ارزیابی مدل هایدروس دو بعدی برای تعیین توزیع رطوبت خاک در آبیاری قطره‌ای سطحی و زیر سطحی درختان پسته

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه تبریز دانشکده کشاورزی گروه علوم و مهدسی خاک

2 استاد گروه علوم خاک دانشکده کشاورزی دانشگاه تبریز

3 موسسه فنی و مهندسی کشاورزی

4 استادیار گروه علوم خاک دانشکده کشاورزی دانشگاه تبریز

5 عضو هیئت علمی

چکیده

طبیعت چندبُعدی حرکت آب در خاک، جذب آب توسط گیاه و کاربرد آب در مزرعه، باعث افزایش پیچیدگی­های مدل‌سازی توزیع رطوبت خاک در سامانه­های آبیاری قطره­ای می­شود. با تعیین خصوصیات هیدرولیکی خاک، پارامترهای توزیع ریشه درخت پسته در مزرعه مورد مطالعه، میزان تبخیر و تعرق و جریان آب ورودی، چگونگی توزیع رطوبت خاک در دو سامانه آبیاری قطره­ای سطحی (DI)و زیرسطحی(SDI) با استفاده از مدل هایدروس دوبُعدی مدلسازی گردید. همچنین مقادیر رطوبت خاک در روزهای متوالی پس از آبیاری، در فواصل عرضی و عمقی متفاوت نسبت به درخت با استفاده از رطوبت سنج پروفیل پروب اندازه­گیری شد. از هدایت روزنه­ای برگ درختان نیز برای استخراج تابع تنش رطوبتی و ارزیابی مدل استفاده شد. براین اساس، مکش معادل کاهش 50 درصد جذب آب ریشه برابر 4935 سانتی­متر بدست آمد. نتایج مدل­سازی در محل­های منطبق با اندازه­گیری­ها با داده­های رطوبت خاک مقایسه شد و با استفاده از آماره­های صحت سنجی، صحت و دقت مدل مورد بررسی قرار گرفت. مقادیر ME، RMSE، Eو R2برای SDI به ترتیب 006/0، 021/0، 761/0، 794/0 و برای DI 002/0-، 020/0، 700/0 و 741/0 به دست آمد. تعرق محاسبه شده توسط هایدروس همبستگی بالایی را با هدایت روزنه­ای به ویژه در SDIنشان داد. براساس نتایج هایدروس و اندازه­گیری گیاهی مشخص شد که جذب آب توسط ریشه درخت پسته در SDI به طور معنی­داری از DIبیشتر است که نشان می­دهد استفاده از SDIمی­تواند با کاهش تبخیر از سطح خاک، باعث صرفه جویی و افزایش کارایی مصرف آب گردد. برآورد جذب آب ریشه و اندازه­گیری هدایت روزنه­ای درخت پسته در شرایط مزرعه مشخص کرد که رطوبت خاک تا چهارروز بعد از آبیاری قطره­ای به خوبی پاسخگوی نیاز گیاهی بوده و با کوتاه­تر کردن دور آبیاری می­توان از بیشترین پتانسیل این سامانه آبیاری بهره برد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Evaluation of HYDROUS-2D Model for Determination of Soil Moisture Distribution under Surface and Sub-Surface Drip Irrigation of Pistachio Trees

نویسندگان [English]

  • ali ataee 1
  • Mohammadreza Neyshaboori 2
  • Mehdi Akbari 3
  • Davood Zare haghi 4
  • Ajdar Onnabi Milani 5
1 department of soil science, faculty of agriculture, Tabriz university, Iran.
2 Professor, Department of Soil Science, College of Agriculture, Tabriz University, Tabriz, Iran.
3 Associate Professor of Irrigation and Drainage Engineering, Agricultural Engineering Research Institute (AERI), Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Karaj, Iran.
4 Assistant professor of Department of Soil Science, College of Agriculture, Tabriz University, Tabriz, Iran.
5 Scientific staff member
چکیده [English]

