάπτυξης μειώνει την ανάπτυξη του φυτού και την πιθανότητα προσβολής των φυτών από διάφορες ασθένειες ενώ μεγάλες ταχύτητες ανέμου είναι πιθανό να προκαλέσουν μερική απώλεια στήριξης του νέου φυτού (MED-Rice, 2003) Εδαφολογικές συνθήκες Τα εδάφη, στα οποία αναπτύσσεται το ρύζι, είναι κυρίως βαριά εδάφη με κακή στράγγιση, η οποία οφείλεται σε κάποιο αδιαπέρατο υπόστρωμα (hardpan) ή σε 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) με τα ποσοστά της αργίλου να κυμαίνονται από 10 έως 45% και με ιδανική την ίση αναλογία σε περιεκτικότητα ιλύος και αργίλου. Επιπλέον μπορούν να χρησιμοποιηθούν και εδάφη με τον επιφανειακό ορίζοντα να είναι πηλώδoυς σύστασης και το υποκείμενο έδαφος να αποτελείται από αδιαπέρατο υπόστρωμα (hardpan).

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΡΥΖΙΟΥ 13 Όσον αφορά την αντοχή του ρυζιού ως προς την οξύτητα-αλκαλικότητα του εδάφους, τα όρια ανοχής κυμαίνονται ανάμεσα σε τιμές ph από 4 έως 8.5. Ως προς την αλατότητα το ρύζι παρουσιάζει μέτρια προς καλή ανθεκτικότητα με μέγιστη τιμή ανοχής στην αγωγιμότητα, χωρίς μείωση της απόδοσης, τα 3 ds m -1 (Singh et al., 1994). Για το λόγο αυτό, επιλέγεται η καλλιέργειά του σε αλατούχα-παθογενή εδάφη γιατί μέσω της κατάκλυσης γίνεται αραίωση και έκπλυση αλάτων. Διαφορές στην ανοχή παρατηρούνται τόσο μεταξύ των ποικιλιών όσο και μεταξύ των σταδίων ανάπτυξης, αφού όσο αναπτύσσεται το ρύζι τόσο αυξάνει και η αντοχή του, με τα πιο ευαίσθητα στάδια να είναι το φύτρωμα, το αδέλφωμα και το στάδιο διόγκωσης της ταξιανθίας. Όταν η αλατότητα είναι πολύ υψηλή, τα φυτά γίνονται χλωρωτικά, παίρνουν χρώμα καστανό και στο τέλος μαραίνονται (MED-Rice, 2003). Οι άριστες εδαφικές συνθήκες για την καλλιέργεια του ρυζιού είναι α) έδαφος με υψηλή υδατοϊκανότητα και καλή περατότητα, β) υψηλή ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων, γ) βαθμό κορεσμού με βάσεις >65%, δ) περιεκτικότητα σε οργανική ουσία 2-3%, ε) όρια ph από 6 έως 6.5 και στ) υψηλή γονιμότητα (ΕΘ.Ι.ΑΓ.Ε., 2005) Ρύζι υπό κατάκλυση Οι ποικιλίες lowland ή paddy, οι οποίες είναι και άμεσου ενδιαφέροντος γιατί καλλιεργούνται στην Ευρώπη και στην Ελλάδα, καθ όλη τη διάρκεια του βιολογικού τους κύκλου, αναπτύσσονται μέσα στο νερό και συμπεριφέρνονται σαν υδρόφυτα. Οι σημαντικότεροι παράγοντες που επηρεάζουν την επιβίωση του ρυζιού υπό συνθήκες κατάκλυσης είναι ο περιορισμός της διάχυσης αερίων (π.χ. O 2, CO 2 κ.α.) στο νερό, η θερμοκρασία και η μείωση της φωτεινότητας, φαινόμενα τα οποία περιορίζουν τη φωτοσύνθεση και την ικανοποιητική κατανάλωση των υδρογονανθράκων από το φυτό (Ram et al., 2002). Όσον αφορά τη διάχυση αερίων μέσα στο νερό, είναι γνωστό ότι τα αέρια διαχέονται 10 4 φορές πιο αργά απ ότι στον αέρα (Armstrong, 1979). Η μειωμένη συγκέντρωση αερίων μέσα στο νερό, έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της συγκέντρωσή τους καθώς και των άλλων αερίων που παράγονται μέσα στο φυτό (π.χ. αιθυλένιο). Αποτέλεσμα του φαινομένου είναι η πρόκληση υποξίας (χαμηλό O 2 ) ή ανοξίας (μηδενικό Ο 2 ) στους ιστούς της ρίζας, του βλαστού και στους ιστούς των σπόρων (Kennedy et al., 1992). Στην περίπτωση της κατάκλυσης με συνεχή εισροή-εκροή νερού από το χωράφι, το επίπεδο Ο 2 διατηρείται σε φυσιολογικά επίπεδα λόγω του ότι το νερό ανανεώνεται. Στην περίπτωση των στάσιμων υδάτων τα επίπεδα Ο 2 είναι χαμηλότερα ενώ είναι χαρακτηριστική και η ημερήσια διακύμανσή του, με μέγιστη τιμή αργά το μεσημέρι και χαμηλότερη αργά τη νύχτα. Πολλές φορές το βράδυ μπορεί να

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΡΥΖΙΟΥ 14 προκληθεί ανοξία, ειδικά στο βάθος του ριζοστρώματος, γιατί το Ο 2 καταναλώνεται για αναπνοή από το φυτό και τους μικροοργανισμούς (Ram et al., 2002). Αντίθετα με το Ο 2, το CO 2 παρουσιάζει και αυτό ημερήσιο κύκλο, κατά τον οποίο όμως η συγκέντρωσή του είναι μέγιστη αργά τη νύχτα και ελάχιστη το μεσημέρι. Αυτό συμβαίνει λόγω της κατανάλωσης του CO 2 για φωτοσύνθεση, της οποίας ο ρυθμός είναι μέγιστος τις μεσημεριανές ώρες (Setter et al., 1987a,b; Ram et al., 2002). Το οξυγόνο που χρειάζονται τα φυτά κάτω από τις συνθήκες κατάκλυσης, το προμηθεύονται σύμφωνα με τον Naphale, (1971) με τους εξής μηχανισμούς: Ανάπτυξη συστήματος αναερόβιας αναπνοής, κυρίως στα πρώτα στάδια ανάπτυξης, που επιτρέπει στα φυτά να αντέχουν σε έντονες συνθήκες έλλειψης οξυγόνου. Ικανότητα μεταφοράς οξυγόνου από τα φύλλα στις ρίζες, μέσω μιας διόδου υπό μορφή σωλήνα, η οποία ονομάζεται αερέγχυμα και αναπτύσσεται στα φύλλα, το βλαστό και τη ρίζα. Τα κύτταρα του αερεγχύματος επιτρέπουν την είσοδο του οξυγόνου από τα φύλλα και την κίνησή του μέσα από το βλαστό, έτσι ώστε να εφοδιαστούν οι ρίζες με επαρκές οξυγόνο για τη διατήρηση της ομαλής ανάπτυξή τους, της επίτευξης κανονικών ρυθμών αναπνοής και της απορρόφησης των θρεπτικών στοιχείων. Ανάπτυξη πολύ λεπτών ριζών, με άφθονες διακλαδώσεις, οι οποίες παρουσιάζουν αρνητικό γεωτροπισμό και εκτείνονται μέχρι την επιφάνεια του νερού. Οι ρίζες αυτές αναπτύσσονται την εποχή που σχηματίζεται η ταξιανθία. Με αυτό το σύστημα οι ρίζες εφοδιάζονται με οξυγόνο, όταν με την επιμήκυνση του στελέχους διακόπτεται παροδικά η δίοδος του οξυγόνου δια μέσω του αερεγχύματος. Όσον αφορά τη θερμοκρασία, πάνω από τους 30 o C, μειώνεται η διαλυτότητα των αερίων στο νερό κι αυξάνεται η αναέροβια αναπνοή, η οποία οδηγεί στο θάνατο των φυτών. Η ιδανική θερμοκρασία είναι περίπου στους 20 ± 2 o C (Ram et al., 2002), η οποία επιτυγχάνεται με την κατάκλυση. Οι Siebel & Blom, (1998), παρατήρησαν επιπλέον ότι η θερμοκρασία νερού, παίζει ρόλο και στην ανεκτικότητα των φυτών για διάφορα βάθη κατάκλυσης. Έτσι, όσο πιο κοντά στην ιδανική θερμοκρασία βρίσκεται το νερό τόσο μεγαλύτερη αντοχή και προσαρμοστικότητα παρουσιάζουν τα φυτά για τα διάφορα βάθη κατάκλυσης. Όσον αφορά τη φωτεινότητα, η οποία σχετίζεται με την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας, επηρεάζεται από τη θολότητα, την ύπαρξη φυκών και τους στροβιλισμούς του νερού. Σύμφωνα με τους Ram et al., (1999) και τους Setter et al., (1987a,b) οι στροβιλισμοί μειώνουν σημαντικά τη διάχυση του φωτός ενώ αποθέτουν και εδαφικά υλικά στα φύλλα των φυτών.

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΡΥΖΙΟΥ 15 Επιπλέον η επιβίωση του φυτού εξαρτάται από την υψηλή συγκέντρωση υδρογονανθράκων στο έδαφος πριν την κατάκλυση και τη διατήρηση της παραγωγής ενέργειας, μέσω της ταχύτερης αλκοολικής ζύμωσης υπό συνθήκες ανεπάρκειας οξυγόνου. Ένας άλλος παράγοντας που επιδρά στην επιβίωση του φυτού είναι και η καταπόνηση λόγω αερόβιων συνθηκών που υφίστανται το φυτό, κατά την περίοδο που έχουμε απότομη απομάκρυνση των υδάτων στο τέλος της καλλιεργητικής περιόδου (Ram et al., 2002). 2.4 Καλλιεργητική τεχνική του ρυζιού Η καλλιεργητική τεχνική που συνιστάται από το Ινστιτούτο Σιτηρών και εφαρμόζεται από τους παραγωγούς της χώρας μας, έχει σαν βάση την καλλιέργεια του ρυζιού σε αλατούχαπαθογενή εδάφη. Ο λόγος που γίνεται αυτό, είναι ότι με τη μέθοδο άρδευσης των ορυζώνων (κατάκλυση) γίνεται αραίωση των υπαρχόντων αλάτων και έκπλυσή τους προς τα βαθύτερα στρώματα για να μην δημιουργούνται σοβαρά προβλήματα στα φυτά Αμειψισπορά Είναι δύσκολο να εφαρμοστεί κανονικό σύστημα αμειψισποράς στα εδάφη που καλλιεργείται το ρύζι, λόγω της μεγάλης αλατότητάς τους. Η πιο συνηθισμένη πρακτική αμειψισποράς είναι τρία χρόνια καλλιέργεια ρυζιού και στη συνέχεια ένα χρόνο καλλιέργεια καλαμποκιού, βαμβακιού, τριφυλλιού ή ζαχαρότευτλου. Η αμειψισπορά είναι απαραίτητη για την καταπολέμηση πολυετών (π.χ. ραγάζι, ψαθί κ.α.) και μονοετών ζιζανίων (π.χ. μουχρίτσα, κόκκινο ρύζι κ.α.). Ειδικά για την αντιμετώπιση του κόκκινου ρυζιού συνιστάται η εναλλαγή της καλλιέργειας του ρυζιού με μία άλλη για τουλάχιστον 2-3 χρόνια (Ντάνος και Φιλίππου, 1996). Σε εδάφη που δεν έχουν πρόβλημα αλατότητας, σαν εναλλακτική λύση προτείνεται η αμειψισπορά με καλλιέργειες οσπρίων, τα οποία ευνοούν την αζωτοδέσμευση και συνεπώς την αύξηση της συγκέντρωσης του εδαφικού αζώτου (Schulz et al., 1999; Ladha et al., 2005) Προετοιμασία του ορυζώνα Το πρώτο όργωμα γίνεται μετά τη συγκομιδή της προηγούμενης καλλιέργειας, το φθινόπωρο ή το χειμώνα και πολλές φορές την άνοιξη (Μάρτιο) ανάλογα με το είδος της προηγούμενης καλλιέργειας, τις βροχές του χειμώνα και τη μηχανική σύσταση του εδάφους. Γίνεται σε βάθος 15 έως 20 cm ενώ βαθύτερο όργωμα μέχρι τα 25 cm γίνεται σε πολύ βαριά εδάφη με σκοπό τον καλύτερο αερισμό, τη βαθύτερη διείσδυση των ριζών, τη διευκόλυνση της έκπλυσης των αλάτων καθώς και στις περιπτώσεις που υπάρχει κόκκινο ρύζι. Τα φυτικά υπολείμματα της προηγούμενης καλλιέργειας συνήθως καίγονται από τους παραγωγούς και σε λίγες μόνο περιπτώσεις ενσωματώνονται στο έδαφος με το όργωμα.

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΡΥΖΙΟΥ 16 Σύμφωνα με τον Kayiranga, (2006), το ολικό κάψιμο του σταχιού της προηγούμενης χρονιάς δίνει μεγαλύτερες αποδόσεις σε σχέση με την πλήρη ενσωμάτωση του στο έδαφος. Όταν γίνεται πλήρης ενσωμάτωση των φυτικών υπολειμμάτων πρέπει να γίνεται όσο το δυνατό καλύτερα, γιατί η παραμονή τους στην επιφάνεια ευνοεί την αποσύνθεσή τους. Η έντονη αποσύνθεση των φυτικών υπολειμμάτων στην επιφάνεια έχει ως αποτέλεσμα τον χρωματισμό του νερού κατάκλυσης, ο οποίος ευνοεί τη μείωση του φωτός με αποτέλεσμα τα φυτά να γίνονται ασθενικά και να μην μπορούν να βγουν στην επιφάνεια του νερού. Την άνοιξη αν υπάρχουν ζιζάνια, γίνεται ένα δισκοσβάρνισμα για την καταστροφή τους. Το χωράφι που πρόκειται να σπαρθεί για πρώτη φορά με ρύζι (συνήθως από τέλη Φεβρουαρίου μέχρι αρχές Μαϊου αναλόγως τις συνθήκες) πρέπει να ισοπεδωθεί και να κατασκευαστούν αναχώματα για τη συγκράτηση του νερού. Η διαφορά μεταξύ υψηλότερου και χαμηλότερου σημείου δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 2 cm, για να μην δημιουργείται αισθητή ροή που θα προκαλέσει διάβρωση, μετακίνηση των σπόρων και πλάγιασμα των φυτών. Το μέγεθος, οι διαστάσεις και η διάταξη των λεκανών εξαρτάται από την κλίση του εδάφους, τη διεύθυνση των ανέμων και το είδος των ισοπεδωτών. Με τους κοινούς ισοπεδωτές το μέγεθος των τηγανιών δεν πρέπει να ξεπερνά τα 4 στρέμματα ενώ με τους laser μπορούν να φτάσουν και τα 40 στρέμματα. Η μεγάλη πλευρά των λεκανών πρέπει να είναι διατεταγμένη κάθετα προς τη διεύθυνση των ανέμων, που πνέουν στην περιοχή, για την αποφυγή κυματισμού του νερού, ο οποίος προκαλεί διάβρωση των αναχωμάτων, μετακίνηση των σπόρων και πλάγιασμα των φυτών. Μετά την ισοπέδωση του εδάφους σε ορισμένες περιπτώσεις πρέπει να γίνεται κι ένα φρεζάρισμα. Ακολουθεί εφαρμογή βασικής λίπανσης καθώς και εφαρμογή προσπαρτικού ζιζανιοκτόνου, αν θεωρηθεί απαραίτητο. Η ενσωμάτωση του ζιζανιοκτόνου γίνεται με ένα δεύτερο φρεζάρισμα ενώ η σπορά γίνεται αμέσως μετά την κατάκλυση του χωραφιού (Πανώρας κ.α., 1993) Λίπανση - θρέψη Για την παραγωγή 1000 kg αναποφλοίωτου ρυζιού απορροφώνται από το έδαφος 16.8 kg Ν, 3.8 kg P και 21.9 kg K. Από τα υπόλοιπα κύρια θρεπτικά στοιχεία, ενδιαφέρον για την καλλιέργεια παρουσιάζει το S και ο Zn (Ντάνος, 1994). Άλλη αναλογία παραγωγής και κατανάλωσης θρεπτικών, είναι αυτή των Tisdale et al., (1985), κατά την οποία για παραγωγή 790 kg/στρέμμα καρπού και 790 kg/στρέμμα του άχυρου (χωρίς το ριζικό σύστημα) απομακρύνονται από το έδαφος αντίστοιχα 8.7 και 4 kg Ν/στρέμμα, 5.2 και 1.6 kg

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΡΥΖΙΟΥ 17 P 2 O 5 /στρέμμα, 3.2 και 13.6 kg K 2 O/στρέμμα, 0.9 και 0.7 kg Mg/στρέμμα και 0.6 και 0.8 kg S/στρέμμα. Το Ν αυξάνει το αδέλφωμα, τον αριθμό των φοβών, τον αριθμό των κόκκων ανά φόβη και το βάρος τους. Ο Ρ στα πρώτα στάδια ανάπτυξης των φυτών προωθεί την ανάπτυξη του ριζικού συστήματος. Στα μετέπειτα στάδια επιταχύνει την άνθηση, την ωρίμανση και την αύξηση του βάρους των κόκκων. Το Κ παίζει ρόλο στον καθορισμό του αριθμού των αδελφωμάτων, τη σύνθεση και μεταφορά των υδατανθράκων καθώς και το σχηματισμό των κόκκων. Η λίπανση του ρυζιού παρουσιάζει ιδιαιτερότητα λόγω της συνεχούς κατάκλυσης του ορυζώνα με νερό, η οποία έχει ως αποτέλεσμα την έκπλυση των θρεπτικών στοιχείων και τη δημιουργία αναερόβιων συνθηκών, οι οποίες με τη σειρά τους έχουν ως αποτέλεσμα την αφομοίωση μόνο του 50-60% του αζώτου από τα φυτά. Επιπλέον, απώλειες θρεπτικών στοιχείων παρατηρούνται με την επιφανειακή απορροή λόγω της συχνής ανανέωσης του νερού στα πολύ αλατούχα εδάφη, η οποία είναι απαραίτητη στα πρώτα στάδια ανάπτυξης των φυτών, καθώς και με αεριοποίηση των διαφόρων μορφών αζώτου. Μακροχρόνια πειράματα του Ινστιτούτου Σιτηρών (Ntanos, 1996) έδειξαν ότι λίπανση με 15 kg Ν, 6 kg P 2 Ο 5 και 10 kg K 2 Ο ανά στρέμμα είναι ικανοποιητική, όταν το ρύζι καλλιεργείται ως μονοκαλλιέργεια. Μειωμένη πρέπει να είναι η ποσότητα Ν όταν το ρύζι ακολουθεί τη μηδική. Μεγάλες ποσότητες αζωτούχου λίπανσης πρέπει να αποφεύγονται, γιατί δημιουργούν υδαρή φυτά τα οποία πλαγιάζουν εύκολα και είναι επιρρεπή σε προσβολές από μύκητες όπως η πυρικουλάρια και το ελμινθοσπόριο. Ως προς το χρόνο εφαρμογής, για το Ν συνιστάται το 40% της ποσότητας να εφαρμόζεται βασικά και το υπόλοιπο επιφανειακά σε δύο ισόποσες δόσεις. Η πρώτη δόση στο αδέλφωμα (25-35 ημέρες μετά τη σπορά) και η δεύτερη λίγο πριν τη διόγκωση της ταξιανθίας (50-60 ημέρες μετά τη σπορά). Ολόκληρη η ποσότητα του P πρέπει να εφαρμόζεται βασικά και να ακολουθεί ενσωμάτωση, γιατί οι ανάγκες των φυτών σε P είναι μεγαλύτερες στα πρώτα στάδια ανάπτυξης, καθώς επίσης και για τον λόγο ότι ο P παρουσιάζει μικρή κινητικότητα στο έδαφος. Η ποσότητα του Κ συνιστάται να εφαρμόζεται είτε ολόκληρη βασικά είτε η μισή βασικά και η υπόλοιπη μαζί με την πρώτη επιφανειακή εφαρμογή του Ν (25-35 ημέρες μετά τη σπορά). Επιπλέον, το Κ είναι απαραίτητο και για τη σκληραγώγηση των φυτών έναντι της πυρικουλαρίας (Κουκουλάκης και Καρακάσης, 1997). Το Ν πρέπει να χορηγείται σε αμμωνιακή μορφή τόσο στη βασική όσο και στην επιφανειακή λίπανση, γιατί η νιτρική μορφή εκπλύνεται εύκολα, απονιτροποιείται και χάνεται στην ατμόσφαιρα με αεριοποίηση. Επιπλέον τα νιτρικά ανάγωνται σε νιτρώδη, τα οποία είναι

32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΡΥΖΙΟΥ 18 τοξικά για τα φυτά ακόμη και σε μικρές ποσότητες. Στα αλατούχα εδάφη συνιστάται η εφαρμογή λιπασμάτων πλούσιων σε SO 4 για τη μείωση του ph του εδάφους. Προτιμότερα είναι τα κοκκώδη λιπάσματα, γιατί τα θρεπτικά στοιχεία αποδεσμεύονται τμηματικά ενώ κατά την επιφανειακή λίπανση διασκορπίζονται πιο εύκολα και πιο ομοιόμορφα είτε με το χέρι είτε με τον λιπασματοδιανομέα (ΕΘ.Ι.ΑΓ.Ε., 2005) Σπορά Η έγκαιρη σπορά δίνει μεγαλύτερη απόδοση και καθορίζεται από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος (έδαφος-αέρας) αλλά και τη θερμοκρασία του νερού άρδευσης, η οποία παίζει το σημαντικότερο ρόλο στα πρώτα στάδια της ανάπτυξης (ελάχιστη θερμοκρασία νερού 12 ο C). Στη Β. Ελλάδα ευνοϊκές συνθήκες περιβάλλοντος δημιουργούνται το πρώτο δεκαπενθήμερο του Μαΐου. Ο σπόρος που θα χρησιμοποιηθεί, πρέπει να είναι αμιγής της ποικιλίας που επιλέγεται, να είναι απαραίτητα παραγωγής της προηγούμενης χρονιάς, να έχει βλαστική ικανότητα μεγαλύτερη από 90%, να είναι ώριμος, υγιής και να έχει υποστεί απολύμανση. Οι παραγωγοί θα πρέπει να προμηθεύονται σπόρο από σποροπαραγωγή τουλάχιστον κάθε 3-4 χρόνια έτσι ώστε να διατηρείται σταθερή η απόδοση, το προϊόν να είναι ανώτερης ποιότητας, να ελαττώνονται οι προσβολές από ασθένειες και να γίνεται περιορισμός του πληθυσμού του κόκκινου ρυζιού. Η συνιστώμενη ποσότητα σπόρου είναι 20 kg/στρέμμα. Πριν τη σπορά, ο σπόρος εμβαπτίζεται στο νερό για 24 έως 36 ώρες, μέσα σε τσουβάλια, τα οποία συνήθως τοποθετούνται κοντά στο στόμιο εισόδου του νερού στις λεκάνες. Η εμβάπτιση έχει σαν σκοπό να αυξηθεί το βάρος του σπόρου, για να βυθίζεται εύκολα στο νερό του ορυζώνα, επιτυγχάνοντας ομοιόμορφη κατανομή. Σε αντίθετη περίπτωση οι σπόροι επιπλέουν στην επιφάνεια του νερού και παρασύρονται με την κίνηση του νερού. Οι σπόροι φυτρώνουν μόνον όταν μείνουν ακάλυπτοι στην επιφάνεια του εδάφους ενώ η κάλυψη με λεπτό στρώμα εδάφους δρα ανασταλτικά στο φύτρωμα. Η σπορά πρέπει να γίνεται 1-2 μέρες μετά την κατάκλυση του ορυζώνα και αν καθυστερήσει περισσότερο, παρεμποδίζεται η επαφή εδάφους-σπόρου και ο σχηματισμός ρίζας μέσα στο έδαφος, λόγω της δημιουργίας κρούστας στην επιφάνεια του εδάφους. Η σπορά γίνεται με λιπασματοδιανομείς στα πεταχτά, οι οποίοι σύρονται από ελκυστήρες με λεπτούς μεταλλικούς οδοντωτούς τροχούς ώστε να είναι δυνατή η κίνησή τους μέσα στο νερό. Όταν οι συνθήκες είναι ευνοϊκές οι σπόροι φυτρώνουν 3-4 ημέρες μετά τη σπορά.

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΡΥΖΙΟΥ 19 Σε περίπτωση πρώιμης σποράς, η επικράτηση χαμηλών θερμοκρασιών ενδέχεται να μειώσει το φύτρωμα κι αν υπάρχει χρονικό περιθώριο συνιστάται επανασπορά. Για επανασπορά πρέπει να αποσυρθεί το νερό από τον ορυζώνα και να στεγνώσει η επιφάνεια του εδάφους. Στη συνέχεια σβαρνίζεται η σποροκλίνη για τη δημιουργία ανώμαλης επιφάνειας, η οποία θα βοηθήσει την καλή εγκατάσταση των νεαρών φυτών. Ακολουθεί εκ νέου κατάκλυση και αμέσως μετά η σπορά. Εκτός από την απευθείας σπορά στο χωράφι, μπορεί να γίνει και μεταφύτευση με νεαρά φυτάρια, τα οποία αναπτύσσονται σε ειδικά σπορεία. Για την εγκατάσταση των σπορίων προτιμώνται εδάφη ελαφρά ή μέτριας μηχανικής σύστασης, λόγω της ευκολότερης εξαγωγής των φυταρίων χωρίς απώλειες ριζών. Σημαντικές εκτάσεις ανά τον κόσμο καταλαμβάνονται από ρύζι, που φυτεύεται με αυτό τον τρόπο κι αυτό γιατί ένα από τα πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι ο περιορισμένος χρόνος ανάπτυξης των φυτών στον αγρό. Αυτό επιτρέπει τη διπλή εγκατάσταση καλλιέργειας μέσα σε μια χρονιά και επιφέρει διπλό εισόδημα στους παραγωγούς. Στη χώρα μας, από πειράματα του Ινστιτούτο Σιτηρών, εξάχθηκε το συμπέρασμα ότι το μεταφυτευτικό σύστημα δεν μπορεί να εφαρμοστεί (Παπακώστα, 2001). Σύμφωνα με τους Tuong et al., (2002) σε περιοχές που υπάρχει περιορισμός των υδατικών πόρων για την κάλυψη των αναγκών της συνεχούς κατάκλυσης αλλά και σε περιοχές που έχει προβλεφθεί παροδική έλλειψη νερού εντός της καλλιεργητικής περιόδου, προτείνεται η σπορά σε ξηρό έδαφος. Σύμφωνα με τους ερευνητές, η σπορά σε ξηρό έδαφος έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του μήκους, της πυκνότητας και των διακλαδώσεων του ριζικού συστήματος, μειώνοντας έτσι την ευαισθησία των φυτών στην υδατική καταπόνηση ενώ παράλληλα κατακρατείται περισσότερο νερό στο ριζόστρωμα λόγω του αυξημένου ριζικού συστήματος. Από τα πειράματα των ερευνητών προέκυψε ότι η σπορά σε ξηρό έδαφος δίνει μικρότερες αποδόσεις από ένα υπό φυσιολογικές συνθήκες κατάκλυσης έδαφος, αλλά μεγαλύτερες αποδόσεις από ένα αρχικά κατακλυσμένο έδαφος, το οποίο υπέστει ελεγχόμενες περιόδους υδατικής καταπόνησης Έλεγχος ζιζανίων Ο έλεγχος των ζιζανίων είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την αύξηση της απόδοσης και της βελτίωσης της ποιότητας των καρπών. Τα ζιζάνια εμφανίζονται μέσα στην καλλιέργεια και στα αναχώματα. Τα κυριότερα ετήσια ζιζάνια είναι η μουχρίτσα (Echinochloa crus-galli), το κόκκινο ρύζι (Oryza Sativa) και η μοσχοκύπερη (Cyperus difformis), ενώ από τα πολυετή ζιζάνια τα σπουδαιότερα είναι ο σκίρπος (Scirpus maritimus) και η νεραγριάδα (Paspalum distichum). Τον πρωταγωνιστικό ρόλο όμως παίζουν τα φύκη (Algae), τα οποία

34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΡΥΖΙΟΥ 20 προσλαμβάνουν έντονα τα θρεπτικά στοιχεία που είναι διαλυμένα στο νερό κατάκλυσης. Κατά την ανάπτυξή τους, τα φύκη σχηματίζουν ένα τάπητα στην επιφάνεια του νερού, ο οποίος εμποδίζει τη δίοδο του φωτός στη βάση των φυτών και την έξοδο των φυταρίων πάνω από την επιφάνεια του νερού. Το πρόβλημα των ζιζανίων και ειδικότερα της μουχρίτσας εντάθηκε τα τελευταία χρόνια, λόγω μη εφαρμογής αμειψισποράς, μη ανάπτυξης ανθεκτικών στα ζιζανιοκτόνα βιοτύπων, μείωση του ύψους του νερού κατάκλυσης και επέκτασης της καλλιέργειας ποικιλιών τύπου indica, που έχουν μικρή ανταγωνιστική ικανότητα έναντι των ζιζανίων. Πειράματα του Ινστιτούτου Σιτηρών έδειξαν ότι οι ποικιλίες τύπου Japonica είναι πιο ανταγωνιστικές έναντι των ζιζανίων, σε σχέση με αυτές που είναι τύπου Indica. Ο περιορισμός των ζιζανίων μπορεί να γίνει με την εφαρμογή αμειψισποράς, χρήση σπόρου απαλλαγμένου από ζιζάνια, κατάλληλες καλλιεργητικές εργασίες, σωστή διαχείριση του νερού, καλλιέργεια ποικιλιών με μεγάλη ανταγωνιστική και αλληλοπαθητική ικανότητα έναντι των ζιζανίων και των ζιζανιοκτόνων (Ελευθεροχωρινός, 1996). Από τα καλλιεργητικά μέτρα που εφαρμόζονται για την αντιμετώπιση των ζιζανίων, τα κυριότερα είναι α) φθινοπωρινό ή χειμερινό όργωμα, το οποίο επιταχύνει το φύτρωμα των ζιζανίων κατά τις αρχές της άνοιξης κάνοντας ευκολότερη την καταστροφή τους με ένα φρεζάρισμα πριν από τη σπορά, β) η καλή ισοπέδωση, η οποία περιορίζει τα τμήματα που δεν καλύπτονται επαρκώς με νερό όπου αναπτύσσονται ταχύτερα τα ζιζάνια, γ) η ενσωμάτωση των λιπασμάτων σε μεγαλύτερο βάθος, η οποία εμποδίζει την πρόσληψή τους από τις ρίζες των ζιζανίων τα οποία φύονται κοντά στην επιφάνεια, δ) η διατήρηση του νερού κατάκλυσης σε σημαντικό ύψος, η οποία δεν εμποδίζει την ανάπτυξη του ρυζιού αλλά δυσχεραίνει την ανάδυση των ζιζανίων πάνω από το νερό. Η κυριότερη όμως μέθοδος καταπολέμισης των ζιζανίων είναι η χημική. Τα ζιζανιοκτόνα εφαρμόζονται ή προσπαρτικά με ενσωμάτωση στο έδαφος ή μεταφυτρωτικά με ψεκασμόδιασπορά στην επιφάνεια του νερού. Πριν την εφαρμογή ορισμένων μεταφυτρωτικών ζιζανιοκτόνων είναι απαραίτητη η μείωση του ύψους του νερού στις λεκάνες ή η πλήρης απομάκρυνσή του, έτσι ώστε να επιτευχθεί υψηλότερη συγκέντρωσή τους μέσα στο νερό για καλύτερα αποτελέσματα. Άλλα ζιζανιοκτόνα χρησιμοποιούνται για ζιζάνια που αναπτύσσονται στα αναχώματα και άλλα για εκείνα που αναπτύσσονται μέσα στον αγρό. Όσον αφορά τα φύκη, η καταπολέμησή τους γίνεται με θειϊκό χαλκό. Όταν το πρόβλημα είναι έντονο, ο θειϊκός χαλκός τοποθετείται σε καννάβινους σάκους κοντά στα σιφώνια εισροής νερού για να διαλυθεί πιο εύκολα και να κατανεμηθεί σε όλο τον αγρό, αλλιώς γίνεται με το χέρι μόνο στα σημεία που υπάρχουν φύκη (Παπακώστα, 2001).

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΡΥΖΙΟΥ Άρδευση Η μέθοδος άρδευσης είναι κοινή σε όλες τις χώρες της Ευρώπης και χαρακτηρίζεται από τη σχεδόν μόνιμη κατάκλυση με νερό των καλλιεργούμενων εδαφών (submergence ή flowthrough). Η συγκεκριμένη μέθοδος άρδευσης πλεονεκτεί λόγω χαμηλού κόστους και ευκολίας εφαρμογής, διατήρησης και απομάκρυνσης του νερού. Μειονεκτήματα της μεθόδου είναι ότι δεν υπάρχει αυτονομία άρδευσης για κάθε αγροτεμάχιο καθώς και η πιθανή ρύπανση των υπόγειων και επιφανειακών υδάτων από αγροχημικά απόβλητα. Το νερό διανέμεται στους ορυζώνες κυρίως από προσαγωγούς διώρυγες. Η κατάκλυση των ορυζώνων γίνεται μέσω ελεγχόμενων θυρίδων ροής ή από σιφώνια, τα οποία είναι προσαρμοσμένα στα καναλέτα μεταφοράς νερού στο άνω άκρο των αγρών ενώ η απομάκρυνση του νερού γίνεται από ελεγχόμενες εξόδους στο κάτω άκρο του, οι οποίες χρησιμοποιούνται για τη σταθεροποίηση της στάθμης μέσα στον αγρό. Το νερό από τις ελεγχόμενες εξόδους συνήθως διοχετεύεται σε στραγγιστικές τάφρους, οι οποίες δέχονται και τα νερά από τη στράγγιση των ορυζώνων. Η ποσότητα του νερού που απαιτείται για την άρδευση των ορυζώνων, διαφέρει από περιοχή σε περιοχή και εξαρτάται από την ποικιλία του ρυζιού, τις κλιματικές συνθήκες, την ισοπέδωση του εδάφους, τη μηχανική σύσταση και το σύστημα άρδευσης και στράγγισης. Στα αλατούχα εδάφη η ποσότητα που χρησιμοποιείται είναι μεγάλη προκειμένου να ξεπλυθούν άλατα. Η συνολική κατανάλωση νερού για όλη την καλλιεργητική περίοδο κυμαίνεται από 1300 έως 3600 m 3 /στρέμμα, ανάλογα τις εδαφικές συνθήκες. Το νερό άρδευσης δεν πρέπει να περιέχει πολλά άλατα ενώ το ποσοστό Ca πρέπει να είναι μεγαλύτερο του 60% στο σύνολο των αλάτων. Το βέλτιστο ύψος του νερού για την ανάπτυξη του ρυζιού είναι αυτό που μόλις σκεπάζει το έδαφος αλλά αυτό ευνοεί και την ανάπτυξη ζιζανίων. Έτσι μετά τη σπορά το ύψος νερού μέσα στο χωράφι πρέπει να διατηρείται στα 5-10 cm. Μεγαλύτερο ύψος καθυστερεί το φύτρωμα, εμποδίζει τη ριζοβολία ενώ τα μεγάλα κύματα που δημιουργούνται, παρασύρουν τα νεαρά φυτά. Αφού μεγαλώσουν τα φυτά και πάλι το ύψος δεν πρέπει να ξεπερνά τα cm γιατί καθυστερείται το αδέλφωμα και ευνοείται το πλάγιασμα. Η ανανέωση του νερού είναι απαραίτητη ειδικά στα αλατούχα εδάφη. Η διακοπή της κατάκλυσης σε ενδιάμεσα στάδια ανάπτυξης της καλλιέργειας είναι απαραίτητη στα βαριά μη αλατούχα εδάφη για τον αερισμό του εδάφους ενώ στα αλατούχα δεν συνιστάται γιατί επιβραδύνεται η ωρίμανση. Σε όλα τα εδάφη συνιστάται η απομάκρυνση του νερού για 2-3 μέρες στο στάδιο του αδελφώματος για την ανάπτυξη πλουσιότερου ριζικού συστήματος ενώ οι ξηράνσεις πρέπει να αποφεύγονται στο στάδιο του γάλακτος κόκκου.

36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΡΥΖΙΟΥ 22 Η θερμοκρασία του νερού παίζει σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη του ρυζιού. Την περίοδο της σποράς πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 12 ο C και στα επόμενα στάδια μεταξύ 21 με 30 ο C. Υψηλότερη θερμοκρασία από τους 30 ο C έχει σαν συνέπεια τη μείωση της απόδοσης και καχεκτική ανάπτυξη των φυτών (MED-Rice, 2003) Ωρίμανση-συγκομιδή Ο άριστος χρόνος συγκομιδής στο ρύζι συμβαδίζει με τη μεγαλύτερη συνολική απόδοση στο μύλο και με τη μικρότερη θραυστικότητα του κόκκου. Τόσο η πρώιμη όσο και η όψιμη συγκομιδή έχουν επιπτώσεις στην απόδοση και την ποιότητα του κόκκου. Στην πρώιμη συγκομιδή αυξάνεται το κόστος, η απόδοση προϊόντος στο μύλο είναι μικρότερη και το ποσοστό των κόκκων με εμφάνιση κιμωλίας είναι μεγαλύτερο. Στην όψιμη συγκομιδή αυξάνεται το ποσοστό των σπασμένων κόκκων κατά την αποφλοίωση και οι απώλειες από το πλάγιασμα των φυτών, το τίναγμα των σπόρων, την επίδραση δυσμενών συνθηκών, εντόμων και τρωκτικών. Κριτήρια για τον καθορισμό του κατάλληλου χρόνου συγκομιδής αποτελούν α) η υγρασία των κόκκων, β) ο αριθμός ημερών από την άνθηση και πιο συγκεκριμένα 35 έως 40 ημέρες για τις ποικιλίες τύπου indica και 40 έως 45 ημέρες για τις ποικιλίες τύπου japonica, γ) ο κιτρινοκάστανος χρωματισμός του πρώτου κόμβου της φόβης και δ) η απόκτηση κίτρινου χρώματος στο 80 % των κόκκων. Η υγρασία των κόκκων κατά τη συγκομιδή επιδρά στη θραυστικότητα και στην απόδοση λευκού ρυζιού στο μύλο. Πειραματικά δεδομένα του Ινστιτούτου Σιτηρών (Πίνακας 2.4) δείχνουν ότι η κατάλληλη υγρασία των κόκκων για τη συγκομιδή είναι 18-22%. Μικρότερο ποσοστό υγρασίας συνεπάγεται καθυστέρηση στη συγκομιδή και αύξηση της θραυστικότητας του κόκκου (Ntanos et al, 1994). Πίνακας 2.4 Επίδραση της υγρασίας των κόκκων στην απόδοση στο μύλο και στη θραυστικότητα για μέσους όρους πέντε ποικιλιών κατά τα έτη (Ntanos et al, 1994). Υγρασία κόκκων % Απόδοση στο μύλο % Θραυστικότητα % Όταν κατά το φθινόπωρο επικρατούν ομαλές καιρικές συνθήκες (ήλιος κατά τη διάρκεια της ημέρας, υψηλή σχετικά υγρασία κατά τη νύχτα στους ορυζώνες), την ημέρα οι κόκκοι ξηραίνονται και συστέλλονται ενώ κατά τη νύχτα απορροφούν υγρασία και διαστέλλονται. Οι

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΡΥΖΙΟΥ 23 συνεχείς αυτές συστολές και διαστολές δημιουργούν εγκάρσιες ρωγμές, οι οποίες έχουν ως συνέπεια την αύξηση της θραυστικότητας κατά την αποφλοίωση. Επομένως η έγκαιρη συγκομιδή μπορεί να απαιτεί υψηλότερο κόστος αποξήρανσης αλλά αυτό αντισταθμίζεται από τα καλύτερα αποτελέσματα κατά την αποφλοίωση. Οι ρωγμές που δημιουργούνται με τον τρόπο που προαναφέρθηκε, δεν έχουν καμιά επίπτωση στους κόκκους ρυζιού που προορίζονται για σπορά. Συνεπώς μπορεί να καθυστερήσει η συγκομιδή για να μειωθεί περισσότερο η υγρασία (περίπου 18%) και η τελική δαπάνη για την αποξήρανση. Η συγκομιδή γίνεται με τις θεριζοαλωνιστικές μηχανές των χειμερινών σιτηρών (Παπακώστα, 2001).

38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ 24 3 o ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ Η ανάπτυξη και εφαρμογή μαθηματικών μοντέλων για την εκτίμηση του ισοζυγίου του νερού και των διαφόρων χημικών ουσιών σε αγρούς ή σε μεγαλύτερης έκτασης περιοχές αποτελούν ένα ιδιαίτερο ερευνητικό αντικείμενο, το οποίο ξεκίνησε στις αρχές τις δεκαετίας του 70 και συνεχίζει να εξελίσσεται μέχρι σήμερα. Το γεγονός ότι η έρευνα συνεχίζεται ακόμα, οφείλεται: στην έντονη ανομοιομορφία-διαφοροποίηση του πορώδους μέσου που είναι το έδαφος. στη διαφορετική συμπεριφορά που παρουσιάζει η κάθε καλλιέργεια ή ακόμα και η ίδια η καλλιέργεια από περιοχή σε περιοχή. σε κάποιες ιδιαίτερες συνθήκες (π.χ. υψηλή υπόγεια στάθμη, ύπαρξη στραγγιστικής τάφρου κ.α.), οι οποίες διαφοροποιούν συνεχώς το φυσικό πρόβλημα. στη διαφοροποίηση των κλιματικών συνθηκών από περιοχή σε περιοχή. Οι παραπάνω λόγοι έχουν ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη δεκάδων μοντέλων, των οποίων η ικανότητα περιγραφής των συνθηκών που επικρατούν σε ένα σύστημα είναι σχετική. Αυτό συμβαίνει γιατί οι μετρήσεις που απαιτούνται για τη ρύθμιση τους αφορούν πάρα πολλές παραμέτρους, των οποίων ο πειραματικός προσδιορισμός είναι πολυέξοδος, χρονοβόρος και σε ορισμένες περιπτώσεις ανέφικτος. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τον περιορισμό του αριθμού των μετρήσεων και συνεπώς τη μείωση της ικανότητας περιγραφής του συστήματος, η οποία εξαρτάται πλέον από την αντιπροσωπευτικότητά τους. Η καλλιέργεια του ρυζιού αποτελεί μια από τις πιο ενδιαφέρουσες περιπτώσεις, καθώς συνδυάζει πολλές ιδιαιτερότητες. Οι ειδικές υδρολογικές συνθήκες που επικρατούν στους ορυζώνες, λόγω της μεθόδου άρδευσης (κατάκλυση) και η επιρροή τους στην τύχη του αζώτου παρουσιάζουν μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον, με ανάπτυξη και εφαρμογή μοντέλων μόλις την τελευταία δεκαετία. Μια προσπάθεια αποτίμησης της συνολικής επιστημονικής έρευνας που έχει διεξαχθεί, όσον αφορά την προσομοίωση της δυναμικής του νερού και του αζώτου στο έδαφος και των αντίστοιχων εφαρμογών που αφορούν το ρύζι, παρουσιάζεται στη συνέχεια.

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ Γενική ανασκόπηση των μοντέλων κίνησης του νερού και μεταφοράς μάζας στο έδαφος Για την προσομοίωση της δυναμικής του νερού και των διαλυμένων στο νερό ουσιών, έχουν αναπτυχθεί διάφορα μοντέλα τα οποία χωρίζονται σε τρεις κύριες κατηγορίες: 1) σε υδρολογικά μοντέλα προσομοίωσης επιφανειακής ροής, 2) σε μοντέλα προσομοίωσης της κίνησης του νερού σε υπόγειους υδροφορείς και 3) σε μοντέλα προσομοίωσης στο επιφανειακό στρώμα εδάφους όπου υφίστανται το σύστημα έδαφος φυτό ατμόσφαιρα. Τα μοντέλα της τελευταίας κατηγορίας είναι αυτά που αφορούν τη συγκεκριμένη έρευνα και γενικότερα τη διαχείριση των υδατικών πόρων στη γεωργία. Βασικές δυνατότητές τους είναι η εκτίμηση της ποσότητας του νερού που καταλαμβάνει η εξατμισοδιαπνοή, η διήθηση και η επιφανειακή απορροή, ενώ ταυτόχρονα περιγράφουν και την τύχη διαφόρων αγροχημικών ουσιών όπως το άζωτο, το οποίο αποτελεί βασικό στοιχείο θρέψης των φυτών αλλά και έναν από τους πιο σημαντικούς γεωργικούς ρύπους των επιφανειακών και υπόγειων υδάτων. Απαραίτητη προϋπόθεση για την ανάπτυξη ενός μαθηματικού μοντέλου είναι η χρήση της εξίσωσης της κίνησης του νερού. Η επιστημονική μελέτη της κίνησης του νερού ξεκίνησε τον προηγούμενο αιώνα, με πρωτοπόρους τον Darcy και τον Buckingham (Αντωνόπουλος, 1999). Αναλυτικές λύσεις επιμέρους προβλημάτων και ημιαναλυτικές λύσεις παρουσιάστηκαν από τους Philip (1969), Bear (1972), Kerkides et al. (1997) κ.α.. Οι λύσεις αυτές πέρα από το θεωρητικό ενδιαφέρον που παρουσιάζουν, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατανόηση, την ερμηνεία και τη διερεύνηση των φαινόμενων της διήθησης, της ανακατανομής και της κίνησης του νερού στο έδαφος όπως και για την επαλήθευση διαφόρων αριθμητικών λύσεων. Η εξίσωση της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους είναι έντονα μη γραμμική και οι παράμετροί της είναι σύνθετες συναρτήσεις ανεξάρτητων μεταβλητών. Μεγάλη δυσκολία παρουσιάζεται τόσο στον καθορισμό της άνω οριακής συνθήκης στην επιφάνεια του εδάφους, είτε σε συνθήκες κατάκλυσης είτε σε συνθήκες σταθερής διαβροχής, όσο και στον καθορισμό της κάτω οριακής συνθήκης λόγω μεταβολής της υπόγειας στάθμης (Αντωνόπουλος, 1999). Τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν αργότερα, εισήγαγαν την αριθμητική επίλυση των εξισώσεων κίνησης νερού. Η αριθμητική επίλυσή τους βασιζόταν κυρίως στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (Neuman, 1975; Huyakorn et al., 1984; Antonopoulos και Papazafiriou, 1990; Αντωνόπουλος, 1993) και στη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών (Selim and Iskandar, 1981; Belmans et al., 1983; Govindaraju and Kavvas, 1993). Άλλες μέθοδοι που αναφέρονται στη βιβλιογραφία είναι η μέθοδος των πεπερασμένων όγκων, των χαρακτηριστικών καμπύλων, η μέθοδος της ροής συγκέντρωσης, η μέθοδος των γραμμών ή

40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ 26 και συνδυασμός αυτών όπως των χαρακτηριστικών καμπυλών και της μεθόδου ροής συγκέντρωσης (Τζιμόπουλος, 1990). Παράλληλα με την ανάπτυξη των διαφόρων μεθόδων επίλυσης των εξισώσεων της κίνησης του νερού, άρχισαν να γίνονται και προσπάθειες ενσωμάτωσης στα μοντέλα, των διαδικασιών που αφορούν τη μεταφορά μάζας. Τα πρώτα μαθηματικά μοντέλα που αναπτύχθηκαν και περιέγραφαν τη μεταφορά μάζας σε απλά συστήματα ομογενών εδαφών με σταθερές συνθήκες κίνησης της εδαφικής υγρασίας ήταν των Cho (1971) και των Misra et al. (1974). Με αυτά τα μοντέλα έχουν περιγραφεί πολύ καλά οι συνθήκες σε ελεγχόμενα συστήματα εδάφους-νερού, μέσα σε εργαστηριακές στήλες εδάφους, ενώ οι λύσεις τους είναι αναλυτικές. Οι πρώτες αριθμητικές λύσεις για τη μεταφορά του αζώτου στο έδαφος, σε συνδυασμό με μη μόνιμες συνθήκες κίνησης του νερού, βασίστηκαν στην προσέγγιση της διακεκριμενοποίησης του εδάφους σε ομοιόμορφους και καλά αναμειγνυόμενους όγκους εδάφους (mixing cell approach) (Duffy et al., 1975; Van Veen and Frissel, 1976). Τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν αργότερα βασίστηκαν στη μέθοδο πεπερασμένων διαφορών, όπως αυτά των Gurengian et al. (1979) και Selim and Iskandar (1981) και στη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων, όπως αυτά των Kaluarachchi and Parker (1988). Στο μοντέλο των Selim and Iskandar (1981) δίνεται έμφαση στην εφαρμογή αζωτούχων υγρών αποβλήτων σε έδαφος με γρασίδι. Στο συγκεκριμένο μοντέλο η διαδικασία της νιτροποίησης γίνεται σε ένα στάδιο, δεν λαμβάνεται υπόψη το οργανικό άζωτο καθώς και η διάχυση του οξυγόνου στο έδαφος, με αποτέλεσμα η απονιτροποίηση των νιτρικών να είναι συνάρτηση μόνο του βαθμού κορεσμού του εδάφους. Οι διαδικασίες μετασχηματισμού του αζώτου που λαμβάνουν μέρος είναι η νιτροποίηση, η απονιτροποίηση και η ιοντοαναταλλαγή των αμμωνιακών ιόντων. Οι Jonhson et al. (1987) παρουσίασαν ένα μοντέλο που έδινε έμφαση στη δυναμική του ανόργανου και οργανικού εδαφικού αζώτου. Το μοντέλο είναι μονοδιάστατο για στρωμματωμένα εδάφη και μαζί με την κίνηση του νερού περιλαμβάνει τις διαδικασίες της πρόσληψης από τα φυτά, της ανοργανοποίησης, της ακινητοποίησης, της νιτροποίησης, της απονιτροποίησης και της μετάδοσης θερμότητας στο έδαφος. Στο μοντέλο υπάρχει η δυνατότητα να εξεταστεί η ανόργανη και οργανική λίπανση με υπολείμματα φυτών και κοπριές ζώων. Το μοντέλο εφαρμόστηκε για την προσομοίωση της δυναμικής του νερού και του αζώτου για μια τριετία, σε χωράφια που δέχτηκαν λίπανση και σε άλλα που δεν δέχτηκαν με κοινή καλλιέργεια το κριθάρι. Οι βασικές εξισώσεις για την ανοργανοποίηση και ακινητοποίηση του αζώτου και οι παραδοχές του μοντέλου των Johnson et al. (1987),

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ 27 αποτέλεσαν τη βάση για την ανάπτυξη μεταγενέστερων μοντέλων που προσομοιώνουν το άζωτο (Heinem, 2003). Όσον αφορά τη σύγκριση της μεθόδου των πεπερασμένων διαφορών (Finite Different Method-FDM) με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (Finite Element Method-FEM), για την επίλυση μερικών διαφορικών εξισώσεων (Partial Differential Equations-PDEs) που αφορούν εφαρμογές της κίνησης του νερού και της μεταφοράς μάζας στο έδαφος, προκύπτουν τα εξής: Με τη μέθοδο FDM προσεγγίζεται η διαφορική εξίσωση που πρέπει να επιλυθεί με μια εξίσωση διαφορών, ενώ με τη μέθοδο FEM προσεγγίζονται οι λύσεις της, γεγονός που καθιστά την FEM ακριβέστερη μέθοδο. Στην FDM, οι λύσεις της διαφορικής εξίσωσης ανάμεσα στους κόμβους του υπολογιστικού πλέγματος υπολογίζονται από τον μέσο όρο των λύσεων των κόμβων που το περιβάλουν, ενώ στην FEM μπορούν να υπολογιστούν ακριβέστερα με συναρτήσεις παρεμβολής (Anderson and Woessner, 1992). Η FEM έχει το πλεονέκτημα να περιγράφει καλύτερα πολύπλοκα γεωμετρικά σχήματα και όρια (Mansell, 2002). Ενσωματώνει και προσομοιώνει άμεσα και καλύτερα την ετερογένεια και την ανισοτροπία του πορώδους μέσου, τυχόν εσωτερικές οριακές συνθήκες, σημειακές πηγές, προφίλ ενστάλαξης και κινούμενες υπόγειες στάθμες (Friedel, 2001). Σε πολλές περιπτώσεις η FDM μπορεί να θεωρηθεί υποπερίπτωση της FEM, όταν στην FEM επιλεγούν ως συναρτήσεις βάσεις συνεχείς γραμμικές εξισώσεις ξεχωριστών βημάτων ή Dirac delta συναρτήσεις σε τετραγωνικά στοιχεία. Η FDM είναι πιο απλη και πιο ευέλικτη μέθοδος. Η εξέλιξη των υπολογιστών επιτρέπει πλέον τη χρήση πιο πυκνού υπολογιστικού πλέγματος και την αντιμετώπιση των μεγάλων υπολογιστικών χρόνων που απαιτεί ένα πυκνό δίκτυο. Με τον τρόπο αυτό η FDM αλλά και με άλλες τροποποιήσεις που μπορεί να δεχθεί μπορεί να μειώσει τα σφάλματα και να γίνει εξίσου ανταγωνιστική με την FEM (Babajimopoulos, 2000; Μπαμπατζιμόπουλος, 2002). Πέρα όμως από τα μοντέλα που χρησιμοποιούν αριθμητικές μεθόδους επίλυσης, δημιουργήθηκαν και άλλα μοντέλα, τα οποία στηρίζονται στην επίλυση εμπειρικών εξισώσεων. Ο λόγος που δημιουργήθηκαν αυτά τα μοντέλα, ήταν ότι η κλασσική προσέγγιση του φυσικού προβλήματος με αριθμητική επίλυση της εξίσωσης του Richards, μειονεκτεί ως προς τη δυνατότητα να λάβει υπόψη τη χωρική μεταβλητότητα των παραμέτρων που επιδρούν στο υδρολογικό καθεστώς και στις πολύπλοκες βιοχημικές διαδικασίες, που συμβαίνουν σε επίπεδο αγρού (Wu et al., 1997).

42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ 28 Από την αρχή της δεκαετίας του 90, πολλά σύγχρονα μοντέλα έκαναν την εμφάνισή τους με τη μορφή λογισμικών πακέτων. Τα μοντέλα αυτά ποικίλουν ως προς τον βαθμό πολυπλοκότητας και χρήσης τους ενώ τα βασικά τους χαρακτηριστικά είναι η προσομοίωση της κίνησης και ανακατανομής του νερού, η μεταφορά και οι μετασχηματισμοί ουσιών καθώς και η μεταφορά θερμότητας στο έδαφος (Antonopoulos, 2006). Τα μοντέλα που αναφέρονται στη διεθνή βιβλιογραφία δίνονται αλφαβητικά στον Πίνακα 3.1. Συγκριτικές μελέτες που αφορούν την ικανότητα διαφόρων μοντέλων στην περιγραφή των διαδικασιών της κίνησης του νερού και της μεταφοράς μάζας χημικών ουσιών κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες, έχουν παρουσιαστεί από τους De Willigen (1991), Diekkruger et al. (1995), FOCUS (1996a,b), Linders and Alfarroba (2001), MED-Rice (2003), Heinem (2003) κ.α.. Από τη συνολική έρευνα που έχει διεξαχθεί, τα πιο σύγχρονα και πιο αξιόπιστα μοντέλα που αναφέρονται στη διεθνή βιβλιογραφία, αναλύονται στη συνέχεια. Πίνακας 3.1 Μοντέλα προσομοίωσης της κίνησης του νερού και της μεταφοράς μάζας στο έδαφος ΜΟΝΤΕΛΑ ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΜΟΝΤΕΛΑ ΑΝΑΦΟΡΕΣ AGNPS Young et al. (1987) NFLOOD Rao et al., (1984) ANIMO Groenendijk and Kroes (1999) NICCCE Van Dam and van Breemen (1995) ANSWERS Beasley and Huggins (1982) NITWAT McIssac et al. (1993) APSIM McCown et al. (1996) NLEAP Shaffer et al. (1991;2001) CANDY Franco et al. (1995) NLOS Bittman et al. (2001) CERES Godwin and Jones (1991) PADDY Inao & Kitamura (1999) COUPMODEL Jansson and Karlberg (2001) PADDIMOD Ji-Hong Jeon et al. (2005) CREAMS Knisel (1980) PCPF-1 Watanabe et al. (2005) CRISP Nielsen et al. (1999) PESTLA Boesten (1993) CROPSYST Stockle and Nelson (1995) PRZM Carsel et al. (1984) DAISY Hansen et al. (1990) RICEMOD Hossang (1999) DRAINMOD/DRAINMOD-N Skaggs (1978)/ Breve et al. (1997 a,b) RICEWQ Williams et al., (1999) ECOSYS Grant (2001) RZWQM RZWQM team, (1992) EPIC Sharply and Williams (1990) SAWAH Ten Berge et al.,(1992) EXPERT-N Priesack et al. (2001) SOILN Johnson et al. (1987; 1991), Vold et al. (1999) GLEAMS Leonard et al. (1987) SUNDIAL Bradbury et al. (1993) HERMES Kersebaum (1995) SWAP Van Dam et al. (1997) HYDRUS/HYDRUS_2D_3D Kool & Van Genucten (1989)/Simunek et al. (2006) SWATNIT Vereecken et al. (1990; 1991) IMPACT Andreus et al. (1997) SWATRE Belmans et al. (1983) LEACHM/LEACMN Wagenet and Hutson (1989)/Sogbedi et al. (2001) SWBACROS Babajimopoulos et al. (1995) MACRO Jarvis (1991) SWMS_2D Simunek et al. (1994) MATHILD Lafolie (1997) WANISIM Antonopoulos and Wyseure (1998) MINERVA Kersebaum and Beblic (2001) WASMOD Reiche (1994; 1996) NASA-CASA Potter et al. (1993) WAVE Vanclooster et al. (1994) NCSOIL (NCSWAP) Molina et al. (1983) WHNSIM Huwe (1993) Huwe and Totsche (1995) DRAINMOD (Breve et al., 1997a,b) Το μοντέλο DRAINMOD αναπτύχθηκε από τον Skaggs (1978), για την προσομοίωση της κίνησης του εδαφικού νερού, κάτω από διαφορετικά συστήματα διαχείρισης επιφανειακής και

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ 29 υπόγειας στράγγισης-άρδευσης. Το μοντέλο δίνει ιδιαίτερη έμφαση σε εφαρμογές που αφορούν την αποτίμηση του υδατικού ισοζυγίου και του όγκου της επιφανειακής και υπόγειας απορροής μιας περιοχής με χαμηλή υπόγεια στάθμη μεταξύ στραγγιστικών δικτύων καθώς και τη βελτιστοποίηση της κατασκευής των δικτύων αυτών (Skaggs, 1978 και 1982, Singh et al., 2006). Προσομοιώνει την επιφανειακή απορροή, τη διακύμανση της υπόγειας στάθμης, την υπόγεια στράγγιση, την εδαφική υγρασία και την εξατμισοδιαπνοή. Για τη στράγγιση το μοντέλο λαμβάνει υπόψη τις εξισώσεις των Hooghoudt, Kirkham και Ernst, για τη διήθηση των Green και Ampt ενώ η επίλυσή τους γίνεται με τη μέθοδο των FDM. Αργότερα το μοντέλο τροποποιήθηκε για να συμπεριλαμβάνει την προσομοίωση του αζώτου στο έδαφος (Breve et al., 1997a,b). Η προσομοίωση του αζώτου γίνεται σύμφωνα με μια απλή θεώρηση του κύκλου του αζώτου, σύμφωνα με τον οποίο μόνο η νιτρική μορφή του αζώτου λαμβάνεται υπόψη. Οι διαδικασίες ελέγχου της νιτρικής μορφής του αζώτου περιλαμβάνει την εισροή από την βροχόπτωση, λίπανση, ανοργανοποίηση του οργανικού αζώτου, απονιτροποίηση, πρόσληψη από τα φυτά, εκροή λόγω επιφανειακής απορροής και υπόγειας στράγγισης. Εφαρμογές του μοντέλου έχουν γίνει από τους Skaggs et al. (1995a,b) σε υλιοπηλώδη εδάφη με αραβόσιτο, από τους Breve et al. (1997a,b; 1998) σε αμμοπηλώδη εδάφη με αραβόσιτο για είκοσι χρόνια, από τους Singh et al. (2001) σε αγρούς με εναλλαγή αραβόσιτου και σόγιας για δύο χρόνια, από τους Helwig et al. (2002) σε στρωματωμένα εδάφη με αραβόσιτο για δύο χρόνια κ.α. LEACHM (Hutson and Wagenet, 1992) Το μοντέλο LEACHM αναπτύχθηκε από τους Wagenet και Hutson (1986), για την προσομοίωση της κίνησης του νερού και των χημικών ουσιών στο έδαφος. Το μοντέλο είναι μονοδιάστατο και δίνει ιδιαίτερη έμφαση στη μεταφορά των χημικών ουσιών στο έδαφος για περιπτώσεις εφαρμογής φυτοφαρμάκων, λιπασμάτων και άλλων ουσιών, λαμβάνοντας υπόψη τη μεταφορά, διασπορά, διάχυση, βιοαποικοδόμηση και τον μετασχηματισμό τους. Η κίνηση του νερού στο έδαφος περιγράφεται με την εξίσωση του Richards ενώ για την προσομοίωση του αζώτου, εμπεριέχει το υπομοντέλο LEACHN το οποίο προσομοιώνει τη μεταφορά της νιτρικής και της αμμωνιακής μορφής του (Wagenet and Hutson, 1989; Hutson and Wagenet, 1992). Οι μετασχηματισμοί και η ροή αζώτου μεταξύ των τριών κλασμάτων οργανικής ουσίας (κοπριά, χούμος, φυτικά υπολείμματα) και των ανόργανων μορφών αζώτου (αμμωνιακή και νιτρική μορφή) περιγράφονται στο υπομοντέλο από τις παραδοχές και εξισώσεις των Johnson et al. (1987). Μερικές εφαρμογές του μοντέλου είναι των Lotse et al. (1992) σε ιλυοπηλώδες έδαφος με εφαρμογή αζωτούχου λίπανσης και ζωικής κοπριάς για δύο χρόνια, των Jabro et al.

44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ 30 (1995) σε ιλυοπηλώδη εδάφη με αραβόσιτο και εφαρμογή αζωτούχου λίπανσης και κοπριάς για πέντε χρόνια, των Acutis et al. (2000) σε αμμοπηλώδη εδάφη αραβοσίτου για δύο χρόνια, των Lee et al. (2005), σε αμμοπηλώδες έδαφος με πεύκα και λεύκες για δύο χρόνια κ.α. GLEAMS (Knisel and Davis, 2000) Το μοντέλο GLEAMS αναπτύχθηκε από τους Leonard et al. (1987) υπό την αιγίδα της USDA και η βασική δομή του στηρίζεται στο μοντέλο CREAMS (Knisel, 1980). Aποτελεί ένα από τα πιο πλήρη και εύχρηστα μοντέλα για την προσομοίωση των υδροδυναμικών συνθηκών, της τύχης του αζώτου, του φωσφόρου και των φυτοφαρμάκων. Η κίνηση του νερού περιγράφεται με τη εξίσωση των Green and Ampt ενώ για τις χημικές ουσίες λαμβάνεται υπόψη η μεταφορά και οι μετασχηματισμοί τους. Παρόλο που το συγκεκριμένο μοντέλο είναι μονοδιάστατο, λαμβάνει υπόψη την κλίση και την επιφανειακή διαμόρφωση του εδάφους (φυσιογραφικά-τοπογραφικά δεδομένα), παράμετροι που θα αφορούσαν την προσέγγιση του διδιάστατου ή τριδιάστατου φυσικού προβλήματος. Όσον αφορά το άζωτο λαμβάνει υπόψη τους μετασχηματισμούς και τη ροή του αζώτου μεταξύ των τριών κλασμάτων οργανικής ουσίας (κοπριά, χούμος, φυτικά υπολείμματα) και των ανόργανων μορφών αζώτου (αμμωνιακή και νιτρική μορφή). Επιπλέον, λαμβάνει υπόψη και τις καλλιεργητικές πρακτικές που υφίστανται ένας αγρός (όργωμα, φρεζάρισμα κλπ.). Οι εφαρμογές του μοντέλου καλύπτουν μεγάλο εύρος καλλιεργειών (βάση δεδομένων για πενήντα καλλιέργειες συμπεριλαμβανομένου και του ρυζιού), μεγάλο εύρος μετεωρολογικών, υδροδυναμικών και εδαφολογικών συνθηκών (σε επίπεδο καλλιεργειών, υγροτόπων, υδρολογικών λεκανών κλπ.) και καλλιεργητικών πρακτικών. Μερικές από τις βασικότερες εφαρμογές του μοντέλου GLEAMS αναλύονται στην ενότητα HYDRUS (Simunek et al., 2006) Τα μοντέλα HYDRUS/HYDRUS 2D,3D αποτελούν τα πιο σύγχρονα μοντέλα για την περιγραφή της κίνησης και ανακατανομής του νερού καθώς και της μεταφοράς των χημικών ουσιών στο έδαφος. Ανάλογα με τη δυνατότητα μετρήσεων και τις απαιτήσεις της έρευνας το μοντέλο έχει τη δυνατότητα επίλυσης του μονοδιάστατου, διδιάστατου ή τριδιάστατου προβλήματος της κίνησης του νερού και της μεταφοράς μάζας. Η κίνηση του νερού περιγράφεται με την εξίσωση του Richards ενώ για τις χημικές ουσίες λαμβάνεται υπόψη η μεταφορά-διασπορά-διάχυσή-αεριοποίηση τους, η πρόσληψη τους από τα φυτά, η βιοαποικοδόμηση και ο μετασχηματισμός τους. Επίσης, συμπεριλαμβάνει και τη συμπεριφορά και την τύχη μικροοργανισμών και βακτηρίων. Η επίλυση των εξισώσεων γίνεται με τη

45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ 31 μέθοδο FEM. Εφαρμόζεται για την προσομοίωση της κίνησης του νερού και των διαλυμένων ουσιών σε ομογενή, ετερογενή, ισότροπα, ανισότροπα εδάφη, σε περιπτώσεις εφαρμογής λυμάτων, λιπασμάτων και φυτοφαρμάκων σε καλλιεργούμενες ή μη εκτάσεις. Μερικές από τις πιο πρόσφατες εφαρμογές του μοντέλου είναι των Gardenas et al. (2005) σε αμμοπηλώδη, πηλώδη, ιλυοπηλώδη, ιλυοαργιλώδη, ιλυώδη εδάφη κάτω από συνθήκες μικροάρδευσης, του Phillips (2006) σε αργιλώδη εδάφη με εφαρμογή λυμάτων για άρδευση κ.α.. RZWQM (RZWQM Team, 1992) Το μοντέλο RZWQM προσομοιώνει την κίνηση του νερού και τη μεταφορά χημικών ουσιών στο ριζόστρωμα. Όσον αφορά τις χημικές ουσίες, λαμβάνει υπόψη τη μεταφοράδιασπορά-διάχυσή, πρόσληψη από τα φυτά καθώς και τη συμπεριφορά τους όσον αφορά τη βιοαποικοδόμηση και τον μετασχηματισμό τους. Οι εξισώσεις κίνησης του νερού που χρησιμοποιούνται είναι των Green-Ampt για τη διήθηση, του Richards για την ανακατανομή του νερού στο ριζόστρωμα, των Green-Ampt και Poiseuille για την κίνηση του νερού στο μακροπορώδες και του Hooghoudt για τη στράγγιση (Kumar et al., 1998; Malone et al., 2001). Οι εξισώσεις επιλύονται με τη μέθοδο FDM. Το μοντέλο έχει εφαρμοστεί σε ιλυοπηλώδη και αμμώδη εδάφη με καλλιέργειες καλαμποκιού κάτω από διαφορετικές πρακτικές άρδευσης (Cameira et al., 2005) για ένα έτος, σε ιλυοπηλώδη εδάφη με καλλιέργειες σιταριού και καλαμποκιού για πέντε έτη (Yu et al., 2006) κ.α.. SWAP (Van Dam et al., 1997) Το μοντέλο SWAP αναπτύχθηκε στο πανεπιστήμιο του Wageningen και αποτελεί την τελευταία και πιο σύγχρονη έκδοση παλαιότερων μοντέλων όπως το SWATRE των Belmans et al. (1983). Το μοντέλο περιγράφει την κίνηση του νερού, τη μεταφορά και τους μετασχηματισμούς διαλυμένων ουσιών καθώς και τη μεταφορά θερμότητας. Η κίνηση του νερού περιγράφεται με την εξίσωση του Richards σε ακόρεστα ή κορεσμένα εδάφη, λαμβάνοντας υπόψη την ετερογένεια του εδάφους, συνθήκες υψηλής υπόγειας στάθμης, λίμνασης νερού στην επιφάνεια του εδάφους και επιφανειακής απορροής (Marinov et al., 2005). Επιπλέον λαμβάνει υπόψη την πρόσληψη νερού από τα φυτά και την επίδραση της αλατότητας σε αυτά. Είναι μονοδιάστατο κατά την κατακόρυφη διεύθυνση και η επίλυση των εξισώσεων του γίνεται με τη μέθοδο FDM. Για τις διαλυμένες ουσίες λαμβάνει υπόψη τη διάχυση και διασπορά τους, την προσρόφησή τους, την αποικοδόμησή τους και την πρόσληψή τους από τα φυτά. Έχει τη δυνατότητα παράλληλης εφαρμογής με τα μοντέλα ANIMO (Groenendijk and Kroes, 1999) και PESTLA (Boesten, 1993) για καλύτερη περιγραφή της

46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ 32 τύχης του αζώτου και των φυτοφαρμάκων, αντίστοιχα. Το μοντέλο έχει χρησιμοποιηθεί σε πληθώρα εφαρμογών, εκ των οποίων οι σημαντικότερες είναι των Singh et al., (2006 a,b) οι οποίοι το εφάρμοσαν σε μεγάλης κλίμακας έκταση στην Ινδία με χρήση GIS για την αποτίμηση της απόδοσης των πρακτικών άρδευσης σε εκτάσεις με καλλιέργειες βαμβακιού, ζαχαροκάλαμου, ρυζιού, σιταριού και σιναπιού, των Van der Salm et al. (2006) για την αποτίμηση των επιπτώσεων της αναδάσωσης με έλατα και βελανιδιές στο υδατικό ισοζύγιο και στις εκροές αζώτου από περιοχή της Ολλανδίας για δύο χρόνια, καθώς επίσης και των Marinov et al. (2005) για την εκτίμηση του ισοζυγίου νερού και αζώτου, με χρήση των μοντέλων SWAP-ANIMO, σε αργιλοπηλώδες έδαφος με αραβόσιτο για τρία χρόνια κ.α. WANISIM (Αντωνόπουλος, 1998) Στο εργαστήριο Γενικής και Γεωργικής Υδραυλικής και Βελτιώσεων της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ., αναπτύχθηκε το μαθηματικό μοντέλο WANISIM (Αντωνόπουλος, 1998). Το μοντέλο είναι μονοδιάστατο και περιγράφει τις ταυτόχρονες διαδικασίες της κίνησης του νερού, τη μεταφορά μάζας και τους μετασχηματισμούς του αζώτου στο έδαφος. Η κίνηση του νερού περιγράφεται με την εξίσωση του Richards ενώ λαμβάνεται υπόψη η πρόσληψη νερού από τα φυτά σαν συνάρτηση της κατανομής των ριζών στο έδαφος. Οι μετασχηματισμοί του αζώτου θεωρείται ότι οφείλονται στην ανοργανοποίηση της οργανικής ουσίας, στη νιτροποίηση και προσρόφηση της αμμωνίας, στην απονιτροποίηση των νιτρικών και στην πρόσληψη αζώτου από τα φυτά σύμφωνα με τις εξισώσεις ανοργανοποίησης και ακινητοποίησης των Johnson et al. (1987). Είναι μονοδιάστατο κατά την κατακόρυφη διεύθυνση και η επίλυση των εξισώσεων του γίνεται με τη μέθοδο FEM. Έχει εφαρμοστεί σε αργιλώδες έδαφος με βαμβάκι (Antonopoulos, 1997), σε διαταραγμένα εδάφη αποθέσεων μετά από διάνοιξη επιφανειακών ορυχείων στην Αγγλία (Antonopoulos and Wyseure, 1998), σε ιλυοπηλώδες έδαφος με ηλίανθο με εφαρμογή επεξεργασμένων λυμάτων για άρδευση (Rahil and Antonopoulos, 2007) κ.α.. WAVE (Vanclooster et al, 1994) Το μοντέλο WAVE είναι μονοδιάστατο και προσομοιώνει την κίνηση του νερού, τη μεταφορά και τους μετασχηματισμούς των μορφών του οργανικού και ανόργανου αζώτου στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους. Το μοντέλο χρησιμοποιεί μια βελτιωμένη έκδοση των μοντέλων SWATRE (Belmans et al, 1983) και SWATNIT (Vereecken et al., 1990,1991) για την προσομοίωση του εδαφικού νερού με επίλυση της εξίσωσης του Richards και τις εξισώσεις ανοργανοποίησης και ακινητοποίησης του αζώτου των Johnson et al. (1987), το

47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ 33 LEACHM (Wagenet and Hutson,1989) για τη μεταφορά θερμότητας και το μοντέλο SUCROS (Van Keulen et al.,1982; Spitters et al., 1988) για την ανάπτυξη των φυτών. Όλες οι εξισώσεις επιλύονται με τη μέθοδο FDE. Το μοντέλο έχει εφαρμοστεί σε πηλώδη εδάφη με καλλιέργεια ζαχαρότευτλου και σιταριού για τρία χρόνια (Vanclooster et al., 1995), σε μέσα εδάφη με καλαμπόκι και βαμβάκι για δύο χρόνια (Alexiou et al., 2002; Αλεξίου, 2005; Αλεξίου κ.α., 2006) κ.α. 3.2 Ανασκόπηση μοντέλων για την καλλιέργεια του ρυζιού Όσον αφορά την έρευνα και εφαρμογή μοντέλων σε συνθήκες καλλιέργειας ρυζιού, υπάρχουν ελάχιστα στοιχεία για την εφαρμογή τους σε ελληνικά εδάφη, ενώ και διεθνώς είναι περιορισμένος ο αριθμός τους. Τα μοντέλα αυτά διαφέρουν σημαντικά ως προς τον τρόπο που προσεγγίζουν το φυσικό πρόβλημα καθώς στους ορυζώνες παρουσιάζεται η ιδιαιτερότητα να λαμβάνουν χώρα ταυτόχρονα και να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους το ισοζύγιο νερού και αζώτου στη λεκάνη κατάκλυσης με το ισοζύγιο νερού και αζώτου στο έδαφος. Τα μοντέλα αυτά περιγράφουν το φυσικό πρόβλημα είτε αντιμετωπίζοντας το σύστημα ως black box, εκτιμώντας ένα συνολικό ισοζύγιο νερού και αζώτου, είτε διαχωρίζοντας τις διαδικασίες που συμβαίνουν στη λεκάνη κατάκλυσης και στο έδαφος. Μερικές από τις εφαρμογές που έχουν γίνει αναφέρονται στη συνέχεια. Μια από τις πρώτες οργανωμένες προσπάθειες προσομοίωσης του υδατικού ισοζυγίου σε ορυζώνες έγινε από τους Wopereis et al. (1994), οι οποίοι προσέγγισαν το φυσικό πρόβλημα με την παραδοχή ότι οι συνθήκες αγρού κάτω από την καλλιέργεια ρυζιού 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 προσομοιώνει 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. Στο συγκεκριμένο μοντέλο γίνεται επέκταση της χαρακτηριστικής καμπύλης και σε θετικές τιμές υδραυλικού φορτίου για την προσομοίωση της ροής στο εδαφικό προφίλ της λάσπης. Το μοντέλο δεν περιλαμβάνει την προσομοίωση της μεταφοράς και των μετασχηματισμών των χημικών ουσιών αλλά ούτε και τη μεταφορά θερμότητας. Εφαρμογές του μοντέλου έγιναν αργότερα και από τους Singh et al. (2001) σε ορυζώνες της Ινδίας. Οι Nielsen et al. (1999) χρησιμοποίησαν το μοντέλο CRISP για την προσομοίωση του νερού και του αζώτου σε ορυζώνες στην περιοχή του ποταμού Mondego στην Πορτογαλία.

48 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ 34 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), στην οποία λαμβάνει χώρα η νιτροποίηση και την υποκείμενη αυτής, στην οποία δεν λαμβάνει χώρα η νιτροποίηση. Επιπλέον λαμβάνει υπόψη την ύπαρξη των φυκών και την πρόσληψη θρεπτικών στοιχείων από αυτά καθώς και το ισοζύγιο οξυγόνου, το οποίο αποτελεί βασική συνιστώσα για τους μετασχηματισμούς των θρεπτικών στοιχείων. Οι Chung et al. (2003) χρησιμοποίησαν το μοντέλο GLEAMS για την προσομοίωση του νερού και του αζώτου σε ορυζώνες της νότιας Κορέας, ύστερα από κάποιες τροποποιήσεις (GLEAMS-PADDY). Το μοντέλο εφαρμόζεται για την εκτίμηση του ισοζυγίου νερού και αζώτου μόνο στο νερό κατάκλυσης. Στο ισοζύγιο αζώτου του νερού κατάκλυσης δεν λαμβάνονται υπόψη οι μετασχηματισμοί του αζώτου. Οι Chowdary et al. (2004) ανέπτυξαν ένα γενικευμένο μοντέλο, το οποίο εκτιμά συνολικά το ισοζύγιο του νερού και του αζώτου χωρίς να διαχωρίζει τις διαδικασίες που συμβαίνουν στο νερό κατάκλυσης και στο έδαφος. Το συγκεκριμένο μοντέλο λαμβάνει υπόψη την αεριοποίηση, νιτροποίηση, απονιτροποίηση, ανοργανοποίηση, ακινητοποίηση του αζώτου καθώς και πρόσληψή του από τα φυτά. Το μοντέλο δεν περιγράφει την κατανομή της εδαφικής υγρασίας στο ριζόστρωμα. Οι Ji-Hong et al. (2005, 2007) εφάρμοσαν τα μοντέλα PADDIMOD και HSPF-Paddy, αντίστοιχα, για την εκτίμηση του ισοζυγίου του νερού και του αζώτου στο νερό κατάκλυσης για την αποτίμηση της επιφανειακής απορροής και της κατείσδυσης καθώς και την επίδρασή τους στις απώλειες αζώτου. Οι Singh et al. (2006a,b) εφάρμοσαν το μοντέλο SWAP σε μεγάλης κλίμακας έκταση στην Ινδία με χρήση GIS, για την αποτίμηση της απόδοσης των πρακτικών άρδευσης σε εκτάσεις με διάφορες καλλιέργειες συμπεριλαμβανομένου και του ρυζιού. Το μοντέλο εφαρμόστηκε για την εκτίμηση ενός γενικευμένου ισοζυγίου νερού χωρίς την εκτίμηση της διακύμανσης του ύψους του νερού κατάκλυσης. Στην Ευρωπαϊκή Ένωση δημιουργήθηκε η ερευνητική ομάδα MED-Rice, η οποία είχε σαν σκοπό την αξιολόγηση των υπαρχόντων μοντέλων 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. Τα μοντέλα αυτά θα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να εκτιμηθεί ο κίνδυνος ρύπανσης των υπόγειων και των επιφανειακών υδάτων από τα φυτοφάρμακα, κάτω από διαφορετικές εδαφικές, κλιματικές συνθήκες αλλά και διαφορετικές συνθήκες διαχείρισης στις χώρες της Ευρώπης που καλλιεργείται ρύζι. Το 2003, η ερευνητική ομάδα παρουσίασε μια συνολική έκθεση των χαρακτηριστικών των

49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ 35 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 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 διήθηση 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 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 δεν περιγράφουν την τύχη των θρεπτικών στοιχείων και περιορίζονται στο ισοζύγιο του νερού κατάκλυσης. Εφαρμογές μοντέλων ανάπτυξης και απόδοσης της καλλιέργειας του ρυζιού χωρίς να δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στις υδρολογικές συνθήκες που επικρατούν μέσα στους ορυζώνες, 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.. Εργασίες που έχουν παρουσιαστεί αλλά δεν γίνεται εφαρμογή κάποιου μοντέλου και αφορούν την αποδοτικότητα της καλλιέργειας του ρυζιού κάτω από διαφορετικές συνθήκες άρδευσης και λίπανσης είναι των Borrel et al. (1997) σε βαριά εδάφη της Αυστραλίας, των Bouman et al. (2001) και Tuong et al. (2002) σε βαριά εδάφη στις Φιλιππίνες, των Cabangon et al. (2002) σε βαριά εδάφη της Μαλαισίας, των Belder et al. (2004) σε βαριά εδάφη της Κίνας καθώς και των Arora et al. (2006) σε μέσα εδάφη ορυζώνων στην Ινδία.

50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ 36 Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν επίσης και οι εργασίες που αφορούν την εξατμισοδιαπνοή του ρυζιού. Χαρακτηριστικές είναι των Ullah et al. (2001) για περιοχές στο Πακιστάν και των Πανώρα κ.α. (2001) για τους ορυζώνες στην περιοχή Θεσσαλονίκης. 3.3 Επιλογή μαθηματικού μοντέλου Η πολυπλοκότητα και το μεγάλο κόστος των πειραματικών μετρήσεων που χρειάζονται για την εκτίμηση των υδραυλικών και φυσικο-χημικών παραμέτρων και των αγροτικών συστημάτων, καθιστά αναγκαία τη χρήση ενός μαθηματικού μοντέλου το οποίο θα χωροθετεί όλες τις διαδικασίες στην περιοχή έρευνας. Η επιλογή του μοντέλου, το οποίο θα δίνει τα βέλτιστα αποτελέσματα προσομοίωσης χρήζει λεπτομερούς έρευνας η οποία πρέπει να στηρίζεται στα εξής: Στις μέγιστες δυνατότητες του μοντέλου. Στις αδυναμίες του μοντέλου. Στο επίπεδο βαθμονόμησης του μοντέλου (calibration). Στις εφαρμογές για τις οποίες δημιουργήθηκε και εφαρμόσθηκε, την πληθώρα αυτών και την ακρίβεια των αποτελεσμάτων που εξάχθηκαν. Στην πληθώρα και στην πολυπλοκότητα των μεταβλητών που χρησιμοποιούνται. Στην ευελιξία χρήσης και τροποποίησης του μοντέλου. Στον τρόπο παρουσίασης των αποτελεσμάτων. Ανάλογα με τις απαιτήσεις για τη βέλτιστη προσομοίωση του φυσικού προβλήματος, ένα μοντέλο πρέπει να λαμβάνει υπόψη όλες τις πιθανές διαδικασίες κίνησης του νερού, όπως την επιφανειακή απορροή προς ποταμούς, λίμνες και στραγγιστικά δίκτυα, την πλευρική κίνηση και κατακόρυφη διήθηση σε ακόρεστες ή κορεσμένες συνθήκες εδάφους και την πρόσληψή του από τα φυτά. Μετά από ανάλυση των γενικών χαρακτηριστικών των παραπάνω μοντέλων, αυτό το οποίο θεωρήθηκε καταλληλότερο για να χρησιμοποιηθεί στη διατριβή αυτή, είναι το μοντέλο GLEAMS. Το μοντέλο GLEAMS λόγω της πληρέστερης δομής που διαθέτει, αποτελεί ένα από τα πιο πλήρη και εύχρηστα μοντέλα για την προσομοίωση των υδροδυναμικών συνθηκών και της τύχης του αζώτου, του φωσφόρου και διαφόρων φυτοφαρμάκων. Το μοντέλο αυτό αναπτύχθηκε από τους Leonard et al. (1987), του οποίου η βασική δομή στηρίζεται στο μοντέλο CREAMS (Knisel, 1980). Η τελευταία έκδοση του μοντέλου είναι το GLEAMS V3.0 (Knisel and Davis, 2000) και αποτελεί αυτή που επιλέχθηκε για τις ανάγκες της συγκεκριμένης έρευνας. Οι λόγοι επιλογής του και οι εφαρμογές του δίνονται στη συνέχεια.

51 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ Λόγοι επιλογής του μοντέλου GLEAMS Οι λόγοι που οδήγησαν στην επιλογή του μοντέλου GLEAMS, είναι οι εξής: Οι συνθήκες που επικρατούν στα καλλιεργούμενα εδάφη με ρύζι, χαρακτηρίζονται από την κορεσμένη ροή στο έδαφος και από την ύπαρξη συνθηκών λίμνασης στην επιφάνεια λόγω της άρδευσης με κατάκλυση, για όλη σχεδόν την καλλιεργητική περίοδο. Στο μοντέλο GLEAMS χρησιμοποιείται η εξίσωση των Green-Ampt, η οποία περιγράφει τη διήθηση του νερού με μορφή εμβόλου (Piston flow), η οποία μοιάζει με την κίνηση του νερού στα εδάφη των ορυζώνων. Η ομοιόμορφη κατανομή του νερού στην επιφάνεια των ορυζώνων λόγω κατάκλυσης, δημιουργεί ομοιόμορφη διήθηση σε όλη την έκταση του αγρού και δεν απαιτεί για την περιγραφή της, τη χρήση διδιάστατου ή τριδιάστατου μοντέλου. Το GLEAMS παρόλο που είναι μονοδιάστατο και πληρεί τις απαιτήσεις του φυσικού προβλήματος, επιπλέον λαμβάνει υπόψη την κλίση, την επιφανειακή διαμόρφωση του εδάφους και την ύπαρξη υπόγειας στάθμης (φυσιογραφικά-τοπογραφικά δεδομένα). Χρησιμοποιεί εμπειρικές εξισώσεις, οι οποίες αντιδρούν καλύτερα στις διάφορες μεταβολές των παραμέτρων από τις οποίες εξαρτώνται διαδικασίες όπως η εξατμισοδιαπνοή και μετασχηματισμοί των χημικών ουσιών. Το μοντέλο έχει αναπτυχθεί σε γλώσσα FORTRAN, του οποίου ο κώδικας έχει τη δυνατότητα πρόσβασης και τροποποίησης ανάλογα με τις απαιτήσεις του φυσικού προβλήματος και τις δυνατότητες του χρήστη. Έχει χρησιμοποιηθεί σε πάρα πολλές εφαρμογές κάτω από διαφορετικές συνθήκες, γεγονός που το καθιστά πιο εύχρηστο και πιο ευέλικτο από άλλα μοντέλα που έχουν αναπτυχθεί για συγκεκριμένες συνθήκες. Επιπλέον έχει ξαναχρησιμοποιηθεί για την επίλυση του ίδιου προβλήματος Χρήσεις και εφαρμογές του μοντέλου GLEAMS To μοντέλο GLEAMS έχει χρησιμοποιηθεί παγκοσμίως και κυρίως στις Η.Π.Α., σε πάρα πολλές εφαρμογές (συμπεριλαμβανομένων και των εφαρμογών με το CREAMS), που αφορούν την εκτίμηση των μεταβολών των ποσοτικών και ποιοτικών παραμέτρων του νερού. Οι περιπτώσεις στις οποίες εφαρμόστηκε το μοντέλο αφορούν: Διαφορετικά είδη καλλιεργήσιμων φυτών. Διαφορετικούς τύπους εδαφών. Διαφορετικά είδη καλλιεργητικών πρακτικών. Διαφορετικές κλιματικές συνθήκες (ανάλογα με την περιοχή εφαρμογής).

52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ 38 Συστήματα υγροτόπων. Υπόγεια στράγγιση αγρών. Διαχείριση αγροτικών και οικιακών λυμάτων. Διαχείριση λιπασμάτων και φυτοφαρμάκων. Διερεύνηση υδρολογικών συνθηκών και μη σημειακής ρύπανσης μεγάλων λεκανών με τη χρήση γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών (GIS). Στη συνέχεια παρουσιάζεται μια σύντομη περιγραφή της χρήσης του μοντέλου GLEAMS για εφαρμογές διαχείρισης του νερού και των διαφόρων αγροχημικών σε καλλιεργούμενα εδάφη. Επειδή το μοντέλο GLEAMS έχει τη δυνατότητα να λαμβάνει υπόψη τις καλλιεργητικές πρακτικές (Knisel et al., 1995) πολλοί ερευνητές προσπάθησαν να εκτιμήσουν τη συμβολή τους στα αγροτικά συστήματα. Χαρακτηριστικές εφαρμογές είναι των Tapio-Vargas et al. (2001) και των Barkhsh et al. (2001) για την εκτίμηση της επίδρασης του οργώματος και της απόθεσης φυτομάζας στο έδαφος στην απορροή, στη διάβρωση και στην αποτίμηση της μη σημειακής ρύπανσης. Οι Knisel et al., (1993, 1995) τροποποίησαν το μοντέλο να λαμβάνει υπόψη τις συνθήκες που επικρατούν σε περιοχές που καλύπτονται από δένδρα ή δάση. Τέτοιες εφαρμογές που αφορούν περιοχές με δενδρώδη φυτοκάλυψη είναι των Perry et al., (2001) οι οποίοι εφάρμοσαν το μοντέλο σε περιοχές με λεύκες για την προσομοίωση της εδαφικής υγρασίας. Οι Morari and Knisel (1997) τροποποίησαν το μοντέλο για να λαμβάνει υπόψη την κίνηση στο μακροπορώδες με αντίστοιχη εφαρμογή των Morari et al., (1997) σε καλλιέργεια καλαμποκιού κάτω από διάφορες συνθήκες εφαρμογής ανόργανων λιπασμάτων, φυτοφαρμάκων, ζωικών και φυτικών υπολειμμάτων. Οι Knisel et al., (2000) εφάρμοσαν το μοντέλο για την προσομοίωση αζώτου και φωσφόρου σε συνθήκες παγωμένου εδάφους στη Φιλανδία, μετά από τροποποίηση του μοντέλου από τους Rekolainen et al., (1994) για αυτές τις συνθήκες. Εφαρμογές του μοντέλου για την προσομοίωση του εδαφικού αζώτου μετά από εφαρμογή ζωικών υπολειμμάτων, είναι των Yoon et al., (1994), των Barkhsh et al., (2000) και των Chinkuyu et al., (2001). Σημαντική είναι η εφαρμογή των Dukes et al., (2000) οι οποίοι εφάρμοσαν το μοντέλο σε μέσα έως βαριά εδάφη με γρασίδι μετά από εφαρμογή αστικών λυμάτων για δύο έτη στην περιοχή Mid-Atlantic των ΗΠΑ. Εφαρμογές του μοντέλου GLEAMS με χρήση GIS έχουν παρουσιαστεί από τους De Paz et al., (2002, 2004) και Tucker et al., (2000a,b), οι οποίοι χρησιμοποίησαν το μοντέλο για την αποτίμηση της μη σημειακής ρύπανσης αζώτου από καλλιεργούμενες εκτάσεις καθώς και των

53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ 39 Manguerra et al., (1998) για την αποτίμηση της μη σημειακής ρύπανσης από φυτοφάρμακα. Οι Lim et al.,(2003) ενσωμάτωσαν το μοντέλο GLEAMS στο σύστημα παρακολούθησης (NARPA National Agricultural Risk Analysis), το οποίο παρακολουθεί τις εισροές και εκροές των θρεπτικών στοιχείων και των φυτοφαρμάκων από αγροτικές εκτάσεις στις ΗΠΑ. To σύστημα περιλαμβάνει μια μεγάλη βάση εδαφολογικών και κλιματικών δεδομένων για διάφορες περιοχές των ΗΠΑ, λειτουργεί μέσω του διαδικτύου, ενώ αποτελεί βασικό εργαλείο για τη βέλτιστη εφαρμογή αρδεύσεων, λιπασμάτων και φυτοφαρμάκων. Επιπλέον το μοντέλο έχει τη δυνατότητα προσομοίωσης φυτοφαρμάκων, ενώ περιέχει και τη βάση δεδομένων φυτοφαρμάκων της USDA-Natural Resources Conservation Service με τα χαρακτηριστικά τους. Εφαρμογές με προσομοίωση φυτοφαρμάκων έχουν παρουσιαστεί από τους Leonard and Knisel (1989), Leonard et al., (1990), Close et al., (1998) κ.α. Η ικανοποιητική ακρίβεια των αποτελεσμάτων που εξάχθηκαν από πληθώρα εφαρμογών (πάνω από σαράντα στον αριθμό χωρίς τις εφαρμογές του CREAMS) αλλά και η εφαρμογή του σε εδάφη με καλλιέργεια ρυζιού (Chung et al., 2003), για την οποία έγινε αναφορά στην ενότητα 3.2, το καθιστούν έμπιστο εργαλείο για την προσομοίωση των διαδικασιών που αφορούν το νερό και το άζωτο και συμβαίνουν μέσα στους ορυζώνες, για τη βέλτιστη διαχείριση των υδατικών πόρων αλλά και των αζωτούχων λιπασμάτων. Από τα παραπάνω εξάγεται το συμπέρασμα ότι το μοντέλο GLEAMS αποτελεί ένα πλήρες πακέτο προσομοίωσης των συνθηκών μέσα σε ένα αγρό, λαμβάνοντας υπόψη όλες τις παραμέτρους που επιδρούν σε αυτές. Φυσικά η βέλτιστη ακρίβεια και αποδοχή των αποτελεσμάτων του μοντέλου είναι συνάρτηση της ακρίβειας και της πληθώρας των μετρήσεων, των απαραίτητων τροποποιήσεων και της βαθμονόμησης του μοντέλου.

54 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 40 4 o ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 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). Επιδιωκόμενοι στόχοι της εφαρμογής του μοντέλου είναι οι εξής: η πρόβλεψη της τύχης των αγροχημικών ουσιών (λιπάσματα-φυτοφάρμακα) και του εδαφικού νερού ανάλογα με τις καλλιεργητικές πρακτικές (άρδευση, εφαρμογή λιπασμάτων-φυτοφαρμάκων, χρήση γεωργικών μηχανημάτων), για τη βέλτιστη διαχείρισή τους, έτσι ώστε να διατηρηθούν παράλληλα οι υψηλές αποδόσεις παραγωγής και η προστασία του περιβάλλοντος. η αποτίμηση των ρυπογόνων φορτίων και των επιπτώσεών τους, τα οποία προέρχονται από εναλλακτικές πηγές όπως τα αστικά λύματα, τα ζωικά και φυτικά υπολείμματα καθώς και οι δυνατότητές τους ως προς την κάλυψη των αναγκών των καλλιεργειών. 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) (Σχήμα 4.1). Τα υπομοντέλα της υδρολογίας και της διάβρωσης είναι αλληλένδετα κατά την εφαρμογή του μοντέλου και δεν διαχωρίζονται, ενώ το υπομοντέλο των χημικών ουσιών λειτουργεί κατ επιλογή του χρήστη τόσο για τα θρεπτικά στοιχεία (άζωτο και φώσφορος) όσο και για τα φυτοφάρμακα. Το υδρολογικό υπομοντέλο λαμβάνει υπόψη τόσο την επιφανειακή απορροή όσο και τη διήθηση του νερού στο έδαφος. Η επιφανειακή απορροή εκτιμάται με τη μέθοδο SCS Curve Number method (Williams and LaSeur, 1976; Παπαμιχαήλ, 2001), ενώ η διήθηση με τη μέθοδο των Green and Ampt (Smith and Williams, 1980). Η συμπεριφορά του νερού στο

55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 41 έδαφος εξαρτάται από τις φυσικές και 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. Επιπλέον λαμβάνεται υπόψη η περιεκτικότητα σε οργανική ουσία, το ph, η κοκκομετρική σύσταση, η υπόγεια στάθμη και η περιεκτικότητα σε ανθρακικό ασβέστιο (Knisel and Williams, 1995). Στο μοντέλο GLEAMS, το εδαφικό προφίλ διαχωρίζεται σε εδαφικούς ορίζοντες. Ο μέγιστος αριθμός τους φτάνει τους πέντε, ο οποίος είναι υπεραρκετός για την περιγραφή του. Σε ακραίες περιπτώσεις που έχουμε πολλούς και λεπτούς διαφορετικούς ορίζοντες, για κάποιους από αυτούς μπορεί να γίνει συνδυασμός των χαρακτηριστικών τους και να αποτελέσουν έναν ορίζοντα με ενδιάμεσα χαρακτηριστικά. Από τη στιγμή που θα εισαχθεί ο αριθμός και το πάχος των εδαφικών οριζόντων, το μοντέλο δέχεται για κάθε έναν από αυτούς τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά που προαναφέρθηκαν. Σχήμα 4.1 Διάγραμμα ροής του μοντέλου GLEAMS

56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 42 Στο υπομοντέλο διάβρωσης, η εκτίμηση του φορτίου φερτών υλικών προσομοιώνεται από την παγκόσμια εξίσωση απώλειας εδάφους (Universal Soil Loss Equation-USLE) των Wischmeier and Smith, (1978) λαμβάνοντας υπόψη την επιφανειακή απορροή του υδρολογικού υπομοντέλου. Παρόλο που το μοντέλο είναι μονοδιάστατο κατά την κατακόρυφη διεύθυνση, λαμβάνει υπόψη τα τοπογραφικά χαρακτηριστικά και τις ποικίλες διαδικασίες επιφανειακής ροής, οι οποίες ρυθμίζονται αναλόγως μέσα στο υπομοντέλο διάβρωσης, για τη βέλτιστη προσομοίωση της μεταφοράς και της απόθεσης των φερτών υλικών στην επιφάνεια της περιοχής μελέτης. Η περιγραφή των διαδικασιών με το υπομοντέλο χημικών ουσιών, διαχωρίζεται σε δυο διαφορετικά τμήματα, αυτό που αφορά τα θρεπτικά στοιχεία και αυτό που αφορά τα φυτοφάρμακα. Το τμήμα που περιγράφει τα φυτοφάρμακα περιλαμβάνει την προσομοίωση της επιφανειακής διασποράς τους, ενώ σε συνδυασμό με τη διαδικασία κατακόρυφης ροής (υδρολογικό υπομοντέλο) γίνεται πλήρης προσομοίωση της μεταφοράς τους μέσα και κάτω από το ριζόστρωμα. Η επίδραση της οργανικής ουσίας λαμβάνεται υπόψη για τον διαχωρισμό της ποσότητας των φυτοφαρμάκων που προσροφάται σε αυτή καθώς επίσης και της ποσότητας εκείνης που βρίσκεται στο εδαφικό διάλυμα. Με τον τρόπο αυτό προσδιορίζεται ποιο ποσοστό από τα παραπάνω συμμετέχει στην απορροή, στην καθίζηση και στη διήθηση. Επιπλέον λαμβάνονται υπόψη και οι απώλειές τους στο έδαφος και στο φύλλωμα λόγω της διάσπασής τους, της ανόδου τους στο έδαφος λόγω εξάτμισης και της προσρόφησής τους από τα φυτά. Το τμήμα που αφορά τα θρεπτικά στοιχεία περιγράφει τους κύκλους του αζώτου και του φωσφόρου. Ο κύκλος του αζώτου περιλαμβάνει την ανοργανοποίηση, την ακινητοποίηση, την αεριοποίηση της αμμωνίας, την απονιτροποίηση, την αζωτοδέσμευση, την πρόσληψη από την καλλιέργεια και τις απώλειες λόγω απορροής, καθίζησης και έκπλυσης κάτω από το ριζόστρωμα. Ο κύκλος του φωσφόρου περιλαμβάνει την ανοργανοποίηση, την ακινητοποίηση, την πρόσληψη από την καλλιέργεια και τις απώλειες λόγω απορροής, καθίζησης και έκπλυσης κάτω από το ριζόστρωμα. Μαζί με τα παραπάνω λαμβάνεται υπόψη η θερμοκρασία και η υγρασία του εδάφους για τη βέλτιστη αποτίμηση των ρυθμών της αμμωνιοποίησης και αεριοποίησής της, της νιτροποίησης, της απονιτροποίησης και της ανοργανοποίησης. Ανάλογα με την περιοχή μπορεί να εισαχθεί και η εισροή αζώτου και φωσφόρου από τη βροχόπτωση και την άρδευση. Επιπλέον λαμβάνεται υπόψη ο τύπος της εφαρμοζόμενης λίπανσης (π.χ. ανόργανη ή οργανική), ο τρόπος εφαρμογής της (π.χ. βασική ή επιφανειακή) καθώς και ο τρόπος κατεργασίας του εδάφους.

57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 43 Όσον αφορά την εφαρμογή του μοντέλου GLEAMS V3.0 για την περιγραφή του ισοζυγίου του νερού και του αζώτου στους ορυζώνες, διαπιστώθηκε ότι δεν λαμβάνει υπόψη την ύπαρξη του νερού κατάκλυσης στην επιφάνεια των ορυζώνων και την επίδρασή του στις παραπάνω διαδικασίες. Για το λόγο αυτό κρίθηκε απαραίτητο να τροποποιηθεί με σκοπό την περιγραφή του ισοζυγίου νερού και αζώτου τόσο στο νερό κατάκλυσης όσο και στο έδαφος των ορυζώνων που βρίσκονται σε περιοχές της Ελλάδας με υψηλή υπόγεια στάθμη. Οι τροποποιήσεις του μοντέλου αφορούν τα υπομοντέλα νερού και χημικών ουσιών. Οι τροποποιήσεις στο υπομοντέλο νερού περιλαμβάνουν την εκτίμηση του ισοζυγίου νερού στη λεκάνη κατάκλυσης και στο έδαφος των ορυζώνων, λαμβάνοντας υπόψη τη διαφοροποίηση των υδραυλικών παραμέτρων και της εξατμισοδιαπνοής σε συνθήκες κατακλυσμένου εδάφους. Η επιφανειακή απορροή και το μέγιστο ύψος του νερού κατάκλυσης εξαρτώνται από το ύψος του αναχώματος. Η εξατμισοδιαπνοή εκτιμάται λαμβάνοντας υπόψη ότι η εξάτμιση συμβαίνει είτε από το έδαφος είτε από το νερό κατάκλυσης, ανάλογα με το αν το έδαφος είναι κατακλυσμένο. Η εδαφική υγρασία υπολογίζεται με βάση τις υδραυλικές ιδιότητες του διογκωμένου εδάφους (λάσπη) όταν βρίσκεται υπό κατάκλυση. Οι τροποποιήσεις του υπομοντέλου χημικών ουσιών περιλαμβάνουν την εκτίμηση του ισοζυγίου αζώτου και ενέργειας στο νερό κατάκλυσης. Για τη βέλτιστη περιγραφή του ισοζυγίου αζώτου του νερού κατάκλυσης ενσωματώθηκε και η πρόσληψη αζώτου από τα φύκη. Το ισοζύγιο ενέργειας χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση της θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης. Η υπορουτίνα υπολογισμού της θερμοκρασίας του εδάφους στο υπομοντελο χημικών ουσιών, τροποποιήθηκε έτσι ώστε να λαμβάνει υπόψη τη θερμοκρασία του νερού κατάκλυσης με σκοπό τη βελτίωση της εκτίμησης των μετασχηματισμών του αζώτου στο έδαφος. Για τον έλεγχο του μετασχηματισμού της νιτροποίησης, το εδαφικό προφίλ χωρίστηκε σε δύο ζώνες, μια επιφανειακή ζώνη οξείδωσης και μια υποκείμενη ζώνη, στην οποία επικρατούν ανοξικές συνθήκες. Το νέο τροποποιημένο μοντέλο ονομάστηκε GLEAMS-PR (Groundwater Loading Effects of Agricultural Management Systems-Paddy Rice). Στη συνέχεια γίνεται περιγραφή της αρχικής δομής του μοντέλου GLEAMS V3.0 και των τροποποιήσεων του που αφορούν το GLEAMS-PR, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στα υπομοντέλα υδρολογίας, διάβρωσης και χημικών ουσιών. Για τον κύκλο του φωσφόρου και των φυτοφαρμάκων γίνεται μια γενική περιγραφή γιατί δεν αφορούν το αντικείμενο έρευνας της συγκεκριμένης διατριβής.

58 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS Δομή αρχείων απαιτούμενα δεδομένα εισόδου και περιορισμοί του μοντέλου Δομή αρχείων και εκτέλεση του μοντέλου Το μοντέλο GLEAMS έχει αναπτυχθεί σε γλώσσα FORTRAN και αποτελείται από 27 αρχεία τα οποία δίνονται στον Πίνακα 4.1. Το μοντέλο παρέχει στο χρήστη ένα φιλικό περιβάλλον για την εισαγωγή παραμέτρων σε μορφή DOS (DOS-module), το οποίο αποτελείται από τέσσερα εκτελέσιμα αρχεία (1-4). Στα αρχεία αυτά εισάγονται τα δεδομένα όπου ρυθμίζεται αυτόματα η διάταξή τους (format) και στη συνέχεια καταχωρούνται αυτόματα στα αντίστοιχα αρχεία (7-10). Βοηθητικές πληροφορίες και τιμές παραμέτρων για τυπικές συνθήκες δίνονται κατά την εκτέλεση των αρχείων αυτών. Μόνο τα δεδομένα της ημερήσιας βροχόπτωσης και της μέσης ημερήσιας θερμοκρασίας πρέπει να εισαχθούν απευθείας στα αρχεία δεδομένων (5 & 6) και να ρυθμιστεί το format τους από τον ίδιο τον χρήστη. Ο κώδικας του μοντέλου αποτελείται από δέκα αρχεία (12-22) τα οποία μεταφράζονται σε γλώσσα μηχανής (compilation) και εκτελούνται ταυτόχρονα για την έναρξη της προσομοίωσης από ένα ανεξάρτητο αρχείο εκτέλεσης (11). Η εξαγωγή των αποτελεσμάτων γίνεται σε ξεχωριστά αρχεία (23-26) για κάθε διαδικασία προσομοίωσης (υδρολογία, διάβρωση, θρεπτικά, φυτοφάρμακα). Επιπλέον δίνεται η δυνατότητα στο χρήστη εξαγωγής αποτελεσμάτων επιμέρους παραμέτρων και διαδικασιών σε ένα επιπλέον αρχείο εξόδου αποτελεσμάτων (27). Στο Σχήμα 4.2 δίνεται η ροή λειτουργίας των αρχείων του μοντέλου GLEAMS. Πίνακας 4.1. Περιγραφή των αρχείων που συνιστούν το μοντέλο GLEAMS Κατηγορία αρχείων Νο. Όνομα αρχείων Περιγραφή Εκτελέσιμα αρχεία εγγραφής παραμέτρων Αρχεία δεδομένων Αρχείο εκτέλεσης του μοντέλου για την έναρξη της προσομοίωσης 1 HYD.EXE Εγγραφή υδρολογικών παραμέτρων στο αρχείο 7 2 ERO.EXE Εγγραφή παραμέτρων διάβρωσης στο αρχείο 8 3 NUT.EXE Εγγραφή παραμέτρων θρεπτικών στο αρχείο 9 4 PST.EXE Εγγραφή παραμέτρων φυτοφαρμάκων στο αρχείο 10 5 GLMS3PCP.DAT Ημερήσια δεδομένα κατακρημνισμάτων 6 GLMS3TMP.DAT Δεδομένα μέσης ημερήσιας θερμοκρασίας 7 GLMS3HYD.PAR Δεδομένα υδρολογικών παραμέτρων 8 GLMS3ERO.PAR Δεδομένα παραμέτρων διάβρωσης 9 GLMS3NUT.PAR Δεδομένα θρεπτικών 10 GLMS3PST.PAR Δεδομένα φυτοφαρμάκων 11 GLMS30.EXE Ταυτόχρονη μετάφραση σε γλώσσα μηχανής (compilation) και εκτέλεση (execution) των αρχείων 12 έως 22 συνεχίζεται

59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 45 συνέχεια Κώδικας του μοντέλου Αρχεία εξαγωγής αποτελεσμάτων 12 GLMS0.FOR 13 GLMS1.FOR 14 GLMS2.FOR 15 GLMS3.FOR 16 GLMS4.FOR 17 GLMS5.FOR 18 GLMS6.FOR 19 GLMS7.FOR 20 GLMS8.FOR 21 GLMS9.FOR 22 GLMS10.FOR Ανάπτυξη του κώδικα του μοντέλου σε γλώσσα FORTRAN, με δυνατότητα τροποποιήσεων από τον χρήστη 23 GLMS3HYD.OUT Αποτελέσματα υδρολογικών παραμέτρων 24 GLMS3ERO.OUT Αποτελέσματα παραμέτρων διάβρωσης 25 GLMS3NUT.OUT Αποτελέσματα παραμέτρων για τα θρεπτικά 26 GLMS3PST.OUT Αποτελέσματα παραμέτρων για τα φυτοφάρμακα 27 GLMS3SEL.OUT Αποτελέσματα επιπλέον επιλεγμένων παραμέτρων Σχήμα 4.2 Ροή εκτέλεσης των αρχείων του μοντέλου GLEAMS Από τα παραπάνω παρατηρούμε ότι το μοντέλο αποτελεί ένα πλήρες πακέτο προσομοίωσης των συνθηκών μέσα σε ένα αγρό λαμβάνοντας υπόψη όλες τις παραμέτρους που επιδρούν σε αυτές. Φυσικά η βέλτιστη ακρίβεια και αποδοχή των αποτελεσμάτων του μοντέλου είναι συνάρτηση της ακρίβειας των μετρήσεων, της πληθώρα τους αλλά και της βαθμονόμησης του μοντέλου.

60 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 46 Απαιτούμενα δεδομένα εισόδου Για την εξαγωγή αποτελεσμάτων το μοντέλο απαιτεί την εισαγωγή παραμέτρων οι οποίες δίνονται στον Πίνακα 4.2. Για πολλές από αυτές τις παραμέτρους δίνονται πληροφορίες από τους Knisel and Davis, (2000) στο εγχειρίδιο του GLEAMS V3.0. Η εισαγωγή των τιμών των παραμέτρων γίνεται στα αρχεία 1 έως 4 και η αποθήκευσή τους στα αρχεία 5 έως 10 του Πίνακα 4.1 από τα οποία γίνεται η ανάγνωσή τους κατά την εκτέλεση του μοντέλου. Πίνακας 4.2 Δεδομένα εισόδου στο μοντέλο GLEAMS Υπομοντέλο Υδρολογία Διάβρωση Παράμετροι -Ημερήσια δεδομένα βροχόπτωσης -Ημερήσια δεδομένα θερμοκρασίας -Μέση μέγιστη και ελάχιστη μηνιαία θερμοκρασία για κάθε μήνα -Μέση μηνιαία ηλιακή ακτινοβολία, ταχύτητα ανέμου και θερμοκρασία σημείου δρόσου για κάθε μήνα -Έκταση περιοχής -Παράμετρος εξάτμισης εδάφους -Απορροϊκός συντελεστής CN -Υδραυλική κλίση εδάφους -Λόγος μήκους προς πλάτος της περιοχής μελέτης -Βάθος μελέτης του εδάφους -Γεωγραφικό μήκος-πλάτος και υψόμετρο της περιοχής -Πάχος εδαφικών οριζόντων -Κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα -Οργανική ουσία -Σημείο μόνιμης μάρανσης, υδατοϊκανότητας -Πορώδες -Φαινομένη πυκνότητα εδάφους -ph, ανθρακικό ασβέστιο -Εναλλαγή καλλιέργειας -Τύπος καλλιέργειας -Βάθος ριζικού συστήματος -Μέγιστο ύψος καλλιέργειας -Ημερομηνίες σποράς, συγκομιδής -Ημερομηνίες έναρξης και λήξης για αυτόματη άρδευση με βάση συγκεκριμένες τιμές εδαφικής υγρασίας κατά την έναρξη και το τέλος -Επιλογή ρύθμισης για την περιγραφή της ροής μέσα στο χωράφι -Διαστάσεις της συνολικής έκτασης -Κλίση της έκτασης -Συντελεστές διάβρωσης τμημάτων της έκτασης κατά τη βασική κλίση της έκτασης -Διάταξη και κλίσεις αυλακιών άρδευσης -Έκταση στράγγισης διαμέσω αυλακιών και βάθος ροής μέσα σε αυτά -Διαστάσεις αναχωμάτων για τη δημιουργία λίμνασης νερού μέσα στην περιοχή μελέτης -Συντελεστής εκροής και διαστάσεις σωλήνα εκροής λιμνάζοντος νερού συνεχίζεται

61 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 47 συνέχεια Θρεπτικά στοιχεία -Μάζα φυτικών υπολειμμάτων της καλλιέργειας από την προηγούμενη περίοδο κατά την έναρξη της προσομοίωσης -Συγκέντρωση αζώτου στη βροχόπτωση -Συγκέντρωση νιτρικού αζώτου στο νερό άρδευσης -Συγκέντρωση αφομοιώσιμου φωσφόρου στο νερό άρδευσης -Ολικό άζωτο των εδαφικών οριζόντων -Νιτρικό άζωτο των εδαφικών οριζόντων -Δυνητικά ανοργανοποιήσιμο άζωτο των φυτικών υπολειμμάτων για κάθε ορίζοντα -Οργανικό άζωτο από ζωικά υπολείμματα -Ολικός φώσφορος των εδαφικών οριζόντων -Συγκέντρωση αφομοιώσιμου φωσφόρου των εδαφικών οριζόντων -Οργανικός φώσφορος από ζωικά υπολείμματα -Αριθμός οργωμάτων, βάθος άρωσης και αποτελεσματικότητα ανάμειξης των φυτικών υπολειμμάτων -Πλήθος εφαρμογής, τρόπος, είδος και ποσότητα λιπάσματος -Συγκέντρωση νιτρικού αζώτου στο λίπασμα -Συγκέντρωση αμμωνιακού αζώτου στο λίπασμα -Συγκέντρωση φωσφόρου στο λίπασμα -Βάθος εφαρμογής του λιπάσματος -Ποσότητα νερού που εφαρμόζεται με τη λίπανση -Ρυθμός εφαρμογής υγρών ζωικών αποβλήτων -Βάθος εφαρμογής των ζωικών υπολειμμάτων -Ολικό άζωτο των ζωικών υπολειμμάτων -Οργανικό άζωτο των ζωικών υπολειμμάτων -Αμμωνιακό άζωτο των ζωικών υπολειμμάτων -Ολικός φώσφορος των ζωικών υπολειμμάτων -Οργανικός φώσφορος των ζωικών υπολειμμάτων -Οργανική ουσία των ζωικών υπολειμμάτων -Μορφή ζωικών υπολειμμάτων -Δυνητική απόδοση καλλιέργειας -Λόγος ολικής ξηράς ουσίας προς τη συγκομιζόμενη ξηρά ουσία -Λόγος C/N της καλλιέργειας -Λόγος N/P της καλλιέργειας Παραδοχές και περιορισμοί του μοντέλου Λόγω της δυσκολίας περιγραφής των πολύπλοκων διαδικασιών που συμβαίνουν σε ένα αγρό, έχουν υιοθετηθεί κάποιες παραδοχές για την ανάπτυξη του μοντέλου. Οι βασικές παραδοχές και περιορισμοί που διέπουν την λειτουργία του έχουν ως εξής: Τα δεδομένα εισόδου (π.χ. βροχόπτωση, θερμοκρασία) είναι σε ημερήσιο χρονικό βήμα, με αποτέλεσμα τον περιορισμό προσομοίωσης κάποιου συμβάντος σε πραγματικό χρόνο. Τα χαρακτηριστικά κίνησης και συγκράτησης του νερού εισάγονται στο μοντέλο ως χαρακτηριστικά των εδαφικών οριζόντων. Οι υπολογιστικές στρώσεις που βρίσκονται σε έναν εδαφικό ορίζοντα έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά. Οι συνθήκες εκροής από ένα ανοιχτό αγωγό περιγράφονται από κατάντη ομοιόμορφη ροή, κρίσιμο βάθος ή μια κατασκευή με γνωστή καμπύλη στάθμης-παροχής.

62 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 48 Η διήθηση επιτυγχάνεται διαμέσω της κάθε εδαφικής στρώσης, αλλά δεν επιτρέπεται η ανοδική κίνηση του εδαφικού νερού λόγω ανύψωσης της υπόγειας στάθμης από πλευρική εισροή νερού. Αν η ανάπτυξη του ριζοστρώματος καταλαμβάνει ποσοστό και μιας βαθύτερα ευρισκόμενης υπολογιστικής στρώσης, τότε αυτή θεωρείται ότι συμμετέχει εξολοκλήρου στη συνεισφορά νερού για την καλλιέργεια. Η αρχική συνθήκη της εδαφικής υγρασίας είναι μία για όλο το υπό μελέτη προφίλ εδάφους και δεν διαφοροποιείται για κάθε υπολογιστική στρώση. Δεν λαμβάνει υπόψη τη συμπίεση του εδάφους από τη χρήση γεωργικών μηχανημάτων, τη δημιουργία κρούστας στην επιφάνεια, την ανακατανομή των εδαφικών τεμαχιδίων από τη βροχόπτωση ή την άρδευση και τη μεταβολή της αντοχής του εδάφους στη διάβρωση λόγω παγώματος-ξεπαγώματος και ύγρανσης-ξήρανσης του εδάφους. Το φαινόμενο της διάβρωσης είναι αποτέλεσμα της αποσάθρωσης-απόσπασης, της μεταφοράς και της απόθεσης φερτών υλικών σε περιοχές στις οποίες υφίσταται επιφανειακή απορροή. Δεν λαμβάνεται υπόψη η διάβρωση του εδάφους από υψηλές ταχύτητες ανέμου. Το μοντέλο θεωρεί ότι όλη η εισρέουσα ποσότητα αζώτου με τη βροχόπτωση και την άρδευση είναι μόνο με τη μορφή νιτρικού αζώτου, του οποίου η συγκέντρωση είναι σταθερή για όλη την περίοδο μελέτης. Το μοντέλο θεωρεί ότι όλη η ποσότητα αζώτου που εκρέει μέσω των φερτών υλικών της διάβρωσης είναι μόνο με τη μορφή αμμωνιακού αζώτου, αφού μόνο αυτή θεωρείται ότι προσροφάται στα εδαφικά τεμαχίδια. Η αεριοποίηση της αμμωνίας λαμβάνεται υπόψη στο μοντέλο μόνο όταν γίνεται επιφανειακή εφαρμογή ζωικών υπολειμμάτων στον αγρό. Οι επιφανειακές διαμορφώσεις που λαμβάνει υπόψη το μοντέλο, δεν επηρεάζουν καθόλου την ημερήσια εκροή νερού με την επιφανειακή απορροή, η οποία είναι συνάρτηση του απορροϊκού συντελεστή. Οι επιφανειακές διαμορφώσεις επηρεάζουν μόνο το φορτίο φερτών υλικών και αζώτου που εκρέει με την επιφανειακή απορροή. 4.2 Υπομοντέλο υδρολογίας Επιφανειακή απορροή Η επιφανειακή απορροή εκτιμάται ως συνάρτηση της ημερήσιας βροχόπτωσης, του τύπου εδάφους, της χρήσης γης και της υγρασιακής κατάστασης του εδάφους, σύμφωνα με τη

63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 49 μέθοδο SCS Curve Number method (Παπαμιχαήλ, 2001) μετά από τροποποίησή της από τους Williams and LaSeur, (1976). Η τροποποίησή της αφορά την αντικατάσταση της υγρασιακής κατάστασης του εδάφους των πέντε προηγούμενων ημερών από ένα παράγοντα, ο οποίος υπεισέρχεται στον υπολογισμό της αποθηκευτικότητας του εδάφους και εξαρτάται από την ημερήσια εδαφική υγρασία και την ημερήσια μέγιστη διαθέσιμη υγρασία. Ο λόγος της τροποποίησης έγινε για να δοθεί η δυνατότητα στο μοντέλο να κάνει υπολογισμούς σε ημερήσιο χρονικό βήμα. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, τα εδάφη διακρίνονται σε 21 κλάσεις ανάλογα με τη μηχανική τους σύσταση και σε τέσσερις τύπους A, B, C και D (U.S.-S.C.S., 1972, 1984; Παπαμιχαήλ, 2001) ανάλογα με τα υδραυλικά τους χαρακτηριστικά (Πίνακας Ι.1 του Παραρτήματος I) (U.S.-S.C.S., 1972, 1984; Ritchie, 1972). Τα χαρακτηριστικά των τεσσάρων αυτών τύπων έχουν ως εξής: Τύπος Α: Εδάφη με μεγάλη τελική διηθητικότητα και διαπερατότητα. Τέτοια είναι τα εδάφη των πέντε πρώτων κλάσεων του Πίνακα Ι.1 (από Coarse sandy έως Loamy coarse sand). Η κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα τους κυμαίνεται από 0.76 έως 1.27 cm/hr. Τύπος Β: Εδάφη με μέτρια τελική διηθητικότητα και διαπερατότητα. Τέτοια είναι τα εδάφη των έξι επόμενων κλάσεων του Πίνακα Ι.1 (από Loamy sand έως Fine sandy loam). Η κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα τους κυμαίνεται από 0.38 έως 0.76 cm/hr. Τύπος C: Εδάφη με μικρή τελική διηθητικότητα και διαπερατότητα. Τέτοια είναι τα εδάφη των πέντε επόμενων κλάσεων του Πίνακα Ι.1 (από Very fine sandy loam έως Sandy clay loam). Η κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα τους κυμαίνεται από 0.13 έως 0.38 cm/hr. Τύπος D: Εδάφη με πολύ μικρή τελική διηθητικότητα και διαπερατότητα. Τέτοια είναι τα εδάφη των τελευταίων πέντε τελευταίων κλάσεων του Πίνακα Ι.1 (από Clay loam έως Clay). Η κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα τους κυμαίνεται από έως 0.13 cm/hr. Η χρήση της μηχανικής σύστασης για τον καθορισμό των παραπάνω τύπων εδάφους είναι σχετική επειδή αφορά ομοιόμορφα προφίλ εδάφους. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί όταν δεν υπάρχουν πληροφορίες για την υπόγεια στάθμη και για αδιαπέρατα υποστρώματα ενώ αν υπάρχουν, αλλάζει τελείως ο καθορισμός του τύπου εδάφους. Για παράδειγμα ένα αμμώδες έδαφος, το οποίο λογικά θα ανήκε στον τύπο Α, αν έχει υψηλή υπόγεια στάθμη ή κάποιο αδιαπέρατο υπόστρωμα (hardpan) σε μικρό βάθος, κατατάσσεται σε άλλο τύπο εδάφους π.χ. C. Μετά τον καθορισμό του τύπου εδάφους, γίνεται η εκτίμηση του απορροϊκού συντελεστή CN (Curve Number) από τον οποίο υπολογίζεται η μέγιστη αποθηκευτικότητα νερού του

64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 50 εδάφους S mx (cm), πάντα για συνθήκες προηγούμενης υγρασιακής κατάστασης τύπου Ι (U.S.- S.C.S., 1972), σύμφωνα με την εξίσωση: 100 Smx = CN I 3 (4.1) όπου CN I : ο απορροϊκός συντελεστής για συνθήκες προηγούμενης υγρασιακής κατάστασης τύπου Ι, ο οποίος υπολογίζεται από τον υπό φυσιολογικές-μέσες συνθήκες απορροϊκό συντελεστή CN II από την παρακάτω πολυωνυμική εξίσωση: 2 ( ) ( ) ( ) CN = CN CN CN (4.2) I II II II Ο απορροϊκός συντελεστής για συνθήκες προηγούμενης υγρασιακής κατάστασης τύπου ΙΙ ανάλογα με τις χρήσεις γης και τους τύπους εδάφους, δίνεται στον Πίνακα Ι.2 του Παραρτήματος I (Knisel and Williams, 1995; Παπαμιχαήλ, 2001). Στη συνέχεια υπολογίζεται η διαθέσιμη αποθηκευτικότητα νερού στο έδαφος S, ως συνάρτηση της περιεχόμενης υγρασίας και της μέγιστης αποθηκευτικότητας S mx στο έδαφος και δίνεται από την εξίσωση: ( UL SM ) S = Smx (4.3) UL όπου S mx : η μέγιστη αποθηκευτικότητα νερού του εδάφους (cm), SM: η αποθηκευμένη υγρασία στο ριζόστρωμα την ημέρα της βροχόπτωσης (cm), UL: το μέγιστο διαθέσιμο νερό για πρόσληψη από τα φυτά και για στράγγιση στο ριζόστρωμα (cm), το οποίο προσδιορίζεται από την εξίσωση: ( φ ) UL = - BR15 RD (4.4) όπου φ: το πορώδες του εδάφους στο ριζόστρωμα (cm 3 /cm 3 ), BR15: η κατ όγκο περιεχόμενη υγρασία εδάφους στο σημείο μόνιμης μάρανσης υπό μύζηση 1500 kpa (cm 3 /cm 3 ) και RD: το βάθος του αποτελεσματικού ριζοστρώματος (cm). Η αποθηκευμένη υγρασία στο ριζόστρωμα SM δίνεται από την εξίσωση: SM = ( θ BR15 )RD (4.5) όπου θ: η κατ όγκο περιεχόμενη εδαφική υγρασία (cm 3 /cm 3 ). Η επιφανειακή απορροή Q (runoff) υπολογίζεται από την εξίσωση : 2 ( P 0.2S) ( P+ 0.8S) Q = για P>0.2S ενώ Q=0 για P 0.2S (4.6) όπου Q: η ημερήσια απορροή (cm), P: η ημερήσια βροχόπτωση (cm), S: η διαθέσιμη αποθηκευτικότητα νερού στο έδαφος (cm) για την ημέρα που συμβαίνει η βροχόπτωση.

65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 51 Αν το εδαφικό νερό είναι κατανεμημένο ομοιόμορφα στη στρώση του ριζοστρώματος, η εξίσωση (4.3) δίνει ικανοποιητικά αποτελέσματα της παραμέτρου S και συνεπώς ικανοποιητικά αποτελέσματα απορροών με τη βοήθεια της εξίσωσης (4.6). Αν το εδαφικό νερό βρίσκεται σε υψηλότερο ποσοστό στην επιφάνεια του εδάφους τότε έχουμε υποεκτίμηση της παραμέτρου S με την εξίσωση (4.3) και συνεπώς υπερεκτίμηση της απορροής με την εξίσωση (4.6). Αν το εδαφικό νερό βρίσκεται σε υψηλότερο ποσοστό στο κάτω όριο του ριζοστρώματος (π.χ. λόγω υψηλής υπόγειας στάθμης) τότε έχουμε υπερεκτίμηση της παραμέτρου S με την εξίσωση (4.3) και συνεπώς υποεκτίμηση της απορροής με την εξίσωση (4.6). Για τους λόγους αυτούς, η παράμετρος S υπολογίζεται στο μοντέλο με μία νέα σταθμισμένη εξίσωση ανάλογα με το βάθος, η οποία έχει ως εξής: S = S 1 WF SM Ν i mx ( i ) i= 1 ULi όπου WF i : ο σταθμισμένος παράγοντας υγρασίας κάθε εδαφικής στρώσης και προσδιορίζεται ως εξής: Di 1 i WFi exp 4.16 exp 4.16 D = RD RD όπου D: το βάθος από την επιφάνεια του εδάφους μέχρι το κάτω όριο της κάθε εδαφικής στρώσης σε cm. Από την εξίσωση (4.8) προκύπτει ότι το άθροισμα των σταθμισμένων παραγόντων όλων των στρώσεων ισούται με τη μονάδα. Υδρογραφήματα απορροής από την περιοχή μελέτης δεν δημιουργούνται αλλά υπάρχει η δυνατότητα υπολογισμού των αιχμών παροχής της επιφανειακής απορροής q p (cm/hr), οι οποίες δίνονται από την εξίσωση: ( ) A Q qp = 160 ( A) ( SL) LWR 2.54 ( ) όπου Α: η έκταση της περιοχής απορροής (ha), SL: η μέση υδραυλική κλίση της περιοχής (m/m) και (LWR): ο δείκτης αναλογίας μήκους-πλάτους της περιοχής. Η μέση υδραυλική κλίση της περιοχής SL (m/m) υπολογίζεται από τη διαφορά μεταξύ των υψομέτρων του χαμηλότερου σημείου εξόδου της λεκάνης EL o και του υψηλότερου σημείου EL h, δια το μήκους της διαδρομής ροής FPL (flowpath) ανάμεσα στα δύο σημεία, με την παρακάτω εξίσωση: SL EL EL FPL (4.7) (4.8) (4.9) h o = (4.10)

66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 52 Ο δείκτης αναλογίας μήκους-πλάτους υπολογίζεται από την παρακάτω εξίσωση ως εξής: ( FPL) 2 LWR = (4.11) 1000A Διήθηση Η διαδικασία της διήθησης διαχωρίζει τη βροχόπτωση σε διήθηση και απορροή για το χρονικό βήμα που διεξάγεται η βροχόπτωση. Η απορροή για το κάθε χρονικό βήμα αθροίζεται και οδηγείται στην έξοδο της περιοχής μελέτης για τον υπολογισμό του συνολικού όγκου επιφανειακής απορροής από όλη την έκταση. Η διήθηση κατά τη διάρκεια της βροχόπτωσης διαχωρίζεται σε δύο στάδια, τα οποία έχουν ως εξής: 1 ο στάδιο: χρονική περίοδος από 0 έως t p στην οποία η ένταση βροχόπτωσης r (rainfall rate) είναι μικρότερη της στιγμιαίας διηθητικότητας f (infiltration rate). Η αθροιστική διηθητικότητα F (infiltration) παίρνει την τιμή F p όταν οι εντάσεις βροχόπτωσης και διήθησης εξισώνονται r p = f p τη χρονική στιγμή t p κατά την οποία αρχίζει να λιμνάζει νερό στην επιφάνεια του εδάφους και να απορρέει (ponding time). 2 ο στάδιο: χρονική περίοδος για t t p στην οποία r>f, με αποτέλεσμα τη μείωση της κλίσης της αθροιστικής διηθητικότητας (Σχήμα 4.3) F (cm) f (cm/min) F (cm) f (cm/min) 5 tp Χρόνος t (min) Σχήμα 4.3 Αθροιστική και στιγμιαία διηθητικότητα σε σχέση με τον χρόνο Κατά την έναρξη της βροχόπτωσης, το έδαφος έχει ένα αρχικό κλάσμα κορεσμού ST i (initial degree of saturation) σε (cm 3 /cm 3 ), το οποίο δίνεται από την εξίσωση: ST i θ φ i = (4.12) όπου θ: η κατ όγκο εδαφική υγρασία (cm 3 /cm 3 ) και i: ο δείκτης που υποδηλώνει την αρχική συνθήκη. H εξίσωση (4.12) αναφέρεται στις παραμέτρους του εδάφους μέχρι ένα βάθος από

67 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 53 την επιφάνεια, το οποίο είναι μέχρι τα 2-5 cm και ονομάζεται βάθος ελέγχου διήθησης D s. Από την έναρξη της βροχόπτωσης κι έπειτα, η τιμή του αρχικού κλάσματος κορεσμού ST i αυξάνεται έως ότου φτάσει η τιμή του την τιμή ST o, η οποία αποτελεί τη μέγιστη θεωρητική τιμή = 1 (κορεσμός 100%) τη χρονική στιγμή t p. Τη χρονική στιγμή t p, η αθροιστική διηθητικότητα παίρνει την τιμή F p η οποία ισούται με την αρχική συγκράτηση υγρασίας Ι a και δίνεται ως συνάρτηση της S από την εξίσωση (U.S.-S.C.S.,1972): Ia = 0.2 S (4.13) Η εξίσωση διήθησης που χρησιμοποιείται είναι μια τροποποίηση της εξίσωσης των Green and Ampt από τους Smith and Williams (1980), (Αντωνόπουλος, 1999), η οποία χαρακτηρίζεται ως χωρικού τύπου (capacity type) (Vanclooster at al., 2000) και δίνεται από τη σχέση: F Kt s = F φh(st c o ST) i l n 1+ (4.14) φh(st c o ST) i όπου Κ s : η αποτελεσματική κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα cm/hr, t: ο χρόνος από την έναρξη της λίμνασης (hr) και H c : η διαφορά υδραυλικού φορτίου. Η διαφορά υδραυλικού φορτίου H c δίνεται από την εξίσωση: H c = Ho H f (4.15) όπου Η ο : το ύψος πίεσης στην επιφάνεια του εδάφους και Η f : το ύψος πίεσης στο υγρό μέτωπο που βρίσκεται σε βάθος L (cm) όπου L: το πάχος υγρού μετώπου. Η αθροιστική διηθητικότητα F (cm) δίνεται από την εξίσωση: ( ) F = Lφ ST ST (4.16) Η διαφορά υδραυλικού φορτίου στο κινούμενο υγρό μέτωπο είναι (Η c +L) και σύμφωνα με τον νόμο του Darcy, η στιγμιαία διηθητικότητα προκύπτει (cm/hr) ως εξής: f o H + L L i c = Ks (4.17) Μετά την επίλυση της εξίσωσης (4.16) ως προς L, η εξίσωση (4.17) αναπροσαρμόζεται ως εξής: f ( ) H φ ST ST + F Λύνοντας την εξίσωση (4.18) ως προς F προκύπτει: c o i = Ks (4.18) F ( ) Hcφ STo STi K F = f K s s (4.19) Σύμφωνα με την εξίσωση (4.19) τη χρονική στιγμή t p (έναρξη της λίμνασης του νερού στην επιφάνεια του εδάφους) στην οποία ο ρυθμός βροχόπτωσης r εξισώνεται με τη στιγμιαία

68 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 54 διηθητικότητα f (r p =f p ), η αθροιστική διηθητικότητα F παίρνει την τιμή F p η οποία δίνεται από την εξίσωση: F p ( ) Hcφ STo STi K = r K p s s (4.20) Επειδή η στιγμιαία διηθητικότητα f αποτελεί τον ρυθμό μεταβολής της αθροιστικής διηθητικότητας και μπορεί να εκφραστεί ως f = df/dt, η εξίσωση (4.18) μπορεί να αποτελέσει τη βασική εξίσωση ολοκλήρωσης, η οποία ολοκληρώνεται ως εξής: df dt ( ) H φ ST ST + F K F c o i = s FdF F+ ΔF t+δt = Kdt F s Hcφ ( STo STi) + F t ΔF ΔF Hcφ( STo STi) l n 1+ = Ks Δt (4.21) F + Hcφ ( STo STi) Χρησιμοποιώντας τον πρώτο όρο της σειράς προσέγγισης του φυσικού νεπέριου λογαρίθμου η εξίσωση (4.21) επιλύεται ως προς ΔF ως εξής: Ks Ks F = 2Ks t F + Hc ( STo STi) + F t F Δt Δ Δ φ Δ 2 2 Η μέση στιγμιαία διηθητικότητα στην i-οστή επανάληψη δίνεται από την εξίσωση: i i i (4.22) f = ΔF Δt (4.23) Η παροχή επιφανειακής απορροής Q (cm/day) στην i-οστή επανάληψη υπολογίζεται σύμφωνα με την εξίσωση: Qi ri f i = (4.24) όπου r i : ο ρυθμός βροχόπτωσης στην i-οστή επανάληψη (cm/hr). H αθροιστική διηθητικότητα αυξάνει για κάθε χρονικό βήμα για t>t p και για t<t p αντίστοιχα σύμφωνα με τις εξισώσεις: F = i 1 F + + i ΔF (4.25) i F = i 1 F + + i riδt (4.26) i Η ολική επιφανειακή απορροή Q, είναι το άθροισμα όλων των επαναλήψεων και δίνεται από την εξίσωση: n Q = q Δt (4.27) i= 1 i i

69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS Εκροή από βαθιά διήθηση και επίδραση της υπόγειας στάθμης H παροχή της βαθιάς διήθησης νερού υπολογίζεται από δύο διαφορετικές διαδικασίες. Η πρώτη διαχωρίζει το προφίλ μελέτης σε δύο μέρη, το επιφανειακό βάθος ελέγχου D s και το υπόλοιπο ριζόστρωμα D p κάτω από αυτό, ενώ η δεύτερη χρησιμοποιεί κανονικά τις εδαφικές στρώσεις όπως τις έχουμε εισάγει στο μοντέλο. Στην πρώτη διαδικασία, το επιφανειακό βάθος ελέγχου D s χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της εξάτμισης από το έδαφος στη ρουτίνα υπολογισμού της εξατμισοδιαπνοής (πάχος 1 cm) ενώ το υπόλοιπο ριζόστρωμα D p, κάτω από το βάθος ελέγχου, χρησιμοποιείται για την πρόσληψη νερού από τις ρίζες. Το νερό κινείται από το επιφανειακό βάθος ελέγχου D s προς το υπόλοιπο ριζόστρωμα D p σύμφωνα με την εξίσωση: 3 ( ) ( ) φ ( ) O = C S S S D για S > S (4.28) s s s s p s s p όπου Ο s : ο όγκος νερού από το επιφανειακό βάθος ελέγχου προς το υπόλοιπο ριζόστρωμα (cm), C s : ο συντελεστής διήθησης αποθηκευτικότητας (τιμή περίπου 0.1), S s : η κατ όγκο υγρασία στο επιφανειακό βάθος ελέγχου (cm 3 /cm 3 ), S p : η κατ όγκο υγρασία στο υπόλοιπο ριζόστρωμα (cm 3 /cm 3 ), φ: το πορώδες (cm 3 /cm 3 ). Βαθιά διήθηση κάτω από το ριζόστρωμα επιτυγχάνεται όταν η S p > FC. Στη δεύτερη διαδικασία, η παροχή βαθιάς διήθησης είναι συνάρτηση της διηθητικότητας η οποία δίνεται από την εξίσωση: F = P Q (4.29) όπου P: η βροχόπτωση (cm) και Q: η επιφανειακή απορροή (cm). Η εξίσωση που δίνει την παροχή που εκρέει από βαθιά διήθηση για την πρώτη στρώση αλλά και για τις υποκείμενες αυτής, έχει τη μορφή: ( ) ( ) O1 = σ 1 F + ST 1 για F + ST1 > FC1 ( ) ( ) O = O + ST για O + ST > FCk k σ k k 1 k k 1 k (4.30) όπου FC: η υδατοϊκανότητα στα 10 έως 33 kpa ανάλογα με τη μηχανική σύσταση (cm), σ: o συντελεστής διόδευσης της αποθηκευτικότητας και k: ο δείκτης της υπολογιστικής στρώσης από την επιφάνεια προς τον πυθμένα του εδαφικού προφίλ. Αν το άθροισμα της διήθησης συν την εδαφική υγρασία δεν ξεπεράσουν την υδατοϊκανότητα δεν έχουμε βαθιά διήθηση. Ο συντελεστής διόδευσης της αποθηκευτικότητας δίνεται από την εξίσωση: 2Δt σ = 2tt + Δt (4.31) όπου tt: ο χρόνος που χρειάζεται το νερό για να διανύσει την εδαφική στρώση και δίνεται από την εξίσωση:

70 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 56 tt = ( SM FC) rc (4.32) όπου SM: η αποθηκευμένη υγρασία στο ριζόστρωμα (cm), r c : η κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα της κάθε εδαφικής στρώσης (cm/hr). Επιπλέον, το μοντέλο λαμβάνει υπόψη και την ύπαρξη υπόγειας στάθμης (ή την ύπαρξη αδιαπέρατης στρώσης), της οποίας το βάθος πριν την έναρξη της προσομοίωσης καθορίζει και το προφίλ προσομοίωσης της εδαφικής υγρασίας. Σύμφωνα με τους Knisel and Davis, (2000) αν η υπόγεια στάθμη ή η αδιαπέρατη στρώση βρίσκονται π.χ. στο 1 m από την επιφάνεια του εδάφους, τότε το προφίλ μελέτης της εδαφικής υγρασίας δεν πρέπει να ξεπερνά την τιμή αυτή. Επιπλέον στο μοντέλο δίνεται η δυνατότητα εισαγωγής μιας παραμέτρου, η οποία εκφράζει την παροχή στράγγισης του εδάφους στην περίπτωση ύπαρξης υψηλής υπόγειας στάθμης σε αγρό που διαθέτει στραγγιστικό δίκτυο. Αν ο αγρός δεν διαθέτει στραγγιστικό δίκτυο, η θεωρητική τιμή της παροχής στράγγισης είναι μηδεν Εξατμισοδιαπνοή Για τον υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής, το μοντέλο GLEAMS υπολογίζει ξεχωριστά την εξάτμιση του νερού από το έδαφος και τη διαπνοή από τα φυτά. Για τον υπολογισμό της δυνητικής εξάτμισοδιαπνοής δίνεται η δυνατότητα στον χρήστη να επιλέξει ανάμεσα στη μέθοδο των Priestly Taylor (1972) ή των Penman-Monteith (Jensen et al., 1990), ενώ για τον υπολογισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής χρησιμοποιείται η μέθοδος του Ritchie (1972) ως συνάρτηση του δείκτη φυλλικής επιφάνειας και της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής με μια από τις παραπάνω μεθόδους. Η μέθοδος των Priestly-Taylor χρησιμοποιεί ημερήσια δεδομένα θερμοκρασίας και ακτινοβολίας ενώ η μέθοδος Penman-Monteith απαιτεί επιπλέον δεδομένα όπως η ταχύτητα του ανέμου, η θερμοκρασία, η βροχόπτωση, η σχετική υγρασία και η ηλιακή ακτινοβολία για μεγαλύτερη ακρίβεια. Η μέθοδος των Penman-Monteith είναι η πιο αποδεκτή μέθοδος, αλλά σε περιπτώσεις που αφορούν δασώδεις περιοχές με υψηλή υγρασία, προτείνεται η μέθοδος Priestly-Taylor λόγω της μειωμένης ικανότητας εξάτμισης εδάφους που οφείλεται στη δασική φυτοκάλυψη (Knisel and Williams, 1995) Μέθοδοι υπολογισμού της δυνητικής εξάτμισοδιαπνοής των Priestly-Taylor και Penman-Monteith Η δυνητική εξάτμισοδιαπνοή με τη μέθοδο των Priestly Taylor (1972) δίνεται από την εξίσωση: E o 1.28 Δ Η = Δ + γ ns (4.33)

71 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 57 όπου Δ: η κλίση της καμπύλης στη εξίσωση πίεσης κορεσμού υδρατμών και θερμοκρασίας αέρα (kpa o C -1 ), Η ns : η καθαρή ηλιακή ακτινοβολία (langleys = KJ/m 2 /day) και γ: η ψυχρομετρική σταθερά (kpa o C -1 ) της οποία η τιμή παίρνεται ίση με Η σταθερά 1.28 στην εξίσωση (4.33) έχει επαναπροσδιοριστεί από πολλούς ερευνητές όπως ο Stemmler (1982), ο οποίος έδωσε την τιμή 0.86 για καλύτερα αποτελέσματα δυνητικής εξατμισοδιαπνοής σε περιοχές της Δυτικής Ευρώπης. Η παράμετροι Δ και Η ns υπολογίζονται αντίστοιχα από τις εξισώσεις: και 5304 Δ = e Τ H ns 2 κ ( / Tk ( ) ) (4.34) 1 ALB R = (4.35) 58.3 όπου Τ κ : η μέση ημερήσια θερμοκρασία αέρα ( ο Κ), R: η ολική ηλιακή ακτινοβολία (langleys) και ALB: ο συντελεστής ακτινοβολίας albedo. Η ημερήσια δυνητική εξάτμισoδιαπνοής σύμφωνα με τη συνδυασμένη μέθοδο Penman- Monteith (Jensen et al., 1990) δίνεται από την εξίσωση: Δ γ λρ 1 ( o λe = R G + Κ e e z ) (mm/day) (4.36) ( ) 1 o * n * z Δ+ γ Δ+ γ P ra όπου γ * : η τροποποιημένη ψυχρομετρική σταθερά (kpa o C -1 ), R n : η καθαρή ακτινοβολία (MJ/m 2 /day), G: η κατακόρυφη ροή ενέργειας από το έδαφος που μετατρέπεται σε λανθάνουσα θερμική ενέργεια (MJ/m 2 /day), λ: η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης (MJ/kg), ρ: η πυκνότητα αέρα (kg/m 3 ), P: η ατμοσφαιρική πίεση (kpa), r a : η αεροδυναμική αντίσταση (sec/m), o e z : η πίεση κορεσμού υδρατμών σε ύψος z από το έδαφος (kpa), e z : η πραγματική πίεση υδρατμών σε ύψος z από το έδαφος (kpa) και Κ 1 : ο διαστατικός συντελεστής που εξασφαλίζει τα δύο μέρη της εξίσωσης να έχουν τις ίδιες μονάδες. Η κλίση της καμπύλης στην εξίσωση πίεσης κορεσμού υδρατμών και θερμοκρασίας Δ (kpa o C -1 ) δίνεται από την εξίσωση: ( ) 7 Δ = T (4.37) c όπου T c : η μέση ημερήσια θερμοκρασία αέρα ( o C). Η ψυχρομετρική σταθερά γ (kpa o C -1 ) δίνεται από την εξίσωση: PC γ = p (4.38) 0.622λ

72 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 58 όπου C p : η ειδική θερμότητα αέρα υπό σταθερή πίεση με τιμή 1,013 (kj/kg/ o C). Η ατμοσφαιρική πίεση P (kpa) δίνεται ως συνάρτηση του υψομέτρου από την εξίσωση: g ar To a ELEV ELEV P= Po = T o ,257 (4.39) όπου P o : η ατμοσφαιρική πίεση στο επίπεδο της θάλασσας (kpa), Τ ο : η απόλυτη θερμοκρασία πρότυπης ατμόσφαιρας ( ο Κ), α: η παράμετρος αδιαβατικής μεταβολής της πίεσης με το ύψος και ELEV: το υψόμετρο από την επιφάνεια της θάλασσας. H λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης λ (MJ/kg) δίνεται από την εξίσωση: λ = Τ (4.40) Η πυκνότητα του αέρα ρ αποτελεί συνάρτηση του υψομέτρου από την επιφάνεια της θάλασσας και δίνεται από την εξίσωση: ρ c 3 = ELEV 10 (4.41) Ο υπολογισμός της καθαρής ηλιακής ακτινοβολίας R n (MJ/m 2 ) προκύπτει από τη διαφορά της καθαρής μεγάλου μήκους R b και της καθαρής μικρού μήκους ακτινοβολίας R ns από την εξίσωση: R n = R ns R b (4.42) Η καθαρή μικρού μήκους ακτινοβολία R ns (MJ/m 2 ) προκύπτει ως συνάρτηση της ηλιακής ακτινοβολίας R s από την εξίσωση: R = (1 ALB)R (4.43) Η καθαρή μεγάλου μήκους ακτινοβολία R b (MJ/m 2 ) δίνεται από την εξίσωση: ns R s Rb = R bo Rso s (4.44) όπου R so : η ηλιακή ακτινοβολία ολικής αιθρίας (MJ/m 2 ) και R bo : η μεγάλου μήκους ηλιακή ακτινοβολία ολικής αιθρίας (MJ/m 2 ). Η ηλιακή ακτινοβολία ολικής αιθρίας R so (MJ/m 2 ) δίνεται από την εξίσωση: 2π d Rso = AP + BP cos CP 365 (4.45) όπου d: η Ιουλιανή ημέρα, CP: η ιουλιανή ημέρα με τη μέγιστη διάρκεια (π.χ. 172 στο βόρειο ημισφαίριο και 355 στο βόρειο) και τους παράγοντες AP και BP να δίνονται από τις εξισώσεις: AP = ( LAT ELEV ) BP = ( LAT ELEV ) (4.46)

73 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 59 όπου ELEV: το υψόμετρο από την επιφάνεια της θάλασσας (m), LAT: το γεωγραφικό πλάτος (μοίρες). Η μεγάλου μήκους ηλιακή ακτινοβολία ολικής αιθρίας R bo (MJ/m 2 ) δίνεται από την εξίσωση: R κ 4 bo = ε στ (4.47) όπου ε: ο συντελεστής εκπομπής, σ : η σταθερά Steffan-Boltzman (4.903x10-9 MJ/m 2 / day/ o K 4 ) και Τ κ : η μέση ημερήσια θερμοκρασία ( o K). Ο συντελεστής εκπομπής ε δίνεται από την εξίσωση: 4 ( ) ε = exp 7.77 x T k 2 (4.48) Η κατακόρυφη ροή ενέργειας από το έδαφος που μετατρέπεται σε λανθάνουσα θερμική ενέργεια G h (MJ/m 2 /day), δίνεται από την εξίσωση: ( T ) ( T ) = = 2 ( ) ( ) c i+ 1 c i 1 G Tc T i+ 1 c i 1 (4.49) όπου T c : η μέση ημερήσια θερμοκρασία ( ο C). Όταν η ταχύτητα του ανέμου δίνεται σε km/day ή σε m/sec τότε ο διαστατικός συντελεστής που εξασφαλίζει τα δύο μέρη της εξίσωσης (4.36) να έχουν τις ίδιες μονάδες, δίνεται αντίστοιχα από τις σχέσεις: 0.622λ p K = T P 1 c και (4.50) 0.622λ p K = T P 1 c Η τροποποιημένη ψυχρομετρική σταθερά γ* δίνεται από την εξίσωση: * rcc γ = γ 1+ r (4.51) a όπου r cc : η επιφανειακή αντίσταση μεταφοράς υδρατμών από τη φυτοκάλυψη (sec/m) και r α : η αεροδυναμική αντίσταση (sec/m). Οι παράγοντες r cc και r α δίνονται αντίστοιχα από τις εξισώσεις (Allen et al., 1994a,b): και r cc = = (4.52) 0.5 LAI LAI { ( ) ( ) } ( ) 2 ra = ln zw d / zom n z p d / z ov / 0.41 U z l (4.53) όπου LAI: ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας (cm 2 /cm 2 ), z w : το ύψος ανεμομέτρου από την επιφάνεια του εδάφους (cm), z p : το ύψος ψυχρομέτρου και θερμομέτρου από την επιφάνεια

74 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 60 του εδάφους (cm), z om : το ύψος τραχύτητας για τη μεταφορά της ζώσας δύναμης (cm), z ov : το ύψος τραχύτητας για τη μεταφορά υδρατμών (cm), U z : η ταχύτητα ανέμου στο ύψος z (m/sec) και d: η μετατόπιση μηδενικού επιπέδου (m). Επειδή και οι δύο παράγοντες z om και z ov αποτελούν παράγοντες της λογαριθμικής συνάρτησης (4.53), η μέθοδος Penman-Monteith δεν περιλαμβάνει την έννοια της εξάτμισης εδάφους σαν μεμονωμένη παράμετρο αλλά την εμπεριέχει μέσα στο συνολικό ύψος νερού που χάνεται από την εξατμισοδιαπνοή. Τα ύψη τραχύτητας για τη μεταφορά της ζώσας δύναμης z om (cm) και τραχύτητας για τη μεταφορά υδρατμών z ov (cm) καθώς και η μετατόπιση του μηδενικού επιπέδου δίνονται αντίστοιχα από τις εξισώσεις: z = 0.123h (4.54) om ov om c z = 0.1z (4.55) d = h c (4.56) όπου h c : το ύψος φυτοκώμης (cm), το οποίο δίνεται από την εξίσωση: c ( ) h = exp a LAI (4.57) όπου α h : ο παράγοντας αύξησης του ύψους της φυτοκώμης. Οι Sharpley and Williams (1990), εισήγαγαν μια νέα ρύθμιση στον υπολογισμό του παράγοντα h c, προσθέτοντας πάντα την αμελητέα ποσότητα 0.01 cm για αποτροπή μηδενισμού του, καθώς αποτελεί παρανομαστή σε διαίρεση κατά τη διεξαγωγή των υπολογισμών στην εξίσωση (4.53). Η ταχύτητα ανέμου U z στην εξίσωση (4.53) είναι η ταχύτητα ανέμου στα 2 m πάνω από την καλλιέργεια, επομένως το ύψος z (cm) ισούται με z = h c Η εξίσωση που δίνει την ταχύτητα ανέμου στα 2 m πάνω από την καλλιέργεια δίνεται από την εξίσωση: h ( ) 0.2 U = U z z (4.58) z zw w όπου U zw : η τιμή της ταχύτητας ανέμου που μετρά το ανεμόμετρο στο ύψος z w. Ο παράγοντας ( e o z ez ) στην εξίσωση (4.36) αποτελεί το έλλειμμα πίεσης κορεσμού υδρατμών (kpa) και δίνεται από την εξίσωση : 1 o ( e e ) = e + e e o o o z z Tmax Tmin Td 2 (4.59) όπου e,e και e o o o Tmin Tmax Td : οι πιέσεις κορεσμού υδρατμών (kpa) στην ελάχιστη, στην μέγιστη θερμοκρασία και στο σημείο δρόσου ( o C) αντίστοιχα στο ύψος z. Οι πιέσεις κορεσμού υδρατμών για οποιαδήποτε θερμοκρασία Τ c ( o C) δίνονται από την εξίσωση (kpa). e o Tc 16.78T exp c = Tc (4.60)

75 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 61 Αξίζει να αναφερθεί ότι για τις παραπάνω μεθόδους υπολογισμού της ημερήσιας δυνητικής εξάτμισοδιαπνοής το μοντέλο δέχεται μέσες ημερήσιες τιμές μόνο της θερμοκρασίας και της βροχόπτωσης, ενώ για τις υπόλοιπες παραμέτρους (π.χ. ακτινοβολία, ταχύτητα ανέμου κλπ.) λαμβάνονται οι μέσες μηνιαίες τιμές τους. Πολλές από τις παραπάνω σχέσεις υπολογισμού των παραμέτρων της εξατμισοδιαπνοής με τη μέθοδο Penman-Monteith μπορούν να βρεθούν στους Παπαμιχαήλ κ.α., (1994), Papamichail and Terzidis, (1996), Allen et al., (1998), Παπαμιχαήλ και Γεωργίου, (1999), Παπαζαφειρίου, (1999) και Γεωργίου κ.α., (2000) Μέθοδος υπολογισμού της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής με τη μέθοδο του Ritchie Σύμφωνα με τη μέθοδο του Ritchie, (1972) η πραγματική εξατμισοδιαπνοή υπολογίζεται ως το άθροισμα της εξάτμισης νερού από την επιφάνεια του εδάφους και της διαπνοής του φυτού. Η δυνητική εξάτμιση εδάφους E so (cm) είναι συνάρτηση της E o, (ανάλογα με τη μέθοδο που επιλέχθηκε από την προηγούμενη ενότητα ) και δίνεται από την εξίσωση: E so o ( 0.4 LAI ) = E e (4.61) όπου LAI: ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας (m 2 /m 2 ) της καλλιέργειας (Ritchie, 1972), ο οποίος προκύπτει από την εξίσωση: Εμβαδ όν φυλλικής επιφάνειας LAI = (4.62) Εμβαδ όν επιφάνειας εδ άφους Η πραγματική εξάτμιση εδάφους υπολογίζεται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο, η εξάτμιση εδάφους περιορίζεται στην ενέργεια εξάτμισης από την επιφάνεια του εδάφους και μπορεί να φτάσει μέχρι ένα άνω όριο U. Το άνω όριο U υπολογίζεται από την εξίσωση: ( ) 0.42 U = 9 a 3 (4.63) όπου α s : η παράμετρος εξάτμισης εδάφους η οποία εξαρτάται από τη μηχανική σύσταση του εδάφους (mm/d 0.5 ). Η παράμετρος α s για τους διαφόρους τύπους εδαφών δίνεται στον Πίνακα Ι.1 του Παραρτήματος Ι. Η μέγιστη τιμή του U ισούται με τη δυνητική εξάτμιση κάτω από συνθήκες πλήρους διαθεσιμότητας νερού. Όταν η εξάτμιση εδάφους ξεπεράσει το άνω όριο του πρώτου σταδίου U (mm), ξεκινάει το δεύτερο στάδιο. Η ημερήσια εξάτμιση του δευτέρου σταδίου E s (mm), υπολογίζεται από την εξίσωση: s ( ) Es = as t t 1 (4.64) όπου t: ο χρόνος σε ημέρες από την έναρξη του δευτέρου σταδίου. Η εξάτμιση νερού από το φυτό ή διαπνοή εκτιμάται σύμφωνα με τη μέθοδο του Ritchie (1972), για δύο περιπτώσεις

76 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 62 όταν υπάρχει επάρκεια νερού και όταν δεν υπάρχει. Για συνθήκες επάρκειας νερού η διαπνοή δίνεται από τις εξισώσεις: και ( LAI) E = ταν (4.65) 3 o Ep ό 0 LAI 3 Ε p = Εo Εs όταν LAI > 3 (4.66) Για συνθήκες ανεπάρκειας νερού, η διαπνοή μειώνεται ανάλογα με τη διαθεσιμότητα του νερού και δίνεται από την εξίσωση: ( ST) = E 0.25 PAW για (4.67) p E pl ST 0.25PAW όπου PAW: είναι η μέγιστη διαθέσιμη υγρασία η οποία ισούται με τη διαφορά του σημείου μόνιμης μάρανσης από την υδατοϊκανότητα και ST: κλάσμα κορεσμού. Μετά από τα παραπάνω η πραγματική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας δίνεται από τις παρακάτω εξισώσεις: ET = E + E για ST > 0.25PAW (4.68) s p και ET = E + E για ST 0.25PAW (4.69) s pl Ο περιορισμός της διαθέσιμης εδαφικής υγρασίας, δεν μειώνει μόνο τη διαπνοή αλλά και την ανάπτυξη των φυτών. Οι επιπτώσεις στην ανάπτυξη των φυτών αντικατοπτρίζονται στο δείκτη φυλλικής επιφάνειας (LAI) ο οποίος αποκλίνει από τις ιδανικές τιμές, αναπαριστάνοντας τις καταπονήσεις που δέχονται τα φυτά λόγω της μη επαρκούς κάλυψης των αναγκών τους σε νερό. Όταν μετά από μία τέτοια περίοδο, μια επικείμενη βροχόπτωση ή άρδευση επαναφέρει την υγρασία στα επιθυμητά επίπεδα, τότε ο δείκτης (LAI) δεν επανέρχεται στις τιμές της αρχικής ιδανικής καμπύλης αλλά συνεχίζει να αυξάνει με τον ρυθμό αύξησης της ιδανικής καμπύλης σε χαμηλότερα όμως επίπεδα. Η συγκεκριμένη διαδικασία είναι κατάλληλη για καλλιεργούμενα φυτά αλλά όχι και για τη φυσική βλάστηση, η οποία είναι προσαρμοσμένη στις κλιματικές συνθήκες της περιοχής μελέτης και δεν εξαρτάται η ανάπτυξή της από την άρδευση Απώλειες νερού λόγω της ΕΤ στις εδαφικές στρώσεις Η ημερήσια εξατμισοδιαπνοή όπως υπολογίστηκε σύμφωνα με τις παραπάνω μεθόδους, πρέπει να κατανεμηθεί σωστά σε όλες τις υπολογιστικές εδαφικές στρώσεις. Για τον σκοπό

77 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 63 αυτό χρησιμοποιείται ένας παράγοντας ανάπτυξης του ριζικού συστήματος (root growth component) ο οποίος εκφράζεται ως εξής: n N FRDn LAIi LAI i i= 1 i= 1 = (4.70) όπου FRD n : το κλάσμα του αποτελεσματικού βάθους του ριζοστρώματος μέχρι τη n ημέρα που περιέχει ρίζες προς το αποτελεσματικό βάθος του ριζοστρώματος της Ν ημέρας όπου Ν: το σύνολο των ημερών όλης της περιόδου ανάπτυξης. Το ενεργό βάθος ριζοστρώματος την ημέρα n υπολογίζεται ως εξής: n ( ) RDN = FRD RD (4.71) Στο μοντέλο η τιμή του RDN πάντα παίρνει την τιμή του πυθμένα της κάθε εδαφικής στρώσης (π.χ. αν για μια καλλιέργεια το αποτελεσματικό βάθος ριζοστρώματος RD = 70 cm και οι εδαφικοι ορίζοντες ορίζονται στα βάθη 10, 25, 40, 55 και 70 cm και η τιμή RDN της παραπάνω εξίσωσης είναι 52, τότε η τιμή του RDN ρυθμίζεται στην τιμή 55 που είναι ο πυθμένας του τέταρτου εδαφικού ορίζοντα). H ποσότητα νερού u (cm), η οποία χρησιμοποιείται για τις εξατμισοδιαπνευστικές ανάγκες, είναι συνάρτηση του ενεργού ριζοστρώματος και δίνεται από την εξίσωση: o ( 3.065RDN ) u = u e (4.72) όπου u o : η ποσότητα νερού που χρησιμοποιήθηκε για εξατμισοδιαπνοή στην επιφανειακή στρώση του εδάφους. Η ολική ποσότητα νερού που χρησιμοποιήθηκε για εξατμισοδιαπνοή εκτιμάται ύστερα από την ολοκλήρωση της παραπάνω εξίσωσης και δίνεται από την εξίσωση: u o ET = 1.0 e ( RDN ) (4.73) Από την παραπάνω εξίσωση όμως η ΕΤ και η RDN είναι ήδη γνωστές. Επομένως, η εξίσωση (4.73) χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της ημερήσιας τιμής του u o, η οποία με τη σειρά της χρησιμοποιείται για τον διαχωρισμό της συνολικής ΕΤ στις αντίστοιχες εδαφικές στρώσεις σύμφωνα με την εξίσωση: u o ( RDNi 1) ( RDNi) wui = e e (4.74) όπου wu i : το νερό που χρησιμοποιείται για εξατμισοδιαπνοή από κάθε εδαφική στρώση i (cm), RDN i : το βάθος της κάθε υπολογιστικής στρώσης (cm) όπου RDN i-1 + RDN i + = RDN Εισροή νερού από άρδευση-βροχόπτωση Στο μοντέλο υπάρχει η επιλογή της αυτόματης άρδευσης, όταν δεν υπάρχουν δεδομένα της, σύμφωνα με την οποία το εδαφικό νερό του ενεργού ριζοστρώματος αθροίζεται και

78 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 64 συγκρίνεται με την ελάχιστη επιτρεπόμενη υγρασία έτσι ώστε να καλυφθεί το έλλειμμα. Όταν υπάρχουν δεδομένα, τότε η άρδευση αθροίζεται με τη βροχόπτωση και το μοντέλο δίνει τη διακύμανση της εδαφικής υγρασίας για την περίοδο μελέτης Εισροή νερού από το λιώσιμο του χιονιού Ο υπολογισμός του συσσωρευμένου χιονιού προκύπτει όταν η μέση ημερήσια θερμοκρασία αέρα είναι κάτω του 0 ο C την ημέρα που συμβαίνει η βροχόπτωση. Όταν η μέση ημερήσια θερμοκρασία είναι πάνω από τους 0 ο C και υπάρχει συσσωρευμένο χιόνι, η ημερήσια ποσότητα νερού M i (cm) που συνεισφέρεται δίνεται από την εξίσωση (Stewart et al., 1975): M = 0.457T0 (4.75) i όπου Τ0 i : η θερμοκρασία πάνω από τους 0 ο C. Στο μοντέλο περιγράφεται η δομή ενός παγωμένου εδάφους και η μείωση της διαθέσιμης υγρασίας του εδάφους κάτω από αυτές τις συνθήκες. Τα χαρακτηριστικά της διήθησης αλλάζουν ανάλογα με τον τύπο του εδάφους και την περιεχόμενη υγρασία του, τη στιγμή που το έδαφος παγώνει. Για παράδειγμα, ένα αργιλώδες έδαφος με περιεχόμενη υγρασία κοντά στην υδατοϊκανότητα, όταν παγώνει μειώνεται το πορώδες και αντίστοιχα η κίνηση του νερού στο εδαφικό προφίλ. Αντίθετα, ένα αμμώδες έδαφος με περιεχόμενη υγρασία κοντά στην υδατοϊκανότητα, όταν παγώνει μπορεί να αυξηθεί ο ρυθμός διήθησης. Το συγκεκριμένο φαινόμενο δημιουργεί δυσκολίες στον προσδιορισμό της αποθηκευτικότητας S mx του εδάφους και δεν είναι αρκετό να λαμβάνεται υπόψη μόνο η μηχανική σύστασή του. Για τον λόγο αυτό οι Knisel et al. (1985), εισήγαγαν τον απορροϊκό συντελεστή CN για να ρυθμίσουν την αποθηκευτικότητα κάτω από συνθήκες παγωμένου εδάφους. Για τιμές απορροϊκού συντελεστή CN 80 χρησιμοποιείται η νέα τιμή CN=95, ενώ για τιμές CN>80 χρησιμοποιείται η τιμή CN=98. Οι νέοι απορροϊκοί συντελεστές χρησιμοποιούνται μόνο για τις περιόδους που είναι παγωμένο το έδαφος και οι κανονικές τιμές τους επανέρχονται μετά το τέλος των περιόδων αυτών (Knisel and Williams, 1995). Το μοντέλο λαμβάνει υπόψη το πάγωμα του εδάφους μόνο όταν η μέση μηνιαία θερμοκρασία είναι κάτω των 0 o C. Επίσης λαμβάνεται υπόψη το γεγονός ότι το έδαφος παραμένει παγωμένο για κάποια διάρκεια, ακόμα και όταν η ημερήσια θερμοκρασία υπερβαίνει τους 0 ο C, φαινόμενο που συμβαίνει έντονα κατά το τέλος χειμώνα-αρχές άνοιξης. Η διάρκεια αυτή καθορίζεται από τη μέση ημερήσια ακτινοβολία του Δεκεμβρίου η οποία αποτελεί τη χαμηλότερη τιμή για το βόρειο ημισφαίριο. Σύμφωνα με τα παραπάνω, ο αριθμός i

79 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 65 των ημερών που το έδαφος παραμένει παγωμένο μετά την πρώτη μέρα που έχουμε μέση ημερήσια θερμοκρασία πάνω από τους 0 ο C, δίνεται από την εξίσωση: DFS = R D (4.76) όπου R D : η μέση ημερήσια ακτινοβολία του Δεκεμβρίου (langleys) Ισοζύγιο νερού Η εξίσωση του ισοζυγίου νερού (Αντωνόπουλος κ.α., 2007δ) εμπεριέχει όλες τις διεργασίες που περιγράφηκαν παραπάνω και δίνεται από τη σχέση: SM i = SM i 1+ Pi + IRi ETi Oi Q i (4.77) όπου SM: αποθηκευμένη υγρασία στο εδαφικό προφίλ (cm), Ο: εκροή νερού λόγω βαθιάς διήθησης (cm), Q: εκροή νερού από επιφανειακή απορροή (cm), P: εισροή νερού από τη βροχόπτωση (cm), ΙR: εισροή νερού από άρδευση (cm), ΕΤ: εκροή νερού λόγω εξατμισοδιαπνοής (cm) και i: χρονικό βήμα Τροποποιήσεις του υδρολογικού υπομοντέλου για συνθήκες καλλιέργειας ρυζιού Η μέθοδος άρδευσης της καλλιέργειας του ρυζιού (κατάκλυση) έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ιδιαίτερων υδρολογικών συνθηκών στους ορυζώνες, σε σχέση με τις συνθήκες που επικρατούν στις υπόλοιπες καλλιέργειες που αρδεύονται με κοινές επιφανειακές μεθόδους άρδευσης. Ένα ολοκληρωμένο μαθηματικό μοντέλο για τις συνθήκες αυτές, είναι απαραίτητο να περιλαμβάνει πέρα από την κίνηση του νερού στο εδαφικό προφίλ και την επιφανειακή απορροή (Antonopoulos, 2007). Από μια αρχική εφαρμογή του μοντέλου GLEAMS V3.0 που έγινε για τα πειραματικά δεδομένα στους αγρούς της Σίνδου (Αντωνόπουλος κ.α., 2007α), επιβεβαιώθηκε ότι σε γενικές γραμμές το μοντέλο πληρεί την παραπάνω προϋπόθεση, χωρίς όμως να υπολογίζει το βάθος νερού κατά τη διάρκεια της κατάκλυσης. Επίσης, από την εφαρμογή αυτή διαπιστώθηκε ότι το μοντέλο υποεκτιμά την πραγματική εξατμισοδιαπνοή, η οποία σε συνθήκες κατάκλυσης είναι υψηλότερη (Allen et al., 1998; Αντωνόπουλος κ.α., 2007α; Antonopoulos, 2007). Για τους λόγους αυτούς, κρίθηκαν απαραίτητες κάποιες τροποποιήσεις του υδρολογικού υπομοντέλου, οι οποίες αφορούν: τον υπολογισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής με τη μέθοδο του Ritchie, (1972). Η μέθοδος αυτή υποεκτιμά την πραγματική εξατμισοδιαπνοή σε συνθήκες κατάκλυσης, επειδή ο όρος της εξάτμισης του εδάφους στις εξισώσεις (4.68 και 4.69) διαφοροποιείται σε εξάτμιση από την ελεύθερη επιφάνεια του νερού. Για το λόγο αυτό κρίθηκε απαραίτητη η προσαρμογή της μεθόδου σε συνθήκες κατάκλυσης. Με την τροποποίηση αυτή το μοντέλο μπορεί να λειτουργεί ως μαύρο κουτί black box model (Παπαμιχαήλ, 2001)

80 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 66 (Σχήμα 4.4α) και να εφαρμόζεται σε ορυζώνες, αντιμετωπίζοντάς τους όπως τα γενικευμένα μοντέλα ισοζυγίου των υδρολογικών λεκανών. Με την εκδοχή αυτή του μοντέλου, η μέγιστη αποθηκευτικότητα νερού της λεκάνης κατάκλυσης αθροίζεται στη μέγιστη αποθηκευτικότητα του εδάφους με αποτέλεσμα να εξάγεται ένα γενικευμένο υδατικό ισοζύγιο, το οποίο εκτιμά τη μεταβολή των υδρολογικών συνθηκών πριν και μετά την καλλιεργητική περίοδο και όχι κατά τη διάρκειά της (Αντωνόπουλος κ.α., 2007α). τον ημερήσιο υπολογισμό του βάθους νερού κατάκλυσης στην επιφάνεια του εδάφους καθώς και της επιφανειακής απορροής μετά την αύξηση της στάθμης του νερού πάνω από ένα κρίσιμο βάθος. Με τη συγκεκριμένη τροποποίηση καθώς και με την προσαρμογή του υπολογισμού της εξατμισοδιαπνοής σε συνθήκες κατάκλυσης, το μοντέλο περιγράφει καλύτερα το φυσικό πρόβλημα, διαχωρίζοντας τις διαδικασίες που συμβαίνουν στο νερό κατάκλυσης και στο εδαφικό προφίλ. Με την τροποποίηση αυτή, το μοντέλο πλέον λειτουργεί ως ντετερμινιστικό deterministic model (Σχήμα 4.4β), εκτιμώντας τη μεταβολή των υδρολογικών συνθηκών σε ημερήσιο χρονικό βήμα κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου (Αντωνόπουλος κ.α., 2007β). Οι τροποποιήσεις που αναφέρθηκαν παραπάνω αναλύονται εκτενέστερα στη συνέχεια, για την περίπτωση εφαρμογής του ντετερμινιστικού μοντέλου. Σχήμα 4.4 Σχηματική αναπαράσταση των δύο εκδοχών του μοντέλου GLEAMS a) εκδοχή εφαρμογής μαύρου κουτιού και β) εκδοχή εφαρμογής ντετερμινιστικού μοντέλου.

81 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS Εξατμισοδιαπνοή σε συνθήκες καλλιέργειας ρυζιού Για τον υπολογισμό της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής επιλέχθηκε η κλασσική μέθοδος του Penman, (1948), επειδή θεωρείται η πιο έγκυρη για περιπτώσεις κορεσμένων εδαφών και υγροτoπικών συστημάτων (Confalonieri, 2005; Mohan and Srivastava, 2001; Burba, 1999), η οποία έχει ως εξής: 1 λeο = ( Δ Rn + γ λ F( u) ( de )) (4.78) Δ+ γ όπου λ: η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης (MJ/kg), Δ: η κλίση της καμπύλης στη σχέση πίεσης κορεσμού υδρατμών και θερμοκρασίας (kpa o C -1 ), γ: η ψυχρομετρική σταθερά (kpa o C - 1 ) de: η διαφορά της πίεσης κορεσμού υδρατμών από την πραγματική πίεση υδρατμών (kpa) και F(u): η συνάρτηση της ταχύτητας του ανέμου (kg kpa -1 m -2 d -1 ), η οποία έχει ως εξής: ( u) Fu ( ) = (4.79) όπου u: η ταχύτητα του ανέμου (m/sec). Οι άλλες παράμετροι της εξίσωσης (4.78) υπολογίζονται από τις σχέσεις της ενότητας ( ). Ο υπολογισμός της μέσης ημερήσιας πραγματικής εξατμισοδιαπνοής της καλλιέργειας γίνεται για όλη την αρδευτική περίοδο του ρυζιού με τη μέθοδο του Ritchie, (1972), η οποία προσαρμόστηκε σε συνθήκες καλλιέργειας ρυζιού. Η προσαρμογή της έγινε έτσι ώστε σε συνθήκες κατάκλυσης, ο παράγοντας της εξάτμισης εδάφους (Ε s ) (Εξίσωση 4.68) να μετασχηματίζεται σε ένα νέο παράγοντα, ο οποίος εκφράζει την εξάτμιση από την ελεύθερη επιφάνεια του νερού κατάκλυσης (E sw ). Ο υπολογισμός της διαπνοής γίνεται με τις σχέσεις της ενότητας ( ) καθώς εξαρτάται μόνο από την εδαφική υγρασία και όχι από την ύπαρξη του νερού κατάκλυσης. Όταν το έδαφος είναι κορεσμένο και υπό κατάκλυση, ο παράγοντας της εξάτμισης εδάφους (Ε s ) στην εξίσωση (4.68), πολλαπλασιάζεται με ένα συντελεστή α w, ο οποίος είναι μεγαλύτερος της μονάδας, λόγω του ότι η εξάτμιση από την ελεύθερη επιφάνεια νερού είναι μεγαλύτερη από την εξάτμιση του εδάφους. Σύμφωνα με τα παραπάνω, ο υπολογισμός της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής δίνεται από τις σχέσεις: όταν WD = 0 τ ό τε : i 1 ET = E + E i si pi όταν WD > 0 τό τε : i 1 ET = E + E όπου E = a E με α >1 i swi pi swi w si w (4.80) όπου Ε s : η εξάτμιση νερού από το έδαφος (cm), Ε p : η διαπνοή από τα φυτά (cm), Ε sw : η εξάτμιση νερού από την επιφάνεια του νερού κατάκλυσης (cm), WD: βάθος κατάκλυσης (cm),

82 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 68 α w : o συντελεστής εξάτμισης κατακλυσμένου εδάφους και i: το χρονικό βήμα (day). Επειδή στην εξίσωση (4.80), άγνωστοι είναι και η πραγματική εξατμισοδιαπνοή και ο συντελεστής α w, γίνεται ρύθμιση του α w έτσι ώστε η πραγματική εξατμισοδιαπνοή του μοντέλου για όλη την καλλιεργητική περίοδο να ταυτιστεί με τη συνολική πραγματική εξατμισοδιαπνοή που υπολογίζεται με τη μέθοδο Penman-Monteith κατά FAO (Allen et al., 1994a,b; 1998; Παπαμιχαήλ κ.α., 1994; Papamichail and Terzidis, 1996; Παπαζαφειρίου, 1999 και Γεωργίου κ.α., 2000) με τη χρήση φυτικού συντελεστή προσαρμοσμένου στις συνθήκες τις περιοχής (Πανώρας κ.α., 2001). Με τον τρόπο αυτό, το μοντέλο υπολογίζει όπως και πριν τη διαπνοή του φυτού, η οποία δεν επηρεάζεται από την ύπαρξη του νερού κατάκλυσης και εξαρτάται μόνο από την εδαφική υγρασία και το LAI, ενώ επαναπροσδιορίζει την εξάτμιση, η οποία πλέον είναι μεγαλύτερη λόγω κατάκλυσης. Η επιλογή της συνδυασμένης μεθόδου Penman-Monteith κατά FAO για τη ρύθμιση του μοντέλου, έγινε επειδή αποτελεί την ακριβέστερη και πιο διαδεδομένη μέθοδο υπολογισμού της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής. Ο υπολογισμός της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς (mm/day) με τη μέθοδο Penman-Monteith, δίνεται από την εξίσωση: Δ( Rn G) + γ U2( ea ed) ET 273 r = Τ+ Δ+ γ ( U ) 2 (4.81) όπου Δ: η κλίση της καμπύλης στην εξίσωση πίεσης κορεσμού υδρατμών και θερμοκρασίας (kpa o C -1 ), γ: η ψυχρομετρική σταθερά (kpa o C -1 ), R n : η καθαρή ακτινοβολία (MJ/m 2 /day), G: η κατακόρυφη ροή ενέργειας από το έδαφος που μετατρέπεται σε λανθάνουσα θερμική ενέργεια (MJ/m 2 /day), e α : η πίεση κορεσμού υδρατμών (kpa), e d : η πραγματική πίεση υδρατμών (kpa), U 2 : η ταχύτητα του ανέμου στα 2 m από την επιφάνεια του εδάφους και T: η μέση ημερήσια θερμοκρασία αέρα ( ο C). Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή δίνεται ως συνάρτηση του φυτικού συντελεστή και της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς, από την εξίσωση: ET = K c ET r (4.82) Εκτίμηση του βάθους λίμνασης και του ισοζυγίου νερού κατά τη κατάκλυση των ορυζώνων Για τον υπολογισμό του υδατικού ισοζυγίου ο βασικότερος παράγοντας που πρέπει να ληφθεί υπόψη είναι το βάθος νερού λίμνασης WD στην επιφάνεια του εδάφους (Σχήμα 4.5). Για τον υπολογισμό του WD χρησιμοποιείται η παραδοχή των Chung et al., (2003) σύμφωνα με την οποία απορροή συμβαίνει μόνο όταν το νερό ξεπερνά το ύψος αναχώματος HD. Η επιφανειακή απορροή κάτω από αυτές τις συνθήκες δίνεται από την εξίσωση:

83 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 69 όταν WD i > HD τότε Q i = WD HD και WD i = HD (4.83) i όταν WD i HD τότε WD = WD και Q = 0 i i 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), και i: χρονικό βήμα ημέρας. Η εξίσωση του ισοζυγίου του νερού (4.77) τροποποιήθηκε έτσι ώστε να συνδυάζει τη μεταβολή του βάθους λίμνασης και τη μεταβολή της εδαφικής υγρασίας και δίνεται από τις σχέσεις: όταν WD = 0 τό τε : i 1 αν P + IR > F i i i ET = E + E i si pi τότε SM = SM + F O ET και WD = P + IR F i i 1 i i i i i i i αλλιώς P + IR = F, SM = SM + F O ET και WD = 0 i i i i i 1 i i i i όταν WD > 0 τό τε : i 1 αν P+ IR + WD E > F i i i 1 swi i ET = E + E i swi pi ττε ό SM = SM + F O E και WD = P + IR + WD E F i i 1 i i pi i i i i 1 swi i αλλι ώς P+ IR + WD E = F, SM = SM + F O E και WD = 0 i i i 1 swi i i i 1 i i pi i (4.84α) (4.84β) όπου WD: το βάθος νερού στην επιφάνεια του εδάφους (cm), P: η βροχόπτωση (cm), ΙR: η άρδευση (cm), ΕΤ: η εξατμισοδιαπνοή (cm), E p : η διαπνοή, E s : η εξάτμιση από το έδαφος, Ε sw : η εξάτμιση από το νερό κατάκλυσης, Ο: η βαθιά διήθηση (cm), SM: η αποθηκευμένη υγρασία στο εδαφικό προφίλ (cm) F: η διήθηση νερού στο έδαφος (cm) και i: το χρονικό βήμα (day) (Αντωνόπουλος κ.α., 2007β). Σχήμα 4.5 Αναπαράσταση του συστήματος εκτίμησης του υδατικού ισοζυγίου τυπικού ορυζώνα. (P: βροχή, IR: άρδευση, ΕΤ: εξατμισοδιαπνοή, Q: επιφανειακή απορροή, O: βαθιά διήθηση, F: διήθηση, WD: ύψος νερού κατάκλυσης)

84 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS Υπομοντέλο διάβρωσης Η εκτίμηση του φορτίου των φερτών υλικών περιγράφεται από την απόσπαση, μεταφορά και απόθεση ιζημάτων, λαμβάνοντας υπόψη πέντε μεγέθη εδαφικών τεμαχιδίων (άργιλος, ιλύς, άμμος, ψηλό και χονδρό χαλίκι), με χρήση της παγκόσμιας εξίσωσης απώλειας εδάφους (Universal Soil Loss Equation-USLE) των Wischmeier and Smith, (1978). Στο μοντέλο εφαρμόζεται η παραδοχή ότι όταν το φορτίο ιζημάτων υπερβαίνει το μέγιστο επιτρεπτό φορτίο μεταφοράς με την επιφανειακή απορροή, τότε το πλεονάζων φορτίο ιζημάτων εναποτίθεται. Η κίνηση του νερού στην επιφάνεια του εδάφους εξαρτάται από τα τοπογραφικά χαρακτηριστικά (έκταση και κλίση περιοχής μελέτης) και την επιφανειακή διαμόρφωση του εδάφους από ανθρωπογενείς παρεμβάσεις (π.χ. αυλάκια άρδευσης). Οι τύποι επιφανειακής διαμόρφωσης από τους οποίους εξαρτάται η μεταφορά φορτίου φερτών υλικών και περιλαμβάνονται στο μοντέλο, δίνονται στο Σχήμα 4.6. Αξίζει να αναφερθεί ότι η επιλογή οποιασδήποτε επιφανειακής διαμόρφωσης του μοντέλου δεν επηρεάζει καθόλου τα αποτελέσματα της ημερήσιας εκροής νερού μέσω επιφανειακής απορροής, η οποία εξαρτάται πλήρως από τον απορροϊκό συντελεστή CN (Εξίσωση 4.6). Επηρεάζει μόνο τον υπολογισμό των αιχμών παροχής της επιφανειακής απορροής (Εξίσωση 4.9), η οποία όμως δεν χρησιμοποιείται στα πλαίσια της συγκεκριμένης διατριβής επειδή τα υδρογραφήματα επιφανειακής απορροής στους ορυζώνες είναι ήπια καθώς και επειδή όλες οι υδρολογικές παράμετροι εξετάζονται σε ημερήσιο χρονικό βήμα. Σύμφωνα με το υπομοντέλο διάβρωσης ο υπολογισμός της στερεοπαροχής στα κατάντη κεκλιμένης επιφάνειας εκφράζεται από την εξίσωση: dq s DL DF dx = + (4.85) όπου q s : το φορτίο φερτών υλικών (kg m -1 sec -1 ) στη θέση x κατάντη, D L : η παράλληλη εισροή φορτίου υλικών (kg m -2 sec -1 ) και D F : η απόθεση ή αποσπαση φορτίου υλικών (kg m -2 sec -1 ). Οι παράγοντες D L και D F υπολογίζονται αντίστοιχα από τις εξισώσεις: και Φ p D = 0.21EI s KCP (4.86) V L ( ) m 1 1/3 x 2 Φ p DF = 37983mVuΦp s KCP 72.6 (4.87) V u u όπου ΕΙ: ο παράγοντας ικανότητας διάβρωσης Wischmeier της βροχόπτωσης (MJ mm ha -1 h - 1 ), s: το ημίτονο της γωνίας κλίσης του εδάφους, K: ο παράγοντας USLE της αντοχής του

85 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 71 εδάφους στη διάβρωση (Mg ha h ha -1 MJ -1 mm -1 ), C: ο λόγος απώλειας εδάφους της USLE, P: ο παράγοντας διαμόρφωσης του εδάφους της USLE, Φ p : ο ρυθμός απορροής (mm h -1 ), V u : ο όγκος νερού της βροχής που έγινε επιφανειακή απορροή (mm), m: ο εκθέτης στον παράγοντα κλίσης-μήκους της περιοχής μελέτης και x: η απόσταση προς τα κατάντη της κλίσης. Σχήμα 4.6 Περιπτώσεις επιφανειακής διαμόρφωσης της περιοχής μελέτης που μπορεί να περιγράψει το μοντέλο GLEAMS Τροποποίηση του υπομοντέλου διάβρωσης για συνθήκες καλλιέργειας ρυζιού Για την εφαρμογή του μοντέλου σε συνθήκες καλλιέργειας ρυζιού, έγιναν τροποποιήσεις του υπομοντέλου διάβρωσης. Η βασική παραδοχή είναι ότι για τις συνθήκες αυτές, η

86 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 72 στερεοπαροχή είναι μηδενική (εξίσωση 4.85). Οι λόγοι που οδήγησαν σε αυτή την παραδοχή είναι οι εξής: Κατά την άρδευση των ορυζώνων, η ταχύτητα κίνησης του νερού στην επιφάνεια του εδάφους είναι σχεδόν μηδενική λόγω της ισοπέδωσης του εδάφους (s 0) και της αντίστασης της ροής από τα φυτά. Λόγω της κατάκλυσης του εδάφους με την άρδευση, ο παράγοντας ικανότητας διάβρωσης της βροχόπτωσης EI τείνει στο μηδέν λόγω της προστασίας του εδάφους από την υπερκείμενη στρώση νερού καθώς και από τη φυτοκάλυψη. Η επιφανειακή διαμόρφωση των εδαφών των ορυζώνων σε λεκάνες με δημιουργία κρασπέδων αποτρέπει έτσι κι αλλιώς οποιαδήποτε τάση για απώλεια εδάφους με την επιφανειακή απορροή. 4.4 Υπομοντέλο χημικών ουσιών Το υπομοντέλο των χημικών ουσιών περιγράφει τους κύκλους του αζώτου, του φωσφόρου, των φυτοφαρμάκων και τη θερμοκρασία εδάφους. Στη συνέχεια γίνεται λεπτομερής περιγραφή του αζώτου και της θερμοκρασίας του εδάφους, ενώ για τον φώσφορο και τα φυτοφάρμακα γίνεται μια γενική περιγραφή, καθώς δεν αποτελούν αντικείμενο έρευνας στη συγκεκριμένη διατριβή Άζωτο Η βασική δομή του υπομοντέλου αζώτου είναι όμοια με αυτή του μοντέλου EPIC των Sharpley and Williams (1990), το οποίο θεωρείται ένα από τα πληρέστερα μοντέλα για την περιγραφή του κύκλου του αζώτου. Η συγκεκριμένη δομή διαφοροποιήθηκε σε κάποια σημεία και επεκτάθηκε από τους Knisel and Davis, (2000), για να περιγραφεί ο κύκλος του αζώτου στο μοντέλο GLEAMS (Σχήμα 4.7). Ο κύκλος του αζώτου στο μοντέλο GLEAMS περιλαμβάνει τις διαδικασίες της ανοργανοποίησης, της ακινητοποίησης, της αεριοποίησης της αμμωνίας, της απονιτροποίησης, της πρόσληψης από τις ρίζες, τις απώλειες λόγω επιφανειακής απορροής και εκπλυσης κάτω από το ριζόστρωμα καθώς και της προσρόφησης στα ιζήματα και της μεταφοράς του με τη διάβρωση. Επιπλέον λαμβάνεται υπόψη η εισροή αζώτου από τη βροχή, την άρδευση και τη λίπανση. Μαζί με τα παραπάνω λαμβάνεται υπόψη η θερμοκρασία και η υγρασία του εδάφους για τη βέλτιστη αποτίμηση των ρυθμών της αμμωνιοποίησης και αεριοποίησής της, της νιτροποίησης, της απονιτροποίησης και της ανοργανοποίησης καθώς και ο τρόπος κατεργασίας του εδάφους.

87 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 73 (ΑΜ: είναι η αμμωνιοποίηση, ΝΙ: η νιτροποίηση, ΙΜ: η ακινητοποίηση, DN: η απονιτροποίηση, VL: η αεριοποίηση, UP: η πρόσληψη από το φυτό, FX: η σταθεροποίηση στη ζωντανή φυτομάζα, RO: η επιφανειακή απορροή, SED: η προσρόφηση στα φερτά υλικά και η διάβρωση, PERC: η βαθιά διήθηση, RA: η διαλυτοποίηση στο νερό της βροχής.) Σχήμα 4.7 Σχηματική αναπαράσταση των μετασχηματισμών του αζώτου και της ροής των διαφόρων μορφών του (Knisel, 1993) Ανοργανοποίηση του αζώτου (νιτροποίηση και αμμωνιοποίηση) Το οργανικό άζωτο του εδάφους προέρχεται από τα φυτικά και τα ζωικά υπολείμματα. Οι δύο αυτές πηγές συνεισφέρουν ανόργανο άζωτο στο σύστημα μέσω της διαδικασίας της ανοργανοποίησης. Η διαδικασία της ανοργανοποίησης χωρίζεται σε δύο περιπτώσεις. Η πρώτη περίπτωση αφορά την ανοργανοποίηση της υπάρχουσας οργανικής ουσίας (φυτική και ζωική) που βρίσκεται στο έδαφος με τη μορφή χούμου-τύρφης και η δεύτερη την ανοργανοποίηση της οργανικής ουσίας που προέρχεται από πρόσφατη εφαρμογή φυτικών και

88 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 74 ζωικών υπολειμμάτων, τα οποία εντάσσονται στα πλαίσια της καλλιεργητικής πρακτικής. Οι εξισώσεις που περιγράφουν τις διαδικασίες της, βασίζονται στις παραδοχές των Sharpley and Williams (1990) Ανοργανοποίηση του οργανικού αζώτου του χούμου Η ανοργανοποίηση του αζώτου του χούμου γίνεται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο υφίσταται η αμμωνιοποίηση με μια πρώτης τάξης κινητική αντίδραση, ενώ στο δεύτερο στάδιο η νιτροποίηση με μια μηδενικής τάξης κινητική αντίδραση. 1 ο στάδιο (αμμωνιοποίηση) Η διαδικασία της μετατροπής του οργανικού αζώτου των φυτικών και ζωικών υπολειμμάτων του χούμου σε απλούστερες οργανικές ενώσεις και εν τέλει σε ανόργανες μορφές αζώτου εξαρτάται από τον παράγοντα (C/N). Σύμφωνα με την προσέγγιση των Sharpley and Williams (1990), η ποσότητα του οργανικού αζώτου από τα φυτικά και τα ζωικά υπολείμματα του χούμου, διαχωρίζεται σε δύο κλάσματα. Στο πρώτο πραγματοποιείται η ανοργανοποίηση για τιμές του C/N<25, ενώ για τιμές C/N>25 αναστέλλεται η διαδικασία. Το κλάσμα, στο οποίο πραγματοποιείται η ανοργανοποίηση, ονομάζεται ενεργό κλάσμα του χούμου και παρέχει μια δυνητική ποσότητα του ενεργού οργανικού αζώτου προς ανοργανοποίηση POTMN (kg/ha), ενώ το άλλο ονομάζεται ανενεργό κλάσμα του χούμου και περιέχει αποθηκευμένη ποσότητα οργανικού αζώτου SOILN (kg/ha), στο οποίο όταν ο C/N<25, διοχετεύει στο POTMN άζωτο με μια ροή (RON) (kg/ha/d). Η ροή του οργανικού αζώτου ανάμεσα στα δύο κλάσματα γίνεται μέσω της εξίσωσης: 1 RONi = BKN POTMNi SOILN i (4.88) RTNi όπου RON i : η ροή του οργανικού αζώτου ανάμεσα στο ενεργό και ανενεργό κλάσμα ανοργανοποίησης (kg/ha/d), BKN: η σταθερά ρυθμού ροής μεταξύ του ενεργού και ανενεργού κλάσματος του χούμου (1x10-5 kg N/ha/d), RTN i : ο λόγος του άμεσα ανοργανοποιήσιμου αζώτου προς το ολικό άζωτο του χούμου, POTMN i : η δυνητική ποσότητα οργανικού αζώτου στο ενεργό κλάσμα ανοργανοποίησης (kg/ha), SOILN i : η ποσότητα του αζώτου που αποθηκεύεται στο ανενεργό κλάσμα ανοργανοποίησης (kg/ha), i: η υπολογιστική στρώση εδάφους. Όταν το RON i παίρνει θετικές τιμές, τότε αφαιρείται από το POTMN i και προστίθεται στο SOILN i ενώ όταν παίρνει αρνητικές τιμές συμβαίνει το αντίστροφο. Ο λόγος του άμεσα ανοργανοποιήσιμου αζώτου προς το ολικό άζωτο στα δύο κλάσματα ανοργανοποίησης του χούμου RTN i δίνεται από την εξίσωση:

89 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 75 RTN i = POTMN ( POTMN + SOILN ) i i i (4.89) Η ποσότητα του αζώτου που ανοργανοποιείται και μετατρέπεται σε αμμωνιακό από το ενεργό κλάσμα του χούμου POTMN i δίνεται από την εξίσωση: = ( ) MNi CMN POTMNi SWFAi TFAi (4.90) όπου ΜΝ i : η ποσότητα του αζώτου που ανοργανοποιείται από το ενεργό κλάσμα του POTMN i με τη μορφή αμμωνίας (kg/h/day), CMN: η σταθερά ανοργανοποίησης ( kg/h/d), TFA i : ο παράγοντας επίδρασης της θερμοκρασίας στην αμμωνιοποίηση και SWFA i : ο παράγοντας επίδρασης της εδαφικής υγρασίας στην αμμωνιοποίηση. Η ημερήσια ποσότητα αμμωνίας που προκύπτει από την ανοργανοποίηση προστίθεται στο αμμωνιακό άζωτο ΑΜΟΝ και αφαιρείται από το ενεργό κλάσμα του χούμου POTMN. Ο παράγοντας επίδρασης της εδαφικής υγρασίας στη διαδικασία της αμμωνιοποίησης δίνεται από την εξίσωση: i ( SWi WPi) ( FC WP ) SWFA = για SW FC (4.91) i όπου SW i : η εδαφική υγρασία κατ όγκο (cm 3 /cm 3 ), WP i : η κατ όγκο υγρασία στο σημείο μόνιμης μάρανσης (1500kPa) (cm 3 /cm 3 ) και FC i : η κατ όγκο υγρασία στην υδατοϊκανότητα (33kPa) (cm 3 /cm 3 ). Ο παράγοντας επίδρασης της θερμοκρασίας στην αμμωνιοποίηση δίνεται από την εξίσωση: i i Ti TFAi = για Ti > 0 T + exp ( T ) και (4.92) TFA = 0 για T 0 i όπου Τ i : η μέση ημερήσια θερμοκρασία εδάφους ( o C). 2 ο στάδιο (νιτροποίηση) Το δεύτερο στάδιο ανοργανοποίησης περιλαμβάνει τη νιτροποίηση του αμμωνιακού αζώτου, που προέκυψε από το πρώτο στάδιο ανοργανοποίησης, σε νιτρικό άζωτο. Η νιτροποίηση περιγράφεται με μια μηδενικής τάξης κινητική αντίδραση, δηλαδή ο ρυθμός νιτροποίησης δεν είναι συνάρτηση της συγκέντρωσης της αμμωνίας στην εδαφική στρώση. Ο ρυθμός νιτροποίησης δίνεται από την εξίσωση: NIT TFN SWFN i i 0.5 i i i = (4.93) SOILMSi όπου NIT i : ο ρυθμός νιτροποίησης (kg/ha/d), SWFN i : ο παράγοντας επίδρασης της εδαφικής υγρασίας στη νιτροποίηση, ΤFN i : ο παράγοντας επίδρασης της θερμοκρασίας στη νιτροποίηση

90 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 76 και SOILMS i : η εδαφική μάζα (Mg/ha). Ενδεικτική τιμή του μέγιστου ρυθμού νιτροποίησης είναι τα 14mg NO 3 -N/kg εδάφους/day. Η ποσότητα του ΝΙΤ i προστίθεται στη μάζα του νιτρικού αζώτου SNO3 i (kg/ha) και αφαιρείται από τη μάζα του αμμωνιακού αζώτου AMON i ανά ημέρα. Ο παράγοντας επίδρασης της θερμοκρασίας στη νιτροποίηση του δευτέρου σταδίου ανοργανοποίησης δίνεται από τις εξισώσεις: TFN = 0 για T 0 o C i i TFN = T για 0 < T 10 o C (4.94) i i i o TFNi = exp για Ti > 10 C ( Ti + 273) Ο παράγοντας επίδρασης της εδαφικής υγρασίας στη νιτροποίηση του δευτέρου σταδίου ανοργανοποίησης δίνεται από τις εξισώσεις: SWFNi = 0 για SWi < WP i SW WP SWFN = για WP < SW FC (4.95) i i i i i FCi WPi SWi FC i SWFNi = 1 για FCi < SWi < SATi SATi FCi SWFN = 0 για SW SAT i όπου SAT i : η εδαφική υγρασία κατ όγκο στον κορεσμό (cm 3 /cm 3 ), SW i : η εδαφική υγρασία κατ όγκο (cm 3 /cm 3 ), WP i : η κατ όγκο υγρασία στο σημείο μόνιμης μάρανσης (1500 kpa) (cm 3 /cm 3 ) και FC i : η κατ όγκο υγρασία στην υδατοϊκανότητα (33 kpa) (cm 3 /cm 3 ). i i i Ανοργανοποίηση του οργανικού αζώτου των φρέσκων φυτικών και ζωικών υπολειμμάτων Η ανοργανοποίηση της φρέσκιας οργανικής ουσίας, η οποία προέρχεται από φυτικά και ζωικά υπολείμματα περιλαμβάνει επίσης τη διαδικασία της αμμωνιοποίησης και της νιτροποίησης. Το φρέσκο οργανικό άζωτο, το οποίο προέρχεται από τα φυτικά υπολείμματα, ανοργανοποιείται μέσω της αμμωνιοποίησης σύμφωνα με την εξίσωση: RMN = DCR FON (4.96) i i i όπου RMN: ο ρυθμός ανοργανοποίησης του φρέσκου οργανικού αζώτου (kg/ha/day), DCR: ο ρυθμός αποσύνθεσης των φυτικών υπολειμμάτων (1/day) και FON: η μάζα οργανικού αζώτου φρέσκων φυτικών υπολειμμάτων (kg/ha). Ο ρυθμός αποσύνθεσης των φυτικών υπολειμμάτων δίνεται από την εξίσωση:

91 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 77 [ ] 0.5 DCR = CNP RC SWFA TFA (4.97) i i i i i όπου CNP: ο παράγοντας των κλασμάτων C/N και C/P, RC: η τιμή καθορισμού της σύνθεσης των φυτικών υπολειμμάτων και οι παράγοντες SWFA και TFA όπως ορίστηκαν στην εξίσωση (4.90). Ο παράγοντας των κλασμάτων C/N και C/P δίνεται από την εξίσωση: ( CNR ) ( CPR ) exp / 25 CNPi = min exp / όπου CNR: ο λόγος C/N και CPR: ο λόγος C/P και δίνονται αντίστοιχα από τις εξισώσεις: και 0.58( FRESi + OMAWi) CNRi = FONi + ORGNWi + SNO3i + AMONi i ( FRES + OMAW ) 0.58 i i CPRi = FOP + ORGPW + PLAB i i (4.98) (4.99) (4.100) όπου FRES: η μάζα των φυτικών υπολειμμάτων (kg/ha), OMAW: η μάζα οργανικής ουσίας των ζωικών υπολειμμάτων (kg/ha), FON: η μάζα οργανικού αζώτου φρέσκων φυτικών υπολειμμάτων (kg/ha), ORGNW: η μάζα οργανικού αζώτου στα ζωικά υπολείμματα (kg/ha), SNO3: η μάζα του νιτρικού αζώτου (kg/ha), AMON: η μάζα του αμμωνιακού αζώτου (kg/ha), FOP: η μάζα οργανικού φωσφόρου στα φρέσκα φυτικά υπολείμματα (kg/ha), ORGPW: η μάζα οργανικού φωσφόρου στα φρέσκα ζωικά υπολείμματα (kg/ha), PLAB: η μάζα του εύκολα κινητοποιήσιμου φωσφόρου στο έδαφος (kg/ha). Η τιμή της σύνθεσης της οργανικής ουσίας RC στην εξίσωση (4.97) υπολογίζεται από τα στάδια αποσύνθεσης των φυτικών υπολειμμάτων. Το πρώτο στάδιο αποσύνθεσης αφορά τους υδατάνθρακες και τα εσωτερικά στοιχεία των κυττάρων τα οποία σύμφωνα με το μοντέλο αποτελούν το 20% της συνολικής μάζας, το δεύτερο αφορά την κελουλόζη (20-90%) και το τρίτο τη λιγνίνη (10%). Σύμφωνα με τα παραπάνω η τιμή καθορισμού της σύνθεσης των φυτικών υπολειμμάτων δίνεται από τις εξισώσεις: RCi RCi RCi = 0.8 για DECOMP 20% = 0.05 για 20% < DECOMP 90% (4.101) = για DECOMP > 90% όπου DECOMP: το ποσοστό των φρέσκων φυτικών υπολειμμάτων που αποσυνθέθηκαν σε σχέση με την αρχική ποσότητά τους. Ο ρυθμός ανοργανοποίησης του οργανικού αζώτου που προέρχεται από τα φρέσκα ζωικά υπολείμματα δίνεται από την εξίσωση:

92 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 78 AWMN i = (4.102) AWDCRi ORGNW i όπου AWMN: ο ρυθμός ανοργανοποίησης οργανικού αζώτου από τα φρέσκα ζωικά υπολείμματα (kg/ha/day), AWDCR: ο ρυθμός αποσύνθεσης των ζωικών υπολειμμάτων (kg/ha/day) και ORGNW: το οργανικό άζωτο στα ζωικά υπολείματα (kg/ha). Ο ρυθμός αποσύνθεσης των ζωικών υπολειμμάτων δίνεται με τον ίδιο τρόπο όπως των φυτικών υπολειμμάτων από την εξίσωση: [ ] 0.5 AWDCR = CNP AWRC SWFA TFA (4.103) i i i i i όπου AWDCR: ο ρυθμός αποσύνθεσης των ζωικών υπολειμμάτων (kg/ha/day) και AWRC: η τιμή καθορισμού της σύνθεσης των ζωικών υπολειμμάτων. Η τιμή της σύνθεσης των ζωικών υπολειμμάτων καθορίζεται όπως και στα φυτικά υπολείμματα κι έχει ως εξής: AWRCi AWRCi AWRCi = 0.8 για DECOMP 20% = 0.05 για 20% < DECOMP 90% (4.104) = για DECOMP > 90% Η μόνη διαφορά ανάμεσα στις σχέσεις (4.101) και (4.104) είναι σχετική μάζα των φυτικών και των ζωικών υπολειμμάτων. Στην επιφανειακή στρώση του 1 cm ο παράγοντας εδαφικής υγρασίας για την αμμωνιοποίηση AWFA 1, υπολογίζεται με τη θερμοκρασία αέρα και όχι την εδαφική θερμοκρασία όπως στις υπόλοιπες εδαφικές στρώσεις Ακινητοποίηση αζώτου Ο λόγος C/N του εδάφους πρέπει να είναι ελαφρώς μικρότερος από την τιμή 25:1 για την επιβίωση του βέλτιστου πληθυσμού μικροοργανισμών για ανοργανοποίηση του οργανικού αζώτου. Όταν ο λόγος είναι μεγαλύτερος από 25, οι μικροοργανισμοί αυξάνονται περισσότερο απ όσο πρέπει με αποτέλεσμα να αφομοιώνουν τις άμεσα διαθέσιμες πηγές (νιτρικό και αμμωνιακό άζωτο του εδάφους) έως ότου ο λόγος C/N επανέλθει στα φυσιολογικά επίπεδα της αναλογίας 25:1. Ο ρυθμός ακινητοποίησης του αζώτου (kg/ha/day) από τους μικροοργανισμούς δίνεται από την εξίσωση: ( ) WIMN = DCR FRES c fr (4.105) i i i n όπου WIMN: ο ρυθμός ακινητοποίησης του αζώτου (kg/ha/day) και c nfr : η συγκέντρωση αζώτου στη μάζα των φρέσκων φυτικών υπολειμμάτων (kg N/kg φυτομάζας), DCR: ο ρυθμός αποσύνθεσης των φυτικών υπολειμμάτων (kg/ha/day) και FRES: η μάζα των φρέσκων φυτικών υπολειμμάτων. Η τιμή προκύπτει από τις παραδοχές ότι ο άνθρακας C αποτελεί το 40% της ολικής μάζας του FRES και από ένα μέσο όρο δέκα τιμών του C/N για τη

93 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 79 μικροβιακή μάζα και τα προϊόντα της (Knisel et al., 1993). Η συγκέντρωση του αζώτου c nfr στη μάζα των φρέσκων φυτικών υπολειμμάτων FRES υπολογίζεται από την εξίσωση: i ( cnfr ) i FON = (4.106) FRES όπου FON: η μάζα οργανικού αζώτου φρέσκων φυτικών υπολειμμάτων (kg/ha). Αν η ποσότητα του διαθέσιμου νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου είναι λιγότερη από την ποσότητα που υπολογίζει η εξίσωση (4.105), η παράμετρος DCR (ρυθμός αποσύνθεσης των φυτικών υπολειμμάτων) μετασχηματίζεται σε ένα νέο ρυθμισμένο ρυθμό αποσύνθεσης των φυτικών υπολειμμάτων DCRPR ο οποίος δίνεται από την εξίσωση: i DCRPRi = FRES i ( SNO + AMON ) i ( cnf r) i i i ) ) (4.107) Ο νέος ρυθμισμένος ρυθμός αποσύνθεσης των φυτικών υπολειμμάτων (DCRPR), επιτρέπει μόνο το 95% του διαθέσιμου νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου στην i-υπολογιστική στρώση να ακινητοποιηθεί. Ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν, η μάζα των φρέσκων φυτικών υπολειμμάτων μειώνεται σύμφωνα με την εξίσωση: ( ) ( ) αν ( 3 FRES = FRES DCR FRES WIMN AMON + SNO i i o i i o i i και (4.108) ( ) ( ) αν ( 3 FRES = FRES DCRPR FRES WIMN > AMON + SNO i i o i i o i i όπου ο δείκτης ο υποδηλώνει την τιμή του FRES στην υπολογιστική στρώση i κατά την έναρξη της ημέρας. Η ποσότητα αζώτου που ακινητοποιείται προστίθεται στη μάζα του οργανικού αζώτου των φρέσκων φυτικών υπολειμμάτων (FON) Απονιτροποίηση Κατά την απονιτροποίηση ένα μέρος της νιτρικής μορφής του εδαφικού αζώτου μετατρέπεται σε αζωτούχες αέριες ενώσεις από βακτήρια κάτω από αναερόβιες συνθήκες. Η διεργασία αυτή είναι πολύ σημαντική ιδίως σε πολύ υγρές περιοχές όπου παρατηρείται αυξημένη διήθηση ή υψηλή υπόγεια στάθμη. Η διεργασία περιγράφεται με μια πρώτης τάξης κινητική αντίδραση, η οποία είναι συνάρτηση του ενεργού εδαφικού άνθρακα. Η συγκέντρωση του ενεργού άνθρακα δίνεται από την εξίσωση: SC i 18POTMNi ( FRESi + OMAWi) = SOILMS i (4.109)

94 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 80 όπου SC: ο ενεργός εδαφικός άνθρακας (mg/g). Οι υπόλοιπες παράμετροι έχουν αναφερθεί παραπάνω. Ο ημερήσιος ρυθμός αποσύνθεσης του ενεργού εδαφικού άνθρακα (mg/g/day), δίνεται από την εξίσωση: DK i ( SC ) = i (4.110) Η μάζα του νιτρικού αζώτου που απονιτροποιείται (kg/ha) δίνεται από την εξίσωση: { [ ]} DNIi = SNO3i 1 exp DKi TFDNi SWFDi Ο παράγοντας επίδρασης της θερμοκρασίας στην απονιτροποίηση δίνεται από την εξίσωση: TFDN TSCi i = TSC + exp TSC i ( i ) (4.111) (4.112) όπου ΤSC: η μέση ημερήσια θερμοκρασία εδάφους στην υπολογιστική στρώση i. Ο παράγοντας επίδρασης της εδαφικής υγρασίας στην απονιτροποίηση υποδηλώνει ότι η διεργασία αυτή πρέπει να ξεκινάει όταν η εδαφική υγρασία είναι 10% πάνω από την υδατοϊκανότητα και δίνεται από την εξίσωση: ( ) ( ) SWi FCi 0.1 SATi FCi SWFD + i = SAT i FC i SAT i FC i (4.113) όπου SAT i : εδαφική υγρασία κατ όγκο στον κορεσμό (cm 3 /cm 3 ), SW i : εδαφική υγρασία κατ όγκο (cm 3 /cm 3 ) και FC i : κατ όγκο υγρασία στην υδατοϊκανότητα (33kPa) (cm 3 /cm 3 ). Η ποσότητα που απονιτροποιείται αφαιρείται από κάθε εδαφική στρώση. Η δομή του μοντέλου λαμβάνει υπόψη την απονιτροποίηση στις επιφανειακές στρώσεις όταν υφίστανται βροχή ή άρδευση καθώς και όταν το διηθούμενο νερό φτάνει στα βαθύτερα στρώματα και για το χρόνο που βρίσκεται η υπόγεια στάθμη στα στρώματα αυτά Μεταβολή της συγκέντρωσης του αζώτου στην επιφανειακή στρώση λόγω επιφανειακής απορροής, διάβρωσης και διήθησης Κατά τη διάρκεια της βροχόπτωσης ή της άρδευσης και όταν η ένταση της βροχόπτωσης είναι μεγαλύτερη από τη διηθητικότητα του εδάφους, το νερό λιμνάζει στην επιφάνεια και αρχίζει η επιφανειακή απορροή. Στο μοντέλο GLEAMS, οι μεταβολές της μάζας των χημικών ουσιών λόγω διήθησης και επιφανειακής απορροής υφίστανται στην επιφανειακή εδαφική στρώση του 1 cm και εξαρτώνται από τις χημικές και φυσικές ιδιότητες του εδάφους. Όταν ξεκινάει η επιφανειακή απορροή, το νερό που κινείται πάνω στην επιφανειακή στρώση αποσπά από αυτή ένα μέρος της μάζας των θρεπτικών στοιχείων, η ποσότητα των οποίων εξαρτάται από ένα συντελεστή κατανομής της συγκέντρωσης τους στη στερεά και στην υγρή φάση του επιφανειακού εδάφους. Ο συντελεστής κατανομής δίνεται από την εξίσωση:

95 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 81 K C s d = (4.114) Cw όπου C s : η προσροφημένη συγκέντρωση της χημικής ένωσης στο έδαφος της επιφανειακής στρώσης (mg/g) και C w : η συγκέντρωση της χημικής ένωσης στην υγρή φάση της επιφανειακής στρώσης (mg/g). Η συγκέντρωση της χημικής ένωσης στην υγρή φάση της επιφανειακής στρώσης δίνεται από την εξίσωση: C w Cavβ = (4.115) 1 + β Κ όπου C av : η διαθέσιμη συγκέντρωση της χημικής ουσίας στην επιφανειακή στρώση για απορροή και β: ο συντελεστής απόσπασης της ένωσης από τη στερεά φάση. Με τον ίδιο τρόπο η συγκέντρωση της χημικής ένωσης στη στερεή φάση της επιφανειακής στρώσης δίνεται από την εξίσωση: C s d Cavβ Κ d = (4.116) 1 + β Κ Όταν στις εξισώσεις (4.115) και (4.116) το Κ d = 0 τότε C w =β C av και C s =0 αντίστοιχα. Οι εξισώσεις (4.114), (4.115) και (4.116) είναι γενικές εξισώσεις και στην περίπτωση του αμμωνιακού και νιτρικού αζώτου μετασχηματίζονται και παίρνουν τις μορφές που θα περιγραφούν στη συνέχεια. Το νιτρικό άζωτο δεν προσροφάται στη στερεά φάση του εδάφους, αλλά βρίσκεται στο εδαφικό διάλυμα (δηλαδή Κ d =0) και επομένως, η προσροφημένη συγκέντρωση του νιτρικού αζώτου στα εδαφικά τεμαχίδια θα είναι CNO3S=0 σύμφωνα με την εξίσωση (4.116). Η συγκέντρωση του νιτρικού αζώτου στο εδαφικό διάλυμα (mg/l), η οποία αποτελεί και τη διαθέσιμη συγκέντρωση νιτρικού αζώτου στην επιφανειακή στρώση για απορροή, σύμφωνα με την εξίσωση (4.115), θα είναι: C av NO3 1 d 3 10 SNO31 = CNO3W = 0.5 (4.117) SOILMS όπου SNO3: η μάζα του νιτρικού αζώτου (kg/ha) και SOILMS i : η μάζα του εδάφους (Mg/ha) στην επιφανειακή στρώση του 1 cm, αντίστοιχα. Το αμμωνιακό άζωτο προσροφάται στα εδαφικά τεμαχίδια της αργίλου (Selim and Iskandar, 1981). Για το λόγο αυτό εισάχθηκε ένας εμπειρικός συντελεστής αναλογίας της συγκέντρωσης του αμμωνιακού αζώτου στη στερεά και στην υγρή φάση του εδάφους, ο οποίος δίνεται από τη σχέση: CNHKDi 1 = CL i (4.118)

96 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 82 όπου CL i : το ποσοστό (%) των τεμαχιδίων της αργίλου στην εδαφική στρώση i. Ο συντελεστής απόσπασης του αμμωνιακού αζώτου β nh, υπολογίζεται από τις εξισώσεις: β nh 0.5 για CNHKD 1 = exp( Kd ) για 1.0 < CNHKD για CNHKD > 10 (4.119) Η διαθέσιμη συγκέντρωση αζώτου στην επιφανειακή στρώση του 1 cm για απορροή, δίνεται από την εξίσωση: C = CNH4 exp av-νη4 1 ( CNHKD) ( F ABST) POR POR 1 (4.120) όπου CNH4: η ολική συγκέντρωση του αμμωνιακού αζώτου στην εδαφική στρώση του 1 cm (mg/g), F: η αθροιστική διηθητικότητα (cm), POR: το πορώδες της επιφανειακής στρώσης και ABST: η αρχική συγκράτηση υγρασίας από τη βροχόπτωση ή άρδευση (cm). H ολική συγκέντρωση του αμμωνιακού αζώτου στην εδαφική στρώση του 1 cm CNH4 (mg/g) και η αρχική συγκράτηση υγρασίας ΑBST (cm) δίνεται από την εξίσωση: CNH 4 10 AMON = SOILMS1 ( ) (4.121) ABST = SAT SW (4.122) Μετά τον υπολογισμό των παραπάνω παραμέτρων και σύμφωνα με τις σχέσεις (4.114) και (4.115), η συγκέντρωση του αμμωνιακού αζώτου στο εδαφικό διάλυμα CNH4W 1 (mg/l) και η συγκέντρωση του προσροφημένου αμμωνιακού αζώτου στα εδαφικά τεμαχίδια CNH4S 1 (mg/g) για την επιφανειακή στρώση του 1 cm, θα είναι αντίστοιχα: 3 10 AMON ( F ABST ) β 1 nh CNH 4W = exp 1 SOILMS 1 POR (4.123) 1 1 ( 1+ β CNHKD nh 1 ) CNHKD + POR και CNH 4S1 CNH 4W 1 CNHKD 1 = (4.124) Μετά τον καθορισμό των συγκεντρώσεων του αμμωνιακού και του νιτρικού αζώτου στη στερεή και στην υγρή φάση του εδάφους καθώς και της διαθέσιμης ποσότητας τους για απορροή, ακολουθεί ο προσδιορισμός της ποσότητάς τους που μεταφέρεται με την επιφανειακή απορροή και τη διήθηση.

97 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 83 Για το νιτρικό άζωτο, η ποσότητα που εκρέει από μια επιφάνεια με την επιφανειακή απορροή δίνεται από την εξίσωση: ( ) RONO3= 0.1 CNO3W Q (4.125) όπου RONO3: η ποσότητα του αζώτου που εκρέει με την επιφανειακή απορροή (kg/ha) και Q: η επιφανειακή απορροή (cm). Αντίστοιχα για το αμμωνιακό άζωτο, η ποσότητα που εκρέει με την επιφανειακή απορροή (kg/ha) δίνεται από την εξίσωση: RONH 4= 0.1 CNH 4W Q Οι ολικές απώλειες αζώτου με την επιφανειακή απορροή (kg/ha), θα είναι: 1 1 (4.126) TRON = RONO3+ RONH3 (4.127) Ένα μέρος του αμμωνιακού αζώτου που είναι προσροφημένο στα τεμαχίδια της αργίλου, τα οποία αποτελούν τη μάζα των φερτών υλικών που προέρχονται από τη διάβρωση, υφίστανται μεταφορά και εντέλει απώλειες μέσω της στερεοπαροχής. Η μάζα του αμμωνιακού αζώτου στα φερτά υλικά (kg/ha), δίνεται από την εξίσωση: SEDNH = 0.1 SY ER CNH 4S (4.128) όπου SY: η μάζα των φερτών υλικών ανά μονάδα επιφανείας (kg/ha) και ER: ο συντελεστής εμπλουτισμού φερτών υλικών με αμμωνιακό άζωτο. Ο συντελεστής εμπλουτισμού δίνεται από την εξίσωση: ER SS SS 1 sed = (4.129) όπου SS sed : η ειδική επιφάνεια φερτών υλικών και SS soil : η ειδική επιφάνεια εδάφους χωρίς τα φερτά υλικά. Η μεταφορά νιτρικών και αμμωνιακών με την επιφανειακή απορροή μειώνει τη μάζα του αζώτου που βρίσκεται στην επιφανειακή στρώση και είναι διαθέσιμη για διήθηση. Το νιτρικό άζωτο το οποίο παραμένει στην επιφανειακή στρώση μετά την απορροή δίνεται από την εξίσωση: 1 0 soil SNO3 = SNO3 RONO3 (4.130) όπου SNO3 0 : η μάζα του νιτρικού αζώτου στην επιφανειακή στρώση πριν την απορροή (kg/ha) και SNO3 1 : η μάζα του νιτρικού αζώτου στην επιφανειακή στρώση μετά την απορροή (kg/ha). Το αμμωνιακό άζωτο το οποίο παραμένει στην επιφανειακή στρώση μετά την απορροή δίνεται από την εξίσωση: AMON1 = AMON0 RONH 4 SEDNH (4.131) Η αρχική διαθέσιμη ποσότητα νιτρικού αζώτου (kg/ha) για επιφανειακή απορροή και διήθηση στην επιφανειακή στρώση του 1 cm δίνεται από την εξίσωση:

98 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 84 AVNOMS = CNO3 1 SOILMS 1 (4.132) όπου CNO3: η συγκέντρωση νιτρικού αζώτου εδάφους ανά μονάδα μάζας ξηρού εδάφους (mg/g), η οποία ισούται με τη συγκέντρωση νιτρικού αζώτου της υγρής φάσης CNO3W επειδή η προσροφημένη συγκέντρωση νιτρικού αζώτου στα εδαφικά τεμαχίδια CNO3S είναι μηδενική. Αντίστοιχα, η αρχική διαθέσιμη ποσότητα αμμωνιακού αζώτου (kg/ha) για επιφανειακή απορροή και διήθηση στην επιφανειακή στρώση του 1 cm δίνεται από την εξίσωση: AVNHMS = CNH 4 1 SOILMS 1 (4.133) όπου CNH4: η ολική συγκέντρωση αμμωνιακού αζώτου στο έδαφος (mg/g). Η διαθέσιμη ποσότητα του νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου για διήθηση (kg/ha) δίνεται από τις εξισώσεις: και [ ] PRNOMS = AVNOMS C SOILMS (4.134) 1 av NO3 [ ] PRNHMS = AVNHMS C SOILMS (4.135) 1 av NH 4 όπου C av : η διαθέσιμη συγκέντρωση νιτρικού ή αμμωνιακού αζώτου (mg/g), της αντίστοιχης μορφής αζώτου ανάλογα με τον δείκτη, AVNOMS και AVNHMS: οι αρχικές διαθέσιμες ποσότητες νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου αντίστοιχα για απορροή και διήθηση και SOILMS i : η ολική μάζα εδάφους (Mg/ha). Οι μέσες συγκεντρώσεις νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου, PERCNO και PERCNH αντίστοιχα (mg/l), που διηθούνται από την επιφανειακή στρώση του 1 cm δίνονται αντίστοιχα από τις εξισώσεις: και 0.1PRNOMS PERCNO1 = (4.136) PERC PERCNH PRNHMS = (4.137) PERC όπου PERC 1 : το ύψος νερού που διηθείται από την επιφανειακή στρώση (cm). Οι μεταβολές των συγκεντρώσεων νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου στο έδαφος κάτω από τη στρώση του 1 cm υπολογίζεται με την παρακάτω διαδικασία: Η μεταφερομένη μάζα αζώτου με το νερό διήθησης, η οποία κινείται προς τη δεύτερη στρώση, προστίθεται στη μάζα του νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου, αντίστοιχα με τις εξισώσεις: 1 [ ] SNO3i SNO3i PERCNOi 1 PERC i 1 = + (4.138)

99 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 85 και [ ] AMONi AMONi PERCNHi 1 PERC i 1 = + (4.139) Παρόμοια είναι η διαδικασία και στις επόμενες στρώσεις αντίστοιχα, όπου i-1: η στρώση εκροής και i: η στρώση εισροής. Στο τέλος κάθε υπολογιστικού βήματος, υπολογίζεται το αποθηκευμένο ύψος νερού σε κάθε εδαφική στρώση για την εξισορρόπηση του ισοζυγίου αζώτου, το οποίο δίνεται από την εξίσωση: ( ) ( ) ( ) WM = WM + PERC (4.140) +Δ +Δ i t t i t i 1 t t όπου WM: το αποθηκευμένο νερό στην εδαφική στρώση i (cm) και PERC: το νερό που εισέρχεται από την υπερκείμενη στρώση i-1 (cm). Επειδή το νιτρικό άζωτο δεν προσροφάται στο έδαφος, η συγκέντρωσή του στο εδαφικό διάλυμα της κάθε εδαφικής στρώσης (mg/l) υπολογίζεται από την εξίσωση: SNO3 10 CNO W = (4.141) WM i 3 i i Η συγκέντρωση του αμμωνιακού αζώτου στο εδαφικό διάλυμα της κάθε εδαφικής στρώσης (mg/l), το οποίο εν μέρει προσροφάται στο έδαφος, υπολογίζεται από την εξίσωση: AMONi 10 CNH 4Wi = (4.142) ( CNHKD i SOILMS i) + WM i Το άζωτο που μεταφέρουν τα φερτά υλικά, εκτός από την αμμωνία (SEDNH), προέρχεται και από το οργανικό άζωτο του εδάφους του ενεργού και ανενεργού κλάσματος ανοργανοποίησης (POTMN) και (SOILN), αντίστοιχα, καθώς και το οργανικό άζωτο των ζωικών υπολειμμάτων (ORGW), τα οποία βρίσκονται στην επιφανειακή στρώση του 1 cm. Επομένως, η μάζα του οργανικού αζώτου που μεταφέρουν τα φερτά υλικά, για κάθε μία από τις περιπτώσεις αυτές δίνεται από τις αντίστοιχες εξισώσεις: SEDMN SY ER POTMN SOILMS 1 = (4.143) και SY ER SOILN1 SEDSN = (4.144) SOILMS και SY ER ORGNW1 SEDON = (4.145) SOILMS ενώ η συνολική ποσότητα αζώτου που μεταφέρεται με τα φερτά υλικά (kg/ha) δίνεται από την εξίσωση: 1 1 1

100 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 86 SEDN = SEDNH + SEDMN + SEDSN + SEDON (4.146) όπου SEDMN: η μάζα του δυνητικά ανοργανοποιήσιμου οργανικού αζώτου POTMN στα ιζήματα (kg/ha), SY: η μάζα των φερτών υλικών ανά μονάδα επιφάνειας (kg/ha), SEDSN: η μάζα του ανενεργού οργανικού αζώτου SOILN στα φερτά υλικά (kg/ha), SEDON: η μάζα του οργανικού αζώτου από ζωικά υπολείμματα ORGNW στα φερτά υλικά (kg/ha), SEDN: η ολική ποσότητα αζώτου που μεταφέρουν τα φερτά υλικά (kg/ha), SEDNH: η μάζα του αμμωνιακού αζώτου στα φερτά υλικά (kg/ha), SOILMS i : η μάζα του εδάφους (Mg/ha) και ER: συντελεστής εμπλουτισμού φερτών υλικών με αμμωνιακό άζωτο Πρόσληψη αζώτου από την καλλιέργεια Στο μοντέλο GLEAMS λαμβάνεται υπόψη η πρόσληψη και του αμμωνιακού και του νιτρικού αζώτου από το φυτό. Παρόλο που το κάθε φυτικό είδος έχει διαφορετική συμπεριφορά πρόσληψης νιτρικών και αμμωνιακών, η πρόσληψη των δύο ανόργανων μορφών αζώτου στο μοντέλο περιγράφεται με τις ίδιες εξισώσεις και είναι ανάλογη με τη σχετική μάζα της κάθε μορφής σε κάθε εδαφική στρώση που συνεισφέρει στη διαπνοή. Η επί της εκατό συγκέντρωση αζώτου CN στη συνολική φυτομάζα υπολογίζεται ημερησίως από την παρακάτω εξίσωση: CN C GRT C 2 = 1 (4.147) όπου C1 και C2: εμπειρικοί συντελεστές και GRT: ο λόγος ανάπτυξης του φυτού, ο οποίος δίνεται από την εξίσωση: SUMLAI GRT = (4.148) POTLAI όπου SUMLAI: ο αθροιστικός δείκτης φυλλικής επιφάνειας (m 2 /m 2 ), και POTLAI: ο δυνητικός δείκτης φυλλικής επιφάνειας (m 2 /m 2 ) κάτω από συνθήκες πλήρης επάρκειας νερού και θρεπτικών στοιχείων. Ο λόγος ανάπτυξης του φυτού GRT χρησιμοποιείται και για τον υπολογισμό της ολικής ξηρής ουσίας TDM σε (kg/ha) σύμφωνα με την εξίσωση: TDM = GRT PY DMY (4.149) όπου PY: η δυνητική σοδειά συγκομιζόμενου προϊόντος (kg/ha) και DMY: ο λόγος ολικής ξηράς ουσίας TDM (kg/ha) προς την πραγματική σοδειά του συγκομιζόμενου προϊόντος HY (kg/ha), ο οποίος δίνεται από την εξίσωση: DMY = TDM HY (4.150) Μετά τον υπολογισμό των παραπάνω παραμέτρων, υπολογίζεται το ολικό άζωτο της ξηρής ουσίας TDMN (kg/ha) και η ημερήσια ζήτηση αζώτου DEMN (kg/ha), οι οποίες δίνονται αντίστοιχα από τις εξισώσεις:

101 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 87 και όπου d: το χρονικό βήμα (day). TDMN = 0.01 CN TDM (4.151) DEMNd TDMNd TDMN d 1 = (4.152) Η πρόσληψη του αζώτου εξαρτάται από τη διαθεσιμότητά του και από το νερό που προσλαμβάνει το φυτό από κάθε εδαφική στρώση. Η πρόσληψη της αμμωνίας και των νιτρικών από κάθε εδαφική στρώση i δίνονται αντίστοιχα από τις εξισώσεις: και UPNHi UPNOi = 0.1 CNH 4W TR (4.153) i i = 0.1 CNO3W TR (4.154) όπου CNH4W και CNO3W : η συγκέντρωση του αμμωνιακού και του νιτρικού αζώτου αντίστοιχα στην υγρή φάση (mg/l) και TR: η συνεισφορά νερού κάθε εδαφικής στρώσης για την ικανοποίηση των αναγκών της διαπνοής (cm). Η ολική πρόληψη αζώτου από το φυτό δίνεται από τη σχέση: ( ) 1, i i i i ntl i UPN = UPNH + UPNO = (4.155) όπου UPN: η ολική πρόσληψη αζώτου από το φυτό από όλες τις στρώσεις του εδάφους που συμμετέχουν στη διαπνοή (kg/ha), UPNH: η πρόσληψη αμμωνιακού αζώτου από το φυτό από κάθε στρώση εδάφους που συμμετέχει στη διαπνοή, UPNO: η πρόσληψη νιτρικού αζώτου από το φυτό από κάθε στρώση εδάφους που συμμετέχει στη διαπνοή (kg/ha), ntl: ο αριθμός των στρώσεων εδάφους που συμμετέχουν στη διαπνοή. Πολλές φορές όμως στη φύση είναι δυνατό οι ποσότητες του νιτρικού και του αμμωνιακού αζώτου να είναι σε πάρα πολλά υψηλά επίπεδα. Σε τέτοιες συνθήκες η ημερήσια ζήτηση αζώτου DEMN (kg/ha) παραμένει ως έχει, αλλά λόγω των υψηλών συγκεντρώσεων των μορφών του αζώτου CNH4W, CNO3W στο εδαφικό διάλυμα είναι δυνατό το φυτό να απορροφήσει ποσότητες πάνω από τις ανάγκες του DEMN (UPN>>DEMN). Το γεγονός αυτό στη φύση γίνεται αντιληπτό με την εμφάνιση σκούρου πράσινου (σχεδόν μαύρου) χρώματος στη φυτομάζα. Για την αντιμετώπιση του φαινομένου αυτού χρησιμοποιείται ένας παράγοντας ζήτησης αζώτου DEMNFAC, ο οποίος υπολογίζεται από την εξίσωση: DEMN DEMNFAC = (4.156) UPN όπου DEMN: η ζήτηση αζώτου (kg/ha). Ο παράγοντας ζήτησης αζώτου DEMNFAC χρησιμοποιείται για τον επαναπροσδιορισμό της πρόσληψης αμμωνιακού UPNH και νιτρικού αζώτου UPNO από το φυτό από κάθε υπολογιστική στρώση i, καθώς και τον

102 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 88 επαναπροσδιορισμό της ολικής πρόσληψης αζώτου UPN από το φυτό από όλες τις υπολογιστικές στρώσεις. Σύμφωνα με τα παραπάνω προκύπτουν οι νέες ρυθμισμένες τιμές από τις εξισώσεις: και και AJUPNHi AJUPNOi = DMNFAC UPNH i (4.157) = DMNFAC UPNO i (4.158) AJUPN = AJUPNH + AJUPNO = (4.159) ( ) 1, i i i ntl όπου AJUPNH: η νέα ρυθμισμένη πρόσληψη αμμωνιακού αζώτου από το φυτό από κάθε μία υπολογιστική στρώση i (kg/ha), AJUPNO: η νέα ρυθμισμένη πρόσληψη νιτρικού αζώτου από το φυτό από κάθε υπολογιστική στρώση i (kg/ha) και AJUPN: η νέα ρυθμισμένη ολική πρόσληψη αζώτου από το φυτό από όλες τις υπολογιστικές στρώσεις που συμμετέχουν στη διαπνοή (kg/ha). Στην περίπτωση που υπάρχει ανεπάρκεια αμμωνιακού και νιτρικού αζώτου για την κάλυψη των αναγκών πρόσληψης από το φυτό (δηλαδή UPN<DEMN), τότε το μοντέλο χρησιμοποιεί ένα παράγοντα καταπόνησης λόγω έλλειψης αζώτου SFN, ο οποίος μειώνει τον αθροιστικό δείκτη φυλλικής επιφάνειας της καλλιέργειας SUMLAI. Ο παράγοντας stress για το άζωτο υπολογίζεται από την εξίσωση: UPFAC SFN = 1 UPFAC + exp( UPFAC) (4.160) όπου UPFAC: ο παράγοντας πρόσληψης αζώτου, ο οποίος δίνεται από την εξίσωση: UPN UPFAC = 21 DEMN (4.161) όπου UPN: η ολική πρόσληψη αζώτου από το φυτό από όλες τις υπολογιστικές στρώσεις που συμμετέχουν στη διαπνοή (kg/ha) και DEMN: η ζήτηση αζώτου (kg/ha). Μετά το υπολογισμό του SFN από την εξίσωση (4.160), το μοντέλο λειτουργεί αντίστροφα από την (4.160) έως την (4.147) και επαναπροσδιορίζει όλες τις παραμέτρους. Στην περίπτωση καλλιεργειών που ευνοούνται από την αζωτοδέσμευση (π.χ. όσπρια), το μοντέλο λαμβάνει υπόψη ένα όριο κάτω από το οποίο δεν μπορεί να πέσει το διαθέσιμο άζωτο για πρόσληψη από το φυτό. Πιο συγκεκριμένα, η κατώτερη τιμή του αθροίσματος αμμωνιακού και νιτρικού αζώτου στην υγρή φάση από όλες τις υπολογιστικές στρώσεις για την περίπτωση της αζωτοδέσμευσης DLNL είναι 5 mg/l. Όταν αυτή υπολογίζεται από το μοντέλο και βρίσκεται χαμηλότερα από την τιμή αυτή, τότε θεωρεί ότι το φυτό απορροφά άζωτο από την ατμόσφαιρα. Επομένως, όταν ισχύει ότι:

103 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 89 CNH 4W + CNO3W > 5 mg / L (4.162) ( ) = 1, i i i ntl τότε το μοντέλο λειτουργεί κανονικά όπως και στις υπόλοιπες καλλιέργειες και η τιμή του αθροίσματος αμμωνιακού και νιτρικού αζώτου στην υγρή φάση, από όλες τις υπολογιστικές στρώσεις, υπολογίζεται κανονικά με την εξίσωση: DLNL = CNH W + CNO W = (4.163) ( 4 3 ) 1, i i i ntl Όταν η τιμή του αθροίσματος αμμωνιακού και νιτρικού αζώτου, στην υγρή φάση, από όλες τις υπολογιστικές στρώσεις πέφτει χαμηλότερα από την κατώτερη τιμή δηλαδή: CNH 4W + CNO3W < 5 mg / L (4.164) ( ) = 1, i i i ntl τότε το μοντέλο θεωρεί ότι λαμβάνει χώρα η αζωτοδέσμευση, η οποία συμπληρώνει το έλλειμμα μέχρι την τιμή των 5 mg/l, δηλαδή: DLNL = 5 mg / L (4.165) Αεριοποίηση της αμμωνίας Πέρα από τη διαδικασία της απονιτροποίησης (ενότητα ), το μοντέλο λαμβάνει υπόψη ότι αεριοποίηση αζώτου γίνεται με την αεριοποίηση της αμμωνίας και την άνοδο νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου προς την επιφάνεια κατά την εξάτμιση νερού από τις υπολογιστικές στρώσεις. Η εκροή του αζώτου με αεριοποίηση της αμμωνίας αντιμετωπίζεται με δύο διαφορετικούς τρόπους, οι οποίοι εξαρτώνται από την προέλευση (φυτικά ή ζωικά υπολείμματα) του αζώτου που αεριοποιείται αλλά και από τον τρόπο εφαρμογή τους. Εξαγωγή αποτελεσμάτων αεριοποίησης αμμωνίας από το μοντέλο γίνεται μόνο στην περίπτωση επιφανειακής εφαρμογής ζωικών υπολειμμάτων. Αντίθετα στην περίπτωση που το άζωτο προέρχεται από ζωικά υπολείμματα, τα οποία έχουν υποστεί ενσωμάτωση στο έδαφος αλλά και στην περίπτωση που το άζωτο προέρχεται από φυτικά υπολείμματα, το μοντέλο ενσωματώνει την αεριοποιημένη αμμωνία, η οποία ανέρχεται στην επιφάνεια, στο κλάσμα του αμμωνιακού αζώτου AMON της επιφανειακής στρώσης του 1 cm και το χρησιμοποιεί ξανά στις υπόλοιπες διαδικασίες. Οι παραπάνω παραδοχές βασίζονται σε μελέτες των M.P.S., (1983), N.S.C.U., (1982) και U.S. S.C.S., (1975), σύμφωνα με τις οποίες η εκροή αμμωνίας με αεριοποίηση από ζωικά υπολείμματα, τα οποία εφαρμόζονται επιφανειακά μπορεί να φτάσει μέχρι και 35% εντός πέντε ημερών, ενώ στην περίπτωση άμεσης ενσωμάτωσής τους στο έδαφος δύσκολα ξεπερνά το 5%. Η ποσότητα του αζώτου που διαφεύγει με αεριοποίηση της αμμωνίας από τα ζωικά υπολείμματα που εφαρμόστηκαν επιφανειακά, δίνεται από την εξίσωση (Reddy et al., 1979):

104 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 90 ( ) VOLN = AWNH 1 exp kv t (4.166) όπου VOLN: το αμμωνιακό άζωτο που διαφεύγει με την αεριοποίηση από τα ζωικά υπολείμματα (kg/ha), AWNH: η μάζα αμμωνιακού αζώτου στα ζωικά υπολείμματα (kg/ha), k v : σταθερά ρυθμού αεριοποίησης της αμμωνίας και t: χρόνος σε ημέρες. Η σταθερά ρυθμού αεριοποίησης της αμμωνίας δίνεται από την εξίσωση: 20 k ATP v = (4.167) όπου ATP: η μέση ημερήσια θερμοκρασία αέρα ( ο C). Η τιμή 20 στην εξίσωση (4.167) αποτελεί τη μέση ημερήσια θερμοκρασία αναφοράς αεριοποίησης. Kατά την εξάτμιση νερού από τις υπολογιστικές στρώσεις, το μοντέλο λαμβάνει υπόψη ότι συμπαρασύρεται και ανέρχεται νιτρικό και αμμωνιακό άζωτο προς την επιφάνεια. Η ποσότητα αυτή του αζώτου φτάνει μέχρι την επιφανειακή στρώση του 1 cm, από την οποία όμως δεν διαφεύγει ως αέριο αλλά εμπλουτίζει τα κλάσματα νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου της στρώσης αυτής. Η ποσότητα νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου που παρασύρεται από κάθε υπολογιστική στρώση με την εξάτμιση δίνεται αντίστοιχα από τις εξισώσεις: EVNOi = 0.1 EVAPi CNO3W i (4.168) και EVNH i = 0.1 EVAPi CNH 4W i (4.169) όπου EVNO και EVNH: η μάζα του νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου αντίστοιχα που παρασύρεται προς την επιφάνεια με την εξάτμιση από κάθε υπολογιστική στρώση i (kg/ha), EVAP: ύψος νερού που εξατμίζεται από κάθε υπολογιστική στρώση i και CNH4W και CNO3W: συγκέντρωση του αμμωνιακού και του νιτρικού αζώτου αντίστοιχα στην υγρή φάση (mg/l) Άζωτο άρδευσης-βροχόπτωσης και λίπανσης Στο μοντέλο λαμβάνεται υπόψη η εισροή αζώτου με την βροχόπτωση-άρδευση με την παραδοχή ότι το άζωτο που εισέρχεται είναι με τη μορφή νιτρικού αζώτου. Επιπλέον, γίνεται και η παραδοχή ότι η συγκέντρωση του νιτρικού αζώτου στο εισρεόμενο νερό παραμένει σταθερή για όλη την περίοδο προσομοίωσης. εξίσωση: Η ποσότητα νιτρικού αζώτου που εισέρχεται με τη βροχόπτωση-άρδευση δίνεται από την RN = 0.01 RCN ( P+ IR) (4.170) όπου RN: η ημερήσια εισρεόμενη ποσότητα νιτρικού αζώτου από τη βροχόπτωση και την άρδευση (kg/ha), RCN: η μέση συγκέντρωση νιτρικού αζώτου στο νερό της βροχόπτωσης-

105 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 91 άρδευσης (mg/l) και P+IR: το ύψος νερού βροχής-άρδευσης (cm). Η ποσότητα του RN που εισέρχεται, προστίθεται στη μάζα του νιτρικού αζώτου SNO3 της επιφανειακής στρώσης του 1 cm. Για τα λιπάσματα, το μοντέλο λαμβάνει υπόψη την εισροή αζώτου από ανόργανα λιπάσματα, φυτικά και ζωικά υπολείμματα. Επιπλέον λαμβάνεται υπόψη ο τρόπος εφαρμογής όπως π.χ. επιφανειακή εφαρμογή, ενσωμάτωση, έγχυση όταν αυτά είναι υγρά απόβλητα (αστικά απόβλητα) και υδρολίπανση. Λαμβάνεται υπόψη η % περιεκτικότητα αζώτου στο λίπασμα και οι αντίστοιχες ποσότητες νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου που το αποτελούν. Επιπλέον, στο μοντέλο γίνεται εισαγωγή των ημερομηνιών που εφαρμόστηκαν οι λιπάνσεις και διάφορες άλλες καλλιεργητικές εργασίες όπως π.χ. όργωμα και βάθος άροσης, τα οποία ανακατανέμουν τις συγκεντρώσεις των λιπασμάτων και των υπολειμμάτων Ισοζύγιο αζώτου στο έδαφος Μετά την ανάλυση όλων των διαδικασιών που περιγράφει το μοντέλο για τον κύκλο του αζώτου, καταλήγουμε στο ημερήσιο ισοζύγιο αζώτου, το οποίο διαχωρίζεται για το νιτρικό και αμμωνιακό άζωτο. Οι εξισώσεις του ισοζυγίου μάζας για το νιτρικό και αμμωνιακό άζωτο δίνονται αντίστοιχα από τις σχέσεις: και ( 1 ) ( DNI RONO3 PRCLNO UPNO ) SNO3 = SNO3 + NIT + FENO3 + RN d d d d d d d d d AMON = ( AMON + FENH 4 + MN )-( NIT + RONH d d-1 d d d + PRCLNH + SEDNH + UPNH + VOLN d d d d ) 4 d (4.171) (4.172) όπου SNO3: η μάζα νιτρικού αζώτου στο έδαφος (kg ha -1 ), AMON: η μάζα αμμωνιακού αζώτου στο έδαφος (kg ha -1 ), NIT: η παραγόμενη ποσότητα νιτρικού αζώτου με τη νιτροποίηση (kg ha -1 ), FENO3 και FENH4: η ποσότητα νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου που εφαρμόζεται στο έδαφος, αντίστοιχα, με τη λίπανση (kg ha -1 ), RN : η εισροή νιτρικού αζώτου με το νερό της βροχής και της άρδευσης (kg ha -1 ), DNI: η εκροή νιτρικού αζώτου από την απονιτροποίηση (kg ha -1 ), RONO3 και RONH4: η εκροή νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου, αντίστοιχα, με την επιφανειακή απορροή (kg ha -1 ), UPNO και UPNH: η πρόσληψη νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου, αντίστοιχα, από τα φυτά (kg ha -1 ), ΜΝ: η παραγόμενη ποσότητα αμμωνιακού αζώτου με την ανοργανοποίηση (kg ha -1 ), PRCLNO και PRCLNH: η έκπλυση νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου, αντίστοιχα, με τη βαθιά διήθηση (kg ha -1 ), SEDNH: η εκροή από τη μεταφορά των φερτών υλικών κατά τη διάβρωση (kg ha -1 ),VOLN: η εκροή

106 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 92 αέριου αμμωνιακού αζώτου από ζωικά υπολείμματα που εφαρμόζονται επιφανειακά (kg ha -1 ) και d: ο δείκτης χρονικού βήματος (day) Φώσφορος Ο κύκλος του φωσφόρου περιλαμβάνει την ανοργανοποίηση, την ακινητοποίηση, την πρόσληψη από την καλλιέργεια και τις απώλειες λόγω απορροής, διήθησης κάτω από το ριζόστρωμα, της προσρόφησης στα φερτά υλικά και της μεταφοράς με τη διάβρωση. Επιπλέον, λαμβάνεται υπόψη ο τρόπος εφαρμογής της λίπανσης είτε με ανόργανα είτε με οργανικά λιπάσματα καθώς επίσης και ο τρόπος κατεργασίας του εδάφους, όπως και στο άζωτο. Η αναπαράσταση του κύκλου του φωσφόρου σύμφωνα με το μοντέλο GLEAMS δίνεται στο Σχήμα 4.8. (ΙΜ: η ακινητοποίηση, ΜΝ: η ανοργανοποίηση, UP: η πρόσληψη από το φυτό, RO: η επιφανειακή απορροή, SED: η προσρόφηση στα φερτά υλικά και η διάβρωση, PERC: η βαθιά διήθηση.) Σχήμα 4.8 Σχηματική αναπαράσταση των μετασχηματισμών του φωσφόρου και της ροής των προϊόντων του (Knisel, 1993). Το ημερήσιο ισοζύγιο μάζας του φωσφόρου στο έδαφος δίνεται από την εξίσωση: TP = ( TP + FEP + MNP ) ROLP d d 1 d d + PRCLP + SEDLP + UPP ) d d d ( d (4.173)

107 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 93 όπου TP: ο ολικός φώσφορος στο έδαφος (kg ha -1 ), FEP: η εισροή φωσφόρου με τη λίπανση (kg ha -1 ), MNP: η εισροή από την ανοργανοποίηση του φώσφορου (kg ha -1 ), ROLP: η εκροή με την επιφανειακή απορροή (kg ha -1 ), PRCLP: η εκροή με τη βαθιά διήθηση (kg ha -1 ), SEDLP: η εκροή κατά την ιζηματοποίηση και μεταφορά με τα εδαφικά τεμαχίδια κατά τη διάβρωση (kg ha -1 ), UPP: η εκροή από το έδαφος με την πρόσληψη από τα φυτά (kg ha -1 ) και d: ο δείκτης χρονικού βήματος (day). Περισσότερες λεπτομέρειες και εξισώσεις των επιμέρους διαδικασιών δεν παρατίθενται γιατί δεν αφορούν τη συγκεκριμένη έρευνα Φυτοφάρμακα Το υπομοντέλο προσομοιώνει την επιφανειακή διασπορά των φυτοφαρμάκων, ενώ σε συνδυασμό με μοντέλα κατακόρυφης ροής γίνεται πλήρης προσομοίωση της κίνησής τους μέσα και κάτω από το ριζόστρωμα. Η επίδραση της οργανικής ουσίας λαμβάνεται υπόψη για την κατανομή της ποσότητας των φυτοφαρμάκων που προσροφάται σε αυτήν και της ποσότητας που βρίσκεται στο εδαφικό διάλυμα. Αυτό γίνεται για να προσδιοριστεί το μέρος της ολικής μάζας του φυτοφαρμάκου που συμμετέχει στην απορροή, στην καθίζηση και στη διήθηση. Επιπλέον, λαμβάνονται υπόψη οι απώλειες τους στο έδαφος και στο φύλλωμα λόγω της διάσπασής τους, η απομάκρυνσή τους από το έδαφος λόγω εξάτμισης και η απορρόφησή τους από τα φυτά. Επιπλέον, το μοντέλο παρέχει βάση δεδομένων για τα φυτοφάρμακα της USDA-Natural Resources Conservation Service. Περισσότερες λεπτομέρειες και εξισώσεις των επιμέρους διαδικασιών δεν παρατίθενται γιατί δεν αφορούν τη συγκεκριμένη έρευνα Θερμοκρασία εδάφους Ένας από τους βασικότερους παράγοντες επιρροής της ταχύτητας των διαδικασιών που αφορούν τα θρεπτικά στοιχεία αλλά και τα φυτοφάρμακα στο έδαφος είναι η θερμοκρασία (Knisel and Davis, 2000). Στο μοντέλο GLEAMS υιοθετήθηκε η μέθοδος εκτίμησης της θερμοκρασίας στο εδαφικό προφίλ που εφαρμόζεται και στο μοντέλο EPIC (Sharpley and Williams, 1990), λαμβάνοντας υπόψη την επίδραση της ύπαρξης χιονιού στην επιφάνεια του εδάφους, της καλλιέργειας και των φυτικών υπολειμμάτων. Η μέση ημερήσια θερμοκρασία εδάφους στο μέσο της κάθε υπολογιστικής στρώσης δίνεται από την εξίσωση: ( ) ( ) ( ) TSC(, id) = LAG TSC(, id 1) + 1 LAG SDFi TAVGC TGSCd + TGSCd (4.174) όπου TSC: η μέση ημερήσια θερμοκρασία εδάφους ( o C) στην υπολογιστική στρώση i, LAG: ο συντελεστής επιβράδυνσης μετάδοσης θερμότητας (τιμή από 0 έως 1), SDF: ο θερμοκρασιακός παράγοντας βάθους εδάφους, TAVGC: η μέση ετήσια θερμοκρασία αέρα

108 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 94 στην επιφάνεια του εδάφους ( o C), TGSC: η ημερήσια θερμοκρασία στην επιφάνεια του εδάφους ( o C) και d: ο δείκτης του χρονικού βήματος (day). Ο θερμοκρασιακός παράγοντας βάθους εδάφους SDF δίνεται από την εξίσωση: και SDF i SDi = SD + exp i SD ( SD ) DEP + DEP 2 SDD i (4.175) i i 1 i = (4.176) όπου DEP: το βάθος από την επιφάνεια του εδάφους μέχρι το κάτω όριο της κάθε υπολογιστικής στρώσης (m), SDD: το βάθος απόσβεσης της επιρροής των θερμοκρασιακών μεταβολών (m)(στο βάθος αυτό η θερμοκρασία παραμένει σταθερή) και SD: η συνάρτηση του βάθους απόσβεσης της θερμοκρασίας. Στο βάθος SDD η θερμοκρασία είναι περίπου κατά ±5% σε σχέση με τη μέση ετήσια θερμοκρασία αέρα στην επιφάνεια του εδάφους TAVGC (Knisel et al., 1993). Το βάθος απόσβεσης της επιρροής των θερμοκρασιακών μεταβολών είναι συνάρτηση της φαινόμενης πυκνότητας και της εδαφικής υγρασίας. Ο θερμοκρασιακός παράγοντας φαινόμενης πυκνότητας BDF είναι συνάρτηση της μέσης φαινόμενης πυκνότητας BD (g/cm 3 ) όλου του εδαφικού προφίλ που μελετάται και δίνεται από την εξίσωση: 2.5 BD BDF i = 1+ BD + exp ( BD) (4.177) Αντίστοιχα, ο θερμοκρασιακός παράγοντας της εδαφικής υγρασίας SWFT δίνεται από την εξίσωση: TSWC SWFT = BD RD (4.178) ( ) όπου TSWC: η μέση εδαφική υγρασία (m) του RD και RD: το ολικό βάθος ριζοστρώματος (m). Μετά τον υπολογισμό των παραπάνω παραγόντων, το βάθος απόσβεσης της επιρροής των θερμοκρασιακών μεταβολών SDD, δίνεται από την εξίσωση: SWFT SDD = BDF exp l n (4.179) BDF 1+ SWFT Για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας της επιφανειακής στρώσης TGSC στην εξίσωση (4.174) είναι απαραίτητος ο υπολογισμός της θερμοκρασίας της, όταν το έδαφος είναι γυμνό. Σύμφωνα με τους Knisel et al., (1993) τις ημέρες που υφίσταται βροχόπτωση ή άρδευση, το εύρος διακύμανσης της εδαφικής θερμοκρασίας είναι μικρότερο. Σύμφωνα με τα παραπάνω, η

109 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 95 ημερήσια θερμοκρασία του γυμνού εδάφους υγρής ημέρας (από βροχόπτωση ή άρδευση), δίνεται από την εξίσωση: ( ) TBGSWCd = TAXCd + SCR TAXCd TANCd (4.180) όπου TBGSWC: η ημερήσια θερμοκρασία γυμνού εδάφους υγρής ημέρας ( o C), TAXC: η μέγιστη ημερήσια θερμοκρασία αέρα ( o C), TANC: η ελάχιστη ημερήσια θερμοκρασία αέρα ( o C) και SCR: ο παράγοντας του εύρους διακύμανσης της ημερήσιας θερμοκρασίας, ο οποίος κυμαίνεται από 0-1, με εξαγωγή βέλτιστων αποτελεσμάτων για SCR= 0.1. Αντίστοιχα για ημέρες που δεν υφίσταται βροχόπτωση ή άρδευση, η ημερήσια θερμοκρασία του γυμνού εδάφους ξηρής ημέρας δίνεται από την εξίσωση: TBGSDC d TAXCd + TANCd ANWDmo TBGSWCd 2 = (4.181) 1 ANWD όπου ANWD: ο λόγος του αριθμού των υγρών ημερών NWD προς το συνολικό αριθμό ημερών του μήνα ND, mo: το χρονικό βήμα (μήνας) και δίνεται από την εξίσωση: mo ANWDmo = NWDmo NDmo (4.182) Η τελική εκτίμηση της μέσης ημερήσιας θερμοκρασίας του γυμνού εδάφους TBGC, υπολογίζεται από ένα κινούμενο μέσο όρο πέντε ημερών, έτσι ώστε να εκφραστεί η καθυστέρηση μετάδοσης της θερμότητας και δίνεται από την εξίσωση: TBGC ( TBGSC ) (4.183) d = n n= d 4, d όπου TBGC: η τελική μέση ημερήσια θερμοκρασία του γυμνού εδάφους ως κινούμενος μέσος όρος πέντε ημερών ( o C), TBGSC: η μέση ημερήσια θερμοκρασία του γυμνού εδάφους ανάλογα με το αν είναι υγρή ή ξηρή η ημέρα δηλαδή: TBGSC d TBGSWCd για υγρήημέρα = TBGSDCd για ξηρήημέρα (4.184) Επομένως, στην περίπτωση που το έδαφος είναι γυμνό (π.χ. χωρίς φυτικά υπολείμματα, χωρίς αναπτυσσόμενη καλλιέργεια και χωρίς την κάλυψη του εδάφους από χιόνι), τότε ο παράγοντας TGSC στην εξίσωση (4.174) θα ισούται με τον TBGSC. Στην περίπτωση που το έδαφος δεν είναι γυμνό, τότε εισάγεται ο παράγοντας κάλυψης του εδάφους CF, σύμφωνα με τον οποίο η θερμοκρασία στην επιφάνεια του εδάφους δίνεται από την εξίσωση: ( ) TGSC = CF TBGC TBGC (4.185) d + d d 1 1 CF Το χειμώνα λόγω χιονιού, ο παράγοντας κάλυψης του εδάφους CF είναι μεγαλύτερος απ ότι την υπόλοιπη περίοδο που η επιφάνεια καλύπτεται από τα φυτικά υπολείμματα και τη

110 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 96 φυτομάζα της καλλιέργειας. Σύμφωνα με αυτό, ο παράγοντας κάλυψης δίνεται ανάλογα από την εξίσωση: CF = max SNOW (4.186) COVER Οι μεταβλητές COVER και SNOW εκφράζουν τον παράγοντα κάλυψης από το χιόνι και τη φυτομάζα, αντίστοιχα και δίνονται από τις εξισώσεις: και SNOW CV COVER = CV + exp (4.187) 4 ( CV ) = SNO SNO + exp (4.188) 4 ( SNOW ) όπου CV: η ολική φυτομάζα από τα φυτικά υπολείμματα και την αναπτυσσόμενη καλλιέργεια (t/ha) και SNO: ο περιεχόμενος όγκος νερού στο χιόνι (mm). Σύμφωνα με την εξίσωση (4.186), ο παράγοντας CF θα ισούται με SNOW όταν το έδαφος είναι καλυμμένο με χιόνι αλλιώς θα ισούται με COVER. Η ολική φυτομάζα από τα φυτικά υπολείμματα και την αναπτυσσόμενη καλλιέργεια CV δίνεται από την εξισώση: RESDW TDMG CV = (4.189) 1000 όπου RESDW: η φυτομάζα των φυτικών υπολειμμάτων στην επιφάνεια του εδάφους (t/ha) και TDMG: η φυτομάζα της αναπτυσσόμενης καλλιέργειας πάνω από το έδαφος (t/ha) Τροποποιήσεις του υπομοντέλου χημικών ουσιών για τις συνθήκες καλλιέργειας ρυζιού Μετά την τροποποίηση του υδρολογικού υπομοντέλου έτσι ώστε να λαμβάνει υπόψη τη μεταβολή του βάθους του νερού κατάκλυσης, τροποποιήθηκε και το υπομοντέλο χημικών ουσιών για την περιγραφή των διαδικασιών που συμμετέχουν στο ισοζύγιο του αζώτου του νερού κατάκλυσης. Οι σημαντικότερες διαδικασίες που ενσωματώθηκαν στο μοντέλο είναι: η εκτίμηση της θερμοκρασίας στο νερό κατάκλυσης και η επίδρασή της στη θερμοκρασία του εδάφους. η εισαγωγή της δυνατότητας του μοντέλου να λαμβάνει υπόψη την ημερήσια διακύμανση της συγκέντρωσης αζώτου στο νερό εισροής επειδή το μοντέλο τη θεωρεί σταθερή. η πρόσληψη αζώτου από τα φύκη στο νερό κατάκλυσης. το ισοζύγιο αζώτου στο νερό κατάκλυσης.

111 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS Εκτίμηση της θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης και του εδάφους Η θερμοκρασία του νερού κατάκλυσης αποτελεί σημαντικό παράγοντα των μεταβολών της θερμοκρασίας του έδαφος, η οποία με τη σειρά της επηρεάζει την ταχύτητα των μετασχηματισμών του αζώτου στο περιβάλλον των ορυζώνων. Η εκτίμηση της θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης γίνεται με βάση το ισοζύγιο ενέργειας (Gianniou and Antonopoulos, 2007), σύμφωνα με τις παραδοχές των Burba et al., (1999) και Confalonieri et al., (2005), το οποίο προσαρμόστηκε για τις συνθήκες μικρών υδάτινων όγκων. Επίσης λήφθηκε υπόψη και η επίδραση της φυτοκάλυψης, η οποία μειώνει την εισροή ενέργειας της καθαρής ακτινοβολίας λόγω σκίασης. Σύμφωνα με τον Burba et al., (1999) το ισοζύγιο ενέργειας (ΜJ/m 2 /day) σε συνθήκες σκίασης από τα φυτά, δίνεται από την εξίσωση: G = R H λε (4.190) w n όπου G w : η ενέργεια που αποθηκεύεται ή χάνεται από το νερό κατάκλυσης (MJ/m 2 /day), R n : η ροή ενέργειας της καθαρής ακτινοβολίας από την ατμόσφαιρα υπό συνθήκες φυτοσκίασης προς την επιφάνεια του νερού (MJ/m 2 /day), H: η ροή της αισθητής θερμότητας από ή προς το νερό από την ατμόσφαιρα (MJ/m 2 /day) και λε : η ροή ενέργειας λόγω εξάτμισης υπό συνθήκες φυτοσκίασης προς την ατμόσφαιρα (MJ/m 2 /day). Η καθαρή ακτινοβολία R n (MJ/m 2 /day) δίνεται από τις εξισώσεις της ενότητας ( ). Σύμφωνα με τον Burba et al., (1999) η καθαρή ακτινοβολία που φτάνει στην επιφάνεια του νερού, υπό συνθήκες φυτοσκίασης, δίνεται από τη σχέση: R = R exp( k LAI (4.191) n n L ) όπου LAI: ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας και k L : ο παράγοντας μείωσης της εισερχόμενης καθαρής ακτινοβολίας λόγω φυτοσκίασης. Η ροή ενέργειας λόγω εξάτμισης υπό συνθήκες φυτοσκίασης προς την ατμόσφαιρα δίνεται από τον τύπο του Penman, (1948), στον οποίο όμως εισάγεται ο όρος της καθαρής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια του νερού υπό συνθήκες φυτοσκίασης και δίνεται από τη σχέση: ( n γ λ ( ) ( )) 1 λe = Δ R + F u de (4.192) Δ+ γ όπου λ: η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης (MJ/kg), Δ: η κλίση της καμπύλης στη σχέση πίεσης κορεσμού υδρατμών και θερμοκρασίας (kpa o C -1 ), γ: η ψυχρομετρική σταθερά γ (kpa o C -1 ) de: η διαφορά της πίεσης κορεσμού υδρατμών από την πραγματική πίεση υδρατμών

112 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 98 (kpa) και F(u): η συνάρτηση της ταχύτητας του ανέμου (kg kpa -1 m -2 d -1 ). Οι όροι της εξίσωσης (4.192) υπολογίζονται με τις εξισώσεις που παρουσιάζονται στην ενότητα ( ). H ροή της αισθητής θερμότητας προς ή από την ατμόσφαιρα (MJ/m 2 /day), δίνεται από τη σχέση (Confalonieri et al., 2005): ( ) Η= γ λ Fu ( ) Ts Ta (4.193) όπου Τ s : η θερμοκρασία του νερού κατάκλυσης και Τ α : η θερμοκρασία του αέρα ( o C). Η ενέργεια που αποθηκεύεται στο νερό κατάκλυσης ή χάνεται από αυτό (MJ/m 2 /day), δίνεται από την εμπειρική εξίσωση των Burba et al., (1999), ως συνάρτηση της καθαρής ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια του νερού υπό συνθήκες φυτοσκίασης και του βάθους λίμνασης WD (cm), κι έχει ως εξής: Gw ( ) = + R n WD (4.194) Ο παράγοντας G w θεωρείται ότι είναι πάντα θετικός τους θερινούς μήνες της καλλιεργητικής περιόδου. Επομένως, επιλύοντας την εξίσωση (4.190) του ισοζυγίου ενέργειας ως προς τη θερμοκρασία του νερού κατάκλυσης, καταλήγουμε στη σχέση: Rn Gw λe Ts = Ta + γ λ Fu ( ) (4.195) Η ρύθμιση του παράγοντα k L γίνεται έτσι ώστε η Ε να εξισωθεί με την Ε sw που υπολογίζεται από τη μέθοδο του Ritchie, (1972), για τις ημέρες που είναι κατακλυσμένο το έδαφος. Για την έκφραση του φαινομένου της καθυστέρησης της μεταβολής της θερμοκρασίας στο νερό κατάκλυσης, όπως και στο έδαφος (εξίσωση 4.183), χρησιμοποιείται ο κινούμενος μέσος όρος των πέντε ημερών ως εξής: 5 s d n= d 4, d ( ) DAT = T sn (4.196) Η εκτίμηση του κινούμενου μέσου όρου των πέντε ημερών είναι απαραίτητη για τη σύγκριση με τις υπολογισμένες τιμές της θερμοκρασίας εδάφους, για τις οποίες παρόλο που χρησιμοποιούνται οι ημερήσιες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας του αέρα και του νερού κατάκλυσης, εκτιμώνται ως κινούμενοι μέσοι όροι των πέντε ημερών (εξίσωση 4.181) και με επιπλέον καθυστέρηση μετάδοσης της θερμότητας στο έδαφος, η οποία οφείλεται τον συντελεστή LAG (εξίσωση 4.174). Η θερμοκρασία εδάφους σε συνθήκες κατάκλυσης εξαρτάται άμεσα από τη θερμοκρασία του νερού κατάκλυσης (Sharma and De Datta, 1985). Στο μοντέλο GLEAMS, κύριοι παράγοντες για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας εδάφους είναι ο αριθμός των υγρών ημερών, στις οποίες υφίσταται η άρδευση ή η βροχόπτωση NWD (εξίσωση 4.182), η

113 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 99 ημερήσια θερμοκρασία γυμνού εδάφους υγρής ή ξηρής ημέρας TBGSWC και TBGSDC (εξισώσεις και 4.181, αντίστοιχα) και το βάθος απόσβεσης της επιρροής των θερμοκρασιακών μεταβολών SDD (εξίσωση 4.179). Σύμφωνα με τις εξισώσεις της ενότητας για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας εδάφους, προκύπτει ότι τις ημέρες βροχόπτωσης ή άρδευσης χρησιμοποιείται η ημερήσια θερμοκρασία γυμνού εδάφους υγρής ημέρας (TBGSWC) σύμφωνα με την εξίσωση (4.180), ενώ τις υπόλοιπες ημέρες χρησιμοποιείται η ημερήσια θερμοκρασία γυμνού εδάφους ξηρής ημέρας (TBGSDC) σύμφωνα με την εξίσωση (4.181). Η συγκεκριμένη λειτουργία έρχεται σε αντίθεση με το γεγονός ότι τις ημέρες που το έδαφος είναι κατακλυσμένο και διηθείται το νερό κατάκλυσης, το μοντέλο λαμβάνει υπόψη τη θερμοκρασία γυμνού εδάφους ξηρής ημέρας. Επίσης, τις ημέρες που το έδαφος είναι κατακλυσμένο, η θερμοκρασία του δεν εξαρτάται από τη θερμοκρασία του αέρα αλλά από τη θερμοκρασία του νερού. Επιπλέον, το βάθος απόσβεσης της επιρροής των θερμοκρασιακών μεταβολών SDD (στο βάθος αυτό η θερμοκρασία παραμένει σταθερή) (εξίσωση 4.179) στους ορυζώνες βρίσκεται χαμηλότερα από τον πυθμένα του προσκείμενου στραγγιστικού δικτύου, με αποτέλεσμα η θερμοκρασία του εδάφους να είναι υψηλότερη. Αυτό οφείλεται στους εξής λόγους: το εδαφικό νερό των στρώσεων που βρίσκονται κοντά στον πυθμένα των τάφρων, επικοινωνεί με το νερό που βρίσκεται μέσα στις τάφρους, με αποτέλεσμα οι θερμοκρασιακές διακυμάνσεις του αέρα να επηρεάζουν πολύ πιο γρήγορα τις στρώσεις αυτές. η έντονη διήθηση του νερού λόγω κατάκλυσης έχει ως αποτέλεσμα τη γρήγορη θέρμανση του εδάφους, με αποτέλεσμα το SDD, να είναι έτσι κι αλλιώς κάτω από τον πυθμένα των τάφρων. Η γρήγορη θέρμανση λόγω διήθησης οφείλεται στο γεγονός ότι το νερό έχει μεγαλύτερη θερμοχωρητικότητα από τον αέρα, με αποτέλεσμα να μεταφέρει μεγαλύτερα ποσά θερμότητας όταν φτάνει στις πιο βαθιές στρώσεις. Σύμφωνα με τα παραπάνω κρίθηκε απαραίτητη η τροποποίηση της μεθόδου υπολογισμού της θερμοκρασίας του εδάφους (ενότητα 4.4.4). Η τροποποίηση έγινε στην εξίσωση (4.184), έτσι ώστε η θερμοκρασία γυμνού εδάφους στην επιφανειακή στρώση του 1 cm, όταν το έδαφος είναι κατακλυσμένο, να ισούται με τη θερμοκρασία του νερού κατάκλυσης: Tsdγια υγρήήξηρήημέρα όταν WD > 0 TBGSCd = TBGSWCd για υγρήημέρα όταν WD = 0 TBGSDCd για ξηρή ημέρα όταν WD = 0 (4.197)

114 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 100 Για την εκτίμηση της μετάδοσης θερμότητας από την επιφανειακή στρώση του 1 cm προς στις υποκείμενες, ο συντελεστής SDD πρέπει να ρυθμίζεται έτσι ώστε το βάθος απόσβεσης σε κορεσμένες συνθήκες να είναι πάντα κάτω από τον πυθμένα του προσκείμενου στραγγιστικού δικτύου στους πειραματικούς ορυζώνες Εισροή αζώτου στους ορυζώνες με την άρδευση και τη βροχόπτωση Στο μοντέλο GLEAMS, ο υπολογισμός της εισροής αζώτου με το νερό της άρδευσης και της βροχόπτωσης, γίνεται σύμφωνα με τις παραδοχές (ενότητα ): το εισρεόμενο άζωτο είναι μόνο με τη μορφή νιτρικού αζώτου. η συγκέντρωσή του νιτρικού αζώτου στο νερό που εισέρχεται παραμένει σταθερή σε όλη την καλλιεργητική περίοδο. Σύμφωνα με τις μετρήσεις που έγιναν στους πειραματικούς ορυζώνες της Σίνδου, διαπιστώθηκε ότι η συγκέντρωση του ολικού ανόργανου αζώτου (αμμωνιακό + νιτρικό) στο αρδευτικό νερό μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου. Επειδή στους ορυζώνες η εισροή νερού είναι μεγάλη και η ποσότητα του αζώτου που εισέρχεται είναι μεγάλη, κρίθηκε απαραίτητη η τροποποίηση της μεθόδου υπολογισμού της εισρεόμενης μάζας αζώτου (ενότητα ). Με την τροποποίηση αυτή, η μέση συγκέντρωση του νιτρικού αζώτου RCN για όλη την καλλιεργητική περίοδο στην εξίσωση (4.170) αντικαθίσταται από τον όρο RCN(t), ο οποίος εκφράζει τη διακύμανση της συγκέντρωσης του νιτρικού αζώτου ως συνάρτηση των ημερών του έτους. Επομένως η ποσότητα του νιτρικού αζώτου που εισέρχεται με τη βροχόπτωση-άρδευση δίνεται από την εξίσωση: ( ) RN = 0.01 RCN t ( P + IR) (4.198) όπου RN: η ημερήσια εισρεόμενη ποσότητα νιτρικού αζώτου από τη βροχόπτωση και την άρδευση (kg/ha), RCN(t): η ημερήσια συγκέντρωση νιτρικού αζώτου στη βροχόπτωσηάρδευση (mg/l) ως συνάρτηση των ημερών του έτους και P+IR: το ύψος βροχής-άρδευσης (cm). Η παραδοχή ότι η ποσότητα του εισρεόμενου αζώτου προέρχεται μόνο από το νιτρικό άζωτο, δεν τροποποιήθηκε. Για την εφαρμογή του μοντέλου, η συγκέντρωση του αμμωνιακού αζώτου αθροίστηκε σε αυτή του νιτρικού. Η ρύθμιση της συνάρτησης RCN(t) γίνεται με τις μετρημένες τιμές της συγκέντρωσης ολικού ανόργανου αζώτου, οι οποίες λαμβάνονται από το μοντέλο ως νιτρικό άζωτο χωρίς ιδιαίτερη απόκλιση από το φυσικό πρόβλημα, καθώς και από τις μετρήσεις που έγιναν στο νερό άρδευσης, το νιτρικό άζωτο υπερείχε κατά πολύ έναντι του αμμωνιακού αζώτου (ενότητα 5.5.2).

115 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS Πρόσληψη αζώτου από τα φύκη (Algae) Από τις in situ παρατηρήσεις στους πειραματικούς ορυζώνες, διαπιστώθηκε η ύπαρξη αποικιών από φύκη (Algae) στο νερό κατάκλυσης. Επειδή τα φύκη προσλαμβάνουν άζωτο για την ανάπτυξή τους (Anastacio et al., 1999; Αντωνόπουλος, 2003), κρίθηκε απαραίτητη η εισαγωγή της συνιστώσας πρόσληψης από αυτά στο ισοζύγιο αζώτου του νερού κατάκλυσης. Η μέθοδος υπολογισμού της μάζας των φυκών που εφαρμόστηκε στο μοντέλο GLEAMS, είναι ίδια με αυτή του μοντέλου CRISP (Anastacio et al., 1999), η οποία είναι βασισμένη στις παραδοχές των Bowie et al., (1985) και Αντωνόπουλος, (2003). Σύμφωνα με τους Anastacio et al., (1999), ο ρυθμός αύξησης της μάζας των φυκών εξαρτάται από τη θερμοκρασία, το φως και τη συγκέντρωση αζώτου στο νερό κατάκλυσης. Ο ρυθμός αύξησης της μάζας των Algae δίνεται από την εξίσωση: ( ) ( ) ( ) ALGR = ALMS ALGR max f T f L f N (4.199) d d d d d όπου ALGR: o ρυθμός αύξησης της μάζας των φυκών (g/m 2 /day), ALMS: η μάζα των φυκών (g/m 2 ), ALGRmax: ο μέγιστος ρυθμός αύξησης της μάζας των φυκών κάτω από ιδανικές συνθήκες θερμοκρασίας, φωτός και επάρκειας οξυγόνου (g/m 2 /day), f(t), f(l), και f(n): οι παράγοντες επίδρασης της θερμοκρασίας, του φωτός, της επάρκειας αζώτου και της ύπαρξης νερού κατάκλυσης στην ανάπτυξη των φυκών, αντίστοιχα. Ο παράγοντας επίδρασης της θερμοκρασίας f(t) δίνεται από την εξίσωση: ( ) f T T = exp 2.3 T a opt T opt T min (4.200) όπου T a : η μέση ημερήσια θερμοκρασία αέρα ( o C), Τ opt : η ιδανική μέση ημερήσια θερμοκρασία για την ανάπτυξη των φυκών ( o C), Τ min : η ελάχιστη μέση ημερήσια θερμοκρασία για την ανάπτυξη των φυκών ( o C). Ο παράγοντας επίδρασης του φωτός f(l) δίνεται από την εξίσωση: f PAR PAR = SLI SLI ( L) exp 1 (4.201) όπου PAR: η μέση ημερήσια φωτοσυνθετικά ενεργή ακτινοβολία με μήκος κύματος από nm (MJ/m 2 /day), SLI: η μέγιστη θεωρητική ημερήσια φωτοσυνθετικά ενεργή ακτινοβολία ανάπτυξης των φυκών πάνω από την οποία δεν υπάρχει περαιτέρω ανάπτυξη (MJ/m 2 /day). Η μέση ημερήσια φωτοσυνθετικά ενεργή ακτινοβολία PAR δίνεται από την εξίσωση: ( ) ( ) PAR = R exp k LAI CLCV (4.202) s όπου R s : η μέση ημερήσια ηλιακή ακτινοβολία (MJ/m 2 /day), LAI: ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας (cm 2 /cm 2 ), k ext : ο συντελεστής μείωσης της PAR λόγω αύξησης του LAI και ext

116 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 102 CLCV: ο παράγοντας νέφωσης ως λόγος της μέσης ημερήσιας ηλιοφάνειας (hrs) προς τη μέση ημερήσια θεωρητική ηλιοφάνεια (hrs). Οι παράγοντες και 0.83 εκφράζουν το ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που είναι στο ορατό φάσμα και το ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που δεν ανακλάται από το νερό, αντίστοιχα. Ο παράγοντας επίδρασης της επάρκειας αζώτου f(ν) ως έκφραση του νόμου των Michaelis-Menten (Αντωνόπουλος, 2003) δίνεται από την εξίσωση: f ( N) PNH 4Wd + PNO3W d = KN + PNH 4W + PNO3W d d (4.203) όπου PΝΗ4W και PNO3W: οι συγκεντρώσεις αμμωνιακού και νιτρικού αζώτου, αντίστοιχα στο νερό κατάκλυσης (mg/l) και ΚΝ: η σταθερά του Michaelis ή η συγκέντρωση αζώτου, στην οποία επιτυγχάνεται το μισό του μέγιστου ρυθμού πρόσληψης αζώτου (mg/l). Με τον παράγοντα f(ν) εκφράζεται και η επιρροή της ύπαρξης λιμνάζοντος νερού στην ανάπτυξη των φυκών, σύμφωνα με την οποία όταν το ύψος του νερού κατάκλυσης μηδενίζεται τότε μηδενίζεται και η συγκέντρωση αζώτου σε αυτό. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τα φύκη να μην μπορούν να το προσλάβουν γιατί δεν υπάρχει επαφή με κάποιο μέσο για την πρόσληψή του. Ο ρυθμός θνησιμότητας της ζωντανής μάζας των φυκών δίνεται από την εξίσωση (Bowie et al., 1985): ALDTH = ALGR /2+ GRZ (4.204) d όπου ALDTH: ο ρυθμός θνησιμότητας της ζωντανής μάζας των φυκών (g/m 2 /day), ALGR: o ρυθμός αύξησης της μάζας των φυκών (g/m 2 /day) και GRZ: ο ρυθμός κατανάλωσης των φυκών από ζωικός οργανισμούς (g/m 2 /day). Η επαναδιάθεση αζώτου λόγω αποσύνθεσης και ανοργανοποίησης της νεκρής μάζας των φυκών δεν λαμβάνεται υπόψη από το μοντέλο για λόγους που θα αναφερθούν στην ενότητα ( ). Σύμφωνα με τα παραπάνω, η ζωντανή μάζα των φυκών σε κάθε χρονικό βήμα υπολογίζεται σύμφωνα με τη σχέση: ( ) d ALMS = d 1 ALGR d ALDTH + d ALMS (4.205) d Η ημερήσια πρόσληψη αζώτου από τα φύκη δίνεται από την εξίσωση: UPALN = 10 ALGR ALN (4.206) d όπου UPALN: η ημερήσια πρόσληψη αζώτου από τα φύκη (kg/ha/day) και ALN: η μέση περιεχόμενη μάζα αζώτου στη μάζα των φυκών (g/g). d Ισοζύγιο αζώτου στο νερό κατάκλυσης Οι διαδικασίες και οι μετασχηματισμοί του αζώτου που λαμβάνουν μέρος στο νερό κατάκλυσης είναι η εισροή με το νερό της βροχής-άρδευσης, η εκροή με την επιφανειακή

117 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 103 απορροή, η νιτροποίηση, η απονιτροποίηση, η αεριοποίηση της αμμωνίας, η διάχυση αμμωνιακού και νιτρικού αζώτου μέσω της διεπιφάνειας του εδαφικού διαλύματος της επιφανειακής στρώσης με το νερό κατάκλυσης και η πρόσληψη αζώτου από τα φύκη. Η επίδραση της κατάκλυσης στις παραπάνω διαδικασίες έχει ως αποτέλεσμα η συνεισφορά τους στο ισοζύγιο αζώτου του νερού κατάκλυσης να διαφοροποιείται σημαντικά σε σχέση με το ισοζύγιο αζώτου στο έδαφος. Η απονιτροποίηση του νιτρικού αζώτου θεωρείται αμελητέα καθώς τα βακτήρια που είναι υπεύθυνα για αυτήν, είναι δύσκολο είτε να αναπτυχθούν λόγω έλλειψης άνθρακα είτε να δραστηριοποιηθούν λόγω έντονης αστάθειας του περιβάλλοντος του νερού κατάκλυσης. Μετασχηματισμοί του οργανικού αζώτου (π.χ. ανοργανοποίηση) δεν λαμβάνονται υπόψη στο νερό κατάκλυσης, για τον ίδιο λόγο που δεν λαμβάνει χώρα και η απονιτροποίηση αλλά και επειδή οι οργανικές ενώσεις είτε ως δομικό συστατικό της νεκρής μάζας των φυτών και των ζωικών οργανισμών, είτε ως καθαρές διαλυμένες ενώσεις μεγάλου μοριακού βάρους στο νερό κατάκλυσης, εναποτίθενται στην επιφανειακή στρώση του εδάφους και συμμετέχουν στο ισοζύγιο αζώτου του εδάφους. Για τη νιτροποίηση του αμμωνιακού αζώτου είναι απαραίτητη η ύπαρξη οξυγόνου. Στο νερό κατάκλυσης, η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου ακολουθεί αυξητική τάση από τον πυθμένα του νερού προς τη διεπιφάνειά του με τον ατμοσφαιρικό αέρα. Η διακύμανση της μέσης συγκέντρωσής επηρεάζεται ως εξής από τις κάτωθι διαδικασίες: αύξηση με την ανανέωση του νερού κατάκλυσης με φρέσκο νερό. αύξηση λόγω διάχυσης οξυγόνου μέσω της διεπιφάνειας νερού και ατμόσφαιρας. αύξηση λόγω του εγκλωβισμού φυσαλίδων αέρα με τους κυματισμούς του νερού, οι οποίοι είναι αμελητέοι στους ορυζώνες. μείωση λόγω ύπαρξης φυκών, τα οποία καταναλώνουν οξυγόνο για την αναπνοή τους. Από τις παραπάνω διαδικασίες, η κατανάλωση οξυγόνου από τα φύκη υπερτερεί σημαντικά των άλλων διαδικασιών, με αποτέλεσμα τη μείωση της συγκέντρωσής του στο νερό κατάκλυσης και συνεπώς τη μείωση του ρυθμού νιτροποίησης, ο οποίος εξαρτάται από αυτό. H αεριοποίηση της αμμωνίας στο νερό κατάκλυσης, σύμφωνα με τους Chowdary et al., (2004) λαμβάνει κανονικά χώρα αλλά οι απώλειές της περιορίζονται στη διεπιφάνεια του νερού με τον ατμοσφαιρικό αέρα. Αυτό συμβαίνει γιατί η αέρια αμμωνία διαλύεται στο νερό κατάκλυσης και βρίσκεται σε ισορροπία με τα ιόντα του αμμωνιακού αζώτου. Για τους παραπάνω λόγους και επειδή η εισροή αζώτου με τη βροχή και την άρδευση λαμβάνεται υπόψη ότι είναι μόνο με τη μορφή νιτρικού αζώτου, δεν λήφθηκαν υπόψη η νιτροποίηση και η αεριοποίηση της αμμωνίας, στην εκτίμηση του ισοζυγίου αζώτου στο νερό

118 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 104 κατάκλυσης. Επιπλέον, από τις μετρήσεις της συγκέντρωσης νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου στο νερό εισροής των πειραματικών αγρών διαπιστώθηκε ότι η συγκέντρωση του αμμωνιακού αζώτου είναι πολύ μικρή και σε μικρή αναλογία με το νιτρικό (μέση αναλογία περίπου 1:20), γεγονός που περιορίζει ακόμη περισσότερο το σφάλμα της παραπάνω παραδοχής για την περιγραφή του φυσικού προβλήματος. Το σφάλμα της μη συμμετοχής της διαδικασίας της νιτροποίησης αντισταθμίζεται και από το γεγονός ότι το αμμωνιακό άζωτο αθροίζεται στη μάζα του νιτρικού αζώτου που εισρέει με τη βροχή ή την άρδευση. Σύμφωνα με τα παραπάνω, οι διαδικασίες που λαμβάνουν μέρος στο ισοζύγιο αζώτου του νερού κατάκλυσης, είναι η εισροή νιτρικού αζώτου με τη βροχή ή την άρδευση, η διάχυση του αμμωνιακού και του νιτρικού αζώτου μέσω της διεπιφάνειας του εδαφικού διαλύματος της επιφανειακής στρώσης με το νερό κατάκλυσης, η πρόσληψη αζώτου από τα φύκη και η απομάκρυνσή του με το νερό επιφανειακής απορροής. Οι δύο πρώτες διαδικασίες εφαρμόστηκαν όπως δίνονται από τον Chung (2003), σύμφωνα με τις εξισώσεις (4.188 και 4.189). Η διάχυση του αμμωνιακού και του νιτρικού αζώτου μέσω της διεπιφάνειας του εδαφικού διαλύματος της επιφανειακής στρώσης με το νερό κατάκλυσης δεν περιγράφεται ως φαινόμενο αλλά λαμβάνεται υπόψη ως ανάμειξη των συγκεντρώσεων του νερού κατάκλυσης και του εδαφικού διαλύματος της επιφανειακής εδαφικής στρώσης του 1 cm. Η συγκέντρωση του νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου κατά την ανάμειξη των όγκων νερού κατάκλυσης και εισροής πριν την πρόσληψη αζώτου από τα φύκη δίνεται, αντίστοιχα από τις σχέσεις (Chung, 2003): και o PNO3W d o = ( ) ( ) PNO3W WD + CNO3 W POR D + RCN ( P + IR ) PNH 4W d = d 1 d 1 d d d WD + POR D + P + IR d 1 d d ( PNH4W WD ) + ( CNH4W POR D) d 1 d 1 d WD + POR D + P + IR d 1 d d d (4.207) (4.208) όπου ο PNO3W: η συγκέντρωση του νιτρικού αζώτου στο νερό κατάκλυσης πριν την πρόσληψη από τα φύκη (mg/l), ο PNΗ4W: η συγκέντρωση του αμμωνιακού αζώτου στο νερό κατάκλυσης πριν την πρόσληψη από τα φύκη (mg/l), PNO3W: η συγκέντρωση του νιτρικού αζώτου στο νερό κατάκλυσης μετά την πρόσληψη από τα φύκη (mg/l), PNΗ4W: η συγκέντρωση του αμμωνιακού αζώτου στο νερό κατάκλυσης μετά την πρόσληψη από τα φύκη (mg/l), CNO3W: η συγκέντρωση του νιτρικού αζώτου στο εδαφικό διάλυμα της επιφανειακής στρώσης του 1 cm (mg/l), CNΗ4W: η συγκέντρωση του αμμωνιακού αζώτου στο εδαφικό διάλυμα της επιφανειακής στρώσης του 1 cm (mg/l), POR: το πορώδες της εδαφικής στρώσης

119 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 105 του 1 cm, D: το πάχος της επιφανειακής στρώσης το οποίο ισούται με 1 cm, RCN: η συγκέντρωση νιτρικού αζώτου στη βροχόπτωση-άρδευση (mg/l), P+IR: το ύψος βροχήςάρδευσης (cm), WD: το βάθος κατάκλυσης (cm) και d: το χρονικό βήμα (day). Επειδή η ημερήσια πρόσληψη αζώτου από τα φύκη UPALN υπολογίζεται ως ολικό ανόργανο άζωτο σε kg/ha, η αναλογία πρόσληψης νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου εξαρτάται από την αναλογία των αρχικών συγκεντρώσεων τους πριν την πρόσληψη, σύμφωνα με την παραδοχή ότι τα φύκη δείχνουν ίδια προτίμηση στο νιτρικό και στο αμμωνιακό άζωτο (Anastacio et al., 1999), δηλαδή: και UPALNO3 d = opno3w d UPALN PNO3W + PNH 4W o d o d d (4.209) UPALNH 4 d = UPALN d UPALNO3 d (4.210) όπου UPALN: η πρόσληψη ολικού ανόργανου αζώτου από τα φύκη (kg/ha), UPALNΟ3: η πρόσληψη νιτρικού αζώτου από τα φύκη (kg/ha) και UPALNΗ4: η πρόσληψη αμμωνιακού αζώτου από τα φύκη (kg/ha). Οι τελικές συγκεντρώσεις νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου στο νερό κατάκλυσης μετά την πρόσληψη αζώτου από τα φύκη, δίνονται αντίστοιχα από τις σχέσεις: και UPALNO3d PNO3W d = opno3w d 10 (4.211) WD UPALNH 4d PNH 4Wd = opnh 4Wd 10 (4.212) WD Οι εξισώσεις που δίνουν τα ημερήσια φορτία εκροής νιτρικού, αμμωνιακού και ολικού ανόργανου αζώτου μέσω της επιφανειακής απορροής (4.123 έως 4.125) μετασχηματίζονται αντίστοιχα, στις εξής εξισώσεις: και και RONO3 = 0.1 PNO3W Q d d d RONH 4 = 0.1 PNH 4W Q d d d d d d (4.213) (4.214) TRON = RONO3 + RONH 3 (4.215) d όπου RONO3: η ποσότητα του ολικού ανόργανου αζώτου που εκρέει με την επιφανειακή απορροή (kg/ha), RONΟ3: η ποσότητα του νιτρικού αζώτου που εκρέει με την επιφανειακή d

120 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ GLEAMS 106 απορροή (kg/ha), RONΗ4: η ποσότητα του αμμωνιακού αζώτου που εκρέει με την επιφανειακή απορροή (kg/ha) και Q: η επιφανειακή απορροή (cm).

121 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ o ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ Στο 5 ο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι μετρήσεις που έγιναν στο εργαστήριο και στο πεδίο δύο πειραματικών ορυζώνων, για την καλλιεργητική περίοδο Οι μετρήσεις αφορούν τις φυσικές και υδραυλικές ιδιότητες του εδάφους, τις εισροές-εκροές νερού, τις εισροές-εκροές του αζώτου τόσο στο εδαφικό προφίλ όσο και στο νερό κατάκλυσης καθώς και τα χαρακτηριστικά της καλλιέργειας και για τους δύο αγρούς. Από τις μετρήσεις εξήχθησαν πολύτιμα συμπεράσματα για τις ιδιαίτερες συνθήκες που επικρατούν στους ορυζώνες, οι οποίες οφείλονται στη μέθοδο άρδευσης (κατάκλυση). Το υδροδυναμικό καθεστώς στους ορυζώνες χαρακτηρίζεται από συνθήκες κορεσμένου εδάφους και από την ύπαρξη λιμνάζοντος νερού στην επιφάνεια, γεγονός που έχει έντονη επίδραση στις υδραυλικές ιδιότητες του εδάφους και στους μετασχηματισμούς του αζώτου που διεξάγονται τόσο στο εδαφικό προφίλ όσο και στο νερό κατάκλυσης. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι μετασχηματισμοί του αζώτου στο έδαφος, οι οποίοι διεξάγονται για το μεγαλύτερο μέρος της καλλιεργητικής περιόδου κάτω από αναερόβιες συνθήκες. Οι καλλιεργητικές εργασίες (π.χ. διαφορετική ποσότητα άρδευσης στους δύο αγρούς) και η προσέγγιση του φυσικού προβλήματος έγιναν με τέτοιο τρόπο, έτσι ώστε να εξαχθούν συμπεράσματα για τη βέλτιστη διαχείριση των ορυζώνων ως προς την εξοικονόμηση νερού και τον περιορισμό των απωλειών αζώτου από τους ορυζώνες. 5.1 Περιοχή μελέτης - πειραματικοί αγροί Οι πειραματικές μετρήσεις έγιναν κατά την καλλιεργητική περίοδο του 2005, σε δύο αγρούς (Αγρός Α και Β) με καλλιέργεια ρυζιού, οι οποίοι βρίσκονται στο νοτιοανατολικό τμήμα των αρδευτικών δικτύων της πεδιάδας Θεσσαλονίκης, 3 km νοτιοδυτικά της Σίνδου (40 ο 40 Ν, 22 ο 50 Ε). Η έκταση των πειραματικών αγρών Α και Β είναι 5.5 και 6.6 στρέμματα, αντίστοιχα. Η γεωγραφική τοποθέτηση, το σχήμα και οι διαστάσεις τους δίνονται στο Σχήμα 5.1.

122 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 108 Α γρός Α Α γρό ς B 20 m 124 m 45 m 165 m 190 m 29 m 51,5 m Σχήμα 5.1 Γεωγραφική τοποθέτηση και διαστάσεις των πειραματικών αγρών Α & Β.

123 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 109 Οι πειραματικοί αγροί ανήκουν σε μία ευρύτερη έκταση 1550 στρεμμάτων, η οποία αρδεύεται με νερό που προέρχεται από τον Αξιό μέσω της ανατολικής προσαγωγού διώρυγας, ενώ το αρδευτικό και το στραγγιστικό δίκτυο είναι υπό την εποπτεία του ΤΟΕΒ Καλοχωρίου - ΓΟΕΒ Πεδιάδας Θεσσαλονίκης. Η προμήθεια νερού στην περιοχή μελέτης γίνεται μέσω των πρωτευουσών διωρύγων 9Δ και 8Δ, ενώ η στράγγισή της γίνεται μέσω της πρωτεύουσας στραγγιστικής τάφρου 9Τ. Το συνολικό μήκος του αρδευτικού και στραγγιστικού δικτύου που εξυπηρετούν τη συγκεκριμένη περιοχή είναι και 9.23 km, αντίστοιχα. Στην περιοχή εφαρμόζεται πρόγραμμα αμειψισποράς που περιλαμβάνει την εναλλαγή της καλλιέργειας του ρυζιού με βαμβάκι, καλαμπόκι και μηδική. Η κατανομή των χρήσεων γης για το έτος 2005 δίνονται στο Χάρτη που ακολουθεί, μετά από επεξεργασία των χωρικών δεδομένων στο πρόγραμμα Arc-Map (Arc-GIS).

124 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! Κατανομή καλλιεργειών για την καλλιεργητική περίοδο 2005 ΓΟΕΒ Πεδιάδας Θεσσαλονίκης ΤΟΕΒ Καλοχωρίου ΠΥΘΑΓΟΡΑΣ ΙΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΝΕΡΟΥ ΚΑΙ ΑΖΩΤΟΥ ΣΕ ΟΡΥΖΩΝΑ ΓΙΑ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΝΕΡΟΥ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΟΥ ΥΔΑΤΙΝΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Επιστημονικός Υπεύθυνος: Αντωνόπουλος Βασίλειος! Υπερχειλιστής & Εκκενωτής ΝΕΑ ΕΘΝΙΚΗ ΟΔΟΣ ΠΡΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ >!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 8Δα 9Δ!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 9Δα!!!!!!!! 9Tw 9Tω 9Δβ!! Δρόμοι Αρδευτικό δίκτυο Στραγγιστικό δίκτυο Παλιά κοίτη Αξιού Εγκαταστάσεις Καλαμπόκι Βαμβάκι Ρύζι Τριφύλλι Χέρσες εκτάσεις 1:7,000 <Double-click here to enter text> Meters!!!!! 8Δ!! 8Δγ!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 9Τ8β!!!!!!!! 8Δβ 9Τ8!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 9Τ8α 8Δβ1 9T!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 9Δ1δ 9Τ7α 9Τψ 9Τ7β 9Δ1γ 9Δ1 9Τ7 9Τ7γ 9Δ1β 9Δ1α A B!!!!!!!!!!!!! Πειραματικοί αγροί Σχεδίαση: Ασχονίτης Βασίλειος Λίτσκας Βασίλειος ΑΡΔΕΥΤΙΚΟ ΔΙΚΤΥΟ ΚΩΔΙΚΟΣ ΜΗΚΟΣ (m) ΚΩΔΙΚΟΣ ΜΗΚΟΣ (m) 9Δ Δβ Δ 324 8Δγ Δα 666 8Δβ Δβ 760 9Δ1α 881 9Δ Δ1β 849 8Δα 831 9Δ1γ 835 9Δ1δ 825 Σύνολο ΣΤΡΑΓΓΙΣΤΙΚΟ ΔΙΚΤΥΟ ΚΩΔΙΚΟΣ ΜΗΚΟΣ (m) ΚΩΔΙΚΟΣ ΜΗΚΟΣ (m) 9Τ Τw 622 9Τ7α 831 9Tω 742 9Τ7β 838 9Τψ 774 9Τ7γ 850 9Τ Τ8α 770 9Τ Τ8β 1009 Σύνολο 9225 ΧΡΗΣΕΙΣ ΓΗΣ 2005 ΧΡΗΣΗ ΈΚΤΑΣΗ (ha) Εγκαταστάσεις Ρύζι Βαμβάκι Καλαμπόκι Τριφύλλι Χέρσες εκτάσεις 7.21 Σύνολο % 10.01% 20.71% 4.63% 8.19% 45.74% Εγκαταστάσεις Ρύζι Βαμβάκι Καλαμπ όκι Τριφύλλι Χέρσες εκτάσεις

125 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ Μετεωρολογικά δεδομένα Οι μετεωρολογικές παράμετροι επηρεάζουν άμεσα και έμμεσα την ανάπτυξη των φυτών. Άμεση επίδραση στην ανάπτυξή τους ασκούν η θερμοκρασία και η ακτινοβολία, οι οποίες επηρεάζουν το ρυθμό φωτοσύνθεσης. Από την ημερήσια ολική ακτινοβολία μόνο ένα μέρος επηρεάζει άμεσα την ανάπτυξη της καλλιέργειας και το σχηματισμό της φυτομάζας μέσω της φωτοσύνθεσης. Το μέρος αυτό είναι η φωτοσυνθετικά ενεργή ακτινοβολία (PAR) με μήκος κύματος από nm, η οποία διακρίνεται σε άμεση και διαχεόμενη. Η ικανότητα του φυλλώματος να δεσμεύει την PAR εξαρτάται από την αναλογία της άμεσης προς τη διαχεόμενη PAR (Spitters et al., 1986a,b; Alabos et al., 2002). Η έμμεση επίδραση των μετεωρολογικών παραμέτρων στην ανάπτυξη των φυτών αφορά την επίδρασή τους στο έλλειμμα κορεσμού υδρατμών της ατμόσφαιρας και στην εξάτμιση του νερού από το έδαφος. Τόσο η θερμοκρασία και η ακτινοβολία όσο και η σχετική υγρασία και η ταχύτητα ανέμου ασκούν έμμεση επίδραση στην ανάπτυξη τους. Σύμφωνα με στοιχεία της Δ.Υ.Π.Ε.Β. (2004), το κλίμα της περιοχής μελέτης χαρακτηρίζεται ως μεσογειακό ηπειρωτικού τύπου με κατάταξη στην κατηγορία Csa της κλίμακας Coppen, λόγω του μεγάλου εύρους διακύμανσης της ετήσιας θερμοκρασίας του αέρα. Η θερμή περίοδος διαρκεί από το Μάιο έως τον Οκτώβριο και η ψυχρή από το Νοέμβριο έως τον Απρίλιο. Η μέση ετήσια θερμοκρασία αέρα είναι 14.5 o C, με τη μέση μέγιστη και τη μέση ελάχιστη τιμή της να παρατηρείται το μήνα Ιούλιο και Ιανουάριο, αντίστοιχα. Η μέση ετήσια βροχόπτωση είναι mm, με τη μέση μέγιστη βροχόπτωση να παρατηρείται το Δεκέμβριο και την ελάχιστη το μήνα Αύγουστο. Οι χιονοπτώσεις είναι συχνότερες τον Ιανουάριο και το Φεβρουάριο ενώ οι χαλαζοπτώσεις το Μάιο. Ηλιοφάνεια παρατηρείται κατά μέσο όρο 190 ημέρες με 6.5 ώρες ανά ημέρα ετησίως. Η μέση ετήσια ταχύτητα του ανέμου είναι 1.3 m/sec και οι επικρατούσες διευθύνσεις του στην περιοχή είναι βόρειες-βορειοδυτικές σε όλη τη διάρκεια του έτους. Τα μετεωρολογικά δεδομένα για το έτος 2005 συλλέχθηκαν από τον τοπικό μετεωρολογικό σταθμό του Ινστιτούτου Εγγείων Βελτιώσεων (ΕΘΙΑΓΕ), στον Γαλλικό ποταμό, με συντεταγμένες, (40 ο 40 Ν, 22 ο 48 Ε). Τα δεδομένα που συγκεντρώθηκαν αφορούν ημερήσιες τιμές των παραμέτρων της θερμοκρασίας αέρα ( o C), της σχετικής υγρασίας (%), της ταχύτητας ανέμου (m/sec), της ηλιακής ακτινοβολίας (WH/m 2 ) και της βροχόπτωσης (mm) και είναι απαραίτητα για τον υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής με τη μέθοδο Penman- Monteith. Οι μέσες μηνιαίες τιμές των παραπάνω παραμέτρων για το έτος 2005 δίνονται στον Πίνακα 5.1.

126 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 111 Πίνακας 5.1 Μέσες μηνιαίες τιμές των μετεωρολογικών δεδομένων για το έτος Θερμοκρασία o Ηλιακή Σχετική C Βροχόπτωση Μήνας ακτινοβολία υγρασία Ταχύτητα ανέμου min average max (mm) (WH/m 2 ) (%) (m/sec) Ιανουάριος Φεβρουάριος Μάρτιος Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέμβριος Οκτώβριος Νοέμβριος Δεκέμβριος Μέσος όρος Φυσικές και υδραυλικές μεταβλητές του εδάφους Ταξινόμηση του εδάφους Ο τύπος χαρτογραφικής μονάδας εδάφους των δύο πειραματικών αγρών με βάση τη μέθοδο της Soil Survey Staff (1975,1993,1996) είναι (ΕΘΙΑΓΕ, 2003): 223 D A 02 Efx (Entisols Xerofluvents) Ο συγκεκριμένος τύπος εδάφους καθορίζεται από τις ποτάμιες, τις λιμναίες και τις θαλάσσιες αλλουβιακές και ιζηματογενείς αποθέσεις, οι οποίες αποτελούνται από αργίλους, άμμους και χάλικες (Entisols), χαρακτηρίζεται από την υψηλή υπόγεια στάθμη (Fluvents) και από τις κλιματικές συνθήκες στην περιοχή με εναλλαγή θερμού-ξηρού καλοκαιριού και ψυχρού-υγρού χειμώνα (Xeric). Σε γενικές γραμμές οι άργιλοι υπερισχύουν, ενώ οι θαλάσσιες αποθέσεις συναντώνται μόνο στις περιοχές πλησίον της θάλασσας. Παρά το γεγονός ότι οι αποθέσεις αυτές περιέχουν φρεατικό νερό, στην περιοχή δεν εντοπίζονται υδροφόροι ορίζοντες υδρογεωλογικής σημασίας. Τα εδάφη της χαμηλής περιοχής της πεδιάδας Θεσσαλονίκης (Χαλάστρα, Καλοχώρι, Μάλγαρα) στην οποία βρίσκονται και οι πειραματικοί αγροί, είναι αλατούχα λόγω της συνδυασμένης εισβολής του θαλάσσιου νερού και του ξηροθερμικού κλίματος με χαμηλό μέσο ετήσιο ύψος βροχής. Μεγάλο μέρος των εδαφών αυτών βελτιώθηκε μετά την κατασκευή του στραγγιστικού δικτύου και του περιφερειακού αναχώματος που εμποδίζει την εισροή θαλάσσιου νερού στην περιοχή.

127 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ Μηχανική σύσταση του εδάφους Για τον προσδιορισμό της μηχανικής σύστασης των εδαφών των δύο αγρών, στις 19 Απριλίου 2005 έγιναν αναγνωριστικές δειγματοληψίες από τρεις θέσεις κατά μήκος του κύριου άξονα των αγρών. Κατά την αναγνωριστική δειγματοληψία μελετήθηκε επί τόπου το εδαφικό προφίλ ώστε να ληφθούν τα κατάλληλα δείγματα από τις αλλεπάλληλες στρώσεις που χαρακτηρίζουν τα εδάφη της περιοχής. Τα σημεία των τριών θέσεων δειγματοληψίας του κάθε αγρού δίνονται στο Σχήμα 5.2 ενώ οι μετρήσεις μηχανικής σύστασης με την πυκνομετρική μέθοδο Βουγιούκου δίνονται συνοπτικά στον Πίνακα 5.2. Αγρός Α Αγρός Β 65 m 30 m Θέση m 45 m 30 m 20 m Θέση 3 10 m Θέση 2 Θέση 2 45 m 30 m 65 m 60 m 165 m 190 m Θέση 1 Θέση 1 30 m 5 29 m 51,5 m 10 m Σχήμα 5.2 Θέσεις δειγματοληψίας στους Αγρούς Α & Β.

128 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 113 Πίνακας 5.2 Αποτελέσματα μηχανικής ανάλυσης με τη μέθοδο Βουγιούκου από τρεις θέσεις δειγματοληψίας για κάθε πειραματικό αγρό στις 19/4/2005. Θέση Βάθος cm A Κλάση του εδάφους Θέση Βάθος cm B Κλάση του εδάφους 1 Θέση silty clay loam 0-20 silty clay loam silty clay silt loam - loam silty clay silt loam silt loam silty clay loam clay silty clay clay silty clay silty clay >160 sandy loam Βάθος cm Κλάση του εδάφους Θέση Βάθος cm Κλάση του εδάφους 0-20 silty clay 0-20 silty clay loam silty clay silty clay silty clay silt loam silty clay silt loam clay silty clay loam loam clay >105 clay silty clay Θέση Βάθος cm Κλάση του εδάφους Θέση Βάθος cm Κλάση του εδάφους clay loam 0-20 silty clay silty clay silty clay loam silty clay loam sandy loam clay silty clay loam silty clay silty clay silty clay clay Από τα αποτελέσματα των μετρήσεων της μηχανικής σύστασης και από τις in situ παρατηρήσεις στους δύο αγρούς παρουσιάζεται μια σχετική ομοιομορφία των στρώσεων εδάφους μέχρι το βάθος των 120 cm, με πολύ υψηλά και σχεδόν ισόποσα ποσοστά ιλύος και αργίλου. Τα πρώτα 30 cm περίπου, όπου γίνεται και η ενσωμάτωση των φυτικών υπολειμμάτων, είναι πλούσια σε οργανική ουσία με αποτέλεσμα το χρώμα του εδάφους να είναι πιο σκούρο. Στο προφίλ εδάφους των 120 cm και εντονότερα στον αγρό Β, παρατηρήθηκε μια στρώση με αυξημένα ποσοστά άμμου, η οποία όπως διαπιστώθηκε από τις

129 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 114 τρεις θέσεις δειγματοληψίας εμφανίζεται σποραδικά, παρουσιάζοντας μεγάλη μεταβλητότητα ως προς το πάχος (5-15 cm), το βάθος και το ποσοστό της άμμου. Κάτω από το βάθος των 120 cm παρατηρείται αύξηση του ποσοστού της άμμου, ενώ κάτω από τα 150 cm όπου υπάρχει μόνιμα υπόγειο νερό, είναι αδύνατη η λήψη αδιατάρακτου δείγματος λόγω της ύπαρξης αμμόνερου. Το ποσοστό της άμμου σε ξηρό δείγμα που πάρθηκε από το βάθος των 160 cm βρέθηκε πάνω από 65% Υδραυλικές ιδιότητες του εδάφους Σύμφωνα με τους Moorman and van Breemen, (1978), Wopereis et al, (1994) και Singh et al., (2001), η διαρκής κατάκλυση του εδάφους έχει ως αποτέλεσμα την καταστροφή της δομής και τη μεταβολή των υδραυλικών ιδιοτήτων του εδάφους. Οι μεταβολές που υφίσταται το έδαφος σε συνθήκες κατάκλυσης έχουν ως εξής: Καταστροφή της βασικής δομής του πορώδους του εδάφους. Παρατηρείται δημιουργία λάσπης και καταστροφή του όγκου του μακροπορώδους και αύξηση του όγκου του μικροπορώδους, ειδικά στην επιφανειακή στρώση. Η καταστροφή του μακροπορώδους έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του ενεργού πορώδους που είναι υπεύθυνο για τη διήθηση, ενώ ο όγκος του μικροπορώδους συνεισφέρει ελάχιστα στη διήθηση λόγω των αυξημένων δυνάμεων συνάφειας. Τα παραπάνω έχουν ως αποτέλεσμα τη μείωση της διηθητικότητας του εδάφους μετά την κατάκλυση. Μείωση της φαινόμενης πυκνότητας της επιφανειακής στρώσης του εδάφους έως το βάθος των cm λόγω της δημιουργίας λάσπης και πιθανή αύξησή της κάτω από το βάθος αυτό, λόγω της συμπίεσης του εδάφους από το βάρος του νερού κατάκλυσης και από την αυξημένη εδαφική υγρασία της επιφανειακής στρώσης (πιθανή δημιουργία αδιαπέρατης στρώσης). Από μετρήσεις μετά από παρατεταμένη κατάκλυση του εδάφους με ομοιόμορφης σύστασης στρώσεις, παρατηρήθηκε αύξηση της φαινόμενης πυκνότητας με το βάθος. Έντονη διαφοροποίηση της χαρακτηριστικής καμπύλης των εδαφικών στρώσεων πριν και μετά την καλλιεργητική περίοδο του ρυζιού (Tuong et al., 2002). Η χρήση χαρακτηριστικών των καμπύλων σε μοντέλα προσομοίωσης της κίνησης του νερού σε συνθήκες κατάκλυσης απαιτεί την επέκτασή τους σε θετικές τιμές φορτίου, το οποίο θα ισούται με το φορτίο του λιμνάζοντος νερού στην επιφάνεια. Το συγκεκριμένο φαινόμενο υφίσταται σε πλημμυρισμένα εδάφη, πυθμένες λιμνών και ποταμών κ.α.. Η συγκεκριμένη θεώρηση μειονεκτεί στο γεγονός ότι κάτω από αυτές τις συνθήκες παρατηρείται έντονη

130 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 115 διόγκωση και διασπορά της αργίλου (δημιουργία λάσπης), με αποτέλεσμα την αύξηση του βάθους της επιφανειακής στρώσης Φαινόμενη πυκνότητα και χαρακτηριστική καμπύλη εδάφους Μετρήσεις της χαρακτηριστικής καμπύλης και ο έμμεσος προσδιορισμός από αυτές της φαινόμενης πυκνότητας έγιναν σε αδιατάρακτα δείγματα, τα οποία συλλέχθηκαν πριν και μετά την καλλιεργητική περίοδο του ρυζιού, στις 4/5/2005 και 3/11/2005, αντίστοιχα, από τη θέση 2 κάθε αγρού ανά 30 cm βάθους εδάφους (Σχήμα 5.2). Ο λόγος της επανάληψης των μετρήσεων πριν και μετά την καλλιεργητική περίοδο ήταν να εκτιμηθεί η πιθανή επίδραση της κατάκλυσης του εδάφους στις υδραυλικές ιδιότητές του. Επίσης προσδιορίστηκε και η υγρασία κορεσμού κατακλυσμένου εδάφους (θ s ) από την υγρασία του εδάφους όταν αυτό ήταν πλήρως κορεσμένο και υπό κατάκλυση. Τα αποτελέσματα της φαινόμενης της πυκνότητας του εδάφους p b (gr/cm 3 ) για τους αγρούς Α και Β δίνονται αντίστοιχα στα Σχήματα 5.3 και 5.4 καθώς και στον Πίνακα 5.3. p b (gr/cm 3 ) /5/2005 A 3/11/2005 A Βάθος (cm) Σχήμα 5.3 Φαινόμενη πυκνότητα των στρώσεων του αγρού Α ανά 30 cm, πριν (4/5/2005) και μετά (3/11/2005) την κατάκλυση. p b (gr/cm 3 ) /5/2005 B 3/11/2005 B Βάθος (cm) Σχήμα 5.4 Φαινόμενη πυκνότητα των στρώσεων του αγρού Β ανά 30 cm, πριν (4/5/2005) και μετά (3/11/2005) την κατάκλυση.

131 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 116 Από τα αποτελέσματα για τη φαινόμενη πυκνότητα εξάγονται τα εξής συμπεράσματα: η φαινόμενη πυκνότητα αυξήθηκε σε όλες τις στρώσεις και στους δύο αγρούς μετά την καλλιεργητική περίοδο. Το συγκεκριμένο φαινόμενο οφείλεται στη συμπύκνωση του μακροπορώδους και στη μείωση του μικροπορώδους λόγω μετακίνησης της διασπαρμένης αργίλου, η οποία δημιουργεί εσωτερικές επικαλύψεις και έμφραξη των μικροπόρων. εντονότερη αύξηση της φαινόμενης πυκνότητας εμφανίστηκε στη ζώνη cm, γεγονός το οποίο επιβεβαιώνει ότι οι συνθήκες κατάκλυσης ευνοούν την δημιουργία αδιαπέρατης στρώσης στο βάθος αυτό λόγω της πίεσης που ασκεί το βάρος της επιφανειακής στρώσης, η οποία κατακρατεί περισσότερο νερό από το νερό που χρειάζεται για να κορεστεί (λάσπη), καθώς και του νερού κατάκλυσης. Ο προσδιορισμός των παραμέτρων της χαρακτηριστικής καμπύλης του εδάφους έγινε από ζεύγη τιμών ύψους πίεσης (h) και εδαφικής υγρασίας (θ) σε συσκευή δίσκων πίεσης. Η σχέση που χρησιμοποιείται για την περιγραφή της χαρακτηριστικής καμπύλης του εδάφους είναι αυτή του Van Genuchten (1980), η οποία έχει ως εξής: θ θ θ = θ + (5.1) r s r [ 1+ ( a h ) ] n m όπου θ: η υγρασία του εδάφους (cm 3 /cm 3 ), θ r : η υπολειμματική υγρασία (cm 3 /cm 3 ), θ s : η υγρασία του εδάφους στον κορεσμό (cm 3 /cm 3 ), h: το ύψος πίεσης (cm), α: είναι παράμετρος (1/cm), n και m: είναι αδιάστατες παράμετροι μορφής της χαρακτηριστικής καμπύλης. Οι τιμές των παραμέτρων αυτών προκύπτουν από την προσαρμογή της εξίσωσης (5.1) στα ζεύγη τιμών υγρασίας εδάφους και ύψους πίεσης. Για τον προσδιορισμό των παραμέτρων της εξίσωσης (5.1) χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα RETC (van Genughten, 1991). Στο πρόγραμμα αυτό γίνεται ελαχιστοποίηση με επαναλήψεις του αθροίσματος των τετραγώνων των υπολοίπων, μεταξύ των μετρημένων και υπολογισμένων τιμών της υγρασίας και βασίζεται στη μέθοδο του γειτονικού μέγιστου του Marquardt. Κατά την εφαρμογή του προγράμματος όλες οι παράμετροι θεωρήθηκαν παράμετροι προσαρμογής. Η περιεχόμενη κατά βάρος υγρασία των αδιατάρακτων δειγμάτων μετρήθηκε σε επίπεδα πιέσεων από 0 μέχρι 15.5 bar. Επιπλέον εκτιμήθηκε και η εδαφική υγρασία κατακλυσμένου εδάφους από τις μετρήσεις εδαφικής υγρασίας στα μέσα της καλλιεργητικής περιόδου, όπου το έδαφος ήταν κατακλυσμένο και πλήρως κορεσμένο. Τα συνολικά αποτελέσματα δίνονται στον Πίνακα 5.3 ενώ οι χαρακτηριστικές καμπύλες των αγρών Α & Β στα Σχήματα 5.5 & 5.6, αντίστοιχα.

132 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 117 Πίνακας 5.3 Τιμές των παραμέτρων των εξισώσεων χαρακτηριστικών καμπύλων van Genuchten A (4/5/2005) A (3/11/2005) B (4/5/2005) B (3/11/2005) Βάθος (cm) Υπολειμματική υγρασία θ r (cm 3 /cm 3 ) Υγρασία κορεσμού θ s (cm 3 /cm 3 ) Παράμετρος α (cm -1 ) Παράμετρος n (n>1) Παράμετρος m (m = 1-1/n) Φαινόμενη πυκνότητα (gr/cm 3 ) Υγρασία κορεσμού κατακλυσμένου εδάφους θ s '(cm 3 /cm 3 ) A (6/6/2005) B (6/6/2005)

133 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ VG A60-90 (4/5) VG A60-90 (3/11) MS A60-90 (4/5) MS A60-90 (3/11) 0.45 r 2 = r 2 = E+00 1.E+02 1.E+04 1.E+06 1.E+08 1.E+10 1.E+12 Ύψος πίεσης (cm) VG A (4/5) 0.5 VG A (3/11) 0.45 MS A (4/5) 0.4 r 2 =0.996 MS A (3/11) r 2 = E+00 1.E+02 1.E+04 1.E+06 1.E+08 1.E+10 1.E+12 Ύψος πίεσης (cm) Υγρασία (cm 3 / cm 3 ) Υγρασία (cm 3 / cm 3 ) 0.55 VG A0-30 (4/5) 0.5 VG A0-30 (3/11) 0.45 MS A0-30 (4/5) MS A0-30 (3/11) 0.4 r 2 = r 2 = E+00 1.E+02 1.E+04 1.E+06 1.E+08 1.E+10 1.E+12 Ύψος πίεσης (cm) VG A30-60 (4/5) 0.5 VG A30-60 (3/11) 0.45 MS A30-60 (4/5) 0.4 MS A30-60 (3/11) r 2 = r 2 = E+00 1.E+02 1.E+04 1.E+06 1.E+08 1.E+10 1.E+12 Ύψος πίεσης (cm) Σχήμα 5.5 Χαρακτηριστικές καμπύλες του Van Genuchten (VG) και μετρημένα ζεύγη τιμών πίεσης-εδαφικής υγρασίας (MS) ανά 30 cm, πριν (4/5/2005) και μετά (3/11/2005) την καλλεργητική περίοδο, για τον αγρό Α. Υγρασία (cm 3 / cm 3 ) Υγρασία (cm 3 / cm 3 )

134 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ r 2 =0.999 VG B60-90 (4/5) 0.55 r 2 =0.992 VG B60-90 (3/11) 0.5 MS B60-90 (4/5) 0.45 MS B60-90 (3/11) E+00 1.E+02 1.E+04 1.E+06 1.E+08 1.E+10 1.E+ 12 Ύψος πίεσης (cm) r 2 =0.996 Υγρασία (cm 3 / cm 3 ) Υγρασία (cm 3 / cm 3 ) 0.55 r 2 =0.999 VG B0-30 (4/5) 0.5 VG B0-30 (3/11) r 2 = MS B0-30 (4/5) 0.45 MS B0-30 (3/11) E+00 1.E+02 1.E+04 1.E+06 1.E+08 1.E+10 1.E+12 Ύψος πίεσης (cm) r 2 =0.998 r 2 = E+00 1.E+02 1.E+04 1.E+06 1.E+08 1.E+10 1.E+12 Ύψος πίεσης (cm) VG B30-60 (4/5) VG B30-60 (3/11) MS B30-60 (4/5) MS B30-60 (3/11) r 2 = E+00 1.E+02 1.E+04 1.E+06 1.E+08 1.E+10 1.E+12 Ύψος πίεσης (cm) VG B (4/5) VG B (3/11) MS B (4/5) MS B (3/11) Σχήμα 5.5 Χαρακτηριστικές καμπύλες του Van Genuchten (VG) και μετρημένα ζεύγη τιμών πίεσης-εδαφικής υγρασίας (MS) ανά 30 cm, πριν (4/5/2005) και μετά (3/11/2005) την καλλιεργητική περίοδο, για τον αγρό Β. Υγρασία (cm 3 / cm 3 ) Υγρασία (cm 3 / cm 3 )

135 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 120 Από τα αποτελέσματα προσδιορισμού των χαρακτηριστικών καμπύλων για πριν και μετά την καλλιεργητική περίοδο εξάγονται τα παρακάτω συμπεράσματα: η χαρακτηριστική καμπύλη της σχέσης του van Genuchten διαφοροποιείται έντονα πριν και μετά την καλλιεργητική περίοδο. Σε όλες τις στρώσεις (Πίνακας 5.3) και στους δύο αγρούς διαπιστώθηκε μείωση της υγρασίας κορεσμού θ s (Σχήματα 5.5 και 5.6) και οδηγεί έμμεσα στο συμπέρασμα ότι το πορώδες μειώνεται μετά την καλλιεργητική περίοδο σε σχέση με πριν, λόγω της διόγκωσης και της διασποράς της αργίλου, η οποία καταλαμβάνει μέρος του όγκου του μακροπορώδους και του μικροπορώδους του εδάφους. Ο όγκος του μακροπορώδους είναι πάντα μεγαλύτερος πριν την καλλιεργητική περίοδο λόγω της επίδρασης των κλιματικών συνθηκών και της κατεργασίας του εδάφους. από τις υπολογισμένες τιμές της υγρασίας κορεσμού θ s πριν και μετά την καλλιεργητική περίοδο και από τις μετρήσεις της εδαφικής υγρασίας κατακλυσμένου εδάφους θ s στα μέσα αυτής (Πίνακας 5.3), όπου το έδαφος ήταν πλήρως κορεσμένο και υπό κατάκλυση, διαπιστώθηκε ότι το πορώδες του εδάφους αυξομειώνεται σύμφωνα με τις παρακάτω διαδικασίες: 1) η δομή του εδάφους έχει διαμορφωθεί από τα φθινοπωρινά-χειμερινά οργώματα και από τις αντίστοιχες κλιματικές συνθήκες, ξεκινώντας πριν τη νέα καλλιεργητική περίοδο με μια αρχική τιμή (θ s ini ). 2) μετά την έναρξη της καλλιεργητικής περιόδου όπου ξεκινά και η κατάκλυση, το έδαφος κοραίνεται πλήρως και διογκώνεται έντονα. Στο στάδιο αυτό χαλαρώνει η δομή του εδάφους, καταστρέφονται τα συσσωματώματα, διογκώνεται και διασπείρεται η άργιλος καταλαμβάνοντας όγκο του πορώδους με αποτέλεσμα το έδαφος να αποκτήσει λασπώδη υφή. Η εδαφική υγρασία του κατακλυσμένου εδάφους, το οποίο έχει λασπώδη υφή, είναι υψηλότερη από την υγρασία κορεσμού (θ s ) παίρνοντας την τιμή (θ s ). 3) μετά το πέρας της κατάκλυσης, το έδαφος στραγγίζει, αρχίζει να συρρικνώνεται και να ξαναδημιουργεί συσσωματώματα, των οποίων ο σχηματισμός εξαρτάται κατά κύριο λόγο από την περιεχόμενη εδαφική υγρασία. Όταν η υγρασία πέσει κάτω από ένα σημείο, τότε η άργιλος παίζει το ρόλο του υλικού συσσωμάτωσης ενώνοντας την ιλύ και την άμμο σε συσσωματώματα, τα οποία όμως θα είναι μεγαλύτερα και πιο συμπαγή από αυτά που υπήρχαν πριν την έναρξη της καλλιεργητικής περιόδου. Μετά τον σχηματισμό τους, ο συνολικός όγκος του πορώδους στο έδαφος είναι σαφώς μικρότερος από την αρχική τιμή του πρώτου σταδίου (θ s ini ), παίρνοντας την τιμή (θ s end ). 4) στο διάστημα που ακολουθεί μέχρι την επόμενη καλλιεργητική περίοδο, η υγρασιακές μεταβολές του εδάφους (ύγρανση-ξήρανση) και οι καλλιεργητικές εργασίες θα

136 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 121 αναδιαμορφώσουν και πάλι τη δομή του εδάφους, μέσω της δημιουργίας ρωγμών στο έδαφος με αποτέλεσμα τη δημιουργία νέου πορώδους (Kostopoulou and Zotos, 2005). Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η σχέση που συνδέει τις τιμές της υγρασίας κορεσμού πριν, ενδιάμεσα και μετά την καλλιεργητική περίοδο έχει ως εξής: θ > θ > θ (5.2) ' s s ini s end Η σχέση (5.2) επιβεβαιώνεται για όλες τις στρώσεις εκτός από τη στρώση (30-60 cm) και για τους δύο αγρούς επειδή το θ s δεν ξεπερνά το θ s ini. Το γεγονός αυτό, πιθανόν να οφείλεται στο ότι το βάρος της κορεσμένης επιφανειακής στρώσης και του νερού κατάκλυσης εμποδίζει την περαιτέρω διόγκωση της στρώσης αυτής και ευνοεί τη συμπίεσή της. Αυτό μπορεί να επιβεβαιωθεί έμμεσα και από το ότι η μείωση της υπολογισμένης υγρασίας κορεσμού θ s πριν και μετά την καλλιεργητική περίοδο είναι εντονότερη στη στρώση αυτή, σε σχέση με τις άλλες στρώσεις του κάθε αγρού (Πίνακας 5.3). Κάτω από τη στρώση των cm αναιρείται κατά κάποιο τρόπο η επίδραση της συμπίεσης, λόγω της έντονης επίδρασης του υπόγειου νερού, με αποτέλεσμα να πραγματοποιείται η διόγκωση Κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα του εδάφους Η κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα του εδάφους μετρήθηκε στο εργαστήριο με περατόμετρο μεταβαλλόμενου φορτίου σε αδιατάρακτα εδάφη μετά τον κορεσμό τους. Ο μεταλλικός κύλινδρος που περιβάλλει τα δείγματα εδάφους, προσαρμόζεται με πλήρη επαφή στη βάση ενός μεταλλικού κυλινδρικού σωλήνα, ο οποίος γεμίζεται με νερό. Το νερό κινείται προς τα κάτω μέσα από το κυλινδρικό δείγμα εδάφους και ανά τακτά χρονικά διαστήματα σημειώνεται η πτώση της στάθμης του σε βαθμονομημένο διαφανές συγκοινωνούν πλαστικό σωλήνα. Ως τελικός ρυθμός κίνησης του νερού στο έδαφος θεωρείται ο ρυθμός για τον οποίο η πτώση είναι σταθερή μετά από 3-4 παρατηρήσεις. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή (Τερζίδης και Καραμούζης, 2001), η κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα (m/day) δίνεται από τη σχέση: K sat r = r 2 1 t 2 ( 1 ) ( ) 2 L h l n (5.3) t2 t1 h t όπου K sat : κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα (m/day), r 1 και r 2 : είναι η ακτίνα του μεταλλικού κυλίνδρου και του μεταλλικού σωλήνα αντίστοιχα (m), L: το ύψος του μεταλλικού κυλίνδρου που φέρει το δείγμα (m), (t 2 -t 1 ): είναι το σταθερό χρονικό διάστημα στο οποίο παρατηρείται η σταθερή πτώση του νερού στο σωλήνα (days), h(t 1 ) και h(t 2 ): η στάθμη του νερού στο σωλήνα σε χρόνο t 1 και t 2 αντίστοιχα. Η ακτίνα και το ύψος των μεταλλικών

137 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 122 κυλίνδρων ήταν ίδια για όλα τα δείγματα και ίσα με m και m, αντίστοιχα. Στον Πίνακα 5.4 δίνονται οι τιμές της υδραυλικής αγωγιμότητας κορεσμού για κάθε εδαφική στρώση των αγρών Α και Β. Πίνακας 5.4 Κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα των στρώσεων των αγρών Α & Β ανά 30 cm A Β Βάθος (cm) m/day cm/ hr m/day cm/hr Μετρήσεις εδαφικής υγρασίας Η μέθοδος με την οποία υπολογίστηκε η εδαφική υγρασία είναι η σταθμική μέθοδος, στην οποία το νερό απομακρύνεται από το εδαφικό δείγμα με ξήρανση στους 105 o C έως ότου σταθεροποιηθεί το βάρος του (Gardner et al., 1991). Οι μετρήσεις με τη συγκεκριμένη μέθοδο χρειάζονται τουλάχιστον δύο ημέρες για την πραγματοποίησή τους. Επίσης, οι μετρήσεις δεν μπορούν να επαναληφθούν στο ίδιο σημείο, καθώς η απόσπαση των δειγμάτων διαταράσσει το έδαφος στο σημείο δειγματοληψίας. Για το λόγο αυτό, όταν απαιτείται η μελέτη της χρονικής μεταβολής της υγρασίας, είναι απαραίτητο να λαμβάνονται δείγματα από περισσότερα του ενός σημεία, ώστε να εξουδετερώνεται η χωρική μεταβλητότητα. Λόγω της συνεχούς κατάκλυσης του εδάφους των ορυζώνων δεν χρειάστηκαν συχνές μετρήσεις εδαφικής υγρασίας. Έγιναν μόνο τέσσερις δειγματοληψίες έτσι ώστε να εκτιμηθεί η εδαφική υγρασία πριν, ενδιάμεσα και μετά την κατάκλυση. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων εδαφικής υγρασίας τόσο κατά βάρος όσο και κατ όγκο δίνονται αναλυτικά στον Πίνακα 5.5. Πίνακας 5.5 Εδαφική υγρασία κατά βάρος και κατ όγκο των στρώσεων των αγρών Α & Β ανά 30 cm Εδαφική υγρασία % κατά βάρος Ιουλιανή Ημερ/νία Α Β ημέρα δειγμ/ψίας Μαϊ Ιουν Οκτ Νοε Ιουλιανή Η μερ/νία Εδαφική υγρα σία % κατ'όγκο Α Β ημέρα δειγμ/ψίας Μαϊ Ιουν Οκτ Νοε

138 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ Μετρήσεις των χημικών παραμέτρων στο έδαφος Η παρακολούθησ η των ποιοτικών παραμέτρων έγινε με δειγματοληψίες εδάφους και σ τους δύο αγρούς για τέσσερα βάθη ανά 30 cm κάθε 15 ημέρες, για όλη την καλλιεργητική περίοδο του ρυζιού. Στα δείγματα πραγματοποιήθηκαν αναλύσεις για τον προσδιορισμό της περιεχόμενης υγρασίας, της ηλεκτρικής αγωγιμότητας, του ph και της συγκέντρωσης του αζώτου (νιτρικό, αμμωνιακό και ολικό). Επιπλέον, στην αναγνωριστική δειγματοληψία έγιναν και αναλύσεις για τον προσδιορισμό της οργανικής ουσίας και του λόγου C/N Οργανική ουσία και C/N Η οργανική ουσία του εδάφους είναι προϊόν της συσσώρευσης και αποσύνθεσης των ζωικών και φυτικών υπολειμμάτων που καταλήγουν στο έδαφος. Η αποσύνθεση (ανοργανοποίηση) των οργανικών υπολειμμάτων ή η μετατροπή σε άλλες οργανικές ενώσεις (χούμος) εξαρτάται από τις συνθήκες θερμοκρασίας, υγρασία ς και οξύτητας του εδάφους και γενικότερα από τους παράγοντες που ελέγχουν τις βιολογικές δραστηριότητες των μικροοργανισμών που είναι υπεύθυνοι για την ανοργανοποίηση. Η αύξησή της στο έδαφος επηρεάζει τόσο τις φυσικές όσο και τις χημικές ιδιότητές το υ προκαλώντας: μειώση της πλαστικότητας και της συνεκτικότητας των βαρέων εδαφών. δημιουργία σταθερότερων συσσωματωμάτων και αύξηση του πορώδους όγκου λόγω διάνοιξης διόδων από την ανάπτυξη των ριζών. αύξηση της ικανότητας συγκράτησης υγρασίας και της ρυθμιστικής ικανότητας των εδαφών. αύξηση της γονιμότητας των εδαφών γιατί είναι πηγή σημαντικών ποσοτήτων αζώτου, φωσφόρου και θείου. Ο προσδιορισμός του ποσοστού της οργανικής ουσίας (ΟΜ%) γίνεται έμμεσα από τον προ σδιορισμό του ποσοστού του οργανικού άνθρακα (ΟC%) στο έδαφος, σύμφωνα με τη σχέση: OM % = OC% (5.4) Ο συντελεστής προέκυψε από την παραδοχή ότι η οργανική ουσία των ελληνικών καλλιεργούμενων εδαφών περιέχει κατά μέσο όρο 56% άνθρακα, ενώ η περιεκτικότητα των εδαφών σε οργανική ουσία χαρακτηρίζεται ως χαμηλή (<1%), μέτρια (1-2%), υψηλή (2-4%) και πολύ υψηλή (>4%). Ο λόγος C/N αποτελεί δείκτη της έντασης της βιολογικής δραστηριότητας των μικροοργανισμών, οι οποίοι συμβάλουν στην ανοργανοποίηση της οργανικής ουσίας και του χούμου καθώς και στην ακινητοποίηση των θρεπτικών στοιχείων που προκύπτουν από την

139 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 124 ανοργανοποίηση τους από τους ίδιους τους μικροοργανισμούς. Κύριοι παράγοντες της ανοργανοποίησης είναι η υγρασία και η θερμοκρασία εδάφους, των οποίων η επίδραση έχει ως εξής: η αύξηση της εδαφικής υγρασίας (αναερόβιες συνθήκες) ευνοεί λόγω της όσμωσης, την απορρόφηση νερού από τα νεκρά κύτταρα της οργανικής ουσίας και του χούμου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη ρήξη των μεμβρανών τους και τη διάχυση και διασπορά των οργανικών μακρομοριών του κυτοπλάσματος και των μεμβρανών όπως οι πρωτεΐνες, οι υδατάνθρακες, οι λιγνίνες, οι κηροί και οι ρητίνες στο εδαφικό διάλυμα. Τα δύο πρώτα υδρολύονται εύκολα σε αμινοξέα και σάκχαρα, αντίστοιχα, ενώ τα υπόλοιπα αποσυντίθενται και διασπώνται πολύ αργά (Σακελλαριάδης, 1992). Η αύξηση της θερμοκρασίας ευνοεί την οξείδωση των παραπάνω οργανικών μακρομορίων και τη διάσπασή τους σε α πλούστερες ενώσεις, ενώ η διακύμανσή της σε επιθυμητά επίπεδα ευνοεί την ανάπτυξη των μικροοργανισμών (βακτήρια, μύκητες και ακτινομύκητες), τα οποία παράγουν ένζυμα για την αποσύνθεση και διάσπαση των οργανικών ενώσεων σε αμμωνιακό άζωτο (Pierzynski et al., 2000). Τα σάκχαρα και τα αμινοξέα διασπώνται σε ανόργανο άνθρακα, σε ανόργανες μορφές αζώτου, φωσφόρου και θείου αντίστοιχα, από τους μικροοργανισμούς, τα οποία τα χρησιμοποιούν για τη δημιουργία δομικών συστατικών των κυττάρων τους. Η μικρή συγκέντρωση αζώτου στην οργανική ουσία και στο χούμο (για τιμές C/N μεγαλύτερες από 20:1 έως 25:1) οδηγούν σε άμεση κατανάλωση των παραγόμενων μορφών ανόργανου αζώτου από τους μικροοργανισμούς (ακινητοποίηση) καθώς το άζωτο αποτελεί περιοριστικό στοιχείο. Κατά την ακινητοποίηση το άζωτο που προσλαμβάνουν οι μικροοργανισμοί το χρησιμοποιούν για τη δημιουργία οργανικών ενώσεων απαραίτητων για το μεταβολισμό και την ανάπτυξή τους. Για μικρότερες τιμές του C/N, περιοριστικό στοιχείο είναι ο άνθρακας με αποτέλεσμα την απελευθέρωση ανόργανων μορφών αζώτου στο εδαφικό διάλυμα και τη δυνατότητα πρόσληψής τους από την καλλιέργεια (Σακελλαριάδης, 1992; Pierzynski et al., 2000). Ο προσδιορισμός του λόγου C/N γίνεται από το ποσοστό του οργανικού άνθρακα (ΟC%) και του ολικού αζώτου κατά Kjeldahl (ΤΚΝ%) στο έδαφος. Η μέθοδος που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του, ονομάζεται μέθοδος της υγρής καύσης και στηρίζεται στην καύση της οργανικής ουσίας και στην οξείδωση του άνθρακα με διχρωμικό κάλιο (Αλεξιάδης, 1972). Στις 19/4/2005, σε δείγματα εδάφους ανά 30 cm από τη θέση 2 του Σχήματος 5.2 και στους δύο αγρούς, έγινε μέτρηση της περιεκτικότητας του οργανικού άνθρακα (OC%) και του ολικού αζώτου (TKN%), για τον προσδιορισμό της περιεκτικότητας της οργανικής ουσίας

140 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 125 (Ο.Μ.) και του λόγου (C/N), τα αποτελέσματα των οποίων δίνονται αντίστοιχα στα Σχήματα 5.7 και 5.8. OM % OM % A OM % B Βάθος (cm) Σχήμα 5.7 Ποσοστό % της οργανικής ουσίας ανά 30 cm για το συνολικό εδαφικό προφίλ των 120 cm στις 19/4/ C/N A C/N B C/N Βάθος (cm) Σχήμα 5.8 Κλάσμα C/N ανά 30 cm για το συνολικό εδαφικό προφίλ των 120 cm στις 19/4/2005. Από τα αποτελέσματα των μετρήσεων προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα για όλο το προφίλ εδάφους cm και των δύο αγρών: Η περιεκτικότητα σε οργανική ουσία στην επιφανειακή στρώση των 30 cm και των δύο αγρών είναι υψηλή, ενώ στις υπόλοιπες στρώσεις είναι σχετικά μέτρια. Ο λόγος C/N σε όλο το προφίλ εδάφους και για τους δύο αγρούς είναι κατά πολύ χαμηλότερος από την τιμή (20:1 έως 25:1), γεγονός από το οποίο φαίνεται ότι υπάρχει αρκετό άζωτο τόσο για τους μικροοργανισμούς όσο και για την καλλιέργεια.

141 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 126 ηλεκτρική αγωγιμότητα Ηλεκτρική αγωγιμότητα και ph του εδάφους Η επίδραση των συνθηκών κατάκλυσης στην ηλεκτρική αγωγιμότητα του εδάφους έχει ως αποτέλεσμα τη μείωσή της στο εδαφικό διάλυμα λόγω αραίωσης των αλάτων. Μετά το πέρας της κατάκλυσης, οι τιμές της εξαρτώνται από την ικανότητα έκπλυσης των αλάτων του εδάφους, από τη στάθμη του νερού στο στραγγιστικό δίκτυο μέσα στην καλλιεργητική περίοδο, από την ποσότητα αλάτων που εφαρμόστηκε μέσω του αρδευτικού νερού και από την εξατμισοδιαπνοή, η οποία αυξάνει τη συγκέντρωσή τους στο εδαφικό διάλυμα. Οι συνθήκες κατάκλυσης πέρα από την ηλεκτρική αγωγιμότητα επηρεάζουν το ph και τους μετασχηματισμούς του αζώτου στο έδαφος. Σύμφωνα με τον Ponnamperuma, (1994), η κατάκλυση του εδάφους αυξάνει το ph στα όξινα εδάφη, ενώ το μειώνει στα αλκαλικά- ασβεστούχα-νατριωμένα εδάφη. Με τη σειρά του το ph επηρεάζει τους μετασχηματισμούς του αζώτου, έτσι ώστε για τιμές πάνω από να παρατηρείται αύξηση του ρυθμού απονιτροποίησης, ενώ για χαμηλές τιμές να παρατηρείται αναστολή της νιτροποίησης (Chowdary et al., 2004). Η μέτρηση του ph των εδαφικών δειγμάτων των ορυζώνων έγινε στις πάστες εδάφουςαπιονισμένου νερού των δειγμάτων με τη βοήθεια πεχάμετρου (GLP 23 Crison), ενώ η στο εκχύλισμα κορεσμού της κάθε πάστας με τη βοήθεια αγωγιμόμετρου (GLP 31 Crison). Τα αποτελέσματα των μετρήσεων της ηλεκτρικής αγωγιμότητας για τον αγρό Α και Β δίνονται αντίστοιχα στα Σχήματα 5.9 και 5.10 και τα αποτελέσματα του ph αντίστοιχα στα Σχήματα 5.11 και EC μs/cm Ιουλιανη ημέρα Σχήμα 5.9 Χρονική διακύμανση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του εδάφους, ανά 30 cm για όλη την καλλιεργητική περίοδο, στον αγρό Α.

142 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 127 EC μs/cm Ιουλιανη ημέρα Σχήμα 5.10 Χρονική διακύμανση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του εδάφους, ανά 30 cm για όλη την καλλιεργητική περίοδο, στον αγρό Β. ph Ιουλιανη ημέρα Σχήμα 5.11 Χρονική διακύμανση του ph του εδάφους, ανά 30 cm για όλη την καλλιεργητική περίοδο, στον αγρό A. ph Ιουλιανη ημέρα Σχήμα 5.12 Χρονική διακύμανση του ph του εδάφους, ανά 30 cm για όλη την καλλιεργητική περίοδο, στον αγρό B.

143 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 128 Από τα αποτελέσματα των μετρήσεων της ηλεκτρικής αγωγιμότητας και του ph του εδάφους για το προφίλ των cm και των δύο αγρών προκύπτουν τα παρακάτω συμπεράσματα: η ηλεκτρική αγωγιμότητα εδάφους του αγρού Β παρουσίασε μία σταθερή μείωση καθ όλη την καλλιεργητική περίοδο, ενώ στον αγρό Α διαπιστώθηκε έντονη διακύμανση, η οποία πιθανόν να οφείλεται στο μεγαλύτερο όγκο αρδευτικού νερού και συνεπώς των αλάτων, που δέχθηκε (Σχήμα 5.9). στο ph του εδάφους δεν διαπιστώθηκε ουσιαστική μεταβολή πριν και μετά την καλλιεργητική περίοδο και στους δύο αγρούς. Εντός της καλλιεργητικής περιόδου όμως, διαπιστώθηκε και στους δύο α γρούς μείωση του ph μετά την 180 ημέρα, το οποίο επανήλθε στις αρχικές τιμές του μετά την 230 ημέρα (Σχήματα 5.11 και 5.12) Άζωτο του εδάφους Σύμφωνα με τους Sharma and De Datta, (1985), όσο πιο ελαφρύ είναι ένα έδαφος τόσο μεγαλύτερες είναι οι απώλειες νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου. Το ολικό ανόργανο άζωτο Τ- Ν ( νιτρικό+αμμωνιακό) του εδάφους αυξάνεται μέσω της λίπανσης, ενώ μειώνεται με την πάροδο του χρόνου, πέρα από την πρόσληψη από τα φυτά και για τους εξής λόγους: το νιτρικό άζωτο στα κατακλυσμένα εδάφη, λόγω των αναερόβιων συνθηκών, παρουσιάζει μεγάλη αστάθεια με αποτέλεσμα να απονιτροποιείται εντός τριών ημερών κυρίως σε N 2 λόγω έλλειψης οξυγόνου, κάτω από τις συνήθεις θερμοκρασιακές συνθήκες περιβάλλοντος όπου αναπτύσσεται το ρύζι (Wells et al., 1993). Επιπλέον, το νιτρικό άζωτο δεν προσροφάται στα τεμαχίδια της αργίλου, γεγονός που ευνοεί την έκπλυσή του λόγω αυξημένης διήθησης (Knisel and Davis, 1993). το αμμωνιακό άζωτο προσροφάται στα τεμαχίδια της αργίλου και για το λόγο αυτό η μείωση της συγκέντρωσής του στο έδαφος λόγω έκπλυσης είναι πιο περιορισμένη σε σχέση με αυτή του νιτρικού αζώτου (Nielsen et al., 1999; Knisel and Davis, 2000; Chung et al., 2003). Όσον αφορά τη νιτροποίηση του αμμωνιακού αζώτου, στα κατακλυσμένα εδάφη των ορυζώνων το εδαφικό προφίλ διαχωρίζεται σε δύο ζώνες, την επιφανειακή ζώνη οξείδωσης (0-10 cm) όπου η νιτροποίηση είναι περιορισμένη και την υποκείμενη ανοξική ζώνη όπου η νιτροποίηση δεν λαμβάνει καθόλου χώρα. Ο περιορισμός της νιτροποίησης οφείλεται στην έλλειψη οξυγόνου, ενώ το βάθος της επιφανειακής ζώνης οξείδωσης και ο ρυθμός νιτροποίησης σε αυτή εξαρτάται από τη δυνατότητα αερισμού της στα ενδιάμεσα χρονικά κενά της καλλιεργητικής περιόδου, στα οποία διακόπτεται η

144 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 129 άρδευση και δεν υπάρχει λιμνάζον νερό (Nielsen et al., 1999; Chung et al., 2003). Η αεριοποίηση του αμμωνιακού αζώτου και η εκροή του από το έδαφος είναι περιορισμένη, επειδή κατά την αεριοποίηση επαναδιαχέεται στο εδαφικό διάλυμα και στο νερό κατάκλυσης (Chowdary, 2004). το ολικό άζωτο του εδάφους εξαρτάται κυρίως από το ολικό οργανικό άζωτο, το οποίο προέρχεται από την οργανική ουσία, τον χούμο και τα φυτικά υπολείμματα της καλλιέργειας. Επειδή οι μορφές αυτές δεν υπόκεινται σε διαδικασίες όπως απώλειες με τη διήθηση, ενώ οι απώλειες αζώτου με την ανοργανοποίησή τους αντισταθμίζονται με την ανανέωση της μάζας τους από τη νέκρωση ιστών της καλλιέργειας, το ολικό άζωτο παρουσιάζει μια σχετική σταθερότητα. Έντονη αύξηση του ολικού οργανικού αζώτου παρουσιάζεται κατά την εφαρμογή οργανικής λίπανσης (κόπρανα ζώων, απόθεση επιπλέον φυτικών υπολειμμάτων κλπ) Οι μορφές αζώτου στο έδαφος που μετρήθηκαν, ήταν του νιτρικού, του αμμωνιακού και του ολικού αζώτου, σε δείγματα που πάρθηκαν ανά δεκαπενθήμερο από τέσσερα βάθη ανά 30 cm, για όλη την καλλιεργητική περίοδο και από τους δύο αγρούς. Η μέτρηση του νιτρικού, του αμμωνιακού και του ολικού αζώτου στα εδαφικά δείγματα έγινε με τις μεθόδους του KCl 2N (210/270 nm), KCl 2N (650 nm) και Kjeldahl, αντίστοιχα (Nelson, 1983; Clesceri et al., 1989). Επιπλέον, για τον έλεγχο της μεθόδου μέτρησης νιτρικών και αμμωνιακών με αεροξήρανση (διάρκειας 3-4 ημερών) του εδάφους, έγιναν απευθείας πειραματικές μετρήσεις σε υγρά δείγματα εδάφους της επόμενης καλλιεργητικής περιόδου (2006) και των δύο αγρών, όταν αυτά ήταν κατακλυσμένα. Από τις μετρήσεις αυτές διαπιστώθηκε ότι η αεροξήρανση πριν τη μέτρηση επηρεάζει την αναλογία νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου στα δείγματα εδάφους αλλά όχι τη συνολική συγκέντρωση του ανόργανου αζώτου (νιτρικό+αμμωνιακό άζωτο). Λόγω της αεροξήρανσης η συγκέντρωση του νιτρικού αζώτου ήταν αυξημένη και του αμμωνιακού αζώτου μειωμένη στα ξηρά εδαφικά δείγματα σε σχέση με το αντίστοιχα υγρά επειδή ο αερισμός των υγρών θρυμματισμένων εδαφικών δειγμάτων ευνοεί τη νιτροποίηση των αμμωνιακού αζώτου. Η διακύμανση του νιτρικού, του αμμωνιακού, του ολικού ανόργανου (νιτρικό+αμμωνιακό) και του ολικού αζώτου (οργανικό+ανόργανο) και από τους δύο αγρούς για την καλλιεργητική περίοδο του έτους 2005 δίνεται, αντίστοιχα, στα Σχήματα 5.13 έως 5.20.

145 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 130 NO 3 -N (mg/kg) Ιουλιανη ημέρα Σχήμα 5.13 Χρονική διακύμανση της συγκέντρωσης (mg/kg) νιτρικού αζώτου στο έδαφος, ανά 30 cm για όλη την καλλιεργητική περίοδο, στον αγρό A NO 3 -N (mg/kg) Ιουλιανη ημέρα Σχήμα 5.14 Χρονική διακύμανση της συγκέντρωσης (mg/kg) νιτρικού αζώτου στο έδαφος, ανά 30 cm για όλη την καλλιεργητική περίοδο, στον αγρό Β. NH 4 -N (mg/kg) Ιουλιανη ημέρα Σχήμα 5.15 Χρονική διακύμανση της συγκέντρωσης (mg/kg) αμμωνιακού αζώτου στο έδαφος, ανά 30 cm για όλη την καλλιεργητική περίοδο, στον αγρό A.

146 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 131 NH 4 -N (mg/kg) Ιουλιανη ημέρα Σχήμα 5.16 Χρονική διακύμανση της συγκέντρωσης (mg/kg) αμμωνιακού αζώτου στο έδαφος, ανά 30 cm για όλη την καλλιεργητική περίοδο, στον αγρό Β. T-N (mg/kg) Ιουλιανη ημέρα Σχήμα 5.17 Χρονική διακύμανση της συγκέντρωσης (mg/kg) ολικού ανόργανου αζώτου (αμμωνιακό+νιτρικό) στο έδαφος, ανά 30 cm για όλη την καλλιεργητική περίοδο, στον αγρό Α. T-N (mg/kg) Ιουλιανη ημέρα Σχήμα 5.18 Χρονική διακύμανση της συγκέντρωσης (mg/kg) ολικού ανόργανου αζώτου (αμ Β. μωνιακό+νιτρικό) στο έδαφος, ανά 30 cm για όλη την καλλιεργητική περίοδο, στον αγρό

147 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 132 TK-N (mg/kg) Ιουλιανη ημέρα Σχήμα 5.19 Χρονική διακύμανση της συγκέντρωσης (mg/kg) ολικού αζώτου στο έδαφος, ανά 30 cm για όλη την καλλιεργητική περίοδο, στον αγρό Α. TK-N (mg/kg) Ιουλιανη ημέρα Σχήμα 5.20 Χρονική διακύμανση της συγκέντρωσης (mg/kg) ολικού αζώτου στο έδαφος, ανά 30 cm για όλη την καλλιεργητική περίοδο, στον αγρό Β. Από τα αποτελέσματα των μετρήσεων νιτρικού, αμμωνιακού, ολικού ανόργανου και ολικού αζώτου προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα για το προφίλ των cm και των δύο αγρών: Στις μετρήσεις της συγκέντρωσης του ολικού ανόργανου αζώτου (αμμωνιακό+νιτρικό) και στους δύο αγρούς ήταν εμφανής η αύξησή της κατά τις πρώτες ημέρες λόγω της βασικής λίπανσης, η οποία έγινε στις 10/5/2005. Η επίδραση της επιφανειακής λίπανσης στις 2/7/2005 στη συγκέντρωση του ολικού ανόργανου αζώτου στο έδαφος δεν πρόλαβε να καταγραφεί λόγω του έντονου ρυθμού πρόσληψης από την καλλιέργεια, ο οποίος φτάνει τις μέγιστες τιμές του ημέρες μετά τη σπορά και λόγω της διάλυσης του λιπάσματος στο νερό κατάκλυσης. Επιπλέον, τους δύο τελευταίους μήνες λόγω συνεχούς εισροής νερού, το οποίο είχε αυξημένη συγκέντρωση ολικού ανόργανου αζώτου, είχε ως αποτέλεσμα και μια σχετική αύξησή του στο έδαφος (Σχήματα 5.17 και 5.18) Το ολικό άζωτο παρουσίασε σχετική σταθερότητα και στους δύο αγρούς, σε όλη την περίοδο κατάκλυσης, επειδή η ανοργανοποίηση επιτυγχάνεται με βραδύτερους ρυθμούς

148 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 133 κάτω από τις συνθήκες αυτές. Από τη διακοπή της κατάκλυσης και μετά η ανοργανοποίηση άρχισε να λαμβάνει χώρα με ταχύτερους ρυθμούς και στους δύο αγρούς, με αποτέλεσμα τη μείωση του ολικού αζώτου κατά Κjeldahl (Σχήματα 5.19 και 5.20) Μετρήσεις στο νερό εισροής και επιφανειακής απορροής Βροχόπτωση - Άρδευση - Επιφανειακή απορροή Η εισροή νερού στους ορυζώνες γίνεται μέσω της βροχόπτωσης και της άρδευσης. Το συνολικό ύψος βροχόπτωσης για την καλλιεργητική περίοδο του ρυζιού ανέρχεται στο ύψος των cm, σύμφωνα με τις μετρήσεις του μετεωρολογικού σταθμού του Ινστιτούτου Εγγείων Βελτιώσεων (ΕΘΙΑΓΕ), στον Γαλλικό ποταμό, με συντεταγμένες 40 ο 40, 22 ο 48. Στο Σχήμα 5.21 δίνεται το ημερήσιο ύψος βροχόπτωσης που δέχθηκαν οι πειραματικοί ορυζώνες κατ ά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου (1/5/2005 έως 14/10/2005). 6.0 (cm)5.0 ωση 4.0 χόπτ3.0 Βρο Βροχόπ τωση P (cm) Ιουλιανή ημέρα Σχήμα 5.21 Ημερήσια βροχόπτωση P σε cm που δέχθηκαν οι δύο αγροί κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου (1/5/2005 έως 14/10/2005). Η εφαρμογή του αρδευτικού νερού στην περιοχή γίνεται μέσω σιφωνίων από το νερό των τριτευουσών διωρύγων (καναλέτα) του αρδευτικού δικτύου. Η παροχή εισροής νερού με την άρδευση για τους δύο αγρούς υπολογίστηκε με τη βοήθεια του νομογραφήματος στο Σχήμα 5.22, το οποίο βασίζεται στη διαφορά υδραυλικού φορτίου των επιφανειών νερού στο καναλέτο και στο χωράφι καθώς και στη διάμετρο του σιφωνίου. Η μέση παροχή εισροής όπως υπολογίστηκε από το νομογράφημα, κυμαινόταν μεταξύ 2-3 l/sec. Η ποσότητα του νερού άρδευσης ανά δεκαήμερο δίνεται στο Σχήμα 5.23 με συνολικές ποσότητες για τον Α και Β αγρό στα και cm νερού, αντίστοιχα. Η επιφανειακή απορροή και στους δύο αγρούς εκφράζει το περίσσευμα νερού που υπ ερχειλίζει και απορρέει μέσω τεχνητού έργου. Η παροχή εκροής μετρήθηκε ανά τακτά χρονικά διαστήματα.

149 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 134 Σχήμα 5.22 Νομογράφημα για την εύρεση της παροχής μέσω της διαφοράς στάθμης από σιφώνιο προσαρτημένο σε ανοιχτό αγωγό. Ύψος νερού άρδευσης (cm) Αγρός Α Αγρός Β Δεκαήμερο καλλιεργητικής περιόδου Σχήμα 5.23 Ύψος νερού άρδευσης ανά 10ήμερο της καλλιεργητικής περιόδου των πειραματικών αγρών Α & Β Ποιοτικές παράμετροι του νερού εισροής επιφανειακής απορροής Οι παράμετροι που μετρήθηκαν στα νερ ά εισροής και εκροής των δύο αγρών ήταν η ηλεκτρική αγωγιμότητα, το ph, το νιτρικό και το αμμωνιακό άζωτο. Οι μέθοδοι μέτρησης των παραπάνω παραμέτρων είναι οι ίδιες με τις αντίστοιχες μετρήσεις στο έδαφος. Στα Σχήματα 5.24 έως 5.28 δίνεται η διακύμανση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας, του ph, του νιτρικού, του αμμωνιακού και ολικού ανόργανου αζώτου, αντίστοιχα, για την καλλιεργητική περίοδο του ρυζιού.

150 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 135 EC W (μs/cm) ECw εισροής ECw εκροής Α ECw εκροής Β Ιουλιανη ημέρα Σχήμα 5.24 Διακύμανση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του νερού εισροής και απορροής των πειραματικών αγρών Α & Β. επιφανειακής 10 9 ph εισροής ph εκροής Α ph εκροής Β 8 ph Ιουλιανη ημέρα Σχήμα 5.25 Διακύμανση του ph του νερού εισροής και επιφανειακής απορροής των πειραματικών αγρών Α & Β. ΝΟ 3 -N (mg/l) NO3 - N mg/l εισροής NO3 - N mg/l εκροής Α NO3 - N mg/l εκροής Β Ιουλιανη ημέρα Σχήμα 5.26 Διακύμανση του νιτρικού αζώτου του νερού εισροής και επιφανειακής απορροής των πειραματικών αγρών Α & Β.

151 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 136 ΝΗ 4 -Ν (mg/l) NH4 - N mg/l εισροής NH4 - N mg/l εκροής Α NH4 - N mg/l εκροής Β Σχήμα Ιουλιανη ημέρα 5.27 Διακύμανση του αμμωνιακού αζώτου του νερού εισροής και επιφανειακής απορροής των πειραματικών αγρών Α & Β. 2.5 T-N (mg/l) T-N εισροής T-N εκροής Α T-N εκροής Β Ιουλιανη ημέρα Σχήμα 5.28 Διακύμανση του ολικού ανόργανου αζώτου του νερού εισροής και επιφανειακής ροής των πειραματικών αγρών Α & απορ Β. Από τα αποτελέσματα των μετρήσεων των ποιοτικών παραμέτρων στα νερά προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα: η ηλεκτρική αγωγιμότητα του νερού επιφανειακής απορροής ήταν μεγαλύτερη από του νερού εισροής και στους δύο αγρούς, γεγονός το οποίο οφείλεται στην εξάτμιση του νερού κατάκλυσης και στην πιθανή διάλυση των αλάτων του εδάφους σε αυτό (Σχήμα 5.24). Η ηλεκτρική αγωγιμότητα στο νερό επιφανειακής απορροής του αγρού Α ήταν μεγαλύτερη από του Β, γεγονός που πιθανόν να οφείλεται στη διάλυση των αλάτων του επιφανειακού εδάφους του αγρού Α, του οποίου η ηλεκτρική αγωγιμότητα εδάφους ήταν μεγαλύτερη από του Β (Σχήματα 5.9 και 5.10). το ph στο νερό επιφανειακής απορροής και των δύο αγρών ήταν ελαφρώς μικρότερο από του νερού εισροής (Σχήμα 5.25). Αυτό οφείλεται στην παρουσία και τη δραστηριότητα

152 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 137 των φυτών και των μικροοργανισμών στο νερό κατάκλυσης, η οποία έχει ως αποτέλεσμα την εκροή πρωτονίων λόγω των αντιδράσεων πρόσληψης κατιόντων από τα φυτά και τα φύκη, τη διάσταση του CO 2 και τη διάσπαση των οργανικών οξέων (U.S.E.P.A., 1999; Αντωνόπουλος κ.α., 2007γ). Σε γενικές γραμμές τα υγροτοπικά συστήματα έχουν μια σχετική ρυθμιστική ικανότητα με τάση ρύθμισης του ph σε ουδέτερες τιμές (U.S.E.P.A., 1999). η συγκέντρωση του νιτρικού αζώτου στο νερό εισροής υπερέχει σημαντικά σε σχέση με του αμμωνιακού. Η συγκέντρωση του νιτρικού αζώτου στο νερό επιφανειακής απορροής είναι μικρότερη από του νερού εισροής, γεγονός το οποίο οφείλεται κυρίως στην πρόσληψή του από τα φύκη και τα φυτά. Οι υπόλοιποι μετασχηματισμοί του νιτρικού αζώτου στο νερό κατάκλυσης είναι σχεδόν αδρανοποιημένοι για να δικαιολογηθούν οι απώλειες αυτές (Σχήμα 5.26). η συγκέντρωση του αμμωνιακού αζώτου στο νερό επιφανειακής απορροής ήταν σχετικά ίση με του νερού εισροής. Το γεγονός αυτό πιθανόν να οφείλεται στο ότι η περιορισμένη αεριοποίηση και νιτροποίηση αλλά και η πιθανή πρόσληψη από τα φύκη, δυσκολεύονται να αντισταθμίσουν την αύξηση της συγκέντρωσης του αμμωνιακού αζώτου λόγω εξάτμισης του νερού κατάκλυσης και λόγω διάχυσης αμμωνιακού αζώτου από το έδαφος (Σχήμα 5.27). 5.6 Μετρήσεις στα φυτά Η παρακολούθηση των παραμέτρων έγινε με δειγματοληψίες φυτών και στους δύο αγρούς ανά ημέρες, για όλη την καλλιεργητική περίοδο του ρυζιού. Στα φυτικά δείγματα έγιναν μετρήσεις του δείκτη φυλλικής επιφάνειας, του βάθους ριζοστρώματος, του ύψους της καλλιέργειας, της απόδοσης σε ξηρή φυτομάζα και του ολικού αζώτου της φυτομάζας. Επιπλέον, στη συγκεκριμένη ενότητα γίνεται αναφορά και για τους φυτικούς συντελεστές για τον υπολογισμό εξατμισοδιαπνοής της καλλιέργειας του ρυζιού, οι οποίοι εκτιμήθηκαν μέσα από βιβλιογραφική ανασκόπηση, η οποία αφορά τις συνθήκες της περιοχής μελ έτης Φυτικός συντελεστής του ρυζιού Για τον υπολογισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής, ET c γίνεται χρήση του φυτικού συντελεστή της καλλιέργειας προσαρμοσμένου στις συνθήκες της περιοχής όπως περιγράφεται από την εξίσωση (Allen et al., 1998):

153 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 138 ET c = K ET (5.5) c r όπου ΕΤ r : η εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας αναφοράς (χορτοτάπητας) υπολογισμένη με τη μέθοδο Penman-Monteith κατά FAO και Κ c : ο φυτικός συντελεστής της καλλιέργειας. Ο φυτικός συντελεστής εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά της καλλιέργειας, την εποχή σποράς ή φύτευσης, τον ρυθμό ανάπτυξής της, τη διάρκεια της βλαστικής περιόδου, τις εδα φικές και κλιματικές συνθήκες και τη μέθοδο άρδευσης (Παπαζαφειρίου, 1999). Στην περίπτωση του ρυζιού ο κυριότερος παράγοντας διαμόρφωσης του φυτικού συντελεστή είναι η μέθοδος άρδευσης ( κατάκλυση). Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι κατά το μεγαλύτερο μέρος της καλλιεργητικής περιόδου, το έδαφος είναι κατακλυσμένο με νερό και η εξάτμιση υφίσταται από την ελεύθερη επιφάνεια του νερού κατάκλυσης και από την επιφάνεια του εδάφους. Αποτέλεσμα των ιδιαίτερων αυτών συνθηκών είναι οι υψηλές τιμές του φυτικού συντελεστή του ρυζιού και η αυξημένη εξατμισοδιαπνοή, σε σχέση με τις υπόλοιπες καλλιέργειες που αρδεύονται με άλλες μεθόδους άρδευσης. O υπολογισμός του φυτικού συντελεστή απαιτεί αρχικά τον καθορισμό των τεσσάρων σταδίων ανάπτυξης της καλλιέργειας καθώς και την ημερομηνία σποράς (Doorenbos and Pruitt 1977, Allen et al., 1998, Παπαζαφειρίου 1999). Τα στάδια ανάπτυξης των καλλιεργειών κατά τους Allen et al. (1998) είναι τα παρακάτω: Στάδιο 1 (αρχικό στάδιο): από την ημερομηνία σποράς, μεταφύτευσης μέχρις ότου η φυτοσκίαση να φτάσει ~ 10%. Στάδιο 2 (στάδιο ταχείας ανάπτυξης): από το τέλος του προηγούμενου σταδίου έως ότου η φυτοσκίαση να φτάσει ~ 70-80%. Στάδιο 3 (στάδιο μέσης περιόδου ή πλήρους ανάπτυξη ς): απ ό το τέλος του σταδίου 2 μέχρι την έναρξη της ωρίμανσης. Στάδιο 4 (τελικό στάδιο): από το τέλος του σταδίου 3 μέχρι την πλήρη ωρίμανση ή συγκομιδή της καλλιέργειας. Η εκτίμηση των φυτικών συντελεστών του ρυζιού για τη μέθοδο Penman- Monteith κατά FAO προέκυψαν μέσα από τις βιβλιογραφικές αναφορές των FAO, (1998), Παπαζαφειρίου, (1999) και Πανώρας κ.α., (2001). Σύμφωνα με αυτούς, η διάρκεια των σταδίων της καλλιέργειας του ρυζιού και οι τιμές του θεωρητικού φυτικού συντελεστή Κ c, προσαρμοσμένοι στην περιοχή της πεδιάδας Θεσσαλονίκης για τη μέθοδο Penman-Monteith κατά FAO δίνονται στο Σχήμα 5.29.

154 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ K c mid = 1.59 Κ c 1.4 K c end = 0.75 Φυτικός συντελεστής K c ini = 1.1 Αρχικό στάδιο Ταχείας ανάπτυξης Μέσης περιόδου Τελικό στάδιο Ημέρα καλλιεργητικής περιόδου Σχήμα 5.29 Διάρκεια των σταδίων της καλλιεργητικής περιόδου του ρυζιού και θεωρητικές τιμές του φυτικού συντελεστή του, προσαρμοσμένες στην περιοχή της πεδιάδας Θεσσαλονίκης για τη μέθοδο Penman-Monteith κατά FAO LAI - βάθος ριζικού συστήματος ύψος φυτών Ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας (LAI), ορίζεται ως λόγος της φυλλικής επιφάνειας ανά μονάδα επιφάνειας του εδάφους. Ο δείκτης αυτός χαρακτηρίζει τη διεπιφάνεια φυλλώματοςατμόσφαιρας, μέσω της οποίας γίνεται η ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ του φυτού και της ατμόσφαιρας (Brėda, 2003). Προσδιορίζει τη συγκράτηση της ηλιακής ακτινοβολίας από τα φυτά και κατά συνέπεια επηρεάζει την ανάπτυξη κα ι την απόδοσή τους (Wilhelm et al., 2000). Επίσης, διαμορφώνει το μικροκλίμα μέσα και κάτω από το φύλλωμα του φυτού, καθορίζει τη διαπνοή του φυτού, τη συγκράτηση του νερού της βροχής και της άρδευσης από το φύλλωμα και τη δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα (Brėda, 2003). Σε πολλά μοντέλα προσομοίωσης του υδατικού ισοζυγίου του εδάφους, ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας χρησιμοποιείται ως παράμετρος διαχωρισμού της εξατμισοδιαπνοής σε εξάτμιση και διαπνοή (Αντωνόπουλος, 1998,1999). Για τη μέτρηση του LAI έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι που διακρίνονται σε άμεσες και έμμεσες (Brėda, 2003). Στις άμεσες μεθόδους από ένα αριθμό φυτών που αποκόπτονται, διαχωρίζονται τα φύλλα από τα άλλα μέρη του φυτού και προσδιορίζεται το εμβαδόν του συνόλου των φύλλων. Το γινόμενο του μέσου εμβαδού των φύλλων ανά φυτό και της πυκνότητας των φυτών δίνει το δείκτη φυλλικής επιφάνειας. Εναλλακτικά με αυτές τις μεθόδους ο LAI μπορεί να μετρηθεί και χωρίς την καταστροφή των φυτών. Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιούνται εμπειρικές σχέσεις που συνδέουν το εμβαδόν των φύλλων μ ε τις διαστάσεις τους (de Jesus, 2001 και Bréda, 2003).

155 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 140 Στις έμμεσες μεθόδους ο LAI υπολογίζεται έμμεσα από μετρήσεις της ακτινοβολίας πάνω κ αι κάτω από φύλλωμα της καλλιέργειας (radiation measurement method) ή από την ανάλυση ημισφαιρικής εικόνας (hemispherical image analysis) (Bréda, 2003). Στην πραγματικότητα, οι έμμεσες μέθοδοι προσδιορισμού του LAI που στηρίζονται στη μέτρηση της ακτινοβολίας, δεν εκτιμούν το εμβαδόν των φύλλων, αλλά το εμβαδόν όλων των μερών του φυλλώματος (στελέχη, κλάδοι, ταξιανθίες) επειδή κι αυτά συμμετέχουν στη συγκράτηση της ακτινοβολίας. Πολλοί ερευνητές, υποστηρίζουν ότι είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείται ο όρος δείκτης επιφάνειας φυτού (PAI) αντί του όρου δείκτης φυλλικής επιφάνειας, όταν γίνεται χρήση της έμμεσης μεθόδου μέτρησης της ακτινοβολίας για την εκτίμηση του LAI (Potter et al., 1996; Wilhelm et al., 2000; Bréda, 2003; Αλεξίου, 2005). Ανάλογα με το σκοπό χρήσης του δείκτη φυλλικής επιφάνειας πρέπει να επιλέγεται και η αντίστοιχη μέθοδος. Για παράδειγμα, για τον υπολογισμό της χρονικής διακύμανσης της πρόσληψης αζώτου και της διαπνοής της καλλιέργειας ως συνάρτηση του LAI, πρέπει να επιλέγεται η άμεση μέθοδος υπολογισμού του, ενώ για τον υπολογισμό της εξάτμισης από το έδαφος πρέπει να επιλέγεται μια από τις έμμεσες μεθόδους γιατί εκτιμούν την ακτινοβολία που περνά κάτω από το φύλλωμα, η οποία εξαρτάται πιο πολύ από την κατανομή της φυλλικής επιφάνειας και λιγότερο από την τιμή της. Στα πλαίσια της συγκεκριμένης εργασίας, το LAI του ρυζιού των δύο αγρών υπολογίστηκε με την άμεση μέθοδο, σύμφωνα με την οποία συλλέχθηκαν φυτά από κυκλική επιφάνεια εμβαδού 2826 cm 2 ανά ημέρες, για την εμβαδομέτρηση των φύλλων τους σε ηλεκτρονικό εμβαδόμετρο. Πέρα από το LAI, σε διάφορες δειγματοληψίες φυτών μετρήθηκε επίσης το ύψος των φυτών και το βάθος του ριζικού συστήματος. Στις μετρημένες τιμές του δείκτη φυλλικής επιφάνειας, του ύψους φυτών και το βάθος ριζικού συστήματος προσαρμόστηκαν λογιστικές εξισώσεις με τη μέθοδο της παλινδρόμησης. Επειδή το LAI μετά από μια μέγιστη τιμή αρχίζει να μειώνεται, ενώ το ύψος των φυτών h και το βάθος ριζικού συστήματος Rd αυξάνουν μέχρι να σταθεροποιηθούν σε μια τιμή, κρίθηκε απαραίτητη η χρήση διαφορετικών εξισώσεων παλινδρόμησης. Οι εξισώσεις αυτές (Αντωνόπουλος, 1999; Αντωνόπουλος και Παυλάτου, 2000) έχουν ως εξής: 2 ( 0.5( ( t c) / ) ) LAI ( t) = a + b exp d (5.6) a h( t) και Rd( t) = (5.7) [ 1+ bexp[ c( t d ) ] Στα Σχήματα 5.30, 5.31 και 5.32 δίνεται η χρονική διακύμανση του δείκτη φυλλικής επιφάνειας, του βάθους ριζικού συστήματος και του ύψους των φυτών, αντίστοιχα, μαζί με τις

156 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 141 υπολογισμένες τιμές των παραμέτρων από τις αντίστοιχες λογιστικές εξισώσεις. Στον Πίνακα 5.6 δίνονται οι τιμές των συντελεστών των λογιστικών εξισώσεων για κάθε παράμετρο και για κάθε αγρό, καθώς και οι συντελεστές συσχέτισης μετρημένων και υπολογισμένων τιμών. (cm 2 /cm 2 ) LAI LAI A LAI(t) A LAI B LAI(t) B Όριο αλλαγής LAI(t) Ημέρα από τη σπορά Σχήμα 5.30 Χρονική μεταβολή των μετρημένων και υπολογισμένων τιμών του δείκτη φυλλικής επιφάνειας LAI και για τους δύο αγρούς Rd (c m ) Ημέρα από τη σπορά Rd A Rd(t) A Rd B Rd(t) B Σχήμα 5.31 Χρονική μεταβολή των μετρημένων και υπολογισμένων τιμών του βάθους ριζικού συστήματος Rd σε cm και για τους δύο αγρούς h (cm) h A 20 h(t) A h B 10 h(t) B Ημέρα από τη σπορά Σχήμα 5.32 Χρονική μεταβολή των μετρημένων και υπολογισμένων τιμών του ύψους των φυτών h σε cm και για τους δύο αγρούς.

157 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 142 Πίνακας 5.6 Τιμές των συντελεστών των λογιστικών εξισώσεων (5.6) και (5.7), αντίστοιχα για κάθε παράμετρο και για κάθε αγρό. Συνάρτηση comp μονάδα a b c d r 2 LAI(t) A ανόδου cm 2 /cm LAI(t) A καθόδου cm 2 /cm LAI(t) Β ανόδου cm 2 /cm LAI(t) A καθόδου cm 2 /cm Rd(t) A cm Rd(t) B cm h(t) A cm h(t) B cm Απόδοση σε ξηρή μάζα και ολικό άζωτο στα φυτά Το άζωτο αποτελεί το βασικότερο περιοριστικό στοιχείο για την παραγωγή του ρυζιού. Σύμφωνα με τους Wells et al. (1993), οι προτιμήσεις της καλλιέργειας για τις διάφορες μορφές αζώτου, διαφοροποιούνται. Για παράδειγμα, στο στάδιο του φυτρώματος το ρύζι δείχνει ιδιαίτερη προτίμηση προς το αμμωνιακό άζωτο, γεγονός το οποίο πιθανόν να αποτελεί προσαρμογή της καλλιέργειας στις ιδιαίτερες υδροδυναμικές συνθήκες, οι οποίες ευνοούν τις έντονες απώλειες νιτρικού αζώτου με την έκπλυση και την απονιτροποίηση. Στη συνέχεια, η προτίμηση της καλλιέργειας προς το αμμωνιακό άζωτο μειώνεται σταδιακά έως τον σχηματισμό της ταξιανθίας, όπου το φυτό δείχνει ίδια προτίμηση και για το αμμωνιακό και για το νιτρικό άζωτο. Βασικός παράγοντας για την πρόσληψη του αζώτου από την καλλιέργεια του ρυζιού αποτελεί η χρονική στιγμή, στην οποία θα γίνει η εφαρμογή της λίπανσης. H βασική λίπανση κατά την έναρξη της καλλιεργητικής περιόδου διευκολύνει την πρόσληψη αζώτου από τα νέα φυτά. Η επιφανειακή λίπανση περίπου 40 ημέρες μετά τη σπορά ενισχύει την ανάπτυξη της καλλιέργειας, καθώς την περίοδο εκείνη έχει διαμορφωθεί πλήρως το ριζικό σύστημα ενώ το υπέργειο τμήμα είναι ακόμη στο αρχικό στάδιο ανάπτυξης, με αποτέλεσμα η καλλιέργεια να εμφανίζει τον μέγιστο ρυθμό πρόσληψης. Στα πλαίσια της συγκεκριμένης εργασίας, η πρόσληψη αζώτου από την καλλιέργεια υπολογίζεται έμμεσα από το περιεχόμενο ολικό άζωτο της ξηρής φυτομάζας. Η παραγωγή της ξηρής φυτομάζας υπολογίστηκε από δειγματοληψίες φυτών από κυκλική επιφάνεια εμβαδού 2826 cm 2 ανά ημέρες, τα οποία υπέστησαν ξήρανση στους 70 ο C, ενώ το περιεχόμενο ολικό άζωτο της ξηρής φυτομάζας υπολογίστηκε με τη μέθοδο Kjeldahl. Στις μετρημένες τιμές της ξηρής φυτομάζας και του ολικού αζώτου των φυτών και των δύο αγρών προσαρμόστηκε η παρακάτω λογιστική εξίσωση με τη μέθοδο της παλινδρόμησης.

158 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 143 a DM ( t) και UPN(t) = (5.8) 1+ [ b exp[ c( t d ) ] Στα Σχήματα 5.33 και 5.34 δίνεται η χρονική μεταβολή της ξηρής φυτομάζας και του ολικού αζώτου των φυτών κ αι των δύο αγρών, αντίστ οιχα, μαζί με τι ς υπολογισμένες τιμές με τη λογιστική εξίσωση (5. 8). Στον Πίνα κα (5.7) δίνονται οι τιμέ ς των συντελεσ τών της λογιστικής εξίσωσης για κάθε παράμετρο και για κάθε αγρό, καθώς και οι συντελεστές συσχέτισης μετρημένων και υπολογισμένων τιμών DM (kg/στρ.) Ημέρα από τη σπορά DM Kg/στρ Α DM(t) Kg/στρ Α DM Kg/στρ Β DM(t) Kg/στρ B Σχήμα 5.33 Χρονική μεταβολή των μετρημένων και υπολογισμένων τιμών ξηρής φυτομάζας (DM) σε kg/στρέμμα και για τους δύο αγρούς UPΝ (kg/στρ.) Ημέρα από τη σπορά UPΝ Kg/στρ Α UPΝ(t)Kg/στρ A UPΝ Kg/στρ Β UPΝ(t)Kg/στρ B Σχήμα 5.34 Χρονική μεταβολή των μετρημένων και υπολογισμένων τιμών του ολικού αζώτου των φυτών (UPΝ) σε kg/στρέμμα και για τους δύο αγρούς. Πίνακας 5.7 Τιμές των συντελεστών της λογιστικής εξίσωσης (5.8) για κάθε παράμετρο και για κάθε αγρό. Συνάρτηση comp μονάδα a b c d r 2 Ξ.Φ.(t) Α Kg/στρ Ξ.Φ.(t) Β Kg/στρ UΝ(t) Α Kg/στρ UΝ(t) B Kg/στρ

159 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 144 Η απόδοση των δύο αγρών σε προϊόν αναποφλοίωτου-αποφλοιωμένου ρυζιού (αποφλοιωμένο/αναποφλίωτο = 0.65 σύμφωνα με την Παπακώστα, (1997)) με περιεχόμενη υγρασία 14% μετρήθηκε kg για τον αγρό Α και kg για τον αγρό Β στο στρέμμα Μετρήσεις στα φύκη (Algae) Ένας από τους βασικότερους παράγοντες για τη μεταβολή των ποιοτικών παραμέτρων των υγροτοπικών συστημάτων και συνεπώς του νερού κατάκλυσης είναι η ύπαρξη φυκών. Η επίδραση των φυκών στις ποιοτικές παραμέτρους του νερού κατάκλυσης έχει ως εξής (Bowie et al., 1985): η πρόσληψη των διαλυμένων θρεπτικών από τα φύκη αποτελεί τον κύριο παράγοντα μείωσης της συγκέντρωσής τους στο νερό κατάκλυσης αλλά και τον κύριο παράγοντα ανακύκλωσης και επαναφοράς τους μέσω της αποσύνθεσής τους στο εδαφικό περιβάλλον. η βιολογική δραστηριότητα των φυκών έχει ως αποτέλεσμα την ημερήσια μεταβολή της συγκέντρωσης του διαλυμένου οξυγόνου στο νερό κατάκλυσης, με αύξηση της συγκέντρωσής του την ημέρα λόγω φωτοσύνθεσης και μείωσή της τη νύχτα λόγω αναπνοής. Οι εποχιακές διακυμάνσεις της συγκέντρωσης του διαλυμένου οξυγόνου στα υγροτοπικά συστήματα, χαρακτηρίζονται από μείωσή του λόγω της αποσύνθεσης των νεκρών ιστών των φυκών, κατά την οποία λαμβάνει χωρά οξείδωση και κατανάλωση οξυγόνου. η βιολογική δραστηριότητα των φυκών έχει ως αποτέλεσμα την ημερήσια μεταβολή του ph, με μείωσή του την ημέρα λόγω πρόσληψης CO 2 επειδή λαμβάνει χώρα η φωτοσύνθεση και με αύξησή του τη νύχτα λόγω εκροής CO 2 επειδή λαμβάνει χώρα η αναπνοή. Η παρουσία τους στο νερό κατάκλυσης των ορυζώνων αποτελεί βασικό παράγοντα στο ισοζύγιο αζώτου και στην ποιότητα του νερού που απορρέει επιφανειακά. Oι υγροτοπικές συνθήκες των ορυζώνων αποτελούν ιδανικό περιβάλλ ον ανάπτυξης, για τους εξής λόγο υς: το μικρό βάθος του νερού κατάκλυσης στους ορυζώνες ευν οεί την πιο γρήγορ η θέρμανσή του και την επίτευξη υψηλ ότερων θερμοκρασιών σε σχέση με τα φυσ ικά υδάτινα συ στήματα, με αποτέλεσμα την περαιτέρω βελτίωση των συνθηκών ανά πτυξης των φυκών. η λίπανση των ορυζώνων λειτουργεί επικουρικά στην ανάπτυξη των φυκών, τα οποία εκμεταλλεύονται την πιθανή διάχυση των θρεπτικών στοιχείων της επιφανειακής εδαφικής στρώσης προς το νερό κατάκλυσης.

160 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 145 το νερό στις λεκάνες κατάκλυσης ανανεώνεται πιο συχνά από το φρέσκο νερό άρδευσης σε σχέση με τα κλειστά υδάτινα συστήματα, τα οποία ανανεώνονται από το νερό της βροχής. Το γεγονός αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του διαλυμένου οξυγόνου στο νερό κατάκλυσης, το οποίο ευνοεί την ανάπτυξή τους. Η έντονη βιολογική δραστηριότητα όμως, η οποία ευνοείται από τους παραπάνω λόγους, αντισταθμίζει την αύξηση αυτή. Οι κύριες ομάδες φυκών που απαντώνται στα υγροτοπικά συστήματα είναι σύμφωνα με τους Bowie et al., (1985), τα Green Algae, Blue-Green Algae, Phytoplankton, Diatoms, Dinoflagellates, Flagellates, Chrysophytes και Benthic Algae, με τα πρώτα να κυριαρχούν στο νερό κατάκλυσης των ορυζώνων της περιοχής μελέτης. Η συμπεριφορά των παραπάνω ομάδων ως προς τη συμμετοχή τους στις διάφορες βιολογικές διεργασίε ς (π.χ. πρόσληψη θρεπτικών στοιχείων, αζωτοδέσμευση κ.α.) και τα μορφολογικά, δομικά και γενετικά χαρακτηριστικά τους (π.χ. περιεχόμενο άζωτο στη βιομάζα τους, ρυθμός ανάπτυξης, απαιτήσεις σε θρεπτικά κ.α.) παρουσιάζουν σημαντικές διαφορές. Η ταυτοποίηση των ομάδων που υπάρχουν στο νερό κατάκλυσης και ο προσδιορισμός της επίδρασης των περιοριστικών παραγόντων (π. χ. τα θρεπτικά ή ο ανταγωνισμός μεταξύ των ομάδων) στην αυξομείωση του πληθυσμού τoυς είναι πολύπλοκη διαδικασία. Για το λόγο αυτό, ο προσδιορισμός της παραγόμενης βιομάζας και της πρόσληψης αζώτου των φυκών με το μοντέλο γίνεται σύμφωνα με την παραδοχή, ότι ο πληθυσμός των φυκών που συμμετέχει σε αυτή τη διαδικασία, ανήκει στην επικρατέστερη ομάδα (π.χ. Green Algae), της οποίας τα χαρακτηριστικά αποτελούν και παράγοντες ρύθμισης του μοντέλου. Μετρήσεις της παραγόμενης βιομάζας των φυκών και συνεπώς της πρόσληψης αζώτου είναι πολύ δύσκολο να επιτευχθούν, για τους εξής λόγους: ο βιολογικός κύκλος ζωής τους είναι πολύ μικρότερος (μερικές ημέρες) σε σχέση με τις ετήσιες καλλιέργειες. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η ζωντανή φυτομάζα που συλλέγεται σε μια δειγματοληψία να μην αποτελεί τη συνολικά παραγόμενη βιομάζα από την έναρξη της καλλιεργητικής περιόδου κατά την οποία έχουμε και την έναρξη των υγροτοπικών συνθηκών. κατά την επιφανειακή απορροή, ο πληθυσμός υφίσταται απώλειες επειδή ένα ποσοστό του παρασύρεται με το νερό. ο πληθυσμός τους παρουσιάζει έντονη χωρική μεταβλητότητα μέσα στις λεκάνες κατάκλυσης. Από τις in situ παρατηρήσεις, διαπιστώθηκε ότι οι πληθυσμοί των φυκών είναι πυκνότεροι κοντά στην είσοδο του αγρού όπου εισρέει το φρέσκο νερό, λόγω μεγαλύτερης συγκέντρωσης διαλυμένου οξυγόνου. Επιπλέον, μεγαλύτεροι πληθυσμοί παρατηρήθηκαν και κοντά στα πρανή των λεκανών όπου τα φυτά είναι πιο αραιά και πιο

161 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 146 ατροφικά, επειδή ευνοείται η εισροή μεγαλύτερου ποσοστού καθαρής ηλιακής ακτινοβολίας και συνεπώς η ανάπτυξή τους. Η προσέγγιση της συμπεριφοράς των φυκών για την εφαρμογή του μοντέλου βασίστηκε κυρίως στις βιβλιογραφικές αναφορές των Bowie et al., (1985) και Anastacio et al., (1999) καθώς και σε περιορισμένες σε αριθμό μετρήσεις του ποσοστού συγκέντρωσης ολικού αζώτου και ιχνοστοιχείων σε δείγματα φυκών που πάρθηκαν από τους πειραματικούς ορυζώνες. Το σύγγραμμα των Bowie et al., (1985) παραθέτει πληροφορίες για όλα τα είδη των φυκών κάτω από ποικίλες συνθήκες και των Anastacio et al., (1999), το οποίο βασίζεται στο προηγούμενο σύγγραμμα, εξειδικεύεται στις συνθήκες που επικρατούν στους ορυζώνες της Πορτογαλίας, γεγονός που ευνοεί τη συγκεκριμένη έρευνα γιατί αφορά τις συνθήκες των μεσογειακών χωρών και το είδος φυκών (Green Algae) που επικρατεί στην περιοχή μελέτης. Στον Πίνακα 5.8 δίνονται, σύμφωνα με τους παραπάνω ερευνητές, ενδεικτικές τιμές των χαρακτηριστικών της ομάδας φυκών (Green Algae). Πίνακας 5.8 Θεωρητικές τιμές των χαρακτηριστικών της ομάδας φυκών (Green Algae) Ποσοστό % ξηρής βιομάζας C% N% P% Bowie et al., (1985) Μέγιστος ρυθμός ανάπτυξης (1/day) (εξ ) Βέλτιστη θερμοκρασία ανάπτυξης Τ opt ( o C) (εξ ) Ελάχιστη θερμοκρασία ανάπτυξης Τ min ( o C) (εξ ) Ακτινοβολία SLI (MJ/m 2 /day) (εξ ) Anastacio et al., (1999) Bowie et al., (1980) Παράγοντας k ext (εξίσωση 4.202) Συγκέντρωση KN (mg/l) (εξίσωση 4.203) Ταχύτητα αποίκισης (m/day) Οι τιμές των παραμέτρων του Πίνακα 5.8 είναι ενδεικτικές για τα συστήματα των ορυζώνων, σύμφωνα με τους Anastacio et al., (1999). Το θεωρητικό εύρος των τιμών τους ποικίλει και έχει προκύψει είτε από in vitro μετρήσεις είτε από ρυθμίσεις μοντέλων διαφόρων ερευνητών (Bowie et al.,1985). Θα πρέπει να αναφερθεί ότι στις in vitro μετρήσεις, οι συνθήκες ανάπτυξης είναι ιδανικές με ομοιομορφία στα χαρακτηριστικά των πληθυσμών, ενώ κατά τη ρύθμιση των μοντέλων γίνεται η παραδοχή ότι οι % αναλογίες θρεπτικών στοιχείων στη ξηρή βιομάζα είναι σταθερές. Στην πραγματικότητα όμως, οι παραπάνω αναλογίες παρουσιάζουν αποκλίσεις, οι οποίες οφείλονται στο διαφορετικό μέγεθος των κυττάρων του ίδιου πληθυσμού, στη διαφορετική ηλικία των ζωντανών κυττάρων καθώς και σε διάφορους άλλους παράγοντες (π.χ. κλίμα, επάρκεια θρεπτικών κ.α.) που επιδρούν στην ανάπτυξή τους

162 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ 147 (Bowie et al.,1985). Αποκλίσεις από τις θεωρητικές τιμές μπορεί να παρουσιαστούν και από το γεγονός ότι στις in situ δειγματοληψίες, το δείγμα περιέχει όχι μόνο ζωντανή αλλά και νεκρή βιομάζα. Η παραπάνω διαπίστωση επιβεβαιώνεται και από μετρήσεις που έγιναν σε τρία δείγματα φυκών, τα οποία πάρθηκαν στις 19/8/2007. Η μάζα των δειγμάτων αναμείχθηκε, και έγιναν δύο μετρήσεις από τις οποίες οι τιμές του % ολικού Ν στη ξηρή βιομάζα τους προέκυψε 2.05 και 2.1% ολικού Ν. Λόγω της διαφοροποίησης του θεωρητικού και μετρημένου % ολικού αζώτου στη βιομάζα είναι δύσκολο να καθοριστεί η συνολική βιομάζα των φυκών που παράχθηκε. Η διαφοροποίηση οφείλεται στο διαφορετικό ρυθμό πρόσληψης αζώτου από τα φύκη, ο οποίος εξαρτάται από το μέγεθος των κυττάρων και την ηλικία τους. Στα νεαρά κύτταρα η % συγκέντρωση αζώτου είναι κοντά στη θεωρητική τιμή, η οποία φθίνει όσο μεγαλώνουν τα κύτταρα και όσο συσσωρεύονται νεκρά κύτταρα στη βιομάζα. 5.7 Καλλιεργητικές εργασίες Λίπανση Οι καλλιεργητικές εργασίες στους δύο πειραματικούς ορυζώνες, οι οποίες είναι παρόμοιες κάθε χρόνο, έγιναν με τη σε ιρά ως εξής: 1. Στα τέλη Νοεμβρίου-αρχές Δεκεμβρίου, μετά τη στράγγιση των α γρών από τα νερά κατάκλυσης της προηγούμενης καλλιεργητικής περ ιόδου και όταν η υγρασία το επέτρεψε, έγινε άροση μέχρι τα cm. 2. Στο χρονικό διάστημα μετά την άροση και πριν το φρεζάρισμα, έγινε διόρθωση των ανωμαλιών της επιφάνειας του εδάφους που προκλήθηκαν από την προηγούμενη καλλιεργητική περίοδο με απλή ισοπέδωση χωρίς τη χρήση laser. 3. Στις 10/5/2005 έγινε κατεργασία του εδάφους με φρέζα και ταυτόχρονη εφαρμογή βασικής λίπανσης 50 kg/στρέμμα φωσφορικής αμμωνίας ( ). 4. Στις 13/5/2005 ξεκίνησε η άρδευση για την επίτευξη κατάκλυσης του αγρού. Οι σάκοι των σπόρων τοποθετήθηκαν στην είσοδο της λεκάνης κατάκλυσης για να απορροφήσουν νερό, έτσι ώστε να βαρύνουν οι σπόροι και να μην παρασύρονται κατά τη σπορά από το νερό κατάκλυσης. 5. Στις 15/5/2005 έγινε η σπορά με σποροδιανομέα και ταυτόχρονη εφαρμογή ζιζανιοκτόνου. Η ποικιλία του σπόρου ήταν TYBONNET R1 σε ποσότητα 25 kg/στρέμμα. Παράλληλα με τη σπορά εφαρμόστηκε και το ζιζανιοκτόνο ORDRAM, σε ποσότητα 800 gr/στρέμμα. 6. Στις 31/5/2005 έγινε δεύτερη εφαρμογή του ζιζανιοκτόνου Zagor (molinate 71%) για την καταπολέμηση της μουχρίτσας του ρυζιού και εφαρμογή του εντομοκτόνου Pholyphos (Cypermethrin 10%) για την καταπολέμηση του σκουληκιού που προσκολλάται στη βάση και στις ρίζες του φυτού.

163 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ Στις 2/7/2005 έγινε η επιφανειακή μεταφυτρωτική λίπανση με τη βοήθεια λιπασματοδιανομέα. Στον αγρό Α εφαρμόστηκαν 25 kg/στρέμμα φωσφορικής αμμωνίας ( ), ενώ στον αγρό Β εφαρμόστηκαν 30 kg/στρέμμα θειικής αμμωνίας (21-0-0). 8. Στις 14/10/2005 έγινε η συγκομιδή.

164 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ o ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 6.1 Ρύθμιση και εφαρμογή του τροποποιημένου μοντέλου GLEAMS-PR Το τροποποιημένο μαθηματικό μοντέλο GLEAMS-PR εφαρμόστηκε με τα δεδομένα των πειραματικών ορυζώνων Α και Β για την καλλιεργητική περίοδο του 2005 από τις 1/5/2005 έως 14/10/2005. Το μοντέλο ρυθμίστηκε (calibration) με τα δεδομένα του αγρού Α και επιβεβαιώθηκε με τις ρυθμισμένες παραμέτρους στον αγρό Β (validation). Οι ρυθμίσεις του υδρολογικού υπομοντέλου έχουν ως εξής: η εξατμισοδιαπνοή, η οποία ρυθμίστηκε σύμφωνα με τη μέθοδο της ενότητας ( ) με την υπολογισμένη πραγματική εξατμισοδιαπνοή της μεθόδου Penman-Monteith με χρήση φυτικού συντελεστή προσαρμοσμένου στις συνθήκες της περιοχής (ενότητα 5.6.1). το ύψος αναχώματος για τη δημιουργία ορισμένου ύψους νερού κατάκλυσης στη λεκάνη των ορυζώνων, πάνω από το οποίο υφίσταται η επιφανειακή απορροή (ενότητα ). Το ύψος αυτό μετρήθηκε από τις in situ παρατηρήσεις στα 10 cm. το διογκωμένο πορώδες του εδάφους (δημιουργία λάσπης λόγω κατάκλυσης), το οποίο υπολογίστηκε έμμεσα από τις μετρήσεις εδαφικής υγρασίας στα μέσα της καλλιεργητικής περιόδου, όταν το έδαφος ήταν κατακλυσμένο και πλήρως κορεσμένο καθώς και οι υπόλοιπες φυσικές και υδραυλικές παράμετροι του κάθε αγρού (ενότητα και 5.3.4). η επιφανειακή απορροή και η εδαφική υγρασία, των οποίων η ρύθμιση έγινε ταυτόχρονα για όλη την καλλιεργητική περίοδο, σύμφωνα με τις μετρημένες τιμές τους και με την παροχή στράγγισης, η οποία εισάγεται ως παράμετρος στο μοντέλο (ενότητα 6.3.2). Οι ρυθμίσεις του υπομοντέλου θερμοκρασίας έχουν ως εξής: ο παράγοντας μείωσης της εισερχόμενης καθαρής ακτινοβολίας λόγω φυτοσκίασης για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης, ο οποίος ρυθμίστηκε έτσι ώστε η υπολογισμένη εξάτμιση νερού κατάκλυσης από το ισοζύγιο ενέργειας να εξισωθεί με την εξάτμιση νερού του μοντέλου (ενότητα ). Οι ρυθμίσεις του υπομοντέλου αζώτου έχουν ως εξής:

165 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 150 οι παράμετροι πρόσληψης αζώτου από τα φύκη ρυθμίστηκαν έτσι ώστε να επιτευχθεί ταύτιση μετρημένων και υπολογισμένων τιμών της συγκέντρωσης του αζώτου στο νερό επιφανειακής απορροής. οι συντελεστές της εξίσωσης για την πρόσληψη αζώτου από την καλλιέργεια του ρυζιού. η εισροή αζώτου με την βροχόπτωση και την άρδευση σύμφωνα με τις παραδοχές α) το εισρεόμενο ανόργανο άζωτο είναι μόνο με τη μορφή νιτρικού αζώτου και β) η συγκέντρωση του ανόργανου αζώτου στη βροχόπτωση είναι ίση με τη συγκέντρωση στο νερό άρδευσης, χωρίς μεγάλες αποκλίσεις από την πραγματικότητα καθώς το νερό της βροχής ήταν πολύ μικρό σε σχέση με το συνολικό νερό άρδευσης (ενότητα 5.5.2) και γ) η συγκέντρωση του ανόργανου αζώτου στο νερό της βροχής και της άρδευσης μεταβάλλεται με το χρόνο (ενότητα 6.5.1). 6.2 Έλεγχος αξιοπιστίας του μοντέλου Ο έλεγχος αξιοπιστίας του μοντέλου έγινε με τη βοήθεια στατιστικών κριτηρίων (Αντωνόπουλος, 1999), τα οποία βασίζονται στη σύγκριση των υπολογισμένων τιμών του μοντέλου με τις αντίστοιχες μετρημένες τιμές διαφόρων μεταβλητών. Τα στατιστικά κριτήρια που χρησιμοποιήθηκαν στην εργασία αυτή για τη διερεύνηση της ικανότητας του μοντέλου να περιγράψει το φυσικό πρόβλημα είναι: - το τετράγωνο του συντελεστή συσχέτισης r 2 (square correlation coefficient): ( C C )( O O ) i m i m 2 i= 1 r = (6.1) N N 2 2 ( Ci Cm ) ( Oi Om ) i 1 i 1 N - το μέσο σφάλμα ME (mean error) και μέσο απόλυτο σφάλμα MAE (mean absolute error): 1 ME = N N ( i= 1 C i O i 1 N ) και MAE = N 2 i= 1 C i O i (6.2 και 6.3) - ο συντελεστής αποδοτικότητας του μοντέλου EF (coefficient of efficiency): N N 2 2 EF = 1 ( C ) ( ) i Oi Oi Om (6.4) i= 1 i= 1 - ο συντελεστής ελλείμματος μάζας CRM (coefficient of residual mass): N N CRM = 1 C i Oi (6.5) i= 1 i= 1 - το σφάλμα του τετραγώνου των αποκλίσεων RMSE (root mean square error): RMSE = 1 N N ( C i O i ) i= 1 2 (6.6)

166 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 151 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 της χρονοσειράς. Τα παραπάνω στατιστικά κριτήρια υπολογίστηκαν σε όλες τις περιπτώσεις για την εξαγωγή συμπερασμάτων ως προς την ικανότητα του μοντέλου να περιγράψει το φυσικό πρόβλημα. Για τη ρύθμιση όμως κάποιων παραμέτρων του μοντέλου που βασίστηκαν σε βιβλιογραφικές αναφορές, τα στατιστικά κριτήρια που χρησιμοποιηθήκαν ως οδηγοί, ήταν κυρίως ο συντελεστής ελλείμματος μάζας CRM και το μέσο σφάλμα ME, τα οποία αναφέρονται περισσότερο στην ακρίβεια του ισοζυγίου μάζας. Ο λόγος που ακολουθήθηκε η παραπάνω διαδικασία, είναι ότι η ανάπτυξη της αρχικής δομής του μοντέλου βασίζεται σε ημιεμπειρικές εξισώσεις για τη συνολική αποτίμηση των φορτίων εκροής αγροχημικών ουσιών από τα γεωργικά συστήματα, με έμφαση στην ακρίβεια των αποτελεσμάτων του όχι τόσο σε ημερήσιο χρονικό βήμα αλλά για μεγαλύτερες χρονικές περιόδους (π.χ. μήνας, καλλιεργητική περίοδος κλπ). 6.3 Ισοζύγιο νερού Με βάση την εξίσωση του υδατικού ισοζυγίου (4.84) και τα δεδομένα των συνιστωσών του για την περίοδο 1/5/2005 έως 14/10/2005, η οποία συμπίπτει με την καλλιεργητική περίοδο του ρυζιού, υπολογίστηκε το ισοζύγιο νερού των αγρών Α και Β, έκτασης 5.51 και 6.6 στρεμμάτων, αντίστοιχα Εξατμισοδιαπνοή Η ρύθμιση της εξατμισοδιαπνοής έγινε για τον αγρό Α. Η ρύθμιση του συντελεστή εξάτμισης κατακλυσμένου εδάφους α w (εξίσωση 4.80) έγινε έτσι ώστε η υπολογισμένη ολική εξατμισοδιαπνοή της καλλιεργητικής περιόδου του ρυζιού με τη μέθοδο Penman-Monteith με χρήση φυτικού συντελεστή να εξισωθεί με αυτή που υπολογίζει το μοντέλο με τη μέθοδο του Ritchie. Με τη διαδικασία αυτή, η τιμή του συντελεστή εξάτμισης κατακλυσμένου εδάφους βρέθηκε α w =1.26. Με τον ίδιο συντελεστή υπολογίστηκε και η εξατμισοδιαπνοή του αγρού Β, ο οποίος είναι αναμενόμενο να διαφοροποιείται καθώς οι δύο αγροί παρουσίασαν διαφορετικές τιμές του δείκτη φυλλικής επιφάνειας αλλά και διαφορετικό αριθμό ημερών στις οποίες ήταν κατακλυσμένο το έδαφος. Οι αθροιστικές τιμές της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ΕΤ), της συνολικής εξάτμισης από το νερό κατάκλυσης και το έδαφος (E sw +E s ) καθώς και της διαπνοής (E p ) των δύο αγρών δίνονται στα Σχήματα 6.1, 6.2 και 6.3, αντίστοιχα, καθώς και στον Πίνακα 6.1. Ο διαχωρισμός

167 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 152 του όγκου νερού σε εξάτμιση από το νερό κατάκλυσης (E sw ) και από το έδαφος (E s ) γίνεται από τις ημέρες που θεωρεί το μοντέλο ότι το έδαφος είναι κατακλυσμένο. 120 ET (cm) ET Kc ET GLEAMS A ET GLEAMS B Ιουλιανή ημέρα Σχήμα 6.1 Αθροιστική υπολογισμένη πραγματική εξατμισοδιαπνοή για τους αγρούς Α και Β και πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ET) της μεθόδου Penman-Monteith με χρήση φυτικού συντελεστή. E sw +E s (cm) Esw +Es GLEAMS A Esw +Es GLEAMS B Ιουλιανή ημέρα Σχήμα 6.2 Αθροιστική υπολογισμένη εξάτμιση από το έδαφος και από το νερό κατάκλυσης (E sw + E s ) σε cm για τους αγρούς Α και Β Ep GLEAMS A Ep GLEAMS B E P (cm) Ιουλιανή ημέρα Σχήμα 6.3 Αθροιστική υπολογισμένη διαπνοή της καλλιέργειας (Ε p ) σε cm για τους αγρούς Α και Β.

168 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 153 Πίνακας 6.1 Αποτελέσματα της υπολογισμένης πραγματικής εξατμισοδιαπνοής, της εξάτμισης και της διαπνοής καθώς και της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής με τη μέθοδο Penman-Monteith με χρήση φυτικού συντελεστή και του μέγιστου δείκτη φυλλικής επιφάνειας των δύο αγρών. Μέθοδος ET (cm) E sw +E s (cm) E p (cm) LAI max PM-Kc A GLEAMS-PR B GLEAMS-PR Από τα αποτελέσματα του μοντέλου για τους δύο αγρούς, διαπιστώθηκε ότι ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας παίζει σημαντικό ρόλο στο διαχωρισμό του όγκου νερού που χρησιμοποιείται για εξάτμιση και διαπνοή. Μεγάλες τιμές του LAI αυξάνουν το ποσοστό του νερού που καταναλώνεται για διαπνοή από τα φυτά, ενώ ταυτόχρονα μειώνουν το ποσοστό της εξάτμισης λόγω μεγαλύτερης φυτοσκίασης. Το συμπέρασμα αυτό επιβεβαιώνεται και από τα αποτελέσματα του μοντέλου (Πίνακας 6.1), σύμφωνα με τα οποία η εξάτμιση του αγρού Α είναι μικρότερη από του Β (Σχήμα 6.2) και αντιστρόφως η διαπνοή (Σχήμα 6.3), λόγω του ότι ο αγρός Α εμφανίζει μεγαλύτερες τιμές LAI. Όσον αφορά τη συνολική πραγματική εξατμισοδιαπνοή, στον αγρό Α προέκυψε ελαφρώς μεγαλύτερη από του αγρού Β, επειδή σύμφωνα με το μοντέλο οι ημέρες που ήταν κατακλυσμένο το έδαφος του αγρού Α, ήταν περισσότερες από του Β Επιφανειακή απορροή Η ρύθμιση των υπολογισμένων με τις μετρημένες τιμές επιφανειακής απορροής έγινε με βάση την παροχή στράγγισης (ενότητα 4.2.3), την απόσταση της επιφάνειας του εδάφους από τη στάθμη του νερού στο στραγγιστικό δίκτυο και το ύψος του αναχώματος, πάνω από το οποίο υφίσταται επιφανειακή απορροή. Ταυτόχρονα, με τη ρύθμιση της επιφανειακής απορροής έγινε και η ρύθμιση της εδαφικής υγρασίας. Η ταυτόχρονη ρύθμισή τους έγινε γιατί η παροχή στράγγισης μετά τον κορεσμό του εδάφους επηρεάζει τη διήθηση νερού από την επιφάνεια, τη διακύμανση του ύψους του νερού κατάκλυσης και επομένως την επιφανειακή απορροή. Η απόσταση της επιφάνειας του εδάφους από τη στάθμη του νερού στο στραγγιστικό δίκτυο θεωρήθηκε ότι είναι σταθερή για όλη την καλλιεργητική περίοδο με μέση μετρημένη τιμή στα 120 cm και για τους δύο αγρούς. Η παροχή στράγγισης θεωρήθηκε ότι είναι ανάλογη του μήκους της προσκείμενης πλευράς του κάθε χωραφιού στο στραγγιστικό δίκτυο (Σχήμα 5.1) (29 m για τον αγρό Α και 20 m για τον Β) από την οποία εκρέει το νερό στράγγισης. Η παροχή στράγγισης ανά μονάδα πλάτους για όλο το προφίλ εδάφους των 120 cm εκτιμήθηκε στα cm/day/m, τιμή η οποία μεταφράζεται, σύμφωνα με το μήκος της προσκείμενης

169 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 154 πλευράς των αγροτεμαχίων στο στραγγιστικό δίκτυο, σε και cm/day για τον αγρό Α και Β, αντίστοιχα. Το ύψος του αναχώματος για την επίτευξη συνθηκών κατάκλυσης μετρήθηκε στα 10 cm. Η εισροή νερού με τη βροχόπτωση ήταν cm και με την άρδευση και cm για τον αγρό Α και Β, αντίστοιχα. Στα Σχήματα 6.4 και 6.5 δίνονται η ημερήσιες τιμές της εισροής νερού με την άρδευση και τη βροχόπτωση (IR+P) καθώς και οι υπολογισμένες (SIM Q) και μετρημένες τιμές (MES Q) επιφανειακής απορροής σε cm/day. Στο Σχήμα 6.6 δίνονται οι συγκρίσεις μετρημένων (MES Q) και υπολογισμένων τιμών (SIM Q) επιφανειακής απορροής σε cm/day και στους δύο αγρούς. Στον Πίνακα 6.2 δίνονται τα αποτελέσματα των στατιστικών κριτηρίων των μετρημένων και υπολογισμένων τιμών επιφανειακής απορροής. Ύψος νερού (cm/day) SIM Q (cm) MES Q (cm) IR+P (cm) Ιουλιανή ημέρα Σχήμα 6.4 Ημερήσια εισροή νερού με την άρδευση και τη βροχόπτωση (IR+P), ημερήσιες μετρημένες τιμές επιφανειακής απορροής (MES Q) και ημερήσιες υπολογισμένες τιμές επιφανειακής απορροής (SIM Q) σε cm/day, του αγρού Α για την περίοδο προσομοίωσης. Ύψος νερού (cm/day) SIM Q(cm) MES Q (cm) IR+P (cm) Ιουλιανή ημέρα Σχήμα 6.5 Ημερήσια εισροή νερού με την άρδευση και τη βροχόπτωση (IR+P), ημερήσιες μετρημένες τιμές επιφανειακής απορροής (MES Q) και ημερήσιες υπολογισμένες τιμές επιφανειακής απορροής (SIM Q) σε cm/day, του αγρού Β για την περίοδο προσομοίωσης.

170 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 155 MES Q (cm/day) Αγρός Α MES Q (cm/day) Αγρός Β SIM Q (cm/day) SIM Q (cm/day) Σχήμα 6.6 Σύγκριση μεταξύ των μετρημένων (MES) και των υπολογισμένων (SIM) τιμών επιφανειακής απορροής Q σε cm/day στους αγρούς Α και Β. Πίνακας 6.2 Τιμές των στατιστικών κριτηρίων μεταξύ μετρημένων και υπολογισμένων τιμών επιφανειακής απορροής Q (cm/day) για τους αγρούς Α και Β. Αγρός Α Αγρός Β Κριτήριο Εύρος Επιθυμητή τιμή Υπολογισμένη τιμή Υπολογισμένη τιμή r 0 έως r 2 0 έως ΜΕ -oo έως +oo ΜΑΕ 0 έως +οο EF -oo έως CRM -οο έως RMSE 0 έως +οο Από τις τιμές των στατιστικών κριτηρίων μεταξύ μετρημένων και υπολογισμένων τιμών επιφανειακής απορροής προκύπτει ότι: το μοντέλο παρουσιάζει ικανοποιητική ακρίβεια στον υπολογισμό του συνολικού όγκου απορροής, γεγονός που εκφράζεται από τα κριτήρια ΜΕ και CRM. Σύμφωνα με το ΜΕ, η μέση απόκλιση του συνόλου των ημερήσιων υπολογισμένων από τις μετρημένες τιμές επιφανειακής απορροής εκτιμάται και cm/day για τον αγρό Α και Β, αντίστοιχα, όταν οι ημερήσιες μετρημένες τιμές κυμαίνονται από 0.43 έως 3.2 cm/day. Σύμφωνα με το CRM, η απόκλιση του υπολογισμένου από τον μετρημένο όγκο επιφανειακής απορροής εκτιμάται στα 4.3% και 22.1% για τον αγρό Α και Β, αντίστοιχα, τιμές οι οποίες είναι πολύ ικανοποιητικές, αν ληφθεί υπόψη ότι η συνολική επιφανειακή απορροή στους δύο αγρούς είναι πολύ μικρή σε σχέση με το συνολικό εισρεόμενο νερό. το μοντέλο παρουσιάζει μικρότερη ακρίβεια στην εκτίμηση της ημερήσιας διακύμανσηςμεταβολής των υπολογισμένων τιμών σε σχέση με τις μετρημένες τιμές επιφανειακής απορροής, συμπέρασμα το οποίο εξάγεται από τα αποτελέσματα των υπόλοιπων κριτηρίων.

171 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Εδαφική υγρασία Για την εκτίμηση της εδαφικής υγρασίας λήφθηκαν υπόψη οι τιμές του διογκωμένου πορώδους του εδάφους (δημιουργία λάσπης λόγω κατάκλυσης), το οποίο υπολογίστηκε έμμεσα από τις μετρήσεις εδαφικής υγρασίας στα μέσα της καλλιεργητικής περιόδου, όταν το έδαφος ήταν πλημμυρισμένο και πλήρως κορεσμένο (ενότητα ). Το μοντέλο λειτουργεί ικανοποιητικά με τη χρήση του διογκωμένου πορώδους εντός της καλλιεργητικής περιόδου, ενώ η εφαρμογή του για πριν και μετά από αυτήν είναι περιοριστική καθώς το έδαφος αρχίζει να συρρικνώνεται και να επανέρχεται στις φυσιολογικές τιμές του πορώδους. Στα Σχήματα 6.7 και 6.8 δίνονται οι κατ όγκο (cm 3 /cm 3 ) μετρημένες και οι υπολογισμένες τιμές εδαφικής υγρασίας του μοντέλου για κάθε υπολογιστική στρώση εδάφους των 30 cm του συνολικού προφίλ των 120 cm και για τους αγρούς Α και Β, αντίστοιχα. Εφαρμογή στατιστικών κριτηρίων δεν έγινε στις μετρημένες και υπολογισμένες τιμές εδαφικής υγρασίας, επειδή το έδαφος ήταν σχεδόν πάντα κορεσμένο, γεγονός που οδήγησε και στη λήψη λίγων μετρήσεων εδαφικής υγρασίας Βάθος 0-30 cm A Βάθος cm A Βάθος cm A Βάθος cm A SIM SM MES SM Ιουλιανή ημέρα Σχήμα 6.7 Μετρημένες (MES) και υπολογισμένες (SIM) τιμές εδαφικής υγρασίας (SM) σε cm 3 /cm 3 για κάθε στρώση των 30 cm του συνολικού προφίλ εδάφους των 120 cm του αγρού Α, για όλη την καλλιεργητική περίοδο του ρυζιού.

172 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Βάθος 0-30 cm B Βάθος cm B Βάθος cm B Βάθος cm B SIM SM MES SM Ιουλιανή ημέρα Σχήμα 6.8 Μετρημένες (MES) και υπολογισμένες (SIM) τιμές εδαφικής υγρασίας (SM) σε cm 3 /cm 3 για κάθε στρώση των 30 cm του συνολικού προφίλ εδάφους των 120 cm του αγρού Β, για όλη την καλλιεργητική περίοδο του ρυζιού. Από τα αποτελέσματα της εδαφικής υγρασίας για τους δύο αγρούς προκύπτει ότι το μοντέλο δίνει ικανοποιητικά αποτελέσματα, περιγράφοντας την εδαφική υγρασία του διογκωμένου εδάφους για όλη σχεδόν την καλλιεργητική περίοδο. Για τις πρώτες πέντε ημέρες πριν την κατάκλυση, στις στρώσεις των 0-30 cm των δύο αγρών, παρατηρείται υπερεκτίμηση της εδαφικής υγρασίας σε σχέση με τις μετρημένες τιμές της. Η συγκεκριμένη ανωμαλία οφείλεται στο γεγονός ότι το μοντέλο εφαρμόστηκε με τις τιμές του διογκωμένου πορώδους του εδάφους (λάσπη), το οποίο υφίσταται σε όλη σχεδόν την καλλιεργητική περίοδο, χωρίς να υπάρχει η δυνατότητα να ληφθεί υπόψη το συρρικνωμένο έδαφος της επιφανειακής στρώσης πριν την έναρξη της κατάκλυσης. Άλλος λόγος για την ύπαρξη της συγκεκριμένης ανωμαλίας είναι ότι η αρχική συνθήκη της εδαφικής υγρασίας είναι μία για όλο το προφίλ των 120 cm και δεν διαχωρίζεται για κάθε εδαφική στρώση μελέτης. Η συγκεκριμένη λειτουργία του μοντέλου έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση του παραπάνω προβλήματος σχεδόν πάντα σε μικρό ή

173 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 158 μεγάλο βαθμό και σε όλες τις εφαρμογές κατά την έναρξη της προσομοίωσης, αλλά απαλείφεται σύντομα με την ανακατανομή του εδαφικού νερού στις στρώσεις υπολογισμού (Knisel and Davis, 1993) Αποτελέσματα του υδατικού ισοζυγίου και συζήτηση Στα Σχήματα 6.9 και 6.10 δίνονται τα διαγράμματα των αθροιστικών τιμών των συνιστωσών του ισοζυγίου του νερού, οι οποίες είναι η βροχόπτωση+άρδευση (P+IR), η επιφανειακή απορροή (Q), η εξατμισοδιαπνοή (ΕΤ), η βαθιά διήθηση (Ο) και η διακύμανση του ύψους νερού (WD) στη λεκάνη κατάκλυσης για τους αγρούς Α και Β, αντίστοιχα μετά από εφαρμογή του μοντέλου για περίοδο προσομοίωσης από τις 1/5/2005 έως 14/10/2005 (167 ημέρες). Τα συνολικά αποτελέσματα του υδατικού ισοζυγίου και των επιμέρους συνιστωσών του για όλη την καλλιεργητική περίοδο του έτους 2005 (167 ημέρες) για τους αγρούς Α και Β δίνονται στους Πίνακες 6.3 και 6.4, αντίστοιχα. Επίσης, στα Σχήματα 6.11 και 6.12 δίνεται η συγκριτική ανάλυση των συνολικών αποτελεσμάτων των συνιστωσών του υδατικού ισοζυγίου καθώς και του ποσοστιαίου επιμερισμού των συνολικών απωλειών νερών στις επιμέρους συνιστώσες εκροής από τους δύο αγρούς, αντίστοιχα WD (cm) Ύψος νερού (cm) Q (cm) O (cm) ET (cm) IR+P (cm) Ιουλιανή ημέρα Σχήμα 6.9 Διακύμανση του ύψους νερού (WD) στη λεκάνη κατάκλυσης και aθροιστικές τιμές της εισροής νερού από βροχόπτωση+άρδευση (P+IR), της επιφανειακής απορροής (Q), της εξατμισοδιαπνοής (ΕΤ) και της βαθιάς διήθησης (Ο) στον Αγρό Α για την περίοδο 1/5/2005 έως 14/10/2005.

174 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ WD (cm) Ύψος νερού (cm) Q (cm) Ο (cm) ET (cm) IR+P (cm) Ιουλιανή ημέρα Σχήμα 6.10 Διακύμανση του ύψους νερού (WD) στη λεκάνη κατάκλυσης και aθροιστικές τιμές της εισροής νερού από βροχόπτωση+άρδευση (P+IR), της επιφανειακής απορροής (Q), της εξατμισοδιαπνοής (ΕΤ) και της βαθιάς διήθησης (Ο) στον Αγρό Β για την περίοδο 1/5/2005 έως 14/10/2005. Πίνακας 6.3 Συνολικά αποτελέσματα των συνιστωσών του ισοζυγίου νερού του αγρού Α. Εισροές νερού Εκροές νερού Ισοζύγιο IR P Q Ο ΕΤ (cm) (m 3 ) Πίνακας 6.4 Συνολικά αποτελέσματα των συνιστωσών του ισοζυγίου νερού του αγρού Β. Εισροές νερού Εκροές νερού Ισοζύγιο IR P Q Ο ΕΤ (cm) (m 3 ) Ύψος νερού (cm) Αγρός Α Αγρός Β IR P Q O ΕΤ Συνιστώσες ισοζυγίου νερού Σχήμα 6.11 Σύγκριση μεταξύ των συνολικών τιμών των συνιστωσών του ισοζυγίου νερού στο τέλος της καλλιεργητικής περιόδου των δύο αγρών.

175 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ % % 60% 50% 40% 30% Αγρός Α Αγρός Β 27.43% 48.09% 54.50% 24.48% 37.70% 20% 10% 0% 7.80% Q/(Q+O+ET) O/(Q+O+ET) ET/(Q+O+ET) Εκροή/Ολική εκροή νερού Σχήμα 6.12 Ποσοστιαίος επιμερισμός των συνολικών απωλειών νερού στις επιμέρους συνιστώσες εκροής για τους δύο αγρούς στο τέλος της καλλιεργητικής περιόδου. Μια από τις πιο δημοφιλείς μεθόδους για την αξιολόγηση της πρακτικής άρδευσης στις καλλιέργειες, είναι ο υπολογισμός της αποδοτικότητας εφαρμογής πλήρους άρδευσης. Η εκτίμησή της δίνεται από τη σχέση (Παπαζαφειρίου, 1999): USM E cf = (6.7) Q όπου USM: η ωφέλιμη υγρασία του χωραφιού και Q f : το αρδευτικό νερό που εφαρμόστηκε στο χωράφι. Η συγκεκριμένη μέθοδος αξιολόγησης δεν μπορεί να εφαρμοστεί στην περίπτωση των ορυζώνων καθώς το νερό που χρειάζεται για την κάλυψη των αναγκών τους ξεπερνά την ωφέλιμη υγρασία του εδάφους. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι είναι απαραίτητη η συνεχής διατήρηση κορεσμένων συνθηκών και η διατήρηση του ύψους νερού στη λεκάνη κατάκλυσης για μεγάλο μέρος της καλλιεργητικής περιόδου. Η προσέγγιση της αποδοτικότητας εφαρμογής πλήρους άρδευσης στην περίπτωση των ορυζώνων μπορεί να επιτευχθεί με την παραδοχή ότι το ποσοστό του αρδευτικού νερού που απομένει μετά την αφαίρεση από αυτό των απωλειών νερού με την επιφανειακή απορροή και τη στράγγιση, είναι ωφέλιμο για την επίτευξη κορεσμένων συνθηκών και συνθηκών κατάκλυσης στο έδαφος. Έτσι η σχέση (6.7) μετασχηματίζεται στη νέα σχέση: E cf f Q f O Q = (6.8) Q όπου Ο: η στράγγιση ή βαθιά διήθηση και Q: η επιφανειακή απορροή. Με βάση την εξίσωση (6.8) η αποδοτικότητα εφαρμογής πλήρους άρδευσης προέκυψε 19.24% και 30.71% για τον αγρό Α και Β, αντίστοιχα. Από τη συγκριτική ανάλυση των αποτελεσμάτων του μοντέλου για τις συνιστώσες του υδατικού ισοζυγίου και των δύο αγρών προκύπτει ότι στον αγρό Β γίνεται καλύτερη χρήση f

176 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 161 του εφαρμοζόμενου αρδευτικού νερού. Από τα συνολικά αποτελέσματα προκύπτουν επίσης τα εξής: παρόλο που στον αγρό Α έγινε εφαρμογή cm περισσότερου νερού, οι δύο αγροί δεν είχαν διαφορά στην παραγωγή, καλύπτοντας πλήρως τις εξατμισοδιαπνευστικές τους ανάγκες. Το γεγονός αυτό οδηγεί στο συμπέρασμα ότι το επιπλέον νερό που χρησιμοποιήθηκε στον αγρό Α, αποτελεί σημαντική σπατάλη νερού, καθώς με αυτή την ποσότητα θα μπορούσε να αρδευτεί αντίστοιχη έκταση με άλλη καλλιέργεια ή υπό προϋποθέσεις ακόμα και με ρύζι. η παροχή στράγγισης των ορυζώνων αποτελεί τον κυριότερο παράγοντα απωλειών νερού. Οι απώλειες όμως αυτές είναι επιθυμητές, ειδικά στα βαριά-αλατούχα εδάφη, καθώς συνεισφέρουν στην έκπλυση των αλάτων από το έδαφος και στη διατήρηση της αλατότητάς του σε επιθυμητά επίπεδα. Τα επιθυμητά της επίπεδα καθορίζονται από την αντοχή στην αλατότητα των άλλων καλλιεργειών, οι οποίες συμμετέχουν στο πρόγραμμα αμειψισποράς για την επόμενη καλλιεργητική περίοδο. ο έλεγχος της επιφανειακής απορροής σε συνδυασμό με το έλεγχο της στάθμης του λιμνάζοντος νερού σε όλη την καλλιεργητική περίοδο αποτελούν τις κύριες συνιστώσες για την εξοικονόμηση νερού στους ορυζώνες. Η επιφανειακή απορροή αποτελεί ανεπιθύμητο παράγοντα απωλειών νερού, του οποίου η εξάλειψη θα οδηγούσε σε σημαντική μείωση του εφαρμοζόμενου νερού στους ορυζώνες. Ο έλεγχος της στάθμης του νερού κατάκλυσης είναι απαραίτητος γιατί παίζει σημαντικό ρόλο στη δημιουργία hardpan στην αρχή της καλλιεργητικής περιόδου, γεγονός το οποίο ευνοεί τη μείωση της διήθησης αλλά και την αποφυγή ανάπτυξης ζιζανίων, των οποίων η ανάπτυξη περιορίζεται σε κατακλυσμένο έδαφος. 6.4 Θερμοκρασία του νερού κατάκλυσης και του εδάφους Η θερμοκρασία του νερού κατάκλυσης στους ορυζώνες είναι ο σημαντικότερος παράγοντας καθορισμού της θερμοκρασίας του εδάφους, η οποία με τη σειρά της επηρεάζει τους μετασχηματισμούς του αζώτου στο έδαφος. Η εκτίμηση της θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης έγινε με βάση το ισοζύγιο ενέργειας. Το ισοζύγιο ενέργειας υπολογίστηκε σύμφωνα με τις παραδοχές των Burba et al., (1999) και Confalonieri et al., (2005) μετά από τη ρύθμιση του παράγοντα k L (εξίσωση 4.191), έτσι ώστε η υπολογισμένη εξάτμιση από το νερό κατάκλυσης E sw να εξισωθεί με την αντίστοιχη εξάτμιση Ε του ισοζυγίου ενέργειας (εξίσωση 4.190). Αντίστοιχα, η εκτίμηση της θερμοκρασίας του εδάφους έγινε σύμφωνα με τις παραδοχές που αναλύονται στην ενότητα

177 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 162 Η σύγκριση της ημερήσιας υπολογισμένης εξάτμισης E sw από το νερό κατάκλυσης με την αντίστοιχη Ε του ισοζυγίου ενέργειας για τους δύο αγρούς δίνεται στο Σχήμα Οι τιμές των στατιστικών κριτηρίων της σύγκρισης αυτής δίνονται στον Πίνακα Αγρός Α Αγρός Β E (cm/day) E (cm/day) E sw GLEAMS (cm/day) E sw GLEAMS (cm/day) Σχήμα 6.13 Σύγκριση μεταξύ των υπολογισμένων τιμών της εξάτμισης από το νερό κατάκλυσης Ε sw και της αντίστοιχης εξάτμισης Ε με το ισοζύγιο ενέργειας σε cm/day για τους δύο αγρούς. Πίνακας 6.5 Τιμές των στατιστικών κριτηρίων μεταξύ υπολογισμένων τιμών εξάτμισης από το νερό κατάκλυσης και της αντίστοιχης εξάτμισης με το ισοζύγιο ενέργειας (cm/day) για τους αγρούς Α και Β. Αγρός Α Αγρός Β Κριτήριο Εύρος Επιθυμητή τιμή Υπολογισμένη τιμή Υπολογισμένη τιμή r 0 έως r 2 0 έως ΜΕ -oo έως +oo ΜΑΕ 0 έως +οο EF -oo έως CRM -οο έως RMSE 0 έως +οο Από τις τιμές των στατιστικών κριτηρίων μεταξύ υπολογισμένων τιμών εξάτμισης από το νερό κατάκλυσης και της αντίστοιχης εξάτμισης με το ισοζύγιο ενέργειας προκύπτει το συμπέρασμα ότι οι παραδοχές των Confalonieri et al., (2005) και Burba et al., (1999) περιγράφουν ικανοποιητικά τη διαδικασία της εξάτμισης του νερού κατάκλυσης και συνεπώς του ισοζυγίου ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα, από την επιμέρους ανάλυση των στατιστικών κριτηρίων προκύπτει ότι: το μοντέλο ρυθμίστηκε έτσι ώστε να παρουσιάζει τέλεια ακρίβεια στον υπολογισμό του συνολικού όγκου εξάτμισης από το νερό κατάκλυσης, γεγονός που εκφράζεται από τα κριτήρια ΜΕ και CRM, τα οποία είναι μηδενικά και στους δύο αγρούς. το μοντέλο παρουσιάζει μικρότερη ακρίβεια στην εκτίμηση της ημερήσιας διακύμανσηςμεταβολής των υπολογισμένων τιμών των δύο μεθόδων, γεγονός το οποίο εκφράζεται από

178 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 163 τα υπόλοιπα κριτήρια. Η μείωση της ακρίβειας και η απόκλιση στην ημερήσια διακύμανση των δύο μεθόδων οφείλεται στο ότι το μοντέλο για τον υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής χρησιμοποιεί ημερήσια δεδομένα βροχόπτωσης, θερμοκρασίας και βάθους κατάκλυσης και μέσα μηνιαία δεδομένα ακτινοβολίας, ταχύτητας ανέμου και σχετικής υγρασίας, ενώ στο ισοζύγιο ενέργειας για όλες τις παραμέτρους χρησιμοποιούνται τα ημερήσια δεδομένα τους. Η ημερήσια διακύμανση του ισοζυγίου ενέργειας G w και των επιμέρους ροών ενέργειας στο νερό κατάκλυσης για τους δύο αγρούς δίνονται στα Σχήματα 6.14 έως Η ημερήσια διακύμανση της θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης και του εδάφους για κάθε αγρό δίνονται στα Σχήματα 6.17 έως 6.20, αντίστοιχα, ενώ στον Πίνακα 6.6 δίνονται οι μέσες τιμές τους για το σύνολο των ημερών κατάκλυσης. Ισοζύγιο ενέργειας (MJ/m 2 ) Gw A Gw B Ιουλιανή ημέρα Σχήμα 6.14 Διακύμανση του ημερήσιου ισοζυγίου ενέργειας G w (MJ/m 2 ) στο νερό κατάκλυσης για τους δύο αγρούς. Ροή ενέργειας (MJ/m 2 ) Rn H λε Ιουλιανή ημέρα Σχήμα 6.15 Διακύμανση των ημερήσιων ροών ενέργειας (MJ/m 2 ) στο νερό κατάκλυσης του αγρού Α(Rn : καθαρή ηλιακή ακτινοβολία υπό συνθήκες φυτοσκίασης, Η: αισθητή θερμότητα, λε : λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης).

179 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 164 Ροή ενέργειας (MJ/m 2 ) Rn H λε Ιουλιανή ημέρα Σχήμα 6.16 Διακύμανση των ημερήσιων ροών ενέργειας (MJ/m 2 ) στο νερό κατάκλυσης του αγρού Β (Rn : καθαρή ηλιακή ακτινοβολία υπό συνθήκες φυτοσκίασης, Η: αισθητή θερμότητα, λε : λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης). Θερμοκρασία ( o C) Ta Ts K.M.O Τs 5 ημερών Ιουλιανή ημέρα Σχήμα 6.17 Διακύμανση της μέσης ημερήσιας θερμοκρασίας του αέρα Τ α ( o C) και του νερού κατάκλυσης Τ s ( o C) του αγρού Α. Θερμοκρασία ( o C) Ta Ts K.M.O Τs 5 ημερών Ιουλιανή ημέρα Σχήμα 6.18 Διακύμανση της μέσης ημερήσιας θερμοκρασίας του αέρα Τ α ( o C) και του νερού κατάκλυσης Τ s ( o C) του αγρού Β.

180 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 165 Θερμοκρασία ( o C) TSC 0-30 cm TSC cm Ts Ιουλιανή ημέρα Σχήμα 6.19 Διακύμανση της μέσης ημερήσιας θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης T s και του εδάφους TSC ( o C) στην επιφανειακή στρώση των 0-30 cm και σε όλο το προφίλ εδάφους των cm στον αγρό A. Θερμοκρασία ( o C) TSC 0-30 cm TSC cm Ts Ιουλιανή ημέρα Σχήμα 6.20 Διακύμανση της μέσης ημερήσιας θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης T s και του εδάφους TSC ( o C) στην επιφανειακή στρώση των 0-30 cm και σε όλο το προφίλ εδάφους των cm στον αγρό Β. Πίνακας 6.6 Τιμές του παράγοντα μείωσης της εισερχόμενης καθαρής ακτινοβολίας λόγω φυτοσκίασης, της συνολικής εξάτμισης από το νερό κατάκλυσης και μέσες τιμές του βάθους νερού κατάκλυσης, της θερμοκρασίας αέρα, της θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης και της εδαφικής θερμοκρασίας των προφίλ εδάφους 0-30 και cm. Αγρός k L E' WD T a T s TSC (cm) (cm) ( o C) ( o C) 0-30 cm cm Α Β Από τα αποτελέσματα του μοντέλου προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα: τις πρώτες περίπου σαράντα ημέρες της καλλιεργητικής περιόδου που η σκίαση από τη φυτοκώμη είναι ακόμη αμελητέα, το νερό κατάκλυσης απορροφά μεγαλύτερη ενέργεια απ ότι την υπόλοιπη καλλιεργητική περίοδο (Σχήμα 6.14), με αποτέλεσμα η θερμοκρασία

181 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 166 του να είναι μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία της ατμόσφαιρας (Σχήματα 6.17 και 6.18). Το γεγονός αυτό επιβεβαιώνεται και από την εφαρμογή των Confalonieri et al., (2005) και έχει ως αποτέλεσμα η διήθηση του νερού την περίοδο εκείνη να αυξάνει την εδαφική θερμοκρασία πιο γρήγορα προς τις άριστες τιμές για την ανάπτυξη της καλλιέργειας του ρυζιού. Σύμφωνα με τους MED-Rice (2003) η ελάχιστη θερμοκρασία εδάφους στα πρώτα στάδια ανάπτυξης δεν πρέπει να πέφτει κάτω από τους ο C, ενώ χαμηλές θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια της νύχτας μπορούν να προκαλέσουν στειρότητα και μη κανονικό γέμισμα των σπόρων. Η κατάκλυση του εδάφους εξαλείφει τα παραπάνω προβλήματα όχι μόνο γιατί αυξάνει πιο γρήγορα την εδαφική θερμοκρασία στα πρώτα στάδια ανάπτυξης της καλλιέργειας αλλά και γιατί προστατεύει το έδαφος από την πτώση της θερμοκρασίας τη νύχτα, λόγω καθυστέρησης της επίδρασης των θερμοκρασιακών μεταβολών του αέρα. οι μικρότερες τιμές του δείκτη φυλλικής επιφάνειας και το μικρότερο μέσο βάθος του νερού κατάκλυσης για τις ημέρες κατάκλυσης του αγρού Β είχε ως αποτέλεσμα την επίτευξη υψηλότερων θερμοκρασιών τόσο στο νερό κατάκλυσης όσο και στο έδαφος σε σχέση με τον αγρό Α (Πίνακας 6.6). ο παράγοντας μείωσης της εισερχόμενης καθαρής ακτινοβολίας λόγω φυτοσκίασης διαφοροποιήθηκε στους δύο αγρούς λόγω διαφορετικών τιμών του δείκτη φυλλικής επιφάνειας. Οι τιμές του για τους δύο αγρούς επιβεβαιώνονται και από τους Monteith, (1976) και Mahendra and Srivastava, (2001), σύμφωνα με τους οποίους το εύρος διακύμανσης του παράγοντα k L στο ρύζι κυμαίνεται από 0.45 έως Η μέση τιμή του παράγοντα για τους δύο αγρούς βρέθηκε k L =0.55 (Πίνακας 6.6), τιμή η οποία τυγχάνει να είναι και η μέση τιμή του εύρους που παραθέτουν οι παραπάνω ερευνητές. Το γεγονός αυτό επιβεβαιώνει ακόμη περισσότερο την εγκυρότητα της μεθόδου υπολογισμού του ισοζυγίου ενέργειας και συνεπώς της θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης με τις παραδοχές των Burba et al. (1999) και Confalonieri et al. (2005). Η μέση τιμή του δείκτη (k L =0.55) θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί και ως αντιπροσωπευτική τιμή για τις συνθήκες των ορυζώνων στην περιοχή μελέτης. 6.5 Ισοζύγιο αζώτου Εισροή αζώτου με την άρδευση Η ρύθμιση της συνάρτησης RCN(t) γίνεται με τις μετρημένες τιμές της συγκέντρωσης ολικού ανόργανου αζώτου (νιτρικό+αμμωνιακό άζωτο) στο νερό εισροής, οι οποίες

182 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 167 λαμβάνονται από το μοντέλο ως νιτρικό άζωτο χωρίς ιδιαίτερη απόκλιση από το φυσικό πρόβλημα, λόγω των διαπιστώσεων που έγιναν στην ενότητα ( ). RCN(t) (mg/l) RCN(t) = *t *t R 2 = Ιουλιανη ημέρα Σχήμα 6.21 Διακύμανση της συγκέντρωσης του ανόργανου αζώτου στο αρδευτικό νερό. Από την εφαρμογή του μοντέλου και σύμφωνα με την εξίσωση παλινδρόμησης για τη διακύμανση της συγκέντρωσης του ανόργανου αζώτου στο νερό εισροής (Σχήμα 6.21), προέκυψε ότι η εισρεόμενη ποσότητά του για τον αγρό Α και Β ήταν και kg/ha, αντίστοιχα Πρόσληψη αζώτου από τα φυτά Από την εφαρμογή του μοντέλου υπολογίστηκε η πρόσληψη αζώτου από την καλλιέργεια στους αγρούς Α και Β, η οποία δίνεται στα Σχήματα 6.22 και 6.23, αντίστοιχα μαζί με τις μετρημένες τιμές του ολικού αζώτου στη φυτομάζα των δύο αγρών. Επίσης, στον Πίνακα 6.7 δίνονται οι τιμές των στατιστικών κριτηρίων από τη σύγκριση μεταξύ υπολογισμένων και μετρημένων τιμών πρόσληψης αζώτου των δύο αγρών. Πρόσληψη αζώτου UPN (kg/ha) mes UPΝ kg/ha Α 25.0 sim UPΝ kg/ha Α Ιουλιανή ημέρα Σχήμα 6.22 Μετρημένες και υπολογισμένες τιμές της πρόσληψης αζώτου UPN (kg/ha) του μοντέλου για τον αγρό Α.

183 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 168 Πρόσληψη αζώτου UPN (kg/ha) mes UPΝ kg/ha B 25.0 sim UPΝ kg/ha B Ιουλιανή ημέρα Σχήμα 6.23 Μετρημένες και υπολογισμένες τιμές της πρόσληψης αζώτου UPN (kg/ha) του μοντέλου για τον αγρό B. Πίνακας 6.7 Τιμές των στατιστικών κριτηρίων μεταξύ μετρημένων και υπολογισμένων τιμών πρόσληψης αζώτου UPN (kg/ha) για τους αγρούς Α και Β. Αγρός Α Αγρός Β Κριτήριο Εύρος Επιθυμητή τιμή Υπολογισμένη τιμή Υπολογισμένη τιμή r 0 έως r 2 0 έως ΜΕ -oo έως +oo ΜΑΕ 0 έως +οο EF -oo έως CRM -οο έως RMSE 0 έως +οο Από τις τιμές των στατιστικών κριτηρίων προκύπτει ότι το μοντέλο περιγράφει ικανοποιητικά την πρόσληψη αζώτου από την καλλιέργεια. Η συνολική πρόσληψη εκτιμάται με ακρίβεια αλλά η ημερήσια διακύμανσή της παρουσιάζει σχετικά χαμηλότερη ακρίβεια σε σχέση με άλλα μοντέλα, τα οποία χρησιμοποιούν λογιστικές εξισώσεις παλινδρόμησης (Αντωνόπουλος, 1999; Αντωνόπουλος και Παυλάτου, 2000). Από τα αποτελέσματα του μοντέλου διαπιστώθηκε υπερεκτίμηση στην πρόσληψη αζώτου στο αρχικό στάδιο ανάπτυξης της καλλιέργειας, το οποίο οφείλεται στις μικρότερες δυνατότητες παλινδρόμησης που έχει η εμπειρική εξίσωση πρόσληψης αζώτου του μοντέλου. Οι συντελεστές C1 και C2 της εμπειρικής εξίσωσης (4.147) εκτιμήθηκαν 0.75 και για τον αγρό Α, αντίστοιχα και 0.68 και για τον αγρό Β, αντίστοιχα. Η συνολική πρόσληψη αζώτου υπολογίστηκε και kg/ha για τον αγρό Α και Β, αντίστοιχα Πρόσληψη αζώτου από τα φύκη (Algae) Η εκτίμηση της πρόσληψης αζώτου από τα φύκη και της επίδρασής τους στη διακύμανση της συγκέντρωσης του ανόργανου αζώτου στο νερό επιφανειακής απορροής έγινε σύμφωνα με τις παραδοχές που περιγράφονται στις ενότητες και , λαμβάνοντας υπόψη τα

184 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 169 χαρακτηριστικά των φυκών (Green Algae) που περιγράφονται στην ενότητα Η ρύθμιση των παραγόντων της πρόσληψης αζώτου από τα φύκη έγινε με βάση τις βιβλιογραφικές αναφορές των Bowie et al. (1985) και Anastacio et al. (1999), έτσι ώστε να γίνει ταύτιση των μετρημένων και υπολογισμένων τιμών της συγκέντρωσης του νερού επιφανειακής απορροής. Η ρύθμιση του συντελεστή k ext, ο οποίος εκφράζει τη μείωση της μέσης ημερήσιας φωτοσυνθετικά ενεργής ακτινοβολίας λόγω φυτοσκίασης (εξίσωση 4.202), έγινε απευθείας με την παραδοχή ότι είναι ίσος με τον συντελεστή k L (εξίσωση 4.191), ο οποίος εκφράζει τη μείωση της εισερχόμενης καθαρής ακτινοβολίας λόγω φυτοσκίασης. Οι τιμές των παραμέτρων ρύθμισης της πρόσληψης αζώτου από τα φύκη δίνονται στον Πίνακα 6.8. Η παραγόμενη φυτομάζα εκτιμήθηκε για δύο περιπτώσεις συγκέντρωσης ολικού περιεχόμενου αζώτου, τη θεωρητική τιμή 7.2% και τη μετρημένη τιμή 2.1%, των οποίων η διαφοροποίηση οφείλεται στους λόγους που αναφέρονται στην ενότητα Πίνακας 6.8 Παράμετροι ρύθμισης για την πρόσληψη αζώτου από τα φύκη Αγρός ALGRmax (εξ.4.199) T opt ( o C) (εξ.4.200) T min ( o C) (εξ.4.200) SLI (MJ/m 2 /day) (εξ.4.201) K ext (εξ.4.202) KN (ppm) (εξ.4.203) ALN % (εξ.4.206) Α % Β % Στα Σχήματα 6.24 και 6.25 δίνεται η ημερήσια διακύμανση των επιμέρους παραγόντων επίδρασης του φωτός, της θερμοκρασίας, της επάρκειας αζώτου καθώς και του γινομένου τους για τον αγρό Α και Β, αντίστοιχα. Στο Σχήμα 6.26 δίνεται η ημερήσια πρόσληψη αζώτου από τα φύκη και για τους δύο αγρούς, ενώ στα Σχήματα 6.27 και 6.28 δίνεται η αθροιστική παραγόμενη βιομάζα για δύο περιπτώσεις % περιεχόμενου ολικού αζώτου στα φύκη για τον αγρό Α και Β, αντίστοιχα f(l) f(t) f(n) f(ltn) 0.8 f(algae) Ιουλιανη ημέρα Σχήμα 6.24 Ημερήσια διακύμανση των παραγόντων φωτός, θερμοκρασίας, επάρκειας θρεπτικών και του γινομένου τους για την ανάπτυξη των φυκών στον αγρό Α.

185 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ f(l) f(t) f(n) f(ltn) 0.8 f(algae) Ιουλιανη ημέρα Σχήμα 6.25 Ημερήσια διακύμανση των παραγόντων φωτός, θερμοκρασίας, επάρκειας θρεπτικών και του γινομένου τους για την ανάπτυξη των φυκών στον αγρό Β. UPALN (kg/ha/day) UPALN A UPALN B Ιουλιανη ημέρα Σχήμα 6.26 Ημερήσια πρόσληψη αζώτου από τα φύκη UPALN (kg/ha/day) στους αγρούς Α και Β. Παραγωγή βιομάζας (kg/ha) Βιομάζα 7.2% N Βιομάζα 2.1% N Ιουλιανη ημέρα Σχήμα 6.27Αθροιστική παραγωγή βιομάζας των φυκών (kg/ha) για όλη την καλλιεργητική περίοδο του ρυζιού στον αγρό Α, για βιομάζα με 7.2 και 2.1% περιεχόμενο άζωτο.

186 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 171 Παραγωγή βιομάζας (kg/ha) Βιομάζα 7.2% N Βιομάζα 2.1% N Ιουλιανη ημέρα Σχήμα 6.28 Αθροιστική παραγωγή βιομάζας των φυκών (kg/ha) για όλη την καλλιεργητική περίοδο του ρυζιού στον αγρό B, για βιομάζα με 7.2 και 2.1% περιεχόμενο άζωτο. Η συνολική πρόσληψη αζώτου από τα φύκη για τον αγρό Α και Β ήταν εκτιμήθηκε στα και kg/ha, αντίστοιχα. Η παραγόμενη φυτομάζα για τις δύο περιπτώσεις περιεχόμενου αζώτου, τη μετρημένη τιμή 2.1 % και τη θεωρητική τιμή 7.2 %, ήταν kg/ha και kg/ha για τον αγρό Α και Β, αντίστοιχα. Η θεωρητική τιμή περιεκτικότητας αζώτου (7.2%) υφίσταται στα αρχικά στάδια ανάπτυξης των κυττάρων των φυκών και ελαττώνεται μετά το πέρας της ωρίμανσής τους λόγω μείωσης της ικανότητας πρόσληψης και λόγω κατανάλωσης αζώτου για την αναπαραγωγή. Η μετρημένη τιμή (2.1%) είναι μικρότερη από την πραγματική τιμή περιεχόμενου αζώτου επειδή στα δείγματα που συλλέγονται περιέχονται διαφορετικής ηλικίας κύτταρα καθώς και νεκρά κύτταρα των φυκών. Λόγω των παραπάνω, οι εκτιμήσεις που μπορούν να γίνουν είναι ως προς την ελάχιστη και μέγιστη παραγόμενη φυτομάζα, οι οποίες προσεγγίζονται από τη μετρημένη και θεωρητική τιμή περιεχόμενου αζώτου, ενώ η πραγματική τιμή της βρίσκεται εντός των ορίων τους και προσεγγίζεται πιο κοντά στην τιμή που προκύπτει από το θεωρητικό περιεχόμενο ολικό άζωτο (7.2%) Άζωτο στο νερό επιφανειακής απορροής Σύμφωνα με την παραπάνω ενότητα, η διακύμανση της συγκέντρωσης αζώτου στο νερό επιφανειακής απορροής ρυθμίστηκε με βάση την πρόσληψη αζώτου από τα φύκη. Στο Σχήμα 6.29 δίνεται η σύγκριση των μετρημένων και των υπολογισμένων τιμών της συγκέντρωσης ανόργανου αζώτου στο νερό επιφανειακής απορροής. Οι τιμές των στατιστικών κριτηρίων της παραπάνω σύγκρισης δίνονται στον Πίνακα 6.9.

187 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Αγρός Α Αγρός Β MESQ T-N (ppm) MESQ T-N (ppm) SIMQ T-N (ppm) SIMQ T-N (ppm) Σχήμα 6.29 Σύγκριση των μετρημένων (MES) και υπολογισμένων (SIM) συγκεντρώσεων ανόργανου αζώτου στο νερό επιφανειακής απορροής Q T-N (ppm) των δύο αγρών. Πίνακας 6.9 Τιμές των στατιστικών κριτηρίων μεταξύ μετρημένων και υπολογισμένων τιμών της συγκέντρωσης ανόργανου αζώτου στο νερό επιφανειακής απορροής (ppm) για τους δύο αγρούς. Αγρός Α Αγρός Β Κριτήριο Εύρος Επιθυμητή τιμή Υπολογισμένη τιμή Υπολογισμένη τιμή r 0 έως r 2 0 έως ΜΕ -oo έως +oo ΜΑΕ 0 έως +οο EF -oo έως CRM -οο έως RMSE 0 έως +οο Η συνολική ποσότητα του αζώτου που απομακρύνεται με την επιφανειακή απορροή εκτιμήθηκε στα 4.89 και 0.54 kg/ha για τον αγρό Α και Β, αντίστοιχα. Από την επιμέρους ανάλυση των στατιστικών κριτηρίων υπολογισμένων και μετρημένων τιμών συγκέντρωσης αζώτου στο νερό επιφανειακής απορροής προκύπτει μικρή ακρίβεια στην εκτίμηση της ημερήσιας διακύμανσής της. Ως προς την ακρίβεια εκτίμησης του συνολικού ανόργανου αζώτου που απομακρύνεται με την επιφανειακή απορροή εξάγονται καλύτερα αποτελέσματα, τα οποία εκφράζονται με τα κριτήρια CRM και ΜΕ. Επιπλέον, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι επειδή η συμμετοχή των απωλειών αζώτου με την επιφανειακή απορροή είναι πολύ μικρή σε σχέση με τις άλλες διαδικασίες που συνεισφέρουν στις απώλειες, το σφάλμα που συνεισφέρει στο συνολικό ισοζύγιο αζώτου είναι πολύ μικρό Άζωτο στο έδαφος Οι μεταβολές του αζώτου στο εδαφικό προφίλ μελετήθηκαν ως προς το συνολικό αμμωνιακό, νιτρικό και ανόργανο άζωτο για ολόκληρο το προφίλ εδάφους των 120 cm. Η διακύμανση της συγκέντρωσης νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου στους δύο αγρούς δίνεται στα Σχήματα 6.30 και 6.31, ενώ του ολικού μετρημένου και υπολογισμένου ανόργανου

188 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 173 αζώτου καθώς και οι μέγιστες και ελάχιστες μετρημένες τιμές της δίνονται στα Σχήματα 6.32 και 6.33, αντίστοιχα για το προφίλ εδάφους των cm των δύο αγρών. Στον Πίνακα 6.10 δίνονται οι τιμές των στατιστικών κρητιρίων των μετρημένων και υπολογισμένων τιμών συγκέντρωσης ανόργανου αζώτου (mg/kg) στο προφίλ των cm. NH 4 -N (mg/kg) sim NH 4 -N (mg/kg) cm A sim NH 4 -N (mg/kg) cm B day Σχήμα 6.30 Διακύμανση της υπολογισμένης συγκέντρωσης αμμωνιακού αζώτου NH 4 -N (mg/kg) στο προφίλ εδάφους cm και στους δύο αγρούς. NO 3 -N (mg/kg) sim NO 3 -N (mg/kg) cm A sim NO 3 -N (mg/kg) cm B day Σχήμα 6.31 Διακύμανση της υπολογισμένης συγκέντρωσης νιτρικού αζώτου NΟ 3 -N (mg/kg) στο προφίλ εδάφους cm και στους δύο αγρούς. T-N (mg/kg) Max mes - mes - Min mes T-N (mg/kg) cm A sim T-N (mg/kg) cm A day Σχήμα 6.32 Υπολογισμένες (sim), μετρημένες (mes) καθώς και μέγιστες και ελάχιστες μετρημένες τιμές της συγκέντρωσης ανόργανου αζώτου Τ-N (mg/kg) στο προφίλ εδάφους cm στον αγρό A.

189 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ T-N (mg/kg) Max mes - mes -Min mes T-N (mg/kg) cm B sim T-N (mg/kg) cm B day Σχήμα 6.33 Υπολογισμένες (sim), μετρημένες (mes) καθώς και μέγιστες και ελάχιστες μετρημένες τιμές της συγκέντρωσης ανόργανου αζώτου Τ-N (mg/kg) στο προφίλ εδάφους cm στον αγρό Β. Πίνακας 6.10 Τιμές στατιστικών κριτηρίων μεταξύ των μετρημένων και υπολογισμένων τιμών συγκέντρωσης ανόργανου αζώτου Τ-Ν (mg/kg) στο εδαφικό προφίλ cm για τους αγρούς Α και Β. Αγρός Α Αγρός Β Κριτήριο Εύρος Επιθυμητή τιμή Υπολογισμένη τιμή Υπολογισμένη τιμή r 0 έως r 2 0 έως ΜΕ -oo έως +oo ΜΑΕ 0 έως +οο EF -oo έως CRM -οο έως RMSE 0 έως +οο Από την εφαρμογή του μοντέλου και από την επιμέρους ανάλυση των τιμών των στατιστικών κριτηρίων υπολογισμένων και μετρημένων τιμών της συγκέντρωσης του ολικού ανόργανου αζώτου στο συνολικό εδαφικό προφίλ των ορυζώνων προκύπτει ικανοποιητική ακρίβεια Αποτελέσματα του ισοζυγίου αζώτου και συζήτηση για τις επιπτώσεις του στους υδάτινους αποδέκτες. Με τη χρησιμοποίηση του μοντέλου GLEAMS-PR για την προσομοίωση της δυναμικής του αζώτου στους πειραματικούς ορυζώνες για την καλλιεργητική περίοδο του έτους 2005 εκτιμήθηκαν όλες οι συνιστώσες που διαμορφώνουν το ισοζύγιο αζώτου. Οι συνιστώσες που εκτιμήθηκαν είναι οι εισροές αζώτου με τη λίπανση (FERT), τη βροχόπτωση+άρδευση (P+IR Ν) και την ανοργανοποίηση (ΜΙΝ) καθώς και οι εκροές αζώτου με την απονιτροποίηση (DNI), τη βαθιά διήθηση-στράγγιση (PERCN), την επιφανειακή απορροή (QΝ) και την πρόσληψη από τα φυτά (UPN) και τα φύκη (UPALN). Επίσης, εκτιμήθηκε και η νιτροποίηση

190 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 175 (ΝΙΤ), η οποία συμμετέχει έμμεσα στο ισοζύγιο αζώτου καθώς συνεισφέρει στην αύξηση του διαθέσιμου νιτρικού αζώτου για στράγγιση και απονιτροποίηση. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του ισοζυγίου αζώτου χρησιμοποιήθηκαν για να εξαχθούν συμπεράσματα για τη συνεισφορά των συστημάτων των ορυζώνων στο φαινόμενο της νιτρορύπανσης των υδάτων που εκρέουν από αυτούς με την επιφανειακή απορροή και τη διήθηση και καταλήγουν σε διάφορους επιφανειακούς αποδέκτες. Τα μηνιαία αποτελέσματα και τα αποτελέσματα για όλη την καλλιεργητική περίοδο των επιμέρους συνιστωσών και του ολικού ισοζυγίου αζώτου δίνονται στους πίνακες 6.11 και 6.12 για τον αγρό Α και Β, αντίστοιχα και στα Σχήματα 6.35 έως Στα Σχήματα 6.45 και 6.46 δίνεται η συγκριτική ανάλυση του ποσοστιαίου επιμερισμού της συνολικής εισροής αζώτου στις επιμέρους συνιστώσες εισροής και του ποσοστιαίου επιμερισμού των συνολικών απωλειών αζώτου στις επιμέρους συνιστώσες εκροής για τους δύο αγρούς, αντίστοιχα στο τέλος της καλλιεργητικής περιόδου.

191 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 176 Πίνακας 6.11 Μηνιαίο και συνολικό ισοζύγιο ανόργανου αζώτου T-N (kg/ha) στο εδαφικό προφίλ cm του αγρού Α, για την καλλιεργητική περίοδο του ρυζιού από 1/5/2005 έως 14/10/2007 (167 ημέρες). Πίνακας 6.12 Μηνιαίο και συνολικό ισοζύγιο ανόργανου αζώτου T-N (kg/ha) στο εδαφικό προφίλ cm του αγρού B, για την καλλιεργητική περίοδο του ρυζιού από 1/5/2005 έως 14/10/2007 (167 ημέρες).