شبیه‌سازی توأمان انتقال رطوبت، نیترات و آمونیوم در خاک با استفاده از مدل HYDRUS-2D در آبیاری جویچه‌ای ذرت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری گروه مهندسی آبیاری و زهکشی پردیس ابوریحان دانشگاه تهران.

2 استاد گروه مهندسی آبیاری و زهکشی پردیس ابوریحان دانشگاه تهران

3 استادیار گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران.

4 دانشیار گروه مهندسی آبیاری و زهکشی پردیس ابوریحان

چکیده

تغییر شکل و انتقال کود اوره، نیترات و آمونیوم در خاک بصورت زنجیره­ای از واکنش­های متصل به هم صورت می­گیرد که برای مدیریت دقیق­تر آب و کود در مزرعه باید این واکنش­ها توامان باهم در نظر گرفته شوند. در این پژوهش مدل HYDRUS-2Dبه منظور پیش­بینی توزیع و انتقال توأمان رطوبت، نیترات و آمونیوم در زیر جویچه و پشته­های آبیاری طی دوره رشد ذرت ارزیابی شد. نخست، گیاه ذرت تحت سه تیمار کود اوره صفر، 150 و 250 کیلوگرم نیتروژن در هکتار و در سه تکرار کشت شد. مقادیر جذب نیتروژن توسط گیاه به علاوه میزان رطوبت و غلظت نیترات و آمونیوم خاک در اعماق مختلف زیر پشته و جویچه­ها طی فصل رشد، قبل و بعد از هر نوبت کوددهی اندازه­گیری شدند. از این داده­ها برای واسنجی و صحت­سنجی پارامتر­های هیدرولیکی و انتقال املاح موجود در مدل استفاده شد. نتایج ارزیابی مدل در طول مرحله صحت­سنجی نشان دادند که بین مقادیر رطوبت، نیترات و آمونیوم شبیه­سازی شده و اندازه­گیری شده در خاک تطابق خوبی وجود داشت. شاخص­های ضریب تبیین و ریشه میانگین مربعات خطای نرمال شده برای پیش­بینی رطوبت خاک در محدوده توسعه ریشه به ترتیب برابر با 772/0 و 37/4 % بدست آمدند. علاوه بر این، شاخص­های مذکور برای پیش­بینی غلظت آمونیوم خاک در زیر جویچه و پشته­های هر سه تیمار به ترتیب بین 645/0 تا 798/0 و 23/ 14% تا 4/29% و برای نیترات به ترتیب بین 716/0 تا 829/0 و 57/ 23% تا 2/25% تغییر نمودند. در مجموع نتایج این مطالعه حاکی از آن بود که مدل HYDRUS علاوه بر انتقال رطوبت، توزیع نیترات و آمونیوم را در زیر جویچه و پشته­های آبیاری با دقت مناسبی شبیه­سازی می­کند و به همین دلیل می­تواند ابزار مفیدی برای مدیریت آب و کود در آبیاری جویچه­ای باشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Simultaneous Simulation of Water, Nitrate and Ammonium Transport in Soil Using HYDRUS-2D Model in Furrow Irrigated Maize

نویسندگان [English]

  • Arash Ranjbar 1
  • Ali Rahimikhoob 2
  • H E 3
  • Maryam Varavipour 4
1 PhD student, Department of Irrigation and Drainage Engineering, College of Aburaihan, University of Tehran.
2 - Professor, Department of Irrigation and Drainage Eng., College of Aburaihan, University of Tehran
3 Assistant Prof., Department of Irrigation and Reclamation Engineering, College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran.
4 Associate Prof., Department of Irrigation and Drainage Engineering, College of Aburaihan, University of Tehran.
چکیده [English]