Multidimensional nature of water flow, plant uptake, and high frequency of water application increase the complexity in modeling soil moisture dynamics from trickle irrigation. By determining soil hydraulic properties, parameters of root distribution model for pistachio trees in the field, evapotranspiration and inflow flux, soil moisture distribution was modeled using HYDRUS-2D model for surface (DI) and sub-surface drip irrigation (SDI) systems. Also, soil moisture content in the following days after irrigation was measured at different lateral and vertical distances from the tree by using Moisture Meter Profile Probe. Leaf stomatal conductance was used to test the model and parameterize water-stress response function. The h50 for pistachio tree, which represents the pressure head at which the water extraction rate is reduced by 50%, was calculated 4935 cm. HYDRUS outputs were compared with measured data in corresponding locations, and values ofME, RMSE, E and R2 statistics were obtained -0.002, 0.02, 0.7, 0.741 for DI and 0.006, 0.021, 0.761, and 0.794 for SDI respectively. The calculated transpiration by HYDRUS showed high correlation with stomatal conductance, especially in SDI. Based on plant measurements and HYDRUS results, root water uptake in SDI was significantly more than DI. Therefore, using SDI systems, by decreasing evaporation, saves more water and increases irrigation efficiency. The calculated root water uptake and measured stomatal conductance for the pistachio trees revealed that soil moisture perfectly supports plants until four days after irrigation. Thus, by decreasing irrigation interval in the field, maximum potential of drip irrigation systems can be achieved.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Plant response
  • Root water uptake
  • Stomatal conductance
  • Modelling

مراجع

  1. دستورانی، م.ت.، پورمحمدی، س. و رحیمیان، م.ح. 1391. تخمین تبخیر- تعرق واقعی باغات پسته منطقه اردکان به کمک سنجش از دور. پژوهش آب در کشاورزی. جلد 26.  شماره1. صفحات 1-12.
  2. خلیلی، م.، اکبری، م.، هزارجریبی، ا.، ذاکری نیا، م.، عباسی، ف. و کولائیان، ع. 1395. مدل کردن نیمرخ رطوبتی در آبیاری قطره‌ای زیرسطحی با استفاده از HYDRUS-2D. آبیاری و زهکشی ایران. جلد 10. شماره 2. صفحات 1-11.AbouLila, T.S., Berndtsson, R., Persson, M., Somaida, M., El-Kiki, M., Hamed, Y. & Mirdan, A. 2012. Numerical evaluation of subsurface trickle irrigation with brackish water. Irrigation Science, 31, 1125-1137.
  3. Ayars, J., Phene, C., Hutmacher, R., Davis, K., Schoneman, R., Vail, S., &  Mead, R. 1999. Subsurface drip irrigation of row crops: a review of 15 years of research at the Water Management Research Laboratory. Agricultural Water Management, 42, 1-27.
  4. Batchelor, C., Lovell, C., & Murata, M. 1996. Simple microirrigation techniques for improving irrigation efficiency on vegetable gardens. Agricultural Water Management, 32, 37-48.
  5. Chahal, S.S. 2010. Evaluation of soil hydraulic limitations in determining plant-available-water in light textured soils. PhD thesis. School of Agriculture, Food and Wine. The University of Adelaide. Adelaide, South Australia, Australia.
  6. Chen, L.-J., Feng, Q., Li, F.-R., & Li, C.-S. 2014. A bidirectional model for simulating soil water flow and salt transport under mulched drip irrigation with saline water. Agricultural Water Management, 146, 24-33.
  7. Cowan, I.R. 1977. Stomatal behaviour and environment. Advances in Botanical Research, 4, 117–228.
  8. Esmaeilpour, A., Van Labeke, M.-C., Samson, R., & Van Damme. P. 2015. Osmotic stress affects physiological responses and growth characteristics of three pistachio cultivars. Acta physiologiae plantarum,  37, 123-137.
  9. Feddes, R. A., Kowalik, P. J., & Zaradny, H. 1978. Simulation of Field Water Use and Crop Yield. John Wiley & Sons. New York, NY.
  10. Feddes, R.A., & Raats, PAC. 2004. Parameterizing the soil–water– plant root system. P. 95–141. In Feddes, R.A., de Rooij, GH., van Dam JC. (eds).Unsaturated zone Modeling: Progress, Challenges, Applications. Vol. 6. Wageningen UR Frontis Series. Springer: New York;.
  11. Flexas, J., Bota, J., Escalona, J.M., Sampol, B., & Medrano, H. 2002. Effects of drought on photosynthesis in grapevines under field conditions: an evaluation of stomatal and mesophyll limitations. Funct Plant Biol, 29, 461–471.
  12. Fujimaki, H., Ando, Y., Cui, T.B., &  Inoue, M. 2008. Parameter estimation of a root water uptake model under salinity stress. Vadose Zone Journal, 7, 31–38.
  13. Gärdenäs, A., Hopmans, J., Hanson, B., & Šimůnek, J. 2005. Two-dimensional modeling of nitrate leaching for various fertigation scenarios under micro-irrigation. Agricultural Water Management, 74, 219-242.
  14. Gong, D., Kang, S., Zhang, L., Du, T., & Yao, L. 2006. A two-dimensional model of root water uptake for single apple trees and its verification with sap flow and soil water content measurements. Agricultural Water Management, 83, 119-129.
  15. Goldhamer, D. 1995. Irrigation management. Pistachio Production, 71-81.
  16. Guerrero, J., Moriana, A., Pérez-López, D., Couceiro, J., Olmedilla N., & Gijón, M. 2005. Regulated deficit irrigation and the recovery of water relations in pistachio trees. Tree physiology, 26, 87-92.
  17. Hanson, B., Hopmans, J.W., & Šimůnek, J. 2008. Leaching with subsurface drip irrigation under saline, shallow groundwater conditions. Vadose Zone Journal, 7, 810-818.
  18. Iniesta, F., Testi, L., Goldhamer, D.A., & Fereres, E. 2008. Quantifying reductions in consumptive water use under regulated deficit irrigation in pistachio (Pistacia vera L.). Agricultural Water Management, 95, 877-886.
  19. Kandelous, M., & Simunek, J. 2010. Comparison of numerical, analytical, and empirical models to estimate wetting patterns for surface and subsurface drip irrigation. Irrigation Science, 28, 435-444.
  20. Karlberg, L., & F.W.P. deVries. 2004. Exploring potentials and constraints of low-cost drip irrigation with saline water in sub-Saharan Africa. Physics and Chemistry of the Earth, 29, 1035-1042.
  21. Koumanov, K.S., Hopmans, J.W., Schwankl, L.J., Andreu, L., & Tuli, A. 1997. Application efficiency of micro-sprinkler irrigation of almond trees. Agric. Water Manage, 34, 247–263.
  22. Mmolawa, K., & Or, D. 2003. Experimental and numerical evaluation of analytical volume balance model for soil water dynamics under drip irrigation. Soil Science Society of America Journal, 67, 1657-1671.
  23. Oron, G., DeMalach, Y., Gillerman, L., David, I., & Rao, V. 1999. Improved saline-water use under subsurface drip irrigation. Agricultural Water Management, 39, 19-33.
  24. Phogat, V., Mahadevan, M., Skewes, M., & Cox, J.W. 2012. Modelling soil water and salt dynamics under pulsed and continuous surface drip irrigation of almond and implications of system design. Irrigation Science, 30, 315-333.
  25. Roberts, T., Lazarovitch, N., Warrick, A., & Thompson, T. 2009. Modeling salt accumulation with subsurface drip irrigation using HYDRUS-2D. Soil Science Society of America Journal, 73, 233-240.
  26. Selim, T., Berndtsson, R., & Persson, M. 2013. Simulation of Soil Water and Salinity Distribution under Surface Drip Irrigation. Irrigation and Drainage, 62, 352-362.
  27. Šimůnek, J., Van Genuchten, M.T., & Šejna, M., 2012. The HYDRUS software package for simulating two-and three-dimensional movement of water, heat, and multiple solutes in variably-saturated media. Technical manual, version 1, 241.
  28. Skaggs, T., Trout, T., Šimunek, J., & Shouse. P. 2004. Comparison of HYDRUS-2D simulations of drip irrigation with experimental observations. Journal of Irrigation and Drainage Eengineering, 130, 304-310.
  29. Subbaiah, R. 2013. A review of models for predicting soil water dynamics during trickle irrigation. Irrigation Science, 31, 225-258.
  30. Tuzet, A., Perrier, A., & Leuning, R. 2003. A coupled model of stomatal conductance, photosynthesis and transpiration. Plant, Cell and Environment, 26(7), 1097–1116.
  31. Van Genuchten, M.T. 1987. A numerical model for water and solute movement in and below the root zoneUnited States Department of Agriculture Agricultural Research Service US Salinity Laboratory.
  32. van Genuchten, M.Th., & Gupta, S.K. 1993. A reassessment of the crop tolerance reponse function. Indian Soc. Soil Sci, 4, 730–737.
  33. Vrugt J. A., Hopmans, J. W., & Simunek, J. 2001. Calibration of a two-dimensional root water uptake model. Soil Science Society of America Journal, 65, 1027-1037.
  34. Yang, Y., Guan, H., Hutson, J.L., Wang, H., Ewenz, C., Shang, S., & Simmons, C.T. 2013. Examination and parameterization of the root water uptake model from stem water potential and sap flow measurements. Hydrological Processes, 27, 2857-2863.
پژوهش آب در کشاورزی
دوره 32، شماره 4
دی 1397
صفحه 581-595

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار