نشریه دانش آب و خاک / جلد 27 شماره 3 صفحههای 135 تا / 146 سال 1396 ارزیابی مدل HYDRUS 2D در شبیهسازی حرکت آب و نیترات در آبیاری فارو ذرت الناز رضائی آباجلو 1* سینا بشارت 2 وحید رضاوردینژاد 2.1.2 تاریخ دریافت: 94/11/25 تاریخ پذیرش: 95/12/24 دانشجوي دکتري تخصصی گروه مهندسی آب دانشکده کشاورزي دانشگاه ارومیه دانشیار گروه مهندسی آب دانشکده کشاورزي دانشگاه ارومیه * مسئول مکاتبات پست الکترونیکی : e_rezay2010@yahoo.com چکیده امروزه شبیهسازی حرکت آب و امالح در روشهای آبیاری متفاوت با استفاده از مدلهای مختلفی انجام و ارزیابی میگردد. هدف این تحقیق مقایسه نتایج حاصل از شبیهسازی تیمارهای مختلف آبیاری فارو در مدل دو بعدی HYDRUS با آزمایشهای تجربی مزرعه میباشد. تیمارهای مورد مطالعه شامل آبیاری سنتی )CI( آبیاری یک در میان ثابت )FPRI( و کمآبیاری )DI( بود. مقادیر شاخص ریشه میانگین مربعات خطا )RMSE( مربوط به رطوبت برآوردی در سه تیمار در بازه 0/03 تا ) 0/05 3- cm (cm 3 محاسبه شده است. با توجه به نتایج شبیهسازی با گذشت 10 روز از دوره شبیهسازی نحوه توزیع رطوبت در اطراف منطقه جذب ریشه در حدود رطوبت سهل الوصول قرار داشته و امکان افزایش دور آبیاری تا 13 روز بهج یا 10 روز وجود داشت. میزان نیترات برآوردی تیمار FPRI و DI در مقایسه با مقادیر اندازهگیری شده حالت بیشبرآوردی از خود نشان داده است. پتانسیل آبشویی نیترات از عمق 40 )cm( در تیمارهای مختلف نیز بهصورت FPRI> DI >CI بوده است. بدینترتیب در تیمارهای کمآبیاری نیتروژن بیشتری در اختیار گیاه قرار میگیرد. بنابراین مدل دو بعدی HYDRUS بهعنوان یک ابزار قدرتمند در شبیهسازی و اعمال مدیریتهای مختلف مصرف آب و امالح در آبیاری فارو قابل توصیه میباشد. واژههای کلیدی: آبیاری یکدرمیان ثابت انتقال نیترات توزیع رطوبت شبیهسازی کمآبیاری
/ 3 سال 1396 رضائی آباجلو بشارت و... نشریه دانش آب و خاک / جلد 27 شماره 136 Evaluaton of HYDRUS - 2D Model n Water and Ntrate Transport Smulaton at Maze Furrow Irrgaton E Rezae Abajelu *1, S Besharat 2, V Rezaverdneghad 2 Receved: 14 February 2016 Accepted: 14 March 2017 1 - Ph.D. Student, Water Eng. Dept., Faculty of Agrculture, Unversty of Urma, Iran 2-Assst. Prof., Water Eng. Dept., Faculty of Agrculture, Unversty of Urma, Iran * Correspondng Author, Emal: e_rezay2010@yahoo.com Abstract Nowadays, Water and solute transport smulatons n dfferent rrgaton methods are evaluated usng dfferent models. The purpose of ths study was to compare the smulaton results of HYDRUS-2D model for dfferent furrow rrgaton treatments wth feld experments. Treatments ncluded Conventonal Irrgaton (CI), Fxed Partal Root Irrgaton (FPRI) and Defct Irrgaton (DI). Root Mean Square Error (RMSE) values were calculated n the range of 0.03 to 0.05 for the estmated water content n the treatments. Accordng to the smulaton results, after a perod of a 10 days, the dstrbuton of mosture around the root zone was n the range of the readly avalable water content, so t was possble to ncrease rrgaton nterval up to 13 days nstead of 10 days. Estmated ntrate values of FPRI and DI treatments showed an overestmaton n comparson wth the measured values. The potental for ntrate leachng at 40 cm depth would be estmated n the order of CI> DI>FPRI for dfferent treatments. Thus, more ntrogen was avalable to the plant n defct rrgaton treatments (DI, FPRI). Therefore, HYDRUS-2D model s advsable as a powerful tool n the smulaton and management of water and solute consumptons n the furrow rrgaton. Keywords: Defct rrgaton, Fxed patral root rrgaton, Ntrate transport, Smulaton, Water dstrbuton مقدمه در سالهای اخیر منابع آبی در دسترس برای مصارف کشاورزی بهدلیل افزایش در مصارف صنعتی و خانگی )شهری( کاهش یافته است. بنابراین افزایش میزان ذخیره آب و بهرهوری آب بهمنظور مقابله با بحران آبی موجود در مناطق خشک و نیمهخشک ضرورت مییابد. قابل توجه است که حدود 90 درصد اراضی زراعی با استفاده از روش فارو مورد آبیاری قرار میگیرند )تیرسلین و ویدال 2006(. لیکن در صورت اعمال طراحی خاص این روش آبیاری و روشهای مدیریتی راندمان بهرهوری آب میتواند بهمیزان قابل توجهی افزایش یابد )ورلت و همکاران 1998(. محققان بسیاری استفاده از روش آبیاری فارو متناوب را در این راستا توصیه نمودند )تیند و همکاران 2010 ابراهیمیان و همکاران 2011 و اسالتنی و همکاران 2011(. هر روش آبیاری که بتواند نیاز آبی گیاه را برطرف کند در حالی که باعث نفوذ عمقی مواد مغذی نشود مطمئنا بهینهترین شرایط رطوبتی را در منطقه ریشه ایجاد میکند. طی مطالعات انجام شده مشاهده شد که در روش آبیاری جویچهای یک در میان متناوب مقدار جذب نیتروژن نسبت به آبیاری جویچهای معمولی بیشتر بوده است )هوو و همکاران 2009(. مدلهای شبیهسازی انتقال آب و امالح به کاربر توانایی تصمیمگیری در زمینههای مختلف مدیریت آب و کود در مزرعه را میدهد. عباسی و همکاران )2004( نشان دادند که مدل هایدرس 1 دو بعدی با دقت باالیی 1 HYDRUS-2D
137 ارزیابی مدل HYDRUS 2D در شبیهسازی حرکت آب و نیترات در آبیاری فارو ذرت... میتواند حرکت آب و امالح در آبیاری فارو را شبیه سازی نماید. کریویزر و همکاران )2008( آبیاری فارو سنتی و متناوب را در مدل هایدرس دوبعدی در شرایط پخش کود کالیبره و اعتبارسنجی نمود. مدل مذکور با دقت باالیی توانست پتانسیل ماتریک خاک غلظت نیترات و آبشویی نیتروژن بهخصوص در شرایط آبیاری فارو سنتی را شیبهسازی نماید. آنها نشان دادند که تلفات ناشی از آبشویی کود عالوه بر مدیریت آب به مدیریت کود نیز بستگی دارد. به هر حال مدیریت بهینه آب و کود برای جلوگیری از کاهش کیفیت منابع آب و خاک بهعلت مصرف بیرویه کودهای شیمیایی اجتناب ناپذیر است. ابراهیمیان و همکاران )2012( کوددهی در آبیاری فارو متناوب را با استفاده از مدل ترکیبی هایدرس و مدل کوددهی سطحی )عباسی و همکاران 2004( شبیهسازی نمودند. سیمونیک و همکاران )2016( با شبیهسازی آبیاری فارو در بافت لومی تاثیر زمانهای مختلف کوددهی را بر روی میزان جذب آب و امالح نفود عمقی و آبشویی ارزیابی نمودند. بیشترین و کمترین میزان جذب امالح توسط گیاه در صورت اعمال کودآبیاری بهترتیب در زمان میانه و آغاز دوره آبیاری مشاهده میگردید. نتایج شبیهسازی سناریو آبیاری فارو متناوب با سطح پوششی پالستیکی نشان داد که با وجود راندمان ذخیره باالی آب و کاهش آب مصرفی تا حدود 50 درصد محصول تولیدی در حدود کمتر از 20 درصد کاهش یافته است. دب و همکاران )2016( توزیع مکانی و زمانی نیترات-نیتروژن )N- )NO3 در آبیاری فارو متناوب پیاز را با کاربرد مدل دو بعدی هایدرس شبیهسازی کردند. نتایج نشان داد که میزان NO3 N- مشاهدهشده در زیر ناحیه توسعه ریشه باالتر از حدود استانداردهای )مخصوص آب شرب( توصیهشده بوده که سبب حجم باالی آبشویی از این منطقه میگردد. بنابراین بایستی با افزایش دفعات کودآبیاری در مراحل اولیه تشکیل پیاز هم میزان امالح مورد نیاز گیاه تأمین گردد و هم پتانسیل آبشویی کمتری برای NO3 N وجود داشته باشد. هدف از این مطالعه ارزیابی دقت مدل هایدرس در شبیهسازی آبیاری فارو بههمراه انتقال نیترات در صورت افزایش بهرهوری مصرف آب و نیترات میباشد. مدل مذکور برای شبیهسازی انتقال آب و نیترات در مقطع عرضی آبیاری فارو متناوب (FPRI) و سنتی تیمار کمآبیاری )DI( به کار رفته است. مواد و روشها نیز و (CFI) آزمایشهای مزرعهای بهمنظور گردآوری دادههای الزم در مزرعه پژوهشی دانشکده کشاورزی واقع در دانشگاه ارومیه در موقعیت جغرافیایی با طول 45 جغرافیایی درجه شرقی و عرض جغرافیایی 37 درجۀ شمالی در ارتفاع 1332 متر باالتر از سطح دریا انجام گردیده است. تیمارها مشتمل بر آبیاری جویچهای سنتی و آبیاری متناوب ثابت و کمآبیاری )آبیاری با 75 درصد آب مورد نیاز( همراه با اعمال کود میباشد. در آبیاری جویچهای بهصورت سنتی همۀ جویچهها آبیاری شده و محصول تحت هیچگونه تنشی نبوده است.)CI( در آبیاری یک در میان ثابت در هر دوره آبیاری جویچهها بهصورت یک در میان آبیاری میشوند و از اول تا آخر فصل رشد جویچههای آبیاری شده ثابت میمانند و جویچههای آبیاری نشده هم خشک و بدون آبیاری باقی میمانند. در تیمار آبیاری مذکور %75 آب مورد نیاز گیاه به آن داده میشود.)FPRI( تیمار کمآبیاری )DI( مشابه با تیمار آبیاری سنتی بوده با این تفاوت که کمتری را در اختیار داشته است. آبیاری و مقدار آب آبیاری از درصد آب 25 برای تعیین زمان نرمافزار 8 نسخه استفاده شده است. دور آبیاری 10 روزه در کراپوات 2 طی فصل رشد ذرت در نظر گرفته شد. بهمنظور اندازهگیری رطوبت خاک در نقاط مختلف آزمایش در شیار آبیاریشده شیار آبیارینشده و روی پشته تیمارها از دستگاه TDR )مدل )PR2 استفاده گردید. دستگاه رطوبتسنج با هر قرارگیری در نقطه مورد نظر همزمان عمقهای )cm( 60 40 30 20 10 را اندازه میگیرد. بهاینترتیب رطوبت یک روز قبل از آبیاری 2 Cropwat Software
رضائی آباجلو بشارت و... نشریه دانش آب و خاک / جلد 27 شماره / 3 سال 1396 138 j w w j روز آبیاری و در روزهای متوالی پس از آبیاری اندازهگیری شدند. نمونهبرداری خاک برای اندازهگیری غلظت نیترات در عمقه یا صورت گرفت. 60 40 20 و )cm( 80 خاک بهمنظور اندازهگیری نیترات موجود در خاک با استفاده از روش کاهشی کادمیم اندازهگیری گردید. برای بررسی جریان آب در محیط متخلخل از معادله دو بعدی ریچاردز در مدل شده است. منحنی رطوبتی خاک (h) هایدرس گنوختن و هدایت هیدرولیکی غیراشباع خاک استفاده با معادله وان با K(h) مدل کاپیالری معلم مطابق روابط زیر بهدست آمده است. در روابط 2 3 و 1 )cm 3 cm -3 ( رطوبت اشباع s )cm 3 cm -3 ( نسبی و rرطوبت باقیمانده Se α,m و,1 n اشباع پارامترهای تجربی هستند. مقادیر پارامترهای تجربی با استفاده از توابع انتقالی موجود در هایدرس )مدل شبکههای عصبی مصنوعی( استخراج شدند. ریچاردز معادالت برای انتقال- شرایط اولیه و این بررسی مدل انتشار مرزی شامل حرکت است حل امالح که خاص بهروش عددی در خاک معادالت عناصر معادله توسط با مربوط محدود Galerkn حل گردیدهاند. در این تحقیق انتقال نیترات (NO -3 ) )عباسی 1386(. m [1] با حل معادله زیر شبیهسازی شده است تخلیه جریان آب در معادله ریچادرز CS غلظت مربوط به جزء تخلیه ) 3 cm g( که Dj میتواند بهصورت زیر تعریف گردد )عباسی و همکاران 1386(: [5] w D j qq DT q j ( DL DT ) q D که در آن Dw ضریب انتشار مولکولی در آب آزاد ( 1 h )cm 2 که میزان آن برای نیترات 0/068 انتخاب شد )باون و همکاران 1993( :τw عامل خمیدگی خلل و فرج خاک :δj تابع دلتای کرونکر )مقدار آن یک یا صفر است( DL ضریب پخشپذیری طولی )cm( و DT ضریب انتشارپذیری عرضی )cm( که میزان آن بنا بر باون )1993( برابر با 0/1 در DL نظر گرفته شد. جزء تخلیه (S) معرف حجم آب تخلیهشده از حجم واحد خاک بهمنظور جذب گیاهی میباشد. در مدل هایدرس این پارامتر بر اساس معادله فدس و همکاران )1978( استخراج میگردد. غلظت نیترات و رطوبت اندازهگیری شده در محیط جریان بهعنوان مقادیر اولیه شبکه حل در نظر گرفته شدند. غلظت بیشینه نیترات در جزء تخلیه )CS( بنا بر توصیه کریویزر و همکاران )2008( میباشد. درمدل هایدرس این پارامتر بر اساس معادله فدس و همکاران )1978( استخراج میگردد. غلظت نیترات و رطوبت اندازهگیری شده در محیط جریان بهعنوان مقادیر اولیه شبکه حل در نظر گرفته شدند. غلظت بیشینه نیترات در جزء تخلیه )CS( بنا بر توصیه کریویزر و همکاران )2008( برابر با ( 3 cm )g -3 10 0/15 انتخاب گردید. هندسه شبیهسازی شده در آبیاری یک در میان ثابت در شکل 1 نشان داده شده است. s r (h) r n (1 ( h) ) K( h) Ks. Se 1 m 1, n1 n r Se s r c ( D t x l j 1/ m m 1 (1 Se ) 2 c qc ) w SC xj x s [2] [3] [4] که در آن c غلظت نیترات در خاک q جزء ما فالکس حجمی ( 1 h Dj )cm تانسور پخشیدگی هیدرودینامیکی ( 1 h )cm 2 ) 1 h (g cm 3 ضریب γw
139 ارزیابی مدل HYDRUS 2D در شبیهسازی حرکت آب و نیترات در آبیاری فارو ذرت... شکل 1- شماتیک تیمار آبیاری FPRI در مدل هایدرس. شبیهسازی شده شرایط مشابهی برای آبیاری سنتی و حالت کمآبیاری نیز اعمال شده است. هندسه پروفیل خاک طوری در نظر گرفته شده است که پروفیل توزیع ریشه بهصورت متقارن در زیر پشته قرار گیرد. از قسمتی مرز پشتهها در طی فرآیند آبیاری به صورت بار آبی متغیر و سپس شرایط تبخیر از سطح خاک )برای زمان پس از آبیاری( در نظر گرفته شده است. در طی فرآیند آبیاری میزان تعرق از گیاه برابر با صفر و در زمان 3 پس از روز از آبیاری میزان تبخیر از سطح خاک برابر با صفر عنوان شده است)ورات و همکاران 2001(. نتایج تحلیل بافت خاک و خصوصیات هیدرولیکی آن از سه عمق 30-0 60-30 و 90-60 )cm( سطح خاک در جدول 1 گردآوری شده است. یک فرآیند سه مرحلهای واسنجی مدل دو بعدی هایدرس برای شبیهسازی انتقال آب و امالح منظور گردید. در هر تیمار )ابراهیمیان و همکاران 2012 هیدرولیکی ) n به عنوان مرحله اول پارامتر که بنا بر رچا و همکاران )2006( حساسترین پارامتر در آبیاری فارو میباشد و بهعنوان مرحله دوم با استفاده از مقادیر رطوبت اندازهگیری شده در روز آبیاری مورد واسنجی قرار گرفت. در مرحله سوم مقادیر مربوط به پارامترهای انتقال امالح شامل )DL, w ( روش لونبرگ- بهینهسازی گردیده بعدی خاک واسنجی با استفاده از روش حل معکوس به مارکوآرت در مدل یک بعدی )رابطه 6( و سپس در محیط دو با استفاده از دادههای غلظت نیترات موجود در واسنجی صورت گرفته است. این مرحله از برای شرایط ده روز پس از صورت گرفته است. روز کوددهی در فاز صحتسنجی نیز نتایج برآوردی مدل برای شرایط بعد از آبیاری با نتایج مشاهداتی در مزرعه مورد تحلیل قرار گرفت. 6 در رابطه ( q, b), w ( برابر با تابع هدف به منظور بهینهسازی b )DL بردار عوامل مشخصه مجهول مقادیر اندازهگیری شده در عمق q * j ( z, t ) z و زمان t q ( z, t, b) j و زمان z n t مقادیر پیشبینی شده توسط مدل در عمق m و بهترتیب تعداد سریهای اندازهگیری شده )رطوبت خاک مکش ماتریک غلظت امالح و...( و تعداد قرائتها w j داده و v j و )داده ها( برای هر سری بهترتیب ضرایب وزنی برای هر قرائت و هر سری از دادههای اندازهگیری شده هستند. m ( q, b) v w n j j1 1 j 2 * q ( z, t ) q ( z, t, b) j j [6] در تحقیق حاضر بهمنظور ارزیابی قابلیت کاربرد مدل در برآورد مقدار رطوبت و نیترات خاک از شاخصهای CRM RMSE GMER و استفاده شد. روابط شاخصهای مورد استفاده بهشرح ذیل میباشند: k O P 1 RMSE k k 1 p GMER exp ln k 1 O CRM k 1 O K I 1 k 1 O P 2 [7] [8] [9] که در آنها مشاهدهای داده k تعداد مشاهدات O Oave P مقدار میانگین مقادیر مشاهدهای داده مقدار پیشبینی شده برای داده موردنظر میباشند.
رضائی آباجلو بشارت و... نشریه دانش آب و خاک / جلد 27 شماره / 3 سال 1396 140 ارزیابی موجود در نتایج بهمنظور مقایسه شرایط بعد از آبیاری صورت گرفته است. مقدار CRM میزان گرایش مدل به تخمینهای باال یا پایین را نشان میدهد بهطوریکه هرچه CRM به صفر نزدیکتر باشد تخمین دقیقتر است. پارامتر GMER بیانکننده وجود هماهنگی و تطابق بین مقادیر مشاهدهای و برآورد شده میباشد. چنانچه مقدار ضریب GMER برابر با یک باشد بین مقادیر اندازهگیری شده و برآورد شده مطابقت کامل وجود دارد. از سویی بیشتر و کمتر بودن این پارامتر نسبت به مقدار یک بهترتیب نشاندهنده کم- برآوردی یا بیشبرآوردی مدل میباشد. نتایج و بحث نتایج در سه بخش مجزا شامل شبیهسازی میزان رطوبت خاک در پروفیل )cm( 100 زیر پشته جذب آب و نیترات توسط ریشه در مدیریتهای مختلف آبیاری و شبیهسازی میزان انتقال نیترات در پروفیل خاک ارائه شده است. الف: شبیهسازی میزان رطوبت خاک در شکل 2 رطوبت برآوردی زمانهای بالفاصله پس از آبیاری )پروفیل ترسیمشده در بخش ) a و 10 روز پس از فرآیند آبیاری )پروفیل ترسیم شده در بخش b( در هر سه تیمار مورد مطالعه بهصورت پروفیل رطوبتی در مقطع محور کارتزین )دقیقا در محور عمودی پشته( با مقادیر واقعی اندازهگیری شده مورد مقایسه قرار گرفته است. نتایج حاصل شده بیانگر دقت باالی شبیهسازی توسط مدل میباشد. در شکل 3 پروفیل برآوردی میزان رطوبت خاک در زمانهای بالفاصله پس از فرآیند آبیاری تیمارهای FPRI CI و DI با دقت باالیی مشاهده میگردد. در کل شیب نزولی تغییرات زمانی رطوبت در عمق 0-20 )cm( بیشتر از دو عمق دیگر میباشد. این امر میتواند بهدلیل تاثیر تبخیر روی کاهش رطوبت خاک سطحی باشد. جدول 1- نتایج تحلیل بافت خاک و خصوصیات هیدرولیکی در الیههای مختلف. l (-) 0/5 α (cm -1 ) 0/0095 Ks (cm day -1 ) 2/8 Өs 0/5 Өr 0/0942 عمق خاک رس سیلت شن ظرفیت زراعی چگالی ظاهری (g cm -3 ) 1/5 35/4 (%) 21/5 (%) 30/8 (%) 47/7 )cm( 30-0 0/5 0/0101 2/7 0/5 0/0963 1/5 36/1 17/4 32/1 50/5 60-30 0/5 0/0146 3/5 0/5 0/0979 1/4 36/3 11/2 30/8 58/0 90-60
141 ارزیابی مدل HYDRUS 2D در شبیهسازی حرکت آب و نیترات در آبیاری فارو ذرت... 0 میزان رطوبت ) -3 cm (cm 3 0 0.2 0.4 0.6 0 میزان رطوبت cm 3 cm -3 0 0.2 0.4 0.6 0 میزان رطوبت -3 cm cm 3 0 0.2 0.4 0.6 20 40 60 20 40 60 عمق خاک عمق خاک cm عمق خاک (cm) DI-a- HYDRUS DI-b- HYDRUS FPRI-a- HYDRUS FPRI-b- HYDRUS cm 20 40 60 CI-a- HYDRUS CI-b- HYDRUS 80 DI-a- Measured 80 FPRI-a- Measured 80 CI-a- Measured 100 DI-b- Measured 100 FPRI-b- Measured 100 CI-b- Measured شکل 2- مقایسه مقادیر برآوردی رطوبت با مقادیر اندازهگیری شده در مقطع )در زمانهای بالفاصله پس از آبیاری (a) و 10 روز پس از فرآیند آبیاری (b) محور پشته در سه تیمار CI,FPRI,DI. در تمام تیمارها جهش مقدار رطوبت پشته درعمق 20-40 بیشتر از دو عمق دیگر بوده است بهنحویکه با انجام آبیاری رطوبت در عمق مذکور افزایش قابل توجهی پیدا کرده است. در عمق 60-40 )cm( خاک بدلیل عدم وجود تبخیر سطحی احتماال کاهش تراکم ریشه و در نتیجه جذب کمتر ریشه در این ناحیه تغییرات رطوبت کمتر از دو عمق دیگر است. همانطورکه در شکل CI-a مشاهده میگردد فرآیند آبیاری زمانی صورت گرفته است که از عمق 50 سانتیمتر سطح پایین زمین درصد رطوبت خاک در حالت رطوبت اشباع قرار دارد. حتی با گذشت 10 روز از دوره شبیهسازی نحوه توزیع رطوبت در اطراف منطقه جذب ریشه در حدود رطوبت سهل الوصول قرار دارد )b.)ci- با توجه به نتایج شبیهسازی این تیمار تا 13 روز بهجای 10 روز میتوان اطمینان حاصل نمود که توزیع رطوبت در منطقه ریشه نزدیک به رطوبت سهل الوصول قرار گرفته و بهاین ترتیب پیشنهاد افزایش دور آبیاری را اعمال نمود. در شیار تحت آبیاری در هر سه عمق اندازهگیری مقادیر رطوبت در تیمار آبیاری شیاری یک در میان )FPRI( در تمام زمانها کمتر از مقادیر رطوبت در تیمار CI میباشد. با توجه به اینکه آبیاری این تیمارها یکدرمیان صورت گرفته جریان جانبی در کاهش مقادیر رطوبت خاک تأثیرگذار بوده است )FPRI-a,b( و این اختالف رطوبت تیمار CI با دو تیمار دیگر با افزایش عمق بیشتر میگردد.
رضائی آباجلو بشارت و... نشریه دانش آب و خاک / جلد 27 شماره / 3 سال 1396 142 CI-a CI-b FPRI-a FPRI-b DI-a DI-b شکل 3- پروفیل برآوردی میزان رطوبت خاک تیمارهای مختلف در زمانهای پس از آبیاری (a) بالفاصله از فرآیند آبیاری. و (b) 10 روز پس اختالف رطوبت تیمار CI با تیمار FPRI در پشته معنیدار است و این امر بهدلیل اعمال مدیریت خاص در آبیاری میباشد البته در تیمار DI شرایط حد میانی این دو حالت بود. پس میتوان دریافت که شرایط رطوبتی مورد نیاز برای رشد گیاه در تیمار CI مناسبتر از دیگر تیمارها بوده است. با وجود 25 درصد مصرف آب کمتر و با مشاهده نتایج شبیهسازی در محیط متخلخل )FPRI-b( مبنی بر میزان رطوبت باالی پروفیل خاک میتوان با افزایش دور آبیاری به میزان بیشتری در مصرف کلی آب صرفهجویی نموده و بهرهوری باالتری را حاصل نمود. در این تیمار نیز در صورت اعمال 13-12 روز دور آبیاری بهجای 10 روز تقریبا دو نوبت از تعداد آبیاریها در کل کاسته شده و بهمیزان حدود 2600 مترمکعب عالوه بر 25 درصد کاهش مصرف تیمار مربوطه صرفه جویی بیشتری با حفظ میزان عملکرد نتیجه میگردد. میزان افزایش
143 ارزیابی مدل HYDRUS 2D در شبیهسازی حرکت آب و نیترات در آبیاری فارو ذرت... بهرهوری در حدود 30 درصد قابل افزایش است. با مقایسه دو شکل DI-a,b میزان نفوذ عمقی در این تیمار بیشتر از تیمار FPRI بوده است. کمترین میزان مکش خاک در پایان 10 روز در حدود 8000 سانتیمتر و فقط تا حدود )cm( 10 سطح خاک )ناشی از تبخیر از سطح خاک( قابل مشاهده است. بنابراین نتایج حاصل از افزایش دور آبیاری در این تیمار نیز صدق مینماید. در جدول 2 مقادیر رطوبت برآوردی با مدل هایدرس تیمارهای مختلف با مقادیر اندازهگیری شده مورد مقایسه قرار گرفتند. با توجه به جدول 2 مقادیر شاخص خطای RMSE نشان میدهد که میزان رطوبت خاک موجود در هر سه تیمار با دقت باالیی برآورد گردیده است. در مورد تعداد بیشتری از مقادیر رطوبت مربوط به تیمار FPRI بیشبرآوردی به وجود آمده است و با افزایش عمق میزان خطای رطوبت برآوردی مدل نیز در حال افزایش است. مقادیر رطوبتی دو تیمار CI و DI بهخصوص در عمقهای سطحی خاک با دقت باالتری از نظر شاخصهای خطا مورد پیشبینی قرار گرفتند. ابراهیمیان و همکاران )2012( شاخص خطای استاندارد در تیمارهای آبیاری سنتی و یک در میان ثابت را بهترتیب برابر با 0/096 و 0/089 گزارش نمودند. GMER جدول 2- ارزیابی مقادیر رطوبت برآوردی در محل پشته و عمقهای مختلف سه تیمار.CI,FPRI,DI عمق DI FPRI CI cm CRM RMSE GMER CRM RMSE GMER CRM RMSE 0 /874 0 / 040 0 / 054 0 / 893 0 / 069 0 / 033 0 / 927-0/ 010 0 / 041 0-20 0 /957 0 / 066 0 / 036 0 / 849 0 / 108 0 / 053 0 / 985 0 / 020 0 / 033 40-20 0 /961 0 / 109 0 / 034 0 / 998 0 / 152 0 / 070 0 / 952 0 / 123 0 / 047 60-40 ب: نتایج جذب آب و نیترات ریشه در مدیریتهای مختلف آبیاری در شکلهای 4 و 5 مقادیر رطوبت و نیترات جذب شده توسط ریشه در هر سه تیمار نشان داده شده است. روند جذب آب و نیترات در یک دوره 10 روزه شبیهسازی شده است. بهعبارت دیگر شکل 4 و 5 منتج شده از حل معادالت انتقال آب و امالح پس از اجرای محیط شبیهسازی شده در نرمافزار میباشد. الگوی جذب آب در دو تیمار FPRI و DI بسیار نزدیک بوده است. جذب آب تیمار CI در مقایسه با تیمارهای DI و FPRI بهدلیل در اختیار بودن حجم آب بیشتر بهخصوص در اواخر دوره آبیاری بیشتر بوده است. در مورد جذب امالح روند یکسانی در تیمارها قابل مشاهده است. انتقال حجم رطوبتی بیشتر در تیمار سبب انتقال CI امالح بیشتری در مقایسه با سایر تیمارها گردیده است. شکل 4- مقادیر رطوبت جذب شده توسط ریشه در سه تیمار.CI,FPRI,DI
رضائی آباجلو بشارت و... نشریه دانش آب و خاک / جلد 27 شماره / 3 سال 1396 144 شکل 5- مقادیر نیترات جذب شده توسط ریشه در سه تیمار.CI,FPRI,DI GMER (mmol cm -3 ) جدول 3- ارزیابی میزان نیترات برآوردی در عمقهای مختلف سه تیمار مورد مطالعه در محل پشته. عمق DI FPRI CI CRM RMSE GMER CRM RMSE GMER CRM RMSE )cm( (mmol cm -3 ) (mmol cm -3 ) (mmol cm -3 ) (mmol cm -3 ) (mmol cm -3 ) (mmol cm -3 ) (mmol cm -3 ) (mmol cm -3 ) 1 /083-0/ 08 0 / 011 1 / 083-0/ 08 0 / 011 1 / 083-0/ 08 0 / 011 20-0 1 /021-0/ 021 0 / 002 1 / 097-0/ 098 0 / 009 0 / 924 0 / 075 0 / 009 40-20 1 /033-0/ 033 0 / 002 1 / 033-0/ 033 0 / 002 0 / 886 0 / 11 0 / 009 60-40 0 /947 0 / 053 0 / 004 0 / 947 0 / 053 0 / 004 0 / 947 0 / 053 0 / 004 80-60 ج: ارزیابی شبیهسازی میزان انتقال نیترات توجه به نتایج شکل 6 مشاهده میگردد که میزان غلظت نیترات در عمق )cm( 20 بسیار دینامیک بوده و مرتب در حال کاهش است که علت آن انتقال نیتروژن به الیههای زیرین و همچنین جذب بیشتر بهوسیله گیاه از این الیه میباشد اما عبور بیشتر نیتروژن از عمق 20 )cm( بهخصوص در تیمار CI بهدلیل فراهم بودن حجم آب بیشتر در این تیمار در مقایسه با تیمارهای دیگر موجب تغییرات بیشتر غلظت نیترات در عمق )cm( 40 شده است. تغییرات مذکور در سایر تیمارها محدودتر بوده است. در تیمار FPRI نیز آبشویی نیترات در عمق )cm( 20 صورت گرفته است ولی مقدار آبشویی کمتر از تیمار CI بوده است. در تیمار FPRI در روزهای اول بعد از آبیاری رطوبت در این شیارها باال رفته و نیترات حل شده در شیارهای آبیاریشده همراه با آب ثقلی به الیههای پایینتر نفوذ کرده است. اما از طرفی دیگر خشک بودن شیارهای جانبی باعث ایجاد اختالف پتانسیل رطوبتی در جهت افقی میشود و این امر از شدت نفوذ عمقی آب و نیترات میکاهد. در نتیجه امکان ذخیره بیشتر آب آبیاری در هر الیه را فراهم آورده و در نهایت موجب کاهش پتانسیل انتقال آب و نیتروژن به الیههای پایینتر شده و نیتروژن بیشتری را در اختیار گیاه قرار میدهد )شکل 6(. در تیمار DI آب ثقلی زیاد نبوده است. در این تیمار کاهش غلظت نیترات در عمق )cm( 20 با سرعت پایینی صورت گرفته و با وجود آبشویی ناچیز از عمق )cm( 20 میتوان انتظار داشت مقدار اندکی از نیترات به عمق )cm( 40 وارد شود. تمرکز بیشتر آب آبیاری در الیۀ 0-40 )cm( موجب تغییرات محدودتر غلظت نیترات در عمقهای 60 و 80 )cm( در تمام تیمارها گردید )شکل 7(. در جدول 3 میزان غلظت نیترات برآوردی در سه تیمار با مقادیر اندازهگیری شده مورد مقایسه قرار گرفته است. با توجه به نتایج جدول 3 میزان نیترات برآوردی تیمار FPRI و DI در مقایسه با مقادیر اندازهگیریشده بیشبرآورد بوده است. میزان خطای محاسبه شده در صورت افزایش عمق )در عمق ))cm( 80 در هر سه تیمار بهصورت برابر )0/004 3- cm )mmol حاصل گردید. میزان خطای استاندارد گزارش شده توسط ابراهیمیان و همکاران )2012( در تیمارهای آبیاری سنتی و یک در میان ثابت بهترتیب 0/205 و ( 0/144-3 cm )mg
145 ارزیابی مدل HYDRUS 2D در شبیهسازی حرکت آب و نیترات در آبیاری فارو ذرت... میباشد. در مقابل دقت باالی نتایج انتقال نیترات در خاک برای تیمار آبیاری سنتی در مقایسه با آبیاری متناوب توسط کریویزر و همکاران )2008( گزارش شده است. تفته و سپاسخواه )2012( نیز باال بودن میزان آبشویی نیترات را در تیمار CI بهمیزان 56 درصد در مقایسه با آبشویی نیترات تیمارهای یک در میان ثابت و یک در میان متغیر را با مدل یکبعدی هایدرس نتیجه گرفتند. مطابق نتایج پژوهشهای مایلهول و همکاران )2001( اگر عمق آب کاربردی زیاد باشد بهدلیل اینکه عالوه بر نیروی موئینگی نیروی ثقلی هم در جابهجایی امالح و انتقال امالح از الیهه یا سطحی به الیههای زیرین مؤثر میباشد احتمال افزایش آب شویی نیترات به طور معناداری افزایش مییابد. شکل 6- میزان انتقال نیترات در پروفیل خاک در سه تیمار.CI,FPRI,DI نتیجهگیری کلی در این پژوهش دقت مدل دو بعدی هایدرس در شبیهسازی حرکت آب و انتقال امالح در خاک مورد بررسی قرار گرفت. براساس نتایج بهدست آمده مشخص شد که مدل مذکور توانایی باالیی در شبیهسازی آبیاری فارو و مدیریتهای مصرف آب اعمال شده داشته و قادر است شرایط رطوبتی و انتقال نیترات در خاک را در طول دور آبیاری با دقت باالیی تخمین بزند. فرآیند حرکت آب در خاک در زمانهای مختلف در آبیاری سنتی با دقت باالتری نسبت به آبیاری یک در میان و تیمار کمآبیاری برآورد شده است. در مورد انتقال نیترات در خاک در تیمار FPRI نفوذ عمقی کمتر و درصد جذب بیشتر آب توسط گیاه موجب کاهش پتانسیل انتقال آب و نیتروژن به الیههای پایینتر شده و نیتروژن بیشتری را در اختیار گیاه قرار میدهد. بر اساس نتایج شبیهسازی میزان رطوبت و نیترات جذب شده توسط ریشه تیمار FPRI در مقایسه با تیمارهای CI و DI کمتر )البته با اختالف بسیار کم( بوده است. بنابراین این مدل بهعنوان یک ابزار قوی در شبیهسازی مدیریتهای مختلف مصرف آب و کود در مزرعه قابل توصیه میباشد. منابع مورد استفاده عباسی ف 1386 فیزیک خاک پیشرفته انتشارات دانشگاه تهران. Abbas F, Feyen J and van Genuchten MT, 2004. Two dmensonal smulaton of water flow and solute transport below furrows: Model calbraton and valdaton. Journal of Hydrology 290(1 2): 63 79. Beven KJ, Henderson DE and Reeves AD, 1993. Dsperson parameters for undsturbed partally saturated sol. Journal of Hydrology 143: 19 43. Crevoser D, Popova Z, Malhol JC and Ruelle P, 2008. Assessment and smulaton of water and ntrogen transfer under furrow rrgaton. Agrcultural Water Management 95(4): 354 366.
/ 3 سال 1396 رضائی آباجلو بشارت و... نشریه دانش آب و خاک / جلد 27 شماره 146 Deb SK, Sharma P, Shukla MK, Ashgh J and Šmůnek J, 2016. Numercal evaluaton of ntrate dstrbutons n the onon root zone under conventonal furrow fertgaton. Journal of Hydrologc Engneerng 21(2): 1-12. Ebrahman H, Laghat A, Parsnejad M, Abbas F and Navaban M, 2011. Yeld producton and water use effcency under conventonal and alternate furrow fertgatons. ICID s 21st Int. Congress on Irrgaton and Dranage, Internatonal Commsson on Irrgaton and Dranage (ICID), New Delh, Inda. Ebrahman H, Laghat A, Parsnejad M, Abbas F and Navaban M, 2012. Comparson of One- and Twodmensonal models to smulate alternate and conventonal furrow fertgaton. Irrgaton and Dranage Engneerng 138(10): 929-938. Feddes RA, Kowalk PJ and Zaradny H, 1978. Smulaton of Feld Water Use and Crop Yeld, Wley, New York. Hu T, Kang Sh, L F and Zhang J, 2009. Effects of partal root-zone rrgaton on the ntrogen absorpton and utlzaton of maze. Agrcultural Water Management 96: 208-214. Malhol JC, Ruelle P and Nemeth I, 2001. Impact of fertlzaton practces on ntrogen leachng under rrgaton. Irrgaton Scence 20: 139-147. Rocha D, Abbas F and Feyen J, 2006. Senstvty analyss of sol hydraulc propertes of subsurface water Flow n furrows. Journal of Irrgaton and Dranage Engneerng 132(4): 418-424. Šmůnek J, Brstow KL, Helala SA and Syal AA, 2016. The effect of dfferent fertgaton strateges and furrow surface treatments on plant water and ntrogen use. Irrgaton Scence 34(1): 53-69. Slatn A, Zayan K, Zar A, Yacoub S, Salvador R and Playán E, 2011. Assessng alternate furrow strateges for potato at the Cherfech rrgaton dstrct of Tunsa. Bosystems Engneerng 108(2): 154 163. Tafteh A and Sepaskhah AL, 2012, Applcaton of HYDRUS-1D model for smulatng water and ntrate leachng from contnuous and alternate furrow rrgated rapeseed and maze felds. Agrcultural Water Management 113: 19 29. Thnd HS, Buttar GS and Aujla MS, 2010. Yeld and water use effcency of wheat and cotton under alternate furrow and check-basn rrgaton wth canal and tube well water n Punjab, Inda. Irrgaton Scence 28(6): 489 496. Terceln JR and Vdal A, 2006. Trate d Irrgaton (Irrgaton Treatment), 2nd edton. Lavoser edton, Pars, France. Varlev I, Popova Z and Gospodnov I, 1998. Furrow surge rrgaton as water savng technque. pp. 131 140. In: Perera, L.S., Gowng, J. (Eds.), Selected Papers of the Frst Inter-Regonal Conference of ICID Envronment Water: Innovatve Issues n Irrgaton and Dranage, Lsbon. Vrugt JA, M Tvan Wjk, JW Hopmans and Šmůnek J, 2001. One, two and three-dmensonal root water uptake functons for transent modelng, Water Resources Research 37(10): 2457-2470.