MAHMOUD Η. RAHIL ΑΡ ΕΥΣΗ ΜΕ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΜΕΝΑ ΑΣΤΙΚΑ ΛΥΜΑΤΑ. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ, ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΟ Ε ΑΦΟΣ, ΤΑ ΦΥΤΑ ΚΑΙ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Ι

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΓΕΩΠΟΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ ΕΙ ΙΚΕΥΣΗ ΓΕΩΡΓΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΚΑΙ Υ ΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ MAHMOUD Η. RAHIL Πτυχιούχου Γεωπόνου, ιπλωµατούχου Μεταπτυχιακών Σπουδών ΑΡ ΕΥΣΗ ΜΕ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΜΕΝΑ ΑΣΤΙΚΑ ΛΥΜΑΤΑ. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ, ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΟ Ε ΑΦΟΣ, ΤΑ ΦΥΤΑ ΚΑΙ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, 2006

2 MAHMOUD Η. RAHIL ΑΡ ΕΥΣΗ ΜΕ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΜΕΝΑ ΑΣΤΙΚΑ ΛΥΜΑΤΑ. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ, ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΟ Ε ΑΦΟΣ, ΤΑ ΦΥΤΑ ΚΑΙ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Υποβλήθηκε στη Γεωπονική Σχολή Πρόγραµµα Μεταπτυχιακών Σπουδών, Ειδίκευση Γεωργικής Μηχανικής και Υδατικών Πόρων Ηµεροµηνία Προφορικής Εξέτασης: 11 Απριλίου 2006 ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ Καθηγητής. Καραµούζης, Επιβλέπων Καθηγητής Β. Αντωνόπουλος, Μέλος Τριµελούς Συµβουλευτικής Επιτροπής Καθηγητής. Παπαµιχαήλ, Μέλος Τριµελούς Συµβουλευτικής Επιτροπής Καθηγητής Χ. Μπαµπατζιµόπουλος, Εξεταστής Αναπλ. Καθηγήτρια Α. Παυλάτου-Βε, Εξεταστής Καθηγητής Χ. Τζιµόπουλος, Εξεταστής Καθηγητής Β. Τσιχριντζής, Εξεταστής

3 Mahmoud H. Rahil Α.Π.Θ Άρδευση µε επεξεργασµένα αστικά λύµατα. Πειραµατικές µετρήσεις, προσοµοιώσεις και επιπτώσεις στο έδαφος, τα φυτά και το περιβάλλον ISBN «Η έγκριση της παρούσης ιδακτορικής ιατριβής από τη Γεωπονική Σχολή του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωµών του συγγραφέως» (Ν. 5343/1932, άρθρο 202, παρ. 2)

4 Στους αγαπηµένους µου γονείς και στα αδέλφια µου

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η εργασία αυτή έγινε στα πλαίσια της εκπόνησης διδακτορικής διατριβής στην µεταπτυχιακή Ειδίκευση Γεωργικής Μηχανικής και Υδατικών Πόρων του Προγράµµατος Μεταπτυχιακών Σπουδών της Γεωπονικής Σχολής του Αριστοτέλειου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης. Το πειραµατικό και ερευνητικό έργο έγινε µε την τεχνική υποστήριξη του εργαστηρίου Γενικής και Γεωργικής Υδραυλικής και Βελτιώσεων της Γεωπονικής Σχολής και του Ινστιτούτου Εγγείων Βελτιώσεων Σίνδου του ΕΘΙΑΓΕ. Στο σηµείο αυτό και πέρα από κάθε τυπικότητα, θέλω να ευχαριστήσω θερµά: Τον καθηγητή της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ. κ.. Καραµούζη, επιβλέποντα καθηγητή, ο οποίος έκανε δεκτή την υποψηφιότητά µου ως υποψήφιο διδάκτορα καθώς και για τις πολύτιµες συµβουλές του κατά τη διάρκεια εκπόνησης της έρευνας. Ιδιαιτέρως ευχαριστώ τον καθηγητή της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ. κ. Β. Αντωνόπουλο, µέλος της τριµελούς συµβουλευτικής επιτροπής, για την υποµονή, τη συνεχή καθοδήγηση, τις εύστοχες παρατηρήσεις και υποδείξεις του στη διαµόρφωση και οργάνωση της δοµής της διατριβής, τόσο κατά της διάρκεια της πειραµατικής περιόδου όσο και κατά τη διάρκεια της συγγραφής του κειµένου. Τον καθηγητή της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ. κ.. Παπαµιχαήλ, µέλος της τριµελούς συµβουλευτικής επιτροπής για τις πολύτιµες συµβουλές του κατά τη διάρκεια εκπόνησης της έρευνας. Τον καθηγητή της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ. κ. Χ. Μπαµπατζιµόπουλο, µέλος της εξεταστικής επιτροπής, για τη συνεχή προσωπική υποστήριξη. Τα υπόλοιπα µέλη της εξεταστικής επιτροπής κ. Α. Παυλάτου-Βε, κ. Χ. Τζιµόπουλο, και κ. Β. Τσιχριντζή για τις εποικοδοµητικές συµβουλές τους. Τα µέλη ΕΠ και το προσωπικό του εργαστηρίου Γενικής και Γεωργικής Υδραυλικής και Βελτιώσεων για τη φιλοξενία και τη συµπαράστασή τους. Επίσης ευχαριστώ θερµά τα µέλη του Ινστιτούτου Εγγείων Βελτιώσεων Θεσσαλονίκης, ιδιαίτερα τον κ. Α. Πανώρα, διευθυντή του Ινστιτούτου, για την παραχώρηση του πειραµατικού αγρού και του εργαστηρίου καθώς και για τη συνεχή συνεργασία και υποστήριξη, τη λέκτορα της Γεωπονικής Σχολής Α.Π.Θ. κ. Θ. Ματσή

6 καθώς και την τεχνολόγο γεωπόνο κ. Σ. Κασσιώτη για την πολύτιµη βοήθειά τους στο εργαστήριο κατά τη διάρκεια της πειραµατικής περιόδου. Ευχαριστώ επίσης το διευθυντή και το προσωπικό του ΠΕΓΕΑΛ Κ. Μακεδονίας στη Σίνδο, ιδιαίτερα το χηµικό κ. Α. οϊντσή για την παραχώρηση του εργαστηρίου και τη βοήθειά τους στις χηµικές αναλύσεις, Επιθυµώ να ευχαριστήσω επίσης τους συναδέλφους γεωπόνους κ. Ε. Λεκάκη και κ. Β. Λίτσκα και τη φιλόλογο κ. Κ. Μουρδικούδη για τον πολύτιµο χρόνο που διέθεσαν κατά τη µετάφραση του κειµένου της παρούσας διατριβής από την αγγλική στην ελληνική γλώσσα. Θέλω επίσης να εκφράσω τις ειλικρινείς ευχαριστίες µου προς το Ίδρυµα Κρατικών Υποτροφιών (ΙΚΥ) της Ελληνικής Κυβέρνησης για την πλήρη οικονοµική υποστήριξη κατά τη διάρκεια των σπουδών µου στην Ελλάδα. Τέλος θέλω να εκφράσω τη βαθύτατη ευγνωµοσύνη και εκτίµησή µου προς τους γονείς µου, στους οποίους και αφιερώνεται η εργασία αυτή, οι οποίοι όλα αυτά τα χρόνια µου συµπαραστέκονται ηθικά και υλικά και πάντα βρίσκονται στο πλευρό µου σε οποιαδήποτε δυσκολία. Θεσσαλονίκη, 2006 Mahmoud Η. Rahil II

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1. Επισκόπηση Σκοποί της µελέτης Βιβλιογραφική ανασκόπηση υναµική του εδαφικού νερού υναµική του εδαφικού αζώτου Χρήση των επεξεργασµένων αστικών υγρών αποβλήτων για άρδευση και προσοµοίωση των διαδικασιών στο έδαφος Επιλογή µαθηµατικού µοντέλου για την παρούσα µελέτη ιάρθρωση της διατριβής..17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο : ΕΠΑΝΑΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΜΕΝΩΝ ΑΣΤΙΚΩΝ ΥΓΡΩΝ ΛΥΜΑΤΩΝ ΓΙΑ ΑΡ ΕΥΤΙΚΟΥΣ ΣΚΟΠΟΥΣ 2.1. Εισαγωγή Χαρακτηριστικά των λυµάτων Τεχνολογία επεξεργασίας λυµάτων Πρωτοβάθµια επεξεργασία ευτεροβάθµια επεξεργασία Τριτοβάθµια ή/και προχωρηµένη επεξεργασία Καθορισµός της ποιότητας των επεξεργασµένων λυµάτων Κριτήρια ποιότητας νερού για τη χρήση των λυµάτων στη γεωργία Απαιτήσεις ποιότητας σε σχέση µε τη δηµόσια υγεία Απαιτήσεις ποιότητας για τη γεωργία Aλατότητα ιηθητικότητα Τοξικότητα ιόντων Ιχνοστοιχεία Θρεπτικά στοιχεία Επιλογή µεθόδου άρδευσης ιεθνή κριτήρια ποιότητας/νόµοι και κατευθυντήριες γραµµές Eπανάχρηση των αστικών λυµάτων στις Μεσογειακές χώρες...31 III

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο : ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΚΑΙ ΤΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΜΑΖΑΣ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ ΣΕ ΚΑΛΛΙΕΡΓΟΥΜΕΝΑ Ε ΑΦΗ ΜΕ ΤΟ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ WANISIM 3.1 Εισαγωγή Μαθηµατική περιγραφή της κίνησης του εδαφικού νερού Πρόσληψη του νερού από το ριζικό σύστηµα υπό µεταβαλλόµενες συνθήκες έλλειψης νερού Πρόσληψη νερού από το ριζικό σύστηµα υπό την συνδυασµένη επίδραση της αλατότητας και της έλλειψης νερού Εξατµισοδιαπνοή καλλιέργειας αναφοράς (ETo) Εκτίµηση της διαπνοής και της εξάτµισης είκτης φυλλικής επιφάνειας και βάθος ριζοστρώµατος Υδραυλικές ιδιότητες του εδάφους Αρχική και οριακές συνθήκες Μεταφορά µάζας και µετασχηµατισµοί εδαφικού αζώτου Εξισώσεις περιγραφής της µεταφοράς και των µετασχηµατισµών του αζώτου στο έδαφος Μετασχηµατισµοί του ανόργανου αζώτου Ανοργανοποίηση του οργανικού αζώτου του εδάφους Επίδραση των περιβαλλοντικών παραγόντων στους µετασχηµατισµούς του αζώτου Επίδραση της θερµοκρασίας Επίδραση της υγρασίας Πρόσληψη του αζώτου από το ριζικό σύστηµα των φυτών Λίπανση µε άζωτο Αρχική και οριακές συνθήκες για το υποµοντέλο του αζώτου Αξιολόγηση των αποτελεσµάτων του µοντέλου Ποσοτική ιαδικασία - Στατιστικά κριτήρια Ισοζύγιο µάζας νερού και αζώτου και αξιολόγηση των αποτελεσµάτων.65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο : ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΕ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΕΣ ΗΛΙΑΝΘΟΥ ΚΑΙ ΑΡΑΒΟΣΙΤΟΥ 4.1. Εισαγωγή Περιγραφή της τοποθεσίας και διάταξης του πειράµατος 69 IV

9 4.3. Γενική περιγραφή των καλλιεργούµενων φυτών Περιγραφή των πειραµάτων Ποιότητα αρδευτικού νερού Ύψος νερού άρδευσης Μετρήσεις των φυσικών και χηµικών ιδιοτήτων του εδάφους Μετρήσεις των υδραυλικών ιδιοτήτων του εδάφους Προσδιορισµός της χαρακτηριστικής καµπύλης εδάφους θ(h) Μετρήσεις της κορεσµένης υδραυλικής αγωγιµότητας Ksat Καταγραφές του εδαφικού προφίλ Καταγραφή της περιεχόµενης εδαφικής υγρασίας Μετρήσεις του ανόργανου αζώτου (NH4-N and NO3-N) του εδάφους Μετρήσεις της οργανικής ουσίας εδάφους Μετρήσεις του εδαφικού οργανικού αζώτου Μετρήσεις της αλατότητας του εδάφους Μετρήσεις του ph του εδάφους Μετρήσεις στα φυτά Μέτρηση του δείκτη φυλλικής επιφάνειας (LAI) Μέτρηση της κατανοµής και του βάθους του ριζικού συστήµατος Μετρήσεις της ξηράς ουσίας των φυτών και της απόδοσης σε καρπό Μετρήσεις της πρόσληψης αζώτου από τα φυτά Φυτικοί συντελεστές καλλιέργειας Μετρήσεις στο εργαστήριο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΥΝΑΜΙΚΗΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΚΑΙ TOY ΑΖΩΤΟΥ ΣTΟ Ε ΑΦΟΣ ΑΓΡΟΥ ΚΑΛΛΙΕΡΓΗΜΕΝΟΥ ΜΕ ΗΛΙΑΝΘΟ 5.1. Εισαγωγή Το προβλήµατα της προσοµοίωσης σε εδάφη αρδευόµενα µε σταλακτήρες Κατακόρυφη και οριζόντια κατανοµή νερού κάτω από σταλακτήρα Εφαρµογή του µοντέλου Ρύθµιση του µοντέλου για τη δυναµική του εδαφικού νερού Η δυναµική του νερού στο έδαφος Εκτίµηση της εδαφικής υγρασίας κατά την πρώτη προσέγγιση Εκτίµηση της εδαφικής υγρασίας κατά τη δεύτερη προσέγγιση Στατιστική ανάλυση των αποτελεσµάτων V

10 Εκτίµηση της αποθήκευσης του νερού στη ζώνη του ριζοστρώµατος Εκτίµηση των συνιστωσών του υδατικού ισοζυγίου Επίδραση της συνδυασµένης δράσης µεταβαλλόµενου υδατικού και οσµωτικού δυναµικού στην πρόσληψη του νερού από τις ρίζες Μεταφορά µάζας και µετασχηµατισµοί του εδαφικού αζώτου Ρύθµιση του µοντέλου για το δυναµικό του αζώτου Συγκεντρώσεις του ανόργανου αζώτου (NH4-N και NO3-N) στο έδαφος Στατιστική ανάλυση των αποτελεσµάτων Αξιολόγηση του ισοζυγίου και της έκπλυσης του αζώτου Αξιολόγηση του ανόργανου αζώτου στο εδαφικό προφίλ.143 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΥΝΑΜΙΚΗΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΚΑΙ TOY ΑΖΩΤΟΥ ΣTΟ Ε ΑΦΟΣ ΑΓΡΟΥ ΚΑΛΛΙΕΡΓΗΜΕΝΟΥ ΜΕ ΑΡΑΒΟΣΙΤΟ 6.1. Εισαγωγή Εφαρµογή του µοντέλου Ρύθµιση του µοντέλου για τη δυναµική του εδαφικού νερού Η δυναµική του νερού στο έδαφος Εκτίµηση της εδαφικής υγρασίας κατά την πρώτη προσέγγιση Εκτίµηση της εδαφικής υγρασίας κατά τη δεύτερη προσέγγιση Στατιστική ανάλυση των αποτελεσµάτων Αξιολόγηση της εξάτµισης του εδάφους και της διαπνοής των φυτών Αξιολόγηση των συνιστωσών του υδατικού ισοζυγίου Αποθηκευµένη ποσότητα νερού στη ζώνη του ριζοστρώµατος Το απόθεµα εδαφικού νερού στη ζώνη του ριζικού συστήµατος Μεταφορά και µετασχηµατισµός του αζώτου στο έδαφος Ρύθµιση του µοντέλου για τη δυναµική του αζώτου Συγκεντρώσεις του ανόργανου αζώτου (ΝΟ3-Ν και ΝΗ4-Ν) στο έδαφος Στατιστική ανάλυση των αποτελεσµάτων Αξιολόγηση του ισοζυγίου και της έκπλυσης του αζώτου Πρόσληψη αζώτου από τα φυτά Αξιολόγηση του ανόργανου αζώτου του εδάφους..170 VI

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ο : ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΥΑΙΣΘΗΣΙΑΣ 7.1. Εισαγωγή Ανάλυση ευαισθησίας των παραµέτρων των συναρτήσεων των υδραυλικών ιδιοτήτων του εδάφους Αποτελέσµατα της ανάλυσης ευαισθησίας για τις παραµέτρους της χαρακτηριστικής καµπύλης του εδάφους Αποτελέσµατα της ανάλυσης ευαισθησίας για την κορεσµένη υδραυλική αγωγιµότητα..181 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ο : ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ-ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΕΠΕΚΤΑΣΗΣ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ 8.1 Ανακεφαλαίωση-Συµπεράσµατα Προτάσεις επέκτασης της έρευνας ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ SUMMARY Παράρτηµα Α: εδοµένα εισόδου του µοντέλου-καλλιέργειας ηλίανθου Παράρτηµα Β: εδοµένα εισόδου του µοντέλου-καλλιέργειας αραβοσίτου Παράρτηµα Γ: Η ανάπτυξη των φυτών, το βάθος και η κατανοµή των ριζών του ηλίανθου και του αραβοσίτου VII

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Επισκόπηση Η άρδευση των αγροτικών καλλιεργειών σε πολλά µέρη του κόσµου, ιδιαίτερα σε περιοχές µε ξηρό ή ξηροθερµικό κλίµα, όπου η διαθεσιµότητα των υδατικών πόρων είναι περιορισµένη, είναι ανταγωνιστική για τους διάφορους άλλους χρήστες του νερού. Αυτό αναγκάζει τους χρήστες να χρησιµοποιούν την ποσότητα του νερού που τους αναλογεί µε πιο αποτελεσµατικό τρόπο. Στην πραγµατικότητα, η χρήση του νερού για αρδευτικούς σκοπούς στη γεωργία ευθύνεται για την κατανάλωση περισσότερου από 80 % των υδατικών πόρων σε πολλές από τις περιοχές αυτές (Kirda and Kanber,1999). Εκτός από τους προβληµατισµούς που υπάρχουν ως προς την αποτελεσµατική χρήση του νερού, η άρδευση προκαλεί προβλήµατα ποιότητας στα υπόγεια και επιφανειακά νερά. Αυτό συµβαίνει γιατί οι χηµικές ουσίες που βρίσκονται στο έδαφος διηθούνται από τη ζώνη του ριζοστρώµατος των καλλιεργούµενων φυτών µε την υπερβολική ποσότητα του στραγγιστικού νερού προς τον όγκο του γλυκού νερού που βρίσκεται κάτω από την επιφάνεια του εδάφους καθώς και προς τα υπόγεια ύδατα (Moreno et al., 1996; De la Rosa and Crompvoets 1998; Vanclooster et al., 2000). Ως αποτέλεσµα, υπάρχει µια συνεχής ανάγκη για ανάπτυξη ή/και βελτίωση των εργαλείων για την καλύτερη δυνατή διαχείριση του νερού, τα οποία σχεδιάζονται για την άρδευση αγροτικών καλλιεργειών σε περιοχές µε ξηρές ή ξηροθερµικές κλιµατολογικές συνθήκες. Η γεωργία αποτελεί τη σηµαντικότερη δραστηριότητα του ανθρώπου, η οποία επηρεάζει την ποιότητα των υπόγειων υδάτων (Freeze and Cherry, 1979). H συχνότερα ανιχνευόµενη στα υπόγεια ύδατα ρυπογόνος ουσία είναι το άζωτο µε τη µορφή νιτρικών (NO 3 ), το οποίο είναι ευρέως διαδεδοµένο, ως αποτέλεσµα της γεωργίας και της διάθεσης των αστικών υγρών αποβλήτων. Η ρύπανση των υπόγειων

13 Κεφάλαιο 1 ο 2 υδάτων επιδεικνύει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που τη διακρίνουν από τη ρύπανση των επιφανειακών υδάτων ιδιαίτερα χαρακτηρίζεται από τις δυσκολίες ανίχνευσής της, τη χρονική απόσταση που µεσολαβεί ανάµεσα στα γεγονότα της ρύπανσης και της ανίχνευσής της, την επιµονή των αποτελεσµάτων της, την αργοπορία στη λήψη µέτρων ενάντια στην εξάπλωσή της, την ποικιλία στις εµπλεκόµενες βιο-φυσικοχηµικές διαδικασίες και τη σπουδαιότητα της υδροδυναµικής του εδάφους, όσον αφορά τη χωρική και χρονική τύχη της ρυπογόνου ουσίας. Για αυτούς τους λόγους, η µελέτη της ρύπανσης των υπόγειων υδάτων από τις µη σηµειακές πηγές ρύπανσης των αγροτικών καλλιεργειών είναι ιδιαίτερα δύσκολη. Αν και η χρήση των λιπασµάτων είναι χρήσιµη για την ανάπτυξη, η χωρίς διάκριση χρήση τους έχει επιφέρει δυσµενή αποτελέσµατα όσον αφορά την υγεία από την ρύπανση. Στα παιδιά η κατανάλωση νερού µε υψηλές συγκεντρώσεις νιτρικών, µπορεί να προκαλέσει αναπνευστική ανεπάρκεια γνωστή ως µεθαιµοσφαιριναιµία ή «σύνδροµο της κυάνωσης των βρεφών» (Rajagobal and Tobin, 1989). Στους ενήλικες, η λήψη µεγάλης ποσότητας νιτρικών έχει συνδεθεί µε τον καρκίνο του στοµάχου (Canter et al., 1988). Επιδηµιολογικές µελέτες έχουν τονίσει τη σπουδαιότητα της ανάγκης για τη θέσπιση κριτηρίων, ώστε να ρυθµιστεί η ποιότητα του νερού και να περιφρουρηθεί από τέτοιες αρνητικές επιδράσεις. Η επανάχρηση των επεξεργασµένων αστικών λυµάτων για άρδευση θεωρείται ωφέλιµη για την παραγωγή σοδειάς και επειδή περιέχουν άζωτο και φώσφορο, µπορούν να συµβάλουν στη µείωση των απαιτήσεων για λιπάσµατα του εµπορίου. Κάτω από συγκεκριµένες συνθήκες, αν δεν γίνει σωστή επεξεργασία, αυτός ο τύπος νερού µπορεί να προκαλέσει αρνητικές επιδράσεις στις καλλιέργειες, ως αποτέλεσµα της υψηλής συγκέντρωσης αζώτου στις περισσότερες περιπτώσεις των επεξεργασµένων λυµάτων (Vazquez-Monteil et al., 1995), επειδή επηρεάζει τις φυσικές, χηµικές και βιολογικές ιδιότητες του εδάφους, ιδιαίτερα την αλατότητα και νατρίωση του εδάφους (Westcot and Ayers, 1985), οι οποίες µπορεί να επηρεάσουν αρνητικά τις καλλιέργειες και να προκαλέσουν ρύπανση των υπόγειων υδάτων. Το περιβάλλον και η δηµόσια υγεία εξαρτώνται κυρίως από τα χαρακτηριστικά των αστικών λυµάτων, το βαθµό καθαρισµού, τη µέθοδο εφαρµογής, τις αγρονοµικές συνθήκες και τις αρδευόµενες καλλιέργειες. Όταν χρησιµοποιείται νερό αυτού του είδους για άρδευση, απαιτούνται πιο σύνθετες πρακτικές διαχείρισης σε συνδυασµό µε αυστηρότερους τρόπους ελέγχου, απ ό,τι όταν χρησιµοποιείται νερό καλής ποιότητας. Επιπροσθέτως, όταν οι αναλογίες είναι τέτοιες, ώστε το άζωτο να µην

14 Κεφάλαιο 1 ο 3 αφοµοιώνεται από τα φυτά, αυτό µπορεί να συντελέσει σε µια καθοδική κίνηση των νιτρικών και την έκπλυσή τους στον υδροφόρο ορίζοντα. Ο εµπλουτισµός των υπόγειων υδάτων µε νιτρικά αποτελεί σήµερα ένα µείζον ζήτηµα λόγω των επιβλαβών επιδράσεων στην ανθρώπινη υγεία (Antonopoulos and Tsouris, 2001) και το συσχετισµό µε τον ευτροφισµό των υδατοσυστηµάτων (WHO, 1989) Σκοποί της µελέτης Ο κύριος σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η µελέτη των επιδράσεων της άρδευσης µε επεξεργασµένα υγρά αστικά απόβλητα και της εφαρµογής ανόργανου αζωτούχου λιπάσµατος στην ανάπτυξη των φυτών, τη γονιµότητα του εδάφους καθώς και τη ρύπανση των υπόγειων υδάτων από την έκπλυση των νιτρικών. Για την παρούσα µελέτη, χρησιµοποιήθηκε το µαθηµατικό µοντέλο WANISIM (Water and Nitrogen Simulation Model) (Αντωνόπουλος, 1998), για την προσοµοίωση των φυσικοχηµικών διεργασιών πεδίου που καταγράφτηκαν κατά τη διάρκεια δύο διαδοχικών καλλιεργητικών περιόδων µε ηλίανθο και αραβόσιτο και την επακόλουθη µη καλλιεργητική περίοδο. Για το σκοπό αυτό σχεδιάστηκαν και εκτελέστηκαν πειραµατικές µετρήσεις σε ένα αγρό στην περιοχή της Σίνδου Θεσσαλονίκης. Έγιναν οι κατάλληλες µετρήσεις για να εκτιµηθεί το ισοζύγιο του νερού και του αζώτου κατά την βλαστική περίοδο των δύο διαφορετικών καλλιεργειών, του ηλίανθου και του αραβοσίτου. Επίσης εξετάστηκαν οι επιπτώσεις της δυναµικής των εισροών αζώτου και νερού και των εκροών στο έδαφος και στα υπόγεια νερά, τόσο κατά την καλλιεργητική περίοδο όσο και µετά τη βλαστική περίοδο του χειµώνα και µέχρι την έναρξη της επόµενης περιόδου. Μελετήθηκαν οι επιπτώσεις από την άρδευση µε επεξεργασµένα αστικά λύµατα και της εφαρµογής ανόργανου αζωτούχου λίπανσης στο εδαφικό νερό και την κατανοµή του αζώτου σε διάφορα εδαφικά προφίλ, η µεταφορά και οι µετασχηµατισµοί του αζώτου καθώς και το ισοζύγιο του νερού και του αζώτου. Επιπλέον, διερευνήθηκαν οι ποσότητες και ο ρυθµός έκπλυσης του αζώτου, σε σχέση µε το ποια περίοδος του έτους µπορεί να θεωρηθεί ως η πιο επικίνδυνη για τη ρύπανση των υπόγειων υδάτων µε νιτρικά, κάτω από τις ξηροθερµικές συνθήκες που επικρατούν στην περιοχή όπου διεξήχθησαν τα πειράµατα.

15 Κεφάλαιο 1 ο 4 Ακόµη, µελετήθηκε η αξιοπιστία του µοντέλου WANISIM και εάν αυτό µπορεί να περιγράψει επιτυχώς τις δυναµικές διαδικασίες που εµπλέκονται στις µακροπρόθεσµες αλληλεπιδράσεις εδάφους-φυτών-ατµόσφαιρας για διαφορετικά συστήµατα καλλιέργειας. Το µοντέλο αξιολογείται µε σύγκριση των µετρηµένων και των προσοµοιωµένων τιµών για το περιεχόµενο εδαφικό νερό, τις συγκεντρώσεις ανόργανου εδαφικού αζώτου σε διαφορετικά βάθη του εδαφικού προφίλ και την πρόσληψη Ν από τα φυτά κατά τη διάρκεια της περιόδου ανάπτυξης, χρησιµοποιώντας τόσο ποιοτικές, όσο και ποσοτικές µεθόδους. Οι ποιοτικές µέθοδοι αποτελούνται από την οπτική σύγκριση των µετρηµένων τιµών και των προσοµοιωµένων αποτελεσµάτων σε σχέση µε το χρόνο και το βάθος του εδάφους. Οι ποσοτικές διαδικασίες περιλαµβάνουν την εφαρµογή κριτηρίων στατιστικής ανάλυσης µεταξύ των προσοµοιωµένων και των µετρηµένων αποτελεσµάτων. Αξιολογήθηκε η ικανότητα του µοντέλου WANISIM, ως µονοδιάστατου στην κατακόρυφη διεύθυνση µοντέλου, για την πρόβλεψη της χρονικής εξέλιξης του δυναµικού του εδαφικού νερού, των απαιτήσεων της καλλιέργειας σε νερό και τις απώλειες νερού λόγω στράγγισης κατά την εφαρµογή του νερού άρδευσης µε τη µέθοδο της στάγδην άρδευσης. Επιπλέον εξετάζεται εάν το µοντέλο WANISIM µπορεί να αποτελέσει ένα αξιόπιστο εργαλείο για την περιγραφή της κίνησης του νερού κάτω από τους σταλακτήρες και να διερευνηθούν οι κατάλληλες θέσεις µέτρησης ή δειγµατοληψίας εδαφικού νερού και αζώτου στο µεσοδιάστηµα δύο γραµµών σταλακτήρων. Ερευνήθηκε επίσης η επίδραση της αλατότητας των επεξεργασµένων λυµάτων, καθώς και το οσµωτικό δυναµικό του εδαφικού διαλύµατος στις εξισώσεις πρόσληψης νερού από τις ρίζες. Η επίδραση της καταπόνησης των φυτών λόγω αλατότητας του εδάφους στα δεδοµένα της πρόσληψης νερού από τις ρίζες βασίζεται στην πραγµατική διαπνοή Βιβλιογραφική ανασκόπηση H βιβλιογραφική ανασκόπηση αφορά την εξέλιξη της επιστήµης σε τρία αντικείµενα της διατριβής: Την δυναµική του εδαφικού νερού και την προσοµοίωσή της, τη δυναµική του αζώτου στο έδαφος σε σχέση µε την ανάπτυξη των φυτών, την έκπλυσή του και τον κίνδυνο ρύπανσης των υπόγειων νερών, καθώς και την

16 Κεφάλαιο 1 ο 5 αλατότητα του εδάφους από την εφαρµογή αλατούχου νερού και την ελλιπή έκπλυσή τους από το ριζόστρωµα. Τα παραπάνω εξετάζονται κάτω από το πρίσµα της επαναχρησιµοποίησης αστικών υγρών αποβλήτων υναµική του εδαφικού νερού Η προσοµοίωση της δυναµικής του νερού στο σύστηµα έδαφος-φυτόατµόσφαιρα αποτελεί µια σηµαντική παράµετρο της διαχείρισης του νερού της καλλιέργειας και είναι δύσκολο να υπολογιστεί µε ακρίβεια, επειδή το σύστηµα έδαφος-φυτό-ατµόσφαιρα είναι ιδιαιτέρως πολύπλοκο. Η εδαφική υγρασία είναι µια ιδιαίτερα πολύπλοκη και δυναµική παράµετρος, της οποίας η µείωση από το ριζικό σύστηµα ελέγχεται από εδαφικούς και κλιµατικούς παράγοντες καθώς και παράγοντες του φυτού. Οι ακριβείς πληροφορίες για το κατάστασή της µέσα στο εδαφικό προφίλ είναι µεγάλης σηµασίας για τη διαχείριση του νερού. Μαθηµατικά µοντέλα του δυναµικού της εδαφικής υγρασίας µπορούν να περιγράψουν την πολύπλοκη συµπεριφορά της εδαφικής υγρασίας κάτω από συνθήκες καλλιέργειας, καθώς επίσης και µη καλλιέργειας. Η ανάπτυξη των αριθµητικών µεθόδων, σε συνδυασµό µε τα προγράµµατα ηλεκτρονικών υπολογιστών που έχουν σχεδιαστεί, έχει καταστήσει εύκολη την επίλυση της εξίσωσης Richards. Οι αριθµητικές µέθοδοι που συνήθως χρησιµοποιούνται είναι η µέθοδος των πεπερασµένων στοιχείων και αυτή των πεπερασµένων διαφορών. Λύσεις της εξίσωσης Richards µε τη µέθοδο των πεπερασµένων στοιχείων έχουν παρουσιαστεί από τους Khaleel and Yeh (1985); Kaluarachi and Paker (1987); Antonopoulos (1993); Αντωνόπουλος (1998). Ο Καραµούζης (1980) χρησιµοποίησε τη µέθοδο των πεπερασµένων στοιχείων για να µελετήσει την ασταθή δισδιάστατη ροή του νερού σε ελεύθερα υδροφόρα στρώµατα. Επιπλέον, οι Ζήσης και Τερζίδης (1995) ερεύνησαν τη δισδιάστατη ροή του νερού σε κορεσµένο και ακόρεστο έδαφος. Η αριθµητική µέθοδος των πεπερασµένων διαφορών χρησιµοποιείται ευρέως στη µελέτη της ακόρεστης ροής στο έδαφος. Οι αριθµητικές λύσεις της εξίσωσης της ροής του νερού µε αυτή τη µέθοδο έχουν παρουσιαστεί από τους Feddes et al. (1974); Belmans et al. (1983); Σακελλαρίου Μακραντωνάκη (1986); Celia et al. (1990); Babajimopoulos (1991); Kirkland et al. (1992); Govindaraju and Kavvas (1993). Η

17 Κεφάλαιο 1 ο 6 προσοµοίωση της περιεχόµενης εδαφικής υγρασίας σε καλλιεργούµενα εδάφη µε αριθµητικά µοντέλα, όπου η εξίσωση Richards επιλύεται µε τη µέθοδο των πεπερασµένων διαφορών έχει διερευνηθεί και από τούς Babajimopoulos et al. (1995); Καλφούντζος (1995); Sakellariou-Makrantonaki (1997); Babajimopoulos and Panoras (2005). Ο υπολογισµός της δυναµικής του εδαφικού νερού είναι ουσιώδης για τον προγραµµατισµό των αρδεύσεων και της διαχείρισης του νερού της καλλιέργειας. ιάφορες µέθοδοι έχουν χρησιµοποιηθεί για αυτό το σκοπό. Οι περισσότερες από τις µεθόδους αυτές βασίζονται στο ισοζύγιο του νερού στον αγρό (Liu et al, 1998; George et al, 2000; Mateos et al, 2002), όπου οι µεταβλητές του εδαφικού νερού υπολογίζονται από τις συνιστώσες του ισοζυγίου του νερού, δηλαδή τις βροχοπτώσεις, την άρδευση, την εξατµισοδιαπνοή και τη ροή του νερού στο κάτω µέρος της ζώνης του ριζοστρώµατος. Άλλες µέθοδοι βασίζονται σε υδροδυναµική προσοµοίωση, όπου η εξίσωση Richards χρησιµοποιείται για µια λεπτοµερέστερη περιγραφή της κίνησης του εδαφικού νερού (π.χ. Nimah and Hanks, 1973a,b; Feddes et al., 1978; Belmans et al., 1983; Dierckx et al., 1988; Saxton et al., 1986, 1992; Gardner, 1991; Lafolie, 1991; Clemente et al., 1994; Vanclooster et al., 1996; Armstrong et al., 1996; McGechan et al., 1997; Singh and Singh, 1997; Αντωνόπουλος, 1998; Rinaldi, 2001). Τα µοντέλα προσοµοίωσης της καλλιέργειας (Rinaldi, 2001; Bergez et al, 2002) χρησιµοποιούνται επίσης για τον προγραµµατισµό της άρδευσης, λαµβάνοντας υπόψη την µεταβολή του εδαφικού νερού, καθώς και την ανάπτυξη και απόδοση της καλλιέργειας. Το µήκος των ριζών ή η κατανοµή τους εµφανίζεται στην πλειοψηφία των περιπτώσεων να συνδέεται άµεσα µε την πρόσληψη νερού από τα φυτά. Οι ρίζες αντλούν νερό από διάφορα βάθη του εδάφους µε τέτοιο τρόπο, ώστε να µεγιστοποιούνται οι πιθανότητες για την επιβίωση του φυτού. Η αύξηση του µήκους των ριζών επιτρέπει στο ριζικό σύστηµα να εξερευνήσει καινούριο εδαφικό όγκο. Γι το λόγο αυτό, αποτελεί την καλύτερη παράµετρο για τον υπολογισµό της πρόσληψης νερού. Το εµβαδόν της επιφάνειας των ριζών είναι δύσκολο να µετρηθεί και να ερµηνευτεί σε σχέση µε το µήκος των ριζών, όµως µπορεί να συσχετιστεί πιο άµεσα µε τη δραστηριότητα των ριζών. ιάφοροι ερευνητές (π.χ. Evans, 1977; Ward et al, 1978) έχουν επιχειρήσει να υπολογίσουν την έκταση της επιφάνειας των ριζών. Η

18 Κεφάλαιο 1 ο 7 έκταση της επιφάνειας και το µήκος των ριζών εµφανίζουν µεγάλο βαθµό συνάφειας για ένα δεδοµένο φυτό, µε την εξαίρεση της κύριας ρίζας µερικών φυτών. Η πλειοψηφία των διαµέτρων της ρίζας των φυτών εµφανίζουν µικρή διακύµανση µεταξύ τους. Θεωρείται ότι το µήκος των ριζών ανά µονάδα εδαφικού όγκου αποτελεί µια από τις καλύτερες παραµέτρους για τον υπολογισµό της πρόσληψης νερού από τις ρίζες των φυτών (Taylor and Klepper, 1973). Οι Molz and Remson (1971) θεώρησαν τον παράγοντα πρόσληψης ως µια συνάρτηση του ρυθµού διαπνοής, της διάχυσης της εδαφικής υγρασίας, καθώς και µια συνάρτηση της αποτελεσµατικής κατανοµής των ριζών. Η συνάρτηση της κατανοµής των ριζών χρησιµοποιεί την πυκνότητα των ριζών σε σχέση µε το βάρος των ριζών ανά µονάδα εδαφικού όγκου αντί της πυκνότητας των ριζών σε σχέση µε το µήκος τους. Οι Nimah and Hanks (1973a) ανέπτυξαν ένα από τα πρώτα µοντέλα για την πρόβλεψη της ροής του εδαφικού νερού υπό συνθήκες καλλιέργειας. Ο παράγοντας πρόσληψης εξαρτάται από τη διαφορά µεταξύ του δυναµικού των ριζών και του εδάφους, την υδραυλική αγωγιµότητα του εδάφους και µια συνάρτηση κατανοµής των ριζών. Οι Feddes et al. (1976) θεώρησαν τον παράγοντα πρόσληψης ως µια συνάρτηση της περιεχόµενης εδαφικής υγρασίας. Σε µια µεταγενέστερη µελέτη, οι Feddes et al. (1978) εισήγαγαν τον µακροσκοπικό παράγοντα πρόσληψης που εξαρτάται από το δυναµικό του εδαφικού νερού και που χρησιµοποιείται ευρέως σε µοντέλα προσοµοίωσης της πρόσληψης νερού. Ο Prassad (1988) ανέπτυξε ανά γραµµικό παράγοντα πρόσληψης νερού από τις ρίζες που διαφοροποιείται σε σχέση µε το χρόνο. Επίσης, πρότεινε µηδενικό ρυθµό πρόσληψης για το κάτω µέρος του ριζοστρώµατος. Οι Van Genuchten and Hoffman (1984) χρησιµοποίησαν τον µακροσκοπικό παράγοντα πρόσληψης των Feddes et al. (1978) και εισήγαγαν έναν όρο µείωσης της πρόσληψης, λόγω της αλατότητας, αντί της µύζησης του εδαφικού νερού. Χρησιµοποίησαν αυτό τον παράγοντα πρόσληψης για να ερευνήσουν την επίδραση διαφορετικών επίπεδων αλατότητας του νερού άρδευσης, καθώς και διαφορετικό οσµωτικό δυναµικό του υδατικού διαλύµατος για την πρόσληψη νερού από τις ρίζες. Τροποποιήσεις αυτού του µοντέλου πρόσληψης πρότειναν οι Dirksen et al. (1988, 1993) ενσωµατώνοντας στη συνάρτηση µια οριακή τιµή αλατότητας. Οι Homaee και Feddes (1999, 2001) διερεύνησαν τροποποιήσεις της συνάρτησης των Dirksen et al.

19 Κεφάλαιο 1 ο 8 (1988, 1993) χρησιµοποιώντας µια µη γραµµική σχέση µε δύο οριακές τιµές αλατότητας. Μελέτες έχουν διεξαχθεί αποκλειστικά για την αντοχή στην αλατότητα ή την υδατική καταπόνηση και όχι για το συνδυασµένο πρόβληµα. Ελάχιστα είναι τα άρθρα που κατά καιρούς έχουν δηµοσιευτεί και αφορούν στην πρόσληψη του νερού από τις ρίζες υπό το συνδυασµένο πρόβληµα της αλατότητας και της έλλειψης νερού. Μια αναδροµή στα αρχικά, µακροσκοπικά µοντέλα πρόσληψης νερού υπό συνδυασµένες συνθήκες αλατότητας και υδατικής καταπόνησης, περιλαµβάνει τις µελέτες των Van Genuchten and Hoffman, 1984; Van Genuchten, 1987; Dirksen, et al., 1993; Van Dam et al., 1997; Homaee et al., Για τις ανάγκες της διατριβής, για την προσοµοίωση του εδαφικού νερού στους αγρούς µε τις καλλιέργειες του ηλίανθου και του αραβοσίτου, χρησιµοποιείται η συνάρτηση του παράγοντα πρόσληψης του Feddes (1978) και η συνάρτηση του Perrochet (1987) για την επίδραση της κατανοµής των ριζών στην πρόσληψη νερού από τις ρίζες. Η επίδραση της αλατότητας σε συνδυασµό µε την έλλειψη νερού, ως περιοριστικού παράγοντα πρόσληψης του νερού, βελτιώθηκε µε βάση τις παραδοχές της συνάρτησης των Homeae et al., υναµική του εδαφικού αζώτου Πολλές µελέτες τονίζουν την ανάγκη για µοντέλα που βοηθούν στην κατανόηση των διαδικασιών που εµπλέκονται στη µεταφορά και το µετασχηµατισµό του αζώτου στο έδαφος. Τέτοιου είδους µοντέλα βελτιώνουν την κατανόησή µας για τις διαδικασίες του κύκλου του αζώτου και µπορούν να αποτελέσουν πολύτιµα εργαλεία, για το σχεδιασµό περιβαλλοντικά και οικονοµικά αειφόρων (βιώσιµων) συστηµάτων διαχείρισης της γης. Μπορούν επίσης να χρησιµεύσουν ως εργαλεία για την πρόβλεψη των πιθανών επιδράσεων από τις πρακτικές διαχείρισης της γεωργίας και της κτηνοτροφίας, και ιδιαιτέρως µπορούν να καταστήσουν δυνατή τη µείωση των εφαρµοζόµενων ποσοτήτων λιπασµάτων (Rodda et al., 1995). Για αρκετά χρόνια υπάρχει η ανησυχία για τη συµβολή των γεωργικών δραστηριοτήτων στην ρύπανση του περιβάλλοντος από ενώσεις του αζώτου. Ιδιαίτερη ανησυχία προκαλούν τα νιτρικά που εκπλύνονται προς υδατορεύµατα και λίµνες καθώς και στα υπόγεια ύδατα, ρυπαίνοντας τα υδατικά συστήµατα και την

20 Κεφάλαιο 1 ο 9 ατµόσφαιρα µε τις αέριες µορφές των οξειδίων του αζώτου (αέρια του φαινόµενου του θερµοκηπίου) και την αµµωνία (η οποία συµβάλλει στη δηµιουργία όξινης βροχής). Μοντέλα προσοµοίωσης των δυναµικών διαδικασιών που υφίστανται οι ενώσεις του αζώτου στο έδαφος έχουν αναπτυχθεί σε πολλές χώρες. Μέχρι σήµερα, έχουν χρησιµοποιηθεί κυρίως για τη µελέτη των διαδικασιών σε καλλιεργήσιµες εκτάσεις που δέχονται ανόργανα λιπάσµατα κάτω από διάφορες συνθήκες καλλιέργειας και λίπανσης. Η στέγαση χοίρων και πουλερικών καθ όλη τη διάρκεια του έτους, καθώς και ο ενσταυλισµός των βοοειδών κατά τη διάρκεια του χειµώνα, έχουν ως αποτέλεσµα τη δηµιουργία µεγάλων ποσοτήτων κοπριάς και λάσπης αναµεµιγµένης µε κοπριά, οι οποίες παραδοσιακά διατίθενται µε το διασκορπισµό τους στα χωράφια. Τα αστικά και βιοµηχανικά απόβλητα επίσης διατίθενται µε αυξανόµενο ρυθµό στην καλλιεργήσιµη γη. ιασκορπίζοντας αυτά τα απόβλητα µπορεί να προκληθούν σοβαρά προβλήµατα ρύπανσης των υδάτων και του αέρα, αλλά επίσης µπορεί να αποδειχθούν πολύτιµα ως θρεπτικά στοιχεία για τα φυτά και, αν γίνει αποτελεσµατική διαχείριση, µπορούν να µειώσουν ουσιαστικά τις απαιτήσεις για τη χρήση λιπασµάτων. Όµως, ο µικρός βαθµός χρησιµοποίησής τους στις τρέχουσες γεωργικές πρακτικές, ως αποτέλεσµα της χρήσης ακατάλληλων τεχνικών για τον διασκορπισµό τους στη γη και ο ακατάλληλης προγραµµατισµός της εφαρµογής τους συνιστούν µία απειλή για το περιβάλλον καθώς και αποτελούν µία οικονοµική απώλεια ενός πολύτιµου πόρου. Η χρήση µοντέλων της δυναµικής του εδαφικού αζώτου επεκτείνεται τώρα στη µελέτη της ρύπανσης του περιβάλλοντος από την εφαρµογή της κοπριάς και των αποβλήτων στους αγρούς, µέχρι τα οφέλη από τα µέτρα που λαµβάνονται για το µετριασµό αυτής της ρύπανσης. H δυναµική του εδαφικού άνθρακα και αζώτου επηρεάζει άµεσα την ποιότητα και την παραγωγικότητα του εδάφους. Για αυτό το λόγο υπάρχει µια εντατικοποίηση της έρευνας σε αυτό το ζήτηµα από τις αρχές της επιστήµης της εδαφολογίας. Με τη βελτίωση της πειραµατικής µεθοδολογίας, οι επιστήµονες έχουν συσσωρεύσει πολύτιµες πληροφορίες για τη δυναµική του εδαφικού άνθρακα και αζώτου και ενίσχυσαν την ικανότητά µας να διαχειριζόµαστε τον οργανικό εδαφικό άνθρακα και το άζωτο (Shaffer and Ma, 2001; DeBusk et al., 2001). Οι πρώτοι ερευνητές διερεύνησαν µεµονωµένες διαδικασίες, όµως τους έλειπαν τα εργαλεία και οι γνώσεις που απαιτούνται για την αντιµετώπιση του πολύπλοκου περιβάλλοντος του εδάφους ως ενιαίου συνόλου. Αυτό µπορεί να ισχύει µέχρι ενός σηµείου και σήµερα, όµως οι

21 Κεφάλαιο 1 ο 10 πρόσφατες πρόοδοι στην τεχνολογία των ηλεκτρονικών υπολογιστών, οι τεχνικές ανίχνευσης και καταγραφής των µετρήσεων από απόσταση, οι διαδικασίες δειγµατοληψίας σε επίπεδο αγρού, και οι εργαστηριακές αναλυτικές µέθοδοι έχουν επιτρέψει σηµαντικές βελτιώσεις στις γνώσεις µας για τις ίδιες τις διαδικασίες C/N καθώς και για τις αλληλεπιδράσεις τους. Από τις αρχές της δεκαετίας του 1980, το ενδιαφέρον για την προσοµοίωση των διαδικασιών του εδάφους και της ανάπτυξης των καλλιεργειών αναδύθηκε δυναµικά, λόγω του περιβαλλοντικού κινήµατος. ηµιουργήθηκαν πολλά υπο-µοντέλα του εδαφικού άνθρακα και αζώτου σε συνδυασµό µε µοντέλα που εστιάζονται στις καλλιέργειες και το έδαφος, όπως τα µοντέλα NCSOIL (Molina et al., 1983), CERES (Ritchie et al., 1986), και LEΑCHM (Wagenet and Hutson, 1987) στις Ηνωµένες Πολιτείες, και τα µοντέλα ANIMO (Berghuijs-van Dijk et al., 1985) και SOILN (Johnsson et al., 1987) στην Ευρώπη. Από τα τέλη της δεκαετίας του 1980 µέχρι τα µέσα της δεκαετίας του 1990, αναπτύχθηκαν διάφορα συµπληρωµατικά µοντέλα µαζί µε βελτιώσεις στους υπάρχοντες κώδικες. Τα νέα µοντέλα που εµφανίστηκαν για τη δυναµική του αζώτου είναι από τους Bergstrom and Johnsson (1988), DAISY από τους Hansen et al. (1990), NLEAP από τους Shaffer et al. (1991), SUNDIAL από τους Bradbury et al. (1993), CANDY από τον Franko (1996), SOILN (Eckersten et al., 1996) και ANIMO (Groenendijk and Kroes, 1997). Η περιγραφή του εδαφικού άνθρακα και αζώτου παρουσιάζει µεγάλες δυσκολίες λόγω των διαφορετικών κλασµάτων και µορφών µε τις οποίες απαντούνται στο έδαφος. Το µέγεθος των κλασµάτων (δεξαµενών) και οι ταχύτητες µετασχηµατισµού τους είναι δύσκολο να µετρηθούν και να εκτιµηθούν (Ma et al., 1998). Έχουν γίνει πολυάριθµες προσπάθειες για την ανάπτυξη εργαστηριακών µεθόδων και µεθόδων πεδίου για την εκτίµηση των αρχικών κλασµάτων της οργανικής ουσίας του εδάφους, των υπολειµµάτων της καλλιέργειας, της κοπριάς, των αστικών λυµάτων και τη µικροβιακή βιοµάζα, όµως µέχρι σήµερα αυτές δεν έχουν αποδειχθεί επιτυχείς στην πράξη (Parton et al., 1994). Μια άλλη δυσκολία µε τα µοντέλα C/N είναι ο καθορισµός των συντελεστών των ταχυτήτων (ρυθµών) που χρησιµοποιούνται στις διάφορες διαδικασίες προσοµοίωσης, οι οποίες µπορεί να είναι κινητική πρώτης τάξης, µηδενικής τάξης, κινητική Michaelis Menten ή κινητική Monod (Hansen et al., 1995). Οι τιµές των συντελεστών των ταχυτήτων µπορεί να είναι σταθερές, όµως συνήθως

22 Κεφάλαιο 1 ο 11 τροποποιούνται για την εδαφική υγρασία, τη θερµοκρασία, το ph και τις επιδράσεις του οξυγόνου. Η κινητική πρώτης τάξης είναι η συνηθέστερα χρησιµοποιούµενη προσέγγιση στην ποσοτικοποίηση του ρυθµού των αντιδράσεων, για πολλές από τις διαδικασίες του άνθρακα και του αζώτου στο έδαφος, όπως για την αποσύνθεση της οργανικής ύλης του εδάφους, την νιτροποίηση, την απονιτροποίηση και την υδρόλυση της ουρίας. Η εξίσωση Michaelis Menten ή κινητική µηδενικής τάξης χρησιµοποιείται για επιλεγµένες διαδικασίες (π.χ. πρόσληψη αζώτου από τα φυτά, νιτροποίηση κ.τ.λ.). Το βασικό συµπέρασµα που προκύπτει από την κινητική πρώτης τάξης είναι ότι ο ρυθµός αντίδρασης ελέγχεται από την ποσότητα του αρχικού υποστρώµατος και είναι ανάλογος προς το υπόστρωµα αυτό. Εν τούτοις, στα εδαφικά συστήµατα πολλές διαδικασίες εµπλέκουν διάφορα υποστρώµατα, και οι ρυθµοί αντίδρασης περιορίζονται από διαφορετικά υποστρώµατα κάτω από διαφορετικές συνθήκες. Οι επιδράσεις των περιβαλλοντικών παραγόντων στις διαδικασίες του εδαφικού άνθρακα και αζώτου είναι δύσκολο να προσοµοιωθούν. Τα περισσότερα µοντέλα χρησιµοποιούν παράγοντες µε τιµές από 0 έως 1, για τη µετατροπή των τιµών των συντελεστών ταχύτητας για κάθε περιβαλλοντικό παράγοντα (π.χ. νερό και θερµοκρασία), ενώ άλλα χρησιµοποιούν την εξίσωση Arrhenius για τις επιδράσεις της θερµοκρασίας καθώς και τις ανάλογες και αντιστρόφως ανάλογες σχέσεις ανάµεσα στο ph και το οξυγόνο (Shaffer et al., 2000). Ο οργανικός άνθρακας και το άζωτο στο έδαφος έχουν διαφορετική συµπεριφορά και δεν µπορούν να αντιµετωπιστούν µε µια ενιαία αντίδραση. Τα περισσότερα µοντέλα κάνουν τη διάκριση ανάµεσα στα διάφορα κλάσµατα άνθρακα και αζώτου, βασιζόµενα στα φυσικά, χηµικά και/ή βιολογικά χαρακτηριστικά τους. Από φυσικής άποψης, ο άνθρακας και το άζωτο µπορεί να είναι µετακινούµενα ή ακινητοποιηµένα. Από χηµικής άποψης, µπορεί να είναι οργανικά (µε διαφορετικές αναλογίες και σύσταση C/N) ή ανόργανα. Βιολογικά, µπορούν να µετασχηµατίζονται σε άλλες µορφές, από διάφορους τύπους µικροβίων και να εµφανίζουν διαφορετικούς ρυθµούς µετατροπής. Ο οργανικός άνθρακας και το άζωτο εξετάζεται µαζί µε την αναλογία τους σε C/N, η οποία µπορεί να είναι διαφορετική για διαφορετικές οργανικές ουσίες. Οι ανόργανες µορφές του αζώτου είναι οι εξής: ΝΗ 4, ΝΟ 3, ουρία-ν καθώς και διάφορες αέριες µορφές (ΝΗ 3, Ν 2 Ο). Ο διαχωρισµός του εδαφικού οργανικού άνθρακα και αζώτου διαφέρει σηµαντικά µεταξύ των µοντέλων, παρουσιάζονται µεγάλη ποικιλία από ένα µοντέλο

23 Κεφάλαιο 1 ο 12 ενός κλάσµατος (δεξαµενής) µέχρι και πέντε κλασµάτων (δεξαµενών). Ο σκοπός των πολλαπλών κλασµάτων είναι η παραδοχή της ανοµοιογένειας των οργανικών ουσιών του εδάφους, έτσι ώστε οι συντελεστές των ταχυτήτων που προκύπτουν από ένα έδαφος να µπορούν να εφαρµοστούν και σε άλλα. Μια τέτοια επιθυµία δεν έχει ακόµη εκπληρωθεί στην πράξη κατά την εφαρµογή των µοντέλων γιατί 1) δεν υπάρχουν πειραµατικές µέθοδοι που να διαφοροποιούν κατάλληλα τα κλάσµατα, και γιατί τα κλάσµατα είναι περισσότερο µια εννοιολογική αντίληψη παρά πραγµατικότητα, 2) οι φυσικές και χηµικές ιδιότητες των κλασµάτων ακόµη δεν έχουν εξεταστεί πειραµατικά µε επαρκή τρόπο, και οι παράµετροι που σχετίζονται µε τα κλάσµατα, παραµένουν εµπειρικές ή άγνωστες, και 3) η κατανοµή των κλασµάτων του εδαφικού οργανικού άνθρακα και αζώτου στο έδαφος είναι συνεχής και οποιοσδήποτε διαχωρισµός των κλασµάτων είναι αυθαίρετος. Ως αποτέλεσµα, τα µοντέλα πολλαπλών κλασµάτων µπορεί να µην έχουν σηµαντικά πλεονεκτήµατα από την άποψη της λύσης προβληµάτων που αφορούν την πραγµατικότητα, παρά µόνο για ερευνητικούς σκοπούς. Η προσοµοίωση των διαδικασιών ανοργανοποίησης και ακινητοποίησης γίνεται µε πολύ διαφορετικό τρόπο ανάµεσα στα διαφορετικά µοντέλα, από µια καθαρά εµπειρική προσέγγιση µέχρι µια ιδιαιτέρως πολύπλοκη προσέγγιση. Τα απλά µοντέλα χρησιµοποιούν µια αναλογία C/N για τον καθορισµό της καθαρής ανοργανοποίησης ή ακινητοποίησης, και τα πιο πολύπλοκα (σύνθετα) µοντέλα υπολογίζουν έναν ρυθµό ακινητοποίησης που βασίζεται στο ρυθµό αποσύνθεσης. Τα πολύπλοκα (σύνθετα) µοντέλα χρησιµοποιούν ένα ιδιαίτερα δυναµικό µοντέλο ανάπτυξης των µικροοργανισµών στο έδαφος για τον υπολογισµό του ρυθµού ακινητοποίησης. Η διαδικασία της νιτροποίησης περιλαµβάνεται στα περισσότερα µοντέλα. Η κινητική της νιτροποίησης µπορεί να είναι µηδενικής τάξης, ηµίσειας τάξης, πρώτης τάξης ή τύπου Michaelis Menten. Οι συντελεστές του ρυθµού γενικά εξαρτάται από την εδαφική υγρασία, το ph και τη θερµοκρασία. Η διαδικασία της απονιτροποίησης επίσης περιλαµβάνεται στα διαφορετικά µοντέλα. Ο ρυθµός απονιτροποίησης µπορεί να είναι µηδενικής τάξης, πρώτης τάξης ή τύπου Michaelis Menten. Εκτός από την περιεχόµενη εδαφική υγρασία, ο ρυθµός απονιτροποίησης επηρεάζεται επίσης από τη θερµοκρασία του εδάφους και τη διαθεσιµότητα του υποστρώµατος σε άνθρακα ως πηγή ενέργειας. Η υδρόλυση της ουρίας δεν περιλαµβάνεται ως διαδικασία σ όλα τα µοντέλα. Η εφαρµοζόµενη ουρία προστίθεται απευθείας ως το ισοδύναµό της στο κλάσµα του

24 Κεφάλαιο 1 ο 13 εδαφικού αµµωνιακού αζώτου ή στο κλάσµα του ανόργανου αζώτου. Για τη διαδικασία της υδρόλυσης της ουρίας µπορεί να χρησιµοποιηθεί ένας συντελεστής κινητικής πρώτης τάξεως, τροποποιηµένος ανάλογα µε τη θερµοκρασία του εδάφους και το περιεχόµενο νερό. Η πτητικότητα της αµµωνίας θεωρείται ότι λαµβάνει χώρα κυρίως στην εδαφική στρώση κοντά στην επιφάνεια, όµως η προσοµοίωσή της µπορεί να γίνει για όλες τις εδαφικές στρώσεις. Η πτητικότητα της αµµωνίας συνήθως αντιµετωπίζεται ως µια διαδικασία πρώτης τάξης και ο συντελεστής εξαέρωσης επηρεάζεται συνήθως από τη θερµοκρασία, την ταχύτητα του ανέµου, την ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων (CEC), το βάθος του εδάφους και το ρυθµό εξάτµισης του νερού. Η πρόσληψη του αζώτου από τα φυτά αποτελεί µια από τις σηµαντικότερες διαδικασίες των µοντέλων γεωργικών συστηµάτων γιατί σχετίζεται µε την ανάπτυξη των φυτών, την κατανοµή των ριζών, τη δυναµική του άνθρακα και του αζώτου, την κίνηση του νερού και τη µεταφορά του αζώτου. Οποιοδήποτε λάθος στην προσοµοίωση των παραπάνω διαδικασιών θα επηρεάσει την ακρίβεια της πρόσληψης αζώτου από τα φυτά. Στα περισσότερα µοντέλα, η πρόσληψη του αζώτου από τα φυτά καθορίζεται από τις απαιτήσεις των φυτών σε άζωτο, οι οποίες µπορεί να υπολογιστούν από µια λογιστική καµπύλη ή µε την αλληλεπίδραση µε ένα µοντέλο ανάπτυξης των φυτών. Η διαθεοιµότητα του εδαφικού αζώτου στις ρίζες καθορίζεται από τη συνολική ποσότητα αζώτου που είναι διαθέσιµη στο φυτό (ΝΗ 4 και ΝΟ 3 ), το ρυθµό της διαπνοής του νερού, και πιθανώς από τη διάχυση του εδαφικού αζώτου στην επιφάνεια των ριζών. Τα περισσότερα µοντέλα θεωρούν ότι η συγκέντρωση του αζώτου στην επιφάνεια των ριζών συµπίπτει µε αυτή στο διάλυµα του εδαφικού όγκου Χρήση των επεξεργασµένων αστικών υγρών αποβλήτων για άρδευση και προσοµοίωση των διαδικασιών στο έδαφος Σε πολλές περιοχές µε ξηρό και ηµίξηρο κλίµα, το νερό θεωρείται ένας από τούς σπάνιους φυσικούς πόρους και για αυτό οι µελετητές προσανατολίζονται στην αξιοποίηση κάθε διαθέσιµης πηγής νερού, η οποία µπορεί να θεωρηθεί οικονοµική και αποδοτική για την ανάπτυξη. Παρόλα που το νερό καλής ποιότητας σπανίζει, τα νερά περιθωριακής ποιότητας µπορούν να χρησιµοποιηθούν στην γεωργία. Ο όρος

25 Κεφάλαιο 1 ο 14 οριακή ποιότητα χρησιµοποιείται για νερά που περιέχουν συστατικά που εµπεριέχουν τον κίνδυνο να προκαλέσουν προβλήµατα, όταν χρησιµοποιούνται σε προκαθορισµένες χρήσεις. Στην οµάδα των οριακής ποιότητας νερών υπάγονται τα αλατούχα και υφάλµυρα νερά και τα επεξεργασµένα ή µη λύµατα των αστικών κέντρων. Η χρησιµοποίηση των νερών αυτών απαιτεί πιο σύνθετες διασικασίες διαχείρισης και πιο επίµονες διαδικασίες καταγραφής, από ότι όταν χρησιµοποιούνται νερά καλής ποιότητας. Στην συνέχεια παρουσιάζονται οι προϋποθέσεις και η διαχείριση χρησιµοποίησης των επεξεργασµένων αστικών λυµάτων για την άρδευση καλλιεργούµενων εκτάσεων. Περισσότερες πληροφορίες µπορεί ο αναγνώστης να αντλήσει από τις εξής βιβλιογραφικές πηγές: U.S.EPA (1981); Pettygrove and Asano (1985); Bower and Idelovitch (1987); Feigin et al. (1991); Pescod (1992); Asano (1998); Angelakis et al. (1999); Πανώρας και Ηλίας (1999); Αντωνόπουλος (2000, 2003). Η άρδευση µε λύµατα θεωρείται σε πολλές περιπτώσεις ως µέθοδος επεξεργασίας λυµάτων γνωστή σαν εδάφια επεξεργασία. Η επεξεργασία ή διάθεση των λυµάτων στο έδαφος, από αυτή την άποψη είναι µία µεθοδολογία ελεγχόµενης εφαρµογής τους στο έδαφος, όπου επιτυγχάνεται ένας σηµαντικός βαθµός επεξεργασίας µε τις φυσικές, χηµικές και βιολογικές διαδικασίες που υπάρχουν στο σύστηµα φυτό-έδαφος-νερό. Τα κριτήρια ποιότητας του νερού που έχουν καθιερωθεί για τις αρδευόµενες καλλιέργειες µε καθαρό νερό είναι τα καλύτερα διαθέσιµα κριτήρια για την επαναχρησιµοποίηση των λυµάτων για άρδευση. Επειδή όµως στα λύµατα υπάρχουν πρόσθετα συστατικά, τα οποία συνήθως δεν υπάρχουν ή βρίσκονται σε ασήµαντες ποσότητες στους φυσικούς υδατικούς πόρους, απαιτείται ο ορισµός ειδικών προδιαγραφών για την επαναχρησιµοποίηση των λυµάτων. Προς το παρόν υπάρχουν οδηγίες και κριτήρια που έχουν αναπτυχθεί σε περιοχές που γίνεται επαναχρησιµοποίηση και οι οποίες µε τη συµπληρωµατική έρευνα θα αποτελέσουν τα κριτήρια για την άρδευση µε λύµατα. Η βελτίωση της διαχείρισης της άρδευσης και η διαχείριση της εφαρµογής αζώτου µπορεί να µελετηθεί µε τη βοήθεια µοντέλων. Τα µαθηµατικά µοντέλα µπορούν να προσοµοιώσουν τις φυσικές διαδικασίες του συστήµατος καλλιέργεια έδαφος ατµόσφαιρα. Αυτά τα µοντέλα προσφέρουν τη δυνατότητα κατανόησης των σχέσεων ανάµεσα στην ποσότητα και το χρόνο εφαρµογής του νερού και του αζώτου, την απόδοση της καλλιέργειας και τους κινδύνους από τη ρύπανση του εδάφους και

26 Κεφάλαιο 1 ο 15 των υπόγειων υδάτων, αποτελώντας έτσι πολύτιµα εργαλεία για το σχεδιασµό µιας περιβαλλοντικά και οικονοµικά βιώσιµης γεωργίας. ιάφορα µοντέλα έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία για την προσοµοίωση της ροής του νερού, τη µεταφορά διαλυµένων ουσιών, τη ροή της θερµότητας, την πρόσληψη νερού και θρεπτικών ουσιών από τα φυτά, καθώς και το βιολογικό µετασχηµατισµό του αζώτου στο έδαφος (Bergstrom et al., 1991; Hutson and Wagenet, 1991; Jarvis, 1995; Gabrielle and Kengni, 1996; Breve et al., 1997; Lafolie et al., 1997; Diekkruger, et al., 1998; Hutson, 2000). Τα περισσότερα µοντέλα εστιάζονται στην εφαρµογή λιπάσµατος. Όµως, µερικοί ερευνητές προσπάθησαν να αναπτύξουν µοντέλα, τα οποία περιγράφουν τη µεταφορά και το µετασχηµατισµό του αζώτου στο έδαφος από την πλευρά της διαχείρισης των αστικών λυµάτων στην καλλιεργούµενη γη. Επιπλέον, τα περισσότερα µοντέλα εστιάζονται σε περιοχές στις οποίες οι βροχοπτώσεις είναι άφθονες και γενικά κατανέµονται µε οµαλό τρόπο (Moreno et al., 1996). Λίγες εφαρµογές µαθηµατικών µοντέλων έχουν ασχοληθεί µε τις ξηροθερµικές κλιµατολογικές συνθήκες των χωρών της περιοχής της Μεσογείου, στις οποίες η ποσότητα και η κατανοµή των βροχοπτώσεων µεταβάλλεται από τη µια χρονιά στην άλλη. Έχοντας υπόψη τις καλλιεργητικές πρακτικές που εφαρµόζονται σε αρδευόµενους αγρούς, και τους κινδύνους για ρύπανση του περιβάλλοντος, ως αποτέλεσµα της επανάχρησης επεξεργασµένων αστικών λυµάτων για καλλιεργητικούς σκοπούς, την εφαρµογή αζωτούχων λιπασµάτων για την αύξηση της παραγωγής των καλλιεργειών και τις αρνητικές τους επιδράσεις στις ιδιότητες του εδάφους, ιδιαίτερα στην αλατότητα και νατρίωση του εδάφους, στην απόδοση της ανάπτυξης των φυτών και στη ρύπανση των υπόγειων υδάτων µε νιτρικά, έγινε προσπάθεια να ερευνηθούν η επίδραση της άρδευσης µε επεξεργασµένα αστικά λύµατα και η εφαρµογή ανόργανων αζωτούχων λιπασµάτων σε ένα χωράφι το οποίο καλλιεργήθηκε για δυο διαδοχικές καλλιεργητικές περιόδους µε ηλίανθο και αραβόσιτο Επιλογή µαθηµατικού µοντέλου για την παρούσα µελέτη Το µαθηµατικό µοντέλο που επιλέχθηκε να χρησιµοποιηθεί στην παρούσα µελέτη είναι το WANISIM (Water and Nitrogen Simulation Model) (Αντωνόπουλος, 1998), Αποτελείται από µια σειρά υποµοντέλων που περιγράφουν και εκτιµούν τις

27 Κεφάλαιο 1 ο 16 ταυτόχρονες διαδικασίες της κίνησης του νερού, της µεταφοράς µάζας του αµµωνιακού και νιτρικού αζώτου, της πρόσληψης του νερού και του αζώτου από τα φυτά, της νιτροποίησης, της απονιτροποίησης, της ανοργανοποίησης και της ακινητοποίησης του αζώτου στο έδαφος. Κατά το παρελθόν, το µοντέλο έχει χρησιµοποιηθεί για τη προσοµοίωση της δυναµικής του νερού και του αζώτου στο έδαφος αγρών αρδευόµενων µε συστήµατα καταιονισµού και καλλιεργούµενα µε βαµβάκι (Antonopoulos, 1997), µε ετήσιες χορτοδοτικές καλλιέργειες, σε αποκαταστηµένα εδάφη (Antonopoulos and Wyseure, 1998) και µε αραβόσιτο (Antonopoulos, 2001). Ο λόγος της επιλογής του συγκεκριµένου µοντέλου είναι ότι το WANISIM έχει χρησιµοποιηθεί υπό τις ελληνικές συνθήκες και περιγράφει επιτυχώς τις δυναµικές διαδικασίες του νερού και του αζώτου σε καλλιεργούµενα εδάφη. Οι µετασχηµατισµοί του οργανικού αζώτου (ανοργανοποίηση και ακινητοποίηση) περιγράφονται από δυο κλάσµατα οργανικής ουσίας (Johnsson et al., 1987). Τα κλάσµατα οργανικής ουσίας είναι το φρέσκο οργανικό υλικό (litter pool), και ο σταθεροποιηµένος χούµος. Τo φρέσκο οργανικό υλικό είναι το κλάσµα γρήγορης αποικοδόµησης της οργανικής ύλης και η µικροβιακή βιοµάζα. Ο χούµος είναι κλάσµα βραδείας αποικοδόµησης, σχεδόν το σταθεροποιηµένο προϊόν της αποσύνθεσης. Το µοντέλο µετασχηµατισµού της οργανικής ύλης υποθέτει ότι η αποσύνθεση του οργανικού άνθρακα είναι η κύρια αιτία ελέγχου της ανοργανοποίησης του αζώτου. Η νιτροποίηση του ΝΗ 4 -Ν και η απονιτροποίηση του ΝΟ 3 -Ν προσεγγίζονται µε κινητικές αντιδράσεις πρώτης τάξης. Ο ρυθµός ακινητοποίησης, νιτροποίησης και απονιτροποίησης επηρεάζεται από τους αβιοτικούς παράγοντες της θερµοκρασίας και της εδαφικής υγρασίας (Antonopoulos, 1999). Η προσρόφηση του ΝΗ 4 -Ν περιγράφεται από την ισόθερµο Freundlich. Η πρόσληψη από το φυτό περιγράφεται από ένα µακροσκοπικό µοντέλο, στο οποίο χρησιµοποιείται η εξίσωση Michaelis Menten πού καθορίζει το ρυθµό της πρόσληψης αζώτου, ως συνάρτηση της πυκνότητας των ριζών και της συγκέντρωσης του αµµωνιακού και νιτρικού αζώτου στο εδαφικό διάλυµα.

28 Κεφάλαιο 1 ο ιάρθρωση της διατριβής Η παρούσα διατριβή αποτελείται από οκτώ κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται ο σκοπός της µελέτης, η διάρθρωση της µελέτης και η γενική βιβλιογραφική ανασκόπηση. Το δεύτερο κεφάλαιο περιγράφει τις σηµαντικότερες παραµέτρους που αφορούν το ζήτηµα της επανάχρησης λυµάτων, εστιάζοντας στην επανάχρηση των λυµάτων στη γεωργία. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται το µοντέλο WANISIM που χρησιµοποιήθηκε κατά την προσοµοίωση της δυναµικής του νερού και αζώτου. Περιλαµβάνονται οι εξισώσεις για τη ροή του νερού, οι συναρτήσεις της πρόσληψης του νερού και αζώτου από τα φυτά, οι εξισώσεις για τη µεταφορά και το µετασχηµατισµό του αζώτου, και οι επιδράσεις των περιβαλλοντικών παραγόντων στο µετασχηµατισµό του αζώτου στο έδαφος. Αυτό το κεφάλαιο περιγράφει επίσης τις διαδικασίες της δυναµικής εξατµισοδιαπνοής, οι οποίες υπολογίζονται µε την εξίσωση Penman- Monteith (Allen et al., 1998), καθώς και τον διαχωρισµό της εξάτµισης του εδάφους από τη διαπνοή των φυτών. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι µετρήσεις πεδίου, που αποκτήθηκαν κατά τη διάρκεια δυο διαδοχικών καλλιεργητικών περιόδων ηλίανθου και αραβόσιτου. ίνεται λεπτοµερής περιγραφή των µετρήσεων των υδραυλικών ιδιοτήτων του εδάφους, που σχετίζονται µε την χαρακτηριστική καµπύλη και την κορεσµένη υδραυλική αγωγιµότητα. Παρουσιάζονται οι µετρήσεις της περιεχόµενης εδαφικής υγρασίας, του οργανικού και ανόργανου εδαφικού αζώτου, της αλατότητας και του pη του εδάφους. ίνονται επίσης οι µετρήσεις των φαινοµενολογικών χαρακτηριστικών των φυτών, που αφορούν το δείκτη φυλλικής επιφάνειας και το βάθος και την κατανοµή των ριζών, καθώς και την ξηρά ουσία της βιοµάζας του ηλίανθου και του αραβοσίτου. Το πέµπτο κεφάλαιο παρουσιάζει τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης της δυναµικής του νερού και του αζώτου κατά τη διάρκεια της περιόδου ανάπτυξης του ηλίανθου και την επακόλουθη περίοδο της µη καλλιέργειας. Η δυναµική του νερού εκτιµάται και συζητείται κάτω από τα αντικείµενα της κατανοµής της περιεχόµενης εδαφικής υγρασίας κάτω από τους σταλακτήρες, του ισοζυγίου του νερού και της αποθήκευσης του νερού στη ζώνη του ριζοστρώµατος. Η δυναµική του αζώτου

29 Κεφάλαιο 1 ο 18 εκτιµάται και συζητείται κατά τη σύγκριση µεταξύ των προσοµοιωµένων και των µετρηµένων συγκεντρώσεων του ανόργανου εδαφικού αζώτου (ΝΗ 4 -Ν και ΝΟ 3 -Ν) για διαφορετικά εδαφικά προφίλ, του ισοζυγίου του αζώτου και της έκπλυσης των νιτρικών, καθώς και της συνολικής αποθήκευσης αζώτου στο συνολικό εδαφικό προφίλ. Η απόδοση του µοντέλου αξιολογείται µε τη χρήση τόσο ποιοτικών όσο και ποσοτικών διαδικασιών. Το έκτο κεφάλαιο παρουσιάζει τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης της δυναµικής του νερού και του αζώτου κατά τη διάρκεια της περιόδου ανάπτυξης του αραβοσίτου και την επακόλουθη περίοδο της µη καλλιέργειας. Εξετάζονται όπως και κατά την προσοµοίωση του ηλίανθου η κατανοµή του εδαφικού νερού υπό συνθήκες στάγδην άρδευσης, η εξάτµιση εδάφους και η διαπνοή των φυτών, το ισοζύγιο του εδαφικού νερού και η αποθήκευση νερού στη ζώνη του ριζοστρώµατος. Επίσης εξετάζονται οι κατανοµές των συγκεντρώσεων του ανόργανου εδαφικού αζώτου (ΝΗ 4 -Ν και ΝΟ 3 -Ν) σε διαφορετικά εδαφικά προφίλ, το ισοζύγιο του αζώτου και η έκπλυση των νιτρικών, η πρόσληψη αζώτου από τα φυτά καθώς και τη συνολική αποθήκευση του ανόργανου εδαφικού αζώτου στο εδαφικό προφίλ. Το κεφάλαιο επτά παρουσιάζει τα αποτελέσµατα της ανάλυσης ευαισθησίας για τις υδραυλικές παραµέτρους του µοντέλου. Στο τελευταίο όγδοο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συµπεράσµατα και οι προτάσεις της µελέτης µας για την πορεία της έρευνας που πρέπει να ακολουθηθεί στο προσεχές µέλλον.

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΕΠΑΝΑΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΜΕΝΩΝ ΑΣΤΙΚΩΝ ΥΓΡΩΝ ΛΥΜΑΤΩΝ ΓΙΑ ΑΡ ΕΥΤΙΚΟΥΣ ΣΚΟΠΟΥΣ 2.1. Εισαγωγή Τις τελευταίες δεκαετίες εµφανίζεται αυξηµένο ενδιαφέρον για την επαναχρησιµοποίηση των αστικών λυµάτων στη γεωργία εξαιτίας της αυξηµένης ζήτησης σε αρδευτικό νερό. Η πληθυσµιακή αύξηση, η αυξηµένη κατ άτοµο χρήση νερού, οι απαιτήσεις της βιοµηχανίας και της γεωργίας πιέζουν για άµεσες λύσεις στον τοµέα των υδατικών πόρων. Η επεξεργασία των λυµάτων παρέχει νερό ικανοποιητικής ποιότητας που µπορεί να χρησιµοποιηθεί ωφέλιµα (Asano, 1998). Η επαναχρησιµοποίηση των λυµάτων για αρδευτικούς σκοπούς σε µεγάλο εύρος καλλιεργειών, υπήρξε επιτυχής και σύµφωνα µε αναφορές έχει σηµειώσει αύξηση αποδόσεων κατά 10 30% (Asano, 1998). Επιπρόσθετα, η επαναχρησιµοποίηση των επεξεργασµένων λυµάτων για αρδευτικούς και βιοµηχανικούς σκοπούς απελευθερώνει πηγές καθαρού νερού για αποκλειστική οικιακή χρήση και για τη βελτίωση της ποιότητας του νερού των ποταµών, που στη συνέχεια προορίζεται για πόσιµο (µε τη µείωση της διάθεσης λυµάτων σε ποτάµια). Η ανακύκλωση των λυµάτων αποτελεί κύρια λύση στην αναζήτηση νέων υδατικών πόρων σε περιοχές που αντιµετωπίζουν έλλειψη νερού. Οι κατευθυντήριες γραµµές και τα πρότυπα για την αποµάκρυνση των επικινδύνων για την υγεία και το περιβάλλον ουσιών από τα λύµατα, αλλά και ο τύπος και τα στάδια επεξεργασίας των λυµάτων, αποτέλεσαν και αποτελούν σηµεία συζητήσεων και διαφορών. Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται ανασκόπηση της βιβλιογραφίας και προσπάθεια να παρουσιαστούν οι σηµαντικότερες πλευρές που αφορούν την επαναχρησιµοποίηση των λυµάτων, ειδικά για αρδευτικούς σκοπούς.

31 Κεφάλαιο 2 ο Χαρακτηριστικά των λυµάτων Τα αστικά λύµατα αποτελούνται κυρίως από νερό (99.9 %) και από σχετικά µικρές συγκεντρώσεις αιωρούµενων και διαλυµένων οργανικών και ανόργανων στερεών. Στις οργανικές ουσίες των λυµάτων εντοπίζονται υδρογονάνθρακες, λιγνίνη, λίπη, σάπωνες, συνθετικά απορρυπαντικά, πρωτεΐνες και τα αποικοδοµηµένα προϊόντα τους, καθώς και µεγάλο εύρος φυσικών και συνθετικών οργανικών χηµικών ουσιών που προέρχονται από τη βιοµηχανία. Τα αστικά λύµατα περιέχουν επίσης ποικιλία ανόργανων ουσιών από αστικές και βιοµηχανικές πηγές, ανάµεσα στις οποίες απαντώνται και τοξικά στοιχεία όπως αρσενικό, κάδµιο, χρώµιο, χαλκός, µόλυβδος, υδράργυρος, ψευδάργυρος κλπ. Ακόµα και αν η συγκέντρωση των τοξικών στοιχείων δεν ενέχει κίνδυνο για τον άνθρωπο, ωστόσο µπορεί να απαντάται σε φυτοτοξικά επίπεδα, που περιορίζουν τη χρήση των λυµάτων για αρδευτικούς σκοπούς. Παθογόνοι ιοί, βακτήρια, πρωτόζωα και ελµινθοσπόρια, που επιβιώνουν για µεγάλο χρονικό διάστηµα στο περιβάλλον, είναι δυνατόν να απαντώνται στα αστικά λύµατα. Τα παθογόνα βακτήρια βρίσκονται σε µικρότερους πληθυσµούς από τα κολοβακτηρίδια στα λύµατα, τα τελευταία δε, είναι ευκολότερο να εντοπιστούν και να µετρηθούν (σύνολο κολοβακτηρίδιων/100ml). Η παρουσία του Escherichia coli (κολοβακτηρίδιο που ενδηµεί στο κατώτερο µέρος του πεπτικού συστήµατος του ανθρώπου και των ζώων) αποτελεί την καλύτερη µαρτυρία της µόλυνσης του νερού από ανθρώπινα εκκρίµατα και της παρουσίας παθογόνων µικροοργανισµών, µπορεί να αναγνωριστεί, να αποµονωθεί και να µετρηθεί σε εντερόκοκκους/100ml λυµάτων Τεχνολογία επεξεργασίας λυµάτων Η αποτελεσµατική επεξεργασία των λυµάτων ώστε να ανταποκρίνονται σε πρότυπα ποιότητας νερού επαναχρησιµοποίησης και η προσπάθεια για την προστασία της δηµόσιας υγείας αποτελούν τα βασικά κριτήρια για τα συστήµατα επαναχρησιµοποίησης νερού. Η επεξεργασία των αστικών λυµάτων αποτελείται από συνδυασµό φυσικών, χηµικών και βιολογικών διαδικασιών για την αποµάκρυνση των στερεών, της οργανικής ουσίας, των παθογόνων, των µετάλλων και µερικές φορές των θρεπτικών στοιχείων από τα λύµατα. Γενικοί όροι που χρησιµοποιούνται για την

32 Κεφάλαιο 2 ο 21 περιγραφή του επιπέδου επεξεργασίας είναι πρωτοβάθµια, δευτεροβάθµια, τριτοβάθµια ή/και προχωρηµένη επεξεργασία. Η απολύµανση για έλεγχο του πληθυσµού των παθογόνων οργανισµών λαµβάνει χώρα τελευταία, λίγο πριν την αποθήκευση ή διάθεση των επεξεργασµένων λυµάτων Πρωτοβάθµια επεξεργασία Ο όρος πρωτοβάθµια επεξεργασία αναφέρεται στην αρχική επεξεργασία των λυµάτων για την αποµάκρυνση συγκεκριµένων ουσιών. Στα συµβατικά συστήµατα επεξεργασίας, η πρωτοβάθµια επεξεργασία περιλαµβάνει την εσχάρωση, εξάµµωση και την αποµάκρυνση του µεγάλου µεγέθους σωµατιδίων. Η συµβατική επεξεργασία λυµάτων είναι αποτελεσµατική στην αποµάκρυνση των ουσιών µε µέγεθος µεγαλύτερο από 50 µm από τα λύµατα. Γενικά ένα 50% των αιωρούµενων στερεών και ένα 25 50% του BOD 5 αποµακρύνονται κατά την πρωτοβαθµία επεξεργασία (Metcalf and Eddy, 1991). Θρεπτικά στοιχεία, υδρόφοβα συστατικά, µέταλλα και µικροοργανισµοί που σχετίζονται µε τα σωµατίδια που αποµακρύνονται, µπορούν επίσης να αποµακρυνθούν µε την πρωτοβάθµια επεξεργασία. Επίσης περίπου 10 20% του οργανικού αζώτου και περίπου 10% του φωσφόρου αποµακρύνονται µε τη συµβατική πρωτοβάθµια επεξεργασία. Για τα περισσότερα συστήµατα επαναχρησιµοποίησης λυµάτων η πρωτοβάθµια επεξεργασία δεν αρκεί για να επιτευχθεί η απαιτούµενη ποιότητα των επεξεργασµένων λυµάτων ευτεροβάθµια επεξεργασία Τα συστήµατα δευτεροβάθµιας επεξεργασίας περιλαµβάνουν µια σειρά από βιολογικές διαδικασίες συνδυασµένες µε το διαχωρισµό υγρής και στερεάς φάσης. Οι βιολογικές διαδικασίες είναι σχεδιασµένες ώστε να παρέχουν αποτελεσµατικό µικροβιολογικό µεταβολισµό του διαλυµένου ή αιωρούµενου οργανικού υποστρώµατος στα λύµατα. Τα συµβατικά συστήµατα επεξεργασίας περιλαµβάνουν αερόβιο βιολογικό αντιδραστήρα, συνδυασµένο µε δευτεροβάθµια καθίζηση για την αποµάκρυνση και συγκέντρωση της βιοµάζας που παράγεται από την επεξεργασία των συστατικών των

33 Κεφάλαιο 2 ο 22 λυµάτων. Το αποτέλεσµα της επεξεργασίας των συµβατικών συστηµάτων περιέχει επίπεδα αιωρούµενων στερεών και BOD 5 που κυµαίνονται µεταξύ 10 και 30 mg/l. Ανάλογα µε την διαδικασία, 10 50% του οργανικού αζώτου αποµακρύνεται κατά τη συµβατική δευτεροβάθµια επεξεργασία και ο φώσφορος µετατρέπεται σε φωσφορικά ιόντα (PO -3 4 ). Τα στερεά που παράγονται κατά τη δευτεροβάθµια επεξεργασία υφίστανται επεξεργασία µε αερόβια ή αναερόβια χώνευση, κοµποστοποίηση ή µε άλλου είδους τεχνολογία επεξεργασίας. Μερική µόνο αποµάκρυνση παθογόνων, ιχνοστοιχείων και διαλυµένων µολυσµατικών οργανισµών λαµβάνει χώρα, σε συνδυασµό µε τη βιολογική επεξεργασία και το φυσικό διαχωρισµό. Για πολλά συστήµατα επεξεργασίας και επαναχρησιµοποίησης λυµάτων, η δευτεροβάθµια επεξεργασία παρέχει ικανοποιητική αποµάκρυνση οργανικών ουσιών από τα λύµατα. Συχνά, η δευτεροβάθµια επεξεργασία συνδυάζεται µε διήθηση για περισσότερη αποµάκρυνση σωµατιδίων και απολύµανση Τριτοβάθµια ή/και προχωρηµένη επεξεργασία Η τριτοβάθµια ή προχωρηµένη επεξεργασία των λυµάτων χρησιµοποιείται όταν συγκεκριµένα συστατικά των λυµάτων δεν γίνεται να αποµακρυνθούν µε δευτεροβάθµια επεξεργασία, αλλά απαιτείται η αποµάκρυνσή τους. Η προχωρηµένη επεξεργασία αναφέρεται στην αποµάκρυνση συγκεκριµένων συστατικών όπως η αµµωνία ή τα νιτρικά µε νιτροποιητικές/απονιτροποιητικές διαδικασίες, µε ανταλλαγή ιόντων ή µε αποµάκρυνση του συνόλου των διαλυµένων στερεών µε αντίστροφη ώσµωση. Η τριτοβάθµια ή/και προχωρηµένη επεξεργασία των λυµάτων συνήθως έπεται των άλλων βιολογικών διαδικασιών επεξεργασίας Καθορισµός της ποιότητας των επεξεργασµένων λυµάτων Ο χαρακτηρισµός της ποιότητας του νερού είναι απαραίτητος για την αξιολόγηση της βιολογικής και χηµικής επικινδυνότητας κατά τη χρήση των επεξεργασµένων λυµάτων σε διάφορες εφαρµογές, καθώς και της αποτελεσµατικότητας των µεθόδων επεξεργασίας των λυµάτων. Οι παράµετροι ποιότητας που χρησιµοποιούνται για την αξιολόγηση των επεξεργασµένων λυµάτων,

34 Κεφάλαιο 2 ο 23 βασίζονται στις σύγχρονες τεχνολογίες επεξεργασίας λυµάτων. Στον Πίνακα 2.1 παρουσιάζονται οι σχετικές µε την ποιότητα του νερού παράµετροι. Τα συστήµατα επεξεργασίας λυµάτων είναι σχεδιασµένα ώστε να ανταποκρίνονται στα κριτήρια ποιότητας του νερού σε βιοχηµικά απαιτούµενο οξυγόνο (BOD 5 ), ολικά αιωρούµενα στερεά (TSS), ολική συγκέντρωση εντεροκόκκων, επίπεδα θρεπτικών ουσιών (άζωτο και φώσφορος) και υπολειµµατικό χλώριο. Πίνακας 2.1. Φυσικοχηµικές παράµετροι, η σηµασία τους και επίπεδα συγκεντρώσεων στα επεξεργασµένα λύµατα (Asano, 1998). Παράµετρος Ολικά Αιωρούµενα στερεά (TSS) Οργανικοί δείκτες (TOC) ιασπώµενες οργανικές ουσίες (COD, BOD) Θρεπτικά στοιχεία N, P, K Σταθερές οργανικές ουσίες (π.χ. φαινόλες, εντοµοκτόνα, χλωράνθρακες) ph Βαρέα µέταλλα (Cd, Zn, Ni, etc.) Παθογόνοι οργανισµοί ιαλυτά ανόργανα στοιχεία (TDS, EC, SAR) Σηµασία Τα TSS µπορούν να οδηγήσουν σε αποθέσεις λάσπης και αναερόβιες συνθήκες. Μεγάλες συγκεντρώσεις προκαλούν έµφραξη των αρδευτικών συστηµάτων. Η παρουσία στερεών στα λύµατα µπορεί να συσχετισθεί µε την µικροβιακή µόλυνση, και τη θολότητα και µε την αποτελεσµατικότητα απολύµανσης. Μέτρηση του οργανικού άνθρακα Η βιολογική τους αποσύνθεση µπορεί να οδηγήσει σε έλλειµµα οξυγόνου. Στην άρδευση µόνο µεγάλες συγκεντρώσεις προκαλούν προβλήµατα. Μικρές έως µέσες συγκεντρώσεις είναι επωφελής. Στα επιφανειακά υδατικά συστήµατα οδηγούν σε ευτροφισµό. Στην άρδευση αποτελούν ωφέλιµη πηγή θρεπτικών. Τα νιτρικά σε µεγάλες συγκεντρώσεις µπορούν να προκαλέσουν ρύπανση των υπόγειων νερών. Κάποιες είναι τοξικές για το περιβάλλον, στο έδαφος συσσωρεύονται. Επηρεάζει τη διαλυτότητα των µετάλλων, την αλκαλικότητα, τη δοµή του εδάφους και την ανάπτυξη των φυτών. ιαδικασίες συσσώρευσης στο έδαφος, τοξικά στα φυτά. Μέτρηση των κινδύνων για την υγεία εξαιτίας της παρουσίας των εντερικών ιών, των παθογόνων βακτηρίων και των πρωτόζωων. Υπερβολική αλατότητα µπορεί να βλάψει τις καλλιέργειες. Το βόριο, το νάτριο και το χλώριο είναι τοξικά σε ορισµένες καλλιέργειες, υπερβολική συγκέντρωση νατρίου µπορεί να προκαλέσει προβλήµατα διηθητικότητας. Προσεγγιστικά επίπεδα συγκεντρώσεων στα επεξεργασµένα λύµατα < 1 έως 30 mg/l 1 20 mg/l mg/l N: 10 έως 30 mg/l P: 0.1 έως 30 mg/l κολοβακτηρίδια < 1 έως 10 4 /100 ml Άλλα παθογόνα ελέγχονται από την τεχνολογία της επεξεργασίας

35 Κεφάλαιο 2 ο 24 Παραδοσιακά το αρδευτικό νερό κατατάσσεται µε βάση διάφορα συστήµατα ταξινόµησης ποιότητας µε σκοπό την ενηµέρωση του χρήστη για τα πλεονεκτήµατα ή για τους κινδύνους που σχετίζονται µε την χρήση του, ώστε να επιτευχθεί η καλύτερη δυνατή παραγωγή. Τα συστήµατα ταξινόµησης της ποιότητας του νερού αποτελούν µόνο ενδεικτικές κατευθυντήριες γραµµές και η εφαρµογή τους θα πρέπει να προσαρµόζεται στις ιδιαίτερες συνθήκες που επικρατούν στον αγρό, όταν το νερό προορίζεται για αρδευτικούς σκοπούς. Αυτό συµβαίνει γιατί οι συνθήκες στον αγρό επηρεάζονται από πολλούς παράγοντες και είναι δύσκολο να προσδιοριστούν. Η καταλληλότητα του νερού για άρδευση θα εξαρτάται κάθε φορά από τις κλιµατικές συνθήκες, τις φυσικές και χηµικές ιδιότητες του εδάφους, την ανθεκτικότητα σε άλατα των καλλιεργειών και από τις πρακτικές διαχείρισης. Έτσι η κατάταξη του νερού για άρδευση είναι πάντα γενική και εφαρµόσιµη για µέσες συνθήκες. Πίνακας 2.2. Κατευθυντήριες γραµµές για αξιολόγηση της ποιότητας νερού για άρδευση (Ayers and Westcott, 1985). Επίπεδο περιορισµού χρήσης Παράµετρος Μονάδες Ασήµαντο Μέτριο Απαγορευτικό Αλατότητα (EC w ) ds/m < > 3 Ολικά διαλυτά στερεά (TDS) mg/l < > 2000 Ολικά αιωρούµενα στερεά mg/l < > 100 (TSS) Όξινο ανθρακικό (HCO - 3 ) mg/l < > 500 Βόριο (B) mg/l < > 3 Χλώριο (Cl - ), ευαίσθητες mg/l < > 350 καλλιέργειες Χλώριο (Cl - ), ψεκαστήρες mg/l < 100 > 100 > 100 Χλώριο (Cl 2 ), υπολειµµατικό mg/l < > 5 Υδρόθειο (H 2 S) mg/l < > 2 Σίδηρος (Fe), στάγδην άρδευση mg/l < > 1.5 Μαγγάνιο (Mn), στάγδην mg/l < > 1.5 άρδευση Άζωτο (N), ολικό mg/l < > 30 Νάτριο (Na + ), ευαίσθητες mg/l < 100 >100 > 100 καλλιέργειες Νάτριο (Na + ), ψεκαστήρες mg/l < 70 >70 > 70 SAR mg/l < > 9 Έχουν προταθεί πολλά συστήµατα κατάταξης του αρδευτικού νερού (Αντωνόπουλος, 2003). Οι Ayers και Westcott (1985) κατατάσσουν το αρδευτικό νερό σε τέσσερις οµάδες βασισµένες αντίστοιχα στην αλατότητα, την διηθητικότητα, την τοξικότητα και τους υπόλοιπους κινδύνους. Αυτή η γενική ποιοτική κατάταξη βοηθά στην αναγνώριση πιθανών προβληµάτων στην παραγωγή των καλλιεργειών

36 Κεφάλαιο 2 ο 25 που σχετίζονται µε τη χρήση συµβατικών πηγών νερού. Τα κριτήρια αυτά µπορούν να εφαρµοσθούν για την εκτίµηση της ποιότητας των επεξεργασµένων λυµάτων για αρδευτικούς σκοπούς, όσον αφορά στην περιεκτικότητα σε χηµικές ουσίες, όπως είναι τα διαλυµένα άλατα, η σχετική αναλογία νατρίου και τα τοξικά ιόντα. Ο Πίνακας 2.2 παρέχει τιµές της ποιότητας του νερού σαν γενικά πρότυπα για την εκτίµηση της ποιότητας νερού για άρδευση, ανάλογα µε το βαθµό περιορισµού. Κατά τη χρήση των επεξεργασµένων λυµάτων για άρδευση, πρέπει να γίνει εκτίµηση των πλεονεκτηµάτων, µειονεκτηµάτων και των πιθανών κινδύνων της χρήσης αυτής. Ο Πίνακας 2.3 συνοψίζει τα πλεονεκτήµατα, µειονεκτήµατα και τους πιθανούς κινδύνους όσον αφορά τη αποθήκευση των λυµάτων, τις διάφορες ουσίες που περιέχουν και τις επιδράσεις τους στο έδαφος. Πίνακας 2.3. Πλεονεκτήµατα, µειονεκτήµατα και πιθανοί κίνδυνοι της επαναχρησιµοποίησης των λυµάτων. Πλεονεκτήµατα Μειονεκτήµατα Κίνδυνοι Βελτίωση της οικονοµικής αποδοτικότητας της επένδυσης όσον αφορά την διάθεση των λυµάτων και την άρδευση. ιατήρηση των καθαρών πηγών. Επαναπλήρωση των υδροφορέων µέσω βαθιάς διήθησης (φυσική επεξεργασία) Τα λύµατα παράγονται συνεχώς κατά τη διάρκεια του έτους, ενώ οι απαιτήσεις της άρδευσης σε νερό περιορίζονται στην καλλιεργητική περίοδο Πιθανή ρύπανσης των υπογείων νερών εξαιτίας των βαρέων µετάλλων, νιτρικών και οργανικών ουσιών Χρήση των θρεπτικών των λυµάτων (π.χ. άζωτο και φωσφορικά) Μείωση της χρήσης των συνθετικών λιπασµάτων Βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του εδάφους (γονιµότητα, υψηλότερες αποδόσεις) Μείωση της επίδρασης των λυµάτων στο περιβάλλον (ευτροφισµός και ελάχιστες απαιτήσεις απόρριψης) Η παρουσία κάποιας ουσίας στα λύµατα ακόµα και σε µικρές συγκεντρώσεις µπορεί να είναι τοξική για τα φυτά ή επιβλαβής για το περιβάλλον. Ρύπανση υπόγειων νερών από νιτρικά Συσσώρευση αλάτων στο ριζόστρωµα Τοξικότητα ορισµένων στοιχείων στα φυτά Συνοψίζοντας τις θετικές και αρνητικές πλευρές, µπορεί να ειπωθεί ότι τα λύµατα, ακόµη και επεξεργασµένα, σχετίζονται µε κινδύνους στην υγεία και το περιβάλλον. Επιπρόσθετα υπάρχει συχνά µία χρονική ασυµφωνία µεταξύ της παροχής µε λύµατα και των απαιτήσεων από την αρδευόµενη γεωργία, που οδηγεί στην ανάγκη δαπανηρών εγκαταστάσεων αποθήκευσης τους.

37 Κεφάλαιο 2 ο Κριτήρια ποιότητας νερού για τη χρήση των λυµάτων στη γεωργία Απαιτήσεις ποιότητας σε σχέση µε τη δηµόσια υγεία Οι πιθανοί κίνδυνοι για την υγεία από την επεξεργασία και την επαναχρησιµοποίηση των λυµάτων σχετίζονται µε το βαθµό άµεσης έκθεσης στα επεξεργασµένα λύµατα και την καταλληλότητα, την αποτελεσµατικότητα και την αξιοπιστία του συστήµατος επεξεργασίας. Ο σκοπός κάθε προγράµµατος επαναχρησιµοποίησης λυµάτων είναι να προστατέψει τη δηµόσια υγεία, χωρίς όµως περιορισµούς που να αποθαρρύνουν τη χρήση των επεξεργασµένων λυµάτων. Κανονισµοί καθορίζουν τα πρότυπα της ποιότητας του νερού σε συνδυασµό µε τις απαιτήσεις επεξεργασίας, δειγµατοληψίας και ελέγχου. Για την ελαχιστοποίηση των κινδύνων στην υγεία και των προβληµάτων αισθητικής, εντατικοί έλεγχοι γίνονται κατά τη µεταφορά και χρήση των λυµάτων, αφού αυτά αποµακρυνθούν από την εγκατάσταση επεξεργασίας. Επειδή η χρήση των επεξεργασµένων λυµάτων συνδέεται κυρίως µε την υγεία, οι περισσότερες έρευνες των επιπτώσεών τους έχουν στραφεί στην κατεύθυνση της προστασίας της δηµόσιας υγείας. Οργανικές χηµικές ουσίες συνήθως εντοπίζονται σε µικρές συγκεντρώσεις στα αστικά λύµατα. Η συσσώρευσή τους µετά από συνεχή χρήση για µεγάλη χρονική περίοδο θα µπορούσε να προκαλέσει επιβλαβή αποτελέσµατα στην ανθρώπινη υγεία. Το παραπάνω δεν πρόκειται να συµβεί µε τη χρήση των επεξεργασµένων λυµάτων στη γεωργία ή στην υδροπονία, εκτός αν σηµειωθεί διαρροή σε πόσιµο νερό από λανθασµένες συνδέσεις στους αγωγούς µεταφοράς ή εάν οι αγρότες και άλλοι εργαζόµενοι δεν διαθέτουν τις απαραίτητες γνώσεις για την προφύλαξή τους. Συνεπώς οι κύριοι κίνδυνοι για την υγεία από τις χηµικές ουσίες των επεξεργασµένων λυµάτων, προέρχονται από µόλυνση των καλλιεργειών ή των υπόγειων νερών Απαιτήσεις ποιότητας για τη γεωργία Η ποιότητα του αρδευτικού νερού είναι µεγάλης σηµασίας, ειδικά σε ξηρές περιοχές όπου υψηλές θερµοκρασίες και χαµηλή σχετική υγρασία έχουν σαν αποτέλεσµα υψηλή εξάτµιση, µε επακόλουθη απόθεση αλάτων που τείνουν να συσσωρεύονται στο εδαφικό προφίλ. Οι φυσικές και µηχανικές ιδιότητες του

38 Κεφάλαιο 2 ο 27 εδάφους, όπως η διασπορά των τεµαχιδίων, η σταθερότητα των συσσωµατωµάτων, η δοµή του εδάφους και η αγωγιµότητα, είναι χαρακτηριστικά ευαίσθητα στο είδος των ανταλλάξιµων ιόντων που εντοπίζονται στο αρδευτικό νερό. Έτσι όταν πρόκειται να χρησιµοποιηθούν επεξεργασµένα λύµατα, πολλοί είναι οι παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη. Οι σηµαντικές παράµετροι ποιότητας νερού για τη γεωργία περιλαµβάνουν ένα αριθµό συγκεκριµένων χαρακτηριστικών του νερού, τα οποία είναι σχετικά µε την απόδοση της καλλιέργειας, τη διατήρηση της παραγωγικότητας του εδάφους και την προστασία του περιβάλλοντος. Οι βασικές παράµετροι ποιότητας των επεξεργασµένων λυµάτων από αγρονοµική σκοπιά είναι: Aλατότητα Η αλατότητα, µετρούµενη µε την ηλεκτρική αγωγιµότητα, είναι µία από τις πιο σηµαντικές παραµέτρους για την εκτίµηση της καταλληλότητας ενός νερού για άρδευση. Συνδέεται άµεσα µε τη συνολική συγκέντρωση των αλάτων στο νερό και µε τα πιθανά προβλήµατα που προκαλούν τα άλατα του νερού άρδευσης στα εδάφη και τα φυτά. Οι ζηµιές που προκαλούνται στα φυτά, τόσο από το συνολικό ποσό των διαλυµένων αλάτων στο νερό όσο και από συγκεκριµένα ιόντα, συνδέονται στενά µε την αυξηµένη αλατότητα. Τα άλατα συσσωρεύονται στο έδαφος µε την εφαρµογή του αρδευτικού νερού και τα προβλήµατα παρουσιάζονται όταν οι συγκεντρώσεις των αλάτων φτάσουν σε επίπεδα που είναι βλαπτικά για το έδαφος, ή/και τα φυτά. Ο ρυθµός συσσώρευσης των αλάτων εξαρτάται από το ρυθµό απόθεσης τους στο έδαφος µε το αρδευτικό νερό και από το ρυθµό αποµάκρυνσης τους µε έκπλυση. Για µακρές χρονικές περιόδους, η ποσότητα των αλάτων που εισέρχεται στο έδαφος πρέπει να είναι ίση µε την ποσότητα που αποµακρύνεται. Τα περισσότερα άλατα είναι διαλυτά και µετακινούνται εύκολα µε το εφαρµοζόµενο νερό. Η µόνη διαδικασία που µπορεί να διατηρήσει την αλατότητα του εδάφους στα επιθυµητά επίπεδα είναι η έκπλυση που επιτυγχάνεται µε την εφαρµογή περισσότερου νερού από αυτό που µπορεί να συγκρατήσει το έδαφος και να καταναλώσουν τα φυτά. Για την εφαρµογή της έκπλυσης είναι απαραίτητη η καλή έως άριστη στράγγιση του εδάφους, έτσι ώστε να είναι δυνατή η συνεχής ροή του νερού από τη ζώνη του ριζοστρώµατος προς τα κάτω.

39 Κεφάλαιο 2 ο ιηθητικότητα Τα άλατα του νατρίου στο αρδευτικό νερό, εκτός από τις άµεσες δυσµενείς επιδράσεις στα φυτά, µπορεί να επηρεάσουν και την εδαφική δοµή, µειώνοντας τόσο το ρυθµό µε το οποίο το νερό διεισδύει στο έδαφος όσο και τον αερισµό του εδάφους. Εάν η διηθητικότητα µειωθεί δραστικά, µπορεί να καταστεί αδύνατη η εφαρµογή της απαραίτητης ποσότητας νερού για την καλή ανάπτυξη των φυτών. Επακόλουθο της καταστροφής της εδαφικής δοµής είναι το επιφανειακό λίµνασµα του νερού, η δηµιουργία κρούστας, η υπερβολική ανάπτυξη ζιζανίων και η έλλειψη επαρκούς αερισµού του εδάφους. Η άρδευση µε επεξεργασµένα υγρά αστικά απόβλητα εφαρµόζεται συχνά σε ήδη υποβαθµισµένα εδάφη, γεγονός που καθιστά το πρόβληµα ακόµη µεγαλύτερο. Τα προβλήµατα διηθητικότητας αφορούν συνήθως ένα µικρό βάθος του επιφανειακού εδάφους και σχετίζονται κυρίως µε υψηλή περιεκτικότητα νατρίου ή πολύ χαµηλή περιεκτικότητα ασβεστίου στη ζώνη αυτή ή στο εφαρµοζόµενο νερό. Τα προβλήµατα έλλειψης ασβεστίου δηµιουργούνται από άρδευση µε νερά πολύ µικρής αλατότητας, τα οποία διαλύουν και ξεπλένουν το ασβέστιο του εδάφους ή µε νερά πολύ υψηλής περιεκτικότητας σε νάτριο, που προκαλούν µεγάλη συσσώρευση νατρίου στο έδαφος σε σχέση µε το ασβέστιο. Νερά µε υψηλή αλατότητα αυξάνουν τη διηθητικότητα και µερικώς (Rhoades, 1977, Oster and Schroer, 1979), αντισταθµίζουν τα προβλήµατα που προκαλεί το αυξηµένο SAR (sodium adsorption ratio). Για δεδοµένο SAR, η διηθητικότητα αυξάνεται όσο αυξάνεται η αλατότητα του νερού άρδευσης και µειώνεται όσο µειώνεται η αλατότητα του. Για το λόγο αυτό το SAR και η ηλεκτρική αγωγιµότητα του νερού, EC w, πρέπει να λαµβάνονται υπόψη συνδυασµένα για την εκτίµηση και αντιµετώπιση των προβληµάτων διηθητικότητηας Τοξικότητα ιόντων Ορισµένα ιόντα που προσλαµβάνονται από φυτά, ακόµη και σε µικρές ποσότητες, ασκούν τοξική δράση σε αυτά µε αποτέλεσµα την πρόκληση ζηµιών στο φυτό και τη µείωση της παραγωγής. Τα προβλήµατα τοξικότητας των ιόντων παρουσιάζονται συχνά µαζί µε εκείνα της αλατότητας κάνοντάς τα πιο πολύπλοκα, παρόλα που µερικές φορές προβλήµατα τοξικότητας εµφανίζονται και σε χαµηλές τιµές αλατότητας. Τα ιόντα στα οποία πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή κατά την άρδευση µε υγρά απόβλητα είναι το βόριο, το νάτριο και το χλώριο (Πανώρας και

40 Κεφάλαιο 2 ο 29 Ηλιας, 1999). Η συγκέντρωση των δύο τελευταίων είναι αυξηµένη όταν χρησιµοποιούνται αποσκληρυντικά νερού Ιχνοστοιχεία Στο νερό άρδευσης αλλά και στα εδαφικά διαλύµατα υπάρχουν διάφορα στοιχεία που βρίσκονται είτε σε σχετικά µεγάλες συγκεντρώσεις είτε σε συγκεντρώσεις µικρότερες από µερικά mg/l µε συνήθεις τιµές µικρότερες από 100 µg/l (ιχνοστοιχεία). Μερικά από αυτά σε µικρές συγκεντρώσεις είναι πολύ σηµαντικά για ανάπτυξη των φυτών, ενώ µε την αύξηση των συγκεντρώσεων δρουν τοξικά. Η ύπαρξη ιχνοστοιχείων στα υγρά αστικά απόβλητα σχετίζεται µε την προέλευση των νερών και τις δραστηριότητες της αστικής περιοχής από την οποία προέρχονται τα απόβλητα. Η χρήση των ιχνοστοιχείων είναι ευρέως διαδεδοµένη στη βιοµηχανία και στη µεταποίηση καταναλωτικών αγαθών. Επίσης, η παλαίωση και η σταδιακή διάβρωση των δικτύων ύδρευσης και αποχέτευσης συνεισφέρει στην παρουσία ιχνοστοιχείων στα υγρά απόβλητα. Για τους λόγους αυτούς, έστω και µικρές ποσότητες ιχνοστοιχείων βρίσκονται πάντοτε στα υγρά αστικά απόβλητα. Κάποια αποχετευτικά δίκτυα δέχονται και βιοµηχανικές εκροές µε αποτέλεσµα να παρατηρούνται αυξηµένες συγκεντρώσεις ιχνοστοιχείων στα απόβλητα. Υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας, οι συγκεντρώσεις των ιχνοστοιχείων στα ανεπεξέργαστα απόβλητα µειώνονται κατά 70 έως 90% µετά τη δευτεροβάθµια επεξεργασία (Πανώρας και Ηλίας, 1999) Θρεπτικά στοιχεία Τα θρεπτικά στοιχεία που περιέχονται στα επεξεργασµένα υγρά αστικά απόβλητα αποτελούν πλεονέκτηµα της άρδευσης µε τέτοιο νερό, επειδή µειώνουν την ανάγκη προσθήκης θρεπτικών στοιχείων µε χηµικά λιπάσµατα. Ωστόσο, σε ορισµένες περιπτώσεις η περίσσεια θρεπτικών στοιχείων στα υγρά απόβλητα µπορεί να προκαλέσει προβλήµατα σε κάποιες καλλιέργειες. Η γενική αρχή είναι να γίνονται περιοδικοί έλεγχοι για την εκτίµηση των θρεπτικών στοιχείων που περιέχονται στα απόβλητα, έτσι ώστε να υπολογίζονται οι ποσότητες που δίνονται στο έδαφος και φυσικά στην καλλιέργεια µέσω των αρδεύσεων. Τα θρεπτικά στοιχεία που συνήθως υπάρχουν στα υγρά αστικά απόβλητα περιλαµβάνουν το άζωτο, το φώσφορο και περιστασιακά το κάλιο, τον ψευδάργυρο, το βόριο και το θείο.

41 Κεφάλαιο 2 ο Επιλογή µεθόδου άρδευσης Υπό κανονικές συνθήκες, το σύστηµα άρδευσης που θα επιλεγεί θα εξαρτηθεί από τη διαθεσιµότητα νερού, το κλίµα, το έδαφος, το είδος των καλλιεργειών, το κόστος της αρδευτικής µεθόδου και την ικανότητα διαχείρισης του συστήµατος. Πάντως, όταν χρησιµοποιούνται επεξεργασµένα λύµατα σαν πηγή αρδευτικού νερού, ο παράγοντας της µόλυνσης των φυτών, των συγκοµιζόµενων προϊόντων, των εργατών και του περιβάλλοντος πρέπει να λαµβάνεται σοβαρά υπόψη. Στον Πίνακα 2.4 παρουσιάζονται οι κίνδυνοι από την εφαρµογή επεξεργασµένων λυµάτων µε διάφορες µεθόδους άρδευσης. Πίνακας 2.4. Αξιολόγηση κοινών µεθόδων αρδεύσεων σε σχέση µε τη χρήση επεξεργασµένων λυµάτων (Kandiah, 1990). Παράµετρος αξιολόγησης ιαβροχή φύλλων και επακόλουθη ζηµιά στα φύλλα µε αποτέλεσµα τη µείωση της παραγωγής Συσσώρευση αλάτων στο ριζόστρωµα µε τη συνεχή εφαρµογή Ικανότητα διατήρησης της εδαφικής υγρασίας σε υψηλή διαθεσιµότητα για τα φυτά Καταλληλότητα χειρισµού µερικά αλατούχων λυµάτων χωρίς σηµαντική µείωση της παραγωγής εν προκαλείται ζηµιές στα φύλα γιατί τα φυτά βρίσκονται στον αυχένα των αυλακιών και δεν έρχονται σε επαφή µε το νερό Συσσώρευση αλάτων στον αυχένα των αυλακιών µε πιθανή πρόκληση ζηµιών στα φυτά Μέθοδος άρδευσης Αυλάκια Λωρίδες Καταιονισµός Σταγόνες Κάποια από τα Μπορεί να κατώτερα φύλλα προκληθούν µεγάλες µπορεί να ζηµιές στα φύλα µε διαβραχούν, αλλά αποτέλεσµα η ζηµιά δεν σηµαντική µείωση µειώνει την της παραγωγής παραγωγή Τα φυτά µπορεί να υποστούν στρες από την έλλειψη νερού µεταξύ των αρδεύσεων Καλή έως µέτρια. Με καλή διαχείριση και στράγγιση µπορεί να επιτευχθούν ανεκτές αποδόσεις Τα άλατα κινούνται κατακόρυφα προς τα κάτω και δεν συσσωρεύονται στο ριζόστρωµα Τα φυτά µπορεί να υποστούν στρες από την έλλειψη νερού µεταξύ των αρδεύσεων Καλή έως µέτρια. Με καλή διαχείριση του νερού και στράγγιση µπορεί να επιτευχθούν ανεκτές αποδόσεις Τα άλατα κινούνται κατακόρυφα προς τα κάτω και δεν συσσωρεύονται στο ριζόστρωµα εν µπορεί να εξασφαλίσει υψηλή διαθεσιµότητα εδαφικής υγρασίας σε όλη τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου Μέτρια έως ανεπαρκής. Οι περισσότερες καλλιέργειες υποφέρουν από ζηµιές στα φύλλα µε συνέπεια µειωµένη παραγωγή εν συµβαίνει καµία ζηµία στα φύλλα. Η κίνηση των αλάτων είναι ακτινική κατά µήκος της κατεύθυνσης του νερού. Άλατα συσσωρεύονται µεταξύ των σηµείων ενστάλαξης Μπορεί να εξασφαλίσει υψηλή διαθεσιµότητα νερού σε όλη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου και να µειώσει την επίδραση της αλατότητας Άριστη έως καλή. Σχεδόν όλες οι καλλιέργειες µπορούν να αναπτυχθούν µε πολύ µικρή µείωση της παραγωγής

42 Κεφάλαιο 2 ο ιεθνή κριτήρια ποιότητας/νόµοι και κατευθυντήριες γραµµές Από την δεκαετία του 70, όταν άρχισε η συστηµατική επαναχρησιµοποίηση των λυµάτων, γίνονται προσπάθειες για τον καθορισµό κριτηρίων ποιότητας για την χρήση αυτή, µε σκοπό την προστασία της δηµοσίας υγείας, των καλλιεργειών, του εδάφους και το περιβάλλοντος. Αυτές οι προσπάθειες αναφέρονται στους: FAO (1985): Ποιοτικά κριτήρια που καθορίζουν το βαθµό καταλληλότητας του νερού για άρδευση (Ayers and Westcot, 1985). WHO (1989): Κατευθυντήριες γραµµές υγείας για την χρήση λυµάτων στη γεωργία και την υδροπονία. Λαµβάνεται υπόψη η µέθοδος επεξεργασίας, το σύστηµα άρδευσης και το είδος της καλλιέργειας που πρόκειται να αρδευτεί. EPA (1992): κατευθυντήριες γραµµές για επαναχρησιµοποίηση νερού: Πέρα από τις κατευθυντήριες γραµµές για την ποιότητα επεξεργασµένου νερού, προτείνονται έλεγχοι και µέτρα ασφαλείας. Μια σύγκριση των διεθνών προτύπων µπορεί να βοηθήσει να αναπτυχθούν κατευθυντήριες γραµµές για κάθε συγκεκριµένο πρόγραµµα επεξεργασίας και επαναχρησιµοποίησης λυµάτων. Σε πολλές χώρες, όπως στις Ηνωµένες Πολιτείες και στην Ισπανία, υπάρχουν µόνο τοπικά πρότυπα. Περιορισµένος είναι ο αριθµός των Ευρωπαϊκών χωρών που έχουν θεσπίσει νόµους ή κατευθυντήριες γραµµές για την επεξεργασία των λυµάτων Eπανάχρηση των αστικών λυµάτων στις Μεσογειακές χώρες Η επαναχρησιµοποίηση των υγρών αποβλήτων και στη γεωργία στις Μεσογειακές χώρες παρουσιάζει ίδια χαρακτηριστικά που σχετίζονται µε το κλίµα, τους διαθέσιµους υδατικούς πόρους καθώς και τις κοινωνικές και οικονοµικές συνθήκες. Αυτές πιο συγκεκριµένα αντιστοιχούν σε ένα σχετικά µακρύ καλοκαίρι και µια µάλλον σύντοµη περίοδο βροχών κατά τη διάρκεια του χειµώνα και τις αρχές της Άνοιξης. Επιπρόσθετα σηµαντικά είναι η έλλειψη νερού, που σχετίζεται µε την ξηρασία, την εντατική γεωργία και τον τουρισµό, που είναι οι κύριες οικονοµικές δραστηριότητες, την έλλειψη οικονοµικών πόρων για επενδύσεις κεφαλαίων και το λειτουργικό κόστος στο δηµόσιο τοµέa (Salinity Engineering Laboratory, 2000).

43 Κεφάλαιο 2 ο 32 Η χρήση επεξεργασµένων αστικών λυµάτων για άρδευση έχει σταδιακά υιοθετηθεί ουσιαστικά από όλες τις µεσογειακές χώρες (Marecos do Monte et al., 1996). To Ισραήλ υπήρξε πρωτοπόρος σε αυτόν τον τοµέα, και σύντοµα ακολούθησαν η Τυνησία, η Κύπρος και η Ιορδανία. Η Αίγυπτος, η Παλαιστίνη, το Μαρόκο και η Συρία ανήκουν στην οµάδα χωρών, οι οποίες έχουν µεγάλη ανάγκη για την ανάπτυξη πρακτικών επανάχρησης του νερού. Αυτές οι πρακτικές, όµως, πρέπει να είναι εφικτές σύµφωνα µε τις κρατούσες κοινωνικές και οικονοµικές συνθήκες, δηλαδή την έλλειψη κεφαλαίου, την περιορισµένη εµπειρία, τόσο στην κατασκευή όσο και στη λειτουργία πολύπλοκων συστηµάτων διαχείρισης, καθώς και την ακατάλληλη υποδοµή συµπεριλαµβανοµένων των υπονόµων και των σταθµών επεξεργασίας υγρών αποβλήτων. Αυστηρά κριτήρια επανάχρησης, όπως αυτά που προτάθηκαν στην Καλιφόρνια και από την ΕΡΑ (1992), καθώς και από βιοµηχανικές χώρες, δεν µπορούν να εφαρµοστούν εύκολα στις προαναφερθείσες χώρες, λόγω των συνθηκών που επικρατούν στην οικονοµία, την τεχνολογία και τη βιοµηχανία τους. Οι οδηγίες του WHO (1989) είναι πολύ λιγότερο αυστηρές, έχοντας ως σκοπό να συστήσουν ορισµένους τρόπους επεξεργασίας των αποβλήτων που προηγούνται της άρδευσης των καλλιεργειών, ιδιαίτερα στις αναπτυσσόµενες χώρες (Αndreadakis et al., 2001). Οι οδηγίες του WHO είναι, εποµένως, πιο κοντά για αυτές τις χώρες. Τα τελευταία χρόνια, οι Ευρωπαϊκές Μεσογειακές χώρες άρχισαν να µελετούν την επανάχρηση των αποβλήτων για αρδευτικούς σκοπούς (Lazarova, 2000). Mέχρι στιγµής, µόνο σε λίγες χώρες παγκοσµίως (Αυστραλία, Ισραήλ, Νότια Αφρική, Ηνωµένες Πολιτείες), η επανάχρηση των αποβλήτων έχει καθιερωθεί σε αρκετά ικανοποιητικό βαθµό, ώστε να έχει οδηγήσει στο σχεδιασµό ειδικών κανονισµών ή οδηγιών. Σε ορισµένες από τις χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης (Κύπρος, Ισπανία, Γαλλία και Ιταλία), οι κανονισµοί που αφορούν τη χρήση των επεξεργασµένων αποβλήτων για άρδευση είναι υπό προετοιµασία ή αναθεώρηση (Angelakis et al., 2002). Στις µέρες µας, βρίσκονται υπό αναβάθµιση επίσης οι οδηγίες του WHO (1989). Οι Blumenthal et al. (2000) έχουν προτείνει συστάσεις για αυτήν την αναθεώρηση χρησιµοποιώντας εµπειρικές επιδηµιολογικές µελέτες και στοιχεία που µετρούν τις τιµές της πραγµατικής έκθεσης, η οποία συµβαίνει σε σχέση µε το χρόνο. Στην συνέχεια, δίνονται ορισµένα στοιχεία για την κατάσταση επαναχρησιµοποίησης στις Μεσογειακές χώρες. Γαλλία: Στη Γαλλία οι καλλιέργειες αρδεύονται µε νερό προερχόµενο από απόβλητα (σχεδόν έναν αιώνα). Το ενδιαφέρον για την επανάχρηση του νερού

44 Κεφάλαιο 2 ο 33 εµφανίστηκε ξανά στις αρχές της δεκαετίας του 1990 για δυο κυρίως λόγους: α) η ανάπτυξη της εντατικής αρδευόµενης γεωργίας (όπως η καλλιέργεια του αραβοσίτου) και β) η πτώση της υπόγειας στάθµης έπειτα από τις διάφορες πρόσφατες σοβαρές ξηρασίες. Λόγω αυτού του καινούριου ενδιαφέροντος για την επανάχρηση του νερού, οι Αρχές Υγείας εξέδωσαν το 1991 οδηγίες σχετικά µε την επανάχρηση των αποβλήτων για την άρδευση καλλιεργειών και χώρων πρασίνου, αφού προηγούµενα υποβληθούν σε επεξεργασία. Αυτές οι οδηγίες ουσιαστικά ακολουθούν τις οδηγίες του WHO. Στη Γαλλία, 20 έως 30 σταθµοί επεξεργασίας υγρών αποβλήτων για την επανάχρηση του νερού, καλύπτουν περισσότερα από 3000 εκτάρια αρδευόµενης έκτασης. Σήµερα, µια από τις µεγαλύτερες εν εξελίξει έρευνες της Ευρώπης, αποτελεί το σχήµα ανακύκλωσης Clermont-Ferrand για την άρδευση περισσότερων από 700 εκταρίων αραβοσίτου. Ιταλία: Η χρήση αποβλήτων που δεν έχουν υποβληθεί σε επεξεργασία, έχει εφαρµοστεί στην Ιταλία τουλάχιστον από την αρχή αυτού του αιώνα, ιδιαίτερα στις µικρές πόλεις και κοντά στο Μιλάνο. Σήµερα, τα επεξεργασµένα απόβλητα χρησιµοποιούνται κυρίως για την άρδευση αγροτικών εκτάσεων που καλύπτουν πάνω από 4000 εκτάρια. Μια από τις µεγαλύτερες εφαρµογές εντοπίζεται στην Emilia Romagna, όπου περισσότερα από m 3 /έτος επεξεργασµένων αποβλήτων χρησιµοποιούνται για την άρδευση περισσότερων από 250 εκταρίων. Ισπανία: ηµοσιεύτηκε πρόσφατα ένα νέο Εθνικό Υδρολογικό Σχέδιο, το οποίο είναι ευνοϊκό απέναντι στην επανάχρηση των αποβλήτων για άρδευση. Σε κάθε περίπτωση, η επανάχρηση των επεξεργασµένων αποβλήτων είναι ήδη µια πραγµατικότητα σε αρκετές περιοχές της Ισπανίας για τρεις κύριες χρήσεις: άρδευση γηπέδων του γκολφ, άρδευση αγροτικών καλλιεργειών, αναπλήρωση των υπόγειων υδροφόρων στρωµάτων. Ισραήλ: Στο Ισραήλ, περίπου το 92% των αποβλήτων συλλέγεται από τους υπονόµους των δήµων. Ακολούθως, το 72% χρησιµοποιείται για άρδευση (42%) ή αναπλήρωση των υπόγειων υδροφόρων στρωµάτων (30%). Η εκροή υπονόµων που χρησιµοποιείται για άρδευση, πρέπει να πληρεί τα κριτήρια ποιότητας του νερού που έχουν τεθεί από το Υπουργείο Υγείας. Τυνησία: Στην Τυνησία, τα απόβλητα αξιοποιούνται (ή υποβάλλονται σε επεξεργασία) σε περίπου 45 σταθµούς επεξεργασίας αποβλήτων, µε µια συνολική παροχή σχεδιασµού 130 Μm 3 ανά έτος. Τα αστικά λύµατα έχουν κυρίως οικιακή προέλευση (περίπου 82% οικιακά λύµατα, 12% από τις βιοµηχανίες και 6% από τον

45 Κεφάλαιο 2 ο 34 τουρισµό) και υποβάλλονται σε δευτεροβάθµιο βιολογικό καθαρισµό. εν προσφέρεται καµία περαιτέρω επεξεργασία λόγω του κόστους. Από τα έτη ο ετήσιος όγκος των αποβλήτων που αξιοποιούνται, ανέρχεται σε 147 Mm 3 /έτος, επιτρέποντας έτσι εν δυνάµει την άρδευση επιπλέον εκταρίων. Κατά το έτος 2001, τα απόβλητα που αξιοποιήθηκαν ανήλθαν στην ποσότητα των 152 Μm 3 / έτος επεξεργασµένων αποβλήτων. Έως το έτος 2011, τα επεξεργασµένα απόβλητα αναµένεται να ανέρθουν περίπου σε 266 Μm 3 / έτος (Angelakis et al., 1998) Κύπρος: Στην Κύπρο, τα απόβλητα που προέρχονται από τις κύριες πόλεις, ανέρχονται σε περίπου 25 Μm 3 /έτος. Ο σχεδιασµός είναι να συλλέγονται και χρησιµοποιούνται για άρδευση, αφού υποβάλλονται σε τριτοβάθµια επεξεργασία. Σύµφωνα µε αυτόν τον σχεδιασµό, η αρδευόµενη γεωργία θα επεκταθεί κατά 8-10%, ενώ ταυτόχρονα θα αξιοποιείται µια ανάλογη ποσότητα νερού για άλλους τοµείς (Papadopoulos, 1995). Ελλάδα: Στην Ελλάδα, η ζήτηση για νερό έχει αυξηθεί σε πάρα πολύ µεγάλο βαθµό τα τελευταία 50 έτη. Παρά το ικανοποιητικό µέσο ύψος βροχοπτώσεων, συχνά παρατηρείται έλλειψη ισορροπίας στο υδατικό ισοζύγιο, λόγω των χρονικών και τοπικών διακυµάνσεων που παρατηρούνται όσον αφορά τη βροχόπτωση, της αυξηµένης ζήτησης για νερό κατά τους καλοκαιρινούς µήνες και της δυσκολίας στη µεταφορά του νερού εξ αιτίας του ορεινού ανάγλυφου. Επιπλέον, σε πολλές περιοχές της νοτιοδυτικής Ελλάδας υπάρχει έντονη πίεση για εξεύρεση πηγών γλυκού νερού, γεγονός που οφείλεται στην ιδιαίτερα υψηλή ζήτηση για νερό µε στόχο την κάλυψη των αναγκών στις περιοχές µε τουρισµό και για άρδευση. Εποµένως, η ένταξη της επεξεργασίας των αποβλήτων στα προγράµµατα διαχείρισης των υδατικών πόρων είναι ένα ιδιαίτερα σηµαντικό ζήτηµα. Σήµερα, το 65% των νοικοκυριών της ελληνικής επικράτειας συνδέεται µε πάνω από 350 σταθµούς επεξεργασίας υγρών απόβλητων, µε συνολική χωρητικότητα πάνω από 1.45 Μm 3 /ηµέρα (Angelakis et al., 2002). Mία ανάλυση των δεδοµένων, που αφορούν το υδατικό ισοζύγιο στην περιοχή των σταθµών επεξεργασίας, έδειξε ότι περισσότερο από το 83% των επεξεργασµένων αποβλήτων παράγεται σε περιοχές µε έλλειµµα στο υδατικό ισοζύγιο. Εποµένως, η επανάχρηση του νερού σε αυτές τις περιοχές θα ικανοποιούσε την υπάρχουσα ζήτηση για νερό. Ήδη έχουν ξεκινήσει στην Ελλάδα διάφορα ερευνητικά και πιλοτικά προγράµµατα που ασχολούνται µε την ανακύκλωση και επανάχρηση των υγρών αποβλήτων (Angelakis et al., 1999). Οι Tsagarakis et al. (2001) κατέληξαν στο συµπέρασµα ότι µε την επανάχρηση των

46 Κεφάλαιο 2 ο 35 αποβλήτων των υπαρχόντων σταθµών επεξεργασίας υγρών απόβλητων, ιδιαίτερα για αρδευτικούς σκοπούς, µπορούν να αυξηθούν έως και 242 Μm 3 /έτος ή κατά 3.2% οι τρέχουσες χρήσεις του νερού. Επιπροσθέτως, βρίσκονται σε εφαρµογή µερικά µικρά προγράµµατα επεξεργασίας και επανάχρησης αποβλήτων, και έχουν υιοθετηθεί οδηγίες και κριτήρια για την επανάχρηση του νερού στην περιοχή της Θεσσαλονίκης. Επιπρόσθετα βρίσκεται σε εξέλιξη µια προκαταρκτική µελέτη για την αναγκαιότητα καθιέρωσης κριτηρίων και στην υπόλοιπη Ελλάδα (Tsagarakis et al., 2001). Σύµφωνα µε τους Andreadakis and Bontoux (2001), θα πρέπει να ληφθούν υπόψη διάφορα ζητήµατα για την ανάπτυξη υπολογίσιµων οδηγιών ή κανονισµών για την αξιοποίηση του νερού στην Ελλάδα. Τα διάφορα ερευνητικά και πιλοτικά προγράµµατα που ασχολούνται µε την αξιοποίηση και επανάχρηση του νερού, και βρίσκονται σε εξέλιξη στην Ελλάδα είναι τα εξής: Στην ανατολική Κρήτη, έχουν δηµιουργηθεί δυο ερευνητικά προγράµµατα, τα οποία βασίζονται στην επεξεργασία των λυµάτων µε τεχνητά συστήµατα υγροτόπων για επανάχρηση στην άρδευση αµπέλων. Οι κύριοι στόχοι αυτών των προγραµµάτων είναι η έρευνα των υπαρχόντων φυτικών ειδών, των διαδικασιών επεξεργασίας των αστικών αποβλήτων καθώς και των αποβλήτων που προέρχονται από την παραγωγή του ελαιολάδου. Ακόµη, ερευνάται η συµπεριφορά των αµπέλων που αρδεύονται µε επεξεργασµένα απόβλητα κάτω από συνθήκες παρακολούθησης. Μια ακόµη πιλοτική έρευνα βρίσκεται σε εξέλιξη στην Κρήτη µε πρωταρχικό στόχο την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών για την επεξεργασία και την επανάχρηση των αποβλήτων σε µικρούς οικισµούς, χωριά και µικρές πόλεις που βασίζονται κυρίως σε σηπτικές δεξαµενές και υγροτοπικά συστήµατα. Στη Χαλκίδα, το ερευνητικό πρόγραµµα για την αξιοποίηση και επανάχρηση, περιλαµβάνει τη βελτίωση του νερού µε το φιλτράρισµα και την απολύµανση κατά τη δευτεροβάθµια επεξεργασία περίπου 7500 m 3 λυµάτων ανά ηµέρα και άρδευση του πρασίνου (landscape) της κατοικηµένης περιοχής που περιβάλλει την πόλη. Οι εργασίες αξιοποίησης και επανάχρησης στην περιοχή Άργους- Ναυπλίου περιλαµβάνουν τη βελτίωση του νερού µε το φιλτράρισµα και την απολύµανση κατά τη δευτεροβάθµια επεξεργασία περίπου m 3 λυµάτων ανά ηµέρα και άρδευση περίπου 900 εκταρίων αγροτικής καλλιέργειας. Στη Θεσσαλονίκη υπάρχει ένας σταθµός επεξεργασίας αστικών λυµάτων, στην περιοχή της Σίνδου, ανάµεσα στη παλιά και νέα γέφυρα του Γαλλικού ποταµού, ο

47 Κεφάλαιο 2 ο 36 οποίος κατασκευάσθηκε κατά την περίοδο Το σύστηµα επεξεργασίας που χρησιµοποιείται είναι δεξαµενές σταθεροποίησης και ενεργός ιλύς, ενώ τα τελευταία χρόνια τα λύµατα επεξεργάζονται σε υψηλότερο επίπεδο µε ενεργό ιλύ και νιτροποιητικό/απονιτροποιητικό σύστηµα επεξεργασίας. Η λειτουργία του σταθµού ξεκίνησε το Φεβρουάριο του 1992, µε ροή λυµάτων ίση προς 40,000 m 3 ανά ηµέρα. Στη συνέχεια, και αφού βελτιώθηκε η αποτελεσµατικότητα, η ροή των λυµάτων έφτασε τα 60,000 m 3 ανά ηµέρα, που αντιστοιχούσε στο 30-40% του ολικού φορτίου λυµάτων της Θεσσαλονίκης. Από το Νοέµβριο του 2000 ο όγκος των λυµάτων έφτασε τα 140,000 m 3 ανά ηµέρα, ενώ σήµερα ο αριθµός αυτός έχει αυξηθεί σε 150, ,000 m 3 ανά ηµέρα. Ένα σηµαντικό µέρος του όγκου αυτού χρησιµοποιείται για άρδευση. ιάφορα ερευνητικά προγράµµατα έχουν διεξαχθεί στο αγρόκτηµα του Ινστιτούτου Εγγείων Βελτιώσεων της Θεσσαλονίκης για τη µελέτη της δυνατότητας επαναχρησιµοποίησης των επεξεργασµένων αστικών λυµάτων για αρδευτικούς σκοπούς, αντί να απορρίπτονται στον Κόλπο της Θεσσαλονίκης. Οι Antonopoulos and Diamantidis (1995) διερεύνησαν την επίδραση των περιβαλλοντικών παραγόντων στους µετασχηµατισµούς του αζώτου του εδάφους που αρδεύτηκε µε επεξεργασµένα λύµατα. Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι η επίδραση του περιεχόµενου νερού και της θερµοκρασίας στη νιτροποίηση και απονιτροποίηση είναι ιδιαίτερα σηµαντική για µοντέλα που προσοµοιώνουν τη δυναµική του αζώτου υπό µεταβαλλόµενες συνθήκες αγρού και περιβάλλοντος. Oι Panoras et al. (2000) εξέτασαν την δυνατότητα επαναχρησιµοποίησης επεξεργασµένων λυµάτων µε ενεργό ιλύ ή µε δεξαµενές σταθεροποίησης για την άρδευση της καλλιέργειας τεύτλων µε στάγδην άρδευση και µε αυλάκια. Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι δεν υφίσταται κίνδυνος για την υγεία από τα επεξεργασµένα λύµατα γιατί κανένας παθογόνος µικροοργανισµός δεν ανιχνεύτηκε στα επεξεργασµένα λύµατα. Σε µία από τις έρευνες αυτές που διεξήχθη από τους Panoras et al. (2001a), ερευνήθηκε η επίδραση επεξεργασµένων λυµάτων µε ενεργό ιλύ ή µε δεξαµενές σταθεροποίησης, στην απόδοση του βαµβακιού και στις φυσικές ιδιότητες του εδάφους µε στάγδην άρδευση και µε αυλάκια. Κατέληξαν στο ότι δεν υφίσταται κίνδυνος για την υγεία από τα επεξεργασµένα λύµατα µε ενεργό ιλύ. Στην περίπτωση των επεξεργασµένων λυµάτων µε δεξαµενές σταθεροποίησης ενδέχεται να υπάρχει

48 Κεφάλαιο 2 ο 37 πιθανός κίνδυνος. Όµως, η χρήση επεξεργασµένων λυµάτων προκαλεί αύξηση της αλατότητας του εδάφους και στις δύο περιπτώσεις. Η άρδευση του αραβόσιτου µε επεξεργασµένα λύµατα από ενεργό λάσπη ή δεξαµενές σταθεροποίησης µελετήθηκε από τους Panoras et al. (2001b). Κατέληξαν στο ότι δεν υφίσταται κίνδυνος για την υγεία από τα επεξεργασµένα λύµατα προερχόµενα από ενεργό ιλύ. Επιπρόσθετα, η άρδευση µε αυλάκια κλειστά στο πέρας και η στάγδην άρδευση προστατεύουν ικανοποιητικά τους αγρότες από το να έρχονται σε επαφή µε το νερό. Η συγκέντρωση των ιχνοστοιχείων στο έδαφος και στους φυτικούς ιστούς ήταν αρκετά χαµηλή, σύµφωνα µε τα διεθνή κριτήρια. Όµως, η χρήση των επεξεργασµένων λυµάτων αύξησε την αλατότητα του εδάφους και στις δύο περιπτώσεις. Ο Antonopoulos (2004) διερεύνησε µε τη βοήθεια του µαθηµατικού µοντέλου WANISIM την προσοµοίωση της δυναµικής του νερού και του αζώτου σε ένα σύστηµα εδάφους φυτού αραβοσίτου, µε εφαρµογή επεξεργασµένων λυµάτων. Τα αποτελέσµατα των προσοµοιώσεων έδειξαν ότι είναι δυνατόν τα επεξεργασµένα λύµατα από ενεργό ιλύ να ικανοποιήσουν ένα σηµαντικό µέρος των θρεπτικών αναγκών των φυτών σε άζωτο, ενώ µε τα επεξεργασµένα λύµατα από το νιτροποιητικό-απονιτροποιητικό σύστηµα, το ίδιο µπορεί να συµβαίνει σε πολύ µικρότερη έκταση. Έκπλυση νιτρικών δεν παρατηρήθηκε γιατί το ύψος της βροχής ήταν µικρό και τα εφαρµοσµένα λύµατα ικανοποιούσαν πλήρως τις απαιτήσεις της εξατµισοδιαπνοής. Απαιτούνται περισσότερες έρευνες όσον αφορά στην επίδραση των επεξεργασµένων λυµάτων στην απόδοση των φυτών, στις φυσικές ιδιότητες του εδάφους και τη ρύπανση των υπόγειων νερών. Χρειάζονται µελέτες που θα επικεντρωθούν στη δυναµική του νερού και του αζώτου, καθώς και στην επίδραση των περιβαλλοντικών παραµέτρων στις µετατροπές του αζώτου στο έδαφος. Στην παρούσα διατριβή µελετήθηκε η επίδραση της άρδευσης µε επεξεργασµένα λύµατα, µέσω ενός µοντέλου προσοµοίωσης, στην ανάπτυξη των φυτών, στην γονιµότητα του εδάφους και στην ρύπανση των υπόγειων νερών µε νιτρικά κατά τη διάρκεια δυο διαδοχικών καλλιεργητικών περιόδων ηλίανθου και αραβοσίτου.

49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΚΑΙ ΤΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΜΑΖΑΣ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ ΣΕ ΚΑΛΛΙΕΡΓΟΥΜΕΝΑ Ε ΑΦΗ ΜΕ ΤΟ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ WANISIM 3.1 Εισαγωγή Το µοντέλο προσοµοίωσης της δυναµικής του νερού και του αζώτου στο έδαφος (WANISIM) περιγράφει την κίνηση του νερού, τους µετασχηµατισµούς και τη µεταφορά µάζας του αζώτου στο έδαφος. Αποτελείται από µια σειρά υποµοντέλων που περιγράφουν και εκτιµούν τις ταυτόχρονες διαδικασίες της κίνησης του νερού, της µεταφοράς του αµµωνιακού και νιτρικού αζώτου, της πρόσληψης του νερού και του αζώτου από τα φυτά, τους µετασχηµατισµούς, την ανοργανοποίηση και την ακινητοποίηση του αζώτου στο έδαφος. Επίσης περιγράφει την επίδραση των περιβαλλοντικών παραγόντων στις ευαίσθητες διαδικασίες των µετασχηµατισµών και της πρόσληψης του αζώτου και στο εφαρµοζόµενο οργανικό και ανόργανο αζωτούχο λίπασµα. Στη µελέτη αυτή, το µοντέλο βελτιώθηκε µε σκοπό να αποκτήσει την ικανότητα να ερευνήσει την επίδραση της έλλειψης νερού και της αλατότητας στην πρόσληψη του νερού από το ριζικό σύστηµα. Το µοντέλο δεν λαµβάνει υπόψη την επιλεκτική ροή του εδαφικού νερού, ούτε την υστέρηση των υδραυλικών ιδιοτήτων του εδάφους. Οι µονοδιάστατες κατά την κατακόρυφη διεύθυνση εξισώσεις της κίνησης του νερού και µεταφορά µάζας του αµµωνιακού και νιτρικού αζώτου στο έδαφος, επιλύονται µε τη µέθοδο Galerkin, των πεπερασµένων στοιχείων (Antonopoulos and Wyseure, 1998). Το µοντέλο WANISIM χρησιµοποιείται και εφαρµόζεται για να προσοµοιωθούν το ισοζύγιο του εδαφικού νερού, η µεταφορά και οι µετασχηµατισµοί του αζώτου, η πρόσληψη του νερού και αζώτου από τα φυτά και η έκπλυση νιτρικών

50 Κεφάλαιο 3 ο 39 προς τα υπόγεια νερά, τα οποία προέρχονται από την αζωτούχο λίπανση και το περιεχόµενο στα λύµατα άζωτο. Σκοπός του κεφαλαίου αυτού είναι η περιγραφή των εξισώσεων κίνησης και των διαδικασιών πρόσληψης του εδαφικού νερού και αζώτου, της µεταφοράς και των µετασχηµατισµών του αζώτου, των ρυθµών αποικοδόµησης από τα κλάσµατα οργανικού αζώτου και των αρχικών και οριακών συνθηκών της κίνησης του νερού και της µεταφοράς του αζώτου στο έδαφος. Όλες οι παραπάνω εξισώσεις χρησιµοποιούνται και συνθέτουν το µοντέλο WANISIM. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζονται οι στατιστικές διαδικασίες για την αξιολόγηση του µοντέλου και οι εξισώσεις υπολογισµού των ισοζυγίων νερού και αζώτου Μαθηµατική περιγραφή της κίνησης του εδαφικού νερού Η χρήση µαθηµατικών µοντέλων για την προσοµοίωση της κίνησης του εδαφικού νερού, αποτελεί σηµαντικό κοµµάτι της διαχείρισης του νερού των καλλιεργειών, παρ όλα αυτά όµως τα αποτελέσµατά τους είναι δύσκολο να είναι ακριβή καθώς το σύστηµα έδαφος-φυτό-ατµόσφαιρα είναι ένα πολύπλοκο σύστηµα. Η εκτίµηση της δυναµικής του εδαφικού νερού είναι ουσιώδης για τον προγραµµατισµό των αρδεύσεων των καλλιεργειών. Η βασική προσέγγιση για την περιγραφή της κίνησης του εδαφικού νερού στη ζώνη του ριζοστρώµατος, που περιλαµβάνει και την πρόσληψη του νερού από το ριζικό σύστηµα, βασίζεται στην µονοδιάστατη ως προς την κατακόρυφο διεύθυνση της εξίσωσης συνέχειας. Στο µοντέλο WANISIM, η µονοδιάστατη κατακόρυφη ροή του νερού σε µεταβλητού βαθµού κορεσµού πορώδες µέσο, περιγράφεται από τη διαφορική εξίσωση που κοινώς είναι γνωστή ως η εξίσωση του Richards (Αντωνόπουλος, 1998), έχει ως ανεξάρτητη µεταβλητή το ύψος πίεσης και έχει τη µορφή: C h h = K K t z z h S w (3.1) όπου: h είναι το ύψος πίεσης (cm), K είναι η υδραυλική αγωγιµότητα (cm h -1 ), C h είναι η υδραυλική χωρητικότητα του εδάφους (cm -1 ), z είναι η απόσταση στην κατακόρυφη διεύθυνση (cm), t είναι ο χρόνος (ηµέρα) και S w είναι ο όρος της πρόσληψης της υγρασίας από τα φυτά (cm 3 cm -3 h -1 ).

51 Κεφάλαιο 3 ο Πρόσληψη του νερού από το ριζικό σύστηµα υπό µεταβαλλόµενες συνθήκες έλλειψης νερού Η µελέτη της πρόσληψης του νερού από το ριζόστρωµα, γενικά εξετάζεται από δύο σκοπιές. Είτε µε την εκτίµηση των διαπνευστικών απωλειών που βρίσκει εφαρµογή σε µοντέλα υδατικού ισοζυγίου, είτε µε την εκτίµηση της κατάστασης του διαθέσιµου στα φυτά νερού για την πρόβλεψη της υδατικής καταπόνησης. Η πρόσληψη του νερού από το ριζικό σύστηµα είναι µια δυναµική διαδικασία που επηρεάζεται από το έδαφος, τα φυτά και τις κλιµατικές συνθήκες. Εξαρτάται από πληθώρα παραγόντων, όπως το δυναµικό του εδαφικού νερού, την υδραυλική αγωγιµότητα του εδάφους, το οσµωτικό δυναµικό (σε συνθήκες αλατότητας), την εξάτµιση, το βάθος, την κατανοµή και την πυκνότητα του ριζικού συστήµατος και τα χαρακτηριστικά των φυτών. Υπάρχουν δύο βασικές προσεγγίσεις για την ποσοτικοποίηση της πρόσληψης του νερού από τα φυτά. Η µικροσκοπική προσέγγιση, που θεωρεί τη ρίζα σαν πεπερασµένο κύλινδρο σταθερής ακτίνας και οµοιόµορφων προσροφητικών ιδιοτήτων. Στην περίπτωση αυτή, η εξίσωση κίνησης του νερού εκφράζεται µε κυλινδρικές συντεταγµένες και επιλύεται για τις ανάλογες οριακές συνθήκες στην επιφάνεια των ριζών και σε κάποια απόσταση από τις ρίζες. Ο σηµαντικότερος περιορισµός της προσέγγισης αυτής, όσον αφορά στην εφαρµογή της, είναι η µη διαθεσιµότητα των απαραίτητων τιµών των µεταβλητών εισόδου, ειδικά αυτών της επιφάνειας των ριζών. Η γνωστότερη έκφραση της µικροσκοπικής προσέγγισης είναι βασισµένη στη µελέτη του Gardner (1964). Η δεύτερη προσέγγιση, η µακροσκοπική, είναι µια εµπειρική συνάρτηση που περιγράφει την πρόσληψη του νερού από το ριζικό σύστηµα βασισµένη στο παρατηρούµενο υδατικό δυναµικό. Στην προσέγγιση αυτή, δεν λαµβάνεται υπόψη η επίδραση των επιµέρους ριζών και το ριζικό σύστηµα θεωρείται ότι προσλαµβάνει νερό από οµογενή και ισότροπα στοιχεία του, σε ρυθµό που εξαρτάται από τις ιδιότητες του περιεχόµενου εδαφικού νερού. Το πλεονέκτηµα της µακροσκοπικής προσέγγισης είναι ότι δεν απαιτείται πλήρης επίγνωση των φυσικών διαδικασιών της πρόσληψης του νερού µε αποτέλεσµα να µη υπάρχει ανάγκη χρήσης φυτικών ή εδαφικών παραµέτρων που δύσκολα µπορούν να προσδιοριστούν. Ακόµη και αυτή η προσέγγιση ωστόσο απαιτεί βαθµονόµηση, για διαφορετικά φυτά και διαφορετικές κλιµατικές συνθήκες.

52 Κεφάλαιο 3 ο 41 ιάφορες συναρτήσεις έχουν αναπτυχθεί για την περιγραφή του όρου πρόσληψης S w (z, t) για την περίπτωση της µακροσκοπικής προσέγγισης (π.χ. Molz and Remson, 1970; Feddes et al., 1978; Molz, 1981; Hoogland et al., 1981; Van Genuchten and Hoffman, 1984; Van Genuchten, 1987; Dirksen et al., 1993; Homaee and Feddes, 1999, 2001; Γούκος και Μπαµπατζιµόπουλος, 2000; Γεωργούσης και Μπαµπατζιµόπουλος, 2003) έχουν δοθεί και βασίζονται είτε σε µια προσέγγιση απλοποιηµένης µεταφοράς νερού είτε σε µια εµπειρική συνάρτηση που λαµβάνει υπόψη τα χαρακτηριστικά των ριζών και άλλες προσαρµοσµένες παραµέτρους. Η έκφραση που είναι ευρέως γνωστή, βασίζεται στη µελέτη των Feddes et al. (1978). Στα περισσότερα µοντέλα µελέτης της δυναµικής του νερού, η πρόσληψη του νερού από το ριζικό σύστηµα εκφράζεται από τον όρο πρόσληψης (S w ) που προστίθεται στη εξίσωση συνέχειας του νερού (εξ. 3.1). Ο όρος αυτός εκφράζει τον όγκο του νερού που προσλαµβάνεται ανά µονάδα όγκου του εδάφους ανά µονάδα χρόνου, ή όσον αφορά στο βάθος, είναι ο ρυθµός πρόσληψης του νερού ανά µονάδα βάθους. Στο µοντέλο WANISIM ο όρος πρόσληψης εκφράζεται µε τη µορφή της συνάρτησης των Feddes et al. (1978) ως εξής: w ( h) S max S = a (3.2) όπου: S max είναι η µέγιστη πρόσληψη του ριζικού συστήµατος και a(h) είναι µια αδιάστατη µεταβλητή µε τιµές στο διάστηµα µηδέν και ένα. Ο περιοριστικός παράγοντας a(h) λαµβάνει την τιµή ένα σε περίπτωση εύκολης πρόσληψης και την τιµή µηδέν όταν δεν υπάρχει πρόσληψη. Η µορφή του περιοριστικού παράγοντα a(h) των Feddes et al. δίνεται στο Σχήµα 3.1. Στο Σχήµα αυτό η πρόσληψη του νερού είναι περιορισµένη µεταξύ των τιµών h a και h fc λόγω έλλειψης οξυγόνου και µεταξύ h c1 και h pwp λόγω µειωµένης διαθεσιµότητας νερού. Για τιµές του ύψους πίεσης µεταξύ h fc και h c1 η πρόσληψη του εδαφικού νερού είναι η ευνοϊκότερη. Ο παράγοντας a(h) δεν εξαρτάται µόνο από την απόλυτη τιµή του ύψους πίεσης, αλλά και από τις ανάγκες σε νερό για την ικανοποίηση της εξάτµισης. Συγκεκριµένα, σε υψηλές απαιτήσεις εξάτµισης (T p =5 mm/day) η µείωση λαµβάνει χώρα σε µικρότερες απόλυτες τιµές ύψους πίεσης (h c1 ), ενώ σε µειωµένες απαιτήσεις σε εξάτµιση (T p =1 mm/day) λαµβάνει χώρα σε µεγαλύτερες απόλυτες τιµές ύψους πίεσης (h c2 ). Οι Feddes et al. πρότειναν για το τµήµα καταπόνησης των φυτών του Σχήµατος 3.1 µια απλή γραµµική συνάρτηση που αποτελείται από τα ύψη πίεσης h c και h pwp σύµφωνα µε την παρακάτω εξίσωση:

53 Κεφάλαιο 3 ο 42 h h pwp a(h) = για h c < h h pwp (3.3) h h c pwp 1 Τa=1mm/d a(h) 0,8 0,6 0,4 0,2 Τa=5mm/d 0 ha hfc hc1 hc2 hpw p Πιεζοµετρικό φορτίο, cm Σχήµα 3.1. Αδιάστατη µεταβλητή a(h) ως συνάρτηση της απόλυτης τιµής του δυναµικού πίεσης. Η µεταβολή του παράγοντα a(h) µεταξύ h c και h pwp µπορεί να θεωρηθεί γραµµική ή µη γραµµική (Wyseure et al., 1994). Όταν η συνάρτηση είναι γραµµική οι τιµές του παράγοντα a(h) µπορούν να υπολογιστούν από τις εξισώσεις που ακολουθούν: a (h) = 0 για h h a ή h h pwp (3.4α) a(h) ( h h )/( h h ) = για h < h fc (3.4β) a fc a a (h) = 1 για h h fc ή h < h c (3.4γ) a(h) ( h h )/( h h ) = για h c < h h pwp (3.4δ) pwp c pwp όπου: h είναι η απόλυτη τιµή του ύψους πίεσης και h a, h fc, h c και h pwp είναι οι απόλυτες τιµές του ύψους πίεσης στο σηµείο αναεροβίωσης (αερισµού), στην υδατοϊκανότητα, στο κρίσιµο σηµείο και στο σηµείο µόνιµης µάρανσης, αντίστοιχα. Οι Doorenbos and Pruitt (1977) πρότειναν ένα εύρος τιµών για το h c µεταξύ 1000 cm h c 3000 cm για το καλαµπόκι. Η προσαρµοσµένη τιµή των Maraux and Lofolie (1998) εντοπίζεται κοντά στο κατώτερο όριο αυτού του εύρους (850 cm). Για το διάστηµα h c < h h pwp, οι τιµές του a(h) µπορούν να υπολογιστούν και από µια µη γραµµική συνάρτηση, ως εξής: a(h) ( 1/ h 1/ h) /( 1/ h 1/ h ) = για h c < h h pwp (3.5) pwp pwp c

54 Κεφάλαιο 3 ο Πρόσληψη νερού από το ριζικό σύστηµα υπό την συνδυασµένη επίδραση της αλατότητας και της έλλειψης νερού Η αλατότητα και η έλλειψη νερού µειώνουν την ικανότητα πρόσληψης του νερού από το ριζικό σύστηµα. Υπό συνδυασµένες συνθήκες έλλειψης νερού και αλατότητας, τα φυτά καταναλώνουν περισσότερη ενέργεια για την πρόσληψη νερού από το έδαφος, από όταν αντιµετωπίζουν το κάθε πρόβληµα µεµονωµένα (Homaee et al., 2002). Σε αρδευόµενα εδάφη, ειδικά σε ξηρές και ηµίξηρες περιοχές, τα φυτά υποβάλλονται σε υδατική ή αλατούχο καταπόνηση µε διαφορετικές εντάσεις. Η εξατµισοδιαπνοή κατά τη διάρκεια του χρονικού διαστήµατος µεταξύ δύο αρδεύσεων αυξάνει το οσµωτικό και µειώνει το υδατικό δυναµικό του υδατικού διαλύµατος που µε τη σειρά τους µειώνουν ισχυρά την πρόσληψη του νερού από το ριζικό σύστηµα. Στις περισσότερες περιπτώσεις, αµφότεροι οι παράγοντες µεταβάλλονται µε το χρόνο, και η καταπόνηση που συνεπάγονται εξαρτάται από τον τρόπο µε τον οποίο τα φυτά αντεπεξέρχονται στις συνθήκες αυτές. Μελέτες έχουν διεξαχθεί αποκλειστικά για την αντοχή στην αλατότητα ή την υδατική καταπόνηση και όχι για το συνδυασµένο πρόβληµα. Ελάχιστα είναι τα άρθρα που έχουν δηµοσιευτεί και αφορούν στην πρόσληψη του νερού από τις ρίζες υπό το συνδυασµένο πρόβληµα της αλατότητας και της έλλειψης νερού. Μια αναδροµή στα αρχικά, µακροσκοπικά µοντέλα πρόσληψης νερού υπό συνδυασµένες συνθήκες αλατότητας και υδατικής καταπόνησης, περιλαµβάνει τις µελέτες των Van Genuchten and Hoffman, 1984; Van Genuchten, 1987; Dirksen, et al., 1993; Van Dam et al., 1997; Homaee et al., Έχοντας υπόψη την υπόθεση των Feddes et al., (1978), είναι δυνατόν να εισαχθεί ένας όρος περιορισµού της πρόσληψης του νερού που οφείλεται στη µείωση του διαθέσιµου νερού και την παρουσία αλάτων, a(h 0 ) στην εξίσωση (3.2) αντί του a(h). Αυτή η συνάρτηση αλατότητας µπορεί να λάβει τη µορφή που τις έδωσαν οι Maas and Hoffman (1977) σε σχέση µε το οσµωτικό δυναµικό h 0, ως εξής: a(h * ( h ) a = (3.6) ) 1 0 h 0 όπου: a είναι η κλίση (m ds -1 ) στη εξίσωση των Maas και Hoffman, * h 0 είναι το όριο του οσµωτικού δυναµικού και 360 είναι ένας παράγοντας για τη µετατροπή της αλατότητας σε (cm) ύψος οσµωτικού δυναµικού (U.S. Salinity Labouratory Staff,

55 Κεφάλαιο 3 ο ). Το οσµωτικό δυναµικό εκφράζεται ως οσµωτικό ύψος πίεσης, h 0, που θεωρείται ως µια γραµµική συνάρτηση της συγκέντρωσης των διαλυµένων αλάτων C ή/και της ηλεκτρικής αγωγιµότητας του υδατικού διαλύµατος, EC ss, σύµφωνα µε την ακόλουθή εξίσωση: h = 36C= 360 (3.7) 0 EC ss όπου: h 0 µετράται σε cm, C σε mg/l, και η EC ss σε ds/m. ιάφοροι επιστήµονες (Rhoades et al., 1990, 1999; Corwin and Lesch, 2005) ερεύνησαν την ηλεκτρική αγωγιµότητα του εδαφικού διαλύµατος, EC ss. Θεωρητικά, η EC ss είναι η καλύτερη ένδειξη της εδαφικής αγωγιµότητας γιατί αποτελεί την πραγµατική αλατότητα την οποία καλούνται τα φυτά να αντιµετωπίσουν. Ωστόσο, η EC ss δεν έχει χρησιµοποιηθεί ευρέως για την έκφραση της εδαφικής αλατότητας, γιατί µεταβάλλεται καθώς το περιεχόµενο εδαφικό νερό µεταβάλλεται και οι µέθοδοι για την απόσπαση υδατικού διαλύµατος είναι επίπονες και χρονοβόροι (Rhoades et al., 1999). Για την ανάγκη της παρούσας µελέτης, και για την µετατροπή της µετρηµένης εδαφικής ηλεκτρικής αγωγιµότητας της πάστας κορεσµού, EC e, σε ηλεκτρική αγωγιµότητα του εδαφικού δαιλύµατος, EC ss, προτείνεται η συνάρτηση των Corwin and Lesch (2005) ως εξής: EC EC ρ SP e b ss = (3.8) 100θv όπου: EC ss είναι η ηλεκτρική αγωγιµότητα του εδαφικού διαλύµατος στην κατάσταση ισορροπίας, EC e είναι η ηλεκτρική αγωγιµότητα της πάστας κορεσµού, ρ b είναι η φαινόµενη πυκνότητα του εδάφους (g cm -3 ), SP είναι το ποσοστό κορεσµού και θ είναι η περιεχόµενη κατ όγκο εδαφική υγρασία (cm cm -3 ). Το µοντέλο WANISIM λαµβάνει υπόψη την επίδραση διαφόρων µεταβλητών του υδατικού δυναµικού στην πρόσληψη του νερού από τις ρίζες, µε τη χρήση του περιοριστικού παράγοντα του υδατικού δυναµικού των Feddes et al. (1978). Στη µελέτη αυτή, το µοντέλο βελτιώθηκε µε σκοπό να αποκτήσει την ικανότητα να ερευνήσει την πρόσληψη του νερού από το ριζικό σύστηµα, λαµβάνοντας υπόψη τη συνδυασµένη, µη οµοιόµορφη, µεταβαλλόµενη πίεση του εδαφικού νερού, h και του οσµωτικού δυναµικού, h 0, βασισµένη στη µελέτη των Homaee et al. (2002) που πρότειναν ένα συνδυασµό µεταξύ του περιοριστικού παράγοντα των Feddes et al., (1978) και αυτής των Maas and Hoffman (1977) ως εξής:

56 Κεφάλαιο 3 ο 45 h (h pwp h 0 ) a a (h,h 0 ) = 1 ( h 0 h 0) h (h h ) (3.9) 360 c pwp Η εξίσωση αυτή ισχύει για h 0 0 * h 0 και h c h (h pwp -h 0 ). Τα άλλα διαστήµατα ισχύος της εξίσωσης συµπίπτουν µε αυτά της εξίσωσης των Feddes et al.. Το µοντέλο αυτό βασίζεται στην υπόθεση ότι ο παράγοντας των Maas and Hoffman (Σχήµα 3.2) µπορεί να χρησιµοποιηθεί απευθείας στο τµήµα που δεν εντοπίζεται καταπόνηση της εξίσωσης των Feddes et al. (Σχήµα 3.3). Θεωρώντας γραµµική µείωση της πρόσληψης του νερού, γίνεται η περαιτέρω θεώρηση ότι κάθε ds/m αλατότητας πέρα από την οριακή τιµή αλατότητας (EC * ) µεταβάλλει το σηµείο µάρανσης κατά 360 cm προς τα αριστερά. Το παραπάνω συµφωνεί µε την παρατήρηση ότι τα φυτά αντιµετωπίζουν συµπτώµατα µάρανσης σε µεγαλύτερο ύψος πίεσης υπό την παρουσία αλατότητας σε σχέση µε εκείνο απουσία αλατότητας. Η επίδραση διαφόρων επιπέδων συνδυασµένης υδατικής και αλατούχου καταπόνησης µπορεί να υπολογιστεί όπως παρουσιάζεται στο Σχήµα ,8 a(h 0 ) 0,6 0,4 0,2 0 EC * EC ss Σχήµα 3.2. Συνάρτηση µείωσης των Maas and Hoffman. 1 0,8 EC EC * a(h) 0,6 0,4 0,2 0 ha hfc hc hpwp Πιεζοµετρικό φορτίο, cm Σχήµα 3.3. Συνάρτηση του περιοριστικού παράγοντα a(h) µε εφαρµογή της εξίσωσης των Maas and Hoffman µε a(h 0 )=0.77 στο τµήµα που δεν εντοπίζεται καταπόνηση.

57 Κεφάλαιο 3 ο ,8 0,6 a(h) 0,4 0,2 0 ha hfc hc hpwp Πιεζοµετρικό φορτίο, cm Σχήµα 3.4. Συνδυασµένη συνάρτηση µείωσης, εξαιτίας υδατικού και οσµωτικού δυναµικού, h και h 0, αντίστοιχα. Η µέγιστη πρόσληψη του εδαφικού νερού από το ριζικό σύστηµα έχει διερευνηθεί και περιγραφεί από πολλούς επιστήµονες µε διάφορους τρόπους. Η πιο απλή σχέση, προτάθηκε από τους Feddes et al. (1978) οι οποίοι θεώρησαν το S max ως την κατανοµή της δυναµικής διαπνοής στο βάθος του ριζοστρώµατος δηλαδή: T S max = z p r (3.10) όπου: T p είναι η δυναµική διαπνοή (cm d -1 ) και z r είναι το βάθος του ριζοστρώµατος (cm). Λαµβάνοντας υπόψη και την πυκνότητα των ριζών, οι Hoogland et al. (1981) πρότειναν τη µείωση της S max γραµµικά ανάλογα µε το βάθος του εδάφους ως εξής: S max = a b z για z z r (3.11) όπου: a και b είναι σταθερές που µπορούν να προσδιοριστούν από δεδοµένα µέτρησης πρόσληψης νερού από τις ρίζες (0.01 α 0.03). Ο Prasad (1988) δέχτηκε ότι η S max εξαρτάται από τη συνάρτηση κατανοµής των ριζών g(z), σύµφωνα µε τη σχέση: max ( z) T p S = g (3.12) όπου: η g(z) περιγράφεται από την εξίσωση του Perrochet (1987) ως εξής: 2 ( z) [ c(2z z ) z ]/ z g = + για -1 c 1, z z r (3.13) r r r στην οποία c είναι µια σταθερά που εξαρτάται από το φυτό και το βλαστικό στάδιο και z r είναι το βάθος του ριζοστρώµατος. Η τιµή c = 0.8 υποδιαιρεί την πρόσληψη του ριζικού συστήµατος σε τέταρτα, κατά τα οποία 40 % της πρόσληψης πραγµατοποιείται από το πρώτο τέταρτο του ριζικού συστήµατος, 30 % από το

58 Κεφάλαιο 3 ο 47 δεύτερο, 20 % από το τρίτο και 10 % από το τελευταίο τέταρτο του ριζικού συστήµατος. Οι ρίζες προσλαµβάνουν το νερό κατά προτίµηση από τα επιφανειακά στρώµατα (Gardner, 1991). Αρχικά οι ρίζες προσλαµβάνουν το νερό από την ανώτερη στρώση του εδάφους και αν οι ανάγκες σε νερό δεν έχουν καλυφθεί πλήρως, προσλαµβάνουν νερό από το αµέσως επόµενη στρώση. Για την κάλυψη των αναγκών του, το ριζικό σύστηµα θα εκµεταλλευτεί το αποθηκευµένο νερό όλης της ζώνης του ριζοστρώµατος. Αν το σύνολο του νερού που θα προσληφθεί από τις ρίζες δεν καλύπτει τις απαιτήσεις του φυτού σε νερό, τότε σε αυτή την περίπτωση η πραγµατική διαπνοή εξισώνεται µε το νερό που προσελήφθη και προκύπτει µικρότερη από την δυναµική διαπνοή. Το νερό που προσλαµβάνεται από τις ρίζες και ισούται µε την πραγµατική διαπνοή δεν υπερβαίνει την δυναµική διαπνοή, δηλαδή: 0 zr S dz T για z z r (3.14) w p Εξατµισοδιαπνοή καλλιέργειας αναφοράς (ET o ) Η εξατµισοδιαπνοή που αναφέρεται σε καλλιέργειες µε συγκεκριµένα χαρακτηριστικά, γνωστές ως καλλιέργειες αναφοράς, ονοµάζεται εξατµισοδιαπνοή αναφοράς ως καλλιέργειας αναφοράς έχουν χρησιµοποιηθεί ο χορτοτάπητας και η µηδική. Σύµφωνα µε το FAO, η εξατµισοδιαπνοή αναφοράς χορτοτάπητα, ορίζεται ως η εξατµισοδιαπνοή από µια υποθετική καλλιέργεια µε σταθερό ύψος 12 cm, καθορισµένη αντίσταση φυτικής κόµης, r s = 70 s m -1, και συντελεστή ανάκλασης, α = 0.23, που προσοµοιάζει απόλυτα την εξατµισοδιαπνοή από µια εκτεταµένη επιφάνεια χορτοτάπητα µε οµοιόµορφο ύψος, που αναπτύσσεται δυναµικά, σκιάζει πλήρως το έδαφος και έχει επάρκεια νερού. Μεγάλος αριθµός εµπειρικών σχέσεων έχουν αναπτυχθεί για τον υπολογισµό της εξατµισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς (Doorenbos and Pruit, 1977; Allen, 1996; Allen et al., 1994, 1998). H εξατµισοδιαπνοή αναφοράς για τις Ελληνικές κλιµατικές συνθήκες έχει µελετηθεί από πολλούς επιστήµονες και ειδικούς (Παπαµιχαήλ κ.α., 1994; Papamichail and Terzidis, 1996; Papazafiriou, 1996; Σακελλαρίου-Μακραντωνάκη, 1996; Kotsopoulos and Babajimopoulos, 1997; Παπαζαφειρίου, 1999; Παπαµιχαήλ και Γεωργίου, 1999; Γεωργίου κ.α., 2000).

59 Κεφάλαιο 3 ο 48 Η εξίσωση FAO Penman-Monteith (Allen et al., 1998) προτείνεται για τον προσδιορισµό της εξατµισοδιαπνοής αναφοράς, καθώς ανταποκρίνεται στον ορισµό του FAO για την ET ο. Το παραπάνω µοντέλο έχει επιλεγεί γιατί προσεγγίζει ικανοποιητικά την εξατµισοδιαπνοή από επιφάνεια χορτοτάπητα, έχει φυσική βάση και ενσωµατώνει φυσιολογικές και αεροδυναµικές παραµέτρους. Για την εφαρµογή της µεθόδου απαιτείται είτε η απευθείας µέτρηση ορισµένων παραµέτρων, είτε ο έµµεσος υπολογισµός τους µε τις εξισώσεις που ακολουθούν. Απαραίτητες κλιµατικές παράµετροι για τον υπολογισµό της εξατµισοδιαπνοής είναι η θερµοκρασία του αέρα, η ταχύτητα του ανέµου, η µέση σχετική υγρασία και η καθαρή ακτινοβολία. Τα µετεωρολογικά δεδοµένα πρέπει να έχουν µετρηθεί ή να προσαρµοστούν σε ύψος 2 m από την επιφάνεια του εδάφους, για να χρησιµοποιηθούν στη σχέση FAO Penman-Monteith. Η επίδραση των κλιµατικών παραγόντων εκφράζεται ως εξατµισοδιαπνοή καλλιέργειας αναφοράς, εκτιµάται από τη σχέση Penman-Monteith (Allen et al., 1998) και είναι της µορφής: ET o ( R n G) + γ U 2( ea ed) = T+ 273 (3.15) + γ ( U ) 2 όπου: ΕT ο είναι η εξατµισοδιαπνοή αναφοράς χορτοτάπητα σε mm day -1, R n είναι η καθαρή ακτινοβολία σε MJ m -2 d -1, G είναι η κατακόρυφη µεταφορά θερµότητας προς το έδαφος σε MJ m -2 d -1, T είναι η µέση θερµοκρασία σε ύψος 2 m σε o C, U 2 είναι η µέση ταχύτητα ανέµου σε ύψος 2 m σε m sec -1, e a είναι η πίεση κορεσµένων υδρατµών σε kpa, e d είναι η πραγµατική πίεση υδρατµών σε kpa, (e a - e d ) είναι το έλλειµµα πίεσης κορεσµένων υδρατµών σε ύψος 2 m, σε kpa, είναι η κλίση της καµπύλης στη σχέση πίεσης κορεσµένων υδρατµών και θερµοκρασίας, γ είναι η ψυχροµετρική σταθερά, λ είναι η λανθάνουσα θερµότητα εξάτµισης, 900 είναι συντελεστής της καλλιέργειας αναφοράς και 0.34 είναι συντελεστής της ταχύτητας ανέµου για την καλλιέργεια αναφοράς. Οι σχέσεις και τα βήµατα για την εκτίµηση της εξατµισοδιαπνοής αναφοράς µε τη βοήθεια της εξίσωσης FAO Penman-Monteith δίνονται παρακάτω. Πίεση κορεσµένων υδρατµών, e a (kpa): 17.27T e a = exp T (3.16) όπου: T είναι η µέση θερµοκρασία σε o C. Πραγµατική πίεση υδρατµών, e d (kpa):

60 Κεφάλαιο 3 ο 49 ( e RH )/ 100 e = (3.17) d a mean όπου: RH mean είναι η µέση σχετική υγρασία. Ψυχροµετρική σταθερά, γ (kpa/ C): 3 γ = P (3.18) Ατµοσφαιρική πίεση, P (kpa), σε σχέση µε το υψόµετρο του εδάφους: z P= (3.19) 293 όπου: z είναι το υψόµετρο. Κλίση της καµπύλης στη σχέση πίεσης κορεσµένων υδρατµών και θερµοκρασίας, (kpa/ C): 17.27T exp T = (3.20) ( T ) 2 Η καθαρή ηλιακή ακτινοβολία, R n, προκύπτει ως η διαφορά της καθαρής µικρού µήκους κύµατος ηλιακής ακτινοβολίας, R ns, είναι της καθαρής µεγάλου µήκους κύµατος ηλιακής ακτινοβολίας, R nl. Οι εξισώσεις που οδηγούν στον προσδιορισµό της καθαρής ηλιακής ακτινοβολίας, R n, δίνονται µε τη σειρά που χρησιµοποιούνται παρακάτω (Jensen et al., 1990; Allen, et al., 1998; Παπαζαφειρίου, 1999): R n = R R (3.21) ns nl R ns = 0.77R s (3.22) R n = α+β N (3.23) s R a 24 ωs Ν = (3.24) π R a = G scd r[ ωs sin( φ) sin( δ) + cos( φ) cos( δ) sin( ωs) ] (3.25) π 2π d r = cos J (3.26) 365 [ tan( φ) tan( δ) ] ωs = arccos (3.27) 2π δ= sin J (3.28) 365

61 Κεφάλαιο 3 ο 50 R ( ) s e a R so 4 R nl = στk 35 (3.29) R so 5 ( z) R a = (3.30) όπου: R n είναι η καθαρή ηλιακή ακτινοβολία (MJ m -2 d -1 ), R ns η καθαρή µικρού µήκους κύµατος ηλιακή ακτινοβολία (MJ m -2 d -1 ), R nl η καθαρή µεγάλου µήκους κύµατος ηλιακή ακτινοβολία (MJ m -2 d -1 ), R s η προσπίπτουσα ακτινοβολία (MJ m -2 d - 1 ), n η πραγµατική ηλιοφάνεια (ώρες), Ν η θεωρητική ηλιοφάνεια (ώρες), α + β είναι το κλάσµα της εξωγήινης ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της γης σε συνθήκες ανέφελης ηµέρας. R a είναι η θεωρητική ηλιακή ακτινοβολία (MJ m -2 d -1 ), G sc η ηλιακή σταθερά ίση προς (0.082 MJ m -2 min -1 ), d r η σχετική απόσταση γης ηλίου (rad), ω s η ηλιακή γωνία (rad), φ το γεωγραφικό πλάτος, δ η ηλιακή απόκλιση (rad), J ο αριθµός της ηµέρας του έτους. R sο είναι η µικρού µήκους κύµατος ακτινοβολία ολικής αιθρίας (MJ m -2 d -1 ), σ η σταθερά των Stefan - Boltzman ίση προς ( MJ K -4 m -2 d -1 ), T k η µέση µηναία θερµοκρασία ( ο Κ) και z είναι το υψόµετρο. Η κατακόρυφη µεταφορά θερµότητας προς το έδαφος, G, περιγράφεται από περίπλοκες σχέσεις. εδοµένου ότι το µέγεθος κατακόρυφης µεταφοράς θερµότητας για περιόδους από ηµέρες είναι πολύ µικρό, αυτό µπορεί να παραληφθεί. Για ηµερήσιες διακυµάνσεις θερµοκρασίας η κατακόρυφη µεταφοράς θερµότητας υπολογίζεται µε τη σχέση: G i i 1 = 0.38(T T ) (3.31) όπου: T i είναι η µέση θερµοκρασία αέρα της ίδιας ηµέρας και T i-1 είναι η µέση θερµοκρασία αέρα της προηγούµενης ηµέρας Εκτίµηση της διαπνοής και της εξάτµισης Η εξάτµιση και η διαπνοή είναι απαραίτητες παράµετροι για τον καθορισµό της άνω οριακής συνθήκης και της πρόσληψης του νερού από το ριζικό σύστηµα. Η δυναµική διαπνοή και η εξάτµιση είναι συνιστώσες της δυναµικής εξατµισοδιαπνοής. Η εξατµισοδιαπνοή επηρεάζεται κυρίως από τις κλιµατικές συνθήκες, τα χαρακτηριστικά των καλλιεργειών και το υδατικό καθεστώς. Με τη βοήθεια του φυτικού συντελεστή της καλλιέργειας (Allen et al., 1998), η δυναµική

62 Κεφάλαιο 3 ο 51 εξατµισοδιαπνοή καλλιέργειας, µε επάρκεια νερού, ET p (mm day -1 ), µπορεί να υπολογιστεί από την ακόλουθη σχέση ET = K ET (3.32) p c o όπου: K c είναι ο φυτικός συντελεστής της καλλιέργειας και ET o είναι η εξατµισοδιαπνοή καλλιέργειας αναφοράς. Ο φυτικός συντελεστής συγκεντρώνει όλα εκείνα τα χαρακτηριστικά που διαφοροποιούν µια οποιαδήποτε καλλιέργεια από την καλλιέργεια αναφοράς και εξαρτάται από το είδος της καλλιέργειας, τις κλιµατικές συνθήκες, την εξάτµιση από το έδαφος και από τα στάδια ανάπτυξης της καλλιέργειας. Η εξάτµιση και η διαπνοή είναι δυο διαδικασίες που λαµβάνουν χώρα παράλληλα και δεν υπάρχει εύκολος τρόπος διαχωρισµού τους. Η εξάτµιση από το καλλιεργηµένο έδαφος µιας καλλιέργειας καθορίζεται κυρίως από το κλάσµα της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στο έδαφος. Το κλάσµα αυτό µειώνεται προοδευτικά κατά την βλαστική περίοδο, καθώς η καλλιέργεια αναπτύσσεται και το φύλλωµα των φυτών σκιάζει ολοένα και περισσότερο το γυµνό έδαφος. Στα αρχικά στάδια ανάπτυξης το νερό χάνεται κυρίως µε τη διαδικασία της εξάτµισης από το έδαφος, ενώ στα µετέπειτα στάδια επικρατεί η διαπνοή ως η κύρια διαδικασία απώλειας νερού. Για το διαχωρισµό της δυναµικής διαπνοής, T p, και της δυναµικής εξάτµισης από το έδαφος, E p, στο µοντέλο προσοµοίωσης WANISIM, χρησιµοποιείται η διαδικασία των Mahey et al. (1984), που περιγράφεται από τις σχέσεις: E p = K exp( klai ) ET (3.33) c t 0 T p = ET E (3.34) p p όπου: ΕΤ p (= K c ET o ) είναι η δυναµική εξατµισοδιαπνοή καλλιέργειας (cm/day), K c είναι ο αδιάστατος φυτικός συντελεστής, ΕΤ ο είναι η εξατµισοδιαπνοή αναφοράς, LAI είναι ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας (m 2 m -2 ) σε χρόνο t και k είναι µια σταθερά τιµή ίση προς 0.6. Η πραγµατική διαπνοή T a µπορεί να διορθώνεται ως προς τις εδαφικές συνθήκες υγρασίας όταν δεν χρησιµοποιείται η προσέγγιση των Feddes et al. (1978), µε τις σχέσεις T= T p για θ θ max (3.35α) ( 1 ( θ θ) ( θ θ )) T= T για θ < θ max (3.35β) p max / max min

63 Κεφάλαιο 3 ο 52 όπου: θ max και θ min είναι η µέγιστη και ελάχιστη εδαφική υγρασία που αντιστοιχούν στις υγρασίες για τις οποίες η διαπνοή είναι µέγιστη (η δυναµική) και ελάχιστη, αντίστοιχα. Η θ max αντιστοιχεί στο κρίσιµο σηµείο πίεσης (h c ) της εξίσωσης των Feddes et al. (1978), για την επίδραση του ύψος πίεσης στη πρόσληψη του νερού (εξ. 3.3), ενώ η θ min στο σηµείο µάρανσης. Η πραγµατική εξάτµιση από την επιφάνεια του εδάφους υπολογίζεται από τις παρακάτω εξισώσεις ως συνάρτηση της δυναµικής εξάτµισης και της υγρασίας στο επιφανειακό στρώµα του εδάφους: E a = E p για θ θ max (3.36α) θ θ E a E p θ θ min = για θ min θ θ max (3.36β) max min E a = 0 για θ θ min (3.36γ) όπου: θ max και θ min είναι το µέγιστο και ελάχιστο περιεχόµενο στην επιφάνεια του εδάφους νερό που αντιστοιχούν στο µέγιστο και ελάχιστο όριο της δυναµικής εξάτµισης. Μια άλλη διαδικασία εκτίµησης της πραγµατικής εξάτµισης από την επιφάνεια του εδάφους είναι αυτή που πρότεινε ο Ritchie (1972). Η εξάτµιση κατά την προσέγγιση αυτή ακολουθεί δύο στάδια µετά από άρδευση ή βροχόπτωση. Κατά το πρώτο στάδιο επειδή το έδαφος µπορεί να διαθέσει το νερό που απαιτείται για την εξάτµιση, στάδιο που λέγεται σταθερής ταχύτητας, η πραγµατική εξάτµιση ισούται µε τη δυναµική. Στο επόµενο στάδιο, η εξάτµιση επηρεάζεται από την υγρασία του επιφανειακού στρώµατος, η οποία µειώνεται µε το χρόνο και κατά συνέπεια µειώνεται και η ικανότητα του εδάφους να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις της εξάτµισης της ατµόσφαιρας. Η µέγιστη εξάτµιση για κάθε ηµέρα µετά την έναρξη του δευτέρου σταδίου υπολογίζεται από τη σχέση: E a 2 2 = α[t 1/ (t 1) 1/ ] (3.37) όπου: E α είναι η µέγιστη ηµερήσια εξάτµιση από την επιφάνεια του εδάφους (cm/day), α είναι µια σταθερά που εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του εδάφους (cm day -1/2 ), και t είναι ο χρόνος από την έναρξη του δεύτερου σταδίου εξάτµισης (ηµέρα).

64 Κεφάλαιο 3 ο είκτης φυλλικής επιφάνειας και βάθος ριζοστρώµατος Η εξέλιξη του δείκτη φυλλικής επιφάνειας LAI κατά τη διάρκεια του σταδίου ανάπτυξης περιγράφεται µε τη λογιστική συνάρτηση της ακόλουθης µορφής (Dale et al., 1980, Αντωνόπουλος, 1999): y t = y max 1+δexp[ k(t t )] (3.38) o όπου: y t είναι η τιµή του LAI σε χρόνο t, y max είναι η µέγιστη µετρηµένη τιµή του LAI, t o είναι ο αρχικός χρόνος (ηµέρα βλάστησης του έτους), δ και k είναι σταθερές. Η µείωση του δείκτη φυλλικής επιφάνειας µετά από τη µέγιστη τιµή περιγράφεται από µια εξίσωση ίδιας µορφής όπου η σταθερά k λαµβάνει αρνητικές τιµές. Η ίδια συνάρτηση χρησιµοποιείται και στην περίπτωση του υπολογισµού του µέγιστου βάθους του ριζικού συστήµατος κατά τη διάρκεια της βλαστικής περιόδου από το πρώτο στάδιο µέχρι τη µέγιστη ανάπτυξη. Η εξίσωση της λογιστικής συνάρτησης για την περιγραφή της αύξησης του ριζικού συστήµατος είναι της µορφής: Rd t = Rd max 1+δexp[ k(t t )] (3.39) o όπου: Rd t είναι to βάθος του ριζοστρώµατος σε χρόνο t, Rd max είναι το µέγιστο µετρηµένο βάθος του ριζικού συστήµατος, t o είναι ο αρχικός χρόνος (ηµέρα βλάστησης του έτους), δ και k είναι σταθερές Υδραυλικές ιδιότητες του εδάφους Οι υδραυλικές συναρτήσεις του εδάφους που απαντώνται στην εξίσωση (3.1), είναι η συνάρτηση της υδραυλικής χωρητικότητας C(h), που προκύπτει από µια σειρά δεδοµένων της χαρακτηριστικής καµπύλης θ(h), και η συνάρτηση της υδραυλικής αγωγιµότητας K(h). Έχουν προταθεί διάφορες συναρτήσεις για την περιγραφή της χαρακτηριστικής καµπύλης του εδάφους. Οι αναλυτικές εξισώσεις των Brooks and Corey (1964) και η εξίσωση του Van Genuchten (1980) είναι οι περισσότερο δηµοφιλείς στα µαθηµατικά µοντέλα. Η εξίσωση του Van Genuchten των τεσσάρων παραµέτρων για τη χαρακτηριστική καµπύλη µπορεί να γραφεί ως εξής:

65 Κεφάλαιο 3 ο 54 θ θ s r θ = θ r + για h 0 (3.40α) n [ 1+ ( α h ) ] m θ =θ s για h > 0 (3.40β) όπου: θ είναι η περιεχόµενη εδαφική υγρασία (cm 3 cm -3 ), θ r και θ s είναι η υπολειµµατική και η υγρασία κορεσµού (cm 3 cm -3 ), αντίστοιχα, h είναι η απόλυτη τιµή το ύψος πίεσης (cm), α (m -1 ), n και m=1-1/n είναι τρεις εµπειρικές σταθερές. Οι παράµετροι α και n είναι αντιστρόφως ανάλογες της πίεσης των φυσαλίδων του αέρα και του εύρους του µεγέθους των πόρων του εδάφους. Ανάµεσα σε πληθώρα συναρτήσεων που περιγράφουν την υδραυλική αγωγιµότητα του εδάφους, το µοντέλο των Van Genuchten - Mualem, που αποτελεί συνδυασµό της συνάρτησης του Van Genuchten (1980) για τη χαρακτηριστική καµπύλη και του Mualem (1976) για την υδραυλική αγωγιµότητα, χρησιµοποιείται ευρύτατα σε αριθµητικά µοντέλα προσοµοίωσης. Αυτή η συνάρτηση χρησιµοποιείται στο µοντέλο WANISIM και περιγράφεται ως εξής: K 1 / 2 1 / m m 2 r S e [1 (1 S e ) ] = (3.41α) K K sat K (h ) = (3.41β) S e θ θ s r θ θ r = (3.41γ) r όπου: S e είναι ο αποτελεσµατικός βαθµός κορεσµού και K sat είναι η υδραυλική αγωγιµότητα κορεσµού Αρχική και οριακές συνθήκες Για να λυθεί η µονοδιάστατη εξίσωση του Richards, κίνησης του νερού στην κατακόρυφη διεύθυνση στο σύστηµα έδαφος - ρίζες φυτών (εξ. 3.1), πρέπει να οριστούν οι κατάλληλες βοηθητικές συνθήκες (Αντωνόπουλος, 1999). Η αρχική συνθήκη (στο χρόνο t = 0) ορίζεται από την κατανοµή του ύψους πίεσης ή της εδαφικής υγρασίας ως συνάρτηση του βάθους z στο εδαφικό προφίλ. ( z,0) h i h = (3.42α) ( z,0) = θi θ (3.42β) Οι οριακές συνθήκες στην επιφάνεια του εδάφους (z = 0) µπορούν να περιγραφούν ως πρώτου ή δευτέρου τύπου οριακές συνθήκες:

66 Κεφάλαιο 3 ο 55 ( t) h = h 0 για z = 0 (3.43α) ή dh q (t) = K(h) + K(h) για z = 0 (3.43β) dz όπου: h o (t) είναι το µεταβαλλόµενο ύψος πίεσης, για να παρακολουθεί τις διακυµάνσεις κατά την άρδευση ή τη βροχόπτωση (συνθήκη Dirichlet), και q(t) είναι η µεταβαλλόµενη µε το χρόνο ροή (ή ένταση) του νερού από άρδευση ή βροχόπτωση, που εφαρµόζεται στην επιφάνεια του εδάφους (συνθήκη Neumann). Η ροή του νερού στην επιφάνεια του εδάφους υπολογίζεται από την εξίσωση: dh q ( t) = R Ea Int = K( 1) (3.44) dz z= 0 όπου: R είναι η άρδευση ή βροχόπτωση (cm d -1 ), E a είναι η πραγµατική εξάτµιση στο χρονικό βήµα που έχει επιλεγεί (cm d -1 ) και Int είναι η υδατοσυγκράτηση από τα φυτά (cm d -1 ). Η βροχή και η άρδευση κατά την περίοδο προσοµοίωσης έχουν ως αποτέλεσµα τη διαταραχή των οριακών συνθηκών. Οι οριακές συνθήκες στο κάτω όριο, σε κάποιο βάθος d από την επιφάνεια του εδάφους µπορούν να εκφραστούν µε τις σχέσεις: ( t) h = h για z = d (3.45α) d ή dh q d (t) = K(h) + K(h) = 0 για z = d (3.45β) dz ή dh = 0 για z = d (3.45γ) dz όπου: h d (t) είναι το µεταβαλλόµενο ύψος πίεσης και q d (t) είναι η µεταβαλλόµενη µε το χρόνο στραγγιστική ροή του νερού, αντίστοιχα. Το εδαφικό προφίλ θεωρείται ότι εκτείνεται σε µεγάλο βάθος και η οριακή συνθήκη στο κάτω όριο θεωρείται συνθήκη ελεύθερης στράγγισης Μεταφορά µάζας και µετασχηµατισµοί εδαφικού αζώτου Οι σπουδαιότερες πηγές αζώτου στο έδαφος προέρχονται από τις αποθέσεις λάσπης των βιολογικών σταθµών επεξεργασίας λυµάτων, το οργανικό άζωτο των υπολειµµάτων των φυτών και των ζωϊκών στερεών αποβλήτων που ενσωµατώνονται

67 Κεφάλαιο 3 ο 56 στο έδαφος, τις λιπάνσεις µε ανόργανο άζωτο, τις ατµοσφαιρικές αποθέσεις αζώτου, τις εκπλύσεις από δεξαµενές καθίζησης και περιοχές στράγγισης και την εφαρµογή στο έδαφος µε τα συστήµατα επεξεργασίας και διάθεσης εδάφους των οικιακών και βιοµηχανικών λυµάτων. Το οργανικό και αµµωνιακό άζωτο µπορούν να µετασχηµατιστούν στο έδαφος σε νιτρικά. Τα νιτρικά δεν προσκολλώνται στα ορυκτά της αργίλου, δεν σχηµατίζουν αδιάλυτα ιζήµατα και µεταφέρονται εύκολα στο έδαφος. Το άζωτο εξαιτίας της µεταφοράς του µπορεί να δηµιουργήσει προβλήµατα ποιότητας και υποβάθµισης στο περιβάλλον. Τα προβλήµατα αυτά έχουν σχέση µε την αύξηση των νιτρικών στα υπόγεια νερά και τη συνεισφορά των ανόργανων µορφών του αζώτου στον ευτροφισµό των επιφανειακών νερών. Η ρύπανση των επιφανειακών και υπόγειων νερών µε νιτρικά προκαλεί δυσµενείς επιπτώσεις στην υγεία των ανθρώπων (Αντωνόπουλος 2001). Η κύρια διαδικασία που είναι υπεύθυνη για τη µεταφορά και τους µετασχηµατισµούς του αζώτου στο έδαφος είναι η µεταφορά µάζας των ανόργανων µορφών του αζώτου, που περιγράφεται από την εξίσωση µεταφοράς-διασποράς και από χηµικές και βιολογικές αντιδράσεις. Η αλυσίδα των µετασχηµατισµών του αζώτου στο έδαφος περιλαµβάνει την ανοργανοποίηση του οργανικού αζώτου µε την παραγωγή αµµωνιακού αζώτου, που µε τη διαδικασία της νιτροποίησης µετατρέπεται αρχικά σε νιτρώδες και στη συνέχεια σε νιτρικό άζωτο. Η απονιτροποίηση είναι µια άλλη διαδικασία µε την οποία το νιτρικό άζωτο µετατρέπεται στις αέριες µορφές αζώτου. Η πρόσληψη του αµµωνιακού και νιτρικού αζώτου από τα φυτά, η προσρόφηση της αµµωνιακής µορφής από τα στερεά του εδάφους και η εξαέρωση της αµµωνίας είναι άλλες αντιδράσεις που περιλαµβάνονται στις διαδικασίες µετασχηµατισµού του εδαφικού αζώτου Εξισώσεις περιγραφής της µεταφοράς και των µετασχηµατισµών του αζώτου στο έδαφος Στο µοντέλο WANISIM, το µονοδιάστατο κατά την κατακόρυφη διεύθυνση υποµοντέλο των διαδικασιών που αφορούν το άζωτο περιγράφει τη µεταφορά και τους µετασχηµατισµούς του αζώτου στο εδαφικό διάλυµα, καθώς και την πρόσληψη της αµµωνιακής και νιτρικής του µορφής από τα φυτά. Οι παραπάνω διαδικασίες αφορούν στην ανοργανοποίηση και ακινητοποίηση, την νιτροποίηση και απονιτροποίηση, η την πρόσληψη της αµµωνίας και των νιτρικών από το ριζικό

68 Κεφάλαιο 3 ο 57 σύστηµα των φυτών και την ιοντοανταλλαγή του αµµωνιακού ιόντος. Οι εξισώσεις µεταφοράς µάζας του αµµωνιακού και νιτρικού αζώτου σε ένα έδαφος που περιέχει και το ριζικό σύστηµα των φυτών, διαµορφώνονται ως εξής: ( θc) ( ρs) C (qc) (C) = + θd + +Φ1 Qa +ξ θ 0 (3.46) t t z z z L A 1 = ( θy) Y (qy) (Y) = θd + +Φ 2 Q n +ξ θ 0 (3.47) t z z z L N 2 = όπου: θ είναι η εδαφική υγρασία (cm 3 cm -3 ), C είναι η συγκέντρωση του NH 4 -N στο εδαφικό διάλυµα (mg l -1 ), Y είναι η συγκέντρωση του NΟ 3 -N στο εδαφικό διάλυµα (mg l -1 ), q είναι η ταχύτητα Darcy ή ογκοµετρική παροχή (cm h -1 ), ρ είναι η φαινόµενη πυκνότητα του εδάφους (g cm -3 ), D είναι ο συντελεστής διασποράς των ενώσεων του αζώτου στο έδαφος (cm 2 h -1 ), Φ 1 είναι ο όρος που εκφράζει τους ρυθµούς µετασχηµατισµού του NH 4 -N στο έδαφος (mg cm -3 h -1 ), Φ 2 είναι ο όρος που εκφράζει τους ρυθµούς µετασχηµατισµού του NΟ 3 -N στο έδαφος (mg cm -3 h -1 ), S είναι η ποσότητα NH 4 -N που βρίσκεται στη στερεά φάση ανά γραµµάριο εδάφους (mg g -1 εδάφους), Q a είναι ο όρος που εκφράζει την πρόσληψη του αµµωνιακού ιόντος από τα φυτά ανά µονάδα όγκου του εδάφους (mg l -1 h -1 ), Q n όπως προηγουµένως για το NΟ 3 -N και ξ 1, ξ 2 είναι η καθαρή παραγωγή NH 4 -N και NΟ 3 -N κατά την ανοργανοποίηση του οργανικού αζώτου (mg l -1 day -1 ), t είναι ο χρόνος (h), z είναι η απόσταση από την επιφάνεια (θετική προς τα κάτω). Ο συντελεστής διασποράς των ενώσεων του αζώτου στο έδαφος (cm 2 h -1 ) υπολογίζεται από τη σχέση (Biggar and Nielsen, 1976): D n = τd o + λv (3.48) όπου: D o είναι ο συντελεστής µοριακής διάχυσης (cm 2 h -1 ), V (= q/θ) είναι η ταχύτητα κίνησης του νερού στους πόρους του εδάφους (cm h -1 ), λ είναι ο συντελεστής του µήκους διασποράς και τ είναι ο παράγοντας πολυπλοκότητας των πόρων Μετασχηµατισµοί του ανόργανου αζώτου Οι όροι των µετασχηµατισµών Φ i, που περιγράφουν τη νιτροποίηση της αµµωνίας και την απονιτροποίηση των νιτρικών, έχουν ως εξής: Φ = Κ C (3.49) 1 1θ

69 Κεφάλαιο 3 ο 58 Φ 2 1 K 2 =Κ θc θυ (3.50) όπου: K 1 και Κ 2 είναι οι συντελεστές των ρυθµών των αντιδράσεων πρώτης τάξης για τη νιτροποίηση και την απονιτροποίηση. Οι διαδικασίες της ανοργανοποίησης, της νιτροποίησης, της απονιτροποίησης και της αποσύνθεσης στο σύστηµα νερού - εδάφους επηρεάζονται από αβιοτικούς παράγοντες, όπως είναι η θερµοκρασία, η περιεχόµενη υγρασία και το ph (Selim and Iskander, 1981). Για να περιληφθούν οι παράγοντες αυτοί, οι συντελεστές των ρυθµών µετασχηµατισµού K 1 και K 2 (Antonopoulos, 1999) εκφράζονται ως εξής: K = k e e (3.51) i i t w όπου: k i είναι οι τιµές των συντελεστών για άριστες συνθήκες της εδαφικής υγρασίας και των άλλων περιβαλλοντικών παραγόντων, e t είναι ο παράγοντας που εκφράζει την επίδραση της θερµοκρασίας και e w είναι παράγοντας της επίδρασης της εδαφικής υγρασίας. Η προσρόφηση - εκρόφηση του NΗ 4 -N, µεταξύ του εδαφικού διαλύµατος και του εδαφικού µέσου, θεωρείται στιγµιαία και αντιστρεπτή. Εκφράζεται από τη γραµµική, ισόθερµο εξίσωση προσρόφησης που δίνει τη σχέση µεταξύ συγκέντρωσης στη στερεά και την υγρά φάση, τύπου Freundlich, της µορφής: S= K C (3.52) D όπου: S είναι η συγκέντρωση του NΗ 4 -N στα στερεά του εδάφους (µg g -1 εδάφους), C είναι η συγκέντρωση της ουσίας στο εδαφικό νερό (µg cm -3 ) και K D είναι ο συντελεστής κατανοµής (cm 3 g -1 εδάφους) που εκφράζει την αναλογία ανάµεσα στην προσροφηµένη ποσότητα NΗ 4 -N και τη συγκέντρωσή του στο εδαφικό διάλυµα Ανοργανοποίηση του οργανικού αζώτου του εδάφους Η ανοργανοποίηση του οργανικού αζώτου του εδάφους περιγράφεται από διάφορους ερευνητές µε διαφορετικούς τρόπους. Μια αιτία αυτής της διαφοροποίησης οφείλεται στην ταχύτητα ανοργανοποίησης των διαφόρων µορφών οργανικού αζώτου. Οι Johnsson et al. (1987) δέχονται ότι το οργανικό άζωτο βρίσκεται σε τρεις διαφορετικές µορφές (ή κλάσµατα) στο έδαφος. Στην πρώτη περιλαµβάνεται το οργανικό άζωτο των υπολειµµάτων (litter), στη δεύτερη το οργανικό άζωτο των στερεών αποβλήτων των ζώων (manure) και στην τρίτη το

70 Κεφάλαιο 3 ο 59 οργανικό άζωτο του χούµου (humus). Η προηγούµενη προσέγγιση βρίσκει εφαρµογή στο µοντέλο WANISIM. Τα υπολείµµατα (litter) εµφανίζουν ταχύτατη αποικοδόµηση και αποτελούν το φρέσκο οργανικό υλικό, περιλαµβάνουν δε µη αποικοδοµηµένα υλικά (υπολείµµατα φυτών, νεκρές ρίζες και βιοµάζα των µικροοργανισµών), ενώ η αποικοδόµησή τους δηµιουργεί τα σταθερά προϊόντα του χούµου. Το κλάσµα της κοπριάς των ζώων (manure) αποτελεί αποικοδοµήσιµη οργανική ύλη αλλά διαφορετικού τύπου από ότι των υπολειµµάτων, λόγω της διαφορετικής µορφής της οργανικής ύλης που περιέχουν. Ο χούµος (humus) εµφανίζει βραδύτατη αποικοδόµηση και αποτελείται από σταθεροποιηµένα αποικοδοµηµένα παράγωγα που χαρακτηρίζονται από σταθερή αναλογία C/N. Η ανοργανοποίηση και η ακινητοποίηση του αζώτου του εδάφους θεωρείται ότι συµβαίνει ταυτόχρονα και ότι ρυθµίζεται από τον οργανικό άνθρακα των υπολειµµάτων και των στερεών αποβλήτων των ζώων στο έδαφος. Οι σχέσεις που περιγράφουν την αποικοδόµηση του άνθρακα των υπολειµµάτων (C 1 ) (Johnsson et al., 1987) έχουν ως εξής: dc dt 1 = K e e C (3.53) 1 t w 1 dc1 CO2 dt dc dt dc dt 1 h 1 l = f = (1 f e e f h C 1 = f (1 f e h )C )C 1 1 (3.54) (3.55) (3.56) όπου: K 1 είναι η σταθερά πρώτης τάξης του ρυθµού αποικοδόµησης του οργανικού άνθρακα των υπολειµµάτων (day -1 ), e t είναι ο παράγοντας που εκφράζει την επίδραση της θερµοκρασίας και e w είναι ο παράγοντας της επίδρασης της εδαφικής υγρασίας, C 1 είναι η ποσότητα οργανικού άνθρακα στα υπολείµµατα, f e είναι το κλάσµα του αποικοδοµηµένου οργανικού άνθρακα των υπολειµµάτων που µετατρέπεται σε CO 2, ενώ το υπόλοιπο (1 - f e ) σε χούµο ή βιοµάζα των µικροοργανισµών, f h είναι το κλάσµα του οργανικού άνθρακα που αποικοδοµήθηκε και που µετατρέπεται σε χούµο ενώ το υπόλοιπο (1 - f h ) σε βιοµάζα των µικροοργανισµών και µεταβολιτών. Η ανοργανοποίηση και η ακινητοποίηση του αζώτου των υπολειµµάτων καθορίζεται από τη σταθερά αναλογία C/N της αποικοδοµούµενης βιοµάζας και των

71 Κεφάλαιο 3 ο 60 παραγόµενων χουµοποιηµένων προϊόντων, r o, από το κλάσµα του αποικοδοµηµένου οργανικού άνθρακα των υπολειµµάτων που µετατρέπεται σε CO 2, f e και από το κλάσµα του οργανικού άνθρακα που αποικοδοµήθηκε και που µετατρέπεται σε χούµο, f h. Το άζωτο που απελευθερώνεται ή εκλύεται κατά την αποικοδόµηση του οργανικού άνθρακα των υπολειµµάτων του εδάφους είναι ανάλογο προς την πραγµατική αναλογία C/N των υπολειµµάτων. Η καθαρή ανοργανοποίηση ή ακινητοποίηση του αζώτου των υπολειµµάτων προσδιορίζεται µε την παρακάτω εξίσωση που είναι το ισοζύγιο µάζας του αζώτου που απελευθερώνεται κατά την αποικοδόµηση και του αζώτου που ακινητοποιείται κατά την µικροβιακή σύνθεση και χουµοποίηση: N N f = C 4 1 e l NH 1 (3.57) C1 ro όπου: N 1 και C 1 είναι οι ποσότητες αζώτου και άνθρακα στα υπολείµµατα, C 1 είναι η αποικοδοµούµενη ποσότητα C των υπολειµµάτων κατά τη διάρκεια του χρονικού βήµατος t. Η ανοργανοποίηση επικρατεί της ακινητοποίησης στα υπολείµµατα όταν η αναλογία C/N είναι µεγαλύτερη του κλάσµατος r o /f e, στην αντίθετη περίπτωση επικρατεί η ακινητοποίηση. Η ανοργανοποίηση του οργανικού αζώτου του χούµου υπολογίζεται από µια πρώτης τάξης αντίδραση (Reddy et al., 1979) ως εξής: dn dt h = K e e N (3.58) h t w h όπου: Ν h είναι η ποσότητα οργανικού αζώτου στο χούµο, Κ h είναι η σταθερά της ανοργανοποίησης του οργανικού αζώτου του χούµου (h -1 ), e t είναι ο παράγοντας που εκφράζει την επίδραση της θερµοκρασίας και e w είναι παράγοντας της επίδρασης της εδαφικής υγρασίας Επίδραση των περιβαλλοντικών παραγόντων στους µετασχηµατισµούς του αζώτου Η επίδραση των περιβαλλοντικών παραγόντων στις αντιδράσεις µετασχηµατισµού του άνθρακα και του αζώτου του εδάφους δύσκολα µπορεί να προσοµοιωθεί. Τα περισσότερα µοντέλα προσοµοίωσης χρησιµοποιούν ένα παράγοντα µεταξύ του µηδενός και της µονάδας που εκφράζει την επίδραση κάθε

72 Κεφάλαιο 3 ο 61 περιβαλλοντικού παράγοντα (θερµοκρασία, υγρασία), ενώ άλλα µοντέλα βασίζονται στην θεωρία του Arrhenius για την περιγραφή της επίδρασης της θερµοκρασίας και ανάλογες ή αντίστοιχες είναι οι σχέσεις για το ph και το οξυγόνο (Shaffer et al., 2000a). Η επίδραση των περιβαλλοντικών παραγόντων στην νιτροποίηση, απονιτροποίηση και ανοργανοποίηση του αζώτου έχει µελετηθεί από πολλούς ερευνητές (Johnsson et al., 1987; Wu and McGechan, 1998; Antonopoulos, 1999; McGechan and Wu, 2001) Επίδραση της θερµοκρασίας Η συνάρτηση της επίδρασης της θερµοκρασίας εδάφους, e t, στο µοντέλο WANISIM βασίζεται είτε στον παράγοντα Q 10 ή τον παράγοντα Θ. Η επίδραση της θερµοκρασίας στην ανοργανοποίηση (Johnsson et al., 1987) έχει ως εξής: e t = Q (3.59) [(T Tb ) /10] 10 όπου: e t είναι η συνάρτηση που εκφράζει την επίδραση της θερµοκρασίας, Τ είναι η θερµοκρασία εδάφους, Τ b είναι η θερµοκρασία βάσης στην οποία e t = 1 και Q 10 είναι µια σταθερά που περιγράφει τη µεταβολή της τιµής του συντελεστή για µεταβολή της θερµοκρασίας κατά 10 ο C. Η συνάρτηση της θερµοκρασίας εδάφους, e t, που χρησιµοποιείται για την νιτροποίηση και την απονιτροποίηση εκφράζεται ως εξής: e t 083 (T 20) = 1. (3.60) Επίδραση της υγρασίας Στο µοντέλο WANISIM η επίδραση του περιεχοµένου εδαφικού νερού στην ανοργανοποίηση περιγράφεται από τη συνάρτηση των Johnsson et al. (1987). Στη συνάρτηση αυτή ο παράγοντας που εκφράζει την επίδραση της υγρασίας βασίζεται στην υπόθεση ότι η διαδικασία της ανοργανοποίησης του αζώτου µειώνεται πέρα από µια άριστη τιµή υγρασίας, ανάλογα για ξηρό ή για υγρό έδαφος, σύµφωνα µε τις παρακάτω εξισώσεις: e m s w = es + (1 es ) θ hi θ θ s (3.61α) θs θhi θ θ e w = 1 θ lo θ θ hi (3.61β) e w θ θ θlo θ w m w = θ w θ θ lo (3.61γ)

73 Κεφάλαιο 3 ο 62 όπου: θ s είναι η περιεχόµενη υγρασία στον κορεσµό, θ hi και θ lo είναι αντίστοιχα η µέγιστη και η ελάχιστη περιεχόµενη υγρασία για τις οποίες ο παράγοντας της εδαφικής υγρασίας είναι άριστος και θ w είναι η ελάχιστη εδαφική υγρασία για να διατηρείται η διαδικασία ενεργός. Η σταθερά e s ορίζει τη σχετική επίδραση της υγρασίας στον κορεσµό και m είναι µια εµπειρική σταθερά. Στον κορεσµό ισχύει e s = e w. Για την απονιτροποίηση, στο µοντέλο WANISIM, χρησιµοποιείται η µαθηµατική έκφραση των Selim and Iskander (1981). Ο παράγοντας e w εκφράζεται ως συνάρτηση του βαθµού κορεσµού του εδάφους. Για την απονιτροποίηση η συνάρτηση έχει ως εξής: e w = 0 για θ/θ s 0.8 (3.62α) e w θ 0.8θ s = για 0.8 < θ/θ s < 0.9 (3.62β) θ 0.9θ s s e w = 1 για θ/θ s 0.9 (3.62γ) Για τη νιτροποίηση, στο µοντέλο WANISIM, χρησιµοποιείται η έκφραση των Bhat et al. (1980) για την περιγραφή του παράγοντα που εκφράζει την επίδραση της υγρασίας. Η συνάρτηση e w περιγράφεται όπως παρακάτω: e w θ = για θ < θ fc (3.63α) θ e w 1 fc θ θ fc = για θ θ fc (3.63β) θ s θ fc όπου: θ είναι η περιεχόµενη υγρασία (cm 3 cm -3 ), θ fc και θ s είναι η περιεχόµενη υγρασία στην υδατοϊκανότητα και στον κορεσµό (cm 3 cm -3 ), αντίστοιχα Πρόσληψη του αζώτου από το ριζικό σύστηµα των φυτών Μια µακροσκοπική προσέγγιση της πρόσληψης του αζώτου από το έδαφος είναι η προσέγγιση των Michaelis-Menten, σύµφωνα µε την οποία ο ρυθµός πρόσληψης είναι συνάρτηση της πυκνότητας των ριζών και των συγκεντρώσεων του αµµωνιακού και νιτρικού αζώτου στο εδαφικό διάλυµα. Οι εξισώσεις που δίνουν την πρόσληψη αµµωνιακού και νιτρικού αζώτου έχουν (Claassen and Baber, 1976) όπως τροποποιήθηκαν για το WANISIM, έχουν ως εξής:

74 Κεφάλαιο 3 ο 63 Q a = C I maxf ge tr(z, t) K + C+ Y (3.64) m Q n = Y I maxf ge tr(z, t) K + C+ Y (3.65) m όπου: I max είναι η µέγιστη πρόσληψη αζώτου ανά µονάδα µήκους ριζών και χρόνου για άριστες τιµές συγκέντρωσης (µg cm -1 h -1 ), C και Y είναι οι συγκεντρώσεις αµµωνιακού και νιτρικού αζώτου (mg l -1 ), αντίστοιχα, K m είναι η σταθερά του Michaelis και αναφέρεται στη συγκέντρωση αζώτου για την οποία η πρόσληψη είναι (0.5I max ) και R(z,t) είναι η συνάρτηση της κατανοµής των ριζών. Η παράµετρος f g είναι το κλάσµα της ανάπτυξης των φυτών προς την τελική ανάπτυξή τους και εκφράζει την επίδραση του σταδίου ανάπτυξης στην πρόσληψη. Ο παράγοντας e t εκφράζει την επίδραση της θερµοκρασίας στην πρόσληψη του αζώτου. Οι τιµές που λαµβάνει ο παράγοντας αυτός είναι, µονάδα για θερµοκρασία µεγαλύτερη από 10 ο C, µειώνεται γραµµικά µε τη µείωση της θερµοκρασίας µεταξύ 10 και 5 ο C και γίνεται ίσος µε το µηδέν για θερµοκρασίες µικρότερες από 0 ο C Λίπανση µε άζωτο Η προσθήκη αµµωνιακού και νιτρικού αζώτου µε τη µορφή της ανόργανης λίπανσης µπορεί να γίνει µε την προσθήκη στις εξισώσεις (3.46) και (3.47) ενός όρου S fer που εκφράζει τη διάλυση του αζωτούχου λιπάσµατος. Η διάλυση του λιπάσµατος µπορεί να περιγραφεί ποσοτικά (Skaggs et al., 1995) από µια µηδενικής τάξης συνάρτηση, όπως παρακάτω: A fer S fer = K fer (3.66) D fer όπου: K fer είναι η σταθερά διάλυσης (T -1 ), Α fer είναι η ποσότητα του λιπάσµατος (M L -3 ) που βρίσκεται στο βάθος (D fer ) στο οποίο το λίπασµα ενσωµατώθηκε (L). Η διάλυση του λιπάσµατος εξαρτάται από την εδαφική υγρασία. Η επίδραση αυτή εκφράζεται από τις σχέσεις: K fer = 1 για θ θ t (3.67α) K fer = 0 για θ < θ t (3.67β) όπου: θ t είναι µια οριακή τιµή της εδαφικής υγρασίας. Η τιµή θ t συµπίπτει µε την τιµή του σηµείου µάρανσης συν ένα κλάσµα (0.25) της διαφοράς µεταξύ υγρασίας κορεσµού και µόνιµης µάρανσης.

75 Κεφάλαιο 3 ο Αρχική και οριακές συνθήκες για το υποµοντέλο του αζώτου Η αρχική συνθήκη της µεταφοράς του αζώτου για τις εξισώσεις (3.46) και (3.47) είναι οι εξής: C = C ( z) και Y Y( z) i = για t = 0 και z 0 (3.68) i όπου: C i και Y i εκφράζουν την αρχική κατανοµή των συγκεντρώσεων του αµµωνιακού και νιτρικού αζώτου, αντίστοιχα. Η οριακή συνθήκη του εδάφους περιγράφεται από τη ροή του αµµωνιακού και νιτρικού αζώτου διαµέσου του ορίου, αντίστοιχα. C = q 0C θd και J in = 0 για z = 0 (3.69α) z J in 0 C / z= 0 και Y / z= 0 για z = d (3.69β) όπου: C o είναι η συγκέντρωση του αµµωνιακού και νιτρικού αζώτου στο νερό άρδευσης (mg/l) και q είναι η παροχή του εφαρµοζόµενου νερού άρδευσης στο έδαφος Αξιολόγηση των αποτελεσµάτων του µοντέλου Η αξιολόγηση των αποτελεσµάτων ενός µοντέλου γίνεται µε τη σύγκριση µεταξύ των τιµών των µετρήσεων και των τιµών των αποτελεσµάτων του σε διαφορετικά βάθη, κατά τη διάρκεια της προσοµοίωσης, µε τη χρήση, τόσο ποιοτικών όσο και ποσοτικών διαδικασιών. Οι ποιοτικές διαδικασίες αφορούσαν στη γραφική σύγκριση των τιµών των µετρήσεων και των τιµών των αποτελεσµάτων των µεταβλητών, ενώ οι ποσοτικές διαδικασίες περιλάµβαναν τη χρησιµοποίηση στατιστικών κριτηρίων (Loague and Green, 1991; Antonopoulos and Wyseure, 1997). Τέτοια κριτήρια αποτελούν τα ακόλουθα Ποσοτική ιαδικασία - Στατιστικά κριτήρια Οι ποσοτικές διαδικασίες που χρησιµοποιήθηκαν για την αξιολόγηση του µοντέλου, βασίζονται σε στατιστικά κριτήρια όπως το µέσο σφάλµα (Ε), το σφάλµα του τετραγώνου των αποκλίσεων (RMSE), ο συντελεστής ελλείµµατος µάζας (CRM) και η αποδοτικότητα του µοντέλου (EF). Για υπολογισµό των στατιστικών κριτηρίων

76 Κεφάλαιο 3 ο 65 χρησιµοποιήθηκαν οι τιµές των µετρήσεων και οι τιµές των αποτελεσµάτων των µεταβλητών. Η µορφή των σχέσεων για τον υπολογισµό των στατιστικών κριτηρίων έχει ως εξής: n Pi O i E = (3.70) n i= 1 RMSE (%) n = 100 i= 1 ( P O ) i n i 2 1/ 2 / O n n 2 2 ( O O) ( P O ) / ( O O) (3.71) n 2 EF = i i i i (3.72) i= 1 i= 1 i= 1 n n n CRM = O i Pi / Oi (3.73) i= 1 i= 1 i= 1 όπου: P i και O i είναι η υπολογισµένη και η µετρηµένη τιµή της µεταβλητής, αντίστοιχα, O είναι η µέση τιµή των µετρηµένων τιµών και n είναι ο αριθµός των τιµών. Οι άριστες τιµές των Ε, RMSE, CRM και EF είναι αντίστοιχα 0, 0, 0 και 1. Όταν η αποδοτικότητα του µοντέλου είναι αρνητική τότε ο µέσος των παρατηρούµενων τιµών προβλέπει ή αξιολογεί καλύτερα την µεταβλητή του συστήµατος από ότι η πρόβλεψη του µοντέλου. Οι αρνητικές τιµές του CRM δείχνουν µια γενική υπερεκτίµηση από το µοντέλο Ισοζύγιο µάζας νερού και αζώτου και αξιολόγηση των αποτελεσµάτων Στον έλεγχο των αποτελεσµάτων των υπολογιστικών σχηµάτων περιλαµβάνεται και η εκτίµηση του ολικού ισοζυγίου µάζας (Αντωνόπουλος, 1998, 1999). Το ολικό ισοζύγιο µάζας είναι απαραίτητο αλλά δεν είναι αρκετό για να εκφράσει την ακρίβεια της λύσης. Υπολογίζεται µε τη σχέση: M t M o Error (%) = (3.74) F t t όπου: Μ t είναι η αποθηκευµένη µάζα στο χρόνο t, Μ ο είναι η αρχικά αποθηκευµένη µάζα στο χρόνο 0 και F t είναι η µάζα που προστέθηκε στην περιοχή λύσης κατά το χρονικό βήµα t. Οι όροι του ισοζυγίου µάζας για την περίπτωση του νερού στο έδαφος εκφράζονται από τις παρακάτω εξισώσεις.

77 Κεφάλαιο 3 ο 66 Η διαφορά µεταξύ αποθηκευµένου νερού στο χρόνο t και τον αρχικό χρόνο υπολογίζεται από τη σχέση: d(t) d(0) M = M M = θ(h, z, t)dz θ(h, z,0) dz (3.75) dif t o 0 ενώ το νερό που εισέρχεται στην περιοχή λύσης από τη σχέση: t 0 F = F F F F (3.76) t r dr ev tr όπου: F r είναι το νερό που εισέρχεται µε την άρδευση και τη βροχή (cm), F dr είναι το νερό που στραγγίζει από το κάτω όριο (cm), F ev είναι το νερό που εξατµίζεται από την επιφάνεια του εδάφους (cm) και F tr είναι το νερό που αποµακρύνεται µε τη διαδικασία της διαπνοής των φυτών (cm). Οι όροι του ισοζυγίου µάζας για την περίπτωση της µεταφοράς αζώτου εκφράζονται από τις παρακάτω εξισώσεις. Η διαφορά µεταξύ αποθηκευµένης µάζας αµµωνιακού αζώτου στο χρόνο t και τον αρχικό χρόνο υπολογίζεται από τη σχέση: d(t) M = M M = θ(h,z, t)c(z, t)dz θ(h, z,0)c(z,0) dz (3.77) dif t o 0 ενώ η µάζα αµµωνιακού αζώτου που εισέρχεται στην περιοχή λύσης από τη σχέση: t = Fin Fle Fup Fni + Ffe + Fex + t F F (3.78) όπου: F in είναι το αµµωνιακό άζωτο που εισέρχεται µε την άρδευση και τη βροχή (kg/ha ή mg/m 2 ): F in = qc in (3.79α) F le είναι το αµµωνιακό άζωτο που εκπλύνεται από το κάτω όριο (kg/ha): F le dc = q dcd θd (3.79β) dz d F up είναι το αµµωνιακό άζωτο που προσλαµβάνεται από τις ρίζες των φυτών (kg/ha): Fup = Q a z (3.79γ) F ni είναι το αµµωνιακό άζωτο που νιτροποιείται (kg/ha): Fni = θκ 1C z (3.79δ) F fe είναι η ποσότητα του αµµωνιακού αζώτου που εφαρµόζεται (kg/ha) µε τη λίπανση και ενσωµατώνεται στο εδαφικό διάλυµα: F ex είναι το αµµωνιακό άζωτο που προσροφάται ή εκροφάται από τις θέσεις ιοντοανταλλαγής του εδάφους: 0 d(0) mi

78 Κεφάλαιο 3 ο 67 t+ t t Fex = ρκ D (C C ) z (3.79ε) F mi είναι η ποσότητα του αµµωνιακού αζώτου που ανοργανοποιείται ή ακινητοποιείται (kg/ha). Η διαφορά µεταξύ αποθηκευµένου νιτρικού αζώτου στο χρόνο t και του αρχικού χρόνου υπολογίζεται από τη σχέση: d(t) M = M M = θ(h,z, t)y(z, t)dz θ(h, z,0)y(z,0) dz (3.80) dif t o 0 ενώ η µάζα νιτρικού αζώτου που εισέρχεται στην περιοχή λύσης από τη σχέση: t = Fin Fle Fup Fni + Ffe + Fde + t F F (3.81) όπου: F in είναι το νιτρικό άζωτο που εισέρχεται µε την άρδευση και τη βροχή (kg/ha ή mg/m 2 ): F in = qy in (3.82α) F le είναι το νιτρικό άζωτο που εκπλύνεται από το κάτω όριο (kg/ha): F le dy = q dyd θd (3.82β) dz d F up είναι το νιτρικό άζωτο που προσλαµβάνεται από τις ρίζες των φυτών (kg/ha): Fup = Q n z (3.82γ) F ni είναι το αµµωνιακό άζωτο που νιτροποιείται (kg/ha): Fni = θκ 1C z (3.82δ) F fe είναι η ποσότητα του νιτρικού αζώτου που εφαρµόζεται (kg/ha) µε τη λίπανση και ενσωµατώνεται στο εδαφικό διάλυµα. F de είναι το νιτρικό άζωτο που απονιτροποιείται (kg/ha): Fde = θκ 2Y z (3.82ε) F mi είναι η ποσότητα του νιτρικού αζώτου που ανοργανοποιείται ή ακινητοποιείται (kg/ha). 0 d(0) mi

79 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΕ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΕΣ ΗΛΙΑΝΘΟΥ ΚΑΙ ΑΡΑΒΟΣΙΤΟΥ 4.1. Εισαγωγή Ο σκοπός του κεφαλαίου αυτού είναι να περιγραφεί ο σχεδιασµός και οι µετρήσεις που έγιναν στον πειραµατικό αγρό κατά την διάρκεια δύο διαδοχικών ετών (από τον Απρίλιο του 2003 έως τον Απρίλιο του 2005). Οι µετρήσεις είχαν σκοπό τη µελέτη της αλληλεπίδραση του συστήµατος έδαφος - φυτό - ατµόσφαιρα σε σχέση µε την ανάπτυξη των φυτών και τους περιβαλλοντικούς κινδύνους από την χρήση για άρδευση των καλλιεργειών του ηλίανθου και του αραβοσίτου µε επεξεργασµένα λύµατα του σταθµού επεξεργασίας λυµάτων της Θεσσαλονίκης. Οι απαραίτητες µετρήσεις που έγιναν για τις ανάγκες της µελέτης και έρευνας αφορούσαν 1) τις υδραυλικές και φυσικοχηµικές ιδιότητες του εδάφους του πειραµατικού αγρού. Οι υδραυλικές ιδιότητες περιλαµβάνουν τη χαρακτηριστική καµπύλη του εδάφους, θ(h), την κορεσµένη υδραυλική αγωγιµότητα, K sat, και την φαινόµενη πυκνότητα του εδάφους, 2) την παρακολούθηση των µεταβολών του εδαφικού νερού, των µορφών του αζώτου και της αλατότητας στο εδαφικό προφίλ, τόσο κατά την καλλιεργητική περίοδο, όσο και την επακόλουθη µη καλλιεργητική περίοδο, 3) τις λεπτοµερείς µετρήσεις για τον προσδιορισµό των παραµέτρων ανάπτυξης των φυτών. Οι παράµετροι αυτές αναφέρονται στο δείκτη φυλλικής επιφάνειας των φυτών (LAI), την κατανοµή και το βάθος του ριζικού συστήµατος και την πρόσληψη του αζώτου από τα φυτά, 4) τον έλεγχο των συγκεντρώσεων ανόργανου αζώτου, του ph και της αγωγιµότητας του αρδευτικού νερού, 5) την µέτρηση της παραγόµενης φυτοµάζας και του προσλαµβανοµένου αζώτου κατά τη διάρκεια της βλαστικής περίοδο και παραγωγής των καλλιεργειών κατά την συγκοµιδή.

80 Κεφάλαιο 4 ο 69 Τα πειραµατικά δεδοµένα θα χρησιµοποιηθούν στο µοντέλο προσοµοίωσης WANISIM για την ταυτόχρονη εκτίµηση της κίνησης του νερού, της µεταφοράς του νιτρικού και αµµωνιακού αζώτου, της πρόσληψης του νερού και του αζώτου από τα φυτά, των µετασχηµατισµών που υφίστανται οι διάφορες µορφές του αζώτου και της ανοργανοποίησης - ακινητοποίησης του οργανικού αζώτου. Επιπλέον, µε τη χρήση του µοντέλου WANISIM θα ερευνηθούν οι περιβαλλοντικοί παράγοντες που επηρεάζουν τους µετασχηµατισµούς και την πρόσληψη του αζώτου. Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις της χρήσης των επεξεργασµένων λυµάτων για άρδευση στο έδαφος, την ανάπτυξη των φυτών και τη ρύπανση των υπόγειων νερών διερευνήθηκαν από τα αποτελέσµατα του µοντέλου Περιγραφή της τοποθεσίας και διάταξης του πειράµατος Η µελέτη πραγµατοποιήθηκε στον πειραµατικό αγρό του Ινστιτούτου Εγγείων Βελτιώσεων Θεσσαλονίκης (40 o 40 γεωγραφικό πλάτος, 22 o 48 γεωγραφικό µήκος), της βόρειας Ελλάδας. Η πεδιάδα της Θεσσαλονίκης βρίσκεται σε περιοχή µε κλίµα που χαρακτηρίζεται ως ξηροθερµικό µε χαµηλό ύψος βροχής και υψηλές θερµοκρασίες κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού. Η πεδιάδα αυτή αποτελεί µια από τις µεγαλύτερες αρδευόµενες περιοχές της χώρας, καλύπτοντας έκταση 774,000 στρεµµάτων (Antonopoulos and Dimitriadis, 1997). Η άρδευση της πεδιάδας γίνεται µε νερό που διανέµεται τους αγρούς µε τα αρδευτικά δίκτυα που τροφοδοτούνται από τους ποταµούς Αλιάκµονα και Αξιό. Οι κύριες καλλιέργειες της περιοχής είναι ο αραβόσιτος και βαµβάκι. Η έλλειψη υδατικών πόρων, ο ανταγωνισµός για την ικανοποίηση τόσο των αρδευτικών όσο και των αστικών υδρευτικών αναγκών και η επιδείνωση των περιβαλλοντικών προβληµάτων που αντιµετωπίζουν οι υγρότοποι του Αξιού ποταµού, έχουν ωθήσει στην αναζήτηση µεθόδων για την βελτίωση της αρδευτικής απόδοσης και την προστασία των υπόγειων υδάτων από ρύπανση µε νιτρικά και άλατα. Στα όρια της πεδιάδας της Θεσσαλονίκης (ανατολικά), βρίσκεται η πόλη της Θεσσαλονίκης, ο πληθυσµός της οποίας σήµερα ανέρχεται στο 1,000,000 κατοίκους. Οι υδατικοί πόροι της περιοχής χρησιµοποιούνται για την άρδευση της πεδιάδας και για την ύδρευση της πόλης της Θεσσαλονίκης. Ο ανταγωνισµός για τη χρήση των υδατικών πόρων είναι έντονος και σε περιόδους ανοµβρίας σε βάρος των αρδεύσεων.

81 Κεφάλαιο 4 ο 70 Η πόλη της Θεσσαλονίκης από την άλλη πλευρά παράγει σηµαντικό όγκο λυµάτων. Την τρέχουσα περίοδο παράγονται από 150,000 έως 200,000 m 3 /ηµέρα επεξεργασµένα λύµατα στο σταθµό επεξεργασίας λυµάτων της Θεσσαλονίκης στη Σίνδο Γενική περιγραφή των καλλιεργούµενων φυτών ύο αρδευόµενες καλλιέργειες, ο ηλίανθος και ο αραβόσιτος, αναπτύχθηκαν κατά τη διάρκεια δύο ετών πειραµάτων. Η γενική περιγραφή των καλλιεργειών περιγράφεται από τους Doorenbos and Kassam (1979). Καλλιέργεια ηλίανθου (Helianthus annus): πρόκειται για τη δεύτερη πιο σηµαντική ελαιοδοτική καλλιέργεια µετά την καλλιέργεια της σόγιας. Συνήθως αναπτύσσεται ξηρικά σε µεγάλο εύρος εδαφών. Υπό συνθήκες χαµηλού ύψους βροχής η καλλιέργεια απαιτεί σχετικά βαθύ έδαφος µε υψηλή υδατοϊκανότητα. Το βαθύ ριζικό σύστηµα (µεγαλύτερο από 2 m) µπορεί να εκµεταλλευτεί νερό σε µεγάλα βάθη εδάφους. Το ευνοϊκότερο ph κυµαίνεται µεταξύ 6.0 έως 7.5 ενώ σε µικρότερες τιµές µπορεί και να απαιτούνται επεµβάσεις µε ασβέστιο. Η βέλτιστη πυκνότητα φυτών είναι περίπου 60,000 φυτά ανά εκτάριο, µε αποστάσεις µεταξύ των γραµµών των φυτών περίπου 0.90 m. Η ποσότητα λιπάσµατος που εφαρµόζεται κυµαίνεται γενικά µεταξύ 50 και 100 kg N ανά εκτάριο, 20 και 45 kg φωσφόρου ανά εκτάριο και 60 µε 125 kg καλίου ανά εκτάριο. Η καλλιέργεια είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη στην έλλειψη βορίου. Οι απαιτήσεις του ηλίανθου σε νερό ποικίλουν από 600 έως 1000 mm, αναλόγως µε το κλίµα και τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου. Τα διάφορα στάδια ανάπτυξης και η διάρκειά τους, για συνολική καλλιεργητική περίοδο 140 ηµερών, είναι το στάδιο εγκατάστασης (20 ηµέρες), το βλαστικό στάδιο (55 ηµέρες), το στάδιο ανθοφορίας (30 ηµέρες ), το στάδιο σχηµατισµού του καρπού (25 ηµέρες) και το στάδιο ωρίµανσης (15 ηµέρες). Καλλιέργεια αραβοσίτου (Zea mays): αποτελεί ένα από τα σηµαντικότερα εαρινά σιτηρά τόσο για κατανάλωση από ανθρώπους όσο και για ενσίρωση, και καλλιεργείται για καρπό και ζωοτροφή. Οι απαιτήσεις της καλλιέργειας σε µέση ηµερήσια θερµοκρασία κυµαίνονται πάνω από τους 15 o C και παρουσιάζει ευαισθησία σε παγετό. Η καλλιέργεια είναι πολύ ευαίσθητη στον παγετό, ιδιαίτερα την εποχή της σποράς, ωστόσο µπορεί να αντέξει σε θερµές και ξηρές συνθήκες,

82 Κεφάλαιο 4 ο 71 αρκεί να έχει στη διάθεσή της επαρκές νερό και η θερµοκρασία να µην ξεπερνά τους 45 o C. Ο πληθυσµός των φυτών κυµαίνεται από 50,000 έως 80,000 φυτά ανά εκτάριο, µε τις αποστάσεις µεταξύ των γραµµών των φυτών να ποικίλουν από 0.60 έως 1 m. Η ποσότητα λιπάσµατος που εφαρµόζεται κυµαίνεται γενικά στα 200 kg N ανά εκτάριο, µεταξύ 50 και 80 kg φωσφόρου ανά εκτάριο, και 60 µε 100 kg καλίου ανά εκτάριο. Οι απαιτήσεις του αραβοσίτου σε νερό ποικίλουν από 600 έως 800 mm, αναλόγως µε το κλίµα και τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου. Ο αραβόσιτος είναι µέτρια ανθεκτικό φυτό στην αλατότητα του εδάφους. Η απόδοση µειώνεται όσο αυξάνει η ηλεκτρική αγωγιµότητα του εδάφους ως εξής: 0% σε EC e 1.7 ds/m, 10% σε 2.5 ds/m, 25% σε 3.8 ds/m, 50% σε 5.9 ds/m, και 100% σε 10 ds/m. Τα διάφορα στάδια ανάπτυξης και η διάρκειά τους, είναι το στάδιο εγκατάστασης (15-25 ηµέρες), το βλαστικό στάδιο (25-40 ηµέρες), το στάδιο ανθοφορίας (15-20 ηµέρες), το στάδιο σχηµατισµού του καρπού (35-45 ηµέρες) και το στάδιο ωρίµανσης (10-15 ηµέρες) Περιγραφή των πειραµάτων ύο πειράµατα σε επίπεδο αγρού διεξήχθησαν στον ίδιο αγρό κατά τις καλλιεργητικές περιόδους που περιλαµβάνονται από τον Απρίλιο 2003 έως και τον Απρίλιο Στην πρώτη καλλιεργητική περίοδο έγινε η σπορά του ηλίανθου στις 30 Απριλίου 2003 µε πληθυσµό 53,000 φυτών ανά εκτάριο και αποστάσεις µεταξύ των γραµµών 0.75 m και µεταξύ των φυτών 0.30 m. Στην επόµενη καλλιεργητική περίοδο έγινε η σπορά του αραβοσίτου στις 20 Απριλίου 2004 µε πληθυσµό 66,000 φυτών ανά εκτάριο, αποστάσεις µεταξύ των γραµµών 0.75 m και µεταξύ των φυτών 0.25 m. Ανόργανο αζωτούχο λίπασµα εφαρµόσθηκε κατά τη σπορά του ηλίανθου σε ποσότητα 79.4 kg N ha -1 σύνθετου λιπάσµατος (N-P-K). Στην επόµενη καλλιεργητική περίοδο στις 10 Απριλίου 2004 έγινε εφαρµογή φωσφορικής αµµωνίας σε ποσότητα 500 kg N ha -1. Η ποσότητα του λιπάσµατος εφαρµόστηκε σύµφωνα µε τη λιπαντική πρακτική που ακολουθούν οι αγρότες της περιοχής. Τα αγρονοµικά χαρακτηριστικά των δύο καλλιεργειών δίνονται στον Πίνακα 4.1. Για την άρδευση των καλλιεργειών χρησιµοποιήθηκε η µέθοδος της στάγδην άρδευσης, µε αγωγούς εφαρµογής, διαµέτρου Φ 20, ανάµεσα στις γραµµές των φυτών. Η πίεση, η παροχή και η απόσταση µεταξύ των σταλακτήρων ήταν 10 m, 4

83 Κεφάλαιο 4 ο 72 l/h, και 33 cm, αντίστοιχα. Τοποθετήθηκαν φίλτρα χαλικιού και σήτες 120 mesh στο σταθµό ελέγχου. Η πειραµατική διάταξη δίνεται στο Σχήµα 4.1. Τα µετεωρολογικά δεδοµένα κατά τη διάρκεια του πειράµατος ελήφθησαν από µετεωρολογικό σταθµό που γειτνιάζει µε τον πειραµατικό αγρό του Ινστιτούτου Εγγείων Βελτιώσεων. Για τον υπολογισµό της δυναµικής εξατµισοδιαπνοής µε τη χρήση της µεθόδου FAO Penman-Monteith (Allen et al., 1998), χρησιµοποιήθηκαν ηµερήσια δεδοµένα µέσης θερµοκρασίας, µέσης σχετικής υγρασίας, ηλιακής ακτινοβολίας και ταχύτητας ανέµου. Πίνακας 4.1. Αγρονοµικά χαρακτηριστικά των δύο καλλιεργειών. Παρατηρήσεις Ηλίανθος Αραβόσιτος Ηµέρα σποράς 30 Απριλίου 20 Απριλίου Βλάστηση 15 Μαΐου 4 Μαΐου Πληθυσµός φυτών, σπόροι ha -1 53,000 66,000 Αποστάσεις µεταξύ των γραµµών, m Αζωτούχος λίπανση, kg N ha µε NPK ( ) 500 µε NPK ( ) Μέθοδος άρδευσης Στάγδην άρδευση Στάγδην άρδευση Ύψος νερού άρδευσης, cm Βροχόπτωση καλλιεργ. περιόδου, cm ιάρκεια καλλιεργητικής περιόδου 92 ηµέρες 147 ηµέρες Σχήµα 4.1. Η πειραµατική διάταξη του συστήµατος στάγδην άρδευσης, µε τις θέσεις δειγµατοληψίας και τις διαµέτρους διάβροχης του εδάφους.

84 Κεφάλαιο 4 ο Ποιότητα αρδευτικού νερού Το νερό που χρησιµοποιήθηκε για άρδευση προερχόταν από επεξεργασµένα λύµατα σε σύστηµα ενεργού ιλύος και απονιτροποίηση. Γενικά, η χρήση αυτού του τύπου αρδευτικού νερού απαιτεί κατάλληλη διαχείριση γιατί µπορεί να επηρεάσει τις φυσικές, χηµικές και βιολογικές ιδιότητες του εδάφους, ειδικά την αλατότητα και τη νατρίωση (Westcot and Ayers, 1985), που επηρεάζουν αρνητικά την ανάπτυξη των καλλιεργειών και ρυπαίνουν τα υπόγεια νερά. Ελέγχοντας τα διαλυτά άλατα και βελτιώνοντας την πρόσληψη θρεπτικών ουσιών από τα φυτά, µε την παροχή επαρκών ποσοτήτων, οι κίνδυνοι µπορεί να µειωθούν. Οι φυσικοχηµικές ιδιότητες του αρδευτικού νερού παρουσιάζονται στους Πίνακες 4.2 και 4.3. Το νερό άρδευσης ελεγχόταν κάθε φορά που πραγµατοποιούνταν άρδευση. Ο έλεγχος αφορούσε στην ανάλυση της συγκέντρωσης του νερού σε NH 4 -N και NO 3 -N, στη µέτρηση της ηλεκτρικής αγωγιµότητας και του ph, κάθε φορά. Οι µέσες τιµές της EC i, και των NO 3 -N και NH 4 -N του νερού των επεξεργασµένων λυµάτων ήταν 3,5 ds/m, 4,5 mg/l και 0,23 mg/l, αντίστοιχα. Σύµφωνα µε τα κριτήρια ποιότητας του αρδευτικού νερού (Ayers and Westcot, 1985), το νερό των επεξεργασµένων λυµάτων ενείχε σηµαντικό κίνδυνο αλατότητας για το έδαφος. Η συγκέντρωση του NO 3 -N and NH 4 -Ν ήταν χαµηλή και αποδεκτή για άρδευση, ενώ η συγκέντρωση του βορίου (B = 1.1 mg/l) είχε µικρό έως µέτριο κίνδυνο για το έδαφος. Πίνακας 4.2. Φυσικοχηµικές ιδιότητες του αρδευτικού νερού των επεξεργασµένων λυµάτων κατά τη διάρκεια της βλαστικής περιόδου του ηλίανθου (2003). Ηµεροµηνία EC i K Na Ca Mg Cl N-NO 3 N-NH 4 P B ph SAR ειγµατοληψίας ds/m meq/l mg/l 24/6/ /7/ /7/ /7/ Μέση τιµή

85 Κεφάλαιο 4 ο 74 Πίνακας 4.3. Φυσικοχηµικές ιδιότητες του αρδευτικού νερού των επεξεργασµένων λυµάτων κατά τη διάρκεια της βλαστικής περιόδου του αραβοσίτου (2004). Ηµεροµηνία EC i Na Ca Mg N-NO 3 N-NH 4 ph SAR ειγµατοληψίας ds/m meq/l mg/l 15/6/ /6/ /7/ /7/ /7/ /7/ /7/ /8/ /8/ Μέση τιµή Ύψος νερού άρδευσης Το νερό άρδευσης εφαρµόστηκε µε τη µέθοδο της στάγδην άρδευσης. Το περιεχόµενο εδαφικό νερό µετρήθηκε µε τη σταθµική µέθοδο. Εφαρµογή άρδευσης γινόταν αν το περιεχόµενο εδαφικό νερό στα πρώτα 0-60 cm του εδάφους ήταν µικρότερο από 0.7θ fc (όπου θ fc είναι η περιεχόµενη υγρασία στην υδατοϊκανότητα). Εφαρµόστηκαν επτά αρδεύσεις µε εύρος άρδευσης 5 ηµερών κατά την καλλιεργητική περίοδο του ηλίανθου από τα µέσα Ιουνίου έως το τέλος Ιουλίου Το συνολικό ύψος νερού άρδευσης κατά την περίοδο αυτή ήταν cm. Η βροχόπτωση την περίοδο αυτή ήταν cm. Εφαρµόστηκαν δέκα αρδεύσεις στην καλλιέργεια αραβοσίτου µε εύρος άρδευσης 7 ηµερών κατά την καλλιεργητική περίοδο, από τα µέσα Ιουνίου έως τα µέσα Αυγούστου Το συνολικό βάθος άρδευσης ήταν cm και το ύψος της βροχόπτωσης ήταν 9.10 cm. Το ηµερήσιο ύψος νερού άρδευσης κατά την καλλιεργητική περίοδο του ηλίανθου και του αραβοσίτου δίνεται στον Πίνακα 4.4. Το µηνιαίο ύψος νερού άρδευσης και η βροχόπτωση κατά την καλλιεργητική περίοδο του ηλίανθου και του αραβοσίτου και καθ όλη την περίοδο διεξαγωγής του πειράµατος φαίνονται στον Πίνακα 4.5.

86 Κεφάλαιο 4 ο 75 Πίνακας 4.4. Ηµερήσιο ύψος νερού άρδευσης κατά την καλλιεργητική περίοδο του ηλίανθου και του αραβοσίτου. Ηλίανθο Αραβόσιτο Ηµεροµηνία Ηµέρα του Ύψος νερού Ηµεροµηνία Ηµέρα του Ύψος νερού άρδευσης έτους cm άρδευσης έτους cm Σύνολο Πίνακας 4.5. Μηνιαίο ύψος νερού άρδευσης και βροχόπτωση κατά την καλλιεργητική περίοδο του ηλίανθου και του αραβοσίτου. Ηλίανθος (2003) Αραβόσιτος (2004) Μήνας Βροχόπτωση cm Άρδευση cm Βροχόπτωση cm Άρδευση cm Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέµβριος Οκτώβριος Νοέµβριος εκέµβριος Ιανουάριος Φεβρουάριος Μάρτιος Σύνολο

87 Κεφάλαιο 4 ο Μετρήσεις των φυσικών και χηµικών ιδιοτήτων του εδάφους Οι φυσικές και χηµικές ιδιότητες του εδάφους µελετήθηκαν στην αρχή κάθε καλλιεργητικής περιόδου. Για το λόγο αυτό ελήφθησαν δείγµατα εδάφους από διάφορα βάθη (0-40, 40-65, και cm) σε δύο θέσεις, που σηµειώνονται ως θέση 1 και θέση 2, στον πειραµατικό αγρό. Το έδαφος αποτελείται από ετερογενείς στρώσεις και γενικά χαρακτηρίζεται ως ιλυοπηλώδες από 0 έως 65 cm και αµµοπηλώδες έως πηλοαµµώδες από 65 έως 120 cm. Οι φυσικές και χηµικές ιδιότητες του εδάφους δίνονται στους Πίνακες 4.6 και 4.7, αντίστοιχα. Πίνακας 4.6. Φυσικές ιδιότητες του εδάφους στην αρχική του κατάσταση. Παράµετροι Στρώσεις εδάφους, cm Άργιλος % Ιλύς % Άµµος % Φαινόµενη πυκνότητα g/cm Οργανική ουσία g/100 g soil Οργ. άνθρακας g/100 g soil Ολικό άζωτο g/100 g soil Πίνακας 4.7. Χηµικές ιδιότητες στην αρχική κατάσταση του εδάφους. Παράµετροι Στρώσεις εδάφους, cm ph EC e ds/m SAR ESP Ca +2 meq/l Mg +2 meq/l Na + meq/l CaCO 3 %

88 Κεφάλαιο 4 ο Μετρήσεις των υδραυλικών ιδιοτήτων του εδάφους Υπάρχουν ορισµένες παράµετροι του εδάφους που έχουν µεγάλο ενδιαφέρουν για τη µελέτη της δυναµικής του εδαφικού νερού. Η υδραυλική αγωγιµότητα, η χαρακτηριστική καµπύλη, το πορώδες, η περιεχόµενη υγρασία και η υφή του εδάφους αποτελούν µερικές από αυτές τις παραµέτρους. Πληθώρα πειραµατικών µεθόδων, άµεσων και έµµεσων, έχουν αναπτυχθεί, τόσο σε επίπεδο αγρού, όσο και εργαστηρίου, για τον καθορισµό των υδραυλικών ιδιοτήτων του εδάφους. Εναλλακτικά είναι δυνατόν να χρησιµοποιηθούν πεδοσυναρτήσεις για τον προσδιορισµό των σχέσεων που συνδέουν την υδραυλική αγωγιµότητα και την περιεχόµενη υγρασία εδάφους µε το ύψος πίεσης και προκύπτουν από εύκολα µετρήσιµες εδαφικές ιδιότητες (π.χ. η υφή του εδάφους). Η ελκυστική αυτή προσέγγιση ωστόσο, δεν θεωρείται η καλύτερη λύση, ειδικά σε περιπτώσεις ελέγχου της αξιοπιστίας ενός µαθηµατικού µοντέλου, καθώς ενέχει υψηλά ποσοστά αβεβαιότητας (Vereecken et al., 1992). Μέθοδοι υπολογισµού της ακόρεστης υδραυλικής αγωγιµότητας και της εξαιρετικά ευµετάβλητης παραµέτρου K sat από τη χαρακτηριστική καµπύλη του εδάφους, επίσης δεν θεωρούνται κατάλληλες για τον ίδιο σκοπό. Για τη µείωση της αβεβαιότητας, κατά το δυνατόν, στην παρούσα διατριβή επελέγη να χρησιµοποιηθούν άµεσες µέθοδοι προσδιορισµού της πλήρους σχέσης K-h-θ, µε µετρήσεις τόσο στο εργαστήριο όσο και στον αγρό Προσδιορισµός της χαρακτηριστικής καµπύλης εδάφους θ(h) Για τη προσδιορισµό της χαρακτηριστικής καµπύλης του εδάφους θ(h), ελήφθησαν αδιατάρακτα δείγµατα από τέσσερα βάθη εδάφους (25, 55, 85, και 105 cm) σε δύο θέσεις του πειραµατικού αγρού. ιατυπώθηκε η υπόθεση ότι το βάθος των 25 cm είναι αντιπροσωπευτικό της στρώσης εδάφους 0-40 cm, το βάθος των 55 cm της στρώσης εδάφους cm, το βάθος των 85 cm της στρώσης εδάφους cm και τέλος το βάθος των 105 cm της στρώσης εδάφους cm. Η χαρακτηριστική καµπύλη του εδάφους προσδιορίστηκε µε τη µέθοδο των µεµβρανών πίεσης (Childs, 1969). Η συσκευή αυτή αποτελείται από πορώδη κεραµική πλάκα, θάλαµο πίεσης, αεραγωγό και αγωγό εκροής νερού. Τα αδιατάρακτα δείγµατα µαζί µε την κεραµική πλάκα κορέστηκαν µε νερό για 24 ώρες.

89 Κεφάλαιο 4 ο 78 Μετά τον πλήρη κορεσµό των δειγµάτων, τα τελευταία τοποθετήθηκαν στο θάλαµο πίεσης. Ασκήθηκαν έντεκα ύψη πίεσης (0, 0.1, 0.33, 0.5, 0.75, 1, 2, 3, 5.1, 7.5, 10.9, 15 bar) επί των δειγµάτων για την αποµάκρυνση του νερού από τα αδιατάρακτα δείγµατα, υπό ελεγχόµενες συνθήκες. Μια ελεγχόµενη πηγή παροχής αέρα απαιτείται για την αποµάκρυνση του νερού από τα δείγµατα. Μετρήθηκαν έντεκα ζεύγη τιµών περιεχόµενης υγρασίας και ύψους πίεσης σε κάθε στρώση εδάφους. Στα δεδοµένα ζεύγη τιµών θ(h) προσαρµόστηκε η εξίσωση του Van Genuchten (1980) µε τη βοήθεια του προγράµµατος Curve Expert. Όπως σηµειώθηκε προηγουµένως, το έδαφος αποτελείται από ετερογενείς στρώσεις. Με σκοπό να αυξηθεί η ακρίβεια των µετρήσεων για την εξαγωγή της χαρακτηριστικής καµπύλης του εδάφους, ελήφθησαν αδιατάρακτα δείγµατα εδάφους δύο φορές κατά τη διάρκεια του πειράµατος. Η πρώτη δειγµατοληψία πραγµατοποιήθηκε το έτος 2003 και επαναλήφθηκε το έτος Στο Σχήµα 4.2 δίνονται οι χαρακτηριστικές καµπύλες εδάφους που προέκυψαν για κάθε µία από τις δειγµατοληψίες που έγιναν τα έτη 2003 και 2004 για κάθε στρώση. Οι χαρακτηριστικές καµπύλες που προέκυψαν από την επεξεργασία όλων των δεδοµένων από τα δείγµατα των δύο ετών και για κάθε στρώση του εδάφους δίνονται στο Σχήµα 4.3. Οι µέσες τιµές των πολλαπλών δειγµάτων των παραµέτρων της εξίσωσης Van Genuchten για τα διαφορετικά βάθη εδάφους δίνονται στον Πίνακα 4.8. Πίνακας 4.8. Παράµετροι της εξίσωσης Van Genuchten για τη χαρακτηριστική καµπύλη του εδάφους και για τη συνάρτηση της υδραυλικής αγωγιµότητας. Βάθος θ s θ r a n m K sat (cm) (cm 3 cm -3 ) (cm 3 cm -3 ) 1/cm cm hr θ s και θ r = υγρασία κορεσµού και υπολειµµατική υγρασία, αντίστοιχα θ r, a και n = παράµετροι προσαρµογής της εξίσωσης Van Genuchten

90 Κεφάλαιο 4 ο 79 θ(h), cm 3 /cm 3 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 Sim A25cm/2003 Mes A25cm/2003 Sim B25cm/2003 Mes B25cm/2003 Sim A25cm/2004 Mes A25cm/2004 Sim B25cm/2004 Mes B25cm/2004 0, Υψος πίεσης, cm θ(h), cm 3 /cm 3 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000 Sim A55cm/2003 Mes A55cm/2003 Sim A55cm/2004 Mes A55cm/2004 Sim B55cm/2004 Mes B55cm/ Υψος πίεσης, cm θ(h), cm 3 /cm 3 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000 Sim A85cm/2003 Mes A85cm/2003 Sim A85cm/2004 Mes A85cm/2004 Sim B85cm/2004 Mes B85cm/ Υψος πίεσης, cm θ(h), cm 3 /cm 3 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000 Sim A105cm/2004 Mes A105cm/2004 Sim B105cm/2004 Mes B100cm/ Υψος πίεσης, cm Σχήµα 4.2. Χαρακτηριστικές καµπύλες του εδάφους του πειραµατικού αγρού στα βάθη 25, 55, 85 και 105 cm για τις µετρήσεις τα έτη 2003 και Σηµειώνεται ότι τα A και B αναφέρονται σε διαφορετικές θέσεις στον αγρό.

91 Κεφάλαιο 4 ο 80 θ(h), cm 3 /cm 3 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000 Μes A25cm/2003 Μes B25cm/2003 Mes A25cm/2004 Mes B25cm/2004 Mean Mes 25 cm Mean Sim 25 cm Υψος πίεσης, cm θ(h), cm 3 /cm 3 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000 Μes A55 cm/2003 Mes A55cm/2004 Mes B55cm/2004 Mean Mes25 cm Mean Sim25cm Υψος πίεσης, cm θ(h), cm 3 /cm 3 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 Μes A85cm/2003 Mes A85cm/2004 Mes B85cm/2004 Mean Mes85cm Mean Sim85cm 0, Υψος πίεσης, cm θ(h), cm 3 /cm 3 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000 Μes A105cm/2004 Mes B105cm/2004 Mean Mes105cm Mean Sim105cm Υψος πίεσης, cm Σχήµα 4.3. Μετρηµένες τιµές και προσαρµοσµένες χαρακτηριστικές καµπύλες του εδάφους, στα βάθη 25, 55, 85 and 105 cm του πειραµατικού αγρού. Σηµειώνεται ότι τα A και B αναφέρονται σε διαφορετικές θέσεις στον αγρό.

92 Κεφάλαιο 4 ο Μετρήσεις της κορεσµένης υδραυλικής αγωγιµότητας K sat Υπάρχουν αρκετές µέθοδοι για τη µέτρηση της κορεσµένης υδραυλικής αγωγιµότητας σε επίπεδο αγρού ή εργαστηρίου. Οι µέθοδοι που βρίσκουν εφαρµογή επί τόπου στον αγρό (Τερζίδης και Καραµούζης 1986), είναι η µέθοδος του φρεατίου σε οµογενή εδάφη, η µέθοδος του φρεατίου σε διαστρωµένα εδάφη, η µέθοδος του πιεζοµέτρου που προτάθηκε από τον Kirkham (Luthin, 1966), η µέθοδος δύο φρεατίων του Childs (1969) και η µέθοδος του περατόµετρου του Guelph. Μέθοδοι που εφαρµόζονται στο εργαστήριο είναι η µέθοδος του περατόµετρου σταθερού φορτίου (steady state) και η µέθοδος του περατόµετρου µεταβαλλόµενου φορτίου (transient state) (Τερζίδης και Καραµούζης 1986). Στον πειραµατικό αγρό η κορεσµένη υδραυλική αγωγιµότητα µετρήθηκε σε τέσσερα βάθη (25, 55, 85, και 105 cm), µε δύο επαναλήψεις. Η κορεσµένη υδραυλική αγωγιµότητα µετρήθηκε µε τη µέθοδο του περατόµετρου Guelph (Reynolds and Elrick, 1985) και µε τη µέθοδο του περατοµέτρου σταθερού φορτίου σε αδιατάρακτα δείγµατα εδάφους. Η µέθοδος του περατόµετρου του Guelph χρησιµοποιείται ευρέως για την µέτρηση της κορεσµένης υδραυλικής αγωγιµότητας. Πρόκειται για συσκευή σταθερού ύψους πίεσης που βασίζεται στην αρχή του σιφωνίου του Mariotte και αποτελεί γρήγορη και απλή µέθοδο για την ταυτόχρονη εκτίµηση της κορεσµένης υδραυλικής αγωγιµότητας, του δυναµικού ροής και της απορροφητικότητας του εδάφους του αγρού. Με τη χρήση του περατόµετρου Guelph οι µετρήσεις διεξάγονται µε ευκολία και τα αποτελέσµατα προκύπτουν σε σύντοµο χρονικό διάστηµα, αν ακολουθηθούν βήµα προς βήµα οι υπολογισµοί συγκεκριµένης τυποποιηµένης διαδικασίας. Η συσκευή του περατόµετρου Guelph είναι κυλινδρική και αποτελείται από τέσσερα βασικά συναρµολογούµενα τµήµατα ώστε να αποθηκεύεται και να µεταφέρεται µε ευκολία, σε ειδική βαλίτσα. Στην ίδια βαλίτσα εµπεριέχονται δύο δειγµατολήπτες για τη δηµιουργία οπής συγκεκριµένης διαµέτρου και επίπεδου πυθµένα, µια βούρτσα καθαρισµού, µια αντλία δηµιουργίας κενού και ένα δοχείο µεταφοράς νερού στον αγρό. Τα τέσσερα βασικά τµήµατα του περατόµετρου είναι: - Συναρµολογούµενος τρίποδας στήριξης - Σωλήνας στήριξης και εξαρτήµατα εσωτερικού αγωγού εισόδου αέρα - Συναρµολογούµενο σύστηµα δεξαµενών νερού

93 Κεφάλαιο 4 ο 82 - Σύστηµα ρύθµισης του ύψους πίεσης και εξαρτήµατα εξωτερικού αγωγού εισόδου αέρα. Για τη µέτρηση της κορεσµένης υδραυλικής αγωγιµότητας σε εδάφη µε µικρή διαπερατότητα, όπως είναι τα αργιλώδη εδάφη, χρησιµοποιείται η εσωτερική δεξαµενή νερού (εσωτερικός κύλινδρος) για την παροχή κατάλληλης ροής νερού. Κατά τη διάρκεια µετρήσεων σε εδάφη µε µέτρια έως µεγάλη διαπερατότητα, όπως είναι τα πηλώδη και αµµώδη εδάφη, αντίστοιχα, χρησιµοποιούνται αµφότερες οι κυλινδρικές δεξαµενές νερού. Πριν την έναρξη των µετρήσεων µε το περατόµετρο Guelph, επί τόπου στον αγρό, απαιτείται ο εντοπισµός της κατάλληλης τοποθεσίας, µελέτη της υφής των στρώσεων του εδάφους, δηµιουργία οπής συγκεκριµένων διαστάσεων, συναρµολόγηση του οργάνου, πλήρωση των δεξαµενών νερού και τοποθέτηση του οργάνου κάθετα και κατά το δυνατόν στο κέντρο της οπής. Αφού προηγηθούν τα παραπάνω, ο χρήστης του οργάνου παρατηρεί και καταγράφει το ρυθµό της πτώσης του νερού στις βαθµονοµηµένες δεξαµενές νερού. Αν η πτώση πραγµατοποιείται πολύ αργά, επιλέγεται διάστηµα αναµονής δύο λεπτών. Στην περίπτωση αργιλωδών εδαφών επιλέγεται µεγαλύτερο διάστηµα. Ο χρήστης συνεχίζει την παρατήρηση της πτώσης του νερού στη δεξαµενή, έως ότου οι παρατηρήσεις τριών διαδοχικών διαστηµάτων είναι ίσες ή περίπου ίσες. Η µέτρηση που προκύπτει σε αυτό το σηµείο ονοµάζεται R i και ορίζεται ως ο σταθερός ρυθµός πτώσης του νερού στην δεξαµενή σε ύψος πίεσης h i. Η εξίσωση της υδραυλικής αγωγιµότητας στον κορεσµό, όταν χρησιµοποιείται το περατόµετρο Guelph έχει τη µορφή K sat [( )( X)( R )] [ ( )( X)( R )] = (4.1) 2 όπου: K sat κορεσµένη υδραυλική αγωγιµότητα, cm sec -1 X σταθερά του οργάνου = cm 2 R 1 σταθερός ρυθµός πτώσης του νερού σε 5 cm πίεση, cm sec -1 R 2 σταθερός ρυθµός πτώσης του νερού σε 10 cm πίεση, cm sec -1 Κατά τη µέτρηση της κορεσµένης υδραυλικής αγωγιµότητας στον πειραµατικό αγρό µε το περατόµετρο Guelph, ελήφθησαν αρνητικές τιµές µε την παραπάνω σχέση. Αυτό πιθανόν να οφείλεται στην ανοµοιογένεια των εδαφικών στρώσεων. Για την αντιµετώπιση του προβλήµατος, η κορεσµένη υδραυλική αγωγιµότητα προσδιορίστηκε µε τη µέθοδο του περατοµέτρου σταθερού φορτίου. Για την εφαρµογή αυτής της µεθόδου ελήφθησαν αδιατάρακτα δείγµατα εδάφους, µε τη 1

94 Κεφάλαιο 4 ο 83 βοήθεια µεταλλικών κυλίνδρων. Τα δείγµατα καλύφθηκαν στη συνέχεια µε πλαστική σακούλα για να διατηρηθεί το επίπεδο της περιεχόµενης υγρασίας και µεταφέρθηκαν στο εργαστήριο. Εκεί βυθίστηκαν σε διάλυµα M CaSO 4 για τουλάχιστον 24 ώρες. Ο σκοπός της χρήσης του διαλύµατος θειικού ασβεστίου είναι η αποφυγή της διασποράς της αργίλου που θα αλλοίωνε τη µορφή των πόρων του δείγµατος, ενώ ο σκοπός του αργού κορεσµού είναι να αποφευχθεί ο εγκλωβισµός αέρα στους πόρους που θα παρεµπόδιζε την κίνηση του διαλύµατος µέσα από αυτούς. Στη συνέχεια οι ελεύθερες επιφάνειες του δείγµατος προετοιµάστηκαν κατάλληλα για την εισαγωγή τους µε τη συσκευή. Μετά την εισαγωγή το δείγµατος στο περατόµετρο, εφαρµόστηκε στις δυο επιφάνειες του µια σταθερή διαφορά δυναµικού (υψοµετρικό φορτίο) και µετρήθηκε ο ρυθµός εκροής διαλύµατος από το δείγµα (όγκος διαλύµατος που εκρέει στη µονάδα του χρόνου). Ο υπολογισµός της υδραυλικής αγωγιµότητας στον κορεσµό γίνεται σύµφωνα µε το νόµο του Darcy, που στην προκειµένη περίπτωση παίρνει τη µορφή: VL K sat = (4.2) ta Ψ όπου: K sat η υδραυλική αγωγιµότητα στον κορεσµό, cm min -1 V ο όγκος του διαλύµατος που εξήλθε του εδαφικού δείγµατος, cm 3 L το ύψος το εδαφικού δείγµατος, cm t ο χρόνος στον οποίο εξήλθε ο όγκος του διαλύµατος, min A το εµβαδόν της διατοµής του εδαφικού δείγµατος, cm 2 Ψ το υψοµετρικό φορτίο που εφαρµόστηκε στο εδαφικό δείγµα, cm Από τις τιµές της κορεσµένης υδραυλικής αγωγιµότητας που προσδιορίστηκαν µε αυτές τις δύο µεθόδους, υπολογίστηκε η µέση τιµή για κάθε εδαφική στρώση. Οι µέσες αυτές τιµές της κορεσµένης υδραυλικής αγωγιµότητας για τις στρώσεις εδάφους δίνονται στον Πίνακα Καταγραφές του εδαφικού προφίλ Ο πειραµατικός αγρός βρισκόταν υπό συνεχή παρακολούθηση καθ όλη τη διάρκεια της βλαστικής περιόδου καθώς και την µετέπειτα περίοδο. Για το σκοπό αυτό, δείγµατα εδάφους λαµβάνονταν από διαφορετικά βάθη εδάφους (25, 55, 85, και

95 Κεφάλαιο 4 ο cm) σε δύο θέσεις στον αγρό, κάθε 10 έως 15 ηµέρες κατά τη βλαστική περίοδο, ανάλογα µε το χρόνο στον οποίο διεξαγόταν η άρδευση. Κατά τη διάρκεια της µη - βλαστικής περιόδου, δείγµατα εδάφους λαµβάνονταν σε µηνιαία βάση από το γυµνό έδαφος. Τα δείγµατα εδάφους λαµβάνονταν ανάµεσα από τον σταλάκτη του αγωγού εφαρµογής και τη γραµµή των φυτών. Στα δείγµατα πραγµατοποιούνταν αναλύσεις για τον προσδιορισµό της περιεχόµενης υγρασίας, της συγκέντρωσης του ανόργανου και οργανικού αζώτου, της περιεχόµενης οργανικής ουσίας, της ηλεκτρικής αγωγιµότητας, και του ph Καταγραφή της περιεχόµενης εδαφικής υγρασίας Η περιεχόµενη εδαφική υγρασία σε µία ορισµένη χρονική στιγµή είναι το νερό που περιέχεται στο έδαφος ανάλογα µε τις κλιµατικές συνθήκες (βροχόπτωση και ΕΤ) και το πρόγραµµα άρδευσης (δόσεις και διαστήµατα) για µια συγκεκριµένη περίοδο. Κατά τη διάρκεια περιόδων ακραίων βροχοπτώσεων, η περιεχόµενη εδαφική υγρασία στην επιφανειακή στρώση εδάφους φτάνει ή ξεπερνάει την υδατοϊκανότητα. Η υδατοϊκανότητα είναι το επίπεδο του εδαφικού νερού που συγκρατεί ένα έδαφος που στραγγίζει καλά, ενάντια στη βαρύτητα ή το νερό που αποµένει στο έδαφος µετά την αποµάκρυνση του ελεύθερα στραγγιζόµενου νερού. Σε συνθήκες έλλειψης νερού, το περιεχόµενο νερό της ζώνης του ριζοστρώµατος µειώνεται ως αποτέλεσµα της εξάτµισης από το έδαφος και της διαπνοής των φυτών. Όσο συνεχίζεται η πρόσληψη νερού, το νερό που αποµένει συγκρατείται µε µεγαλύτερη δύναµη από τα εδαφικά σωµατίδια, υποβαθµίζοντας έτσι το δυναµικό του, καθιστώντας την πρόσληψη του από τις ρίζες ακόµα δυσκολότερη. Η πρόσληψη του νερού γίνεται µηδενική όταν το επίπεδο του εδαφικού νερού φτάσει στο σηµείο µόνιµης µάρανσης. Το σηµείο µόνιµης µάρανσης εκφράζει εκείνο το ποσό του περιεχόµενου νερού στο οποίο επέρχεται ο µη αντιστρεπτός µαρασµός των φυτών. Υπό συνθήκες άρδευσης το διαθέσιµο εδαφικό νερό στη ζώνη του ριζοστρώµατος θα βρίσκεται µεταξύ υδατοϊκανότητας και σηµείου µόνιµης µάρανσης. Η διαθεσιµότητα του εδαφικού νερού αναφέρεται στην ικανότητα ενός εδάφους να συγκρατεί νερό διαθέσιµο για τα φυτά. ιάφορες µέθοδοι έχουν αναπτυχθεί για τη µέτρηση του περιεχόµενου εδαφικού νερού, άµεσες ή έµµεσες. Η άµεση µέθοδος (σταθµική µέθοδος) βασίζεται

96 Κεφάλαιο 4 ο 85 στη δειγµατοληψία εδάφους. Από τα δείγµατα εδάφους η υγρασία αποµακρύνεται µε θέρµανση στους 105 o C για 24 ώρες έως ότου σταθεροποιηθεί το βάρος τους (Gardner et al., 1991). Το µειονέκτηµα της µεθόδου αυτής είναι ότι δεν µπορεί να επαναληφθεί ακριβώς στο ίδιο σηµείο, καθώς η απόσπαση των δειγµάτων διαταράσσει το έδαφος στο σηµείο δειγµατοληψίας. Πάντως για τον έλεγχο της χωροχρονικής µεταβολής της υγρασίας πρέπει να λαµβάνονται δείγµατα από περισσότερα του ενός σηµεία. Παρά τα µειονεκτήµατά της η σταθµική µέθοδος µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τον προσδιορισµό της υγρασίας σε πολλές περιπτώσεις εδαφικών δειγµάτων, αλλά και στη βαθµονόµηση των έµµεσων µεθόδων, καθώς είναι πολύ ακριβής (Gardner et al., 1991). Στις έµµεσες µεθόδους (π.χ. µέθοδος των νετρονίων, µέθοδος της ηλεκτρικής αντίστασης, µέθοδος της θερµικής αγωγιµότητας, µέθοδοι της διηλεκτρικής σταθεράς) η εδαφική υγρασία προσδιορίζεται έµµεσα από τις µετρήσεις των φυσικών ιδιοτήτων του εδάφους, οι οποίες εξαρτώνται από την εδαφική υγρασία. Οι µετρήσεις των φυσικών ιδιοτήτων του εδάφους γίνονται µε µόνιµα τοποθετηµένους στο έδαφος αισθητήρες, οι οποίοι συνδέονται µε µια µονάδα µέτρησης, κάθε φορά που απαιτείται η µέτρηση της υγρασίας. Σε άλλες περιπτώσεις οι αισθητήρες προωθούνται στο έδαφος µέσω ειδικών σωλήνων που τοποθετούνται εκ των προτέρων στο έδαφος. Έτσι µε τις έµµεσες µεθόδους είναι δυνατόν να γίνονται διαδοχικές στο χρόνο µετρήσεις στην ίδια θέση, πολύ σύντοµα και χωρίς διατάραξη του εδάφους. Στον πειραµατικό αγρό οι µετρήσεις τη περιεχόµενης εδαφικής υγρασίας γινόταν µε τη σταθµική µέθοδο και µετατρεπόταν σε υγρασία κατ όγκο µε τη βοήθεια της φαινόµενης πυκνότητας του εδάφους. Το Σχήµα 4.4 παρουσιάζει την κατανοµή του εδαφικού νερού για την χρονική περίοδο των δύο ετών στην οποία περιέχονται η βλαστική περίοδος του ηλίανθου και του αραβοσίτου. Η µεταβλητότητα της κατανοµής νερού αυξήθηκε κατά τη βλαστική περίοδο που ο αγρός αρδευόταν. Αυτό οφείλεται στην πρόσληψη του νερού από τις ρίζες και στην εφαρµογή αρδευτικού νερού. Η µεταβλητότητα της κατανοµής νερού που παρατηρήθηκε ανάµεσα στις δύο θέσεις του πειραµατικού αγρού πιθανώς συνδέεται µε τη µέθοδο της στάγδην άρδευσης, η οποία παρέχει µερική κατανοµή νερού στο έδαφος, την ανοµοιογένεια της υφής του εδάφους καθώς και τη µεταβλητότητα στα χαρακτηριστικά του εδαφικού προφίλ των δύο θέσεων δειγµατοληψίας.

97 Κεφάλαιο 4 ο 86 θ, cm 3 /cm 3 0, cm Θέση 1 0,500 Θέση 2 0,400 0,300 0,200 0,100 0, Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 θ, cm 3 /cm 3 0, cm Θέση 1 0,300 Θέση 2 0,250 0,200 0,150 0,100 0,050 0, Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 0,500 0, cm Θέση 1 Θέση 2 θ, cm 3 /cm 3 0,300 0,200 0,100 0, Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 0,250 0, cm Θέση 1 Θέση 2 θ, cm 3 /cm 3 0,150 0,100 0,050 0, Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 Σχήµα 4.4. ιακύµανση του εδαφικού νερού στα βάθη 25, 55, 85 και 105 cm, κατά τη διάρκεια των δύο καλλιεργητικών περιόδων, του ηλίανθου και του αραβοσίτου, και της µη καλλιεργητικής περιόδου.

98 Κεφάλαιο 4 ο 87 Κατά την ανάπτυξη των φυτών και την αύξηση του ριζικού συστήµατος και της κατανοµής αυτού, η πρόσληψη του νερού από τις ρίζες αυξήθηκε µε αποτέλεσµα τη µείωση του νερού σε βαθύτερες στρώσεις εδάφους (50 cm) σε σύγκριση µε την επιφανειακή στρώση. Υψηλή εδαφική υγρασία παρατηρήθηκε κατά τη βλαστική περίοδο του καλαµποκιού συγκριτικά µε την βλαστική περίοδο του ηλίανθου. Το παραπάνω οφείλεται στα υψηλότερα ποσά νερού που εφαρµόστηκαν κατά τη βλαστική περίοδο του καλαµποκιού Μετρήσεις του ανόργανου αζώτου (NH 4 -N and NO 3 -N) του εδάφους Οι σπουδαιότερες πηγές ανόργανου αζώτου στο έδαφος είναι η ανοργανοποίηση της οργανικής ουσίας, η εφαρµογή λιπασµάτων και νερού λυµάτων στο έδαφος και η δέσµευση των συµβιωτικών µικροοργανισµών µε τα φυτά µε σκοπό την εκµετάλλευση αζώτου. Το ανόργανο άζωτο αποµακρύνεται από το έδαφος κυρίως µε την πρόσληψη από τα φυτά, µε απώλεια αζώτου λόγω διήθησης κάτω από τη ζώνη του ριζοστρώµατος και µε απονιτροποίηση του νιτρικού αζώτου. Η ανοργανοποίηση του οργανικού αζώτου αποτελεί σηµαντική διαδικασία εφοδιασµού των φυτών µε άζωτο. Η σχέση C/N της οργανικής ουσίας, η θερµοκρασία και η περιεχόµενη εδαφική υγρασία επηρεάζουν την ανοργανοποίηση του αζώτου (Rodrigo et al., 1997; Αντωνόπουλος, 1999). Η ακινητοποίηση είναι η αντίστροφη διαδικασία µε την οποία το ανόργανο άζωτο µετατρέπεται σε οργανικό. Απώλεια αζώτου, µε τη µορφή NO 3 -N, λόγω βαθιάς διήθησης, οφείλεται κυρίως στη µικρή ικανότητα του εδάφους να συγκρατεί ανιόντα. Γενικά, κάθε καθοδική κίνηση νερού διαµέσου του εδαφικού προφίλ θα προκαλέσει την απώλεια NO 3 -N µε διήθηση σε µεγέθη αναλογικά µε τη συγκέντρωση του NO 3 -N στο εδαφικό διάλυµα και στον όγκο του νερού στράγγισης. Το άζωτο είναι δυνατό να εκπλυθεί όταν η βροχόπτωση ή η παροχή νερού υπερβούν την εξατµισοδιαπνοή, µε αναφορές σηµαντικών απωλειών σε πληθώρα καλλιεργειών (Katyal et al., 1985; Poss and Saragoni, 1992; Theocharopoulos et al., 1993; Αντωνόπουλος, 2001). Στον πειραµατικό αγρό έχουν πραγµατοποιηθεί δειγµατοληψίες και µετρήσεις το ανόργανου αζώτου περίπου κάθε 15 ηµέρες κατά τη βλαστική περίοδο του ηλίανθου και του αραβοσίτου και µηνιαίως κατά τη µη καλλιεργητική περίοδο, για τα δύο διαδοχικά έτη. Τα Σχήµατα 4.5 και 4.6 παρουσιάζουν την κατανοµή του NO 3 -N

99 Κεφάλαιο 4 ο 88 και NH 4 -N στο εδαφικό προφίλ, κατά την καλλιεργητική και µη - καλλιεργητική περίοδο, αντίστοιχα. Η συγκέντρωση του NO 3 -N και NH 4 -N αυξήθηκε στο έδαφος κατά την περίοδο εφαρµογής του λιπάσµατος, ενώ µείωση NO 3 -N και NH 4 -N παρατηρήθηκε κατά την περίοδο της µεγάλης πρόσληψης αζώτου από τα φυτά. Επίσης, η συγκέντρωση του NO 3 -N και NH 4 -N γενικά επηρεάζεται στις περιόδους βροχών ή εφαρµογής λιπασµάτων. Οι ρίζες του ηλίανθου και του αραβοσίτου ήταν προφανώς ιδιαίτερα πιο επιλεκτικές για την πρόσληψη NO 3 -N από ότι του NH 4 -N όπως φαίνεται από την απώλεια αζώτου στα επιφανειακά στρώµατα εδάφους (25 και 55 cm) κατά τις καλλιεργητικές περιόδους. Συσσώρευση NO 3 -N έλαβε χώρα κάτω από τη ζώνη του ριζοστρώµατος (85 και 105 cm) κατά τις περιόδους εφαρµογής των λιπασµάτων και τη χειµερινή περίοδο. Η συγκέντρωση αυτή του NO 3 -N σε µεγάλα βάθη εξαιτίας της εφαρµογής επεξεργασµένων λυµάτων πλούσιων σε άζωτο, ενέχει κίνδυνο ρύπανσης των υπόγειων νερών µε νιτρικά. Κατά τη µη - καλλιεργητική περίοδο, παρατηρήθηκε αύξηση στη συγκέντρωση του NH 4 -N και NO 3 -N στο επιφανειακό γυµνό έδαφος, ως αποτέλεσµα της αποικοδόµησης των υπολειµµάτων της καλλιέργειας µετά τη συγκοµιδή.

100 Κεφάλαιο 4 ο 89 NO 3 -N, mg/kg cm Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 Θέση 1 Θέση cm Θέση 1 Θέση 2 NO 3 -N, mg/kg Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 NO 3 -N, mg/kg cm Θέση 1 Θέση Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 NO 3 -N, mg/kg cm Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 Θέση 1 Θέση 2 Σχήµα 4.5. ιακύµανση του ΝΟ 3 -Ν του εδάφους κατά τη διάρκεια της βλαστικής ανάπτυξης του ηλίανθου και του αραβοσίτου και της µη καλλιεργητικής περιόδου σε διαφορετικά βάθη.

101 Κεφάλαιο 4 ο 90 NH 4 -N, mg/kg 7 25 cm Θέση 1 6 Θέση Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 NH 4 -N, mg/kg 7 55 cm Θέση 1 6 Θέση Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 NH 4 -N, mg/kg 7 85 cm Θέση 1 6 Θέση Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 NH 4 -N, mg/kg cm Θέση 1 Θέση Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 Σχήµα 4.6. ιακύµανση του ΝΗ 4 -Ν του εδάφους κατά τη διάρκεια της βλαστικής ανάπτυξης του ηλίανθου και του αραβοσίτου και της µη καλλιεργητικής περιόδου σε διαφορετικά βάθη.

102 Κεφάλαιο 4 ο Μετρήσεις της οργανικής ουσίας εδάφους Η οργανική ουσία έχει πολλές ωφέλιµες επιδράσεις στο έδαφος, ανάµεσα στις οποίες είναι ο εφοδιασµός των φυτών µε θρεπτικά στοιχεία και η βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων των εδαφών. Το ποσό της περιεχόµενης οργανικής ουσίας των εδαφών εξαρτάται κυρίως από την καλλιεργητική πρακτική, η οποία όταν παραµένει ίδια, το ποσό της οργανικής δεν µεταβάλλεται. Η θερµοκρασία και η υγρασία αποτελούν τους δύο κύριους περιβαλλοντικούς παράγοντες που επηρεάζουν τις περιεχόµενες ποσότητας αζώτου και οργανικής ουσίας στο έδαφος. Γενικά, η αποικοδόµηση της οργανικής ουσίας είναι ταχύτερη σε θερµά κλίµατα σε σχέση µε ψυχρότερες περιοχές. Στον πειραµατικό αγρό, έγιναν προσδιορισµοί της οργανικής ουσίας του εδάφους κάθε δύο µήνες καθ όλη την περίοδο διεξαγωγής του πειράµατος. Το Σχήµα 4.7 παρουσιάζεται η περιεχόµενη οργανική ουσία σε διαφορετικά βάθη κατά τη διάρκεια των δύο καλλιεργητικών περιόδων, του ηλίανθου και του αραβοσίτου, και της µη βλαστικής περιόδου. Υψηλές ποσότητες περιεχόµενης οργανικής ουσίας παρατηρήθηκαν στο επιφανειακό έδαφος (0-40 cm), συγκριτικά µε τις υπόλοιπες εδαφικές στρώσεις. Αυτό σχετίζεται κυρίως µε την ενσωµάτωση των φυτικών υπολειµµάτων της καλλιέργειας σε αυτό το βάθος καθώς και µε την κατεργασία του στα πλαίσια της καλλιεργητικής πρακτικής. Μικρά ποσά περιεχόµενης οργανικής ουσίας παρατηρήθηκαν σε µεγαλύτερο βάθος εδάφους ( cm). Το παραπάνω οφείλεται στην αµµώδη σύσταση της εδαφικής αυτής στρώσης, στα µικρότερα ποσά υγρασίας και στην οξείδωση, που λαµβάνει χώρα ευκολότερα σε εδάφη χονδρόκοκκα. Πέραν τούτου, η φυσική ενσωµάτωση φυτικών υπολειµµάτων στο βάθος αυτό είναι µάλλον ασήµαντη.

103 Κεφάλαιο 4 ο 92 Οργ. Ουσία, g/100 g 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 25 cm 0,4 0, Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 Θέση 1 Θέση 2 Οργ. Ουσία, g/100 g 0,7 55 cm Θέση 1 0,6 Θέση 2 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 Οργ. Ουσία, g/100 g 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 85 cm Θέση 1 Θέση Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 0,5 105 cm Θέση 1 Οργ. Ουσία, g/100 g 0,4 0,3 0,2 0,1 Θέση Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 Σχήµα 4.7. Περιεχόµενη οργανική ουσία κατά τη διάρκεια δύο καλλιεργητικών περιόδων, του ηλίανθου και του αραβοσίτου, και της µη καλλιεργητικής περιόδου σε διαφορετικά βάθη.

104 Κεφάλαιο 4 ο Μετρήσεις του εδαφικού οργανικού αζώτου Η πραγµατική διαθεσιµότητα του οργανικού αζώτου στο έδαφος, εξαρτάται από την καλλιεργητική πρακτική, την εφαρµογή κοπριάς, την ενσωµάτωση των φυτικών υπολειµµάτων στο έδαφος, το ρυθµό µετασχηµατισµού του οργανικού αζώτου σε ανόργανη µορφή και τη µεταφορά του στο έδαφος. Η ανοργανοποίηση του οργανικού αζώτου είναι σηµαντική διαδικασία εµπλουτισµού µε αµµωνία, η οποία µε τη σειρά της νιτροποιείται παράγοντας νιτρικό άζωτο, που είναι η πιο διαλυτή µορφή αζώτου στο έδαφος (Deizman and Mostaghimi, 1991). ύο είναι οι παράγοντες µεγάλου ενδιαφέροντος όσον αφορά το µετασχηµατισµό των αζωτούχων χηµικών ενώσεων. Ένας παράγοντας είναι η µέγιστη ποσότητα του οργανικού αζώτου που µπορεί να µετασχηµατιστεί, γνωστή ως δυναµικά ανοργανοποιήσιµο άζωτο (potentially mineralizable N). Εξαρτάται από τις διαδικασίες της ανοργανοποίησης - ακινητοποίησης που σχετίζονται µε το λόγο (C/N) της οργανικής ουσίας. Ο τύπος του οργανικού αζώτου (λυµάτων, φυτικών υπολειµµάτων, χούµος) επίσης επηρεάζει το δυναµικά ανοργανοποιήσιµο άζωτο. Ένας δεύτερος παράγοντας υψηλής σηµασίας είναι ο ρυθµός ανοργανοποίησης. Ο ρυθµός αυτός εξαρτάται βασικά από τις συνθήκες που επικρατούν στο έδαφος και το περιβάλλον που επηρεάζουν την εξέλιξη της διαδικασίας στο έδαφος. Οι συνθήκες αυτές αφορούν την περιεχόµενη υγρασία, το καθεστώς του οξυγόνου, το ph, τη θερµοκρασία καθώς και τον τύπο του οργανικού αζώτου (Reddy et al., 1979). Στον πειραµατικό αγρό, πραγµατοποιήθηκαν προσδιορισµοί οργανικού αζώτου κάθε δύο µήνες καθ όλη την περίοδο διεξαγωγής του πειράµατος. Το Σχήµα 4.8 παρουσιάζει την κατανοµή του οργανικού αζώτου σε διαφορετικά βάθη. Μετά την πάροδο των δύο καλλιεργητικών περιόδων, του ηλίανθου του και του αραβοσίτου και της µη βλαστικής περιόδου, η ποσότητα του οργανικού αζώτου επηρεάστηκε από την καλλιεργητική πρακτική, τα φυτικά υπολείµµατα και την κατανοµή του νερού άρδευσης. Το ποσό του οργανικού αζώτου ήταν σε υψηλά επίπεδα στο επιφανειακό έδαφος, που δέχεται την επίδραση των καλλιεργητικών εργασιών.

105 Κεφάλαιο 4 ο 94 Ολικό N, mg/kg cm Θέση Θέση Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 Ολικό N, mg/kg cm Θέση Θέση Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 Ολικό N, mg/kg cm Θέση Θέση Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 Ολικό N, mg/kg cm Θέση Θέση Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 Σχήµα 4.8. Περιεχόµενο ολικού αζώτου κατά τη διάρκεια δύο καλλιεργητικών περιόδων, του ηλίανθου και του αραβοσίτου, και της µη καλλιεργητικής περιόδου σε διαφορετικά βάθη.

106 Κεφάλαιο 4 ο Μετρήσεις της αλατότητας του εδάφους Η συσσώρευση των διαλυτών αλάτων στο έδαφος συνδέεται άµεσα µε τη συγκέντρωση αλάτων στο αρδευτικό νερό (Somani, 1991). Πρόβληµα αλατότητας που συνδέεται µε την ποιότητα του νερού άρδευσης µπορεί να προκύψει αν η συνολική ποσότητα αλάτων στο νερό είναι σε τέτοια επίπεδα ώστε να αρχίσουν να συσσωρεύονται άλατα στη ζώνη του ριζοστρώµατος. Επιπρόσθετα, σύµφωνα µε τους Manchanda et al. (1993), σε περιοχές µε ετήσια βροχόπτωση µικρότερη από 250 mm, αλατούχα νερά (EC e > 4 ds/m) θα προκαλέσουν τοξικότητα αλάτων στην πλειοψηφία των καλλιεργειών. Σε περιοχές µε ετήσια βροχόπτωση που ξεπερνά τα 500 mm, είναι δυνατόν να χρησιµοποιηθεί νερό µε αγωγιµότητα ακόµα και 16 ds/m για ορισµένες καλλιέργειες. Έχουν προταθεί διάφορα συστήµατα ταξινόµησης της ποιότητας του νερού και των αλατούχων εδαφών (USSL Staff, 1954; Ayres and Wescot, 1985; Μισοπολινός, 1996). Έχοντας ως βάση τα συστήµατα αυτά, το νερό άρδευσης ταξινοµείται ανάλογα µε την ηλεκτρική του αγωγιµότητα (EC w ) και µε το δείκτη SAR, που εκφράζει τη δυνατότητα του νερού να εφοδιάζει την εναλλακτική φάση του εδάφους µε ιόντα νατρίου επηρεάζοντας µε αυτό τον τρόπο τη διηθητικότητα του εδάφους. Το SAR καθορίζεται από την ποσότητα του Na + σε σύγκριση µε το άθροισµα των συγκεντρώσεων Ca +2 και Mg +2. Για την κατάταξη της αλατότητας των εδαφών, η ηλεκτρική αγωγιµότητα του εκχυλίσµατος κορεσµού, µεγαλύτερη από 4 ds/m στους 25 o C, το ποσοστό ή κλάσµα εναλλακτικού νατρίου (ESP) µικρότερο από 15 και το ph ίσο ή µεγαλύτερο από 8,5, αποτελούν δείκτες αλατούχων εδαφών. Στον πειραµατικό αγρό, πραγµατοποιήθηκαν µετρήσεις της ηλεκτρικής αγωγιµότητας της πάστας κορεσµού (EC e ) κάθε 15 ηµέρες κατά τη βλαστική περίοδο του καλαµποκιού και του ηλίανθου και µηνιαίως κατά τη µη καλλιεργητική περίοδο. Το Σχήµα 4.9 παρουσιάζει την EC e του εδάφους όπως αυτή διαµορφώθηκε µε την εφαρµογή επεξεργασµένων λυµάτων, µε τη µέθοδο της στάγδην άρδευσης. Όπως φαίνεται από το σχήµα και σύµφωνα µε όσα σηµειώθηκαν παραπάνω σχετικά µε την κατάταξη των αλατούχων εδαφών, οι µετρήσεις της EC e φανερώνουν πρόβληµα αλατότητας µε αύξηση της αλατότητας κατά τη δεύτερη καλλιεργητική περίοδο, σε όλες τις στρώσεις του εδάφους. Μετά από δύο αρδευτικές περιόδους του ηλίανθου και του αραβοσίτου και τις χειµερινές βροχοπτώσεις που ακολούθησαν, η αλατότητα του εδάφους σε διάφορα

107 Κεφάλαιο 4 ο 96 βάθη επηρεάστηκε από την ποιότητα του νερού άρδευσης και την κατανοµή του εδαφικού νερού κατά την άρδευση. Έπειτα από την εφαρµογή 23.9 cm επεξεργασµένων λυµάτων κατά την καλλιεργητική περίοδο του ηλίανθου, η ποσότητα των διαλυτών άλατα σε συγκέντρωση περίπου ίση µε 3298 kg ha -1 συσσωρεύτηκε στη ζώνη του ριζοστρώµατος κατά την αρδευτική περίοδο. Με τα 31.4 cm της χειµερινής βροχόπτωσης κατέστη δυνατή η έκπλυση µέρους των αλάτων σε βαθύτερα εδαφικά στρώµατα. Τα αποτελέσµατα φανερώνουν ότι το νερό των χειµερινών βροχοπτώσεων ήταν επαρκές ώστε να µειώσει την αλατότητα στο βάθος του ριζοστρώµατος. Κατά τη διάρκεια της δεύτερης καλλιεργητικής περιόδου του αραβοσίτου, η ποσότητα των διαλυτών αλάτων ίση µε kg ha -1 προστέθηκαν µε την εφαρµογή 49.4 cm επεξεργασµένων λυµάτων κατά την αρδευτική περίοδο. Αυτό το ποσό αλάτων ήταν αρκετό για να αυξήσει εκ νέου την αλατότητα στο βάθος του ριζοστρώµατος. Είναι προφανές ότι κατά τη διάρκεια της άρδευσης τα άλατα ακολουθούν το υγρό µέτωπο και συσσωρεύονται βαθιά στο έδαφος. Με τον τρόπο αυτό διαµορφώθηκε ένα προφίλ αλατότητας. Οι Papadopoulos and Stylianou (1991) µελέτησαν την επίδραση που έχει η εφαρµογή επεξεργασµένων αστικών λυµάτων µε στάγδην άρδευση στις ιδιότητες του εδάφους, κατά τη διάρκεια τριών καλλιεργητικών περιόδων στον ηλίανθο. Κατέληξαν στο συµπέρασµα ότι σε διάφορα βάθη εδάφους και σε απόσταση από το σταλάκτη η EC e επηρεάστηκε από το αρδευτικό νερό και την κατανοµή της υγρασίας στο έδαφος κατά τη διάρκεια της αρδευτικής περιόδου. Αναφέρουν επίσης ότι τα 85 cm αρδευτικού νερού ήταν αρκετά για να διατηρήσουν την ηλεκτρική αγωγιµότητα του εδάφους κάτω από τους σταλάκτες, σε επίπεδα συγκρίσιµα µε την ηλεκτρική αγωγιµότητα των επεξεργασµένων λυµάτων (EC w ).

108 Κεφάλαιο 4 ο 97 EC e, ds/m cm Θέση 1 Θέση Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 EC e, ds/m 8 55 cm Θέση 1 7 Θέση Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 EC e, ds/m 9 85 cm Θέση 1 8 Θέση Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 EC e, ds/m 105 cm Θέση 1 7 Θέση Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 Σχήµα 4.9. Επίδραση του νερού των επεξεργασµένων λυµάτων, µέσω της στάγδην άρδευσης, στην αγωγιµότητα, σε διαφορετικά βάθη εδάφους κατά τη διάρκεια δύο βλαστικών περιόδων στον ηλίανθο και τον αραβόσιτο.

109 Κεφάλαιο 4 ο Μετρήσεις του ph του εδάφους Η οξύτητα του εδάφους παρατηρείται σε περιοχές όπου οι βροχοπτώσεις είναι αρκετά υψηλές ώστε να εκπλένονται σηµαντικά ποσά εναλλακτικών βάσεων από τα επιφανειακά στρώµατα του εδάφους. Η αλκαλικότητα επέρχεται σε ένα έδαφος όταν επικρατούν υψηλά επίπεδα κορεσµού µε βάσεις. Η παρουσία αλάτων, ειδικά ανθρακικού ασβεστίου, µαγνησίου και νατρίου, επίσης ενισχύει την κυριαρχία των ιόντων υδροξυλίου έναντι των ιόντων υδρογόνου, στο εδαφικό διάλυµα (Brady and Weil, 2002). Κάτω από τέτοιες συνθήκες ένα έδαφος είναι αλκαλιωµένο, και µερικές φορές ισχυρά, εξαιτίας της παρουσίας ανθρακικού νατρίου και ενός ph ίσο προς 9 ή 10. Τα αλκαλικά εδάφη είναι χαρακτηριστικά εδάφη των ξηρών και ξηροθερµικών περιοχών. Τα ιόντα υδρογόνου σε υψηλές συγκεντρώσεις δίνουν ένα πολύ χαµηλό ph στο εδαφικό διάλυµα και αποτελούν πιθανώς την κύρια πηγή υδρογόνου στα περισσότερα ισχυρώς όξινα εδάφη. ιαπιστώνεται ότι η επίδραση του προσροφηµένου υδρογόνου και αργιλίου έχει ως σκοπό την αύξηση των ιόντων υδρογόνου στο εδαφικό διάλυµα. Μια αξιοπρόσεκτη αλλαγή στο ph του εδάφους, υποδηλώνει καθαρά µια σηµαντική τροποποίηση στο περιβάλλον του εδάφους, ειδικά σε σχέση µε τη διαθεσιµότητα των θρεπτικών στοιχείων. Η νιτροποίηση και η δέσµευση του αζώτου στα ορυκτά της αργίλου λαµβάνουν χώρα έντονα σε ανόργανα εδάφη, µόνο σε τιµές ph µεγαλύτερες από 5,5. Πάντως, αν και ο ρυθµός της µειώνεται, η ανοργανοποίηση συνεχίζεται µε αξιοσηµείωτη ένταση εξαιτίας της δραστηριότητας των µυκήτων που είναι ικανοί να επηρεάζουν την ενζυµική αυτή µεταφορά σε πολύ όξινες συνθήκες. Στον πειραµατικό αγρό η µέτρηση του ph πραγµατοποιήθηκε µε την µέτρηση του στην πάστα κορεσµού. Το Σχήµα 4.10 φαίνεται η επίδραση του νερού των επεξεργασµένων λυµάτων στο ph του εδάφους, υπό συνθήκες στάγδην άρδευσης. Το ph του νερού άρδευσης ήταν ελαφρώς αλκαλικό (= 7.4). Το ph του εδάφους ελάχιστα επηρεάστηκε από την εφαρµογή της άρδευσης στο επιφανειακό έδαφος. Παρατηρήθηκε ότι το ph του εδάφους παρέµεινε σταθερό κατά την περίοδο διεξαγωγής του πειράµατος, ως αποτέλεσµα των ξηρών συνθηκών και του χαµηλού ύψους βροχοπτώσεων στην περιοχή.

110 Κεφάλαιο 4 ο ,5 25 cm Θέση 1 Θέση 2 Εδαφ. ph 8 7,5 7 6, Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 Εδαφ. ph 9,5 55 cm Θέση 1 9 Θέση 2 8,5 8 7,5 7 6, Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 Εδαφ. ph 9 85 cm Θέση 1 Θέση 2 8,5 8 7,5 7 6, Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 Εδαφ. ph 9 8,5 8 7,5 7 6,5 105 cm Θέση 1 Θέση Ηµέρα του έτους, 1/4/03-1/4/05 Σχήµα Επίδραση του νερού των επεξεργασµένων λυµάτων, µέσω της στάγδην άρδευσης, στο ph του εδάφους, σε διαφορετικά βάθη κατά τη διάρκεια δύο βλαστικών περιόδων στον ηλίανθο και τον αραβόσιτο.

111 Κεφάλαιο 4 ο Μετρήσεις στα φυτά ιάφορες χαρακτηριστικές παράµετροι της ανάπτυξης των φυτών µετρήθηκαν κατά τη διάρκεια της βλαστικής περιόδου του ηλίανθου και του αραβόσιτου. Οι παράµετροι αυτές αφορούν το δείκτη φυλλικής επιφάνειας (LAI), την κατανοµή και το βάθος των ριζών, την πρόσληψη του αζώτου από τα φυτά, το ύψος των φυτών και τον αριθµό των φύλλων. Οι παράµετροι που χρησιµοποιούνται συνήθως σε µοντέλα προσοµοίωσης της δυναµικής του νερού είναι ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας και η κατανοµή και το βάθος των ριζών. Ο LAI χρησιµοποιείται για την εκτίµηση των ποσοτήτων της εξάτµισης και της διαπνοής που συµµετέχουν στην εξατµισοδιαπνοή, ενώ η κατανοµή και το βάθος των ριζών χρησιµοποιούνται στον υπολογισµό της πρόσληψης του νερού από τα φυτά Μέτρηση του δείκτη φυλλικής επιφάνειας (LAI) Ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας (LAI), είναι µια αδιάστατη ποσότητα, και αντιπροσωπεύει την επιφάνεια των φύλλων ανά µονάδα επιφάνεια του εδάφους. Εκφράζεται δε ως m 2 φυλλικής επιφάνειας ανά m 2 εδάφους. Ο ενεργός LAI αποτελεί δείκτη του φυλλώµατος των φυτών που συµµετέχει ενεργά στη µεταφορά υδρατµών και ενέργειας. Αναφέρεται κυρίως στα ανώτερα τµήµατα ενός πυκνού φυλλώµατος, που δέχονται την ηλιακή ακτινοβολία. Οι τιµές του LAI διαφέρουν ευρέως από καλλιέργεια σε καλλιέργεια, αλλά οι συνήθεις τιµές του για πολλές καλλιέργειες στη φάση ωρίµανσης κυµαίνονται από 3 έως 5. Για µια δεδοµένη καλλιέργεια ο LAI µεταβάλλεται καθ όλη τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου και φυσιολογικά λαµβάνει τη µέγιστή του τιµή πριν ή κατά την άνθιση. Η ανάπτυξη και η διάρκεια της πράσινης φυλλικής επιφάνειας προσδιορίζει τη συγκράτηση της ηλιακής ακτινοβολίας από τα φυτά και κατά συνέπεια επηρεάζει τη φωτοσύνθεση, την εξατµισοδιαπνοή, την ανάπτυξη και την απόδοση των φυτών. Έχουν αναπτυχθεί διάφορες µέθοδοι για την µέτρηση του LAI, οι οποίες διακρίνονται σε άµεσες και έµµεσες. Στις άµεσες µεθόδους από ένα αριθµό φυτών που αποκόπτονται, αποχωρίζονται 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

112 Κεφάλαιο 4 ο 101 φυλλικής επιφάνειας. Στις έµµεσες µεθόδους ο LAI υπολογίζεται έµµεσα από µετρήσεις της ακτινοβολίας πάνω και κάτω από το φύλλωµα της καλλιέργειας ή από την ανάλυση της ηµισφαιρικής εικόνας (hemispherical image analysis method). Εναλλακτικά µε αυτές τις µεθόδους, πολλοί ερευνητές χρησιµοποίησαν την συνάρτηση του Gompertz ή λογιστικές συναρτήσεις για να περιγράψουν την αύξηση του LAI από τη βλάστηση έως τη µέγιστη τιµή (Koller et al., 1970; Baker et al., 1975; Αντωνόπουλος, 1999). Οι συναρτήσεις αυτές περιγράφουν µόνο την αύξηση του LAI κατά τη διάρκεια του σταδίου ανάπτυξης και όχι τη µείωση αυτού µετά τη µέγιστη τιµή. Η πρόβλεψη της µεταβολής του LAI για όλη τη χρονική διάρκεια της βλαστικής περιόδου, µπορεί να περιγραφεί µε µικρότερο βαθµό συσχέτισης µε πολυώνυµα διαφόρων βαθµών (Hunt and Parasons, 1974). Η µέθοδος του συστήµατος SunScan canopy analysis system (Potter et al., 1996) είναι µια από τις έµµεσες µεθόδους προσδιορισµού του LAI. Το σύστηµα µετρά τη φωτοσυνθετικά ενεργή ακτινοβολία και αποτελείται από τον ανιχνευτή SunScan, τον αισθητήρα BFS (Beam Fraction Sensor) και το τερµατικό συλλογής δεδοµένων. Το σύστηµα δεν περιορίζεται στην εκτίµηση της επιφάνειας του φυλλώµατος, αλλά και κάθε υπέργειου φυτικού µέρους καθώς και αυτά που συµµετέχουν στη δέσµευση ακτινοβολίας. Το πλεονέκτηµα του συστήµατος SunScan, έναντι των άλλων έµµεσων µεθόδων, είναι ότι οι µετρήσεις που γίνονται µε αυτό είναι ανεξάρτητες από την κατάσταση του ουρανού όσον αφορά στη νέφωση και δεν επηρεάζονται από τις παροδικές νεφώσεις. Επιπλέον µπορεί να υπολογίζει το LAI καθ όλη τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου. Στον πειραµατικό αγρό, πραγµατοποιήθηκαν µετρήσεις του LAI µε το σύστηµα SunScan canopy analysis πραγµατοποιούνταν κάθε δύο εβδοµάδες. Το Σχήµα 4.11 παρουσιάζει τις µετρήσεις του LAI της καλλιέργειας του ηλίανθου και του αραβοσίτου κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής τους περιόδου. Ο µέγιστος LAI του ηλίανθου ήταν 5.1 m 2 m -2 µετά τη πάροδο 65 ηµερών από τη σπορά µε πυκνότητα φυτών 53,000 φυτά ha -1. Για τον αραβόσιτο η µέγιστη τιµή του LAI ήταν 4.1 m 2 m -2 µε πυκνότητα φυτών 66,000 φυτά ha -1, σηµειώθηκε δε την 112 η ηµέρα από τη σπορά. Ο Cakir (2004) ανέφερε ότι ο LAI του καλαµποκιού µπορεί να αυξάνει µέχρι την 70 η έως και 80 η ηµέρα µετά τη βλάστηση και έπειτα να αρχίσει να µειώνεται καθώς τα παλαιότερα φύλλα µαραίνονται. Σε άλλα πειράµατα, αναφέρθηκαν µέγιστες τιµές LAI της τάξης των 4.5 m 2 m -2 (Antonopoulos, 2000), 5.5 m 2 m -2 (Gardiol et al., 2003) και 6.0 m 2 m -2 (Karam et al., 2003), µε πυκνότητες φυτών 66,000, 91,000 καθώς και

113 Κεφάλαιο 4 ο ,000 φυτά ανά εκτάριο, αντίστοιχα. Η διακύµανση αυτή του LAI σχετίζεται µε την πυκνότητα των φυτών και µε την καλλιεργούµενη ποικιλία. Στη βιβλιογραφία, υπάρχουν πολλές µελέτες στις οποίες έχει χρησιµοποιηθεί το σύστηµα SunScan canopy analysis system για την εκτίµηση του LAI, όπως για παράδειγµα σε καλλιέργεια αραβοσίτου (Wilhelm et al., 2000; Earl and Davis, 2003; Tsubo et al., 2003; Αλεξίου, 2005), για καλλιέργεια σόγιας (Singer, 2001; Nelson et al., 2002) και για καλλιέργεια ρυζιού (Lafitte and Coutois, 2002). LAI, m 2 /m (α) Ηµέρες από σπορά, 30/4/04 5,0 4,0 (β) LAI, m 2 /m 2 3,0 2,0 1,0 0, Ηµέρες από σπορά, 204/4/04 Σχήµα Μεταβολή του δείκτη φυλλικής επιφάνειας (LAI) κατά τη βλαστική περίοδο για α) ηλίανθο και β) αραβόσιτο Μέτρηση της κατανοµής και του βάθους του ριζικού συστήµατος Το βάθος του ριζικού συστήµατος καθορίζει το διαθέσιµο νερό στο εδαφικό προφίλ. Η µέτρηση του βάθους αυτού είναι επίπονη και κοπιαστική εργασία και το ακριβές οριακό βάθος είναι πολύ δύσκολο να προσδιοριστεί. Το µέγιστο βάθος από το οποίο µπορεί να προσληφθεί νερό δεν ταυτίζεται πάντα µε το µέγιστο βάθος στο

114 Κεφάλαιο 4 ο 103 οποίο µπορεί να φτάσει η ρίζα. Η πρόσληψη του νερού συνήθως θεωρείται αναλογική µε τη δραστηριότητα του ριζικού συστήµατος, την υδραυλική αγωγιµότητα και τη δυναµική ενέργεια κάθε στοιχειώδους όγκου εδάφους µε τις ίδιες ιδιότητες. Η κατανοµή και το βάθος του ριζικού συστήµατος εξαρτάται κυρίως από το είδος του φυτού, αλλά και άλλους παράγοντες όπως είναι οι συνθήκες του εδάφους, η άρδευση και η εφαρµογή λιπασµάτων. Οι συνθήκες του εδάφους αφορούν την παρουσία ιόντων αργιλίου, τοξικών στοιχείων, αλατότητας (υψηλή ηλεκτρική αγωγιµότητα), την υφή του εδάφους, τη συµπίεση του εδάφους, τη γονιµότητα, τη θερµοκρασία, τον αερισµό και την περιεχόµενη υγρασία. Η άρδευση µπορεί να επηρεάσει σηµαντικά τη διαµόρφωση και την ανάπτυξη του ριζικού συστήµατος. Η µέθοδος και το βάθος άρδευσης επηρεάζουν αµφότερα την κατανοµή και το βάθος του ριζικού συστήµατος. Η λιπαντική πρακτική και η ποσότητα του λιπάσµατος επίσης επηρεάζουν το ρυθµό ανάπτυξης του ριζικού συστήµατος. Η αλληλεπίδραση των παραπάνω παραγόντων µπορεί είτε να επηρεάσει την επιµήκυνση της κύριας ρίζας µε αποτέλεσµα να µειώσει το συνολικό βάθος του ριζικού συστήµατος, είτε να επηρεάσει την ανάπτυξη πλευρικών διακλαδώσεων µε αποτέλεσµα να µειώσει τον όγκο των ριζών. Πολλές µελέτες αναφέρουν για το βάθος του ριζικού συστήµατος του ηλίανθου ότι φτάνει και ξεπερνά τα 2.0 m, που είναι βαθύτερα σε σχέση µε άλλες ετήσιες καλλιέργειες όπως ο αραβόσιτος, το σόργο, η σόγια και το σιτάρι (Bremner et al., 1986; Rachidi et al., 1993; Dardanelli et al., 1997). Η µέγιστη πυκνότητα του ριζικού συστήµατος κατά µήκος, έχει παρατηρηθεί κατά την άνθηση (Sadras et al., 1989). Η µελέτη της κατακόρυφης κατανοµής των ριζών έδειξε ότι το 90% της πυκνότητας των ριζών ήταν συγκεντρωµένο στα πρώτα 0.40 m εδάφους (Sadras et al., 1989; Angadi and Entiz, 2002). Τα δεδοµένα της οριζόντιας κατανοµής έδειξαν ότι η πλειονότητα των ριζών ήταν συγκεντρωµένη στα ενδιάµεσα 0.20 m κατά µήκος της κύριας ρίζας. Τα µέγιστα βάθη του ριζικού συστήµατος αραβοσίτου, που δέχεται ικανοποιητικές ποσότητες νερού, είναι συνήθως µεταξύ 1.2 και 1.5 m (Mayaki et al., 1976; Robertson et al., 1980). Ο κύριος όγκος του ριζικού συστήµατος εντοπίζεται στα πρώτα cm εδάφους. Στη φυσιολογική ωριµότητα, οι Mayaki et al. (1976) παρατήρησαν ότι περίπου 64 και 92% της ξηράς ουσίας του ριζικού συστήµατος ήταν συγκεντρωµένο στα ανώτερα 30 και 90 cm εδάφους, αντίστοιχα, για αρδευόµενο αραβόσιτο σε έδαφος ιλυοπηλώδες. Άλλες µελέτες δείχνουν ότι η ξηρά ουσία των ριζών στα ανώτερα 30 cm αµµώδους εδάφους, µε µεταβλητό βάθος υπόγειας

115 Κεφάλαιο 4 ο 104 στάθµης, κυµαίνεται µεταξύ 69 έως 97% του συνόλου των ριζών (Follett et al., 1974). Τέτοιες παρατηρήσεις συνιστούν ότι το ριζικό σύστηµα του αραβοσίτου εξαρτάται σηµαντικά από το βάθος του εδαφικού προφίλ και τη διακύµανση του βάθους της υπόγειας στάθµης. Η πιο γρήγορη ανάπτυξη του ριζικού συστήµατος του αραβοσίτου συνήθως λαµβάνει χώρα τις πρώτες 8 εβδοµάδες µετά τη σπορά (Foth et al., 1969; Anderson, 1987). Η ανάπτυξη του ριζικού συστήµατος σε ήδη αναπτυγµένο φυτό αραβοσίτου γίνεται σε αργότερο ρυθµό σε σχέση µε την ανάπτυξη του υπέργειου µέρους (Mengel and Barber, 1974); µετά από το µετάξωµα η ανάπτυξη των ριζών µειώνεται (Mengel and Barber, 1974). Η µείωση στην ανάπτυξη του ριζικού συστήµατος µετά από το µετάξωµα, πιθανόν να οφείλεται στην υψηλή ζήτηση άνθρακα των σπαδίκων και κατ επέκταση στη µεταφορά του άνθρακα και του αζώτου των ριζών στους σπάδικες (Wiesler and Horst, 1993). Στον πειραµατικό αγρό, η κατανοµή και το βάθος του ριζικού συστήµατος του ηλίανθου και του αραβοσίτου προσδιορίζονταν κάθε δύο εβδοµάδες µε παρατήρηση του αποσπασµένου ριζικού συστήµατος, αφού είχε αποµακρυνθεί το έδαφος µε πλύσιµο. Στο Σχήµα 4.12 φαίνεται η µεταβολή του µέγιστου µετρηµένου βάθους κατακόρυφη του ριζικού συστήµατος του ηλίανθου και του αραβοσίτου, κατά τη βλαστική περίοδο των δύο καλλιεργειών. Η µέτρηση του βάθους του ριζικού συστήµατος του ηλίανθου έδειξε αύξηση του σε 43 cm σε 86 ηµέρες από τη σπορά µε τη µεγαλύτερη κατανοµή του στα πρώτα 30 cm εδάφους. Το ριζικό σύστηµα του αραβοσίτου παρατηρήθηκε να έχει αυξηθεί στα 58 cm σε 112 ηµέρες από τη σπορά µε τη µεγαλύτερη κατανοµή στα πρώτα 40 cm εδάφους.

116 Κεφάλαιο 4 ο 105 Βάθος ριζ. συστ., cm (α) Ηµέρες από σπορά, 30/4/ (β) Ηµέρες απ ό σπ ορά, 20/4/ Βάθος ριζ. συστ., cm Σχήµα Μεταβολή του µέγιστου µετρηµένου βάθους του ριζικού συστήµατος του α) ηλίανθου και β) αραβοσίτου Μετρήσεις της ξηράς ουσίας των φυτών και της απόδοσης σε καρπό Γενικά, το είδος της καλλιέργειας, η ποσότητα της λίπανσης και το εδαφικό νερό θεωρούνται ως οι κύριοι παράγοντες εισόδου που σχετίζονται µε τη συνολική βιοµάζα και την απόδοση σε καρπό. Η επίδραση της ποσότητας του λιπάσµατος στην παραγωγή έχει απασχολήσει πολλούς ερευνητές. Οι Asadi, et al. (2002) µελέτησαν την επίδραση των αζωτούχων λιπασµάτων στην έκπλυση των νιτρικών και στην απόδοση και κατέληξαν στο ότι η παραγωγή και η συνολική βιοµάζα αυξήθηκαν µε την προσθήκη αζώτου. Επιπρόσθετα, τα αποτελέσµατα της µελέτης αυτής έδειξαν ότι όταν εφαρµόστηκαν 150 kg N ha -1, η απόδοση ήταν η µέγιστη. Όταν εφαρµόστηκαν 200 kg N ha -1, η απόδοση ήταν η ίδια µε αυτή που ελήφθη όταν προστέθηκαν 150 kg N ha -1 και η έκπλυση των νιτρικών αυξήθηκε σε σχέση µε αυτή των 150 kg N ha -1.

117 Κεφάλαιο 4 ο 106 Η συνολική ξηρά ουσία της καλλιέργειας του ηλίανθου µελετήθηκε από τους Ferreira and Abreu (2001). Κατέληξαν στο ότι η συνολική ξηρά ουσία αυξήθηκε µε την πάροδο του χρόνου, φτάνοντας σε µέγιστο κατά την άνθιση ( ηµέρες µετά τη σπορά). Από την εµφάνιση της ταξιανθίας (64 ηµέρες µετά τη σπορά) µέχρι την άνθιση, η ταξιανθία και τα φυτικά µέρη (κορµός και φύλλα) αυξήθηκαν ταυτόχρονα, αλλά µετά την άνθιση, η βιοµάζα των φύλλων και του κορµού µειώθηκε ενώ η βιοµάζα της ταξιανθίας αυξήθηκε µέχρι την ωρίµανση, διαπιστώνοντας ότι η ταξιανθία συνέχισε να αυξάνεται χρησιµοποιώντας θρεπτικά στοιχεία που ήταν αποθηκευµένα στα φύλλα και στον κορµό. Παρόµοια αποτελέσµατα έδωσε και η µελέτη άλλων ερευνητών όπως οι Connor and Sadras (1992); Gimenes et al. (1994) και οι Fandrade (1995). Η επίδραση του καθεστώτος του νερού στην ξηρά ουσία και την παραγωγή του αραβοσίτου έχει µελετηθεί από πολλούς ερευνητές. Οι Yazar et al. (1999) κατέληξαν στο ότι η ξηρά ουσία και η παραγωγή του αραβοσίτου αυξήθηκαν σηµαντικά µε την άρδευση. Οι Jama and Ottman (1993) µελέτησαν την έλλειψη νερού κατά τη διάρκεια των αρχικών σταδίων έως την άνθιση και κατέληξαν στο ότι καθυστέρηση της άρδευσης κατά τα στάδια αυτά, προκαλεί µείωση στη συνολική ξηρά ουσία του αραβοσίτου. Αντίθετα µε τα παραπάνω, οι Doorenbos and Kassam (1979) αναφέρουν ότι ο αραβόσιτος είναι ιδιαίτερα ανθεκτικός σε έλλειψη νερού κατά το στάδιο της βλάστησης και κατά την ωρίµανση και ότι µεγαλύτερη µείωση στην παραγωγή προκαλείται από έλλειψη νερού κατά το στάδιο της άνθισης. Στον πειραµατικό αγρό, η µέτρηση της συνολικής ξηράς ουσίας διαφόρων µερών των φυτών (υπέργειο και ρίζες), πραγµατοποιούνταν κάθε δύο εβδοµάδες κατά τη διάρκεια της βλαστικής περιόδου. Τα φυτά ξηραίνονταν σε πυριατύριο στους 65 o C και στη συνέχεια ζυγιζόταν το βάρος της ξηράς ουσίας της φυτικής βιοµάζας. Ήταν εµφανές ότι το συνολικό ξηρό βάρος του ηλίανθου αυξανόταν µε την πάροδο του χρόνου και έφτασε τη µέγιστη τιµή του στην άνθιση (70 ηµέρες µετά τη σπορά). Η συνολική βιοµάζα του αραβοσίτου αυξήθηκε επίσης µε την πάροδο του χρόνου µέχρι το σχηµατισµό των σπαδίκων και στη συνέχεια µειώθηκε. Έπειτα από το σχηµατισµό των σπαδίκων η βιοµάζα των φύλλων και του κορµού µειώθηκε, ενώ αυτή των σπαδίκων αυξήθηκε µέχρι την ωρίµανση. Η µεταβολή της συνολικής βιοµάζας (υπέργειο και ρίζες) του ηλίανθου και του αραβοσίτου φαίνονται στο Σχήµα Ο καρπός του αραβοσίτου και η καλαµιά συγκοµίστηκαν την 13 η Σεπτεµβρίου. ύο τετραγωνικά µέτρα συγκοµίστηκαν από τρεις θέσεις του πειραµατικού αγρού. Οι

118 Κεφάλαιο 4 ο 107 σπάδικες αεροξηράθηκαν και ζυγίστηκαν χωριστά για κάθε θέση. Ολόκληρο το φυτό ξηράθηκε σε πυριατήριο στους 65 o C και ελήφθη η ξηρά ουσία του υπέργειου µέρους και των καρπών. Η υγρασία των σπόρων µετρήθηκε µε τη συσκευή Keller grain moisture/pm-600. Η µέση απόδοση αραβοσίτου (11,100 kg ha -1, 15% περιεχόµενη υγρασία) παρατηρήθηκε µε εφαρµογή 49.4 cm νερού επεξεργασµένων λυµάτων (που περιείχε 23.5 kg N ha -1 ) και 9.1 cm βροχόπτωσης καθώς και µε προσθήκη 500 kg N ha -1 κατά την καλλιεργητική περίοδο. Σε µια µελέτη που πραγµατοποιήθηκε σε ένα ιλυοαργιλοπηλώδες έδαφος, η µέση απόδοση αραβοσίτου (11,651 kg ha -1, 14% περιεχόµενη υγρασία) παρατηρήθηκε µε εφαρµογή 275 kg N ha -1 µε πυκνότητα φυτών 80,000 φυτά ha -1 (Dauden and Quilez, 2004). Ξηρά ουσία, kg/ha υπόγειο µέρος ρίζες σύν ολο Ηµέρες απ ό σπ ορά, 30/4/03 (α) Ξηρά ουσία, kg/ha υπόγειο µέρος ρίζες καρπός σύν ολο (β) Ηµέρες απ ό σπ ορά, 20/4/04 Σχήµα Συνολική βιοµάζα (υπέργειο µέρος και ρίζα) του α) ηλίανθου και β) αραβοσίτου.

119 Κεφάλαιο 4 ο Μετρήσεις της πρόσληψης αζώτου από τα φυτά Η διαθεσιµότητα του αζώτου στο έδαφος για πρόσληψη και κατά συνέπεια η αντίδραση των φυτών στην αζωτούχο λίπανση συνδέεται άµεσα µε τη διαθεσιµότητα του νερού στο έδαφος (Blamey et al., 1997; Connor and Hall, 1997). Ο Weiss (2000) θεωρεί ότι οι καιρικές συνθήκες µπορούν να επηρεάσουν ισχυρά την αντίδραση του ηλίανθου στην αζωτούχο λίπανση. Οι Ma et al. (1999) διεξήγαγαν µια έρευνα σε επίπεδο αγρού, µε σκοπό τη µελέτη της πρόσληψης αζώτου από την καλλιέργεια αραβοσίτου. Ανέφεραν ότι η πρόσληψη αζώτου του αραβοσίτου ήταν µόνο 10 έως 20% του συνολικού αζώτου στην τελική φυτοµάζα µέχρι το στάδιο των 6 φύλλων και ότι µετά από το στάδιο αυτό, η πρόσληψη αζώτου αυξήθηκε σηµαντικά µέχρι δύο εβδοµάδες µετά το µετάξωµα, η οποία υπολογίστηκε περίπου 50 έως 60% του συνολικού αζώτου στην τελική φυτοµάζα. Γενικά, κατά την άνθιση το φυτό λαµβάνει το 50 έως 75% του συνολικού του αζώτου; κατά την συγκοµιδή το άζωτο που προσλαµβάνεται πριν την άνθιση και αποθηκεύεται στα βλαστικά τµήµατα του φυτού ανακατανέµεται και ενσωµατώνεται στους καρπούς, καθώς µεγάλο µέρος του αζώτου των βλαστικών τµηµάτων χάνεται µεταξύ άνθισης και συγκοµιδής. Στον πειραµατικό αγρό, µετρήσεις πρόσληψης αζώτου πραγµατοποιούνταν κάθε δύο εβδοµάδες κατά την καλλιεργητική περίοδο του ηλίανθου και του αραβοσίτου. Χρειάστηκε 5 εβδοµάδες από τη βλάστηση ή το 25% της καλλιεργητικής περιόδου του αραβοσίτου για το στάδιο των 9 φύλλων, ωστόσο το ποσό του αζώτου που είχε προσληφθεί δεν ξεπερνούσε τα 0.94 kg N d -1 ha -1. Η πρόσληψη αυξήθηκε σηµαντικά από το στάδιο των 9 φύλλων µέχρι το σχηµατισµό των ταξιανθιών, µε την πρόσληψη 8 kg N d -1 ha -1 περίπου και µετά µειώθηκε. Η πρόσληψη του αζώτου κατά την καλλιεργητική περίοδο του ηλίανθου και του αραβοσίτου φαίνεται στο Σχήµα 4.14.

120 Κεφάλαιο 4 ο 109 Πρόσληψη Ν, kg/ha υπόγειο µέρος ρίζες σύν ολο (α) Ηµέρες απ ό σπ ορά, 30/4/03 Πρόσληψη Ν, kg/ha υπόγειο µέρος ρίζες καρπός σύν ολο Ηµέρες από σπορά, 20/4/04 (β) Σχήµα Πρόσληψη αζώτου από τα φυτά ως κλάσµα του συνολικού αζώτου σε διάφορα µέρη του φυτού, α) του ηλίανθου και β) του αραβοσίτου Φυτικοί συντελεστές καλλιέργειας Η δυναµική εξατµισοδιαπνοή της καλλιέργειας, ET p, υπολογίζεται από το γινόµενο του φυτικού συντελεστή της καλλιέργειας και της εξατµισοδιαπνοής αναφοράς, ET o. Η σχέση αυτή περιγράφεται από τους Allen et al. (1998) ως εξής: ET = K ET (4.3) p c o όπου: K c είναι ο φυτικός συντελεστής που εξαρτάται από το είδος της καλλιέργειας, τα στάδια ανάπτυξης, τις καιρικές συνθήκες και την εξάτµιση από το έδαφος. Κατά την ανάπτυξη της καλλιέργειας, µεταβάλλονται η εδαφοκάλυψη, το ύψος της καλλιέργειας και η επιφάνεια του φυλλώµατος. Εξαιτίας διαφορών στην εξατµισοδιαπνοή κατά τη διάρκεια των διαφορετικών σταδίων ανάπτυξης, ο K c δεδοµένης καλλιέργειας µεταβάλλεται κατά τη βλαστική περίοδο. Οι Allen et al.

121 Κεφάλαιο 4 ο 110 (1998) διαίρεσαν την βλαστική περίοδο σε τέσσερα διακριτά στάδια ανάπτυξης ως εξής: Αρχικό στάδιο: Το στάδιο αυτό αρχίζει µε τη σπορά ή φύτευση και φτάνει µέχρι την οριστική εγκατάσταση της καλλιέργειας. Κατά το στάδιο αυτό το ποσοστό κάλυψης του εδάφους είναι από µηδενικό µέχρι το πολύ ίσο µε 10%. Στάδιο ταχείας ανάπτυξης ή στάδιο κύριας βλάστησης: Το στάδιο αυτό αρχίζει µετά το τέλος του προηγούµενου σταδίου και τελειώνει µε την πλήρη κάλυψη του εδάφους από τα φυτά. Στάδιο µέσης περιόδου: Κατά το στάδιο αυτό η κάλυψη του εδάφους από τα φυτά είναι πλήρης και περιλαµβάνει την περίοδο ανθοφορίας και σχηµατισµού των καρπών. Τελικό στάδιο ή στάδιο ωρίµανσης: Το στάδιο αυτό ξεκινά από την ωρίµανση και τερµατίζεται µε τη συγκοµιδή. Στο αρχικό στάδιο η επιφάνεια των φύλλων είναι µικρή και κυριαρχεί η εξάτµιση από το έδαφος. Για το λόγο αυτό ο K c είναι µεγάλος κατά το αρχικό στάδιο όταν το έδαφος είναι υγρό από άρδευση ή βροχόπτωση και είναι µικρός όταν το έδαφος είναι στεγνό. Η διάρκεια των σταδίων ανάπτυξης του ηλίανθου και του αραβόσιτου δίνονται στον Πίνακα 4.9. Οι φυτικοί συντελεστές του ηλίανθου και του αραβόσιτου για το αρχικό στάδιο, το στάδιο µέσης περιόδου και το τέλος του τελικού σταδίου δίνονται στον Πίνακα Πίνακας 4.9. Η διάρκεια των σταδίων ανάπτυξης του ηλίανθου και του αραβόσιτου (Allen, et al., 1998). Καλλιέργεια Αρχικό στάδιο (ηµέρες) Στάδιο Ανάπτυξης (ηµέρες) Στάδιο Μέσης Περιόδου (ηµέρες) Τελικό στάδιο (ηµέρες) Σύνολο (ηµέρες) Ηλίανθος Αραβόσιτος Πίνακας Οι φυτικοί συντελεστές του ηλίανθου και του αραβόσιτου (Allen et al., 1998; Παπαζαφειρίου, 1999). Φυτικός Συντελεστής K ini K mid K end Ηλίανθος Αραβόσιτος

122 Κεφάλαιο 4 ο Μετρήσεις στο εργαστήριο Η συγκέντρωση του νιτρικού αζώτου (NO 3 -N) του εδάφους προσδιορίστηκε από το εκχύλισµα 5 g εδάφους αφού πρώτα ανακινήθηκε µε διάλυµα 50 ml KCl (2 M), για 1 ώρα. Η συγκέντρωση του νιτρικού αζώτου του εδαφικού εκχυλίσµατος και του νερού άρδευσης µετρήθηκαν µε σπεκτροφωτόµετρο UV Vis. Για το σκοπό αυτό µετρήθηκε η απορρόφηση στα 210 και 270 nm (Clesceri et al., 1989). Η ποσότητα του νιτρικού αζώτου µπορεί να εκτιµηθεί µε χρήση των τιµών των απορροφήσεων στις ακόλουθες σχέσεις: Για το εδαφικό εκχύλισµα: ( kg) ( ABS210 ABS270) ( 0.08) ( 0.084) 62 NO3 N mg / = (4.4) Για το αρδευτικό νερό: ( l) ( ABS210 ABS270) ( 0.046) 14 αραίωση ( 0.121) 62 NO3 N mg / = (4.5) όπου: ABS 210 και AΒS 270 είναι η απορρόφηση στα 210 και 270 nm, αντίστοιχα. Η συγκέντρωση του αµµωνιακού αζώτου (NH 4 -N) από το εκχύλισµα και από το νερό άρδευσης προσδιορίστηκε µε τη µέθοδο του σαλικυλικού οξέος και µετρήθηκε µε σπεκτροφωτόµετρο UV Vis στα 650 nm (Nelson, 1983). Η ποσότητα του αµµωνιακού αζώτου µπορεί να εκτιµηθεί µε χρήση της τιµής της απορρόφησης στις ακόλουθες σχέσεις: Για το εδαφικό εκχύλισµα: NH ABS N( mg / kg) = 10 (4.6) Για το αρδευτικό νερό: NH ABS N( mg / l) = αρααίωση (4.7) όπου: ABS 650 είναι η απορρόφηση στα 650 nm. Ο προσδιορισµός του οργανικού άνθρακα πραγµατοποιήθηκε µε εφαρµογή της υγρής οξείδωσης (Walkley and Black, 1934). Το ποσοστό της οργανικής ουσίας προκύπτει από το ποσοστό του οργανικού άνθρακα αν πολλαπλασιαστεί µε το 2, σύµφωνα µε τις παρακάτω εξισώσεις: S % Οργανικό C = 10 1 B (g/100 g) (4.8) W

123 Κεφάλαιο 4 ο 112 % Οργανική ουσία = 2 Οργανικό C (g/100 g) (4.9) όπου: S είναι ο όγκος του διαλύµατος 0.5 Ν FeSO 4 7H 2 O που απαιτείται για τη µεταβολή του χρώµατος του διαλύµατος του δείγµατος, B είναι ο αντίστοιχος όγκος για τη µεταβολή του χρώµατος του λευκού και W είναι το βάρος του εδάφους που προστίθεται στην κωνική φιάλη (1 g), 0.3 είναι ο συντελεστής µετατροπής 1 ml 1 N K 2 Cr 2 O 7 σε άνθρακα, 1.3 είναι ο συντελεστής που αναφέρεται στο πόσο τοις εκατό άνθρακας οξειδώθηκε λόγω της αποδοχής ότι µόνο το 77% κατά µέσο όρο του άνθρακα της οργανικής ουσίας οξειδώνεται µε τη µέθοδο αυτή. Το ολικό άζωτο του εδάφους και των φυτικών ιστών προσδιορίστηκε µε τη µέθοδο Kjeldahl (Bremner, 1965). Η ποσότητα του ολικού αζώτου, τόσο του εδάφους, όσο και των φυτικών ιστών εκτιµήθηκε µε την ακόλουθη εξίσωση: B S N = (g/100 g) (4.10) % Ολικό N ( ) W όπου: Β είναι ο όγκος του διαλύµατος H 2 SO 4 του δείγµατος, S ο όγκος του διαλύµατος H 2 SO 4 του λευκού, W είναι το βάρος του εδαφικού δείγµατος και Ν είναι η κανονικότητα του διαλύµατος (= 0.025Ν για έδαφος και = 0.1 Ν για φυτά). Η συγκέντρωση του νατρίου (Na) του αρδευτικού νερού προσδιορίστηκε µε το φλογοφωτόµετρο, ενώ το ασβέστιο (Ca) και το µαγνήσιο (Mg) προσδιορίστηκαν µε το σπεκτροφωτόµετρο Ατοµικής Απορρόφησης. Η ηλεκτρική αγωγιµότητα του εδάφους (EC e ) µετρήθηκε από το εκχύλισµα της πάστας κορεσµού 100 g εδάφους και το ph του εδάφους µετρήθηκε µε χρήση του phµέτρου (Αλεξιάδης, 1967).

124 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΥΝΑΜΙΚΗΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΚΑΙ TOY ΑΖΩΤΟΥ ΣTΟ Ε ΑΦΟΣ ΑΓΡΟΥ ΚΑΛΛΙΕΡΓΗΜΕΝΟΥ ΜΕ ΗΛΙΑΝΘΟ 5.1. Εισαγωγή Σκοπός του παρόντος κεφαλαίου, είναι η µελέτη της δυναµικής του νερού και του αζώτου, στο έδαφος του πειραµατικού αγρού κατά την περίοδο ανάπτυξης του ηλίανθου και την επακόλουθη µη-καλλιεργητική περίοδο, για συνολικό διάστηµα ενός έτους. Το µαθηµατικό µοντέλο WANISIM χρησιµοποιήθηκε για την προσοµοίωση. Τα λύµατα του σταθµού επεξεργασίας της Θεσσαλονίκης χρησιµοποιήθηκαν για την άρδευση της καλλιέργειας. Άζωτο προστέθηκε στον αγρό µε τα επεξεργασµένα λύµατα και από την εφαρµογή αζωτούχου λίπανσης. Η βαθµονόµηση και η επιβεβαίωση του µοντέλου έγινε κάτω από δύο διαφορετικές προσεγγίσεις της εφαρµογής του νερού και του αζώτου µε τη µέθοδο στάγδην άρδευσης. Σκοπός της έρευνας είναι η µελέτη των επιπτώσεων της αζωτούχου λίπανσης στην απόδοση των καλλιεργούµενων φυτών, την γονιµότητα του εδάφους και την ρύπανση των υπόγειων υδάτων, τόσο από την εφαρµογή του ανόργανου λιπάσµατος όσο και από την εφαρµογή επεξεργασµένων αστικών λυµάτων. Επίσης, έγινε διερεύνηση της επίδρασης της έλλειψης νερού σε συνδυασµό µε την αλατότητα, στην πρόσληψη του νερού από τις ρίζες κατά την περίοδο ανάπτυξης των φυτών. Η αποδοτικότητα του µοντέλου αξιολογήθηκε µε τη χρήση ποιοτικών και ποσοτικών µεθόδων. Οι µεν ποιοτικές αποτελούνται από τη σύγκριση των παρατηρούµενων στο πεδίο τιµών, µε αυτές που προέκυψαν από την εφαρµογή του µοντέλου, σε σχέση µε το χρόνο και το βάθος τού εδάφους. Οι ποσοτικές µέθοδοι περιλαµβάνουν την εφαρµογή κριτηρίων στατιστικής ανάλυσης, µεταξύ των παρατηρήσεων πεδίου και των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης.

125 Κεφάλαιο 5 ο Τα προβλήµατα της προσοµοίωσης σε εδάφη αρδευόµενα µε σταλακτήρες Κατά την άρδευση του εδάφους µε σταλακτήρες η διύγρανση του εδάφους γίνεται σφαιρικά γύρω από κάθε σταλακτήρα. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα την διύγρανση του εδάφους σε κάθε σειρά σταλακτοφόρων µε την µορφή ζώνης µέσα στην οποία το πλάτος και το βάθος της ζώνης αυτής µεταβάλλεται µε το χρόνο. Στην πρακτική των δειγµατοληψιών στον αγρό, δείγµατα εδάφους λαµβάνονται στο µέσο µεταξύ γραµµών των φυτών ή πάνω στη γραµµή των φυτών ή µεταξύ των σταλακτοφόρων αγωγών. Η δειγµατοληψία εδάφους για τον προσδιορισµό της εδαφικής υγρασίας και των συγκεντρώσεων του αζώτου, στον πειραµατικό αγρό, γίνονται στο µέσο της απόστασης µεταξύ σταλακτοφόρων αγωγών και γραµµών των φυτών. Η διδιάστατη κίνηση και διαβροχή του εδάφους γύρω από τον σταλακτοφόρο αγωγό και η µη οµοιόµορφη οριζόντια διάβροχή του εδάφους δηµιουργεί προβλήµατα σύγκρισης και αντιπροσωπευτικότητας των τιµών των δειγµάτων του εδάφους από το µέσο µεταξύ σταλακτοφόρων και γραµµής των φυτών. Η προσοµοίωση προβληµάτων που είναι τρισδιάστατη στην φύση της θα πρέπει ναι γίνεται µε τρισδιάστατα µαθηµατικά µοντέλα. Είναι γνωστό ότι υπό συνθήκες στάγδην άρδευσης, η κίνηση του νερού και η µεταφορά µάζας στο έδαφος είναι τρισδιάστατο πρόβληµα. Το HYDRUS-2D είναι τρισδιάστατο µαθηµατικό µοντέλο το οποίο περιγράφει τη κίνηση του νερού, τη µεταφορά µάζας και την πρόσληψη του νερού και του αζώτου από τα φυτά (Simunek, et al., 1999). Οι Cote et al. (2003) και οι Li et al. (2005) χρησιµοποίησαν το HYDRUS-2D για την προσοµοίωση της εδαφικής υγρασίας και της µη ενεργητικής µεταφοράς διαλυτών ουσιών χωρίς όµως της χρήση πειραµατικών δεδοµένων πεδίου για την επαλήθευση των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης. Η πολυπλοκότητα των τρισδιάστατων µοντέλων και η έλλειψη πειραµατικών δεδοµένων πεδίου είναι ο λόγος για την ευρεία χρήση των µονοδιάστατων µοντέλων για την περιγραφή της κίνησης του νερού και τη µεταφορά µάζας στο έδαφος. Το µοντέλο WANISIM που χρησιµοποιήθηκε για τις προσοµοίωσης είναι µονοδιάστατο στην κατακόρυφη διεύθυνση και είναι κατάλληλο για την προσοµοίωση του νερού και του αζώτου σε εδάφη, όπου τόσο η εφαρµογή του νερού όσο και η λίπανση γίνεται οµοιόµορφα στην επιφάνεια του εδάφους, π.χ. µε τις επιφανειακές µεθόδους και τον καταιονισµό.

126 Κεφάλαιο 5 ο 115 Προβλήµατα δεν υπάρχουν µόνο από την εφαρµογή ενός µονοδιάστατου µοντέλου και της σύγκριση των αποτελεσµάτων µε τις µετρήσεις, άλλα και στον προσδιορισµό του ισοζυγίου του νερού και τον προγραµµατισµό των αρδεύσεων µε τη µέθοδο στάγδην άρδευσης, όταν οι µετρήσεις εδαφικής υγρασίας προέρχονται µόνο από µία θέση στον αγρό. Από τη σύγκριση των αποτελεσµάτων του µοντέλου WANISIM και των µετρήσεων µετά τα παραπάνω αναµένεται να υπάρχει ασυµφωνία. Ένας από τους στόχους της διατριβής, µετά από αυτά ήταν να προσδιοριστεί η ικανότητα ενός µονοδιάστατου µοντέλου να εκτιµά το ισοζύγιο του νερού και του αζώτου και τον προγραµµατισµό των αρδεύσεων. Επίσης η αξιολόγηση της διαδικασίας δειγµατοληψιών εδάφους ή µετρήσεων σε µία θέση ανάµεσα στους σταλακτοφορούς ή τις γραµµές των φυτών πού θα είναι πιο αντικειµενικές και θα µπορούν µε ασφάλεια να χρησιµοποιούνται για τον προγραµµατισµό των αρδεύσεων. Μετά από όλα τα προηγούµενα χρησιµοποιήθηκαν δύο προσεγγίσεις εφαρµογής του µοντέλο WANISIM στο έδαφος του αγρού µε εφαρµογή του νερού µε τη στάγδην άρδευση, που αναλύονται παρακάτω Κατακόρυφη και οριζόντια κατανοµή νερού κάτω από σταλακτήρα Η µορφή του εδαφικού όγκου που υγραίνεται, κατά την εφαρµογή της στάγδην άρδευσης, είναι εξαιρετικής σηµασίας. Όταν οι σταλακτήρες λειτουργούν, το νερό απλώνεται υγραίνοντας την επιφάνεια του εδάφους, και η έκταση της υγρής περιοχής είναι περιορισµένη και εξαρτάται από το ρυθµό παροχής του σταλακτήρα, τον τύπο του εδάφους και τα χαρακτηριστικά του που επηρεάζουν τη διήθηση. Η µορφή του εδαφικού όγκου που έχει υγρανθεί µπορεί να προσδιοριστεί µε µετρήσεις απευθείας ή µε προσοµοίωση. Υπάρχουν αρκετά µοντέλα που επιτρέπουν την εκτίµηση της µορφής του υγρού εδαφικού όγκου, ως αποτέλεσµα της στάγδην άρδευσης (Schwartzman and Zur, 1986; Camp, 1998; Li et al., 2003, 2004). Η µορφή του όγκου του εδάφους που υγραίνεται, περιγράφεται κατά τον καλύτερο τρόπο από το βάθος ύγρανσης και τη διάµετρο διαβροχής, όπως αυτή µετράται στα πλατύτερα σηµεία της. Οι Schwartzman and Zur (1986) έδωσαν µια µέθοδο υπολογισµού του διαβρεχόµενου, από τους σταλακτήρες, όγκου του εδάφους. Σύµφωνα µε αυτούς, η κατανόηση των φυσικών νόµων που διέπουν την κίνηση του εδαφικού νερού γύρω από τους σταλακτήρες, προϋποθέτει ότι ο εδαφικός όγκος που

127 Κεφάλαιο 5 ο 116 θα υγρανθεί στο τέλος της άρδευσης, εξαρτάται από τον τύπο του εδάφους, την παροχή του σταλακτήρα και το συνολικό νερό που περιέχει το έδαφος. Ο τύπος του εδάφους αντιπροσωπεύεται από την κορεσµένη υδραυλική αγωγιµότητα. Το βάθος της υγρής ζώνης (z) και η βρεχόµενη περίµετρος (d) προσδιορίστηκαν από τις ακόλουθες εξισώσεις (Schwartzman and Zur, 1986) z d K s = 1.48 (5.1) ( V) ( V) q K s = 2.34 (5.2) q όπου: z και d είναι το βάθος της υγρής ζώνης και διάµετρος διαβροχής (cm), αντίστοιχα, V είναι ο όγκος του νερού που εφαρµόστηκε µε την άρδευση (mm), q η παροχή του σταλακτήρα (l/h) και K s η κορεσµένη υδραυλική αγωγιµότητα (mm/h) Εφαρµογή του µοντέλου ιάφορες πρακτικές µπορούν να χρησιµοποιηθούν για τη µείωση του ύψους του νερού άρδευσης κατά την εφαρµογή του µοντέλου. Μία από αυτές είναι η µείωσή του κατά 10%, 20%, 30%, κ.λπ., κατά τη διαδικασία της ρύθµισης, έως ότου αποκτηθεί η ελάχιστη διαφορά µεταξύ των υπολογισµένων και µετρηµένων τιµών εδαφικής υγρασίας. Μια άλλη πρακτική έχει να κάνει µε τον προσδιορισµό του όγκου του εδάφους που έχει υγρανθεί. Σύµφωνα µε αυτή, η µείωση του ύψος νερού άρδευσης προκύπτει από τον πολλαπλασιασµό του ποσοστού του εδαφικού όγκου, που έχει υγρανθεί από τους σταλακτήρες, µε το συνολικό ύψος νερού στο τέλος του εκάστοτε περιστατικού άρδευσης. Το µοντέλο WANISIM χρησιµοποιήθηκε για την προσοµοίωση της δυναµικής του νερού και αζώτου στο έδαφος για την καλλιεργητική περίοδο του ηλίανθου και την επακόλουθη µη-καλλιεργητική περίοδο, για συνολικό χρονικό διάστηµα από τον Απρίλιο του έτους 2003 έως τον Μάρτιο του Στο έδαφος, εφαρµόστηκε άζωτο κατά την περίοδο της σποράς µε τη µορφή ανόργανου αζωτούχου λιπάσµατος και στη συνέχεια µε το περιεχόµενο στα επεξεργασµένα αστικά λύµατα κατά τη διάρκεια της αρδευτικής περιόδου. Το µοντέλο δίνει αποτελέσµατα σε καθηµερινή βάση. Με σκοπό να βελτιωθούν οι συνθήκες προσοµοίωσης της δυναµικής του νερού υπό

128 Κεφάλαιο 5 ο 117 συνθήκες στάγδην άρδευσης, το µοντέλο εφαρµόσθηκε για δύο διαφορετικές προσεγγίσεις της εφαρµογής του αρδευτικού νερού. Πρώτη προσέγγιση: Σ αυτή την περίπτωση το ύψος του νερού και η ποσότητα του άζωτου που εφαρµόστηκε µε τη λίπανση θεωρείται ότι εφαρµόστηκαν οµοιόµορφα στην επιφάνεια του εδάφους. Μ αυτή την προσέγγιση η κίνηση του νερού και η µεταφοράς µάζας είναι µονοδιάστατη και µπορεί να χρησιµοποιηθεί στο µοντέλο WANISIM. Οι ποσότητες νερού και αζώτου που εφαρµόστηκαν στο έδαφος θεωρούνται µεταβλητές εισόδου για το WANISIM. εύτερη προσέγγιση: Το µοντέλο εφαρµόστηκε έπειτα από µείωση της αρδευτικής δόσης του αρδευτικού νερού. Στην περίπτωση αυτή, το ύψος νερού άρδευσης µειώθηκε κατά τη διάρκεια της προσοµοίωσης, εξαρτώµενο από τον εδαφικό όγκο που έχει υγρανθεί. Η µείωση της αρδευτικής δόσης έχει ως στόχο την αύξηση της οµοιόµορφης κατανοµής του νερού στο έδαφος, µε συνέπεια την καλύτερη προσοµοίωση της περιεχόµενης εδαφικής υγρασίας κάτω από τους σταλακτήρες. Τα αντίστοιχα βάθη άρδευσης κατά την πρώτη και τη δεύτερη προσέγγιση φαίνονται στον Πίνακα 5.1. Πίνακας 5.1. Ύψος νερού άρδευσης κατά την πρώτη και τη δεύτερη προσέγγιση του µοντέλου για την περίπτωση της καλλιέργειας του ηλίανθου. Άρδευση Ηµέρα του Ύψος νερού άρδευσης (cm) έτους Πρώτη προσέγγιση εύτερη προσέγγιση Σύνολο Ρύθµιση του µοντέλου για τη δυναµική του εδαφικού νερού Κατά τη ρύθµιση, οι παράµετροι της ανάπτυξης του φυτού (δείκτης φυλλικής επιφάνειας (LAI), βάθος ριζοστρώµατος και κατανοµή των ριζών), καθώς και οι παράµετροι της χαρακτηριστικής καµπύλης και η κορεσµένη υδραυλική αγωγιµότητα

129 Κεφάλαιο 5 ο 118 ορίστηκαν ίσες µε τις τιµές οι οποίες µετρήθηκαν στο πεδίο και χρησιµοποιήθηκαν στην προσοµοίωση, τόσο κατά την πρώτη όσο και κατά τη δεύτερη προσέγγιση του µοντέλου. Οι παράµετροι της συνάρτησης πρόσληψης νερού από τις ρίζες, το ύψος πίεσης στην υδατοϊκανότητα (h fc ) και στο κρίσιµο επίπεδο (h c ) προσδιορίστηκαν µετά από την απόκτηση της ελάχιστης δυνατής διαφοράς µεταξύ των µετρηµένων και υπολογισµένων τιµών της εδαφικής υγρασίας. Οι τιµές του ύψους πίεσης, για τη συνάρτηση του περιοριστικού παράγοντα a(h) της πρόσληψης νερού από τις ρίζες, ορίστηκαν ίσες µε h a = -10 cm, h fc = -200 cm, h c = cm και h pwp = cm και χρησιµοποιήθηκαν κατά την προσοµοίωση στις δύο προσέγγισες του µοντέλου Η δυναµική του νερού στο έδαφος Η εδαφική υγρασία µετρήθηκε µε τη σταθµική µέθοδο και µέσω της µέτρησης της φαινόµενης πυκνότητας προσδιορίστηκαν οι τιµές της υγρασίας κατ όγκο. Κατά την περίοδο ανάπτυξης των φυτών έγιναν 7 αρδεύσεις συνολικά, οι οποίες επαναλαµβάνονται περίπου κάθε 5 ήµερες της περίοδο των αρδεύσεων. Η συνολική ποσότητα αρδευτικού νερού κατά την περίοδο ανάπτυξης του ηλίανθου, ήταν cm. Η δε βροχόπτωση κατά την ίδια περίοδο έφτασε τα cm και για ολόκληρη την περίοδο προσοµοίωσης τα cm. Η δυναµική του εδαφικού νερού υπολογίστηκε µε την εφαρµογή του µοντέλου WANISIM για δύο διαφορετικά ύψη νερού άρδευσης. Τα συνολικά ύψη νερού άρδευσης ήταν και cm για την πρώτη και τη δεύτερη προσέγγιση του µοντέλου, αντίστοιχα. Τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης για τη δυναµική του εδαφικού νερού αξιολογήθηκαν µε βάση την κατανοµή του νερού στο έδαφος, την αποθήκευσή του στο εδαφικό προφίλ και τις συνιστώσες το ισοζυγίου του νερού, για τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου του ηλίανθου και την ακόλουθη µηκαλλιεργητική περίοδο. Τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης, εκτός της περιεχόµενης εδαφικής υγρασίας, παρουσιάστηκαν και αξιολογήθηκαν βάση της πρώτης προσέγγισης του µοντέλου. Τα δε αποτελέσµατα για την περιεχόµενη εδαφική υγρασία αξιολογήθηκαν βάση των αποτελεσµάτων και των δύο προσεγγίσεις του µοντέλου.

130 Κεφάλαιο 5 ο Εκτίµηση της εδαφικής υγρασίας κατά την πρώτη προσέγγιση Στα διαγράµµατα του Σχήµατος 5.1 φαίνονται οι µετρηµένες τιµές της εδαφικής υγρασίας και οι υπολογισµένες από το µοντέλο WANISIM τιµές, κατά την περίοδο ανάπτυξης του ηλίανθου και την επακόλουθη µη καλλιεργητική περίοδο κατά την πρώτη προσέγγιση του µοντέλου για τα βάθη 25, 55, 85, και 105 cm. Η σύγκριση µεταξύ των υπολογισµένων τιµών και των πειραµατικών µετρήσεων φανερώνει ότι το µοντέλο µπορεί να παρακολουθήσει τη χρονική διακύµανση της περιεχόµενης εδαφικής υγρασίας, από την επιφάνεια έως τη βάση του εδαφικού προφίλ. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια της περιόδου προσοµοίωσης παρατηρήθηκε κάποια υπερεκτίµηση των υπολογισµένων τιµών σε σχέση µε τις πειραµατικές µετρήσεις. Κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου, η άρδευση µε σταγόνες και η σταθµική µέθοδος προσδιορισµού της εδαφικής υγρασίας, ευθύνονται σηµαντικά για την ασυµφωνία µεταξύ των πειραµατικών µετρήσεων και των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης. Το νερό που προήλθε από την στάγδην άρδευση παρέµενε σε µια σχετικά στενή ζώνη γύρω από τους σταλακτήρες, ενώ οι µετρήσεις της εδαφικής υγρασίας γινόταν κάθε φορά σε διαφορετικά σηµεία µεταξύ των γραµµών των φυτών και των σταλακτήρων, που δεν περιείχαν τον ίδιο όγκο νερού. Το γεγονός αυτό αυξάνει την ασυµφωνία µεταξύ µετρηµένων και προσοµοιωµένων τιµών της εδαφικής υγρασίας. Εάν η µέτρηση της εδαφικής υγρασία γενόταν µε τη µέθοδο του TDR, η ασυµφωνία αυτή θα µπορούσε να είναι µικρότερη. Η περίοδος από την ηµέρα του έτους 301 έως την 451 αντιστοιχεί στη µη καλλιεργητική, βροχερή περίοδο του έτους. Κατά την περίοδο αυτή, το µοντέλο WANISIM, αναµένεται να περιγράψει την περιεχόµενη εδαφική υγρασία µε µεγαλύτερη ακρίβεια. Αυτό οφείλεται κυρίως σε µεγαλύτερη οµοιοµορφία κατανοµής του νερού των βροχών στο έδαφος. Σε αντίθεση ωστόσο, η ασυµφωνία µεταξύ των υπολογισµένων και µετρηµένων τιµών ήταν αυξηµένη. Πιθανή εξήγηση του παραπάνω προβλήµατος είναι ότι η υφή του εδάφους είναι ιδιαίτερα ετερογενής από σηµείο σε σηµείο µέσα στον αγρό, ενώ το µοντέλο θεωρεί κάθε στρώση εδάφους του αγρού οµογενή. Η διήθηση του εδαφικού νερού και η πρόσληψη του από τις ρίζες πραγµατοποιούνται κυρίως στη επιφανειακή στρώση του εδάφους, όπου και αναµένονται µεγαλύτερες διακυµάνσεις της υγρασίας. Το περιεχόµενο στο έδαφος

131 Κεφάλαιο 5 ο 120 0,4 25 cm θ, cm 3 /cm 3 0,3 0,2 0,1 Υπολο Μετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 0,4 55 cm θ, cm 3 /cm 3 0,3 0,2 0,1 Υπολο Μετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 0,5 85 cm 0,4 θ, cm 3 /cm 3 0,3 0,2 0,1 Υπολο Μετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 0,3 105 cm Υπολο Μετρη θ, cm 3 /cm 3 0,2 0, Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 Σχήµα 5.1. Σύγκριση µεταξύ των αποτελεσµάτων προσοµοίωσης (συνεχείς γραµµές) και µετρήσεων (σηµεία) για τις τιµές της περιεχόµενης εδαφικής υγρασίας σε βάθη 25, 55, 85 και 105 cm. Τα παραπάνω αφορούν την πρώτη προσέγγιση του µοντέλου. Σηµ.: Οι µετρηµένες τιµές αποτελούνται από δύο επαναλήψεις.

132 Κεφάλαιο 5 ο 121 νερό αυξάνει µε την βροχόπτωση και την άρδευση, ενώ µειώνεται µε την εξατµισοδιαπνοή. Ο ρυθµός µείωσης της εδαφικής υγρασίας είναι µικρότερος κατά την πρώτη περίοδο ανάπτυξης της καλλιέργειας, αυξάνεται κατά τη µέση περίοδο, για να ελαττωθεί και πάλι στην τελευταία περίοδο της καλλιέργειας. Το µοντέλο δεν ήταν σε θέση να αναπαράγει το ποσό της υγρασίας που προήλθε λόγω βροχόπτωσης, ιδιαίτερα κατά την περίοδο ανάπτυξης των φυτών. Η πιθανή εξήγηση για την υπερεκτίµηση αυτή σχετίζεται µε τη συγκράτηση του νερού από το φύλλωµα της καλλιέργειας και κατ επέκταση µε την αδυναµία του να φτάσει στην επιφάνεια του εδάφους, η οποία αγνοήθηκε από το µοντέλο. Η επίπτωση του κρίσιµου επιπέδου του ύψους πίεσης (h c ), στη συνάρτηση του περιοριστικού παράγοντα a(h) της πρόσληψης νερού από τις ρίζες, για την προσοµοίωση του περιεχόµενου εδαφικού νερού δείχνει ότι όταν χρησιµοποιείται η τιµή h c = cm, η πρόσληψη που υπολογίζεται είναι µεγαλύτερη, συγκριτικά µε τις τιµές h c = cm και h c = cm. Η διαφοροποίηση αυτή, όµως, δεν έχει σηµαντική επίδραση σε σχέση µε την κατανοµή της εδαφικής υγρασίας. Σύγκριση µεταξύ των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης για διαφορετικές τιµές της εµπειρικής παραµέτρου c της συνάρτησης κατανοµής του ριζικού συστήµατος (εξ. 3.13), ίσες µε 0.2, 0.2 και 0.5, δείχνει ότι δεν υπάρχει σηµαντική διαφοροποίηση στην πρόσληψη του νερού, η οποία υπολογίζεται για διαφορετικές τιµές της εµπειρικής παραµέτρου. Το γεγονός αυτό σχετίζεται κυρίως µε το µικρό βάθος κατανοµής και τη µικρή διακύµανση του βάθους των ριζών κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου Εκτίµηση της εδαφικής υγρασίας κατά τη δεύτερη προσέγγιση Στη δεύτερη εφαρµογή του µοντέλου, εφαρµόστηκε µικρότερο ύψος νερού άρδευσης σε σχέση µε αυτό της πειραµατικής περιόδου. Το συνολικό ύψος νερού άρδευσης κατά τη διάρκεια της προσοµοίωσης της δεύτερης προσέγγισης ήταν cm, ενώ το αντίστοιχο κατά την πειραµατική περίοδο ήταν cm. Η µείωση του ύψους νερού άρδευσης κατά τη δεύτερη προσέγγιση του µοντέλου αποτέλεσε υπόθεση µε σκοπό να κατανεµηθεί οµοιόµορφα ο όγκος του νερού άρδευσης γύρω και κάτω από τους σταλακτήρες, παρακάµπτοντας έτσι τα προβλήµατα του ιδιόµορφου τρόπου διήθησης του νερού όταν εφαρµόζεται µε στάγδην άρδευση (Σχήµα 4.1).

133 Κεφάλαιο 5 ο 122 Στα διαγράµµατα του Σχήµατος 5.2 φαίνονται οι τιµές της εδαφικής υγρασίας, κατά τη δεύτερη προσέγγιση του µοντέλου, όπως αυτές προσδιορίστηκαν από µετρήσεις πεδίου και προσοµοίωση για τα βάθη 25, 55, 85, και 105 cm. Οι τιµές της εδαφικής υγρασίας που προκύπτουν από την εφαρµογή του µοντέλου, είναι σε ικανοποιητική συµφωνία µε τις αντίστοιχες τιµές που προκύπτουν από τις µετρήσεις, για το εκάστοτε βάθος. Οι πειραµατικές και υπολογισµένες τιµές της εδαφικής υγρασίας κατά τη δεύτερη εφαρµογή του µοντέλου, παρουσιάζουν καλύτερη συµφωνία από ότι οι αντίστοιχες τιµές κατά τη πρώτη εφαρµογή όπως φαίνεται στο Σχήµα 5.3. Το γεγονός αυτό οφείλεται κυρίως στην παραδοχή ότι η κατακόρυφη στήλη του εδάφους, όπου γινόταν οι µετρήσεις, δεχόταν µικρότερο ύψος νερού άρδευσης που αντιστοιχεί στη δεύτερη προσέγγιση του µοντέλου. Υπάρχει καλή συµφωνία µεταξύ των υπολογισµένων και µετρηµένων τιµών της εδαφικής υγρασίας στη δεύτερη εφαρµογή του µοντέλου, αν και στην πραγµατικότητα µεγαλύτερο ύψος νερού άρδευσης εφαρµόστηκε πειραµατικά. Αυτό σηµαίνει ότι το ισοζύγιο του νερού και η δυναµική του στη συγκεκριµένη περίπτωση δεν είναι οι πραγµατικές. Τα αποτελέσµατα για την κατανοµή της εδαφικής υγρασίας, στη δεύτερη εφαρµογή του µοντέλου, δίνουν κάποια εικόνα για την περιγραφή της δυναµικής του νερού, στην περίπτωση που χρησιµοποιείται µονοδιάστατο µοντέλο υπό συνθήκες στάγδην άρδευσης. Στο µονοδιάστατο µοντέλο το νερό υποτίθεται ότι εφαρµόζεται σε ολόκληρη την επιφάνεια του εδάφους ενώ στη στάγδην άρδευση εφαρµόζεται σε µια στενή επιφάνεια. Έτσι, παρατηρείται υπερεκτίµηση της εδαφικής υγρασίας κατά την προσοµοίωση στην πρώτη εφαρµογή του µοντέλου. Γενικά τα µονοδιάστατα µοντέλα θεωρούν την κατακόρυφη κίνηση του νερού στο έδαφος ως κίνηση υγρού µετώπου, µε οµοιόµορφη κατανοµή. Στην περίπτωση ωστόσο, της στάγδην άρδευσης η µορφή της ύγρανσης του εδάφους είναι περίπου ηµισφαιρική µε το κατακόρυφο και οριζόντιο µέτωπο ύγρανσης να εξαρτώνται από το χρόνο και το ύψος άρδευσης. Σύµφωνα µε τα παραπάνω, δεν αρκεί η µέτρηση της εδαφικής υγρασίας σε µια κατακόρυφη στήλη µεταξύ των φυτών και των σταλακτοφόρων ή πάνω στον σταλακτοφόρο ή τη γραµµή των φυτών για να υπολογιστεί η περιεχόµενη εδαφική υγρασία είτε να χρησιµοποιηθούν τα δεδοµένα για προσοµοίωση µε µονοδιάστατα µοντέλα. Οι µέθοδοι παρακολούθησης της υγρασίας εδάφους µε µόνιµα εγκατεστηµένα όργανα (π.χ. TDR), µεταξύ των γραµµών των φυτών και των γραµµών των αρδεύσεων ή/και συλλέγοντας περισσότερα δείγµατα εδάφους για τον

134 Κεφάλαιο 5 ο 123 0,4 25 cm θ, cm 3 /cm 3 0,3 0,2 0,1 Yπολο Mετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 0,4 55 cm θ, cm 3 /cm 3 0,3 0,2 0,1 Yπολο Mετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 0,5 0,4 85 cm Yπολο Mετρη θ, cm 3 /cm 3 0,3 0,2 0, Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 0,3 105 cm Yπολο Mετρη θ, cm 3 /cm 3 0,2 0, Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 Σχήµα 5.2. Σύγκριση µεταξύ των αποτελεσµάτων προσοµοίωσης (συνεχείς γραµµές) και µετρήσεων (σηµεία) για τις τιµές της περιεχόµενης εδαφικής υγρασίας σε βάθη 25, 55, 85 και 105 cm. Τα παραπάνω αφορούν τη δεύτερη προσέγγιση του µοντέλου. Σηµ.: Οι µετρηµένες τιµές αποτελούνται από δύο επαναλήψεις.

135 Κεφάλαιο 5 ο 124 προσδιορισµό της υγρασίας µε τη σταθµική µέθοδο, προτείνονται για µια πιο αξιόπιστη περιγραφή της δυναµικής του εδαφικού νερού υπό συνθήκες στάγδην άρδευσης. Ο Souza and Matsura (2003) υπέδειξε την αξιοπιστία της µεθόδου TDR µε σκοπό την λήψη τιµών εδαφικής υγρασίας που πρόκειται να χρησιµοποιηθούν σε διαδικασίες υπολογισµού της δυναµικής του εδαφικού νερού Στατιστική ανάλυση των αποτελεσµάτων Οι ποσοτικές µέθοδοι για την αξιολόγηση της απόδοσης του µοντέλου περιλαµβάνουν τα στατιστικά κριτήρια του µέσου σφάλµατος (Ε), του σφάλµατος του τετραγώνου των αποκλίσεων (RMSE), της αποδοτικότητας του µοντέλου (EF) και του συντελεστή ελλείµµατος µάζας (CRM) µεταξύ των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης και µετρηµένων τιµών της εδαφικής υγρασίας. Τα στατιστικά κριτήρια για την ποσοτική αξιολόγηση της απόδοσης του µοντέλου, όσον αφορά τις µετρηµένες και υπολογισµένες τιµές της εδαφικής υγρασίας, κατά την πρώτη και δεύτερη προσέγγιση του µοντέλου, φαίνονται συγκεντρωτικά στον Πίνακα 5.2. Η ασυµφωνία µεταξύ των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης και των µετρήσεων είναι γενικά µικρότερη κατά την δεύτερη προσέγγιση του µοντέλου ( E cm 3 /cm 3, RMSE %), συγκριτικά µε τα αποτελέσµατα της πρώτης προσέγγισης ( E cm 3 /cm 3, RMSE %). Αυτό αποδίδεται στη µεγαλύτερη οµοιοµορφία κατανοµής του νερού στο έδαφος κάτω από τους σταλακτήρες, κατά τη δεύτερη προσέγγιση του µοντέλου. Οι τιµές του συντελεστή ελλείµµατος µάζας (CRM) δείχνουν ότι το µοντέλο υπερεκτιµά την περιεχόµενη υγρασία, για τις δυο προσέγγισες και για όλα τα βάθη του εδαφικού προφίλ, ενώ την υποεκτιµά για το βάθος των 105 cm κατά τη δεύτερη προσέγγιση. Η αποτελεσµατικότητα του µοντέλου είναι γενικά καλή στη δεύτερη προσέγγιση αλλά όχι η ιδανική.

136 Κεφάλαιο 5 ο 125 Πίνακας 5.2. Στατιστικά κριτήρια υπολογισµένων και µετρηµένων τιµών εδαφικής υγρασίας σε διάφορα βάθη του εδαφικού προφίλ. Βάθος Στατιστικά κριτήρια (cm) n E (cm 3 /cm 3 ) RMSE (%) EF CRM Πρώτη προσέγγιση εύτερη προσέγγιση Εκτίµηση της αποθήκευσης του νερού στη ζώνη του ριζοστρώµατος Το διαθέσιµο νερό στη ζώνη του ριζοστρώµατος φαίνεται στο Σχήµα 5.3. Αναλυτικότερα, απεικονίζονται η διακύµανση της αποθηκευµένης ποσότητας νερού στο ριζόστρωµα (WS riz ), η αποθηκευµένη ποσότητα νερού του ριζοστρώµατος στο επίπεδο της υδατοϊκανότητα (WS fc ), του σηµείου µόνιµης µάρανσης (WS pwp ), του ελάχιστου επιτρεπόµενου ορίου µείωσης της υγρασίας (WS min ). Το ελάχιστο επιτρεπόµενο όριο µείωσης της υγρασίας εκτιµάται µε τη σχέση (Αντωνόπουλος, 1999): WS min = WS ( WS WS )MAD (5.3) fc fc pwp όπου: MAD είναι η αδιάστατη µέγιστη επιτρεπόµενη µείωση, η οποία ισούται µε το 0.65 του διαθέσιµου όγκου υγρασίας που συγκρατεί το έδαφος. Η αποθήκευση του νερού στο ριζόστρωµα, κατά την αρχική περίοδο ανάπτυξης των φυτών, κυµαίνεται µεταξύ των WS fc και WS min, από τη 120 ηµέρα έως των 160 ηµέρα του έτους. Κατά την περίοδο αυτή, η φυλλική επιφάνεια είναι µικρή και έτσι η εξατµισοδιαπνοή εξαρτάται κυρίως από την εξάτµιση νερού από την επιφάνεια του έδαφος. Κατά την περίοδο της πλήρους ανάπτυξης, όπου το έδαφος καλύπτεται από την καλλιέργεια, το νερό στο ριζόστρωµα µερικές ηµέρες µειώνεται κάτω από το WS min και φτάνει το WS pwp. Παρόλο που κατά την καλλιεργητική περίοδο εφαρµόστηκε ύψους νερού και cm, από άρδευση και βροχόπτωση αντίστοιχα, το νερό αυτό δεν ήταν αρκετό για να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις του

137 Κεφάλαιο 5 ο 126 ηλίανθου. Το γεγονός αυτό οφείλεται στις ηµι-ξηροθερµικές κλιµατικές συνθήκες που επικρατούν στην περιοχή της Θεσσαλονίκης. Απ οθηκευµένο νερό, cm WSriz WSf c WSpwp WSmin Ηµέρα του έτους, 30/4/03-31/7/04 Σχήµα 5.3. Αποθηκευµένο εδαφικό νερό στη ζώνη του ριζοστρώµατος κατά τη διάρκεια της περιόδου ανάπτυξης του ηλίανθου (WS fc, WS pwp, και WS min είναι το αποθηκευµένο νερό στον υδατοϊκανότητα, το σηµείο µόνιµης µάρανσης και το ελάχιστο επιτρεπόµενο όριο µείωσης, αντίστοιχα, WS riz είναι η αποθηκευµένο νερό στη ζώνη του ριζοστρώµατος) Εκτίµηση των συνιστωσών του υδατικού ισοζυγίου Ο ακριβής προσδιορισµός των συνιστωσών του υδατικού ισοζυγίου είναι εξαιρετικής σηµασίας για την εκτίµηση της δυναµικής του εδαφικού νερού. Ωστόσο, η απόκλιση της εδαφικής υγρασίας ανάµεσα στα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης και τις µετρούµενες στο πεδίο τιµές αυτής, εξαρτάται από τη µέθοδο που χρησιµοποιείται για την εκτίµηση της πραγµατικής διαπνοής των φυτών, της εξάτµισης από το έδαφος, από την συνάρτηση πρόσληψης νερού από τη ρίζα και από τη µεταβλητότητα των χαρακτηριστικών του εδάφους. Οι διακυµάνσεις αυτές εξαρτώνται από τον προσδιορισµό των παραµέτρων ροής του νερού, οι οποίες περιγράφονται από τη χαρακτηριστική καµπύλη και την υδραυλική αγωγιµότητα. Στην προσοµοίωση, η δυναµική εξάτµιση, E pot, και η δυναµική διαπνοή, Τ pot, διαχωρίστηκαν, ακολουθώντας τη διαδικασία η οποία περιγράφεται από τους Mahey et al. (1984) (εξ και 3.34). Η πραγµατική διαπνοή υπολογίστηκε από το µοντέλο, για κάθε χρονικό βήµα, ως συνάρτηση της δυναµικής διαπνοής, του

138 Κεφάλαιο 5 ο 127 περιοριστικού παράγοντα a(h) της πρόσληψης του νερού και της κατανοµής των ριζών στο έδαφος. Οι αθροιστικές καµπύλες των συνιστωσών του υδατικού ισοζυγίου φαίνονται στο Σχήµα 5.4. Το συνολικό ύψος νερού που εφαρµόστηκε κατά την περίοδο ανάπτυξης του ηλίανθου ήταν cm, εκ των οποίων τα cm ήταν αποτέλεσµα βροχόπτωσης. Κατά την περίοδο αυτή η πραγµατική διαπνοή ήταν cm, ενώ η πραγµατική εξάτµιση ήταν 7.3 cm. Κατά τη διάρκεια ενός έτους προσοµοίωσης η αθροιστική πραγµατική και δυναµική διαπνοή ήταν και cm, ενώ η αθροιστική πραγµατική και δυναµική εξάτµιση ήταν και cm, αντίστοιχα. Τα παραπάνω δείχνουν ότι το συνολικό ύψος νερού άρδευσης και η βροχόπτωση ικανοποίησαν µόνο τις απώλειες που οφείλονταν στην πραγµατική διαπνοή και µέρους των απωλειών εξάτµισης. Εποµένως, το πρόγραµµα άρδευσης που ακολουθήθηκε ικανοποιεί µέρος µόνο των αναγκών της καλλιέργειας σε νερό, µε αποτέλεσµα την καταπόνηση της καλλιέργειας κατά τη διάρκεια της θερινής περιόδου. Ύψος νερού, cm Tact Tpot Eact Epot Dr Ir+R Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/ Ύψος νερού (Ir+R), cm Σχήµα 5.4. Βάθος άρδευσης και βροχόπτωσης (Ir+R), Πραγµατική διαπνοή (T act ), δυναµική διαπνοή (T pot ), πραγµατική εξάτµιση (E act ), δυναµική εξάτµιση (E pot ) και απώλειες στράγγισης (Dr), αθροιστικά κατά την περίοδο ανάπτυξης του ηλίανθου και της επακόλουθης µη-καλλιεργητικής περίοδο. Στον Πίνακα 5.3 δίνονται, σε µηνιαία βάση, οι συνιστώσες του υδατικού ισοζυγίου για όλη την περίοδο προσοµοίωσης. Προσθήκη νερού έχουµε µε την άρδευση και την βροχόπτωση, ενώ οι απώλειες περιλαµβάνουν την εξάτµιση, τη διαπνοή και τη στράγγιση. Αγνοήθηκε η επιφανειακή απορροή, µιας και ήταν πρακτικά µηδενική, λόγω της χρησιµοποίησης της µεθόδου εφαρµογής της στάγδην

139 Κεφάλαιο 5 ο 128 άρδευσης που εφαρµόστηκε, καθώς και το µοντέλο επίσης την υπολόγισε ίση µε το µηδέν. Στο τέλος της περιόδου προσοµοίωσης, η αποθηκευµένη ποσότητα νερού υπολογίστηκε από την παρακάτω εξίσωση υδατικού ισοζυγίου: Αποθήκευση νερού (WS r ) = P+ Ir ET Dr (5.4) = = cm όπου: Ρ είναι το ύψος νερού των κατακρηµνισµάτων, Ir είναι το ύψος νερού άρδευσης, ΕΤ act είναι οι απώλειες που οφείλονται στην πραγµατική εξατµισοδιαπνοή και Dr είναι οι απώλειες στράγγισης. Οι παράγοντες του ισοζυγίου του νερού εκφράζονται σε cm. Στις ξηροθερµικές συνθήκες της Θεσσαλονίκης, η αποθήκευση του νερού στο έδαφος (WS r ) είναι αρνητική κατά τη διάρκεια των καλοκαιρινών µηνών µε αποτέλεσµα οι απώλειες νερού να είναι µεγαλύτερες από την προσθήκη λόγω άρδευσης και βροχόπτωσης. Το γεγονός αυτό είχε ως αποτέλεσµα τη µείωση του περιεχόµενου νερού στο έδαφος κατά την παραπάνω περίοδο. Οι βροχοπτώσεις του χειµώνα συντέλεσαν στη βελτίωση του υδατικού ισοζυγίου. Εφαρµογή άρδευσης το Μάιο προτείνεται για την αποφυγή καταπόνησης κατά τη διάρκεια της περιόδου βλάστησης, για καλλιέργειες της περιοχής της Θεσσαλονίκης. act Πίνακας 5.3. Μηνιαίο υδατικό ισοζύγιο της καλλιέργειας ηλίανθου κατά τη διάρκεια της προσοµοίωσης (1/4/03-31/3/04) µε το µοντέλο WANISIM. Μήνας Συνιστώσες υδατικού ισοζυγίου (cm) P Ir T act E act ET act Dr WS r Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέµβριος Οκτώβριος Νοέµβριος εκέµβριος Ιανουάριος Φεβρουάριος Μάρτιος Σύνολο όπου: Ρ είναι τα κατακρηµνίσµατα, Ir είναι το νερό της άρδευσης, Τ act η πραγµατική διαπνοή, E act η πραγµατική εξάτµιση, ET act η πραγµατική εξατµισοδιαπνοή, Dr το νερό στράγγισης, και WS r είναι η αποθηκευµένη ποσότητα νερού στο έδαφος για το εδαφικό προφίλ βάθους 1.5 m.

140 Κεφάλαιο 5 ο 129 Το αθροιστικό ύψος του νερού των συνιστωσών που καθορίζουν την υγρασία στο έδαφος, δηλαδή η βροχόπτωση, η άρδευση, η εξατµισοδιαπνοή και το συνολικό αποθηκευµένο στο έδαφος νερό, σε βάθος εδαφικού προφίλ ίσο µε 1.5 m, δίνονται στο Σχήµα 5.5. Η αποθηκευµένη ποσότητα νερού είναι υψηλή µέχρι τις αρχές του Μαΐου ενώ µετά πέφτει συνεχώς. Η µείωση αυτή του νερού στο εδαφικό προφίλ οφείλεται κυρίως στις απώλειες λόγω εξατµισοδιαπνοής κατά την περίοδο ανάπτυξης των φυτών. Η άρδευση καταφέρνει να καλύψει µέρος µόνο των απωλειών που οφείλονται στην εξατµισοδιαπνοή, την περίοδο ανάπτυξης του ηλίανθου. Το έλλειµµα της εδαφικής υγρασίας που παρατηρείται κατά την καλλιεργητική περίοδο, ισοσκελίζεται κατά την επακόλουθη µη-καλλιεργητική, βροχερή περίοδο, µε αποτέλεσµα η εδαφική υγρασία να βρίσκεται στη µεγαλύτερη τιµή της στις αρχές της επόµενης καλλιεργητικής περιόδου. Ύψος νερού, cm Ir+R 30 ETact 20 WSr Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/ Απ οθηκευµένο νερό, cm Σχήµα 5.5. Αθροιστικό ύψος νερού (Ir+R είναι η άρδευση και βροχόπτωση, WS r είναι η αποθηκευµένο νερό σε βάθος εδάφους 1.5 m και ΕT act είναι το άθροισµα της πραγµατικής εξάτµισης και διαπνοής) για διάστηµα ενός έτους Επίδραση της συνδυασµένης δράσης µεταβαλλόµενου υδατικού και οσµωτικού δυναµικού στην πρόσληψη του νερού από τις ρίζες Τα επεξεργασµένα λύµατα που χρησιµοποιήθηκαν για την άρδευση του ηλίανθου (2003) και αραβοσίτου (2004) περιείχαν υψηλές ποσότητες αλάτων (Πίνακες 4.2, 4.3, αντίστοιχα). Η συνεχή χρήση στον αγρό είχε ως αποτέλεσµα την αύξησης της αλατότητας του εδάφους (Σχήµα 4.9). Η παρουσία των αλάτων στο

141 Κεφάλαιο 5 ο 130 έδαφος προκαλεί δυσκολία πρόσληψης του εδαφικού νερού από τα φυτά λόγω αύξηση του οσµωτικού δυναµικού. Σε αυτό το τµήµα της µελέτης παρουσιάζεται η επίδραση του µεταβαλλόµενου υδατικού δυναµικού µε την προσέγγιση τον παράγοντα περιορισµού της πρόσληψης a(h) των Feddes et al. (1978), και την προσέγγιση των Homaee et al. (2002), που περιλαµβάνει τη συνδυασµένη δράση υδατικού δυναµικού και οσµωτικό δυναµικό στην πρόσληψη του νερού από τις ρίζες, κατά τη βλαστική περίοδο του ηλίανθου και του αραβόσιτου. Η πραγµατική διαπνοή αποτελεί την καλύτερη ένδειξη της επίδρασης του υδατικού και οσµωτικού δυναµικού στην πρόσληψη του νερού. Το Σχήµα 5.6 παρουσιάζει την επίδραση του περιοριστικού παράγοντα πρόσληψης των Feddes et al., και αυτού των Homaee et al., στην πραγµατική διαπνοή και στην εξάτµιση από το έδαφος. Στο Σχήµα αυτό παρατηρείται αυξηµένη εξάτµιση από το έδαφος όταν λαµβάνεται υπόψη µόνο ο περιοριστικός παράγοντα της πρόσληψης του νερού λόγω το υδατικού δυναµικού, ενώ η παρουσία των αλάτων και η χρησιµοποίηση της συνάρτησης του περιοριστικού παράγοντα a(h) των Homaee et al. δίνε µικρότερες τιµές εξάτµισης. Επιπλέον, µείωση της πραγµατικής διαπνοής υπό τη συνδυασµένη επίδραση υδατικού και οσµωτικού δυναµικού (T act -H) παρατηρήθηκε σε σχέση µε την πραγµατική διαπνοή υπό την επίδραση µόνο του µεταβαλλόµενου υδατικού δυναµικού (T act -F), κατά την καλλιεργητική περίοδο του ηλίανθου. Αυτό υποδηλώνει ότι υπό συνδυασµένες συνθήκες υδατικής και αλατούχου καταπόνησης, τα φυτά του ηλίανθου καταναλώνουν περισσότερη ενέργεια για την πρόσληψη νερού από το έδαφος σε σχέση µε την µεµονωµένη περίπτωση της υδατικής καταπόνησης. Σύµφωνα µε αυτά αποτελέσµατα, η µείωση αυτή ήταν 4.36 cm, το οποίο σηµαίνει 14% του ολικού νερού πρόσληψης µειώθηκε κατά τη βλαστική περιόδου. Παρά το γεγονός ότι η µέση ηλεκτρική αγωγιµότητα του εδαφικού διαλύµατος, EC ss κυµάνθηκε µεταξύ των τιµών 6-15 ds/m, κάποιους µήνες της καλλιεργητικής περιόδου του ηλίανθου, η µείωση της πρόσληψης του νερού ήταν γενικά µικρή υπό αυτές τις τιµές αλατότητας (σηµειώνεται ότι η ηλεκτρική αγωγιµότητα του εδαφικού διαλύµατος, EC ss, είναι κατά 2-3 φορές µεγαλύτερη αυτής που προκύπτει από την πάστα κορεσµού, EC e, όπως άλλωστε προαναφέρθηκε στην εξίσωση 3.8). Το παραπάνω µπορεί να εξηγηθεί από την υπόθεση του Gardener (1991) ο οποίος θεώρησε ότι τα φυτά προσλαµβάνουν το νερό από την ανώτερη στρώση εδάφους και αν δεν καλυφθεί η ανάγκη, οι ρίζες προσροφούν νερό από το αµέσως επόµενη

142 Κεφάλαιο 5 ο 131 στρώση, γεγονός που παρατηρείται και στο Σχήµα 5.7. Σύµφωνα µε αυτή τη θεώρηση, όταν τα φυτά του ηλίανθου αντιµετώπισαν µόνο το πρόβληµα της υδατικής καταπόνησης, ήταν σε θέση να προσλαµβάνουν νερό από την ανώτερη στρώση, ενώ όταν η καταπόνηση εντάθηκε και εξαιτίας της αλατότητας, κάποιες ηµέρες της καλλιεργητικής περιόδου, τα φυτά προσέλαβαν νερό από βαθύτερες εδαφικές στρώσεις για να ανταπεξέλθουν στη ζήτηση. Ύψος νερού, cm Tact-F Eact-F Tact-H Eact-H Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 Σχήµα 5.6. Αθροιστική πραγµατική διαπνοή (T act -F ), πραγµατική εξάτµιση (E act -F) µε ην προσέγγιση του a(h) των Feddes et al., πραγµατική διαπνοή (T act -Η ), πραγµατική εξάτµιση (E act -Η), µε ην προσέγγιση a(h, h 0 ) των Homaee et al. (2002). Οι περιπτώσεις πρόσληψης νερού από το ριζικό σύστηµα υπό υδατική καταπόνηση και συνδυασµένη υδατική και αλατούχο καταπόνηση επανεξετάστηκαν κατά την καλλιεργητική περίοδο του αραβοσίτου. Στην περίοδο αυτή, η αθροιστική διαπνοή ήταν ίδια και στις δύο περιπτώσεις µελέτης. Αυτό µπορεί να αποδοθεί από µια άποψη στην κατάσταση του περιεχόµενου εδαφικού νερού κατά την βλαστική περίοδο του αραβοσίτου. Βέβαια, όταν τα φυτά του αραβοσίτου αντιµετώπισαν υψηλή υδατική και αλατούχο καταπόνηση, που συνήθως λαµβάνει χώρα στην ανώτερη στρώση εδάφους εξαιτίας της εξατµισοδιαπνοής και της συγκέντρωσης αλάτων, προσέλαβαν νερό από τις κατώτερες στρώσεις εδάφους. Το Σχήµα 5.7 παρουσιάζει την κατανοµή της πρόσληψης νερού από τις ρίζες κατά τη βλαστική περίοδο του ηλίανθου. Το Σχήµα αυτό δείχνει ότι όταν τα φυτά του ηλίανθου αντιµετώπισαν υδατική και αλατούχο καταπόνηση κάποιες ηµέρες κατά τη βλαστική περίοδο, ικανοποίησαν την ανάγκη σε νερό από βαθύτερες στρώσεις εδάφους. Μάλιστα, όταν η κατάσταση του νερού σε αυτές τις στρώσεις δεν ήταν η

143 Κεφάλαιο 5 ο 132 ιδανική, η αθροιστική πραγµατική διαπνοή µειώθηκε κατά τις ηµέρες αυτές. Αντίθετα, αυτό σηµαίνει ότι, ακόµη και υπό υψηλά οσµωτικά δυναµικά το φυτό µπορεί να ικανοποιήσει την ανάγκη σε νερό από βαθύτερες στρώσεις εδάφους, όπου η κατάσταση του περιεχόµενου εδαφικού νερού είναι ιδανική, όπως παρατηρείται κατά την βλαστική περίοδο του αραβοσίτου (Σχήµα 5.8). S w (cm 3 cm -3 d -1 ) 0,035 Ηµέρα του έτους 151 Smax-F 0,030 Smax-H 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0, Βάθος εδάφους, cm S w (cm 3 cm -3 d -1 ) 0,060 Ηµέρα του έτους 166 Smax-F 0,050 Smax-H 0,040 0,030 0,020 0,010 0, Βάθος εδάφους, cm S w (cm3 cm-3 d-1) 0,040 Ηµέρα του έτους 181 Smax-F 0,035 Smax-H 0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0, Βάθος εδάφους, cm Σχήµα 5.7. Κατανοµή της πρόσληψης του νερού του ηλίανθου µε ην προσέγγιση του a(h) των Feddes et al., 1978 (Smax-F) και µε ην προσέγγιση του a(h, h 0 ) των Homaee et al., 2002 (Smax-H).

144 Κεφάλαιο 5 ο 133 S w (cm 3 cm -3 d -1 ) 0,050 0,040 0,030 0,020 0,010 Ηµέρα του έτους 182 Smax-F Smax-H 0, Βάθος εδάφους, cm S w (cm 3 cm -3 d -1 ) 0,060 Ηµέρα του έτους 197 Smax-F 0,050 Smax-H 0,040 0,030 0,020 0,010 0, Βάθος εδάφους, cm S w (cm 3 cm -3 d -1 ) 0,050 0,040 0,030 0,020 0,010 Ηµέρα του έτους 212 Smax-F Smax-H 0, Βάθος εδάφους, cm Σχήµα 5.8. Κατανοµή της πρόσληψης του νερού του αραβοσίτου µε ην προσέγγιση του a(h) των Feddes et al.,1978 (Smax-F) και µε ην προσέγγιση του a(h, h 0 ) των Homaee et al., 2002 (Smax-H).

145 Κεφάλαιο 5 ο Μεταφορά µάζας και µετασχηµατισµοί του εδαφικού αζώτου Η µεταφορά µάζας και οι µετασχηµατισµοί του αζώτου στο έδαφος, µελετήθηκαν στη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου του ηλίανθου και την επακόλουθη µη-καλλιεργητική περίοδο αυτής. Κατά την περίοδο της σποράς, προστέθηκαν στο έδαφος 79.4 Kg ha -1 ανόργανου αζωτούχου λιπάσµατος και ακολούθως, µέσω της εφαρµογής επεξεργασµένων λυµάτων, 8.9 Kg ha -1 ανόργανου αζώτου. Επεξεργασµένα λύµατα εφαρµόστηκαν 7 φορές στη διάρκεια ενός µόνο µήνα, κατά την καλλιεργητική περίοδο. Το αζωτούχο λίπασµα και τα λύµατα εφαρµόστηκαν µε σκοπό τη µελέτη των επιπτώσεών τους στην απόδοση των φυτών, στη γονιµότητα του εδάφους και στη ρύπανση των υπογείων υδάτων. Με σκοπό τη µελέτη της µεταφοράς µάζας και των µετασχηµατισµών του αζώτου, το µοντέλο WANISIM εφαρµόστηκε για τον υπολογισµό, µέσω προσοµοίωσης, των συγκεντρώσεων NH 4 -N και NO 3 -N στην εδαφική κατατοµή, καθώς και για τον υπολογισµό της πρόσληψης Ν από τα φυτά της καλλιέργειας. Επιπλέον, το µοντέλο εφαρµόστηκε για τη µελέτη των µετασχηµατισµών του Ν στο έδαφος, τον προσδιορισµό των µορφών Ν και της δυναµικής τους ισορροπίας καθώς και της έκπλυσής τους στους βαθύτερους ορίζοντες, µε τελική κατάληξη τα υπόγεια υδροφόρα στρώµατα Ρύθµιση του µοντέλου για το δυναµικό του αζώτου Η διαδικασία της ρύθµισης έγινε µε σκοπό την απόκτηση των αρχικών τιµών των παραµέτρων του µοντέλου, µε βάση τις οποίες γίνεται στη συνέχεια η εκτίµηση των συγκεντρώσεων NH 4 -N και NO 3 -N, έτσι ώστε αυτές να βρίσκονται πλησιέστερα στις αντίστοιχες τιµές που προέκυψαν από τις µετρήσεις. Οι σταθερές του ρυθµού µετασχηµατισµού προσαρµόζονται στο εύρος που προκύπτει από την ανασκόπηση της βιβλιογραφίας, έτσι ώστε να αποκτηθεί η ελάχιστη διαφορά µεταξύ των υπολογισµένων και µετρηµένων στο πεδίο τιµών. Ανασκόπηση των σταθερών του ρυθµού µετασχηµατισµού δίδονται στον Πίνακα 5.4. Κατά τη βαθµονόµηση, οι κύριες παράµετροι ήταν ο συντελεστής κατανοµής (K D ), η σταθερά του ρυθµού νιτροποίησης (K 1 ), η σταθερά του ρυθµού απονιτροποίησης (Κ 2 ) και ο µέγιστος ρυθµός πρόσληψης αζώτου από το φυτό (Ι max ).

146 Κεφάλαιο 5 ο 135 Σηµαντικές υδραυλικές παράµετροι του µοντέλο WANISIM είναι επίσης η κορεσµένη υδραυλική αγωγιµότητα, η χαρακτηριστική καµπύλη του εδάφους, και η φαινόµενη πυκνότητα. Οι παραπάνω υδραυλικές παράµετροι που χρησιµοποιήθηκαν στο µοντέλο ορίσθηκαν ίσες µε τις αντίστοιχες που µετρήθηκαν στο πεδίο. Έπειτα από ορισµένες προσπάθειες βαθµονόµησης του µοντέλου, οι τιµές των σταθερών του ρυθµού µετασχηµατισµού του αζώτου (K D, K 1, K 2 ), για διαφορετικά βάθη του εδαφικού προφίλ, επιλέχθηκαν έτσι, ώστε οι συγκεντρώσεις των υπολογισµένων και µετρηµένων τιµών του NH 4 -N και NO 3 -N να βρίσκονται σε κατά το δυνατόν µεγαλύτερη συµφωνία. Οι τιµές των σταθερών αυτών δίνονται στον Πίνακα 5.5. Η τιµή 3.5 µg cm -1 h -1 επιλέχθηκε ως η µέγιστη πρόσληψη αζώτου από τον ηλίανθο κατά τη διάρκεια της προσοµοίωσης. Πίνακας 5.4. Τιµές των σταθερών του ρυθµού µετασχηµατισµού του αζώτου από βιβλιογραφία. Βιβλιογραφία K h K lit K 1 K 2 K D (h -1 ) (h -1 ) (h -1 ) (h -1 ) (cm 3 g -1 ) Selim and Iskandar (1981) Lotse et al. (1992) Jonshon, et al. (1987) Αντωνόπουλος (1998) Σηµ.: K h είναι η σταθερά του ρυθµού ανοργανοποίησης του χούµου, K lit της ανοργανοποίησης των οργανικών υπολειµµάτων, Κ 1 της νιτροποίησης, Κ 2 της απονιτροποίησης και Κ D ο συντελεστής κατανοµής των αµµωνιακών. Πίνακας 5.5. Τιµές των σταθερών του ρυθµού µετασχηµατισµού του αζώτου στα διάφορα βάθη του εδαφικού προφίλ. Βάθος (cm) K h K lit K 1 K 2 K D (h -1 ) (h -1 ) (h -1 ) (h -1 ) (cm 3 g -1 ) Σηµ.: K h είναι η σταθερά του ρυθµού ανοργανοποίησης του χούµου, Κ lit της ανοργανοποίησης των οργανικών υπολειµµάτων, Κ 1 της νιτροποίησης, Κ 2 της απονιτροποίησης και Κ D ο συντελεστής κατανοµής των αµµωνιακών.

147 Κεφάλαιο 5 ο Συγκεντρώσεις του ανόργανου αζώτου (NH 4 -N και NO 3 -N) στο έδαφος Για την αξιολόγηση της απόδοσης του µοντέλου WANISIM σε συνδυασµό µε τις συγκεντρώσεις του αζώτου στο εδαφικό προφίλ, γίνεται σύγκριση των υπολογισµένων και µετρηµένων τιµών, στα βάθη 25, 55, 85, και 105 cm. Τα διαγράµµατα των Σχηµάτων 5.9 και 5.10 απεικονίζουν την ηµερήσια διακύµανση των υπολογισµένων και µετρηµένων τιµών του NH 4 -N και NO 3 -N, αντίστοιχα, από µετρήσεις σε διαφορετικά βάθη του εδαφικού προφίλ. Οι τιµές του NH 4 -Ν που προέκυψαν από την προσοµοίωση βρίσκονται σε συµφωνία µε τις αντίστοιχες των µετρήσεων και ακολουθούν τη χρονική διακύµανση αυτών σε όλα τα βάθη του εδαφικού προφίλ. Ασυµφωνία µεταξύ προσοµοιωµένων και µετρηµένων τιµών παρατηρείται στη βαθύτερη εδαφική ζώνη, cm. Η αιχµή που παρατηρείται για το αµµωνιακό άζωτο στη επιφανειακή εδαφική στρώση των 0-40 cm, οφείλεται στην προσθήκη ανόργανου αζωτούχου λιπάσµατος την 28 η Απριλίου (ηµέρα έτους 118). Το πλάτος της αιχµής είναι στενό ως προς το χρόνο και δεν παρατηρείται σε βάθη µεγαλύτερα των cm. Πέρα από τη ζώνη του ριζοστρώµατος, η συγκέντρωση των αµµωνιακών µειώνεται, ενώ αυξάνεται η πρόσληψη από τα φυτά. Η διαδικασία της νιτροποίησης επίσης συντελεί στη µείωση των αµµωνιακών ιόντων στο εδαφικό προφίλ. Η πιθανότητα να πλησιάσουν τα αµµωνιακά το υπόγειο υδροφόρο στρώµα, είναι µηδενική. Η κύρια εξήγηση του γεγονότος αυτού είναι ο υψηλός ρυθµός πρόσληψης και η ταχύτατη νιτροποίηση των αµµωνιακών στην αρόσιµη ζώνη. Σύγκριση µεταξύ υπολογισµένων τιµών και αποτελεσµάτων µετρήσεων για το NO 3 -N στο εδαφικό προφίλ, δείχνουν παρόµοια συµπεριφορά του νιτρικού αζώτου σε σχέση µε το χρόνο. Σε αντίθεση µε τη συµπεριφορά των αµµωνιακών στο έδαφος, η συγκέντρωση των νιτρικών ιόντων εµφανίζει µια πλατιά κορυφή στη ζώνη του ριζοστρώµατος, έπειτα από την εφαρµογή του ανόργανου αζωτούχου λιπάσµατος. H αιχµή αυτή είναι συνέπεια της µεγάλης κινητικότητας των νιτρικών ιόντων. Η παρουσία τους στο ριζόστρώµα είναι σηµαντική, εξ αιτίας των διεργασιών της νιτροποίησης και ανοργανοποίησης. Καθώς τα φυτά φτάνουν σε πλήρη ανάπτυξη, η συγκέντρωση των νιτρικών, όπως προκύπτει από τις µετρήσεις, φτάνει σε πολύ

148 Κεφάλαιο 5 ο 137 NH 4 -N, mg/kg cm Yπολο Mετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 NH 4 -N, mg/kg 6 55 cm Yπολο Mετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 NH 4 -N, mg/kg 85 cm Yπολο 6 Mετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 NH 4 -N, mg/kg cm Yπολο Mετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 Σχήµα 5.9. Αποτελέσµατα προσοµοίωσης (συνεχείς γραµµές ) και µετρήσεων (σηµεία) για το αµµωνιακό άζωτο (N-NH 4 ) σε βάθη 25, 55, 85 και 105 cm, κατά τη διάρκεια 12-µηνης περιόδου προσοµοίωσης. Σηµ.: Οι µετρηµένες τιµές αποτελούνται από δύο επαναλήψεις.

149 Κεφάλαιο 5 ο 138 NO 3 -N, mg/kg cm Yπολο Mετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 NO 3 -N, mg/kg cm Yπολο Mετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 NO 3 -N, mg/kg Yπολο cm Mετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/ cm Yπολο Mετρη NO 3 -N, mg/kg Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 Σχήµα Αποτελέσµατα προσοµοίωσης (συνεχείς γραµµές )και µετρήσεων (σηµεία) για το νιτρικό άζωτο (N-ΝΟ 3 ) σε βάθη 25, 55, 85 και 105 cm, κατά τη διάρκεια 12-µηνης περιόδου προσοµοίωσης. Σηµ.: Οι µετρηµένες τιµές αποτελούνται από δύο επαναλήψεις.

150 Κεφάλαιο 5 ο 139 µικρές τιµές στα βάθη 0-40 και cm, στις αρχές του Ιουλίου, γεγονός που εξηγείται από την αυξηµένη πρόσληψη αζώτου από τα φυτά. Κάτω από τη ζώνη του ριζοστρώµατος (π.χ στα βάθη και cm), η πρόσληψη αζώτου από τα φυτά δεν µπορεί να παρατηρηθεί. Το µόνο που παρατηρήθηκε ήταν συσσώρευση λόγω έκπλυσης νιτρικών από τη ζώνη του ριζοστρώµατος. Όταν κατά τις αρχές Αυγούστου (ηµέρα έτους 212) η πρόσληψη αζώτου από τα φυτά σταµατά, η προσοµοίωση και οι µετρήσεις δείχνουν ότι η συγκέντρωση των αµµωνιακών και νιτρικών ιόντων αυξάνει. Το γεγονός αυτό αποδίδεται στην ανοργανοποίηση και τις υψηλές θερµοκρασίες στο ριζόστρωµα, που ευνοούν την παραπάνω διεργασία. Καθώς η οργανική ουσία των οργανικών υπολειµµάτων βρίσκεται σε µηδαµινή συγκέντρωση κάτω από το ριζόστρωµα, οι βιοχηµικές διεργασίες θεωρούνται ασήµαντες. Συνεπώς, τα αµµωνιακά δεν υπόκεινται σε µετασχηµατισµούς κάτω από τη ζώνη του ριζοστρώµατος και µικρότερο δυναµικό Ν παρατηρήθηκε κατά την αντίστοιχη περίοδο προσοµοίωσης. Η διακύµανση της περιεκτικότητας αζώτου στο εδαφικό προφίλ, µπορεί να εξηγηθεί από την ανοµοιοµορφία εφαρµογής του αζωτούχου λιπάσµατος και την ανοµοιοµορφία κατανοµής του νερού στο έδαφος. Ωστόσο, η ανοµοιοµορφία της υφής του εδάφους µπορεί επίσης να ευθύνεται για την ασυµφωνία µεταξύ των υπολογισµένων και µετρηµένων τιµών των συγκεντρώσεων ανόργανου αζώτου. Υπάρχει επίσης και το πρόβληµα του εδαφικού διαλύµατος. Είναι πιθανό κατά την δειγµατοληψία µετά από µία άρδευση, η υγρή µε την στερεά φάση του εδάφους να µη βρίσκονται σε ισορροπία Στατιστική ανάλυση των αποτελεσµάτων Οι ποσοτικές µέθοδοι για την αξιολόγηση της απόδοσης του µοντέλου περιλαµβάνουν τα στατιστικά κριτήρια του µέσου σφάλµατος (Ε), του σφάλµατος του τετραγώνου των αποκλίσεων (RMSE), της αποδοτικότητας του µοντέλου (EF) και του συντελεστή ελλείµµατος µάζας (CRM) µεταξύ των υπολογισµένων και µετρηµένων τιµών της συγκέντρωσης αµµωνιακών και νιτρικών. Τα στατιστικά κριτήρια των ποσοτικών εκτιµήσεων του µοντέλου µεταξύ των υπολογισµένων τιµών και των µετρήσεων δίνονται στον Πίνακα 5.6.

151 Κεφάλαιο 5 ο 140 Η ασυµφωνία µεταξύ τιµών προσοµοίωσης και µετρήσεων για τις συγκεντρώσεις αµµωνιακών και νιτρικών είναι γενικά µικρή ( E και E για τα αµµωνιακά και νιτρικά, αντίστοιχα). Οι τιµές των RMSE για τα αµµωνιακά (RMSE %) είναι µικρότερες των αντίστοιχων για τα νιτρικά (RMSE %). Αυτό καταδεικνύει µικρότερη απόκλιση µεταξύ υπολογισµένων και µετρηµένων τιµών για τη συγκέντρωση των αµµωνιακών, από την αντίστοιχη για τα νιτρικά. Οι τιµές του συντελεστή ελλείµµατος µάζας (CRM) δείχνουν ότι το µοντέλο υπερεκτιµά τις συγκεντρώσεις των νιτρικών, ενώ υποεκτιµά τις συγκεντρώσεις των αµµωνιακών. Πίνακας 5.6. Στατιστικά κριτήρια προσοµοιωµένων και µετρηµένων τιµών συγκέντρωση NH 4 -N και NO 3 -N σε διάφορα βάθη του εδαφικού προφίλ. Βάθος Στατιστικά κριτήρια (cm) n E (mg/kg) RMSE (%) EF CRM Συγκέντρωση NH 4 -N (mg/kg) Συγκέντρωση NO 3 -N (mg/kg) Αξιολόγηση του ισοζυγίου και της έκπλυσης του αζώτου Η αθροιστική ποσότητα µάζας των συνιστωσών του ισοζυγίου αζώτου κατά τη διάρκεια της προσοµοίωσης δίνεται στο διάγραµµα του Σχήµατος Το άζωτο προστίθεται στο εδαφικό διάλυµα δια µέσου της διάλυσης του αζωτούχου λιπάσµατος (88.3 kg N ha -1 ) και της διαδικασίας της άρδευσης µε τα επεξεργασµένα λύµατα. Τα 88.3 kg N ha -1 αποτελούνται από 79.4 kg Ν ανόργανου αζωτούχου λιπάσµατος και

152 Κεφάλαιο 5 ο kg Ν από τα επεξεργασµένα αστικά λύµατα, ποσότητες οι οποίες προστέθηκαν κατά την καλλιεργητική περίοδο. Γενικά, η ποσότητα του αζώτου που εφαρµόστηκε από την άρδευση µε λύµατα ήταν πολύ µικρή, περίπου 10% από το ολικό άζωτο που εφαρµόστηκε στο έδαφος. Το παραπάνω µπορεί να εξηγηθεί από την επεξεργασία των λυµάτων µε ενεργό ιλύ και από τις διαδικασίες νιτροποίησης απονιτροποίησης που συνεπάγεται αυτή. Η άρδευση µε τέτοιου είδους λύµατα µπορεί να καλύψει µόνο ένα µικρό µέρος των αναγκών σε άζωτο των φυτών αλλά δεν µπορεί να χρησιµοποιηθεί σαν κύρια πηγή αζωτούχου λιπάσµατος. Μάζα Ν, kg/ha N-UPT NITR MINER N-LECH Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 Σχήµα Αθροιστικό άζωτο της ανοργανοποίησης (MINER), της απονιτροποίησης (NITR), της πρόσληψης από τα φυτά (N-UPT) και της έκπλυσης της νιτρικών (N-LECH) για διάστηµα ενός έτους. Πηγή ανόργανου αζώτου είναι και η οργανική ουσία, αν και η περιεκτικότητα του εδάφους σε οργανική ουσία ήταν χαµηλή, όπου µέσω των διεργασιών της ανοργανοποίησης και της νιτροποίησης έχουµε παραγωγή νιτρικών, της πλέον ευδιάλυτης µορφής αζώτου στο έδαφος, την οποία εκµεταλλεύονται και τα φυτά. Η περιεκτικότητα των νιτρικών στο εδαφικό διάλυµα µειώνεται µέσω της πρόσληψης από τα φυτά και της βαθιάς διήθησης στην εδαφική κατατοµή. Η αθροιστική τιµή της ποσότητας των νιτρικών που προκύπτουν από την νιτροποίηση, ήταν υψηλή κατά τη διάρκεια της περιόδου προσοµοίωσης. Η έλλειψη νερού κατά τη θερινή περίοδο, συνεπάγεται αύξηση της θερµοκρασίας και καλό αερισµό του εδάφους. Τα παραπάνω, σε συνδυασµό µε την οργανική ουσία και τις ευνοϊκές συνθήκες για τη δράση των µικροβίων, µπορούν να δώσουν κάποια εξήγηση στα

153 Κεφάλαιο 5 ο 142 αποτελέσµατα αυτά. Αντίθετα, για το ίδιο διάστηµα, η απονιτροποίηση είναι µηδαµινή κατά την περίοδο προσοµοίωσης και το γεγονός αυτό σχετίζεται µε τις δυσµενείς εδαφικές συνθήκες για την παραπάνω διεργασία. Ο Πίνακας 5.7 δείχνει τις συνιστώσες του ισοζυγίου µάζας του αζώτου κατά τη διάρκεια της καλλιέργειας του εδάφους µε ηλίανθο και της επακόλουθης µηκαλλιεργητικής περιόδου. Τα αποτελέσµατα οδηγούν στο συµπέρασµα ότι οι αθροιστικές απώλειες νιτρικών εξαιτίας της έκπλυσης, είναι αρκετά χαµηλές και κατά κύριο λόγο λαµβάνουν χώρα κατά τη χειµερινή περίοδο. Αυτό εξηγείται κυρίως λόγω της πρόσληψης από τα φυτά, της χαµηλής ποσότητας αζώτου που προστέθηκε µέσω της άρδευσης µε επεξεργασµένα λύµατα και από τη χαµηλή ποσότητα νερού στράγγισης. Η αποτελεσµατική εφαρµογή νερού και αζώτου µέσω της στάγδην άρδευσης επίσης διαδραµάτισε ένα σηµαντικό ρόλο στη µείωση της έκπλυσης του αζώτου, καθώς η µεταφορά των νιτρικών δια µέσου του εδαφικού προφίλ ελέγχεται από την κίνηση του νερού στο έδαφος. Πίνακας 5.7. Συνιστώσες του ισοζυγίου του αζώτου σε Kg N ha -1 κατά την περίοδο ανάπτυξης του ηλίανθου και την επακόλουθη µη-καλλιεργητική περίοδο. Συνιστώσες ισοζυγίου του αζώτου kg N ha -1 Αζωτούχος λίπανση 79.4 Ν από λύµατα 8.90 Ανοργανοποίηση Πρόσληψη Ν Έκπλυση Ν 44.7 Απονιτροποίηση 0.0 Νιτροποίηση Γενικά, η έκπλυση νιτρικών ως αποτέλεσµα της εφαρµογής αζωτούχου λιπάνσης ήταν αρκετά χαµηλή. Η αναστολή της κινητικότητας του αζώτου στις αρχές της καλλιεργητικής περιόδου είναι αποτέλεσµα χαµηλής περιεκτικότητας υγρασίας στο έδαφος, µιας και δεν εφαρµόστηκε άρδευση κατά το εν λόγω διάστηµα. Επιπλέον, η εντατική πρόσληψη του Ν κατά την περίοδο της έντονης ανάπτυξης της καλλιέργειας, αποτρέπει τις απώλειες νιτρικών προς τις βαθύτερες ζώνες. Τα αποτελέσµατά µας συµφωνούν µε αυτά των Saadi και Maslouhi (2003) οι οποίοι Βρήκαν ότι η εκπλυνόµενη ποσότητα 50 kg N-NO 3 ha -1 που αντιστοιχεί σε εφαρµογή 120 kg N ha -1 δεν διαφέρει κατά πολύ από την τιµή που υπολογίζεται απουσία

154 Κεφάλαιο 5 ο 143 λιπάσµατος 46.4 kg N-NO 3 ha -1. Επιπρόσθετα, οι Moreno et al. (1996) βρήκαν ότι το ολικό ΝΟ 3 -Ν µιας ζώνης που εκπλύθηκε κάτω από την επιφάνεια του εδάφους ήταν και 44 kg N ha -1, ως αποτέλεσµα εφαρµογής 510 και 170 kg N ha -1, αντίστοιχα. Αυτό καταδεικνύει ότι οι απώλειες νιτρικών από την εφαρµογή λιπασµάτων είναι µηδαµινές σε σχέση µε αυτές που σχετίζονται µε τη διεργασία της ανοργανοποίησης της οργανικής ουσίας. Η αποθηκευµένη ποσότητα του αζώτου στο εδαφικό προφίλ των 1.5 m υπολογίστηκε από την παρακάτω σχέση: Αποθήκευση Ν = N εισροή N εκροή (5.5) = N fer + N min + N ww N plant N leach N = = kg Ν ha -1 όπου: N fer είναι το άζωτο των λιπασµάτων, N min είναι το άζωτο της ανοργανοποίησης της οργανικής ουσίας του εδάφους, N ww είναι το άζωτο των επεξεργασµένων λυµάτων, N plant είναι το άζωτο πρόσληψης των φυτών, N leach είναι οι απώλειες αζώτου µε έκπλυση και N denit είναι οι απώλειες αζώτου µε ανοργανοποίηση. Οι παραπάνω ποσότητες εκφράζονται σε kg N ha -1. Η µελέτη των παραγόντων της εξίσωσης (5.5) δείχνει ότι υπάρχει έλλειψη αζώτου κατά τη διάρκεια της προσοµοίωσης (αρνητικό πρόσηµο). Το συνολικό εφαρµοζόµενο Ν µέσω της λίπανσης, καλύπτει µέρος µόνο των αναγκών σε άζωτο των φυτών. denit Αξιολόγηση του ανόργανου αζώτου στο εδαφικό προφίλ Η µηνιαία αποθήκευση ανόργανου αζώτου, αµµωνιακών και νιτρικών στο εδαφικό διάλυµα και στη στερεά φάση, για το εδαφικό προφίλ 1.5 m δίνεται στον Πίνακα 5.8. Το µέγιστο ποσό του συνολικού ανόργανου αζώτου παρατηρήθηκε τον Απρίλιο. Το γεγονός αυτό εξηγείται από την εφαρµογή λιπάσµατος κατά το συγκεκριµένο µήνα. Μείωση του ανόργανου αζώτου παρατηρήθηκε κατά τους µήνες Μάιο έως Ιούλιο και επίσης κατά τους χειµερινούς µήνες. Αυτό εξηγείται από την εκτεταµένη πρόσληψη από τα φυτά κατά τη διάρκεια του σταδίου ανάπτυξης. Κατά τη διάρκεια του χειµώνα, η µείωση εξηγείται από την έκπλυση στις βαθύτερες

155 Κεφάλαιο 5 ο 144 στρώσεις. Το ανόργανο άζωτο που προστέθηκε µέσω των επεξεργασµένων αστικών λυµάτων δεν ήταν αρκετό για να ικανοποιήσει τις ανάγκες της καλλιέργειας. Όταν η πρόσληψη από τα φυτά σταµατά, παρατηρείται αύξηση του συνολικού ανόργανου αζώτου από τον Αύγουστο έως τον Νοέµβριο. Το γεγονός αυτό συνδέεται µε την αποσύνθεση των υπολειµµάτων της καλλιέργειας και τη διαδικασία της ανοργανοποίησης της οργανικής ουσίας. Συνεπώς, η παραγωγή αζώτου µέσω της ανοργανοποίησης είναι σηµαντική παρά το µικρό ποσοστό της οργανικής ουσίας που µετρήθηκε στο έδαφος. Πίνακας 5.8. Μηνιαία αποθήκευση ανόργανου αζώτου (kg N ha -1 ) στο εδαφικό προφίλ του 1.5 m κατά τη διάρκεια της πειραµατικής περιόδου (1/4/03-31/3/04). Αποθήκευση ανόργανου αζώτου (kg N ha -1 ) Μήνας NO 3 -N NH 4 -N NH 4 -N Συνολικό στο εδαφικό στο εδαφικό στη στερεά ανόργανο διάλυµα διάλυµα φάση άζωτο Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέµβριος Οκτώβριος Νοέµβριος εκέµβριος Ιανουάριος Φεβρουάριος Μάρτιος Σύνολο Στο Σχήµα 5.12 φαίνεται το συνολικό ανόργανο άζωτο, τα αµµωνιακά στη στερεά φάση και το εδαφικό διάλυµα, καθώς και η συνολική αποθήκευση νιτρικών στο εδαφικό προφίλ των 1.5 m κατά τη διάρκεια της περιόδου προσοµοίωσης. Η χρονική εξέλιξη της εποχιακής αποθήκευσης ανόργανου αζώτου ακολουθεί τάση παρόµοια µε αυτή της ηµερήσιας συγκέντρωσης ανόργανου αζώτου, κυρίως στη επιφανειακή στρώση των 0-40 cm. Παρόλα αυτά, παρατηρείται αυξοµείωση της συγκέντρωσης ανόργανου αζώτου, κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου

156 Κεφάλαιο 5 ο 145 και της επακόλουθης µη-καλλιεργητικής. Η αύξηση του ανόργανου αζώτου στο εδαφικό προφίλ κατά την έναρξη της καλλιεργητικής περιόδου, σχετίζεται µε την προσθήκη του λιπάσµατος, ενώ η µείωση αυτού σχετίζεται µε τον αυξηµένο ρυθµό πρόσληψης από τα φυτά. Η συνολική ποσότητα ανόργανου αζώτου που εφαρµόστηκε από τα λιπάσµατα και τα λύµατα (89 kg Ν ha -1 ) ικανοποίησε µέρος των αναγκών των φυτών σε άζωτο (276.1 kg Ν ha -1 ) και ένα ακόµη µέρος του αζώτου καλύφθηκε από την ανοργανοποιήσιµη της οργανικής ουσίας του εδάφους (99.2 kg N ha -1 ). Το πρόγραµµα λίπανσης που εφαρµόστηκε οδήγησε τα φυτά σε καταπόνηση (στρες) κατά την περίοδο ανάπτυξης. Αποθήκευση ανόργ. Ν, kg/ha Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 N-NH4-SO N-NH4-EX N-NO3-SO Ολικό αν όργαν ο-ν Σχήµα Σύνολο αµµωνιακού αζώτου στο εδαφικό διάλυµα (N-NH 4 -SO) και τη στερεή φάση (N-NH 4 -EX) και νιτρικών αζώτου στο εδαφικό διάλυµα (N-NO 3 -SO) σε βάθος εδαφικού προφίλ ίσο µε 1.5 m, κατά τη διάρκεια της περιόδου προσοµοίωσης. Ολικό ανόργανο-ν

157 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΥΝΑΜΙΚΗΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΚΑΙ TOY ΑΖΩΤΟΥ ΣTΟ Ε ΑΦΟΣ ΑΓΡΟΥ ΚΑΛΛΙΕΡΓΗΜΕΝΟΥ ΜΕ ΑΡΑΒΟΣΙΤΟ 6.1. Εισαγωγή Σκοπός αυτού του κεφαλαίου, είναι η µελέτη της δυναµικής του νερού και του αζώτου, στο έδαφος του πειραµατικού αγρού κατά για χρονική περίοδο ενός έτους που περιλαµβάνει την περίοδο ανάπτυξης του αραβοσίτου και την επακόλουθη µηκαλλιεργητική περίοδο. Ο κύκλος της καλλιέργειας του αραβοσίτου ακολουθεί τον κύκλο της καλλιέργειας του ηλίανθου στον ίδιο αγρό που ακολουθεί έπειτα από µία ανάπτυξης του ηλίανθου. Για την παρούσα έρευνα, εφαρµόστηκε το µοντέλο WANISIM έπειτα από την εφαρµογή ανόργανου αζωτούχου λιπάσµατος πριν την σπορά, καθώς και άρδευση µε επεξεργασµένα αστικά λύµατα του σταθµού επεξεργασίας της Θεσσαλονίκης. Η ρύθµιση και η επιβεβαίωση του µοντέλου έγινε όπως και στην περίπτωση της καλλιέργειας του ηλίανθου κάτω από δύο διαφορετικές προσεγγίσεις της εφαρµογής του νερού και του αζώτου µε τη µέθοδο στάγδην άρδευσης. Σκοπός της έρευνας είναι η µελέτη των επιπτώσεων της αζωτούχου λίπανσης στην απόδοση των καλλιεργούµενων φυτών, την γονιµότητα του εδάφους και την ρύπανση των υπόγειων υδάτων, τόσο από την εφαρµογή του ανόργανου λιπάσµατος όσο και από την εφαρµογή επεξεργασµένων αστικών λυµάτων Εφαρµογή του µοντέλου Το µοντέλο WANISIM χρησιµοποιήθηκε για την προσοµοίωση της δυναµικής του νερού και αζώτου στο έδαφος για την καλλιεργητική περίοδο του αραβοσίτου και την επακόλουθη µη-καλλιεργητική περίοδο, για συνολικό χρονικό διάστηµα από τον

158 Κεφάλαιο 6 ο 147 Απρίλιο του 2004 µέχρι το Μάρτιο του Στο έδαφος, εφαρµόστηκε άζωτο πριν από την σπορά µε τη µορφή ανόργανου αζωτούχου λιπάσµατος και στη συνέχεια µε το περιεχόµενο στα επεξεργασµένα αστικά λύµατα κατά τη διάρκεια της αρδευτικής περιόδου. Με σκοπό να βελτιωθούν οι συνθήκες προσοµοίωσης της δυναµικής του νερού υπό συνθήκες στάγδην άρδευσης, στο µοντέλο εφαρµόστηκαν οι δύο διαφορετικές προσεγγίσεις της εφαρµογής του αρδευτικού νερού που αναφέρονται στο πέµπτο κεφαλαίο για την προσοµοίωση της δυναµικής του νερού και αζώτου στην καλλιέργεια του ηλίανθου. Στην πρώτη προσέγγιση, το ύψος του νερού και το άζωτο που εφαρµόστηκε µε τη λίπανση θεωρείται ότι εφαρµόστηκαν οµοιόµορφα στην επιφάνεια του εδάφους. Στην δεύτερη προσέγγιση, το µοντέλο εφαρµόστηκε έπειτα από µείωση της αρδευτικής δόσης του αρδευτικού νερού. Τα αντίστοιχα ύψη νερού άρδευσης κατά την πρώτη και τη δεύτερη προσέγγιση φαίνονται στον Πίνακα 6.1. Πίνακας 6.1. Ύψος νερού άρδευσης κατά την πρώτη και τη δεύτερη προσέγγιση του µοντέλου για την περίπτωση της καλλιέργειας του αραβοσίτου. Άρδευση Ηµέρες του Ύψος νερού άρδευσης (cm) έτους Πρώτη προσέγγιση εύτερη προσέγγιση Σύνολο Ρύθµιση του µοντέλου για τη δυναµική του εδαφικού νερού Κατά τη βαθµονόµηση, οι παράµετροι της ανάπτυξης του φυτού (δείκτης φυλλικής επιφάνειας (LAI), βάθος ριζοστρώµατος και κατανοµή των ριζών), καθώς και οι παράµετροι της χαρακτηριστικής καµπύλης και η κορεσµένη υδραυλική

159 Κεφάλαιο 6 ο 148 αγωγιµότητα ορίστηκαν ίσες µε τις τιµές οι οποίες µετρήθηκαν στο πεδίο και χρησιµοποιήθηκαν στην προσοµοίωση, τόσο κατά την πρώτη όσο και κατά τη δεύτερη προσέγγιση του µοντέλου. Οι παράµετροι της συνάρτησης πρόσληψης νερού από τις ρίζες, και το ύψος πίεσης στο κρίσιµο επίπεδο (h c ) προσδιορίστηκαν µετά από την απόκτηση της ελάχιστης δυνατής διαφοράς µεταξύ των µετρηµένων και υπολογισµένων τιµών της περιεχόµενης εδαφικής υγρασίας. Kατά τη φάση της ρύθµισης του µοντέλου, oι τιµές του ύψους πίεσης, για τη συνάρτηση του περιοριστικού παράγοντα a(h) της πρόσληψης νερού από τις ρίζες, ορίστηκαν ίσες µε h a = -10 cm, h fc = -200 cm, h c = cm και h pwp = cm και χρησιµοποιήθηκαν κατά την προσοµοίωση και στις δύο προσέγγισες του µοντέλου Η δυναµική του νερού στο έδαφος Άρδευση εφαρµόστηκε στις περιπτώσεις κατά τις οποίες το περιεχόµενο εδαφικό νερό στη εδαφική στρώση 0-65 cm ήταν λιγότερο από 0.7θ fc (όπου θ fc είναι το περιεχόµενο νερό στην υδατοϊκανότητα). Εφαρµόστηκε άρδευση 10 φορές συνολικά, µε διάστηµα 7 ηµερών µεταξύ δύο αρδεύσεων κατά την περίοδο ανάπτυξης, από τις 15 Ιουνίου (ηµέρα του έτους 167) έως τις 17 Αυγούστου (ηµέρα του έτους 230). Το συνολικό ύψος νερού άρδευσης κατά την περίοδο ανάπτυξης του αραβοσίτου ήταν 49.4 cm. Η βροχόπτωση κατά την ίδια περίοδο έφτασε τα 9.1 cm και για ολόκληρη την περίοδο προσοµοίωσης τα cm. Η δυναµική του εδαφικού νερού εξετάστηκε µε την εφαρµογή του µοντέλο για δύο διαφορετικά ύψη νερού άρδευσης. Το συνολικό ύψος νερού άρδευσης ήταν 49.4 και 35.1 cm για την πρώτη και τη δεύτερη προσέγγιση, αντίστοιχα. Τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης για τη δυναµική του εδαφικού νερού αξιολογήθηκαν µε βάση την κατανοµή του νερού στο έδαφος, την αποθήκευσή του στο εδαφικό προφίλ και τις συνιστώσες το ισοζυγίου του νερού, για τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου του αραβοσίτου και την ακόλουθη µη-καλλιεργητική περίοδο. Τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης, εκτός της περιεχόµενης εδαφικής υγρασίας, παρουσιάζονται και αξιολογούνται µε βάση τη πρώτη προσέγγιση. Τα δε αποτελέσµατα για την περιεχόµενη εδαφική υγρασία αξιολογούνται µε βάση και τις δύο προσεγγίσεις.

160 Κεφάλαιο 6 ο Εκτίµηση της εδαφικής υγρασίας κατά την πρώτη προσέγγιση Στα διαγράµµατα του Σχήµατος 6.1 φαίνονται οι µετρηµένες και οι υπολογισµένες από το µοντέλο WANISIM τιµές της εδαφικής υγρασίας κατά την περίοδο ανάπτυξης του αραβοσίτου και την επακόλουθη µε καλλιεργητική περίοδο, για τα βάθη 25, 55, 85 και 105 cm κατά την πρώτη προσέγγιση του µοντέλου. Η σύγκριση ανάµεσα στις υπολογισµένες και τις µετρηµένες τιµές του προφίλ εδαφικής υγρασίας δείχνει ότι υπάρχει µία λογικά ικανοποιητική συµφωνία για όλες τις στρώσεις του εδάφους, και ιδιαίτερα στη πρώτη στρώση βάθους 0-40 cm. Όπως µπορεί να διαπιστωθεί από τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης και τις πειραµατικές µετρήσεις της εδαφικής υγρασίας, αυτή αυξάνει µε την άρδευση και τη βροχόπτωση και µειώνεται µε την εξατµισοδιαπνοή. Η µεταβλητότητα της εδαφικής υγρασίας είναι µικρότερη κατά την πρώτη περίοδο ανάπτυξης της καλλιέργειας, υψηλότερη στο µεσοδιάστηµα (περίοδος της άρδευσης), και ελαττώνεται πάλι κατά την τελευταία περίοδο. Το γεγονός αυτό εξηγείται κυρίως από τη µεταβολή του ρυθµού εξατµισοδιαπνοής, η οποία σχετίζεται µε την αλλαγή της επιφάνειας των φύλλων, το ύψος νερού άρδευσης και τους µετεωρολογικούς παράγοντες κατά την περίοδο των πειραµάτων. Οι υψηλές βροχοπτώσεις 8.2 και 5.4 cm για τις µέρες του έτους 261 και 313, αντίστοιχα, ταυτίζονται µε τα µέγιστα της εδαφικής υγρασίας, ιδιαίτερα στο βάθος της ζώνης του ριζοστρώµατος (25 και 55 cm). Αυτό υποδηλώνει ότι το µοντέλο WANISIM µπορεί να προσοµοιώσει αρκετά ικανοποιητικά τις διεργασίες που επιτελούνται στο σύστηµα έδαφος-νερό-φυτό-ατµόσφαιρα για όλα τα βάθη του εδαφικού προφίλ. Εν τούτοις, πρέπει να αναφερθούν κάποιες υπερεκτιµήσεις και υποεκτιµήσεις που προέρχονται από το µοντέλο. Θα πρέπει να σηµειωθεί, ωστόσο, ότι αν και οι τιµές που προκύπτουν από την προσοµοίωση παρουσιάζουν την ίδια τάση µε τις τιµές που παρατηρούνται στο πεδίο, δεν αναπαριστούν κατάλληλα µερικές ακραίες τιµές που µετρήθηκαν. Επιπλέον, αν και υπάρχει ασυµφωνία µεταξύ των πειραµατικών µετρήσεων και των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης της εδαφικής υγρασίας για τη βαθύτερη στρώση των 105 cm, υπάρχει µία τάση οι τιµές να ακολουθουν τη χρονική µεταβολή της εδαφικής υγρασίας. Στην αρχή της περιόδου προσοµοίωσης, από την ηµέρα του έτους 92 έως την 167, παρατηρείται µία µικρή διαφορά µεταξύ των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης και των πειραµατικών µετρήσεων της εδαφικής υγρασίας. Η περίοδος αυτή εµφανίζει

161 Κεφάλαιο 6 ο 150 µικρότερη πρόσληψη νερού από τα φυτά και αντιστοιχεί σε φάση χαµηλής δυναµικής του νερού. Η περίοδο από την ηµέρα του έτους 167 έως την 230 αντιστοιχεί στη φάση άρδευσης. Η συµφωνία για την περίοδο αυτή είναι ικανοποιητική, καθώς, η πρόσληψη του νερού από τον αραβόσιτο περιγράφεται από το µοντέλο ικανοποιητικά. Ωστόσο, κάποια υπερεκτίµηση παρατηρήθηκε κατά τη διάρκεια της προσοµοίωσης. Γενικά, κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης του αραβοσίτου, η συµφωνία µεταξύ των υπολογισµένων και µετρηµένων τιµών ήταν καλλίτερη, από ότι κατά την προσοµοίωση του ηλίανθου. Αυτό ωφελείται στις µεγάλες ποσότητες νερού που εφαρµόστηκαν κατά τη διάρκεια της άρδευσης περιόδου του αραβοσίτου που είχα σαν αποτέλεσµα την καλύτερη οριζόντια οµοιοµορφία της εδαφικές υγρασίας µεταξύ δύο γραµµών σταλακτοφόρων αγωγών. Η περίοδο από την ηµέρα του έτους 270 έως 452 αντιστοιχεί στη µηκαλλιεργητική βροχερή περίοδο του έτους. Το µοντέλο WANISIM προβλέπει µε µεγάλη ακρίβεια την εδαφική υγρασία κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Αυτό οφείλεται κυρίως στην καλύτερη οµοιοµορφία κατανοµής της εδαφικής υγρασίας που παρατηρείται κατά την περίοδο των βροχών. Αντιθέτως, η ασυµφωνία µεταξύ των τιµών της εδαφικής υγρασίας που παρατηρείται ανάµεσα στις πειραµατικές µετρήσεις και τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης είναι µεγάλη, ιδιαίτερα για τις εδαφικές στρώσεις βάθους και cm. Η πιθανή εξήγηση για την ασυµφωνία αυτή είναι ότι η υφή του εδάφους των δύο αυτών στρώσεων είναι πιο ετερογενής και ποικίλει από το ένα µέρος στο άλλο εντός του πειραµατικού αγρού. Σε αντίθεση προς το γεγονός αυτό, το µοντέλο θεωρεί ως δεδοµένο την οµοιοµένεια της υφής του εδάφους για την ίδια στρώση εδάφους. Τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης για την εδαφική υγρασία δείχνουν ότι, όταν χρησιµοποιείται η τιµή h c = cm, η πρόσληψη του νερού που υπολογίζεται είναι µεγαλύτερη συγκριτικά µε τις τιµές h c = και cm. Όµως αυτή η µεγαλύτερη πρόσληψη δεν έχει σηµαντική επίδραση σε σχέση µε τη κατανοµή της εδαφικής υγρασίας. Σύγκριση µεταξύ των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης για διαφορετικές τιµές της εµπειρικής παραµέτρου c της συνάρτησης πυκνότητας του ριζικού συστήµατος S max (εξ. 3.13), ίσες µε -0.2, 0 και 0.2 δείχνει ότι η µεγαλύτερη πρόσληψη νερού συµβαίνει όταν η παράµετρος c ήταν ίση µε την τιµή 0.2.

162 Κεφάλαιο 6 ο 151 0,5 0,4 25 cm Yπολο Mετρη θ, cm 3 /cm 3 0,3 0,2 0, Ηµέρα του έτους, 1/4/04-31/3/05 0,5 0,4 55 cm Yπολο Mετρη θ, cm 3 /cm 3 0,3 0,2 0, Ηµέρα του έτους, 1/4/04-31/3/05 0,5 0,4 85 cm Yπολο Mετρη θ, cm 3 /cm 3 0,3 0,2 0, Ηµέρα του έτους, 1/4/04-31/3/05 0,2 105 cm Yπολο Mετρη θ, cm 3 /cm 3 0,15 0,1 0, Ηµέρα του έτους, 1/4/04-31/3/05 Σχήµα 6.1. Σύγκριση µεταξύ των αποτελεσµάτων προσοµοίωσης (συνεχείς γραµµές) και µετρήσεων (σηµεία) για τις τιµές της περιεχόµενης εδαφικής υγρασίας σε βάθη 25, 55, 85 και 105 cm. Τα παραπάνω αφορούν την πρώτη προσέγγιση του µοντέλου. Σηµ.: Οι µετρηµένες τιµές αποτελούνται από δύο επαναλήψεις.

163 Κεφάλαιο 6 ο Εκτίµηση της εδαφικής υγρασίας κατά τη δεύτερη προσέγγιση Στη δεύτερη προσέγγιση του µοντέλου, εφαρµόστηκε µικρότερο συνολικό ύψος νερού άρδευσης σε σχέση µε το πραγµατικό ύψος νερού που εφαρµόστηκε µε τις αρδεύσεις. Το συνολικό ύψος νερού άρδευσης κατά τη διάρκεια της προσοµοίωσης της δεύτερης προσέγγισης ήταν 35.1 cm, ενώ το αντίστοιχο πραγµατικό ύψος που χρησιµοποιείται στην πρώτη προσέγγιση ήταν 49.4 cm. Στα διαγράµµατα του Σχήµατος 6.2 φαίνονται οι τιµές της εδαφικής υγρασίας κατά την δεύτερη προσέγγιση του µοντέλου όπως αυτές προσδιορίστηκαν από τις µετρήσεις πεδίου και την προσοµοίωση για τα βάθη 25, 55, 85 και 105 cm. Οι τιµές της εδαφικής υγρασίας που προκύπτουν κατά την προσοµοίωση, βρίσκονται σε ικανοποιητική συµφωνία µε τις αντίστοιχες µετρηµένες και ακολουθούν τη χρονική µεταβολή για όλα τα βάθη του εδάφους. Η σύγκριση ανάµεσα στο προφίλ εδαφικής υγρασίας που προκύπτει από την προσοµοίωση και τις µετρήσεις στην περίπτωση της δεύτερης προσέγγισης του µοντέλου, δείχνει µία πιο ικανοποιητική συµφωνία ανάµεσα στα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης και των µετρήσεων, απ ότι στην πρώτη προσέγγιση του µοντέλου, ιδιαίτερα κατά την περίοδο της άρδευσης. Αυτό οφείλεται κυρίως στην παραδοχή ότι η κατακόρυφη στήλη του εδάφους, όπου γινόταν οι µετρήσεις, δεχόταν µικρότερο ύψος νερού άρδευσης που αντιστοιχεί στη δεύτερη προσέγγιση του µοντέλου. Επίσης, παρατηρείται ότι δεν υπάρχει µεγάλη διαφορά µεταξύ των υπολογισµένων και των µετρηµένων τιµών της εδαφικής υγρασίας και για τις δύο προσέγγισης του µοντέλου, κατά την περίοδο του χειµώνα. Αυτό οφείλεται στην οµοιόµορφη κατανοµή της εδαφικής υγρασίας κατά την περίοδο των βροχών, ιδιαίτερα στην πρώτη εδαφική στρώση. Τα αποτελέσµατα αυτά εξηγούν ότι η υπερεκτίµηση των δεδοµένων που παρατηρήθηκαν κατά τις µετρήσεις στη διάρκεια της περιόδου της άρδευσης, σχετίζονται κυρίως µε τη µέθοδο της στάγδην άρδευσης που χρησιµοποιήθηκε, καθώς και τη µέθοδο µέτρησης της εδαφικής υγρασίας.

164 Κεφάλαιο 6 ο 153 0,5 0,4 25 cm Yπολο Mετρη θ, cm 3 /cm 3 0,3 0,2 0, Ηµέρα του έτους, 1/4/04-31/3/05 0,5 0,4 55 cm Yπολο Mετρη θ, cm 3 /cm 3 0,3 0,2 0, Ηµέρα του έτους, 1/4/04-31/3/05 0,5 0,4 85 cm Yπολο Mετρη θ, cm 3 /cm 3 0,3 0,2 0, Ηµέρα του έτους, 1/4/04-31/3/05 0,2 0, cm Yπολο Mετρη θ, cm 3 /cm 3 0,1 0, Ηµέρα του έτους, 1/4/04-31/3/05 Σχήµα 6.2. Σύγκριση µεταξύ των αποτελεσµάτων προσοµοίωσης (συνεχείς γραµµές) και µετρήσεων (σηµεία) για τις τιµές της περιεχόµενης εδαφικής υγρασίας σε βάθη 25, 55, 85 και 105 cm. Τα παραπάνω αφορούν τη δεύτερη προσέγγιση του µοντέλου. Σηµ.: Οι µετρηµένες τιµές αποτελούνται από δύο επαναλήψεις.

165 Κεφάλαιο 6 ο 154 Παρ όλο που υπάρχει µία ικανοποιητική συµφωνία ανάµεσα στις τιµές της εδαφικής υγρασίας που προκύπτουν από την προσοµοίωση και στις αντίστοιχες που µετρήθηκαν στο πεδίο, κατά τη δεύτερη προσέγγιση του µοντέλου, στην πραγµατικότητα εφαρµόστηκε µεγαλύτερο βάθος άρδευσης κατά την πειραµατική περίοδο. Αυτό σηµαίνει ότι το ισοζύγιο του νερού σε αυτήν την περίπτωση, καθώς και η δυναµική του, δεν είναι τα πραγµατικά. Τα αποτελέσµατα από την κατανοµή της εδαφικής υγρασίας στη δεύτερη εφαρµογή του µοντέλου συµφωνούν µε εκείνα που παρατηρήθηκαν κατά την περίοδο προσοµοίωσης της καλλιέργειας του ηλίανθου. Αυτά τα αποτελέσµατα υποστηρίζουν τα ευρήµατα της µελέτης µας κατά την πειραµατική διάρκεια του ηλίανθου. Σύµφωνα µε αυτά τα αποτελέσµατα, δεν αρκεί η µέτρηση της εδαφικής υγρασίας σε µια κατακόρυφη στήλη µεταξύ των φυτών και των σταλακτοφόρων ή πάνω στους σταλακτοφόρους ή τη γραµµή των φυτών για να υπολογιστεί η περιεχόµενη εδαφική υγρασία είτε να χρησιµοποιηθούν τα δεδοµένα για προσοµοίωση µε µονοδιάστατα µοντέλα Στατιστική ανάλυση των αποτελεσµάτων Οι ποσοτικές διαδικασίες της αξιολόγησης του µοντέλου αφορούν τη χρήση της στατιστικής ανάλυσης, ώστε να υπολογιστεί το µέσο σφάλµα (Ε), το σφάλµα του τετραγώνου των αποκλίσεων (RMSE), την αποδοτικότητα του µοντέλου (EF) και το συντελεστή ελλείµµατος µάζας (CRM), µεταξύ των υπολογισµένων και των µετρηµένων τιµών εδαφικής υγρασίας. Η στατιστική ανάλυση ανάµεσα στις υπολογισµένες και τις µετρηµένες τιµές εδαφικής υγρασίας, τόσο κατά την πρώτη όσο και κατά τη δεύτερη προσέγγιση του µοντέλου συνοψίζονται στον πίνακα 6.2. Η ασυµφωνία ανάµεσα στις υπολογισµένες και τις µετρηµένες τιµές εδαφικής υγρασίας είναι γενικά µικρότερη κατά τη δεύτερη προσέγγιση του µοντέλου ( Ε cm 3 /cm 3, RMSE %) από ότι στην πρώτη προσέγγιση του µοντέλου ( Ε cm 3 /cm 3, RMSE %). Αυτό υποδηλώνει µία µικρή απόκλιση ανάµεσα στις µετρηµένες και τις υπολογισµένες τιµές για όλα τα βάθη του εδάφους, και µπορεί να αποδοθεί στο γεγονός ότι στην προσοµοίωση κατά τη δεύτερη προσέγγιση του µοντέλου υπήρχε πιο οµοιόµορφη κατανοµή του νερού, κάτω από τους σταλακτήρες από ότι κατά την πρώτη προσέγγιση του µοντέλου. Οι τιµές CRM υποδηλώνουν ότι το µοντέλο κάνει υπερεκτίµηση των µετρήσεων για όλα τα βάθη του εδάφους, τόσο

166 Κεφάλαιο 6 ο 155 για την πρώτη όσο και για τη δεύτερη προσέγγιση του µοντέλου. Πίνακας 6.2. Στατιστικά κριτήρια σχετικά µε τις µετρηµένες στο πεδίο και υπλογισµένες τιµές της εδαφικής υγρασίας σε διάφορα βάθη του εδαφικού προφίλ. Βάθος Στατιστικά κριτήρια (cm) n E (cm 3 /cm 3 ) RMSE (%) EF CRM Πρώτη προσέγγιση εύτερη προσέγγιση Αξιολόγηση της εξάτµισης του εδάφους και της διαπνοής των φυτών Η εξατµισοδιαπνοή αναφοράς (ΕΤ 0 ) υπολογίστηκε µε τη µέθοδο FAO Penman Monteith (Allen et al., 1998), µε τη χρήση µετεωρολογικών δεδοµένων (µέση θερµοκρασία, µέση σχετική υγρασία, ηλιακή ακτινιοβολία και ταχύτητα του ανέµου) που αποκτήθηκαν από ένα µετεωρολογικό σταθµό που βρίσκεται κοντά στον πειραµατικό αγρό. Η δυναµική εξατµισοδιαπνοή της καλλιέργειας του αραβοσίτου υπολογίστηκε κατά προσέγγιση πολλαπλασιάζοντας την ΕΤο επί το συντελεστή καλλιέργειας (Κ c ). Κατά την προσοµοίωση, η δυναµική διαπνοή των φυτών (T pot ) και η δυναµική εξάτµιση του εδάφους (E pot ) χωρίζονται ακολουθώντας τη διαδικασία που περιγράφεται από τους Mahey et al. (1984) (εξ και 3.34). Η πραγµατική διαπνοή υπολογίζεται από το µοντέλο σε κάθε χρονική στιγµή ως συνάρτηση της δυναµικής διαπνοής, του περιοριστικού παράγοντα a(h) της πρόσληψης νερού από τις ρίζες και της κατανοµής των ριζών στο έδαφος. Η προσοµοιωµένη εξάτµιση του εδάφους (δυναµική και πραγµατική εξάτµιση), η διαπνοή των φυτών (δυναµική και πραγµατική διαπνοή) και η στράγγιση του νερού κατά την περίοδο ανάπτυξης του αραβοσίτου και της επακόλουθης µη-

167 Κεφάλαιο 6 ο 156 καλλιεργητικής περίοδο φαίνονται αθροιστικά στο Σχήµα 6.3. Όταν η φυτοκάλυψη του αραβοσίτου ήταν µικρή (δηλ. χαµηλότερος δείκτης φυλλικής επιφάνειας, LAI), ένα σηµαντικό ποσοστό της εισερχόµενης ηλιακής ακτινοβολίας χρησιµοποιούνταν για την εξάτµιση του εδαφικού νερού. Η εξάτµιση του εδάφους ήταν µια κυρίαρχη διαδικασία απώλειας νερού από το έδαφος. Στο µέσο της περιόδου της ανάπτυξης, η διαπνοή των φυτών είναι κυρίαρχη και εξαντλεί ένα µεγάλο µέρος του εδαφικού νερού. Το έδαφος συµβάλλει επίσης στην εξατµισοδιαπνοή, αλλά συγκρινόµενη µε τη διαπνοή, µπορεί να θεωρηθεί αµελητέα. Ύψος νερού, cm Tact Tpot Eact Epot Dr Ir+R Ηµέρα του έτους, 1/4/04-31/3/ Ύψος νερού (Ir+R), cm Σχήµα 6.3. Ύψος νερού άρδευσης και βροχόπτωσης (Ir+R), πραγµατική διαπνοή (T act ), δυναµική διαπνοή (T pot ), πραγµατική εξάτµιση (E act ), δυναµική εξάτµιση (E pot ) και απώλειες στράγγισης (Dr), αθροιστικά κατά την περίοδο ανάπτυξης του αραβοσίτου και της επακόλουθης µη-καλλιεργητικής περίοδο. Η διαπνοή είναι έντονη και φτάνει στη µέγιστη τιµή της κατά τη διάρκεια της βλαστικής περιόδου του αραβοσίτου. Η εξάτµιση ήταν µεγάλη στην αρχή της περιόδου της ανάπτυξης (Απρίλιος και Μάιος) και µειωµένη κατά τη διάρκεια της περιόδου ανάπτυξης και το χειµώνα (Πίνακας 6.2). Η πραγµατική εξάτµιση του εδάφους είναι σηµαντικά χαµηλότερη από τη δυναµική εξάτµιση του εδάφους. Επηρεάζεται µόνο από την περιεχόµενη υγρασία της επιφανειακής εδαφικής στρώσης, το οποίο έπειτα από άρδευση ή βροχόπτωση, µειωνόταν γρήγορα στο χαµηλότερο όριο για την εξάτµιση. Η συνολική ποσότητα στραγγιστικού νερού παρέµεινε αµελητέα κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης το καλοκαίρι, ενώ σηµαντική ποσότητα στραγγιστικού νερού, cm, παρατηρήθηκε κατά τη χειµερινή περίοδο.

168 Κεφάλαιο 6 ο Αξιολόγηση των συνιστωσών του υδατικού ισοζυγίου Οι συνιστώσες του καθηµερινού υδατικού ισοζυγίου προσοµοιώθηκαν κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης του αραβοσίτου και της επακόλουθης µη-καλλιεργητικής περιόδου δηλαδή για 12 µήνες. Στον Πίνακα 6.3 δίνονται οι συνιστώσες του υδατικού ισοζυγίου για όλους τους µήνες της προσοµοίωσης. Το συνολικό νερό που εφαρµόστηκε προέρχεται από τις βροχοπτώσεις και την άρδευση, ενώ η απώλεια νερού συµπεριλαµβάνει τη διαπνοή, την εξάτµιση και τη στράγγιση. Στο τέλος της περιόδου προσοµοίωσης, η ποσότητα αποθηκευµένου νερού υπολογίστηκε από την παρακάτω εξίσωση υδατικού ισοζυγίου: Αποθήκευση νερού (WS r ) = P+ Ir ET Dr (6.1) = = cm όπου: Ρ είναι το ύψος νερού κατακρηµνισµάτων, Ir είναι το ύψος νερού άρδευσης, ET act είναι οι πραγµατικές απώλειες που οφείλονται στην εξατµισοδιαπνοή και Dr είναι οι απώλειες στράγγισης. Όλα τα παραπάνω δίνονται σε cm. Οι τιµές της στράγγισης του νερού συνήθως εξαρτώνται από τις ακριβείς εκτιµήσεις της εξατµισοδιαπνοής και της ροής του νερού, οι οποίες όπως όλα τα αποτελέσµατα που υπολογίστηκαν βάση µοντέλου, περιέχουν ένα βαθµό αβεβαιότητας. Κατά τη διάρκεια της προσοµοίωσης του αραβοσίτου, αν και η µεγαλύτερη ποσότητα νερού εφαρµόστηκε στο έδαφος 58.5 cm, εκ των οποίων 9.1 cm προέρχονταν από βροχοπτώσεις, παρατηρήθηκε αµελητέο ποσό στράγγισης του νερού κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Το συνολικό ποσό του στραγγιστικού νερού ήταν cm, από το οποίο ποσοστό 10% στραγγίζει κατά την περίοδο της ανάπτυξης, ενώ το 90% στραγγίζει κατά τη διάρκεια της µη καλλιεργητικής και βροχερής περιόδου, από τον Οκτώβριο µέχρι τον Μάρτιο. Αυτό δηλώνει ότι η χειµερινή περίοδος που ακολουθεί την περίοδο ανάπτυξης του αραβοσίτου είναι η επικίνδυνη περίοδος του έτους, κατά την οποία µπορεί να συµβεί ουσιώδης έκπλυση ουσιών µε την στράγγιση. act

169 Κεφάλαιο 6 ο 158 Πίνακας 6.3. Μηνιαίο υδατικό ισοζύγιο της καλλιέργειας αραβοσίτου κατά τη διάρκεια της προσοµοίωσης (1/4/04-31/3/05) µε το µοντέλο WANISIM. Συνιστώσες υδατικού ισοζυγίου (cm) Μήνας P Ir T act E act ET act Dr WS r Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέµβριος Οκτώβριος Νοέµβριος εκέµβριος Ιανουάριος Φεβρουάριος Μάρτιος Σύνολο όπου: P είναι τα κατακρηµνίσµατα, Ir είναι το νερό της άρδευσης, T act η πραγµατική διαπνοή, E act η πραγµατική εξάτµιση, Dr το νερό στράγγισης και WS r είναι η αποθηκευµένη ποσότητα νερού στο έδαφος για το εδαφικό προφίλ βάθους 1.5 m. Στις ξηροθερµικές κλιµατικές συνθήκες της Θεσσαλονίκης, παρατηρείται ότι η αποθηκευµένη ποσότητα νερού στο έδαφος (WS r ) είναι αρνητική στην αρχή και το τέλος της πειραµατικής περιόδου, γεγονός που υποδηλώνει ότι οι απώλειες νερού ήταν µεγαλύτερες από ότι η προσθήκη λόγω βροχόπτωσης. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα τη µείωση του περιεχοµένου νερού στο έδαφος κατά τις περιόδους αυτές. Αν και η µέγιστη ποσότητα απωλειών νερού παρατηρήθηκε τον Ιούλιο, δεν σηµειώνεται µείωση του νερού στο προφίλ του εδάφους, κατά την περίοδο αυτή. Αυτό σηµαίνει ότι η ποσότητα του αρδευτικού νερού ήταν αρκετή ώστε να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις της καλλιέργειας σε νερό. Οι βροχοπτώσεις κατά τη µη-καλλιεργητική περίοδο συντελούν στην ανάκτηση της ποσότητας νερού που απωλέσθηκε. Συνήθως, ο ανεφοδιασµός του εδάφους µε νερό συµβαίνει από το τέλος φθινοπώρου µέχρι την άνοιξη. Αν το εδαφικό νερό δεν ανακτηθεί επαρκώς κατά τη διάρκεια της µη καλλιεργητικής περιόδου, ο ρυθµός ανάπτυξης της καλλιέργειας θα είναι χαµηλός. Αν δεν γίνει ανεφοδιασµός του εδάφους µε νερό το Μάιο, τότε το ποσοστό επιβίωσης των νεαρών φυτών θα είναι χαµηλό. Έλλειψη νερού στο έδαφος κατά τους µήνες

170 Κεφάλαιο 6 ο 159 Ιούνιο και Ιούλιο επιφέρουν µείωση της απόδοσης της καλλιέργειας. Η τάση που παρατηρείται στην απώλεια νερού στο χρόνο για το σύστηµα καλλιέργειας αραβοσίτου, υποδηλώνει ότι η εξάτµιση του εδαφικού νερού κατά τις περιόδους εγκατάστασης και γήρανσης της καλλιέργειας και της ενδιάµεσης µηκαλλιεργητικής περιόδου µεταξύ δύο καλλιεργειών διαµορφώνει το µεγαλύτερο ποσοστό της ετήσιας απώλειας νερού (Πίνακας 6.2). Αυτά τα αποτελέσµατα επιβεβαιώνουν τα αποτελέσµατα των Jalota and Arora (2002) για την προσοµοίωση των συνιστωσών του υδατικού ισοζυγίου για τέσσερα συστήµατα καλλιέργειας Αποθηκευµένη ποσότητα νερού στη ζώνη του ριζοστρώµατος Το διαθέσιµο νερό που βρίσκεται αποθηκευµένο στη ζώνη του ριζοστρώµατος φαίνεται στο Σχήµα 6.4. Αναλυτικότερα, απεικονίζονται η διακύµανση της αποθηκευµένης ποσότητας νερού στο ριζόστρωµα (WS riz ), η αποθηκευµένη ποσότητα νερού του ριζοστρώµατος στο επίπεδο της υδατοϊκανότητα (WS fc ), του σηµείου µόνιµης µάρανσης (WS pwp ), του ελάχιστου επιτρεπόµενου ορίου µείωσης της υγρασίας (WS min ). Το αποθηκευµένο νερό στο ριζόστρωµα κατά την περίοδο ανάπτυξης του αραβοσίτου, κυµαίνεται µεταξύ WS fc και WS min µε εξαίρεση µία µικρή περίοδο στην αρχή της περιόδου ανάπτυξης τον Ιούνιο. Το συνολικό ύψος νερού που εφαρµόστηκε κατά την περίοδο ανάπτυξης του αραβοσίτου ήταν 58.5 cm, εκ των οποίων τα 9.1 cm προέρχονταν από βροχοπτώσεις. Κατά την περίοδο αυτή η πραγµατική διαπνοή ήταν cm ενώ η πραγµατική εξάτµιση ήταν cm. Κατά τη διάρκεια ενός έτους προσοµοίωσης η αθροιστική πραγµατική και δυναµική διαπνοή ήταν και cm, ενώ η αθροιστική πραγµατική και δυναµική εξάτµιση ήταν και cm, αντίστοιχα. Οι τιµές αυτές δείχνουν ότι το νερό που εφαρµόστηκε στο έδαφος ικανοποιεί τις πραγµατικές απαιτήσεις για διαπνοή και εξάτµιση. Αυτός ο προγραµµατισµός της άρδευσης κάλυψε όλες τις απαιτήσεις του αραβοσίτου για νερό χωρίς καταπόνηση των φυτών. Καταπόνηση υπήρξε µόνο για ένα µικρό χρονικό διάστηµα στην αρχή της περιόδου ανάπτυξης. Προτείνεται πρώιµη άρδευση στην αρχή της περιόδου ανάπτυξης το µήνα Μάιο για την αποφυγή καταπόνησης των φυτών από την έλλειψη νερού, η οποία µπορεί να συµβεί κατά την περίοδο της βλάστησης και οφείλεται στο χαµηλό ύψος

171 Κεφάλαιο 6 ο 160 βροχοπτώσεων και τις ξηρές κλιµατικές συνθήκες στην περιοχή της Θεσσαλονίκης. Αποθηκευµένο νερό, cm WSriz WSf c WSpwp WSmin Ηµέρα του έτους, 20/4/04-13/9/04 Σχήµα 6.4. Αποθηκευµένο εδαφικό νερό στη ζώνη του ριζοστρώµατος κατά τη διάρκεια της περιόδου ανάπτυξης του αραβοσίτου (WS fc, WS pwp, και WS min είναι το αποθηκευµένο νερό στον υδατοϊκανότητα, το σηµείο µόνιµης µάρανσης και στο ελάχιστο επιτρεπόµενο όριο µείωσης, αντίστοιχα, WS riz είναι το αποθηκευµένο νερό στη ζώνη του ριζοστρώµατος) Το απόθεµα εδαφικού νερού στη ζώνη του ριζικού συστήµατος Γενικά, η ποσότητα του νερού που αποθηκεύεται στη ζώνη του ριζοστρώµατος το φθινόπωρο έως την άνοιξη, παρέχει σηµαντικές πληροφορίες για τους κινδύνους που συνεπάγεται η έλλειψη νερού στην επακόλουθη περίοδο ανάπτυξης. Όσο µεγαλύτερη είναι η αποθηκευµένη ποσότητα νερού, τόσο λιγότερο επηρεάζεται η απόδοση της καλλιέργειας από το χαµηλό ύψος βροχοπτώσεων κατά την περίοδο της ανάπτυξης. Έχει υπολογιστεί ότι για κάθε mm αποθηκευµένου νερού στο έδαφος, διαθέσιµου στο φυτό, µπορούµε να αναµένουµε kg ha -1 επιπλέον παραγωγή για το σιτάρι κάτω από άριστες συνθήκες ανάπτυξης (De Jong, 1990). Το Σχήµα 6.5 δείχνει το απόθεµα εδαφικού νερού σε εδαφικό προφίλ βάθους 1.5 m κατά την περίοδο προσοµοίωσης. Αφ ης στιγµής οι τιµές του νερού άρδευσης και βροχοπτώσεων συµπεριλήφθηκαν στην εισαγωγή δεδοµένων στο µοντέλο, η ποσότητα νερού που προστέθηκε στο έδαφος στην περίπτωση της προσοµοίωσης ήταν ακριβώς η ίδια µε αυτή που µετρήθηκε στο πειραµατικό πεδίο. Η ποσότητα αποθηκευµένου νερού παραµένει αρκετά σταθερή κατά την περίοδο ανάπτυξης. Αυτό µπορεί να εξηγηθεί από τη µεγαλύτερη επάρκεια της ποσότητας νερού που εφαρµόστηκε µε τη στάγδην άρδευση. Επιπλέον, το χρονοδιάγραµµα άρδευσης ήταν

172 Κεφάλαιο 6 ο 161 ικανοποιητικό ώστε να καλύψει τις απώλειες από την εξατµισοδιαπνοή κατά την περίοδο ανάπτυξης. Παρατηρείται ότι αθροιστικά η πρόσθεση νερού µε τη βροχή και την άρδευση ήταν cm, ενώ η συνολική πραγµατική εξατµισοδιαπνοή, ET act, αθροιστικά ήταν cm καθ όλη την πειραµατική περίοδο. Ύψος νερού, cm 120 Ir+R 100 ETact 80 WSr Ηµέρα του έτους, 1/4/04-31/3/ Απ οθηκευµένο νερό, cm Σχήµα 6.5. Αθροιστικό ύψος νερού, εξατµισοδιαπνοή κατά την περίοδο προσοµοίωσης (Ir+R είναι η άρδευση και βροχόπτωση, WS r είναι η αποθηκευµένο νερό σε βάθος εδάφους 1.5 m και ΕT act είναι το άθροισµα της πραγµατικής εξάτµισης και διαπνοής) Μεταφορά και µετασχηµατισµός του αζώτου στο έδαφος Η µεταφορά µάζα και ο µετασχηµατισµός αζώτου στο έδαφος µελετήθηκαν σε ένα χωράφι καλλιεργηµένο µε αραβόσιτο, το οποίο τον προηγούµενο χρόνο είχε καλλιεργηθεί µε ηλίανθο. Κατά τη διάρκεια ανάπτυξης του αραβοσίτου, το έδαφος εµπλουτίστηκε µε 500 kg N ha -1 ανόργανου αζωτούχου λιπάσµατος πριν τη σπορά και 23.5 kg N ha -1 ανόργανου αζώτου µε την εφαρµογή νερού προερχόµενο από επεξεργασµένα αστικά λύµατα. Το αζωτούχο λίπασµα εφαρµόστηκε στο έδαφος σύµφωνα µε τις συστάσεις που προτάθηκαν από αγρότες στην περιοχή των πειραµάτων. Για άρδευση χρησιµοποιήθηκαν επεξεργασµένα αστικά λύµατα από την περιοχή της Θεσσαλονίκης για µία περίοδο δύο µηνών. Τo ανόργανο αζωτούχο λίπασµα και τα επεξεργασµένα αστικά λύµατα εφαρµόστηκαν για να µελετηθεί η επίδραση του ανόργανου αζώτου στην ανάπτυξη των φυτών, καθώς και την επίδρασή του στη γονιµότητα του εδάφους και στη ρύπανση των υπόγειων υδάτων. Με σκοπό να µελετηθεί η µεταφορά µάζα και ο µετασχηµατισµός αζώτου στο

173 Κεφάλαιο 6 ο 162 έδαφος, εφαρµόστηκε το µοντέλο WANISIM για να προσοµοιωθούν τα δεδοµένα που µετρήθηκαν για τις συγκεντρώσεις ΝΗ 4 -Ν και ΝΟ 3 -Ν σε διαφορετικά βάθη του εδάφους, καθώς και η µετρηµένη πρόσληψη αζώτου. Επιπλέον, το µοντέλο εφαρµόστηκε για να υπολογιστεί η ανοργανοποίηση οργανικών ουσιών, η νιτροποίηση και η απονιτροποίηση του ανόργανου αζώτου, καθώς και τη έκπλυση των νιτρικών στις βαθύτερες στρώσεις του εδάφους Ρύθµιση του µοντέλου για τη δυναµική του αζώτου Η διαδικασία της ρύθµισης έγινε µε σκοπό την απόκτηση των αρχικών τιµών των παραµέτρων του µοντέλου, µε βάση τις οποίες γίνεται στη συνέχεια η εκτίµηση των συγκεντρώσεων NH 4 -N και NO 3 -N, έτσι ώστε αυτές να βρίσκονται πλησιέστερα στις αντίστοιχες τιµές που προέκυψαν από τις µετρήσεις. Οι τιµές του συντελεστή κατανοµής (K D ), η σταθερά του ρυθµού νιτροποίησης (Κ 1 ) και η σταθερά του ρυθµού απονιτροποίησης (Κ 2 ), βασίστηκαν στις τιµές παραµέτρων που είχαν προηγουµένως χρησιµοποιηθεί στο µοντέλο WANISIM κατά τη διάρκεια των πειραµάτων µε τον ηλίανθο (Πίνακας 5.5). Εν τούτοις, ορισµένες παράµετροι, όπως η αναλογία C/N και η µέγιστη πρόσληψη αζώτου βαθµονοµήθηκαν ώστε να αντανακλούν καλύτερα τις συνθήκες κατά την καλλιέργεια του αραβοσίτου. Έπειτα από διάφορες προσπάθειες, επιλέχθηκε η τιµή 3.9 µg cm -1 h -1 για τη µέγιστη πρόσληψη αζώτου από το αραβόσιτο και 8 για την αναλογία C/N Συγκεντρώσεις του ανόργανου αζώτου (ΝΟ 3 -Ν και ΝΗ 4 -Ν) στο έδαφος Για να αξιολογηθεί η απόδοση του µοντέλου WANISIM σε σχέση µε τη µεταφορά και το µετασχηµατισµό του αζώτου, οι υπολογισµένες συγκεντρώσεις αζώτου (ΝΗ 4 -Ν και ΝΟ 3 -Ν) συγκρίνονται µε τις µετρηµένες συγκεντρώσεις σε διαφορετικά βάθη του εδάφους 25, 55, 85 και 105 cm. Τα Σχήµατα 6.6 και 6.7 δείχνουν τις χρονικές αλλαγές των υπολογισµένων και των µετρηµένων συγκεντρώσεων ΝΟ 3 -Ν και ΝΗ 4 -Ν σε σχέση µε το χρόνο και το βάθος. Τα αποτελέσµατα που παρατίθενται στο Σχήµα 6.6, δείχνουν ότι υπάρχει µια συµφωνία ανάµεσα στις µετρηµένες και τις υπολογισµένες συγκεντρώσεις νιτρικού-ν σε σχέση µε το χρόνο. Από την επιφάνεια προς τις βαθύτερες στρώσεις εδάφους, οι γενικές

174 Κεφάλαιο 6 ο 163 τάσεις στη συγκέντρωση νιτρικών-ν σε σχέση µε το χρόνο περιγράφονται ικανοποιητικά. Τα αποτελέσµατα δείχνουν υψηλές συγκεντρώσεις για αρκετό χρονικό διάστηµα στη ζώνη του ριζοστρώµατος µετά την εφαρµογή λιπάσµατος (ηµέρα του έτους 101), η οποία επίσης εµφανίζεται στα αποτελέσµατα που µετρήθηκαν. Οι υπολογισµένες και οι παρατηρηµένες συγκεντρώσεις νιτρικών-ν µειώθηκαν κατά την περίοδο της ταχείας ανάπτυξης των φυτών (ηµέρες 156 έως 223), ιδιαίτερα στη ζώνη του ριζοστρώµατος βάθους 0-40 cm, και αυξήθηκαν έπειτα από την ωρίµανση των φυτών, όταν παύει η πρόσληψη Ν από τις ρίζες. Αυτά τα αποτελέσµατα βρίσκονται σε συµφωνία µε τα ευρήµατα των Lotse et al. (1992), οι οποίοι βρήκαν µία ταχεία µείωση του προφίλ ΝΟ 3 -Ν στο έδαφος κατά την περίοδο ανάπτυξης των φυτών και ελαφρύ αύξηση κατά τις τελευταίες ηµέρες πριν τη συγκοµιδή. Η µέγιστη αιχµή αµµωνιακό-ν κατά την προσοµοίωση οφείλεται στην εφαρµογή ανόργανου αζωτούχου λιπάσµατος πριν τη σπορά (ηµέρα του έτους 101). Έχει σύντοµη χρονική διάρκεια και εµφανίζεται σε όλα τα βάθη του εδάφους, ιδιαίτερα στις επιφανειακές στρώσεις του εδάφους. Καθώς το φυτό αναπτυσσόταν οµαλά, το αµµωνιακό και το νιτρικό άζωτο µειωνόταν στη ζώνη του ριζοστρώµατος µέχρι το στάδιο της ωρίµανσης. Όταν η πρόσληψη αζώτου από τις ρίζες του φυτού παύει, κατά την πρώτη Σεπτεµβρίου (ηµέρα του έτους 112), γεγονός που αντιστοιχεί στη φυσιολογική ωρίµανση, οι συγκεντρώσεις αµµωνιακού και νιτρικού αζώτου αυξάνονται τόσο στα υπολογισµένα, όσο και στα µετρηµένα δεδοµένα. Αυτό σχετίζεται κυρίως µε την αποσύνθεση των υπολειµµάτων του φυτού που έµειναν στο έδαφος µετά τη συγκοµιδή, καθώς και τις διαδικασίες ανοργανοποίησης και νιτροποίησης.

175 Κεφάλαιο 6 ο cm Yπολο Mετρη NO 3 -N, mg/kg Ηµέρα του έτους, 1/4/04-31/3/05 NO 3 -N, mg/kg cm Yπολο 35 Mετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/04-31/3/ cm Yπολο Mετρη NO 3 -N, mg/kg Ηµέρα του έτους, 1/4/04-31/3/05 NO 3 -N, mg/kg cm Yπολο 30 Mετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/04-31/3/05 Σχήµα 6.6. Αποτελέσµατα προσοµοίωσης (συνεχείς γραµµές )και µετρήσεων (σηµεία) για το νιτρικό άζωτο (N-ΝΟ 3 ) σε βάθη 25, 55, 85 και 105 cm, κατά τη διάρκεια 12-µηνης περιόδου προσοµοίωσης. Σηµ.: Οι µετρηµένες τιµές αποτελούνται από δύο επαναλήψεις.

176 Κεφάλαιο 6 ο 165 NH 4 -N, mg/kg cm Yπολο 35 Mετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/04-31/3/ cm Yπολο Mετρη NH 4 -N, mg/kg Ηµέρα του έτους, 1/4/04-31/3/ cm Yπολο Mετρη NH 4 -N, mg/kg Ηµέρα του έτους, 1/4/04-31/3/ cm Yπολο Mετρη NH 4 -N, mg/kg Ηµέρα του έτους, 1/4/04-31/3/05 Σχήµα 6.7. Αποτελέσµατα προσοµοίωσης (συνεχείς γραµµές )και µετρήσεων (σηµεία) για το αµµωνιακό άζωτο (N-NH 4 ) σε βάθη 25, 55, 85 και 105 cm, κατά τη διάρκεια 12-µηνης περιόδου προσοµοίωσης. Σηµ.: Οι µετρηµένες τιµές αποτελούνται από δύο επαναλήψεις.

177 Κεφάλαιο 6 ο Στατιστική ανάλυση των αποτελεσµάτων Οι τιµές των στατιστικών κριτηρίων της αξιολόγησης του µοντέλου από τη χρήση της στατιστικής ανάλυσης ώστε να υπολογιστεί το µέσο σφάλµα (Ε), το σφάλµα του τετραγώνου των αποκλίσεων (RMSE), την αποδοτικότητα του µοντέλου (EF) και το συντελεστή ελλείµµατος µάζας (CRM) µεταξύ των υπολογισµένων και των µετρηµένων τιµών των συγκεντρώσεων ΝΗ 4 -Ν και ΝΟ 3 -Ν συνοψίζονται στον Πίνακα 6.4. Η απόκλιση ανάµεσα στις υπολογισµένες και τις µετρηµένες συγκεντρώσεις ΝΗ 4 -Ν και ΝΟ 3 -Ν είναι γενικά µικρή ( Ε και Ε 6.850, αντίστοιχα για τις τιµές ΝΗ 4 -Ν και ΝΟ 3 -Ν). Το RMSE είναι γενικά µικρότερο για τις τιµές των συγκεντρώσεων ΝΟ 3 -Ν, (RMSE %), από ό,τι για τις τιµές των συγκεντρώσεων ΝΗ 4 -Ν (RMSE %). Αυτό το στοιχείο αποτελεί ένδειξη ότι υπάρχει µικρότερη απόκλιση µεταξύ των υπολογισµένων και των µετρηµένων τιµών ΝΟ 3 -Ν απ ό,τι του ΝΗ 4 -Ν. Οι τιµές του συντελεστή υπολειπόµενης µάζας (CRM) αποτελεί ένδειξη ότι γενικά το µοντέλο κάνει υπερεκτιµήσεις στις µετρήσεις των τιµών ΝΗ 4 -Ν και ΝΟ 3 -Ν. Πίνακας 6.4. Στατιστικά κριτήρια προσοµοιωµένων τιµών και µετρήσεων για τη συγκέντρωση NH 4 -N και NO 3 -N σε διάφορα βάθη του εδάφους. Βάθος Στατιστικά κριτήρια (cm) n E (mg/kg) RMSE (%) EF CRM Συγκέντρωση NH 4 -N (mg/kg) ( Συγκέντρωση NO 3 -N (mg/kg)

178 Κεφάλαιο 6 ο Αξιολόγηση του ισοζυγίου και της έκπλυσης του αζώτου Όσον αφορά τη δυναµική του αζώτου που περιγράφεται από το µοντέλο WANISIM, εµπλέκονται διάφορες διαδικασίες στο µοντέλο για την περιγραφή του κύκλου του αζώτου στο έδαφος κατά την περίοδο ανάπτυξης του αραβοσίτου και την επακόλουθη της µη-καλλιεργητικής περιόδου. Αυτές οι διαδικασίες είναι οι εξής: ιαδικασίες, οι οποίες καλύπτουν τις εισροές του συστήµατος - Εφαρµογή ανόργανων αζωτούχων λιπασµάτων - Εφαρµογή ανόργανου αζώτου µε τα επεξεργασµένα αστικά λύµατα ιαδικασίες, οι οποίες καλύπτουν τις εκροές του συστήµατος - πρόσληψη αζώτου από τα φυτά - έκπλυση αζώτου - απονιτροποίηση ιαδικασίες, οι οποίες καλύπτουν τον εσωτερικό µετασχηµατισµό - ανοργανοποίηση - νιτροποίηση - προσρόφηση-εκρόφηση των αµµωνιακών H αλληλεπίδραση µεταξύ των διαφόρων αυτών διαδικασιών καθώς και η ύπαρξη διαφορετικών χηµικών µορφών του αζώτου καθιστούν τον κύκλο του αζώτου εξαιρετικά περίπλοκο. Η µάζα του ισοζυγίου αζώτου παρουσιάζεται αθροιστικά στο Σχήµα 6.8. Το άζωτο προστίθεται στο εδαφικό διάλυµα δια µέσου της διάλυσης του αζωτούχου λιπάσµατος 500 kg N ha -1, και εµπλουτίζεται µε 23.5 kg N ha -1 µε την εφαρµογή επεξεργασµένα αστικά λύµατα κατά την περίοδο της άρδευσης. Το άζωτο εξαντλείται από το έδαφος κυρίως µε την πρόσληψη από τα φυτά και τις απώλειες που οφείλονται στη έκπλυση.

179 Κεφάλαιο 6 ο 168 Μάζα Ν, kg/ha MENIR NITR N-UPT N-LECH Ηµέρα του έτους, 1/4/04-31/3/05 Σχήµα 6.8. Αθροιστικά το άζωτο της ανοργανοποίησης (MINER), απονιτροποίησης (NITR), πρόσληψης από τα φυτά (N-UPT) και έκπλυση νιτρικών (N-LECH) για διάστηµα ενός έτους. Ο Πίνακας 6.5 δείχνει τις συνιστώσες του ισοζυγίου του αζώτου σε µία καλλιέργεια αραβοσίτου, η οποία κατά την προηγούµενη περίοδο είχε καλλιεργηθεί µε ηλίανθο. Η ποσότητα αζώτου που εφαρµόστηκε από την άρδευση µε επεξεργασµένα αστικά λύµάτα ήταν αρκετά χαµηλή, περίπου 4.5% από το ολικό άζωτο που εφαρµόστηκε στο έδαφος. Αυτό σχετίζεται κυρίως µε τη µέθοδο της ενεργούς ιλύος και της νιτροποίησης/απονιτροποίησης που εφαρµόζεται στο σταθµό επεξεργασίας αστικών λυµάτων της Θεσσαλονίκης. Τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης δείχνουν ότι τα επεξεργασµένα αστικά λύµατα της περιοχής της Θεσσαλονίκης µπορούν να χρησιµοποιηθούν ως πολύτιµη πηγή νερού για άρδευση χωρίς τον κίνδυνο ρύπανσης των υπόγειων υδάτων. Όµως, η ποιότητα των αστικών λυµάτων µπορεί να αντικαταστήσει µόνο ένα µικρό µέρος των απαιτήσεων των φυτών σε Ν, αλλά δεν µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως κύρια πηγή προσθήκης αζωτούχου λιπάσµατος. Κατά τη διάρκεια της συνολικής πειραµατικής περιόδου, οι συνολικές απώλειες αζώτου από τη έκπλυση, ήταν kg N ha -1. Η έκπλυση νιτρικών-ν γενικά έλαβε χώρα κατά την περίοδο του χειµώνα. Παρατηρείται ότι µόνο το 14% του συνολικού εκπλυόµενου αζώτου αναφέρθηκε από τον Απρίλιο έως το Νοέµβριο, ενώ το 84% εκπλύθηκε κατά τη µη-καλλιεργητική περίοδο και την περίοδο των βροχών. Το εύρηµα της µελέτης µας στηρίζει την άποψη ότι η περίοδος του χειµώνα είναι η επικίνδυνη περίοδος του έτους κατά την οποία µπορεί να συµβεί έκπλυση ουσιώδης ποσότητας Ν. Πρόκειται για την περίοδο κατά την οποία είναι απαραίτητη η λήψη αποφάσεων ώστε να εµποδιστεί η µόλυνση των υπόγειων υδάτων από το άζωτο.

180 Κεφάλαιο 6 ο 169 Η καλλιέργεια και κατά την ενδιάµεση περιόδου του χειµώνα είναι απαραίτητη για τη µείωση την έκπλυση των νιτρικών. Πίνακας 6.5. Συνιστώσες του ισοζυγίου του αζώτου σε Kg N ha -1 κατά την περίοδο ανάπτυξης του αραβοσίτου και την επακόλουθη µη-καλλιεργητική περίοδο. Συνιστώσες ισοζυγίου του αζώτου kg N ha -1 Αζωτούχος λίπανση Ν από λύµατα 23.5 Ανοργανοποίηση Νιτροποίηση Πρόσληψη Ν Έκπλυση Ν Απονιτροποίηση 12.7 Το άζωτο που αποθηκεύτηκε στο εδαφικό προφίλ βάθους 1.5 m, υπολογίστηκε µε τη µέθοδο υπολογισµού του ισοζυγίου της µάζας ως εξής: Αποθήκευση Ν = N εισροή N εκροή (6.2) = N fer + N min + N ww N plant N leach N = = kg Ν ha -1 όπου: Ν fer είναι το άζωτο των λιπασµάτων, N min είναι το άζωτο της ανοργανοποίησης της οργανικής ουσίας του εδάφους, N ww το ανόργανο άζωτο που εφαρµόζεται µε τη χρήση επεξεργασµένων αστικών λυµάτων, N plant η πρόσληψη Ν από το υπέργειο µέρος των φυτών, Ν leach είναι οι απώλειες Ν µε τη έπλυση και N denit είναι οι απώλειες αζώτου µε τη διαδικασία απονιτροποίησης. Όλα τα στοιχεία του ισοζυγίου Ν δίνονται σε Kg N ha -1. Οι υπολογισµοί του ισοζυγίου αζώτου (Εξ. 6.2) δείχνουν ότι υπάρχει πλεόνασµα του αζώτου που εφαρµόζεται στο έδαφος κατά την περίοδο της ανάπτυξης. Η ποσότητα των 500 kg N ha -1, η οποία εφαρµόστηκε στην καλλιέργεια αραβοσίτου, όπως συνέστησαν οι αγρότες της περιοχής της περαµατικής καλλιέργειας, ξεπερνά τις απαιτήσεις της καλλιέργειας για άζωτο. Στο τέλος το πειράµατος, µία µεγάλη ποσότητα αζώτου kg N ha -1 αποθηκεύτηκε στο έδαφος. Αυτή η ποσότητα, εάν σηµειωθούν υψηλές βροχοπτώσεις κατά τη µη-καλλιεργητική περίοδο, θα εκπλυθούν στις βαθύτερες στρώσεις του εδάφους και θα ρυπάνουν τα denit

181 Κεφάλαιο 6 ο 170 υπόγεια ύδατα Πρόσληψη αζώτου από τα φυτά Για την προσοµοίωση της δυναµικής του αζώτου στο έδαφος στο σύστηµα του φυτού-εδάφους, είναι ουσιώδες να γίνεται µε ακρίβεια η προσοµοίωση της πρόσληψης Ν, εφ όσον η πρόσληψη Ν από τα φυτά είναι σηµαντική. Η υπολογισµένη και µετρηµένη πρόσληψη Ν από τα φυτά παρουσιάζεται στο Σχήµα 6.9. Για να ακολουθήσουµε την πρόσληψη Ν από τα φυτά σε σχέση µε το χρόνο, τέσσερα φυτά αραβοσίτου θερίστηκαν περιοδικά και µετρήθηκε το περιεχόµενο άζωτο σε διαφορετικά σηµεία του φυτού. Τα αποτελέσµατα της συνολικής πρόσληψης Ν από τα φυτά συµφωνούν µε τα υπολογισµένα δεδοµένα σε σχέση µε το χρόνο, ιδιαίτερα κατά την αρχική περίοδο ανάπτυξης του αραβοσίτου. Η πρόσληψη αζώτου από τα φυτά αποτελεί έναν από τους κύριους παράγοντες απώλειας αζώτου από το έδαφος, εκτός από τις απώλειες που οφείλονται στη έκπλυση και την απονιτροποίηση. Πρόσληψη Ν, kg/ha υπολο N-PUT 350 µετρη N-UPT Ηµέρες απ ό σπ ορά, 20/4/04 Σχήµα 6.9. Σύγκριση µεταξύ των αποτελεσµάτων προσοµοίωσης (συνεχείς γραµµές) και µετρήσεων για τις τιµές της πρόσληψης αζώτου από τα φυτά στην καλλιέργεια αραβοσίτου Αξιολόγηση του ανόργανου αζώτου του εδάφους Το µηνιαίο συνολικό ανόργανο άζωτο, ΝΗ 4 -Ν στο εδαφικό διάλυµα και προσροφηµένο στη στερεά φάση, καθώς και ΝΟ 3 -Ν στο εδαφικό διάλυµα που είναι

182 Κεφάλαιο 6 ο 171 αποθηκευµένα σε ολόκληρο το εδαφικό προφίλ καθ όλη τη διάρκεια της περιόδου προσοµοίωσης δίνονται στον Πίνακα 6.6. Γενικά, οι υψηλότερες τιµές αποθηκευµένου αζώτου εµφανίζονται στον Απρίλιο και αντιστοιχούν κυρίως στην εφαρµογή λιπάσµατος Ν κατά τη διάρκεια αυτού του µήνα. Μείωση του ανόργανου Ν παρατηρείται διαρκώς κατά την περίοδο ανάπτυξης του αραβοσίτου και κατά τους χειµερινούς µήνες, µε τις µεγαλύτερες απώλειες να παρατηρούνται τον Ιούλιο. Οι υψηλές απώλειες του ανόργανου αζώτου µπορούν να εξηγηθούν από την υπερβολική πρόσληψη αζώτου από τις ρίζες των φυτών. Κατά την περίοδο του χειµώνα, οι απώλειες ανόργανου αζώτου και κυρίως του νιτρικού αζώτου µπορούν να εξηγηθούν από τα περιστατικά έκπλυσης. Πίνακας 6.6. Μηνιαία αποθήκευση ανόργανου αζώτου (kg N ha -1 ) στο εδαφικό προφίλ του 1.5 m κατά τη διάρκεια της πειραµατικής περιόδου (1/4/04-31/3/05). Αποθήκευση ανόργανου αζώτου (kg N ha -1 ) Μήνας NO 3 -N NH 4 -N NH 4 -N Συνολικό στο εδαφικό στο εδαφικό στη στερεά ανόργανο διάλυµα διάλυµα φάση άζωτο Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέµβριος Οκτώβριος Νοέµβριος εκέµβριος Ιανουάριος Φεβρουάριος Μάρτιος Σύνολο Το συνολικό αποθηκευµένο ανόργανο άζωτο, ΝΗ 4 -Ν στο εδαφικό διάλυµα και τη στερεά φάση, καθώς και ΝΟ 3 -Ν στο εδαφικό διάλυµα στο εδαφικό προφίλ κατά τη περίοδο προσοµοίωσης, παρουσιάζονται στο Σχήµα Παρατηρείται µια αύξηση του αµµωνιακού-ν τόσο στο εδαφικό διάλυµα όσο και στη στερεά φάση, καθώς και αύξηση του νιτρικού-ν στο εδαφικό προφίλ κατά τη διάρκεια εφαρµογής

183 Κεφάλαιο 6 ο 172 του λιπάσµατος. Χαµηλή ποσότητα νιτρικού και αµµωνιακού αζώτου παρατηρήθηκε σε σαφή τρόπο κατά την περίοδο ανάπτυξης του αραβοσίτου. Η υπολογισµένη ποσότητα ΝΟ 3 -Ν στο εδαφικό προφίλ µειώθηκε γρήγορα κατά τη διάρκεια της ταχείας ανάπτυξης των φυτών (ηµέρες 152 έως 230) και αυξήθηκε ελαφρά κατά τις τελευταίες ηµέρες πριν τη συγκοµιδή. Παρατηρείται ότι η κατανοµή του συνολικού προφίλ ανόργανου αζώτου στο προφίλ του εδάφους είναι αρκετά παρόµοια µε τις συγκεντρώσεις αζώτου στη ζώνη του ριζοστρώµατος. Γενικά, η αποθήκευση του ΝΗ 4 -Ν και ΝΟ 3 -Ν είναι επιρρεπής σε έναν αριθµό παραγόντων που έχουν σχέση µε το έδαφος. Ο αριθµός των δυνατών συνδυασµών των τιµών παραγόντων είναι πολύ µεγάλος και µπορεί να ποικίλει για διαφορετικά εδάφη, κλίµατα, είδη καλλιέργειας και των εφοδίων που εφαρµόζονται στο έδαφος. Ανόργανο-Ν, kg/ha Ηµέρα του έτους, 1/4/04-31/3/05 N-NO3-SO N-NH4-SO N-NH4-EX Ολικό αν όργαν ο-ν Σχήµα Ολικό αµµωνιακό άζωτο στο εδαφικό διάλυµα (N-NH 4 -SO) και τη στερεά φάση (N-NH 4 -EX), νιτρικό άζωτο στο εδαφικό διάλυµα (N-NO 3 -SO) και ολικό ανόργανο-ν σε βάθος εδαφικού προφίλ ίσο µε 1.5 m, κατά τη διάρκεια της περιόδου προσοµοίωσης.

184 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ο ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΥΑΙΣΘΗΣΙΑΣ 7.1. Εισαγωγή Γενικά, η ανάλυση ευαισθησίας είναι η µελέτη των µεταβολών ορισµένων εξόδων ενός υπολογισµού, όταν µεταβάλλονται οι τιµές των µεταβλητών εισόδου της συνάρτησης του µοντέλου. Ο σκοπός της ανάλυσης ευαισθησίας, όταν αναφερόµαστε στα µοντέλα προσοµοίωσης, είναι να προσδιορίσει ποιες από τις παραµέτρους του µοντέλου και τις µεταβλητές εισόδου είναι πιο ευαίσθητες και έχουν σηµαίνουσα επίδραση στα αποτελέσµατα (Fernandez et al., 2002; Αλεξίου, 2005). Ο κύριος λόγος για τη χρήση της ανάλυσης ευαισθησίας είναι να αποτιµηθεί η πιθανότητα αβεβαιότητας στα αποτελέσµατα ενός µοντέλου. Ο δεύτερος λόγος της µελέτης ευαισθησίας είναι να αποτιµηθεί η επίδραση των υποθέσεων που γίνονται από το µοντέλο, όπως και η διερεύνηση της συµπεριφοράς του µοντέλου. Η ανάλυση ευαισθησίας µπορεί να εφαρµοστεί µε δυο διαδικασίες. Η πρώτη, ονοµάζεται τµηµατική (piecewise) ανάλυση ευαισθησίας, και επικεντρώνεται στην διαπίστωση της ευαισθησίας των αποτελεσµάτων σε ένα ευρύ φάσµα τιµών µιας µόνο εισόδου. Σε αυτήν την διαδικασία, κάθε είσοδος µεταβάλλεται ξεχωριστά κατά προκαθορισµένο βήµα µεγέθους (π.χ. 10%). Το µέγεθος του βήµατος µεταβολής εξαρτάται από την αβεβαιότητα που σχετίζεται µε τη δεδοµένη είσοδο. Η δεύτερη διαδικασία αναφέρεται ως ολική ανάλυση ευαισθησίας. Συνήθως χρησιµοποιείται για να εξεταστεί η συνολική ευαισθησία σε όλες τις παραµέτρους εισόδου, συµπεριλαµβανοµένων και των πιθανών αλληλεπιδράσεων. Για κάθε είσοδο ορίζονται ζεύγη τιµών και οι προσοµοιώσεις εκτελούνται για όλους τους συνδυασµούς των δύο αυτών τιµών. Στην µελέτη µας, τα αποτελέσµατα του µοντέλου WANISIM δείχνουν µια ασυµφωνία µεταξύ των υπολογισµένων και των µετρηµένων τιµών της περιεχόµενης εδαφικής υγρασίας κατά την περίοδο ανάπτυξης του ηλίανθου και της µη

185 Κεφάλαιο 7 ο 174 καλλιεργητικής περιόδου. Γενικά, η συµφωνία µεταξύ των υπολογισµένων και των µετρηµένων τιµών της περιεχόµενης εδαφικής υγρασίας εξαρτάται κυρίως από την ακρίβεια των υδραυλικών παραµέτρων του µοντέλου. Όσον αφορά το γεγονός αυτό, η ανάλυση ευαισθησίας χρησιµοποιήθηκε για να ερευνήσει την επίδραση των υδραυλικών παραµέτρων του εδάφους σχετικά µε την ασυµφωνία που παρατηρείται ανάµεσα στις υπολογισµένες και τις µετρηµένες τιµές της περιεχόµενης εδαφικής υγρασίας. Επιπλέον, η ανάλυση ευαισθησίας χρησιµοποιήθηκε για να εκτιµηθεί ποιά από αυτές τις παραµέτρους είναι η πιο ευαίσθητη και έχει µεγάλη επίδραση στα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης. Λαµβάνοντας υπόψη την αβεβαιότητα που σχετίζεται µε τον υπολογισµό των υδραυλικών παραµέτρων του εδάφους, είναι απαραίτητη η χρήση της ανάλυσης ευαισθησίας για αυτές τις παραµέτρους, ώστε να αξιολογηθεί η επίδραση της µεταβλητότητας αυτών των παραµέτρων στα υπολογισµένα αποτελέσµατα. Γίνεται η υπόθεση ότι η κύρια πηγή της απόκλισης των υδραυλικών παραµέτρων από τον υπολογισµένο µέσο όρο της µετρηµένης στο πεδίο παραµέτρου οφείλεται στην χωρική µεταβλητότητα της υφής του εδάφους Ανάλυση ευαισθησίας των παραµέτρων των συναρτήσεων των υδραυλικών ιδιοτήτων του εδάφους Οι παράµετροι της εξίσωσης Van Genuchten (1980) για τη χαρακτηριστική καµπύλη του εδάφους προσδιορίστηκαν τέσσερις φορές για κάθε στρώση του εδάφους από ισάριθµα αδιατάρακτα δείγµατα εδάφους. Η µέση τιµή αυτών των προσαρµοσµένων παραµέτρων χρησιµοποιήθηκε στο µοντέλο WANISIM. Η ανάλυση ευαισθησίας έγινε µε την εκτέλεση του µοντέλου χρησιµοποιώντας τις µέγιστες και τις ελάχιστες τιµές των παραµέτρων θ s, θ r, α και n, ξεχωριστά για κάθε εδαφική στρώση. Η εκτέλεση του µοντέλου πραγµατοποιήθηκε ξεχωριστά για κάθε παράµετρο, για να µελετηθεί η ευαισθησία της στην ίδια εδαφική στρώση και συγχρόνως για να ερευνηθεί η επίδραση αυτής της παραµέτρου στην εδαφική υγρασία όλων των στρώσεων του εδάφους. Τα αποτελέσµατα αξιολογήθηκαν µε ποιοτική και ποσοτική σύγκριση των τιµών της υπολογισµένης και της µετρηµένης εδαφικής υγρασίας για τις µέγιστες, ελάχιστες και µέσες τιµές των παραµέτρων ξεχωριστά. Ερευνήθηκε επίσης η ευαισθησία των παραµέτρων της χαρακτηριστικής καµπύλης του εδάφους και στις συνιστώσες του υδατικού ισοζυγίου.

186 Κεφάλαιο 7 ο 175 Η κορεσµένη υδραυλική αγωγιµότητα, K sat, µετρήθηκε µε τη χρήση του περατόµετρου Guelph και µε αδιατάρακτα δείγµατα εδάφους. Χρησιµοποιήθηκαν στο µοντέλο WANISIM µέσες τιµές της K sat για κάθε εδαφική στρώση. Κατά τη διάρκεια της ανάλυσης ευαισθησίας, κάθε τιµή της K sat µεταβλήθηκε ξεχωριστά µέσα σε ένα εύρος της τάξης +25% και -25% γύρω από τη µέση τιµή. Η αύξηση και η µείωση των τιµών της K sat έφτασαν στο 50% των τιµών αναφοράς. Τα αποτελέσµατα αξιολογήθηκαν µε τη σύγκριση ανάµεσα στις τιµές της περιεχοµένης εδαφικής υγρασίας, χρησιµοποιώντας τις µέσες τιµές της K sat και τις τιµές της ανάλυσης ευαισθησίας. Οι τιµές των παραµέτρων της χαρακτηριστικής καµπύλης του εδάφους, καθώς και οι µέσες τιµές της K sat δίνονται στον Πίνακα 7.1. Πίνακας 7.1. Οι µέσες, µέγιστες και ελάχιστες τιµές των παραµέτρων θ s, θ r, α και n της χαρακτηριστική καµπύλη του εδάφους, καθώς και οι µέσες τιµές της K sat. Βάθος ιακύµανση θ s θ r α n K sat (cm) (cm 3 /cm 3 ) (cm 3 /cm 3 ) (1/cm) (cm/hr) Μέσες τιµές Μέγιστες τιµές Ελάχιστες τιµές Μέσες τιµές Μέγιστες τιµές Ελάχιστες τιµές Μέσες τιµές Μέγιστες τιµές Ελάχιστες τιµές Μέσες τιµές Μέγιστες τιµές Ελάχιστες τιµές Αποτελέσµατα της ανάλυσης ευαισθησίας για τις παραµέτρους της χαρακτηριστικής καµπύλης του εδάφους Οι παράµετροι θ s, θ r, α και n της χαρακτηριστικής καµπύλης του εδάφους παρουσιάζουν µικρή έως µεγάλη επίδραση στα υπολογισµένα αποτελέσµατα της κατανοµής της εδαφικής υγρασίας και στις συνιστώσες του υδατικού ισοζυγίου. Η κατανοµή της εδαφικής υγρασίας παρουσιάζει µεγαλύτερη ευαισθησία απέναντι στην παράµετρο α και ακολούθως στην παράµετρο n, συγκριτικά µε τις άλλες παραµέτρους. Τα Σχήµατα 7.1, 7.2 και 7.3 δείχνουν την επίδραση των παραµέτρων α και n στην κατανοµή της εδαφικής υγρασίας.

187 Κεφάλαιο 7 ο 176 0,5 0,4 25 cm θ, cm 3 /cm 3 0,3 0,2 0, Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 υπολο µέσ α 25 cm υπολο µέγ α 25 cm υπολο ελ α 25 cm µετρη 0,4 55 cm 0,3 θ, cm 3 /cm 3 0,2 υπολο µέσ α 55 cm 0,1 υπολο µέγ α 25 cm υπολο ελ α 25 cm µετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 0,5 85 cm 0,4 θ, cm 3 /cm 3 0,3 0,2 υπολο µέσ α 85 cm 0,1 υπολο µέγ α 25 cm υπολο ελ α 25 cm µετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 0,25 0,2 105 cm υπολο µέσ α 105 cm υπολο µέγ α 25 cm υπολο ελ α 25 cm µετρη θ, cm 3 /cm 3 0,15 0,1 0, Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 Σχήµα 7.1. Επίδραση των διαφορετικών τιµών της παραµέτρου α (µέσες, µέγιστες και ελάχιστες τιµές στο βάθος εδάφους 25 cm) στην κατανοµή της εδαφικής υγρασίας κατά τη διάρκεια ανάπτυξης του ηλίανθου και της µη-καλλιεργητικής περιόδου.

188 Κεφάλαιο 7 ο 177 0,5 25 cm 0,4 θ, cm 3 /cm 3 0,3 0,2 υπολο µέσ α 25 cm υπολο µέγ α 55 cm 0,1 υπολο ελ α 55 cm µετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 0,4 55 cm 0,3 θ, cm 3 /cm 3 0,2 υπολο µέσ α 55 cm 0,1 υπολο µέγ α 55 cm υπολο ελ α 55 cm µετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 0,5 0,4 85 cm θ, cm 3 /cm 3 0,3 0,2 υπολο µέσ α 85 cm 0,1 υπολο µέγ α 55 cm υπολο ελ α 55 cm µετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 0,25 0,2 105 cm υπολο µέσ α 105 cm υπολο µέγ α 55 cm υπολο ελ α 55 cm µετρη θ, cm 3 /cm 3 0,15 0,1 0, Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 Σχήµα 7.2. Επίδραση των διαφορετικών τιµών της παραµέτρου α (µέσες, µέγιστες και ελάχιστες τιµές στο βάθος εδάφους 55 cm) στην κατανοµή της εδαφικής υγρασίας κατά τη διάρκεια ανάπτυξης του ηλίανθου και της µη-καλλιεργητικής περιόδου.

189 Κεφάλαιο 7 ο 178 0,4 25 cm 0,3 θ, cm 3 /cm 3 0,2 υπολο µέσ n 25 cm 0,1 υπολο µέγ n 25 cm υπολο ελ n 25 cm µετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 0,4 55 cm 0,3 θ, cm 3 /cm 3 0,2 υπολο µέσ n 55 cm 0,1 υπολο µέγ n 25 cm υπολο ελ n 25 cm µετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 0,5 85 cm 0,4 θ, cm 3 /cm 3 0,3 0,2 υπολο µέσ n 85 cm υπολο µέγ n 25 cm 0,1 υπολο ελ n 25 cm µετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 0,25 0,2 105 cm υπολο µέσ n 105 cm υπολο µέγ n 25 cm υπολο ελ n 25 cm µετρη θ, cm 3 /cm 3 0,15 0,1 0, Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 Σχήµα 7.3. Επίδραση των διαφορετικών τιµών της παραµέτρου n (µέσες, µέγιστες και ελάχιστες τιµές στο βάθος εδάφους 25 cm) στην κατανοµή της εδαφικής υγρασίας κατά τη διάρκεια ανάπτυξης του ηλίανθου και της µη-καλλιεργητικής περιόδου.

190 Κεφάλαιο 7 ο 179 Η ποσοτική σύγκριση µεταξύ των υπολογισµένων και των µετρηµένων τιµών της περιεχόµενης εδαφικής υγρασίας µε τη χρήση διαφορετικών τιµών για τις παραµέτρους της χαρακτηριστικής καµπύλης του εδάφους δίνονται στον Πίνακα 7.2. Γενικά, τα στατιστικά κριτήρια που δίνονται στον Πίνακα 7.2 δείχνουν ότι οι ελάχιστες τιµές των θ s και θ r παρουσιάζουν καλύτερη συµφωνία µεταξύ της υπολογισµένης και της µετρηµένης εδαφικής υγρασίας και η συµπεριφορά τους βρίσκεται πολύ κοντά στις µέσες τιµές. Όµως, οι µέγιστες τιµές των παραµέτρων α και n παρουσιάζουν µικρότερη ασυµφωνία µεταξύ της υπολογισµένης και της µετρηµένης εδαφικής υγρασίας και επίσης τα αποτελέσµατα είναι πιο κοντά στις µέσες τιµές. Πίνακας 7.2. Κριτήρια στατιστικής ανάλυσης για τις υπολογισµένες και τις µετρηµένες τιµές της περιεχόµενης εδαφικής υγρασίας για διαφορετικές τιµές των παραµέτρων της χαρακτηριστικής καµπύλης. Βάθος cm Σtatistical crateria θ s Μέσ. θ s (cm 3 /cm 3 ) θ r (cm 3 /cm 3 ) α (1/cm) n θ s Μέγ. θ s Ελ. θ r Μέσ. θ r Μέγ. θ r Ελ. α Μέσ. α Μέγ. α Ελ. n Μέσ. n Μέγ. AE RMSE EF AE RMSE EF AE RMSE ME AE RMSE EF όπου: ΑΕ (cm 3 /cm 3 ) RMSE (%) και EF είναι το µέσο σφάλµατος, το σφάλµα του τετραγώνου των αποκλίσεων και η αποδοτικότητα του µοντέλου, αντίστοιχα. n Ελ. Οι συνιστώσες του υδατικού ισοζυγίου παρουσιάζουν µικρή ευαισθησία απέναντι στις παραµέτρους της χαρακτηριστικής καµπύλης του εδάφους, εκτός από την παράµετρο α, η οποία εµφανίζεται να έχει µεγάλη επίδραση στη συνολική στράγγιση συγκριτικά µε τις άλλες παραµέτρους. Ο Πίνακας 7.3 δείχνει την ευαισθησία των παραµέτρων της χαρακτηριστικής καµπύλης του εδάφους απέναντι στις συνιστώσες του υδατικού ισοζυγίου, συµπεριλαµβάνοντας τη δυναµική διαπνοή

191 Κεφάλαιο 7 ο 180 (T pot ), την πραγµατική διαπνοή (T act ), τη δυναµική εξάτµιση (E pot ),την πραγµατική εξάτµιση (E act ) και την στράγγιση του νερού (Dr) Πίνακας 7.3. Επίδραση της ανάλυσης ευαισθησίας των παραµέτρων της χαρακτηριστικής καµπύλης στις συνιστώσες του υδατικού ισοζυγίου. Βάθος Παράµετροι Συνιστώσες υδατικού ισοζυγίου (cm) (cm) T act E act Dr Μέσες τιµές των θ s, θ r, α και n θ s µέγ.= θ s ελ.= θ r µέγ.= θ r ελ.= α µέγ.= α ελ.= n µέγ.= n ελ.= θ s µέγ.= θ s ελ.= θ r µέγ.= θ r ελ.= α µέγ.= α ελ.= n µέγ.= n ελ.= θ s µέγ.= θ s ελ.= θ r µέγ.= θ r ελ.= α µέγ.= α ελ.= n µέγ.= n ελ.= θ s µέγ.= θ s ελ.= θ r µέγ.= θ r ελ.= α µέγ.= α ελ.= n µέγ.= n ελ.= όπου: T act είναι η πραγµατική διαπνοή, T pot η δυναµική διαπνοή, E act η πραγµατική εξάτµιση, E pot is δυναµική εξάτµιση και Dr, είναι η στράγγιση του νερού. Σηµ.: οι µέσες τιµές των παραµέτρων θ s, θ r, α και n δίνονται στον Πίνακα 7.1.

192 Κεφάλαιο 7 ο Αποτελέσµατα της ανάλυσης ευαισθησίας για την κορεσµένη υδραυλική αγωγιµότητα Όλα τα αποτελέσµατα της δυναµικής του νερού, συµπεριλαµβανοµένων της κατανοµής της εδαφικής υγρασίας και των συνιστωσών του υδατικού ισοζυγίου, εµφανίζουν µια πολύ µικρή ευαισθησία απέναντι στις µεταβολές της K sat. Αυτό εξηγείται κυρίως από το γεγονός ότι το εδαφικό προφίλ δεν φτάνει ποτέ στο σηµείο κορεσµού, ακόµη και κατά τη διάρκεια της άρδευσης ή των βροχών. Εποµένως, ο χρήστης του µοντέλου WANISIM πρέπει να επιστήσει την προσοχή του περισσότερο στην ακρίβεια των παραµέτρων της χαρακτηριστικής καµπύλης του εδάφους παρά στην κορεσµένη υδραυλική αγωγιµότητα. Χαµηλές τιµές της ανάλυσης ευαισθησίας για την K sat κατά τη χρήση του µοντέλου WAVE αναφέρονται από τους Fernandez et al. (2002) και τον Αλεξίου (2005). Η ανάλυση ευαισθησίας της K sat για τις συνιστώσες του ισοζυγίου του νερού δίνονται στον Πίνακα 7.4. Η ανάλυση ευαισθησίας της K sat για την κατανοµή της εδαφικής υγρασίας παρουσιάζεται στα Σχήµα 7.4 και 7.5. Πίνακας 7.4. Επίδραση της ανάλυσης ευαισθησίας της K sat στις συνιστώσες του υδατικού ισοζυγίου. Βάθος (cm) Συνιστώσες υδατικού ισοζυγίου (cm) K sat T act E act Dr Τιµή αναφοράς K sat +25% K sat -25% K sat +50% K sat -50% K sat +25% K sat -25% K sat +50% K sat -50% K sat +25% K sat -25% K sat +50% K sat -50% K sat +25% K sat -25% K sat +50% K sat -50% Σηµ.: Τιµές αναφοράς της Κ sat για διαφορετικές εδαφικές στρώσεις δίνονται στον Πίνακα 7.1.

193 Κεφάλαιο 7 ο 182 0,4 25 cm 0,3 θ, cm 3 /cm 3 0,2 Ksat Ksat +25% 25cm Ksat -25% 25cm 0,1 Ksat +50% 25cm Ksat -50% 25cm µετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 0,4 55 cm 0,3 θ, cm 3 /cm 3 0,2 0,1 Ksat Ksat +25% 25cm Ksat -25% 25cm Ksat +50% 25cm Ksat -50% 25cm µετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 0,5 85 cm 0,4 θ, cm 3 /cm 3 0,3 0,2 Ksat Ksat +25% 25cm Ksat -25% 25cm 0,1 Ksat +50% 25cm Ksat -50% 25cm µετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 θ, cm 3 /cm 3 0,25 0,2 0,15 0,1 105 cm Ksat Ksat +25% 25cm Ksat -25% 25cm Ksat +50% 25cm Ksat -50% 25cm µετρη 0, Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 Σχήµα 7.4. Επίδραση των διαφορετικών τιµών της K sat (κ sat είναι οι τιµές αναφοράς, και 25% 50% γύρω από τη τιµή αναφοράς στο βάθος εδάφους 25 cm) στην κατανοµή της εδαφικής υγρασίας κατά τη διάρκεια ανάπτυξης του ηλίανθου και της µη-καλλιεργητικής περιόδου.

194 Κεφάλαιο 7 ο 183 0,4 25 cm 0,3 θ, cm 3 /cm 3 0,2 Ksat Ksat +25% 55cm Ksat -25% 55cm 0,1 Ksat +50% 55cm Ksat -50% 55cm µετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 0,4 55 cm 0,3 θ, cm 3 /cm 3 0,2 0,1 0 Ksat Ksat +25% 55cm Ksat -25% 55cm Ksat +50% 55cm Ksat -50% 55cm µετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 0,5 85 cm 0,4 θ, cm 3 /cm 3 0,3 Ksat 0,2 Ksat +25% 55cm Ksat -25% 55cm 0,1 Ksat +50% 55cm Ksat -50% 55cm µετρη Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 θ, cm 3 /cm 3 0,25 0,2 0,15 0,1 105 cm Ksat Ksat +25% 55cm Ksat -25% 55cm Ksat +50% 55cm Ksat -50% 55cm µετρη 0, Ηµέρα του έτους, 1/4/03-31/3/04 Σχήµα 7.5. Επίδραση των διαφορετικών τιµών της K sat (κ sat είναι οι τιµές αναφοράς, και 25% 50% γύρω από τη τιµή αναφοράς στο βάθος εδάφους 55 cm) στην κατανοµή της εδαφικής υγρασίας κατά τη διάρκεια ανάπτυξης του ηλίανθου και της µη-καλλιεργητικής περιόδου.

195 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ο ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ-ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΕΠΕΚΤΑΣΗΣ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ 8.1 Ανακεφαλαίωση-Συµπεράσµατα Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η µελέτη των επιδράσεων της άρδευσης µε επεξεργασµένα υγρά αστικά απόβλητα και της εφαρµογής ανόργανου αζωτούχου λίπανσης, στην ανάπτυξη των φυτών, στο έδαφος καθώς και στη ρύπανση των υπόγειων υδάτων από την έκπλυση των νιτρικών. Επιπλέον, στην έρευνα αυτή µελετάται η αξιοπιστία ενός µονοδιάστατου µοντέλου να προσοµοιώσει επιτυχώς τη δυναµική του εδαφικού νερού και του αζώτου υπό συνθήκες στάγδην άρδευσης καθώς και την επίδραση της αλατότητας των επεξεργασµένων λυµάτων, στην πρόσληψη του νερού από τις ρίζες. Για το σκοπό αυτό, πραγµατοποιήθηκαν πειραµατικές µετρήσεις διετούς διάρκειας σε ένα αγρό, που αποτέλεσαν τα δεδοµένα εισόδου σε ένα µονοδιάστατο µαθηµατικό µοντέλου το οποίο ονοµάζεται WANISIM. Το πείραµα πραγµατοποιήθηκε στον πειραµατικό αγρό του Ινστιτούτου Εγγείων Βελτιώσεων Θεσσαλονίκης, στην περιοχή του Γαλλικού ποταµού, στη Σίνδο, στη Βόρεια Ελλάδα σε ένα πηλώδες έδαφος. Έγιναν οι απαραίτητες µετρήσεις για να εκτιµηθεί η δυναµική του νερού και του αζώτου κατά την βλαστική περίοδο δύο διαφορετικών καλλιεργειών, του ηλίανθου και του αραβοσίτου. Οι δύο αυτές καλλιέργειες αρδεύτηκαν µε νερό από τις εκροές του σταθµού επεξεργασίας λυµάτων της Θεσσαλονίκης. Οι πειραµατικές µετρήσεις αφορούν το έδαφος, τα φυτά και το αρδευτικό νερό και συλλέχθηκαν κατά την καλλιεργητική και µη καλλιεργητική περίοδο, από τον Απρίλιο του 2003 έως τον Απρίλιο του Για τις υδραυλικές ιδιότητες του εδάφους, εκτιµήθηκαν οι παράµετροι της χαρακτηριστικής καµπύλης του εδάφους θ(h), και η κορεσµένη υδραυλική αγωγιµότητα K sat. Για τη χάραξη της χαρακτηριστικής καµπύλης του εδάφους, θ(h),

196 Κεφάλαιο 8 ο 185 ελήφθησαν αδιατάρακτα δείγµατα από τέσσερα βάθη εδάφους (25, 55, 85, and 105 cm), και οι µετρηµένες τιµές προσαρµόστηκαν µε την εξίσωση του Van Genuchten (1980). Το Κ sat µετρήθηκε στα ίδια βάθη µε τη µέθοδο του περατόµετρου Guelph και σε αδιατάρακτα δείγµατα εδάφους. Καταγράφηκαν συνεχώς κατά το χρονικό διάστηµα των δύο ετών η περιεχόµενη εδαφική υγρασία, οι ανόργανες µορφές του αζώτου (NH 4 -N και NO 3 -N), το οργανικό άζωτο, η οργανική ουσία, η ηλεκτρική αγωγιµότητα και το ph σε τέσσερα βάθη του εδαφικού προφίλ µε συχνότητα µία φορά κάθε 10 ηµέρες κατά την βλαστική περίοδο των καλλιεργειών και µία φορά κάθε µήνα κατά τη µη καλλιεργητική περίοδο. Καταγράφηκαν επίσης οι χαρακτηριστικές µεταβλητές της ανάπτυξης των φυτών: το LAI, το ύψος φυτών, το βάθος και η κατανοµή ριζικού συστήµατος, η ξερή φυτική µάζα, το περιεχόµενο άζωτο στην φυτοµάζα των φυτών µε συχνότητα µία φορά κάθε 15 ηµέρες, η συνολική παραγωγή σε φυτοµάζα, ο καρπός και η πρόσληψη αζώτου κατά την συγκοµιδή των φυτών. Το µοντέλο WANISIM που χρησιµοποιήθηκε για τις προσοµοιώσεις περιγράφει τη δυναµική του νερού και του αζώτου στο έδαφος (Aντωνόπουλος, 1998), υπό τις µεταβαλλόµενες συνθήκες που δηµιουργούνται από τις εισροές και εκροές στο έδαφος. Αποτελείται από µια σειρά υποµοντέλων που περιγράφουν και εκτιµούν τις ταυτόχρονες διαδικασίες της κίνησης του νερού, της µεταφοράς µάζας του αµµωνιακού και νιτρικού αζώτου, της πρόσληψης του νερού και του αζώτου από τα φυτά, της νιτροποίησης, της απονιτροποίησης, της ανοργανοποίησης και της ακινητοποίησης του αζώτου στο έδαφος. Οι µονοδιάστατες κατά την κατακόρυφη διεύθυνση, εξισώσεις κίνησης του νερού και της µεταφοράς µάζας του αµµωνιακού και νιτρικού αζώτου στο έδαφος, επιλύονται µε τη µέθοδο Galerkin, των πεπερασµένων στοιχείων. Τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης δείχνουν ότι το µοντέλο WANISIM δύναται να περιγράψει τις χρονικές διακυµάνσεις της περιεχόµενης εδαφικής υγρασίας, σε διαφορετικούς εδαφικούς ορίζοντες, υπό στάγδην άρδευση. Ωστόσο, παρατηρήθηκε υπερεκτίµηση σε µερικούς µήνες, σε σχέση µε τις µετρηµένες τιµές. Το σύστηµα της στάγδην άρδευσης, η σταθµική µέθοδος µέτρησης της εδαφικής υγρασίας και οι θέσεις δειγµατοληψίας έπαιξαν σηµαντικό ρόλο στην υπερεκτίµηση των υπολογισµένων τιµών, σε σχέση µε τις µετρηµένες τιµές. Επιπλέον, τα αποτελέσµατα αυτής της µελέτης καταδεικνύουν ότι η µέτρηση της εδαφικής υγρασίας στα σηµεία µεταξύ των γραµµών των φυτών και των σταλακτήρων, δεν

197 Κεφάλαιο 8 ο 186 είναι η πλέον κατάλληλη για τη περιγραφή της δυναµικής του νερού σε ένα σύστηµα της µορφής αυτής. Παρόλα που παρατηρήθηκε καλύτερη συµφωνία µεταξύ των υπολογισµένων και µετρηµένων τιµών κατά τη δεύτερη προσέγγιση, για την καλλιεργητική περίοδο του ηλίανθου και του αραβόσιτου, τα συνολικά ύψη νερού που εφαρµόστηκαν στο έδαφος, σύµφωνα µε αυτή την προσέγγιση, ήταν και 35.1 cm, αντίστοιχα, και ήταν χαµηλότερα από αυτά που εφαρµόστηκαν κατά την πειραµατική περίοδο, των 23.9 και 49.4 cm, αντίστοιχα. Αυτό σηµαίνει ότι το ισοζύγιο του νερού σε αυτή την περίπτωση δεν είναι αυτό που ισχύει στην πραγµατικότητα. Τα παραπάνω οδηγούν στα προβλήµατα που απορρέουν από την χρήση µονοδιάστατων µαθηµατικών µοντέλων, για την περιγραφή της δυναµικής του εδαφικού νερού υπό συνθήκες στάγδην άρδευσης. Οι διαφορές που παρατηρήθηκαν µεταξύ των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης και των µετρηµένων τιµών, τόσο για το εδαφικό νερό, όσο και για τις ανόργανες µορφές του αζώτου, οφείλονται στην επιλογή του µονοδιάστατου µοντέλου αντί ενός τρισδιάστατου όπως ισχύει στην φυσική κατάσταση και στο γεγονός επίσης ότι σε όλη την έκταση του πεδίου ερευνών υπάρχει µια φυσική ανοµοιοµορφία και ανισοτροπία που θα έπρεπε να περιγραφεί µε γεωστατιστική ανάλυση. Η ανάλυση της µεταβλητότητας των χαρακτηριστικών του εδάφους στο οριζόντιο επίπεδο δεν περιλαµβάνεται στους σκοπούς της παρούσας διατριβής. Τα δείγµατα εδάφους προέρχονται από µια έκταση 200 m 2 µέσα στην οποία αναµένεται να υπάρχουν διαφορές τόσο στη στρωµάτωση του εδάφους όσο και στις υδραυλικές και χηµικές ιδιότητες. Η µεταβλητότητα των χαρακτηριστικών ιδιοτήτων δεν λαµβάνεται υπόψη από το µονοδιάστατο µοντέλο WANISIM, αλλά δεν έγινε και κάποια ανάλυση παραλλακτικότητας για να διαπιστωθεί αυτό. Όσον αφορά τις συνιστώσες του υδατικού ισοζυγίου, το συνολικό ύψος νερού που εφαρµόστηκε κατά την περίοδο ανάπτυξης του ηλίανθου, διαρκείας 92 ηµερών, ήταν cm, εκ των οποίων τα cm ήταν αποτέλεσµα της βροχόπτωσης. Κατά την περίοδο αυτή η πραγµατική διαπνοή ήταν cm ενώ η πραγµατική εξάτµιση ήταν 7.3 cm. Κατά τη διάρκεια ενός έτους προσοµοίωσης η αθροιστική πραγµατική και δυναµική διαπνοή ήταν και cm, ενώ η αθροιστική πραγµατική και δυναµική εξάτµιση ήταν και cm, αντίστοιχα. Τα παραπάνω δείχνουν ότι το συνολικό ύψος νερού άρδευσης και η βροχόπτωση ικανοποίησαν µόνο τις απώλειες που οφείλονταν στην πραγµατική διαπνοή και µέρους των απωλειών της

198 Κεφάλαιο 8 ο 187 εξάτµισης. Εποµένως, το πρόγραµµα άρδευσης που ακολουθήθηκε ικανοποιεί µέρος µόνο των αναγκών της καλλιέργειας σε νερό, µε αποτέλεσµα την καταπόνηση της καλλιέργειας κατά τη διάρκεια της θερινής περιόδου. Το συνολικό ύψος νερού που εφαρµόστηκε κατά την περίοδο ανάπτυξης του αραβοσίτου, διαρκείας 147 ηµερών, ήταν 58.5 cm, εκ των οποίων τα 9.1 cm προέρχονταν από τις βροχοπτώσεις. Κατά την περίοδο αυτή η πραγµατική διαπνοή ήταν cm ενώ η πραγµατική εξάτµιση ήταν cm. Κατά τη διάρκεια ενός έτους προσοµοίωσης η αθροιστική πραγµατική και δυναµική διαπνοή ήταν και cm, ενώ η αθροιστική πραγµατική και δυναµική εξάτµιση ήταν και cm, αντίστοιχα. Οι τιµές αυτές δείχνουν ότι το νερό που εφαρµόστηκε στο έδαφος ικανοποιεί τις πραγµατικές απαιτήσεις για διαπνοή και εξάτµιση. Αυτός ο προγραµµατισµός της άρδευσης κάλυψε όλες τις απαιτήσεις του αραβοσίτου για νερό χωρίς καταπόνηση των φυτών. Καταπόνηση υπήρξε µόνο για ένα µικρό χρονικό διάστηµα στην αρχή της περιόδου ανάπτυξης. Όσον αφορά την κατανοµή του ανόργανου αζώτου στα διάφορα σηµεία της εδαφικής κατατοµής, τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης του αµµωνιακού και του νιτρικού αζώτου, σε σχέση µε τις τιµές που προκύπτουν από τις µετρήσεις στο πεδίο, δείχνουν την τάση της κατανοµής του αζώτου στο χρόνο. Η διακύµανση της περιεκτικότητας αζώτου στο εδαφικό προφίλ, µπορεί να εξηγηθεί από την ανοµοιοµορφία εφαρµογής του αζωτούχου λιπάσµατος. Η ανοµοιοµορφία της υφής του εδάφους µπορεί επίσης να ευθύνεται για την ασυµφωνία µεταξύ των υπολογισµένων και µετρηµένων τιµών των συγκεντρώσεων ανόργανου αζώτου. Έκπλυση νιτρικών σε βαθύτερους εδαφικούς ορίζοντες για τον ηλίανθο, παρατηρήθηκε µονάχα κατά τη µη καλλιεργητική βροχερή περίοδο. Για περίοδο ενός έτους υπολογίστηκε έκπλυση νιτρικού-ν ίση µε 44.7 kg N ha -1, η οποία µπορεί να χαρακτηριστεί µικρή. Παρατηρήθηκε ότι 10% της παραπάνω ποσότητας εκπλύθηκε την περίοδο Απριλίου έως Οκτωβρίου ενώ το υπόλοιπο 90% κατά τη χειµερινή βροχερή περίοδο. Οµοίως, για τον αραβόσιτο υπολογίστηκε έκπλυση kg N ha -1 νιτρικού-ν για τη χρονική περίοδο ενός έτους, εκ του οποίου 14% εκπλύθηκε κατά τη περίοδο Απριλίου έως Οκτωβρίου και το υπόλοιπο 86% κατά τη βροχερή χειµερινή περίοδο. Τα αποτελέσµατα της µελέτης δείχνουν ότι σηµαντική έκπλυση νιτρικού-ν έχουµε κατά τη χειµερινή, βροχερή, περίοδο. Αναφορικά µε την έκπλυση νιτρικού-ν, η οποία αποδίδεται στην προσθήκη αζωτούχων λιπασµάτων, η συγκεκριµένη έρευνα δείχνει ότι η συνολική έκπλυση

199 Κεφάλαιο 8 ο 188 είναι 44.7 kg N ha -1 για τον ηλίανθο και kg N ha -1 για τον αραβόσιτο, ως αποτέλεσµα της εφαρµογής 79.4 και 500 kg N ha -1, αντίστοιχα. Τα παραπάνω συµφωνούν µε τα αποτελέσµατα των Moreno et al. (1996) οι οποίοι βρήκαν ότι η εκπλυνόµενη, από τα επιφανειακά στρώµατα του εδάφους, ποσότητα νιτρικού-ν ήταν και 44 kg N ha -1, ανταποκρινόµενη σε εφαρµογή 510 και 170 kg N ha -1, αντίστοιχα. Επιπλέον, οι Saadi and Maslouhi (2003) βρήκαν ότι η εκπλυνόµενη ποσότητα των 50 kg N ha -1, η οποία αντιστοιχεί σε εφαρµογή 120 kg N ha -1, δε διαφέρει πολύ από την προκύπτουσα απουσία λιπάσµατος, η οποία υπολογίστηκε σε 46.4 kg N ha -1. Το γεγονός αυτό δείχνει ότι η έκπλυση νιτρικών, η οποία σχετίζεται µε την εφαρµογή λιπάσµατος, είναι αρκετά χαµηλότερη σε σχέση µε την ποσότητα που προκύπτει από την ανοργανοποίηση της οργανικής ουσίας. Η προσθήκη 79.4 kg N ha -1 µέσω της λίπανσης, σε συνδυασµό µε τις ποσότητες που εφαρµόστηκαν µέσω της άρδευσης µε λύµατα, 8.9 kg N ha -1 και µέσω της ανοργανοποίησης kg N ha -1 (NH 4 -N και NO 3 -N), κάλυψαν µέρος των αναγκών σε άζωτο οι οποίες υπολογίστηκαν σε 276 kg N ha -1. Συνεπώς, κατά την καλλιεργητική περίοδο του ηλίανθου η καλλιέργεια αντιµετώπισε έλλειψη αζώτου. Από τα παραπάνω συµπεραίνουµε ότι η ανοργανοποίηση είναι αρκετά σηµαντική διεργασία για την προσθήκη αζώτου στο έδαφος, είτε µε τη µορφή των αµµωνιακών ιόντων, είτε µε τη µορφή νιτρικών, τα οποία είναι η πλέον ευκίνητη µορφή αζώτου, διαθέσιµη για πρόσληψη από τα φυτά. Όσον αφορά την αξιοπιστία του µοντέλου για την περιγραφή της δυναµικής του νερού και αζώτου, για µεγάλη χρονική περίοδο και διαδοχικά συστήµατα κάλυψης της γης, το µοντέλο που εξετάστηκε είναι ικανό να προβλέψει την αντίδραση του συστήµατος έδαφος-φυτό-ατµόσφαιρα στην ανόργανη αζωτούχο λίπανση που εφαρµόστηκε στον αγρό, µέσω των επεξεργασµένων λυµάτων και του λιπάσµατος. Το µοντέλο µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως εργαλείο για τη διαχείριση του αρδευτικού νερού, για την εκτίµηση των επιπτώσεων της εδαφικής αλατότητας στην πρόσληψη του νερού από το ριζικό σύστηµα, όπως και για την εκτίµηση των απωλειών αζώτου, µέσω του στραγγιζόµενου νερού και την εκτίµηση του κινδύνου ρύπανσης του υπόγειου υδροφορέα µε νιτρικά ιόντα. Η επαναχρησιµοποίηση των επεξεργασµένων αστικών λυµάτων για αρδευτικούς σκοπούς, µπορεί να αποδειχθεί πολύτιµη µέθοδος ειδικά σε περιοχές µε έλλειψη αρδευτικού νερού. Τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης δείχνουν ότι τα αστικά λύµατα, µετά από επεξεργασία µε ενεργό ιλύ και διαδικασίες νιτροποίησης

200 Κεφάλαιο 8 ο 189 απονιτροποίησης, είναι δυνατό να αποτελέσουν πολύτιµη πηγή αρδευτικού νερού, χωρίς να επέλθει ρύπανση του υπόγειου υδροφορέα. Ωστόσο θα πρέπει να δοθεί έµφαση στην αποτροπή αλάτωσης του εδάφους µέσω των λυµάτων, µακροπρόθεσµα. Τα αστικά λύµατα µπορούν να ικανοποιήσουν µονάχα ένα µικρό µέρος των απαιτήσεων των φυτών σε άζωτο και δεν συνίσταται να χρησιµοποιούνται ως κύρια πηγή λίπανσης της καλλιέργειας µε άζωτο. Για την ρύθµιση της κίνησης του νερού στο υποµοντέλο WANISIM, αρκετά λίγοι παράµετροι χρειάζεται να βαθµονοµηθούν, προκειµένου να επέλθει ικανοποιητική συµφωνία µεταξύ µετρηµένων και υπολογισµένων, από το µοντέλο, τιµών. Oι παράµετροι της ανάπτυξης του φυτού (δείκτης φυλλικής επιφάνειας (LAI), βάθος ριζοστρώµατος και κατανοµή των ριζών), καθώς και οι παράµετροι της χαρακτηριστικής καµπύλης και η κορεσµένη υδραυλική αγωγιµότητα, ορίστηκαν ίσες µε τις τιµές οι οποίες µετρήθηκαν στο πεδίο και χρησιµοποιήθηκαν στην προσοµοίωση. Μόνο οι παράµετροι που αφορούν την κατανοµή των ριζών, το ύψος πίεσης στην υδατοϊκανότητα (h fc ) και στο κρίσιµο επίπεδο (h cp ) προσδιορίστηκαν µετά από την απόκτηση της ελάχιστης δυνατής διαφοράς µεταξύ των µετρηµένων και υπολογισµένων τιµών της εδαφικής υγρασίας. Για το υποµοντέλο που αφορά το άζωτο, οι κύριες παράµετροι που βαθµονοµήθηκαν ήταν ο συντελεστής κατανοµής (K D ), η σταθερά του ρυθµού νιτροποίησης (K 1 ), η σταθερά του ρυθµού απονιτροποίησης (Κ 2 ) και ο µέγιστος ρυθµός πρόσληψης αζώτου από το φυτό (Ι max ). Οι παράµετροι που αφορούν τις µετατροπές του αζώτου, βαθµονοµήθηκαν µόνο κατά την περίοδο του ηλίανθου και χρησιµοποιήθηκαν αυτούσιες για τον αραβόσιτο χωρίς εκ νέου βαθµονόµηση. Η ανάλυση ευαισθησίας των υδραυλικών παραµέτρων του µοντέλου έγινε λαµβάνοντας υπόψη τις παραµέτρους της χαρακτηριστικής καµπύλης του εδάφους και την κορεσµένη υδραυλική αγωγιµότητα. Οι παράµετροι αυτές αξιολογήθηκαν µε σκοπό να διερευνηθεί η επίδρασή τους στη συµφωνία µεταξύ υπολογισµένων και µετρηµένων τιµών της εδαφικής υγρασίας και ταυτόχρονα η ακρίβεια των συνιστωσών του υδατικού ισοζυγίου, κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου του ηλίανθου. Τα αποτελέσµατα της ανάλυσης ευαισθησίας δείχνουν ότι η κατανοµή του εδαφικού νερού και το υδατικό ισοζύγιο παρουσιάζουν µεγαλύτερη ευαισθησία στις παραµέτρους της χαρακτηριστικής καµπύλης, ιδιαίτερα την α και n, από ότι στην κορεσµένη υδραυλική αγωγιµότητα.

201 Κεφάλαιο 8 ο 190 Τέλος, έγινε διερεύνηση της επίδρασης της έλλειψης νερού σε συνδυασµό µε την αλατότητα, στην πρόσληψη του νερού από τις ρίζες κατά την περίοδο ανάπτυξης του ηλίανθου και του αραβοσίτου. Τα αποτελέσµατα της µελέτης αυτής, καταδεικνύουν µια ελαφρά µείωση της πρόσληψης νερού από τον ηλίανθο, όταν συνδυάζεται αύξηση της αλατότητας µε έλλειψη νερού, συγκριτικά µε την περίπτωση όπου υπάρχει µόνο έλλειψη νερού. Επιπλέον, ακόµα και σε συνθήκες υψηλής καταπόνησης από αλατότητα και νερό, τα φυτά µπορούν να προµηθευτούν το απαραίτητο νερό από βαθύτερους εδαφικούς ορίζοντες, ιδιαίτερα όταν η κατάσταση του εδάφους είναι ιδανική, πράγµα που παρατηρήθηκε κατά την καλλιεργητική περίοδο του αραβόσιτου Προτάσεις επέκτασης της έρευνας Από τα αποτελέσµατα αυτής της διατριβής µπορούν να γίνουν µερικές υποδείξεις για µελλοντικές έρευνες: Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα της µελέτης αυτής, προτείνεται η εφαρµογή του µοντέλου σε καλλιεργούµενα εδάφη που αρδεύονται µε διάφορες µεθόδους άρδευσης, κυρίως στάγδην άρδευση και επιφανειακές µεθόδους υπό τις ίδιες συνθήκες καλλιέργειας. Ταυτόχρονα, προτείνεται η µέτρηση των συνιστωσών του ισοζυγίου του νερού και η σύγκρισή τους µε τις υπολογισµένες από το µοντέλο τιµές. Από την σύγκριση ανάµεσα στις µετρηµένες και υπολογισµένες τιµές, το µοντέλο κάθε φορά επιβεβαιώνεται και δύναται να περιγράψει τη δυναµική του εδαφικού νερού και του αζώτου µε µεγαλύτερη επιτυχία. Όσον αφορά στη µέθοδο καταγραφής του εδαφικού νερού, µέθοδοι ακριβείας (π.χ. TDR, Moisture Meter type HH2), µε µόνιµα εγκατεστηµένα όργανα µεταξύ των γραµµών των φυτών και των γραµµών των αρδεύσεων, ή/και συλλέγοντας περισσότερα δείγµατα εδάφους για τον προσδιορισµό της υγρασίας µε τη σταθµική µέθοδο, προτείνονται για µια πιο αξιόπιστη περιγραφή της δυναµικής του εδαφικού νερού υπό συνθήκες στάγδην άρδευσης. Όταν χρησιµοποιούνται επεξεργασµένα αστικά λύµατα για αρδευτικούς σκοπούς, εκτός από τις ποσότητες αζώτου, ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δίνεται στην αλατότητα των λυµάτων και γενικά στην ποιότητά τους.

202 Κεφάλαιο 8 ο 191 Προτείνονται περισσότερα πειράµατα σε επίπεδο αγρού µε διάφορες καλλιέργειες, ώστε να ερευνηθεί η επίδραση της έλλειψης νερού σε συνδυασµό µε την αλατότητα, στην πρόσληψη του νερού από τις ρίζες, η οποία µπορεί να οδηγήσει σε αποτελεσµατικότερη χρήση υψηλής αλατότητας νερού άρδευσης, όταν οι συνθήκες διαθεσιµότητας του νερού είναι άριστες. Όσον αφορά στην έκπλυση του νιτρικού-ν, σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα της µελέτης αυτής, προτείνεται να εξεταστεί η καλλιέργεια του εδάφους µε φυτά σε συνεχόµενη καλλιέργεια (εαρινή και χειµερινή) για την αξιοποίηση των υπολειµµάτων αζώτου κατά την διάρκεια του χειµώνα. Ο χρήστης του µοντέλου WANISIM πρέπει να επιστήσει την προσοχή του περισσότερο στην ακρίβεια των παραµέτρων της χαρακτηριστικής καµπύλης του εδάφους παρά στην κορεσµένη υδραυλική αγωγιµότητα µε σκοπό την όσο το δυνατόν καλύτερη προσοµοίωση των πειραµατικών δεδοµένων.

203 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Ελληνόγλωσση Αλεξιάδης, K.A., Φυσική και χηµική ανάλυση του εδάφους. Θεσσαλονίκη. Αλεξίου, Γ., Ανάλυση και προσοµοίωση του συστήµατος νερού-εδάφουςατµόσφαιρας σε σχέση µε την ανάπτυξη και απόδοση ετήσιων καλλιεργειών. ιδακτορική διατριβή, Τµήµα Γεωπονίας, Α.Π.Θ, Θεσσαλονίκη, σελ Αντωνόπουλος, B.Ζ., Υδρολογία της ακόρεστης ζώνης του έδαφους. Έκδοση Υπηρεσίας ηµοσιευµάτων Α.Π.Θ., σελ Αντωνόπουλος, Β.Ζ., WANISIM: Μονοδίαστατο µοντέλο προσοµοίωσης της δυναµικής του νερού και του αζώτου στο έδαφος. Τµήµα Γεωπονίας, Α.Π.Θ. σελ. 77. Αντωνόπουλος, Β.Ζ., Χρησιµοποίηση νερού οριακής ποιότητας για άρδευση. Πρόγραµµα αειφορική γεωργία. ιαχείριση Υδατικών και Ενεργειακών Πόρων, Τµήµα Γεωπονίας, Α.Π.Θ., σελ Αντωνόπουλος, Β.Ζ., Ποιότητα και ρύπανση υπόγειων νερών. Έκδοση Ζήτη, Θεσσαλονίκη, σελ Αντωνόπουλος, Β.Ζ., Υδραυλική περιβάλλοντος και ποιότητα επιφανειακών υδάτων. Εκδόσεις Γιαχούδη, Θεσσαλονίκη, σελ.520. Γεωργίου, Π.Ε., Παπαµιχαήλ,.Μ, και Παπαζαφειρίου, Ζ., Συγκριτική Αξιολόγηση των µεθόδων Penman και Penman-Monteith µε τη Βοήθεια εκτιµήσεων εξατµισοδιαπνοής αναφοράς στην Ελλάδα. Πρακτικά 5 ου Πανελλήνιο Συνεδρίου Μετεωρολογίας Κλιµατολογίας Φυσικής της Ατµόσφαιρας, Θεσσαλονίκη, σελ Γεωργούσης, Χ., Μπαµπατζιµόπουλος, Χ., Μελέτη ενός εκθετικού µοντέλου πρόσληψης νερού από το ριζικό σύστηµα φυτού. Πρακτικά 3 ου Πανελλήνιου Συνεδρίου Γεωργικής Μηχανικής (ΕΓΜΕ), σελ Γούκος,., και Μπαµπατζιµόπουλος, Χ., ιερεύνηση των σχέσεων πρόσληψης νερού από το ριζικό σύστηµα σε µοντέλα υπολογισµού του υδατικού ισοζυγίου καλλιεργούµενων εδαφών. Πρακτικά 8 ου Πανελλήνιου Συνεδρίου Ελληνικής

204 Βιβλιογραφία 193 Υδροτεχνικής Ένωσης (ΕΥΕ), σελ Ζήσης, Θ., και Τερζίδης, Γ., ιδιάστατη ροή σε κορεσµένο ακόρεστο έδαφος, Πρακτικά 6 ου Πανελλήνιου Συνεδρίου ΕΥΕ, Μαίου, Θεσσαλονίκη, σελ Καλφούντζος,.Κ., Μαθηµατική προσοµοίωση της κίνησης της εδαφικής υγρασίας σε καλλιεργούµενο έδαφος. Μεταπτυχιακή ιατριβή, Τµήµα Γεωπονίας, Α.Π.Θ., σελ Καραµούζης,., Ασταθής διδιάστατη κίνηση του νερού σε ελεύθερα υδροφόρα στρώµατα µε τη µέθοδο των πεπερασµένων στοιχείων. ιδακτορική ιατριβή, Τµήµα Γεωπονίας, Α.Π.Θ., Θεσσαλονίκη, σελ Μισοπολινός, Ν.., Προβλήµατα εδάφη. Μελέτη-πρόληψη-βελτίωση. Εργαστήριο Εφαρµοσµένης Εδαφολογίας, Α.Π.Θ., Θεσσαλονίκη, σελ Πανώρας, A., και Ηλίας, A., Άρδευση µε επεξεργασµένα υγρά αστικά απόβλητα. Ινστιτούτο Εγγείων Βελτιώσεων, Θεσσαλονίκη, σελ Παπαζαφειρίου, Ζ., Οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών. Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη, p Παπαµιχαήλ,.Μ., και Γεωργίου, Π.Ε., Συγκριτική ανάλυση των ωριαίων και ηµερήσιων εκτιµήσεων της εξατµισοδιαπνοής αναφοράς µε τη µέθοδο FAO Penman-Monteith. Πρακτικά 4 ου Εθνικού Συνεδρίου ΕΕ ΥΠ, Βόλος, τεύχος Α, σελ Παπαµιχαήλ,.Μ., Κωτσόπουλος, Σ., και Γεωργίου, Π.Ε., Συγκριτική ανάλυση των έµµεσων µεθόδων εκτίµησης της εξατµισοδιαπνοής της καλλιέργειας αναφοράς. Πρακτικά 2 ου Πανελλήνιο Συνεδρίου Μετεωρολογίας Κλιµατολογίας Φυσικής της Ατµόσφαιρας, Θεσσαλονίκη, σελ Σακελλαρίου-Μακραντωνάκη, Μ., Επίδραση των υδροδυναµικών παραµέτρων διήθησης-στράγγισης σε προβλήµατα αρδεύσεων. ιδακτορική ιατριβή, Τµήµα Αγρονόµων Τοπογράφων Μηχανικών, Α.Π.Θ., Θεσσαλονίκη, σελ Σακελλαρίου-Μακραντωνάκη, Μ., Συνολικές ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών του Θεσσαλικού κάµπου. Υδροτεχνικά, 13, Τερζίδης, Γ.Κ., και Καραµούζης,.Ν., Στραγγίσεις γεωργικών εδαφών. Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη, σελ. 359.

205 Βιβλιογραφία 194 Ξενόγλωσση Allen, R.G., Assessing integrity of weather data for use in reference evapotranspiration estimation. J. Irrig. and Drain. Engng. Div., ASCE, 122(2), Allen, R.G., Pereira, L.S., Raes, D., and Smith, M., Crop evapotranspirationguidelines for computing crop water requirements. FAO Irrigation and Drainage Paper 56, Rome, Italy. Allen, R.G., Smith, M., Perrier, A., and Pereira, L.S., An update for the definition and for the calculation of reference evapotranspiration. ICID Bulletin., 43(2), Anderson, E.L., Corn root growth and distribution as influenced by tillage and nitrogen fertilization. Agron. J., 79, Andreadakis, A.N., and Bontoux, L., Wastewater reclamation and reuse in EU countries. Wat. Policy., 3, Andreadakis, A., Gavalaki, E., Mamais, D., and Tzimas, A., Wastewater reuse criteria in Greece. 7 th International Conference on Environmental Science and Technology. Ermoupolis, Syros Island, Sept Angadi, S.V., and Entiz, H., Root system and water use patterns of different height sunflower cultivars. Agron. J., 94, Angelakis, A.N., Bontoux, L., and Lazarona, V., Main challenges for water recycling and reuse in EU countries. IWA Regional Symposium on Water Recycling in Mediterranean Region, Iraklio, Greece, September Angelakis, A.N., Marecos de Monte, M.H., Bontoux, L., and Asano, T., The status of wastewater reuse practice in the Mediterranean basin: need for guidelines. Wat. Res., 33(10), Antonopoulos, V.Z., Simulation of water and nitrogen dynamics in soils during wastewater applications by using a finite element model. Water Resour. Manage., 7, Antonopoulos, V.Z., Simulation of soil moisture dynamics on irrigated cotton in semi-arid climates. Agric. Water Manage., 34, Antonopoulos, V.Z., Effects of environmental factors on mineralization of organic nitrogen in the soils. J. Plant Nutr. Soil Sci., 162(6), Antonopoulos, V.Z., Modeling of soil water dynamics in irrigated corn field

206 Βιβλιογραφία 195 using direct and pedotransfer functions for hydraulic properties. Irrig. and Drain. System, 14, Antonopoulos, V.Z., Simulation of water and nitrogen balance of irrigated and fertilized corn-crop soil. J. Irrig. Drain. Engng., 127(2): Antonopoulos, V.Z, Simulation of soil water, nitrogen, uptake and leaching during irrigation with treated wastewater in corn field. HAICTA Conference, March, Thessaloniki, Greece. Antonopoulos, V.Z., and Diamantidis, G.D., Analysis of environmental factors affect on nitrification and denitrification of nitrogen applied in the soil by wastewater. Angelakes et al. (Eds.), Proceedings of 2 nd International Symposium on Wastewater Reclamation and Reuse. (IAWQ), Iraklio, Crete. Vol. 1 pp Antonopoulos, V.Z., and Dimitriadis, X., Evaluating irrigation system efficiency using GIS technology. In: Refsgaard, J.C., Karalis, E.A. (Eds.), Operational Water Management, Balkema, Rotterdam, pp Antonopoulos, V.Z., and Wyseure, G.C.L., Modeling of water and nitrogen dynamics on un undisturbed soil and a restored soil after open-cast mining. Agric. Water Manage., 37, Antonopoulos, V.Z, and Tsouris, S., Evaluation of nitrate groundwater pollution using leaching indices and environmental implications. Tsihrintzis V., Tsalides P., (Eds.), Proceedings of International Conference, Ecological Protection of the Planet Earth I, Xanthi, Greece, pp Armstrong, A.C., Legros, J.P., and Voltz, M., ACCESS-II: detailed model for crop growth and water conditions. Int. Agrophys., 10(3), Asadi, M.E., Clemente, S.R., Gupta, A., Loof, R., and Hansen, G.K., Impact of fertigation via sprinkler irrigation on nitrate leaching and corn yield in an acidsulphate soil Thailand. Agric. Water Manage., 52, Asano, T., Wastewater reclamation and reuse, water quality management library, Volume 10, Technomic Publishing company, Lancaster, Pennsylvania. Ayers, R.S., and Westcott, D.W., Water quality for agriculture, Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO Irrigation and Drainage, Paper 29, Rome, Italy. Babajimopoulos, C., A Dlouglas-Jones predictor-corrector program for simulating one-dimensional unsaturated flow in soil. Ground Water, 29,

207 Βιβλιογραφία 196 Babajimopoulos, C., and Panoras, A., Estimation of the water balance of cultivated soils by mathematical models. Operational Research, 5(1), Babajimopoulos, C., Budina, A., and Kalfountzos, D., SWBACROS: A model for the estimation of the water balance of a cropped soil. Enviroν. Software, 10(3), Baker, C.H., Horrocks, R.D., and Goering, C.E., Use of the Gompertz function for predicting corn leaf area. Trans. ASAE, 18, Belmans, C., Wesseling, J.G., and Feddes, R.A., Simulation of the water balance of a cropped soil. SWATRE. J. Hydrol., 63, Bergez, J.E., Deumier, J.M., Lacroix, B., Leroy, P., and Wallach, D., Improving irrigation schedules by using a biophysical and a decisional model. Eur. J. Agron., 16, Berghuijs-van Dijk, J.T., Rijtema, P.E., and Roest, C.W.J., ANIMO: Agriculture Nitrogen Model. NOTA 1671, Institute of Land and Water Management Research, Wageningen, The Netherlands. Bergstrom, L., and Johnsson, H., Simulated nitrogen dynamics and nitrate leaching in a perennial grass ley. Plant Soil, 105, Bergstrom, L., Johnsson, H., and Torstensson, G., Simulation of soil nitrogen dynamics using the SOILN model. Fertilizer Res., 27, Bhat, K.K.S., Flowers, T.H., and O Callaghan, J.R., A model for the simulation of the fate of nitrogen in farm wastes on land application. J. Agric. Sci., Cambridge, 94, Biggar, J.W., and Nielsen, D.R., Spatial variability of the leaching characteristics of a field soil. Water Resour. Res., 12, Blamey, F.P.C., Zollinger, R.K., and Schneiter, A.A., Sunflower production and culture. In: Schneiter, A.A. (Eds.), Sunflower Technology and Production, Agron. Monogr. 35. ASA/CSSA/SSSA, Madison/Wisconsim, pp Blumenthal, U.J., Mara, D.D., Peasey, A., Ruiz-Palcios, G., and Stott, R., Guidelines for the microbiological quality of treated wastewater used in agriculture: recommendations for revising WHO guidelines. Bulletin of the World Health Organization, 78(9), Bower, H. and Idelovitch, E., Quality requirements for irrigation with sewage water. J. Irrig. Drain. Engrg., ASCE, 113, Bradbury, N.J., Whitmore, A.P., Hart, P.B.S., and Jenkinson, D.S., Modeling

208 Βιβλιογραφία 197 the fate of nitrogen in crop and soil in the years following application of 15 N- Labeled fertilizer to winter wheat. J. Agric. Sci., Cambridge, 121, Brady, N.C., and Weil, R.R., The Nature and Properties of Soils. 13 th Edition. Prentice Hall, New Jersey. Bremner, J.M., Total Nitrogen. In : Black et al. (Eds.), Method of Soil Analysis. Part 2 Chemical and Microbiological Properties. pp Agronomy 9, ASA, SSSA. Madison, Wisconsin. Bremner, P.M., Preston, G.K., and Fazekas, C., A field comparison of sunflower (Helianthus annuus) and sorghum (Sorghum bicolor) in a long drying cycle. I. Water extraction. Aust. J. Agric. Res., 37, Breve, M.A., Skaggs, R.W., Parsons, J.E., and Gilliam, J.W., DRAINMOD-N, a nitrogen model for artificially drained soils. Trans. ASAE, 40(4), Brooks, R.H., and Corey, A.T., Hydraulic properties of porous media, Hydrology paper no. 3. Colorado State University, Fort Collins, CO, 27 pp. Cakir, R., Effect of water stress at different development stages on vegetative and reproductive growth of corn. Field Crop Res., 89, Camp, C.R., Subsurface drip irrigation: a review. Trans. ASAE, 41, Canter, L., Knox, R., and Fairchild, D., Ground water quality protection. Lewis, Michigan, USA. Celia, M.A., Bouloutas, E.T., and Zarba, R.L., A general mass-conservative numerical solution of unsaturated flow equation. Water Resour. Res., 26, Childs, E.C., The physical basis of soil water phenomena. Wiley Interscience, London, 493 pp. Claassen, N., and Barber, S.A., Simulation model for nutrient uptake from soil by a growing plant root system. Agron. J., 68, Clemente, R.S., De Jong, R., Hayhoe, H.N., Reynolds, W.D., and Hare, M., Testing and comparison of three unsaturated soil water flow models. Agric. Water Manage., 25, Clesceri, L.S., Greenberg, A.E., and Truseell, R.R., Standard method for the examination of water and wastewater. 17th Edition. APHA, AWWA, WPCF. Wahington, DC, USA. Connor, D.J., and Hall, A.J., Sunflower physiology. In: Schneiter, A.A. (Eds.), sunflower Technology and Production, Agro. Monogr. 35. ASA/CSSA/SSSA,

209 Βιβλιογραφία 198 Madison/Wisconsim, pp Connor, D.J., and Sadras, V.O., Physiology of yield expression in sunflower. Field Crop Res., 30, Corwin, D.L., and Lesh, S.M., Apparent soil electrical conductivity measurements in agriculture. Comp. Electron. Agric., 46, Cote, C.M., Bristow, K.L., Philip, B.C., Cook, F.J., and Thorburn, P.J., Analysis of soil witting and solute transport in subsurface trickle irrigation. Irrig. Sci., 22(3-4), Dale, R.F., Coelho, D.T., and Gallo, K.P., Prediction of daily green leaf area index for corn. Agron. J., 27, Dardanelli, J.L., Bachmeirer, O.A., Sereno, R., and Gil, R., Rooting depth and soil water extraction patterns of different crops in a silty loam Haptustoll. Field Crop Res., 54, Dauden, D., and Quilez, D., Pig slurry versus mineral fertilization on corn yield and nitrate leaching in a Mediterranean irrigated environment. Europ. J. Agronomy, 21, De Jong, E., Water use efficiency under conservation tillage systems. Proceeding of the soil conservation symposium, Yorkton, SK. P De la Rosa, D., and Crompvoets, J., Evaluating Mediterranean soil contamination risk in selected hydrological change scenarios. Agric. Ecosyst. Environ., 67, DeBusk, W.F., White, J.R., and Ready, K.R., Carbon and nitrogen dynamics in wetland soils. In Shaffer, M.J., Ma, L., and Hansen, S. (Eds.), Modeling carbon and nitrogen dynamics of soil management. Lewis Publishers, Boca Raton, FL, Deizman, M.M., and Mostaghimi, S., A model for evaluating the impact of land application of organic waste on runoff water quality. Res. J. Water Pollut. Control Fed., 63, Diekkruger, B., Sondgerath, D., Kersebanm, C.K., and mc Voy, C.W., Validity of agroecosystem models: A comparison of results of different models applied to the same data set. Ecolog. Modelling, 81, Dierckx, J., Gilley, J.R., Feyen, J., and Belmans, C., Simulation of the soilwater dynamics and corn yields under deficit irrigation. Irrig. Sci., 9, Dirksen, C., and Augustijn, D.C., Root water uptake function of non-uniform

210 Βιβλιογραφία 199 pressure and osmotic potentials. Agric. Abstr., 188. Dirksen, C., Kool, J.B., Koorevaar, P., and Van Genuchten, M.Th., HYSWASOR-simulation model of hysteretic water and solute transport in the root zone. In: Russo D., Dagan, G. (Eds.), Water Flow and Solute Transport in Soils. Springer, Berlin, pp Doorenbos, J., and Kassam, A.K., Yield response to water. FAO Irrigation and Drainage Paper 33, Rome, Italy, p Doorenbos, J., and Pruitt, W.O., Guidelines for predicting crop water requirements. FAO Irrigation and Drainage Paper 24, Rome, Italy, p Earl, H.J., and Davis, R.F., Effect of drought stress on leaf and whole canopy radiation use efficiency and yield of maize. Agron. J., 95, Eckersten, H., Jansson, P-E., and Johnsson, H., The SOILN model user s manual, Department of Soil Science, Swedish University of Agriculture Sciences, Uppsala. EPA: Environmental Protection Agency, Guidelines for water Reuse: Manual U.S. EPA and U.S. Agency of Int. Development. EPA/625/R-92/004, Cincinnati, OH. Evans, P.S., Comparatively root morphology of some pasture grasses and clayers. New Zealand J. Agric. Res., 20, Fandrade, F.H., Analysis of growth and yield of maize, sunflower and soybean grown at Balcarce, Aegentina. Field Crops Res., 41, Feddes, R.A., Bresler, E., and Neuman, S.P., Field test of a modified numerical model for uptake by root system. Water Resour. Res., 28, Feddes, R.A., Kowalik, P., Malinka, K.K., and Zaradny, H., Simulation of field water-uptake by plants using a soil water dependent root extraction function. J. Hydrol., 31, Feddes, R.A., Kowalik, P.J., and Zaradny, H., Simulation of field water use and crop yield. Simulation Monography, Pudoc, Wageningen, 189 pp. Feigin, A., Ravina, I., and Shalhevet, J., Irrigation with treated sewage effluent: management for environmental protection. Springer-Verlage, Berlin. Fernandez, J.F., Slawinski, C., Moremo, F., Walczak, R.T., and Vanclooster, M., Simulation the fate of water in a soil-crop system of a semi-arid Mediterranean area with the WAVE 2.1 and the EURO-ACCESS_II models. Agric. Water Manage. 56,

211 Βιβλιογραφία 200 Ferreira, A.M., and Abreu, F.G., Description of development, light interception and growth of sunflower at tow sowing dates and tow densities. Mathematics and Computers in Simulation, 56, Follett, R.F., Allmara, R.R., and Reichman, G.A., Distribution of corn roots in a sandy soil with a declining water table. Agron. J., 66, Foth, H.D., Kinra, K.L., and Pratt, J.N., Corn root development. Q. Bull. Mich. Agric. Res. Stn., 43, Franko, U., Modeling approaches of soil organic matter turnover within the CANDY system. In: Powlson, D.S., Smith, P., Smith, J.U. (Eds.), Evaluation of soil organic matter models. NATO ASI series, Vol. 38, Springer, Berlin. Freeze, A., and Cherry, J., Ground water. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ. Gabrielle, B., and Kengni, L., Analysis and field-evaluation of the CERES models soil components: Nitrogen transfer and transformation. Soil Sci. Soc. Am. J., 60, Gardiol, J.M., Serio, L.A., and Maggiora, A.I., Modelling evapotranspiration of corn (Zea mays) under different plant densities. J. Hydrol., 271, Gardner, C.M.K., Bell, J.P., Cooper, J.D., Dean, T.J., Gardner, N., Hodnett, M.G., Soil water content. In: Soil Analysis: Physical methods, Smith, K.A., Mullins, C.E. (Eds.), Marcel Dekker, Inc, New York,,USA, p Gardner, W.R., Relation of root distribution to water-uptake and availability. Agron. J., 56, Gardner, W.R., Modeling water uptake by roots, Irrig. Sci., 12, George, B.A., Shende, S.A., and Raghuwanshi, N.S., Development and testing of an irrigation scheduling model. Agric. Water Manage., 46, Gimenes, C., Connor, D.J., and Rueda, F., Canopy development, photosynthesis and radiation use efficiency in sunflower in response to nitrogen. Field Crops Res., 38, Govindaraju, R.S., and Kavvas, M.L., Development of approximate model for unsaturated flow with root water uptake under rectangular water content profiles assumption. J. Hydrol., 146, Groenendijk, P., and Kroes, J.G., Modeling the nitrogen and phosphorus leaching to groundwater and surface water, ANIMO 3.5. Report 144, DLO Winand Starting Center, Wageningen, The Netherlands. Hansen, S., Jensen, H.E., and Shaffer, M.J., Development in modeling nitrogen

212 Βιβλιογραφία 201 transformations in soil. In: Bacon, P.E. (Eds.), Nitrogen fertilization in the environment. Marcel Dekker, New York, Hansen, S., Jensen, H.E., Nielsen, N.E., and Svendsen, H., DAISY: Soil plant atmosphere system model. NPO Report No. A 10. The National Agency for Environmental Protection, Copenhagen, 272 pp. Homaee, M., and Feddes, R.A., Water uptake under non-uniform transient salinity and water stress. In: Feyen, J., Wiyo, K. (Eds.), Modeling of transport processes in soils at various scales in time and space. Wageningen Press, The Netherlands, pp Homaee, M., and Feddes, R.A., Quantification of water extraction under salinity and drought. In: Horst et al. (Eds.), Plant Nutrition-Food Security Sustainability of Agro-Ecosysytems, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands, pp Homaee, M., Feddes, R.A, and Dirksen C., Simulation of root water uptake III. Non-uniform transient combined salinity and water stress. Agric. Water Manage., 57, Hoogland, J.C., Feddes, R.A., and Belmans, C., Root water uptake model depending on soil water pressure head and maximum extraction rate. Acta. Hort., 119, Hunt, R., and Parasons, I.T., A computer program for deriving growth functions in plant growth analysis. J. Appl. Ecol., 11, Hutson, J.L., LEACHM: Model description and user s guide. School of Chemistry, Physics, and Earth Science, The Flinders University of South Australia, Adelaide, South Australia. Hutson, J.L., and Wagenet, R.J., Simulating nitrogen dynamics in soils using a deterministic model. Soil Use and Mgmt., 7(2), Jalota, S.K., and Arora, V.K., Model based assessment of water balance components under different cropping systems in north-west India. Agric. Water Manage., 57, Jama, A.O., and Ottman, M.J., Timing of the first irrigation in corn and water stress conditioning. Agron. J., 85, Jarvis, N.J., Simulation of soil water dynamics and herbicides persistence in silt loam soil using the MACRO model. Ecol. Model., 8, Jensen, M.E., Burman, R.D., and Allen, R.G., Evapotranspiration and irrigation

213 Βιβλιογραφία 202 water requirements. ASCE Manuals and Reports on Engineering Practice, No. 70, 332 p. Johnsson, H., Bergstrom, L., and Jansson, P-E., Simulated nitrogen dynamics and losses in a layered agriculture soil. Agr. Ecosystem and Envir., 18, Kaluarachi, J.J., and Paker, J.C., Finite element analysis of water flow in variable saturated soil. J. Hydrol., 90, Kandiah, A., Criteria and classification of saline water. Water, soil and crop management practices relating to the use of saline water. Kandiah, A. (Eds.), AGL/MIC/16/90. FAO, Rome Karam, F., Breidy, J., Stephan, C., and Rouphael, J., Evapotranspiration, yield and water use efficiency of drip irrigated corn in Bekaa Valley of Lebanon. Agric. Water Manage., 63, Katyal, J.C., Singh, B., Vlek, P.L.G., and Crasweel, E.T., Fate and efficiency of nitrogen fertilizers applied to wetland rice.ii. Punjah. India. Fertil. Res., 6, Khaleel, R., and Yeh, T.C., A Galerkin finite-element program for simulating unsaturated flow in porous media. Ground Water, 23, Kirda, C., and Kanber, R., Water, no longer a plentiful resource, should be used sparingly in irrigated agriculture. In: Kirda, C., Mountonnet, P., Hera, C., Nielson D.R. (Eds.), Crop yield response to deficit irrigation. Development in Plant and Soil Sciences, Vol. 84. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, pp Kirkland, M.R., Kills, R.G., and Wierenga, P.G., Algorithms for solving Richards equation for variable saturated soil. Water Resour. Res., 28, Koller, H.R., Nyquist, W.E., and Chorush, I.S., Growth analysis of the soybean community. Crop Sci., 10, Kotsopoulos, S.I., and Babajimopoulos, Analytical estimation of modified Penman equation parameters. J. Irrig. Drain. Engng., ASCE, 123, Lafitte, H.R., and Courtois, B., Interpreting cultivar x environment interactions for yield in upland rise. Crop Sci., 42, Lafolie, F., Modeling water flow, nitrogen transport and root uptake including physical non-equilibrium and optimization of the root water potential. Fert. Res., 27, Lafolie, F., Bruckler, L., de Cockborne, A.M., and Laboucarie, C., Modeling the water transport and nitrogen dynamics in irrigated salad crops. Irrig. Sci., 17,

214 Βιβλιογραφία Lazarova, V., Wastewater disinfection: assessment of the available technologies for water reclamation. Chapter In: Water Conservation vol. 3. Water Management, Purification and Conservation in Arid Climate. Goosen, M.F.A., Shayya, W.H. (Eds.), Technomic Publishing Co. Inc., Li, J., Zhang, J., and Rao, M., Wetting patterns and nitrogen distribution as affected by fertigation strategies from a surface point source. Agric. Water Manage., 67, Li, J., Zhang, J., and Rao, M., Modeling of water flow and nitrogen transport under surface drip fertigation. Trans. ASAE, 48(2), Li, J., Zhang, J., and Ren, L., Water and nitrogen distribution as affected by fertigation of ammonium nitrate from a point source. Irrig. Sci., 22(1), Liu, Y., Teixeira, J.L., Zhang, H.J., and Pereira, L.S., Model validation and crop coefficients for irrigation scheduling in the North China. Agric. Water Manage., 36, Loague, K., and Green, R.E., Statistical and graphical methods for evaluating solute transport models: Overview and application. Validation of flow and transport models for the unsaturated zone. Wierenga, P.J., Guest Editor. J. Contam. Hydrol., 7, Lotse, E.G., Jabro, J.D., Simmons, K.E., and Baker, D.E., Simulation of nitrogen dynamics and leaching from arable soils. J. Contaminant Hydrol., 10, Ma, B.L., Dwyer, L.M., and Gregorich, E.G., Soil nitrogen amendment effects on nitrogen uptake and grain yield of maize. Agron. J., 91, Ma, L., Shaffer, M.J., Boyed, J.K., Waskom, R., Ahuja, L.R., Rojas, K.W., and Xu, C., Manure management in an irrigated silage corn field: experiment and modeling. Soil Sci. Soc. Am. J., 62, Maas, E.V., and Hoffman, G.J., Crop salt tolerance-current assessment. J. Irrig. Drain. Div. ASCE, 103, Mahey, R.K., Feyen, J., and Wyseure, G., Numerical analysis of irrigation treatments of barley with respect to drainage losses and crop response. Trans. ASAE, 27, and Manchanda, H.R., Karwasra, S.P.S., and Sharma, H.C., Salinity research at HAU. In: Manchanda, H.R., Karwasra, S.P.S., Sharma, H.C. (Eds.), CSC

215 Βιβλιογραφία 204 Haryana Agriculture University, 109 pp. Maraux, F., and Lafolie, F., Modeling soil water balance of a maize-sorghum sequence. Soil Sci. Soc. Am. J., 62, Marecos do Monte, M.H.F., Angelakis, A.N., and Asano, T., Necessity and basis for the establishment of European guidelines on wastewater reclamation and reuse in Mediterranean region. Water Sci. Tech., 33(10-11), Mateos, L., Lopez-Cortijio, I., and Sagardoy, J.A., SIMIS: the FAO decision support system for irrigation scheme management. Agric. Water Manage., 56, Mayaki, W.C., Stone, L.R., and Teare, I.D., Irrigated and non-irrigated soybean, corn and grain sorghum root system. Agron. J., 68, McGechan, M.B., and Wu, L., A review of carbon and nitrogen processes in European soil nitrogen dynamics models. In: Shaffer, M.J., Ma, L., Hansen S. (Eds.), Modeling Carbon and Nitrogen Dynamics for Soil Management. Lewis Publishers, Boca Raton, FL, McGechan, M.B., Graham, R., Vinten, A.J.A., Douglas, J.T., and Hooda, P.S., Parameter selection and testing the soil water model SOIL. J. Hydrol., 195, Mengel, D.B., and Barber, S.A., Development and distribution of the corn root system under field conditions. Agron. J., 66, Metcalf, and Eddy, Wastewater engineering: Treatment, Disposal, and Reuse. McGraw-Hill, Inc., New York. Molina, J.A.E., Clapp, C.E., Shaffer, M.J., Chichester, F.W., and Larsen, W.E., NCSOIL, a model of nitrogen and carbon transformations in soil: description, calibration, behavior. Soil Sci. Soc. Am. J., 47, Molz, F.J., and Remson, I., Extraction term models of soil moisture use by transpiring plants. Water Resour. Res., 6, Molz, F.J., and Remson, I., Application of an extraction term model to the study of moisture flow to plant roots. Agron. J., 63, Molz, J.L., Models of water transport in the soil-plant system: a review. Water Resour. Res., 17, Moreno, F., Cayuela, J.E., Fernandez, J.E., Fernandez-Boy, E., Murillo, J.M., and Cabrera, F., Water balance and nitrate leaching in an irrigated maize crop in SW Spain. Agric. Water Manage., 32,

216 Βιβλιογραφία 205 Mualem, Y., A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media. Water Resour. Res., 12, Nelson, D.W., Determination of ammonium in KCl extracts of soil by the salicylate method. Commun Soil Sci. Plant Anal., 14, Nelson, K.A., Renner, K.A., and Hammerschmidt, R., Cultivar and herbicide selection effects soybean development and the incidence of sclerotinia stem rot. Agron. J., 94, Nimah, M.N., and Hanks, R.J., 1973a. Model for estimation soil water, plant and atmospheric interrelations: I. Description and sensitivity. Soil Sci. Soc. Am. Proc., 37, Nimah, M.N., and Hanks, R.J., 1973b. Model for estimation soil water, plant and atmospheric interrelations: II. Field test of a model. Soil Sci. Soc. Am. Proc., 37, Oster, J.D., and Schroer, F.W., Infiltration as influenced by irrigation water quality. Soil Sci., 43, Panoras, A., Kexagia, O., Xanthopoulos, F., Doitsinis, A., and Samaras, I., 2001a. The reuse of municipal wastewater in cotton irrigation. Inter-Reginal Research Network on Cotton, 27 September 1 October 2001, Chania, Greece. Panoras, A., Evgenidis, G., Bladenopoulou, S., Melidis, B., Doitsinis, A., Samaras, I., Dragkas, A., and Matsi, T., 2001b. Corn irrigation with reclaimed municipal wastewater. Proceedings of the 7 th International Conference on Environmental Science and Technology. University of the Aegean, 3-6 September Panoras, A., Ilias, A., Skarakis, G., Papadopoulos, A., Papadopoulos, F., Parisopoulos, G., Papayiannopoulou, A., and Zdragas, A., Reuse of treated municipal wastewater for sugar beet irrigation. J. of Balkan Ecology, 3(4), Papadopoulos, I., Present and perspective use of wastewater for irrigation in the Mediterranean basin. Angelakis et al. (Eds.), Proceedings of 2 nd International Symposium on Wastewater Reclamation and Reuse. (IAWQ), Iraklio, Crete. Vol. 2, pp Papadopoulos, I., and Stylianou, Y., Trickle Irrigation of sunflower with municipal wastewater. Agric. Water Manage., 19, Papamichail, D.M., and Terzids, G.A., Assessment of the meteorological parameters effects on the daily Penman reference crop evapotranspiration. 2 nd International Symposium on Irrigation of Horticulture Crops, Chania, Crete,

217 Βιβλιογραφία 206 September 8-13, Volume 1, Papazafiriou, Z.G., Crop evapotranspiration: regional studies in Greece. International Symposium on Applied Agrometeorology and Agroclimatology, Cost 77, 79, 711 European Commission, Volos (Greece), Parton, W.J., Ojima, D.S., Cole, C.V., and Schimel, D.S., A general model for soil organic matter dynamics: sensitivity to litter chemistry, texture and management. In quantitative modeling of soil forming processes, SSSA Spec. Perrochet, P., Water uptake by plant roots. A simulation model, I. Conceptual Model. J. Hydrol., 95, Pescod, Μ.Β., Wastewater treatment and use in agriculture. FAO Irrigation and Drainage Paper 47, Rome, Italy, 125 p. Pettygrove, G.S., and Asano, T., Irrigation with reclaimed municipal wastewater A guidance manual. Lewis Pubs, Inc, U.S.A. Poss, R., and Saragoni, H., Leaching of nitrate, Calcium and magnesium under maize cultivation on an oxisol in Togo. Fertil. Res., 33, Potter, E., Wood, J., and Nicholl, C., SunScan Canopy Analysis System. User Manual, SS1-UM-1.05, DELTA-T DEVICES LTD, Cambridge, England, UK. Prasad, R., A linear root water uptake model. J. Hydrol., 99, Rachidi, F., Kirkham, M.B., Stone, L.R., and Kanemasu, E.T., Soil water depletion by sunflower and sorghum under rainfed conditions. Agric. Water Manage., 24, Rajagopal, R., and Tobin, G., Expert opinion and groundwater quality protection: the case of nitrate in drinking water. Ground Water, 27(6), Reddy, K.R., Khaleel, R., Overcash, M.R., and Westerman, P.W., A nonpoint source model for land areas receiving animal wastes: I. Mineralization of organic nitrogen. Trans. ASAE, 22, Reynolds, D.M., and Erlick, D.E., In situ measurement of field-saturated hydraulic conductivity, sorptivity and a-parameter using the Guelph Permeameter. Soil Sci., 140, Rhoades, J.D., Potential for using saline agriculture drainage for irrigation. Proceedings of Water Management for Irrigation and Drainage, A.S.C.E., Reno, Nevada, 177, Rhoades, J.D., Chanduvi, F., and Lesh, A.M., Soil salinity Assessment: Methods and interpretation of electrical conductivity measurements. FAO

218 Βιβλιογραφία 207 Irrigation and Drainage Paper 57, Rome, Italy. Rhoades, J.D., Shouse, J.P., Alves, W.J., Manteghi, N.A., and Lesh, S.M., Determining soil salinity from soil electrical conductivity using different models and estimates. Soil Sci. Soc. Am. J., 54, Rinaldi, M., Application of EPIC model for irrigation scheduling of sunflower in Southern Italy. Agric. Water Manage., 49, Ritchie, J.T., A model of predicting evaporation from a row crop with incomplete cover. Water Resour. Res., 8(5), Ritchie, J.T., Godwin, D.C., and Otter-Nacke, S., CERES-Wheat: A simulation model of wheat growth and development, CERES model description. Department of Crop and Soil Science, Michigan State University, East Lansing. Robertson,W.K., Hammond, L.C., Johnson, J.T., and Boote, K.J., Effects of plant-water stress or root distribution of corn, soybeans, and peanuts in sandy soil. Agron. J., 72, Rodda, H., Ccholefied, D., Webb, B., and Walling, D., Management model for predicting nitrate leaching from grass land catchments in the United Kingdom: 1. Model development. Hydrol. Sci. J., 40 (4), Rodrigo, A., Recous, S., Neel, C., and Mary, B., Modeling temperature and moisture effects on C-N transformations in soils: comparison of nine models. Ecol. Model., 102, Saadi, Z., and Maslouhi, A., Modeling nitrogen dynamics in unsaturated soils for evaluating nitrate contamination of Mnasra groundwater. Advanced in Environ. Res., 7, Sadras, V.O., Hall, A.J., Trapani, N., and Vilella, F., Dynamics of rooting and root-length: Leaf-area relationships as affected by plant population in sunflower. Field Crops Res., 22, Sakellariou-Makrantonaki, M., Water drainage in layered soils, laboratory experiments and numerical simulation. Water Resour. Manage., 11, Salinity Engineering Laboratory (SEL), Treatment and reuse of sewage and sludge in the south Mediterranean and Middle East countries. Final report ministry of environment and public works of Greece. Saxton, K.E., Porter, M.A., and McMahon, T.A., Soil water budgets for winter wheat by daily simulations. Proc. Amer. Soc. Agric. Engr., Annual Summer Meeting (Proceedings), Paper no , 19 pp.

219 Βιβλιογραφία 208 Saxton, K.E., Porter, M.A., and McMahon, T.A., Climatic impacts on dry lands winter wheat yields by daily soil water and crop stress simulations. Agric. For. Meteorolo., 58, Schwartzman, M., and Zur, B., Emitter spacing and geometry of wetted soil volume. J. Irrig. Drain. Eng., 112(3), Selim, H.M., and Iskandar, I.K., Modeling nitrogen transport and transformation in soils: I. Theoretical considerations and II. Validation. Soil Sci., 131, Shaffer, M.J., and Ma, L., Carbon and nitrogen dynamics in upland soils. In Shaffer, M.J., Ma, L., and Hansen, S. (Eds.), Modeling carbon and nitrogen dynamics of soil management. Lewis Publishers, Boca Raton, FL, Shaffer, M.J., Halvorson, A.D., and Pierce, F.J., Nitrate leaching and economic analysis package (NLEAP): Models description and application. In: Follett et al. (Eds.), Managing nitrogen for groundwater quality and farm profitability. Soil Science Society of America, Inc., Madison, WI, Shaffer, M.J., Rojas, K.W., DeCoursey, D.G., and Hebson, C.S., Nutrient chemistry processes-omni. In: Ahuja, L.R., Rojas, K.W., Hanson, J.D., Shaffer, M.J., Ma, L. (Eds.), Root zone water quality model. Modeling management effects on water quality and crop production. Water Resources Publications, Highlands Ranch, CO, Simunek, J., Sejina, M., and Van Genuchten, M.T., HYDRUS-2D: Simulating water flow, heat, and solute transport in tow-dimensional variably saturated media. Riverside, Cal.: International Ground Water Modeling Center. Singer, J.W., Soybean light interaction and yield response to row spacing and biomass removal. Crop Sci., 41, Singh, R., and Singh, J., Irrigation planning in wheat (Triticum aestivum) under deep water table conditions through simulation modeling. Agric. Water Manage., 33, Skaggs, R.W., Breve, M.A., Mohammad, A.T., Parsons, J.E., and Gilliam, J.W., Simulation of drainage water quality with DRAINMOD. Irrig. and Drain. Systems, 9, Somani, L.L., Crop production with saline water. In: Crop production with saline water. Agro Botanical Publishers, India, 308 pp. Souza, C.F., and Matsura, E.E., Multi-wire time domine reflectometry (TDR)

220 Βιβλιογραφία 209 probe with electrical impedance discontinuities for measuring water content distribution. Agric. Water Manage., 59, Taylor, H.M., and Klepper, B., Water-uptake by cotton root systems: an examination of assumptions in the single root model. Soil Sci., 120, Theocharopoulos, S.P., Karayianni, M., Gatzogiani, P., Afentaki, A., and Aggelides, S., Nitrogen leaching from soils in the Kopias area of Greece. Soil Use Manage., 9, Tsagarakis, K.P., Tsoumanis, P., Charzoulakis, K., and Angelakis, A.N., Water resources status inclosing wastewater treatment and reuse in Greece: Related Problems and Prospectives. Water Intern., 26(2), Tsubo, M., Mukhara, E., Orindo, H., and Walker, S., Productivity of maizebean intercropping in a semi-arid region of South Afirica. Water SA, 29, U.S. Environmental Protection Agency, Process Design Manual for Treatment of Municipal Wastewater. EPA 625/ , USA. USSL Staff, Diagnosis and improvement of saline and alkali soils, Vol. 60. USDA Handbook, 147 pp. Van Dam, J.C., Huygen, J., Wesseling, J.C., Feddes, R.A., Kabat, P., van Walsum, P.E.V., Groenendijk, P., and van Diepen, C.A., Theory of SWAP version 2.0: simulation of water flow, solute transport and plant growth in the soil-wateratmosphere-plant environment, FSC-DLO in WAU Report 71, Wageningen, The Netherlands, 167 pp. Van Genuchten, M.Th., A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Sci. Soc. Am. J., 44, Van Genuchten, M.Th., A numerical model for water and solute in and below the root zone. Research Report. US Salinity Laboratory, Riverside, CA. Van Genuchten, M.Th., and Hoffman, G.H., Analysis of crop production. In: Shainberg, I., Shalhevet, J. (Eds.), Soil salinity under irrigation. Springer, Berin, pp Vanclooster, M., Ducheyne, S., Dust, M., and Vereecken, H., Evaluation of pesticide dynamics of the WAVE model. Agric. Water Manage., 44, Vanclooster, M., Viaene, P., Christiaens, K., and Ducheyne, S., WAVE, Release 2.1: Instruction Manual. Institute for Land and Water Management, Katholieke University Leuven, Vital Decosterstraat 102, B-3000 Leuve, Belgium.

221 Βιβλιογραφία 210 Vazquez-Montiel, O., Horan, N.J., and Marra, D.D., Effects of nitrogen application rates using treated wastewater on nitrogen uptake and crop yield based on pot trials with maize and soybean. Water Res., 29(8), Vereecken, H., Diels, J., Van Orshoven, J., Feyen, J., and Bouma, J., Functional evaluation of pedotransfer functions for the estimation of soil hydraulic properties. Soil Sci. Soc. Am. J., 56, Wagenet, R.J., and Hutson, J.L., LEACHM: Leaching estimation and chemistry model. A process based model of solute movement, transformations, plant uptake and chemical reactions in the unsaturated zone. Continuum Vol. 2, Water Resources Institute, Cornell University, Ithaca, NY. Walkley, A., and Black, I.A., An extraction of the degtjareff method for determining soil organic matter, and a proposed modification of the chromic acid titration method. Soil Sci., 37, Ward, J.B., Rickman, R.W., and Allmarel, Quantitative estimation of living wheat root lengths in soil cores. Agron. J., 70, Weiss, E.A., Oilseed Crops Blackwell Science, Oxford. Westcot, D.W., and Ayers, R.S., Irrigation water quality criteria. Irrigation with reclaimed municipal wastewater: A guidance manual. In: Pettygrove, G.S., Asano, T. (Eds.), California State Resources Control Board, Sacramento, CA. P WHO, Health guidelines for the use of wastewater in agriculture and aquaculture. WHO Tech. Report Series No. 77, WHO, Geneva, Switzerland. Wiesler, F., and Horst, W.J., Differences among maize cultivars in the utilization of soil nitrate and the related losses of nitrate through leaching. Plant Soil, 151, Wilhelm, W.W., Ruwe, K., and Schlemmer, M.R., Comparison of three area leaf index meters in a corn canopy. Crop Sci., 40, Wu, L., and McGechan, M.B., A review of carbon and nitrogen processes in four nitrogen dynamics models. Agric. Engng. Res., 69, Wyseure, G.C.L., Sanmuganathan, K., and O Callaghan, J.R., Use of simulation for compining rainfed and irrigated sugarcane production in the dry zone of Sri Lanka. Comp. Electron. Agric., 11, Yazar, A., Howell, T.A., Dusek, D.A., and Copeland, K.S., Evaluation of crop water stress index for LEPA irrigated corn. Irrig. Sci., 18,

222 IRRIGATION WITH TREATED MUNICIPAL WASTEWATER. EXPERIMENTAL MEASUREMENTS, SIMULATIONS AND IMPACTS ON SOIL, PLANTS AND ENVIRONMENT SUMMARY The aim of this study was to investigate the impacts of irrigation with treated wastewater through trickle irrigation, plus inorganic nitrogen fertilizer application, on plant growth, soil and groundwater pollution. In addition, this study was also aimed to investigate the reliability of a one-dimensional simulation model for describing soil water distribution bellow trickle irrigation, as well as, to investigate the influence of transient combined soil water and salinity stress on plant root water uptake. Regarding this, and for achieving these aims, the study was basically depends on a field experimental measurements and a simulation model named WANISIM, to evaluate the experimental results. The field experiment was conducted on the experimental farm of Land Reclamation Institute of Thessaloniki, located in Northern part of Greece, on a loamytextured soil. Sunflower and corn crops were grown in different growing seasons and irrigated with treated wastewater. Experimental measurements concerning soil, plants and irrigation wastewater were collected during the growing seasons and following the non-cultivated periods from April 2003 to April Soil hydraulic parameters concerning soil water retention characteristics, θ(h) and Saturated hydraulic conductivity, K sat were measured in the field. θ(h) data were measured in different soil profiles (25, 55, 85 and 105 cm) in undisturbed soil core samples, and the measured data were fitted to the Van Genuchten (1980) equation. K sat was measured in four different soil profiles mentioned above, using both Guelph permeameter and undisturbed soil core samples. Soil profiles were monitored every 15 days during the growing seasons and monthly during the following non-cultivated periods. Soil monitoring concerns soil moisture content, mineral nitrogen (NH 4 -N and NO 3 -N), total nitrogen, organic matter, electrical conductivity and soil ph. Soil samples were colleted in between

223 Summary 212 plant rows and irrigation lines. Furthermore, irrigation wastewater samples were collected each irrigation time and analyzed for mineral nitrogen concentrations, electrical conductivity and ph. Moreover, for evaluating the performance of plant growth, Leaf area index (LAI), root depth-distribution, plant dry matter, plant height and nitrogen content of plant tissues, were measured at two weekly basics. Regarding the reliability of WANISIM model for describing soil water and nitrogen dynamics, the model was tested against experimental measurements of soil water content and mineral nitrogen concentrations (NH 4 -N and NO 3 -N). Comparison between simulated and measured results indicate that the model proposed can describes the reaction of continuum soil-plant-atmosphere, further to mineral nitrogen applied by wastewater and fertilizers in the field. However over-estimation of measured soil water contents was observed in some months, particularly during the sunflower season. This study also indicates that monitoring of soil moisture content in one place, in between plant rows and irrigation lines, is not representative for describing soil water dynamics bellow trickle emitters. Regarding nitrate-n leaching to deep soil profiles, during the growing season of sunflower, total nitrate-n leaching for a period of one year was 44.7 kg N ha -1. It is observed that only 10% of this amount was percolated from April until October, while 90% was percolated during the non-cultivated and rainy period. However, during the growing season of corn, total nitrate-n leaching for a period of one year was kg N ha -1. It is observed that only 14% of this amount was percolated from April to October, while 84% was percolated during non-cultivated and rainy period. Finding of this study show that, winter period is the dangerous period of year, during which substantial nitrate-n leaching can occurs. Concerning the reuse of treated wastewater for irrigation, results of simulation model show that, municipal wastewater reclaimed by activated sludge and nitrification/denitrification can be used as valuable source of irrigation water without contamination of groundwater, however more attention to high salinity of this type of water quality must be concerned. This quality of wastewater can replace only a small part of plant N requirements but it can not be used as major source of plant nitrogen fertilizer donor. Regarding the impacts of transient combined soil water and salinity stress on plant root water uptake, the macroscopic reduction function are first tested against the experimental measurements using head pressure reduction function of Feddes (1978),

224 Summary 213 and then against combined water pressure and osmotic head reduction function proposed by Homaee (2002). Accordingly, the simulation results indicate that reduction of total root water uptake was observed under combined water and salinity stress in comparison to that under only water stress. Moreover, according to these results, sunflower water uptake cm was measured under transient water stress, while 27 cm was measured under combined water and salinity stress. This means that 14% of total water uptake was reduced. In contrary, even under high water and salinity stress, corn plant roots recovered there water requirements from deeper soil layers, particularly when soil status was optimal ones; case which observed during growing season of corn.

225 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α εδοµένα εισόδου του µοντέλου-kκαλλιέργειας ηλίανθου ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β εδοµένα εισόδου του µοντέλου-kκαλλιέργειας αραβοσίτου ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ Η ανάπτυξη των φυτών, το βάθος και η κατανοµή των ριζών του ηλίανθου και του αραβοσίτου

226 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α εδοµένα εισόδου του µοντέλου-καλλιέργειας ηλίανθου

227 Παράρτηµα A 215 Παράρτηµα Α: εδοµένα εισόδου του µοντέλου-καλλιέργειας ηλίανθου MAIN DATA ##0## INPUT DATA FILE: MAIN.DAT ##0## #1# Name of Area of Soil Data Αγρόκτηµα ΙΕΒ ΣΙΝ ΟΥ Πειραµατικός εφαρµογής αζωτούχου λίπανσης σε ηλίανθο #2# Read the time period and the time of simulation 2 DINI DEND YEAR SDAY SMONT SYEAR +++ simulation period Day of execution #3# Read the time period and the time of simulation #3# TARX THARX TMMARX TDWR day of year #4# Read total soil depth and element sizes 4 DEPTH DXA DXD DCD DXB DLB cm cm cm cm cm #5# Read total time of simulation and time steps 5 TIME DTO DTN DTMIN hrs hrs hrs #6# Read contant rain and convergence criteria 6 APRAIN DRAIN TOL1 TOL2 HDS HSB cm/hrs cm cm #7# Read codes for rain scheme and printing 7 KRAIN KDRAIN 1 3 #8# Read code of uptake function, evaporation etc 8 KENCO KUPTAKE KUPMODE KPLAI KRIZ KFSMAX #9# Read codes for flow equation computational schemes KSCF is code of mass lumping approach, 1=SGM, 2=MLGM, 3=SMLGM KCNI is code of time derivatine approach, 1=Crank-Nicholson, 0=implicit KDTM is code of time step evaluation

228 Παράρτηµα A KSCF KCNI KDTM #10# Read weighting factor for time derivatives approach 10 THE Weighting factor for time derivatives approximation nondimension #11# Parameter of maximum alloable deficit of soil moisture 11 CMAD 0.65 #12# Read number of layers and the code of each layer 12 NSTR MA1 MA2 MA3 MA4 MA #13# Read the depth of beggining of each layers 13 XFA(I),I=1,NSTR ---- cm a ELS(I),I=1,NSTR ---- cm #13# Read the depth of beggining of each layers

229 Παράρτηµα A #14# Read characterist function parameters WS is the saturation water content in cm3/cm3 WR is the residual water content in cm3/cm3 A is the parameter a in Van Genuchten model (1/cm) n, m are the constants in Van Genuchten model 11 Ws Wr A n m / 1st layer (0-40 cm)parameters Ws Wr A n m / 2nd layer (40-65 cm)parameters Ws Wr A n m / 3th layer (65-90 cm)parameters Ws Wr A n m / 4th layer ( cm)parameters Ws Wr A n m / 5th layer ( cm) parameters #15a# Read the code of Conductivity model 15a KEQ, =1 for Gardner and #1 for Van Genuchten-Mualem 0 #15# Read hydraulic conductivity function parameters CKSAT is the saturated hydraulic conductivity, cm/hr BI is the parameter of Gardner model GI is the exponential value of Gardner model

230 Παράρτηµα A XFA CKSAT BI(I) GI(I) / 1st layer parameters XFA CKSAT BI(I) GI(I) / 2nd layer parameters XFA CKSAT BI(I) GI(I) / 3th layer parameters XFA CKSAT BI(I) GI(I) / 4th layer parameters XFA CKSAT BI(I) GI(I) / 5th layer parameters #16# Read Pressure Head at Critical Points 16 HMAX HFC HCR HPWP PRMAX PRMIN PRSA --- cm water #17# Read initial conditions 17 IVAR NIN 2 12 #18# Read soil depths for pressure heads 18 XX(I),I=1,NIN cm from soil surface #19# Read pressure head for corresponding depths 19 BI(I),I=1,NIN cm3/cm3 of water content at specific depths #20# Read Soil Temperature for corresponding depths 20 BI(I),I=1,NIN ---- oc of soil temperature in soil #20# Read NH4-N concentrations for corresponding depths 20 BI(I),I=1,NIN ---- mg/l of ammonia nitrogen in soil solution #21# Read NO3-N concentrations for corresponding depths 21 BI(I),I=1,NIN mg/l of nitrates nitrogen in soil solution #22# Read printing codes

231 Παράρτηµα A TCPC TWH TWHN TOL3 hrs hrs hrs #23# Read printing codes 23 KFUN KINC KINR LN LW LIT KCOPR #24# Read the nodes of writing the water content and concentrations 24 IW1 IW2 IW3 IW4 IN1 IN2 IN3 IN #25a# Read nodes of layers to write water content and concentrations 25 NOP 5 NOPF NOPL nd depth rd depth th depth total depth 1 61 #26# Read times to write water and nitrogen uptake distribution 22 THA(I),I=1,LIT --- hrs #27# Read soil temperature simulation data 27 TLAG TAVED oc MODTEM KSURMOD KTSUR KTBOT KCFUN BCOE1 BCOE2 BCOE3 Coefficients of Thermal conductivity function Sand soil Loam soil Clay soil DAENAIR CAPAIR ALBEDO ARADC BRADC AEMIS1 BEMIC1 SIGMA #28# Read uptake of nitrogen parameters 28 QM QK CSNH3 CSNO3 CDB migr/cm.hr #29# Read dispersion parameters

232 Παράρτηµα A DISP DOT DCOE cm cm2/hr cm2/hr #30# Read inorganic nitrogen transformations constant rates 30 ROU REX RNIT RDNIT g/cm3 cm3/g 1/h 1/h #31# Read the code for equation describe the environmental effects 31KNITFU 1 #32# Number of days of each month of the year I F M A M J J A S O N D #33# UPTMAX PAR1UPT PAR2UPT "END=" EXPANATION OF VARIABLES APPEARED IN INPUT FILE: MAIN.DAT #1# Name of Area of Soil Data #2# Read the time period and the time of simulation DINI is the first Julian day of simulation period DEND is the last Julian day of simulation period YEAR is the year of Simulation period SDAY is the day of month of execution SMONT is the month of year of execution SYEAR is the year of execution #3# Read the time of simulation beggining TARX is elapsed time in days from Beggining THARX is elapsed time in hours from Beggining TMMARX is time in hour of Simulation Beggining TDWR is the day of Prints Beggining #4# Read the soil depth and element sizes DEPTH is the total soil depth in cm DXA, DXD, DXB are element sizes for the first, intermediate and last elements DCD and DLB are the depths at which element sizes changes #5# Total time of simulation in hours and time steps TIME is the total simulation time in hours DTO, DTN are initial time steps DTMIN is the minimum allowable time step in hours #6# Constant rain in simple experiments and convergence criteria APRAIN is the constant inflow as result of rain + irrigation DRAIN is the constant drainage at the bottom TOL1 is the convergence criterio for capacity evaluation TOL2 is the maximum desired change of pressure head between two

233 Παράρτηµα A 221 successive iterations during a particular time step HDS and HSB are constant known values of head at surface and bottom #7# Codes of rain and drainage or type of boundary conditions KRAIN and KDRAIN ar codes for the type of flow boundary #8# Codes of uptake function, evaporation etc KEVAP is a code for evapotranspiration (=0 for no evapotranspiration) KENCO is a code to use or not temperature effects on transpiration (=1, YES) KUPTAKE is a code of uptake function for water and N if 1 then not uptake else uptake calculate by functions KUPMODE is a code to use the Molz and Remson (=1) model or the Feddes (=0) model KPLAI is a code to use constant value of LAI (=1) or variable during growing period (=0) KRIZ is a code to use constant root depth (=1) or changed with time (=0) KFSMAX is a code for the SMAX(I) definition if 1 then SMAX(I)=TRANS(I)*RDI(I) 2 then SMAX(I) defined #9# Codes for flow equation computational schemes KSCF is the code of mass lumping approach of flow equation (KSCF=1, SGM; = 2, MLGM; = 3, SMLGM is used) KCNI is the code of time derivative approximation (KCNI=1, Crank Nicholson; = 2, implicit approximation is used) KDTM is a code of time step changing model if 1 the DT=01*PRECI/Ksat is used, while if 2 the DT=0.02*DX/Ksat is used #10# Weighting factor for time derivatives approach THE is a weighting factor for time derivatives approach #11# Parameter of maximum alloable deficit od soil moisture CMAD is the maximum alloable deficit #12# Read the number of layers and the codes of each of them KSTR is the number of soil layers MA1, MA2... are the codes of the layers #13# Depth of beggining of each layers XFA(I) are the depths from surface of new layer #14# Read characteristic function parameters Van Genuchten model: W(I)=WR(I)+(WS(I)-WR(I))/((1+(AB(I)*H)**EKN)**EKM) WS is the saturation water content in cm3/cm3 WR is the residual water content in cm3/cm3 AB is the parameter a in Van Genuchten model (1/cm) EKN and EKM are the constants in Van Genuchten model #15a# Read code of hydraulic conductivity model KEQ, =1 for Gardner and #1 for Van Genuchten-Mualem #15# Read hydraulic conductivity function parameters Gardener model: K(I)=CKSAT(I)/(1+(BI(I)*H)**GI(I)) CKSAT is the saturated hydraulic conductivity, cm/hr BI is the parameter of Gardner model GI is the exponential value of Gardner model #16# Pressure Head at Critical Points HMAX is the maximum value of head HFC is the head at field capacity PCR is the head at critical point PPWP is the head at permanent wilting point PRMAX is the maximum head for PRMIN is the minimum head for water upatake PRSA is the head at saturation #17# Codes for water flow initial condition and Read initial conditions IVAR is the code for water content or pressure head initial condition = 1 if pressure head is given

234 Παράρτηµα A 222 = 2 for water content NIN is the number of nodes at which the initial conditions are given #18# The soil depths for pressure heads XX(I) is the depth of initial values, cm #19# Values of pressure head at corresponding depths of initial condition BI(I) is the initial values of pressure in cm #20# Values of ammonia N at corresponding depths of initial condition BI(I) is the initial values of ammonia N in mg/l #21# Values of nitate N at corresponding depths of initial condition BI(I) is the initial values of ammonia N in mg/l #22# Read printing codes TWH, TWHN are time steps for printings #23# Read printing codes KFUN is a code to write or no the Soil Functions KINC is a code to write or no Initial Conditions KINR is a code to write or no root distribution LN is a code to type or not intermediated results LW is the number of time steps between printouts LIT is is the number to print details for uptake KCOPR is a code to write concentrations in mg/l or in microg/g soil #24# Read the nodes of writing the water content and concentrations IW1,IW2,IW3,IW4 nodes to wtite water content IN1,IN2,IN3,IN4 nodes to write inorganic nitrogen concentrations #25# Read the nodes of writing the water content and concentrations NOP is the number of layer in soil profile to print N mass NONF(M) first node of layer NONL(M) last node of layer #26# Read times to write water and nitrogen uptake distribution TAH(I) is time in hours from the beggining for printing detailed results #27# Read soil temperature simulation data TLAG is a coefficient ranging from 0.0 to 1.0 that allows weighting of previous day temperature with the current day's soil temperature estimate TAVED is the long term average annual air temperature at the site #28# Read parameters of nitrogen uptake QM is the maximum uptake mass of N in microg/cm of root/hr QK is the Michaelis constant, mg/l CSNH4 is concentration of applied NH4-N in microgram/cm3 CSNO3 is concentration of applied NO3-N in microgram/cm3 CDB is the constant concentration at bottom boundary in microgram/cm3 #29# Read dispersion parameters DISP is the soil dispersivity (cm) DOT is the apparent diffusion term DCOE is the contant dispersion coefficient (cm2/h) #30# Read inorganic nitrogen transformations constant rates ROU(I) is the bulk soil density (g/cm3) REX(I) is the distribution coefficient for NH4 ion absorption (cm3/g) RNIT(I) is the nitrification rate contant (1/hour) RDNIT(I) is the denitrification rate constant (1/hour) #31# Read the code for equation describe the environmental effects KNITFU is the code of model for water effect on nitrification #32# Number of days of each month of the year DMON(I)is the number of days of month I of year #33# Parameters of nitrogen uptake function of logistic type UPTMAX is the maximum upatke PAR1UPT is the 1st parameter PAR2UPT is tyhe 2nd parameter

235 Παράρτηµα A 223 CROP DATA #0# INPUT DATA FILE: CROP.DAT Input of Irrigation-Time and depth-, Crop Coefficient, LAI Crop growing period from May to October of 1996 Experimental field at IEB of Sindos Case A of fertilizer appli #1# INPUT METEOROLOGICAL STATION CHARACTERISTICS Name, Latitude, longitude and laltitude (Geographico mikos and platos kai ipsometro) IEB Sindos ##1a# TPLANT TMAXGR TEMERG THARVE #3# Irrigation data K1 CDA(K) NHR(K) AIRR(K) CAIRR CNIRR day of year NRIR Hours cm/h mg/l mg/l #4# CROP COEFFICIENT`S DATA A/A DAYS Kcrop KEVAP NCRO #5# LAI DATA [LAI=PLCO+PLSLOP*(T-TEMERG)] A/A DAYS PLCO PLSLOP NPLAI KLAIFU

236 Παράρτηµα A TLAIMAX VLAIMAX PAR1LAI PAR2LAI #6# ROOTS DEPTH DATA [Rd=RDCOE+RDSLO*(T-TEMERG)] A/A DAYS RDCOE RDSLO NRDE KRDFU TRDMAX RDMAX RDPAR1 RDPAR #7# Constants for root distribution and Prasad model parameters CNS RIZ RALES XINA PLAIMAX #8# Constants of Feddes Sink term a(h) HA HAN HCR HPWP all in cm #31# Read the parameters of salinity reduction factor HOSMTHRES osmotic threshold value (cm) HOSMOTIC osmotic head (cm) AFACTOR slope which indicates the yield decrease/unit salinity increase (m/ds) 31KREDFACTOR 1 HOSMTHRES HOSMOTIC AFACTOR #4# SOIL SOLUTION SALINITY DATA A/A NDSAS ECSW NSALT

237 Παράρτηµα A EXPANATION OF VARIABLES APPEARED IN INPUT FILE: CROP.DAT #1# METEOROLOGICAL STATION CHARACTERISTICS STATION is the name of station ALTIT is the Altitude of Station PLAT is the latidude of Station ELEVA is the elevation above sea level of station #2# Characteristic times of plant growth TPLANT is the day of the year of planting TMAXGR is the number of day to maximum growth TEMERG is the day of the year of emergency THARVE is the day of the year of Harvesting #3# Read the Julian day of Irrigations NRIR is the number of irrigations during simulation period K1 is the index of irrigation CDA(K) is the Julian Day of Irrigation Application NHR(K) is the Hours from the Simulation Beggining of Irrigation AIRR(K) is the rate of irrigation cm/hr CAIRR(K) is the NH4-N concentration in irragation water CNIRR(K) is the NO3-N concentration in irragation water #4# Read the Julian day of Crop Coefficient variation NCRO is the number of times with different crop coefficients K3 is the index of crop coefficients CDCR(K) is the Julian Day of New Crop Coefficient CROP(K) is the crop coefficient value KEV(K) is a code for evapotranspiration or not #5# Read the Julian day of Leaf Area Index variation NPLAI is the number of new values of LAI KLAIFU is a code for LAI evaluation =0 values of LAI are given =1 is parameters of logistic model are given K4 is the index of leaf area index CDPLAI(K) is the Julian Day of New Leaf Area Index PLCO(K) is the constant of linear LAI function PLSL(K) is the slope of linear LAI function TLAIMAX is the Julian day of maximum value of LAI VLAIMAX is the maximum value of LAI in logistic model PAR1LAI is one of parameters in logistic model of LAI PAR2LAI is the other parameter in logistic model of LAI #6# Read the Julian day of Roots depth variation NRDE is the number of new values of roots depth KRDFU is a code for roots depth evaluation =0 if values of roots depth are given =1 is parameters of logistic model are given K5 is the index of new root depth NDRDE(K) is the Julian Day of New Roots depth RDCO(K) is the constant of linear Roots depth function RDSL(K) is the slope of linear Roots depth function TRDMAX is the Julian day of maximum value of root depth RDMAX is the maximum value of roots depth in logistic model RDPAR1 is one of parameters in logistic model of roots depth RDPAR2 is the other parameter in logistic model of roots depth #7# Constants for root distribution and Prasad model parameters CNS is a constant in Prasad root distribution function depending on the plant and its vegetative stage (-) RIZ is the maximum rooting depth (cm) RALES is the number to eliminate the rainfall intensity XINA is the depth of inactive roots

238 Παράρτηµα A 226 PLAIMAX is the maximum value of leaf area index #8# Constants of Feddes Sink term a(h) {S(i)=a(h)Smax} HA is the pressure head below which the roots start to extract water (cm) HAN is the pressure head below which the roots extract water optimally from the soil HCR is the pressure head below which the roots don't extract water optimally HPWP is the pressure head corresponded to wilting point #9# Distribution of maximum uptake X(I) is the depth SINKM(I) is the maximum water uptake Smax

239 Παράρτηµα A 227 METEOROLOGICAL DATA c****************************************************** c* Climatic data/sindos c*********************************************************** c year Month day ET0 Rain Irrig watable temp GloRada c (mm) (mm) (mm) (m) (oc) mm/day NRCD NDATA Tmean TEMPMAXY TEMPMINY

240 Παράρτηµα A

241 Παράρτηµα A

242 Παράρτηµα A

243 Παράρτηµα A

244 Παράρτηµα A

245 Παράρτηµα A

246 Παράρτηµα A 234 ORGANIC NITROGEN DATA ======> FILE: ORNIT.DAT <======== ======> INPUT DATA FOR THE SIMULATION OF SOLUTE TRANSPORT <======== ======> IN SOILS INCLUSIVE NITROGEN DYNAMICS <======== #1# THE INITIAL INORGANIC SOIL PROFILE #2# THE ORGANIC SOIL PROFILE NODE CCLITO CNLITO CCMANO CNMANO CCHUMO CNHUMO CCO2O NR mg C or N/ kg dry soil

247 Παράρτηµα A #3# BULK DENSITY PROFILE NODE WAT FH WAT FL WAT PWP WAT SATU NR cm3/cm #4# THE POTENTIAL ORGANIC RATE CONSTANTS NODE LITTER MANURE HUMUS NR 1/Hours

248 Παράρτηµα A #5# FREQUENCY of Organic Fertilizations NH4 NO3 ORGANIC-N CARBON FRQUENCY kg N/ha kg N/ha kg C/ha INJECTION DEPTH (CM) : #6# FREQUENCY of Inorganic Fertilizations NH4 NO3 ORGANIC-N CARBON FRQUENCY kg N/ha kg N/ha kg C/ha #7# Codes of environmental factor models effect on mineralization MTEM MWAT #8# Q10 VALUES AND BASE TEMPERATURE FOR TEMPERATURE EFFECTS Q10 TBT oc

249 Παράρτηµα A #9# REDUCTION RATE FACTORS FOR THE REACTION CONSTANTS ES DELT1 DELT2 RM D WCD pressure head in cm #10# PARAMETERS AFFECTING MINERALISATION/IMMOBILSATION FE FH RO RDMAN EXPANATION OF VARIABLES APPEARED IN INPUT FILE: ORNIT.DAT #1# THE INITIAL INORGANIC SOIL PROFILE #2# read the initial organic carbon pools profile units are in mg C/kg and mg N/kg dry soil c CCL(I)= CONCENTRATION OF LITTER CARBON ON THE NODE CNL(I)= CONCENTRATION OF LITTER NITROGEN ON THE NODE CCM(I)= CONCENTRATION OF MANURE CARBON ON THE NODE CNM(I)= CONCENTRATION OF MANURE NITROGEN ON THE NODE CCH(I)= CONCENTRATION OF HUMUS CARBON ON THE NODE CNH(I)= CONCENTRATION OF HUMUS NITROGEN ON THE NODE CCO2(I) = CONCENTRATION OF CARBON OXYGEN ON THE NODE #3# read the bulk densities and water content constants RHO(I)= BULK DENSITY PER LAYER IN Kg/dm*3 WSH(I)= HIGH WATER CONTENT FOR WHICH THE SOIL MOISTURE FACTOR IS OPTIMAL WSL(I)= LOW WATER CONTENT FOR WHICH THE SOIL MOISTURE FACTOR IS OPTIMAL WSW(I)= MINIMUM WATER CONTENT FOR PROCESS ACTIVITY UNITS OF WATER CONTENT: cm3/cm3 #4# read the organic nitrogen carbon rate constants units : (1/day) RKL(I)= POTENTIAL DECOMPOSITION RATE OF LITTER RKM(I)= POTENTIAL DECOMPOSITION RATE OF MANURE RKH(I)= POTENTIAL DECOMPOSITION RATE OF HUMUS #5# read day,frequency and amounts of organic fertilizer IMAN= NUMBER OF ORGANIC FERTILIZATIONS IDMAN(I)= JULIAN DAY OF MANURE APPLICATION RMNH4(I)= CONCENTRATION OF AMMONIA IN MANURE RMNO3(I)= CONCENTRATION OF NITRATE IN MANURE CAOR(I)= CONCENTRATION OF CARBON IN MANURE RNOR(I)= amount of org N in manure UNITS : Kg N/ha, kg C/ha #6# read the day,frequency and amounts of inorganic fertilizer applications units are in kg/ha NINOF= NUMBER OF INORGANIC FERTILIZER APPLICATIONS DAY(I)= day of month RMN(I)= month of the year YEAR(I) = year of data IDINOF(I)= JULIAN DAYS OF INORGANIC FERTILIZER APPLICATION

250 Παράρτηµα A 238 FNH4(I) = AMOUNT OF AMMONIA APPLICATION FNO3(I) = AMOUNT OF NITRATE APPLICATION #7# Read the code of function for factors effect on mineralization MTEM code for temperature model used for mineralization =1 Jonhsson et al. =2 Reddy function MWAT code for moisture effects on mineralization, =1 Johnsson, =2 Proposed model #8# Read the Q10 value and the base temperature TBT Q10 is the factor change in rate with a 10-degree change in temperature TBT is the base temperature at which e(t) equals 1 #9# read the constants needed to reduce the potential reaction rate constants ES =COEFFICIENT DEFINING THE RELATIVE EFFECT OF SOIL MOISTURE WHEN THE SOIL IS SATURATED DELT1 =VOLUMETRIC RANGE OF WATER WHERE THE RESPONSE INCREASES DELT2 =VOLUMETRIC RANGE OF WATER WHERE THE RESPONSE DECREASES RM =EMPERICAL CONSTANT SET TO ONE #10# read the parameters affecting the mineralization-immobilisation FE = SYNTHESIS EFFICIENCY CONSTANT FH = CARBON HUMIFICATION FRACTION RO = THE C/N RATIO OF MICRO-ORGANISMS AND HUMIFIED PRODUCTS

251 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β εδοµένα εισόδου του µοντέλου-καλλιέργειας αραβοσίτου

252 Παράρτηµα B 240 Παράρτηµα Β: εδοµένα εισόδου του µοντέλου-kαλλιέργειας αραβοσίτου MAIN DATA ##0## INPUT DATA FILE: MAIN.DAT ##0## #1# Name of Area of Soil Data Αγρόκτηµα ΙΕΒ ΣΙΝ ΟΥ Πειραµατικός εφαρµογής αζωτούχου λίπανσης σε καλαµπόκι #2# Read the time period and the time of simulation 2 DINI DEND YEAR SDAY SMONT SYEAR +++ simulation period Day of execution #3# Read the time period and the time of simulation #3# TARX THARX TMMARX TDWR day of year #4# Read total soil depth and element sizes 4 DEPTH DXA DXD DCD DXB DLB cm cm cm cm cm #5# Read total time of simulation and time steps 5 TIME DTO DTN DTMIN hrs hrs hrs #6# Read contant rain and convergence criteria 6 APRAIN DRAIN TOL1 TOL2 HDS HSB cm/hrs cm cm #7# Read codes for rain scheme and printing 7 KRAIN KDRAIN 1 3 #8# Read code of uptake function, evaporation etc 8 KENCO KUPTAKE KUPMODE KPLAI KRIZ KFSMAX #9# Read codes for flow equation computational schemes KSCF is code of mass lumping approach, 1=SGM, 2=MLGM, 3=SMLGM KCNI is code of time derivatine approach, 1=Crank-Nicholson, 0=implicit KDTM is code of time step evaluation

253 Παράρτηµα B KSCF KCNI KDTM #10# Read weighting factor for time derivatives approach 10 THE Weighting factor for time derivatives approximation nondimension #11# Parameter of maximum alloable deficit of soil moisture 11 CMAD 0.65 #12# Read number of layers and the code of each layer 12 NSTR MA1 MA2 MA3 MA4 MA #13# Read the depth of beggining of each layers 13 XFA(I),I=1,NSTR ---- cm a ELS(I),I=1,NSTR ---- cm #13# Read the depth of beggining of each layers

254 Παράρτηµα B #14# Read characterist function parameters WS is the saturation water content in cm3/cm3 WR is the residual water content in cm3/cm3 A is the parameter a in Van Genuchten model (1/cm) n, m are the constants in Van Genuchten model 11 Ws Wr A n m / 1st layer (0-40 cm)parameters Ws Wr A n m / 2nd layer (40-65 cm)parameters Ws Wr A n m / 3th layer (65-90 cm)parameters Ws Wr A n m / 4th layer ( cm)parameters Ws Wr A n m / 5th layer ( cm) parameters #15a# Read the code of Conductivity model 15a KEQ, =1 for Gardner and #1 for Van Genuchten-Mualem 0 #15# Read hydraulic conductivity function parameters CKSAT is the saturated hydraulic conductivity, cm/hr BI is the parameter of Gardner model GI is the exponential value of Gardner model

255 Παράρτηµα B XFA CKSAT BI(I) GI(I) / 1st layer parameters XFA CKSAT BI(I) GI(I) / 2nd layer parameters XFA CKSAT BI(I) GI(I) / 3th layer parameters XFA CKSAT BI(I) GI(I) / 4th layer parameters XFA CKSAT BI(I) GI(I) / 5th layer parameters #16# Read Pressure Head at Critical Points 16 HMAX HFC HCR HPWP PRMAX PRMIN PRSA --- cm water #17# Read initial conditions 17 IVAR NIN 2 12 #18# Read soil depths for pressure heads 18 XX(I),I=1,NIN cm from soil surface #19# Read pressure head for corresponding depths 19 BI(I),I=1,NIN cm3/cm3 of water content at specific depths #20# Read Soil Temperature for corresponding depths 20 BI(I),I=1,NIN ---- oc of soil temperature in soil #20# Read NH4-N concentrations for corresponding depths 20 BI(I),I=1,NIN ---- mg/l of ammonia nitrogen in soil solution #21# Read NO3-N concentrations for corresponding depths 21 BI(I),I=1,NIN mg/l of nitrates nitrogen in soil solution #22# Read printing codes

256 Παράρτηµα B TCPC TWH TWHN TOL3 hrs hrs hrs #23# Read printing codes 23 KFUN KINC KINR LN LW LIT KCOPR #24# Read the nodes of writing the water content and concentrations 24 IW1 IW2 IW3 IW4 IN1 IN2 IN3 IN #25a# Read nodes of layers to write water content and concentrations 25 NOP 5 NOPF NOPL nd depth rd depth th depth total depth 1 61 #26# Read times to write water and nitrogen uptake distribution 22 THA(I),I=1,LIT --- hrs #27# Read soil temperature simulation data 27 TLAG TAVED oc MODTEM KSURMOD KTSUR KTBOT KCFUN BCOE1 BCOE2 BCOE3 Coefficients of Thermal conductivity function Sand soil Loam soil Clay soil DAENAIR CAPAIR ALBEDO ARADC BRADC AEMIS1 BEMIC1 SIGMA #28# Read uptake of nitrogen parameters 28 QM QK CSNH3 CSNO3 CDB migr/cm.hr #29# Read dispersion parameters

257 Παράρτηµα B DISP DOT DCOE cm cm2/hr cm2/hr #30# Read inorganic nitrogen transformations constant rates 30 ROU REX RNIT RDNIT g/cm3 cm3/g 1/h 1/h #31# Read the code for equation describe the environmental effects 31KNITFU 1 #32# Number of days of each month of the year I F M A M J J A S O N D #33# UPTMAX PAR1UPT PAR2UPT

258 Παράρτηµα B 246 CROP DATA #0# INPUT DATA FILE: CROP.DAT Input of Irrigation-Time and depth-, Crop Coefficient, LAI Crop growing period from May to October of 1996 Experimental field at IEB of Sindos Case A of fertilizer application #1# INPUT METEOROLOGICAL STATION CHARACTERISTICS Name, Latitude, longitude and laltitude (Geographico mikos and platos kai ipsometro) IEB Sindos ##1a# TPLANT TMAXGR TEMERG THARVE #3# Irrigation data K1 CDA(K) NHR(K) AIRR(K) CAIRR CNIRR day of year NRIR Hours cm/h mg/l mg/l #4# CROP COEFFICIENT`S DATA A/A DAYS Kcrop KEVAP NCRO

259 Παράρτηµα B #5# LAI DATA [LAI=PLCO+PLSLOP*(T-TEMERG)] A/A DAYS PLCO PLSLOP NPLAI KLAIFU TLAIMAX VLAIMAX PAR1LAI PAR2LAI #6# ROOTS DEPTH DATA [Rd=RDCOE+RDSLO*(T-TEMERG)] A/A DAYS RDCOE RDSLO NRDE KRDFU TRDMAX RDMAX RDPAR1 RDPAR #7# Constants for root distribution and Prasad model parameters CNS RIZ RALES XINA PLAIMAX ,630 #8# Constants of Feddes Sink term a(h) HA HAN HCR HPWP all in cm #31# Read the parameters of salinity reduction factor HOSMTHRES osmotic threshold value (cm) HOSMOTIC osmotic head (cm) AFACTOR slope which indicates the yield decrease/unit salinity increase (m/ds) 31KREDFACTOR 2 HOSMTHRES HOSMOTIC AFACTOR #4# SOIL SOLUTION SALINITY DATA

260 Παράρτηµα B 248 A/A NDSAS ECSW NSALT

261 Παράρτηµα B 249 METEOROLOGICAL DATA c****************************************************** c* Climatic data/sindos c*********************************************************** c year Month day ET0 Rain Irrig watable temp GloRada c (mm) (mm) (mm) (m) (oc) mm/day NRCD NDATA Tmean TEMPMAXY TEMPMINY

262 Παράρτηµα B

263 Παράρτηµα B

264 Παράρτηµα B

265 Παράρτηµα B

266 Παράρτηµα B

267 Παράρτηµα B

268 Παράρτηµα B 256 ORGANIC NITROGEN DATA ======> FILE: ORNIT.DAT <======== ======> INPUT DATA FOR THE SIMULATION OF SOLUTE TRANSPORT <======== ======> IN SOILS INCLUSIVE NITROGEN DYNAMICS <======== #1# THE INITIAL INORGANIC SOIL PROFILE #2# THE ORGANIC SOIL PROFILE NODE CCLITO CNLITO CCMANO CNMANO CCHUMO CNHUMO CCO2O NR mg C or N/ kg dry soil

269 Παράρτηµα B #3# BULK DENSITY PROFILE NODE WAT FH WAT FL WAT PWP WAT SATU NR cm3/cm #4# THE POTENTIAL ORGANIC RATE CONSTANTS NODE LITTER MANURE HUMUS NR 1/Hours

270 Παράρτηµα B #5# FREQUENCY of Organic Fertilizations NH4 NO3 ORGANIC-N CARBON FRQUENCY kg N/ha kg N/ha kg C/ha INJECTION DEPTH (CM) : #6# FREQUENCY of Inorganic Fertilizations NH4 NO3 ORGANIC-N CARBON FRQUENCY kg N/ha kg N/ha kg C/ha #7# Codes of environmental factor models effect on mineralization MTEM MWAT #8# Q10 VALUES AND BASE TEMPERATURE FOR TEMPERATURE EFFECTS Q10 TBT oc

271 Παράρτηµα B #9# REDUCTION RATE FACTORS FOR THE REACTION CONSTANTS ES DELT1 DELT2 RM D WCD pressure head in cm #10# PARAMETERS AFFECTING MINERALISATION/IMMOBILSATION FE FH RO RDMAN

272 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ Η ανάπτυξη των φυτών, το βάθος και η κατανοµή των ριζών του ηλίανθου και του αραβοσίτου

273 Παράρτηµα Γ 261 Βάθος και κατανοµή ριζών του ηλίανθου Ανάπτυξη των φυτών του ηλίανθου 41-ηµερών από σπορά 41-ηµερών από σπορά 56-ηµερών από σπορά 56-ηµερών από σπορά 71-ηµερών από σπορά 71-ηµερών από σπορά 86-ηµερών από σπορά 86-ηµερών από σπορά

274 Παράρτηµα Γ 262 Βάθος και κατανοµή ριζών του αραβοσίτου Ανάπτυξη των φυτών του αραβοσίτου 38-ηµερών από σπορά 38-ηµερών από σπορά 64-ηµερών από σπορά 51-ηµερών από σπορά 78-ηµερών από σπορά 78-ηµερών από σπορά 97-ηµερών από σπορά 112-ηµερών από σπορά 112-ηµερών από σπορά 146-ηµερών από σπορά (harvest time)