ارزیابی مدل‌های گیاهی AquaCrop و WOFOST در شبیه‌سازی عملکرد ذرت

نوع مقاله : علمی پژوهشی

نویسندگان

1 1- نویسنده مسئول: استادیار، گروه علوم و مهندسی آب، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران.

2 2- دانشیار، گروه علوم و مهندسی آب، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران.

3 3- استادیار، گروه زراعت، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران.

4 4- دانشیار، گروه زراعت، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران.

چکیده

این تحقیق به منظور ارزیابی مدل‌های رشد گیاهی WOFOST و AquaCrop در شبیه‌سازی عملکرد ذرت تحت مدیریت‌های مختلف آب مصرفی (T1: 50، T2: 75، T3: 100 و T4: 150 میلی‌متر تبخیر از تشت تبخیر) با استفاده از داده‌های برداشت شده در سال 1383 از یک مزرعه تحقیقاتی واقع در اهواز انجام شد. نتایج آزمایش نشان داد که بیشترین اختلاف بین مقادیر شبیه‌سازی شده با استفاده از مدل AquaCrop و مقادیر اندازه‌گیری شده در تیمار T3 (45/0 تن در هکتار) و کمترین اختلاف بین این مقادیر در تیمار T2 (10/0 تن در هکتار) مشاهده شد. اختلاف بیشترین و کمترین مقادیر شبیه‌سازی عملکرد دانه ذرت با استفاده از مدل WOFOST با مقادیر اندازه‌گیری شده به ترتیب در تیمارهای T4 (15/0 تن در هکتار) و T1 (01/0 تن در هکتار) مشاهده شد. کمترین و بیشترین اختلاف بین مقادیر شبیه‌سازی شده با مدل AquaCrop و مقادیر اندازه‌گیری شده زیست‌توده در تیمارهای T4 (1/1 تن بر هکتار) و T3 (03/2) مشاهده شد. نتایج شبیه‌سازی با مدل WOFOST نیز نشان داد که بیشترین و کمترین اختلاف بین مقادیر شبیه‌سازی شده و اندازه‌گیری شده به ترتیب به تیمارهای T1 (95/1) و T2 (65/0) اختصاص داشت. نتایج آماره‌‌ی RMSE برای عملکرد دانه ذرت توسط مدل‌های AquaCrop و WOFOST به ترتیب برابر با 16/0 و 15/0 تن بر هکتار و برای زیست‌توده ذرت به ترتیب برابر با 92/0 و 88/0 تن در هکتار بود. مقادیر آماره MBE به دست آمده از نتایج شبیه‌سازی عملکرد دانه ذرت برای دو مدل AquaCrop و WOFOST به ترتیب برابر با 04/0 و 05/0- و برای زیست‌توده ذرت به ترتیب برابر با 52/0- و 47/0- تن در هکتار بود. به طور کلی می­توان بیان کرد که، مدل WOFOST دقت بیشتری نسبت به مدل AquaCrop داشت.

کلیدواژه‌ها


مقدمه

ذرت از جمله مهم‌ترین غلات به شمار می‌رود که منبع غذایی بسیاری از افراد است. این گیاه چهار کربنه دارای سازگاری خوبی با مناطق خشک و نیمه‌خشک دارد (14). علی‌رغم این موضوع، شرایط مختلف مزرعه‌ای از جمله مدیریت آب در مزرعه بر عملکرد این گیاه اثرات متفاوتی می‌گذارد (12 و 30). اهمیت توجه به این مسأله در شرایط فعلی منابع آب کشور دوچندان می‌شود (4 و 6). گرچه نیاز به انجام آزمایش‌های مزرعه‌ای برای تعیین بهترین مدیریت آب در مزرعه ضروری است؛ لیکن انجام این کار مستلزم صرف وقت و هزینه بسیار است. به همین دلیل مدل‌های مختلفی به منظور شبیه‌سازی عملکرد گیاهان در شرایط مختلف مزرعه‌ای بسط داده شده است (9، 18، 25 و 29).

از جمله مهم‌ترین این مدل‌ها می‌توان به AquaCrop و WOFOST اشاره کرد. مدل AquaCrop توسط سازمان خوار و بار کشاورزی (فائو) و مدل WOFOST توسط مرکز جهانی مطالعات غذایی با همکاری دانشگاه واگنینگن و مرکز بیولوژیکی کشاورزی و حاصلخیزی خاک تولید شد (10). اساس این دو مدل، همانند سایر مدل‌های گیاهی، تبدیل یکی از منابع مورد نیاز گیاه مانند دی‌اکسید کربن، تابش خورشیدی یا آب به محصول است.

مدل AquaCrop به دلیل سادگی، داده‌های ورودی کم، کاربرپسند بودن و دقت بالا (19 و 26) توسط محققان متعددی مورد توجه قرار گرفته است. به عنوان مثال می‌توان به تحقیقات انجام شده توسط فراهانی و همکاران (16) و گارسیا-ویلا و همکاران (17) روی عملکرد پنبه، حسین و همکاران (21) در خصوص شبیه‌سازی عملکرد آفتابگردان و مطالعات گیرتس و رائس (18) روی عملکرد کینوآ اشاره کرد. تحقیقات متعددی توسط مدل AquaCrop برای شبیه‌سازی عملکرد ذرت انجام شده است. هیسائو و همکاران (20) اثر مدیریت‌های مختلف مزرعه‌ای از جمله تراکم بوته، تاریخ کاشت و نیاز آبی را بر عملکرد ذرت توسط مدل AquaCrop شبیه‌سازی و نشان دادند که این مدل دقت مطلوبی برای تعیین عملکرد دانه ذرت در شرایط مختلف مورد نظر داشت. حسن‌لی و همکاران (3) شرایط مختلف مزرعه‌ای از جمله کاربرد کیفیت‌های مختلف آب آبیاری را برای شبیه‌سازی عملکرد دانه ذرت توسط مدل AquaCrop مورد بررسی قرار داده و نشان دادند که این مدل دقت مطلوبی داشت. از جمله تحقیقات دیگر که در این خصوص روی عملکرد ذرت انجام شده است می‌توان به بررسی‌های هنگ و همکاران (19)، عابدین‌پور و همکاران (8)، ماسانگانیس و همکاران (24)، کاترجی و همکاران (22) و رحیمی‌خوب و همکاران (4) اشاره کرد.

در خصوص شبیه‌سازی عملکرد ذرت توسط مدل WOFOST تحقیقات کمتری نسبت به مدل AqauCrop صورت گرفته است. برای شناخت مدل WOFOST، می ‌توان به تحقیقات انجام شده توسط سعادتی و همکاران (5) اشاره کرد. این محققان از این مدل برای شبیه‌سازی واکنش دو رقم برنج تحت مدیریت‌های آبیاری مختلف استفاده کردند. در تحقیقی دیگر ایتزینگر و همکاران (15) مدیریت‌های مختلف مزرعه‌ای را بر روی دو محصول گندم و جو مورد بررسی قرار دارند. امیری و همکاران (1) تحقیقی در خصوص ارزیابی مدل WOFOST برای شبیه‌سازی محصول برنج انجام دادند. یانگ و همکاران (31) تحقیق دیگری با استفاده از مدل WOFOST برای شبیه‌سازی عملکرد ذرت انجام دادند. تحقیقات مشابه روی دیگر گیاهان زراعی از جمله مطالعات سانگ و همکاران (28) بر گندم، مارلتو و همکاران (23) در گندم و کانفالونیری و همکاران (13) در برنج نیز نشان داده است که این مدل دقت مطلوبی برای شبیه‌سازی گیاهان زراعی داشته است. در تحقیقی، چنگ و همکاران (11) از داده‌های ماهواره‌ای برای بهبود شبیه‌سازی مدل WOFOST استفاده کردند. در تحقیقی دیگر، بافکار و همکاران (2) با استفاده از آزمایش‌های مزرعه‌ای در منطقه ماهیدشت کرمانشاه نشان دادند که این مدل توانایی خوبی برای شبیه‌سازی عملکرد ذرت در شرایط مختلف مدیریت آب در مزرعه داشت.

با توجه به سابقه تحقیق، تاکنون مطالعات محدودی در خصوص ارزیابی دو مدل AquaCrop و WOFOST برای تعیین عملکرد ذرت تحت شرایط مختلف مدیریت آب در مزرعه‌ انجام شده است. بنابراین، هدف تحقیق حاضر ارزیابی این دو مدل تحت شرایط مختلف مزرعه‌ای در شرایط آب و هوایی اهواز بود.

 

مواد و روش‌ها

این تحقیق با استفاده از داده‌های برداشت شده از شانزده مزرعه آزمایشی (شامل چهار تیمار و چهار تکرار) واقع در منطقه چنیبیه اهواز در محدوده طول جغرافیایی َ45 48 شرقی و عرض جغرافیایی َ26 31 و ارتفاع 10 متر از سطح دریا در سال 1383، انجام شد. این مزارع تحت کشت ذرت رقم SC704 و مدیریت‌های مختلف آبیاری قرار داشتند. مدیریت آبیاری در مزارع براساس میزان تبخیر از تشت تبخیر کلاس A صورت گرفت. بدین صورت که چهار تیمار مدیریت آبیاری (T1: تبخیر 50 میلی‌متر از تشت، T2: تبخیر 75 میلی‌متر از تشت، T3: تبخیر 100 میلی‌متر از تشت و T4: تبخیر 150 میلی‌متر از تشت) در نظر گرفته شد. هر مزرعه دارای 6 پشته به طول 6 متر و عرض 75 سانتی‌متر بود. آماده‌سازی زمین در اوایل مرداد و کشت بذر در 17 مرداد انجام شد. بذور مورد استفاده دارای قوه‌ نامیه 98 درصد و درصد خلوص فیزیکی 98 درصد بودند. خصوصیات فیزیکوشیمیایی خاک مزارع و آب آبیاری مورد استفاده به ترتیب در جداول 1 و 2 نشان داده شده است. کاشت بذر در اواسط مرداد ماه صورت گرفت و با توجه بـه مناسب بودن شرایط آب و هـوایی بـرای جوانـه­زنـی در اواخـر مرداد ماه بذرهای کاشته شده سبز شدند. پس از کاشت بذر و جوانـه زدن تا مرحله استقرار اولیه و پس از مرحله پنج برگـی، اقـدام بـه اعمال تیمارهای آزمایشی شـد و تـا قبـل از ایـن مرحلـه همـه کرت­های آزمایشی به شکل یکسان آبیاری شدند. از ابتدای کشت تا هنگام برداشت، روزانه داده­های تبخیـر از تشت تبخیر کلاس A یادداشت برداری گردید تا زمـان رسـیدن به تیمار دور آبیاری، مشخص گردد. همچنین با در نظـر گـرفتن ضریب گیاهیKc ، میزان تبخیر و تعرق مـشخص و بـر اسـاس تخلیه رطوبتی و طبق تیمارهای مذکور تا رسیدن رطوبت خـاک به حدFC ، میزان آب مورد نیاز محاسبه و حجم آب مورد نیـاز هر کرت توسط کنتور حجمی اندازه­گیری شد. در کلیه آبیاری­هـا جهت تأمین فشار و انرژی مورد نیاز از پمپ استفاده شـد. قبـل از هر آبیاری از عمق مؤثر ریشه نمونه خاک تهیه و جهت تعیین درصد رطوبت وزنی به آزمایشگاه ارسال گردیـد. در مرحله داشت نیز عملیات داشت مانند مبارزه با علف‌های هرز و سمپاشی علیه آفات نیز انجام گردید. در انتهای فصل (آبان ماه) نیز برداشت دانه با حذف اثرات کناری و از وسط هر واحد زراعی انجام شد.

جدول 1- میانگین برخی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک 16 مزرعه مورد آزمایش

عمق (سانتی‏متر)

بافت خاک

جرم مخصوص ظاهری

(گرم بر   سانتی‏متر مکعب)

رطوبت در ظرفیت   زراعی (درصد)

رطوبت در نقطه   پژمردگی دائم (درصد)

پتاسیم

(میلی اکی والان بر گرم)

فسفر

(میلی اکی والان   بر گرم)

درصد ازت کل

درصد کربن آلی

درصد اشباع

هدایت الکتریکی

(دسی زیمنس بر   متر)

pH

30-0

سیلتی‌رسی

34/1

22

12

384

15/8

70

55/0

45

35/0

07/8

60-30

لومی‌شنی

78/1

24

13

293

7/7

72

48/0

52

32/0

07/8

 


جدول 2- میانگین خصوصیات آب آبیاری مورد استفاده

هدایت الکتریکی (دسی‌زیمنس بر متر)

pH

کاتیون­ها (میلی‌گرم بر لیتر)

آنیون‌ها (میلی‌گرم بر لیتر)

++Ca

++mg

+Na

+K

=3Co

-3Hco

-Cl

=4So

9/2

3/7

200

108

280

68/4

0

244

35/606

6/777

 

سپس شبیه‌سازی با استفاده از دو مدل AquaCrop و WOFOST انجام شد. ابتدا به منظور شبیه‌سازی، داده‌های مورد نیاز به مدل‌ها وارد شد. داده‌های مورد نیاز این مدل‌ها به دو صورت اندازه‌گیری یا واسنجی می‌بایست تعیین گردد. داده‌های اندازه‌گیری توسط داده‌های برداشت شده مزرعه‌ای به مدل‌ها وارد شد. به دلیل عدم تغییر شرایط کشت و آبیاری از زمان آزمایش تا کنون، تغییری در داده‌ها ایجاد نشد. با تبدیل زمان کاشت به GDD، زمان کاشت و برداشت نیز به مدل‌ها معرفی شد. برای تعیین سایر داده‌ها، واسنجی انجام شد.

با توجه به اینکه هر کدام از سطوح آبیاری در چهار کرت مورد استفاده قرار گرفته بود؛ مقادیر برداشت شده از سه کرت برای واسنجی این دو مدل و مقادیر به دست آمده از یک کرت برای صحت‌سنجی نتایج به دست آمده در نظر گرفته شد.

مدل AquaCrop برای شبیه‌سازی عملکرد گیاه (معادله 1) از بیوماس شبیه‌سازی شده (معادله 2) استفاده می‌کند. در این مدل تعرق به عنوان مولفه اصلی تولید ماده خشک محسوب شده و توسط معادله 3 از تفکیک دو جز تبخیر و تعرق محاسبه می‌شود (26).

معادله 1                                                                                                                                                

معادله 2                                                                                                                 

معادله 3                                                                                                       

که در این معادلات، Y عملکرد، HI شاخص برداشت، B بیوماس خشک، Tr مقدار کل تعرق روزانه در طول فصل زراعی، WP بهره‌وری آب، ETo تبخیر-تعرق گیاه مرجع، Ks و Kc به ترتیب ضرایب تنش آبی و گیاهی و CC پوشش تاج در مرحله توسعه گیاه (درصد) که توسط معادله 4 محاسبه می‌شود (26).

معادله 4                                                                                                               

در این معادله، CC0 پوشش تاج اولیه (درصد)، CGC ضریب رشد پوشش تاج (عکس روز) و t زمان (روز) می‌باشد.

مدل WOFOST میزان رشد محصولات را با استفاده از معادله 5 به دست می‌آورد (10):

معادله 5                                                                                                             

که در این معادله،  میزان رشد، A میزان ناخالص جذب، Rm میزان تعرق نگهداری و Ce راندمان تبدیل جذب به بیوماس است. این مدل از معادله ساده نشان داده شده در معادله 6 برای تعیین میزان جذب و رشد گیاه در شرایط کم‌آبیاری استفاده می‌کند (10):

معادله 6                                                                                                                        

که در این معادله، A جذب واقعی، Ap جذب پتانسیل، Ta تعرق واقعی و Tp تعرق پتانسیل است.

پیش از انجام واسنجی و مدل‌سازی با AquaCrop ابتدا این مدل با استفاده از معادله 7 مورد تحلیل حساسیت قرار گرفت (18):

معادله 7                                                                                         &nb