Transport and transformation of urea, nitrate, and ammonium in the soil take place as a sequential decay chain reactions which should be considered altogether for more precise management of water and fertilizer in agricultural farms. In this study, HYDRUS-2D model was evaluated to predict distribution of water, nitrate and ammonium under furrow and ridge during the growing period of maize. Thus, maize was planted in the treatments with nitrogen rates of 0, 150, and 250 kg ha-1. The amounts of nitrogen uptake, soil water, nitrate, and ammonium concentrations during the growing season, before and after fertilization, and after harvesting were measured over different depths under ridges and furrows.  Results showed suitable agreement between predicted and measured water, nitrate and ammonium distribution in soil during validation stage. NRMSE and R2 as evaluation indexes for the predicted soil water were calculated as 0.772 and 4.37%, respectively. Besides, these indexes were calculated for the predicted ammonium concentration under furrow and ridge for all treatments and were found to be in the range of 0.645-0.798 and 14.23%-29.4%, and for the predicted nitrate concentration, they were in the range of 0.716- 0.829 and 23.57%- 25.2%, respectively. According to the results of this study, the HYDRUS model is a useful tool for management of water and fertilizer in furrow irrigation.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Water and fertilizer management
  • Calibration
  • Solute Transport

مراجع

  1. ابراهیمیان، ح. 1390. شبیه سازی و بهینه سازی کودآبیاری در آبیاری جویچه­ای یک در میان به منظور کاهش آلودگی نیترات. رساله دکتری رشته آبیاری و زهکشی پردیس کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران. 146 صفحه.
  2. سپاسخواه، ع. 1389. کشاورزی ارگانیک و بهره وری آب و کود . همایش کشاورزی ارگانیک . فرهنگستان علوم، تهران،22 آبان.
  3. نوابیان، م.، جلیل نژاد ماسوله. ن. 1394 . اثر رطوبت خاک بر ضرایب تبدیل چرخه نیتروژن در آبیاری جویچه­ای گیاه ذرت با استفاده از مدل HYDRUS–1D. نشریه پژوهش های حفاظت آب و خاک. 22(6): 258-245.
  4. Abbasi, F., Feyen, J and van Genuchten, MT. 2004. Two dimensional simulation of water flow and solute transport below furrows: model calibration and validation. Journal of Hydrology 290:63–79.
  5. Bremner, J.M., and Keeney D.R. 1965. Steam distillation methods for determination of ammonium nitrite and nitrate. Analytica Chimica Acta, 32:485-495.
  6. Chowdary, V.M., Rao, N.H and Sarma, P.B.S., 2004. A coupled soil water and nitrogen balance model for flooded rice fields in India. Agriculture, Ecosystems & Environment - Journal . 103 (3),425–441.
  7. Clemente, R.S., De Jong, R., Hayhoe, H.N., Reynolds, W.D., and Hares, M. 1994. Testing and comparison of three unsaturated soil water flow models. Agricultural Water Management, (25): 135-152.
  8. Crevoisier, D., Popova, Z., Mailhol, JC and Ruelle, P. 2008. Assessment and simulation of water and nitrogen transfer under furrow irrigation. Agricultural Water Management.(95):354–366.
  9. Ebrahimian, H., Liaghat, A., Parsinejad, M., Playan, E., Abbasi, F and Navabian, M. 2013. Simulation of 1D surface and 2D subsurface water flow and nitrate transport in alternate and conventional furrow fertigation. Journal of Irrigation Science, 31(3): 310-316.
  10. Feddes, RA., Kowalik, PJ and Zaradny, H. 1978. Simulation of Field Water Use and Crop Yield. John Wiley & Sons, New York.
  11. Gaudin ACM, Tolhurst TN, Ker AP, Janovicek K, Tortora C, Martin RC, et al. (2015) Increasing Crop Diversity Mitigates Weather Variations and Improves Yield Stability. PLoS ONE 10 (2): e0113261. doi:10.1371/journal.pone.0113261.
  12. Hanson, BR., Simůnek, J and Hopmans, JW. 2006. Evaluation of urea– ammonium–nitrate fertigation with drip irrigation using numerical modeling. Agricultural Water Management (86):102–113.
  13. Horowitz, W. 1970. Official Methods of Analysis. 11th Edition.vAssociation of Official Analytical Chemists,vWashington,vD.C.
  14. Li, Y., Simůnek, J., Zhang, Z.T., Jing, L.F and Ni, L.X. 2015. Evaluation of nitrogen balance in a direct-seeded-rice fieldexperiment using Hydrus-1D.Agric. Agricultural Water Management.(148): 213–222.
  15. Mailhol, JC., Ruelle, P and Nemeth, I. 2001. Impact of fertilization practices on nitrogen leaching under irrigation. Irrigation Science 20:139–147.
  16. Mualem, Y. 1976. A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media. Water Resour Research 12(3):513–522.
  17. Phogat, V., Skewes, M.A., Cox, J.W., Sanderson, G., Alam, J and Šimu˚nek, J. 2014. Seasonal simulation of water, salinity and nitrate dynamics under drip irrigated mandarin (Citrus reticulata) and assessing management options for drainage and nitrate leaching. Journal of Hydrology,(513). 504–516.
  18. Phogat, V., Mahadevan, M., Skewes, M and Cox, J.W. 2012. Modelling soil water andsalt dynamics under pulsed and continuous surface drip irrigation of almondand implications of system design. Irrigation. Science. 30 (4), 315–333.
  19. Ramos, T.B., Simůnek, J., Gonc¸ alves, M.C., Martins, J.C., Prazeres, A., Castanheira, N.L., Pereira, L.S., 2011. Field evaluation of a multicomponent solute transport model in soils irrigated with saline waters. Journal of Hydrology 407, 129–144.
  20. Ramos, T.B., Simůnek, J., Goncalves, M.C., Martins, J.C., Prazeres, A and Pereira, L.S. 2012. Two-dimensional modeling of water and nitrogen fate from sweet sorghum irrigated with fresh and blended saline waters. Agricultural Water Management. (111): 87–104.
  21. Simůnek, J., van Genuchten, M.T.,ˇSejna, M., (2008). Development and applications of the HYDRUS and STANMOD software packages, and related codes. Vadose ZoneJ. 7 (2), 587–600.
  22. Simůnek, J., Jacques, D., Hopmans, JW., Inoue, M., Flury, M and van Genuchten, MT. 2002. Solute transport during variably- saturated flow—inverse methods. In: Dane JH, Topp GC (eds) Chapter 6.6 in methods of soil analysis: part 1. Physical methods, 3rd edn. SSSA, Madison, pp 1435–1449.
  23. Simůnek, J., van Genuchten, Th.M., ˇSejna, M. 2006. The HYDRUS software package for simulating two- and three-dimensional movement of water, heat, and multiple solutes in variably-saturated media. In: Technical Manual. Version 1.0. PC Progress, Prague, Czech Republic, 241 p.
  24. Tafteh, A and Sepaskhah, A.R. 2012. Application of HYDRUS-1D model for simulating water and nitrate leaching from continuous and alternate furrow irrigated rapeseed and maize fields. Agricultural Water Management. (113), 19–29.
  25. van Genuchten MT .1980. A closed form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal. (44):892–898.
  26. Wesseling, JG., Elbers, JA., Kabat, P and van den Broek, BJ. 1991. SWATRE: instructions for input, Internal Note, Winand Staring Centre, Wageningen, the Netherlands.
  27. Zhang.X., Wang.Q., Xu.J., Gilliam. F. S, Tremblay. N and Li. C. 2015. In Situ Nitrogen Mineralization, Nitrification, and Ammonia Volatilization in Maize Field Fertilized with Urea in Huanghuaihai Region of Northern China. PLOS ONE, 10(1):1-15.
پژوهش آب در کشاورزی
دوره 31، شماره 2
تیر 1396
صفحه 259-276

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار