نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 کرمان- خیابان شهید رجایی- کوچه29- کوچه توحید- پلاک14
2 دانشگاه فردوسی مشهد
3 دانشگاه شهید باهنر کرمان
چکیده
کلیدواژهها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
Because of the importance and use of herbal plants, research about water requirement of these plants is essential, especially in arid areas. In this study, Calendula Officinalis L. evapotranspiration, aerodynamic and surface resistance evaluated in the arid region of Kerman. In order to measure the crop evapotranspiration, five drainage lysimeters with the dimensions of 70 cm diameter and 80 cm depth were used. Period of growth was the years 2014 and 2015. The aerodynamic resistance estimated by Penman method and six methods based on the monin- obkhouve theory. Crop evapotranspiration measured in the lysimeter was 355.5 mm in year 2014 and 1043.26 mm in 2015. The results showed that aerodynamic resistance value calculated including Veiny, Thom and Verma methods follow the same trend. Also the surface resistance has the highest amount at the beginning of the period. Comparing the calculated evapotranspiration from the aerodynamic resistance with the measured in lysimeter showes that Veiny, Mahrt-Ek and Verma methods with R2=0.566 in 2014 and Veiny and Verma methods with R2=0.806 in 2015 have the highest correlation. Finally, the evapotranspiration calculated of aerodynamic resistance from six methods based on the Monin-Obukhov theory have the lowest error value than Penman method.
کلیدواژهها [English]
به طور کلّی رکن اساسی در مدیریت منابع آب و مهمترین بخش طرّاحی و بهرهبرداری از سیستمهای تأمینکنندۀ نیاز کشاورزی به آب، تخمین نیاز آبی گیاه است. تخمین بیش از حدّ آب برای رشد گیاه، ضمن هدردادن آب آبیاری سبب ماندابیشدن اراضی، شستوشوی مواد غذایی خاک و آلودهکردن منابع آب زیرزمینی میشود؛ علاوه بر اینکه تخمین کمتر نیز واردشدن استرس رطوبتی به گیاه را موجب میشود و در نتیجه، کاهش محصول را دربرخواهد داشت. لازمۀ تعیین نیاز آبی گیاه، محاسبۀ تبخیر - تعرّق سطوح گیاهی مرجع برای منطقۀ مورد مطالعه است که یا به طور مستقیم با لایسیمتر اندازهگیری میشود و یا به صورت غیر مستقیم با استفاده از دادههای هواشناسی یا تبخیر از تشت تبخیر برآورد میشود. تبخیر - تعرّق به عوامل اقلیمی نظیر دمای هوا، رطوبت، سرعت باد و تابش بستگی دارد و از آنجا که مقدار تابش و پارامترهای دیگر اقلیمی از محلّی به محلّ دیگر و با گذشت زمان تغییر میکنند، تبخیر - تعرّق نیز تغییرات مکانی و زمانی دارد و بنابراین باید در هر منطقه بر اساس ویژگیهای اقلیمی و جغرافیایی آن محل، محاسبه شود. دو جزء اساسی در معادلۀ تبخیر - تعرّق پتانسیل، مقاومتهای سطحی و آیرودینامیک است و تعیین دقیق آنها برای دستیابی به مقادیر واقعی هر منطقه ضروری است که تا کنون مطالعۀ جامعی در این زمینه در ایران انجام نشده است.
تبخیر - تعرّق مرجع و تبخیر - تعرّق گیاهان به دلیل متفاوتبودن وضعیت سطح زمین، ویژگیهای پوشش گیاهی و مقاومت آیرودینامیک سطوح کشت، متفاوت هستند. دو جزء اساسی در معادلۀ تبخیر - تعرّق پتانسیل، مقاومتهای سطحی و آیرودینامیک است و تعیین دقیق آنها برای دستیابی به مقادیر واقعی هر منطقه ضروری است. تاکنون مطالعۀ جامعی در این زمینه در ایران انجام نشده است. مقاومت آیرودینامیک، مقاومت پوشش گیاهی در مقابل انتقال بخار آب به سمت بالا و اصطکاک حاصل از جریان هوا روی سطح گیاهی را نشان میدهد (آلن و همکاران، 1998). مقاومت موجود در برابر انتقال بخار آب از سطح گیاه در حال تعرّق و سطح خاک در حال تبخیر به اتمسفر را مقاومت روزنهای تشریح میکند. هنگامی که پوشش گیاهی در سطح خاک کامل نباشد، عامل مقاومت تأثیر خاک را نیز شامل میشود. چنانچه تعرّق، بالا نباشد، مقاومت سطحی به وضعیت آب در دسترس پوشش گیاهی نیز بستگی دارد (آلن و همکاران، 1998).
بنابراین از آنجا که میزان مقاومتهای آیرودینامیک و سطحی و نیز تبخیر - تعرّق برای گیاهان دارویی در ایران کمتر برآورد شده است و نیز با توجّه به کاربرد وسیع گیاهان دارویی و ترکیبهای طبیعی در صنایع دارویی، آرایشی - بهداشتی و غذایی، نیاز ضروری به تحقیقات پایهای و کاربردی در این زمینه احساس میشود. علاوه بر این با در نظرگرفتن وقوع پدیدۀ تغییر اقلیم و کاهش عملکرد برخی گیاهان زراعی - اقتصادی بهویژه در اقلیمهای خشک و نیمهخشک، ارائۀ راهکارهای سازگاری برای جلوگیری از مواجهه با بحران غذا در این مناطق، ضروری است. از جمله راهکارهای مطرح در این زمینه میتوان به کشت جایگزین گیاهان متناسب با شرایط اقلیمی آن مناطق، اشاره کرد. به عبارت دیگر میتوان امکان کشت گیاهانی که هم از نظر اقتصادی و هم از نظر شرایط اقلیمی و نیاز آبی، قابلیت جایگزینی با محصولات زراعی هر منطقه را دارند، بررسی کرد. همچنین از اهداف عمده و انگیزههای کشاورزان در انتخاب گیاهان دارویی برای فعّالیت کشت، سودآوری بالای آنها در مقایسه با انواع مختلفی از سایر محصولات زراعی است؛ بهویژه آنکه برخی از انواع این گیاهان در شرایط نامساعد و محدودکننده نیز قابلیت کشت و تولید را دارند.
گیاه انتخابی در این تحقیق گیاه دارویی همیشهبهار است. علّت انتخاب این گیاه کاربرد فراوان آن در داروسازی است. همچنین فراوردههای این گیاه در کارخانههای تولید لوازم آرایشی و عطرسازی کاربرد بسیار زیادی دارد. ضرایب گیاهی در مراحل مختلف رشد و همچنین نیاز خالص آبیاری برای گیاه دارویی همیشهبهار محاسبه نشده است.
پیشینۀ پژوهش
بختیاری و همکاران (1388) در ایستگاه هواشناسی مرجع کرمان، تبخیر - تعرّق روزانه را با مجموع ساعتی مقایسه کردند. آنها در پژوهش خود از دادههای ساعتی ایستگاه مرجع هواشناسی خودکار در دانشگاه شهید باهنر کرمان در سال 1384 استفاده کردند. همچنین دو روش پنمن - مانتیث ـ فائو 56 و پنمن - مانتیث استاندارد ASCE را در دو بازۀ زمانی روزانه (24 ساعتی) و ساعتی برای مقایسۀ تبخیر - تعرّق مرجع به کار بردند. نتایج حاصل از پژوهش آنها نشان داد که روش فائو 56 با روش مجموع ساعتی در ماههای مختلف بین 8/5 تا 6/44 درصد نسبت به روش 24 ساعتی، بیشبرآورد داشته است و این بیشبرآورد در روش استاندارد ASCE در ماههای مختلف بین 4/7 تا 6/47 بود. همچنین در پژوهش دیگری بختیاری و همکاران (2011) با استفاده از لایسیمتر وزنی، مدلهای تبخیر - تعرّق مرجع را در یک منطقۀ نیمهخشک بررسی کردند. اندازهگیری تبخیر - تعرّق در پژوهش آنها در منطقۀ کرمان در طی دورۀ آوریل 2004 تا مارس 2005 در سه دورۀ مختلف با لایسیمتر وزنی الکتریکی انجام شد. دادههای لایسیمتری اندازهگیریشده برای ارزیابی شش مدل تبخیر - تعرّق پنمن - مانتیث - فائو 56، پنمن - کیمبرلی 1996، بلانی - کریدل - فائو 24، تابش فائو 24، ماکینگ و هارگریوز - سامانی استفاده شد. نتایج آنها در تمام طول دورۀ روش تابش فائو 24 به صورت دقیقتری نشان داده شد. همچنین نتایج آنها مشخّص کرد که در هر سه دوره، روش ماکینگ نتایج ضعیفتری را نسبت به سایر مدلها نشان میدهد و برای منطقه توصیه نمیشود.
فتحعلیان و نوری امامزادهای (1391) در شرایط گلخانه با استفاده از میکرولایسیمتر، تبخیر - تعرّق و ضریب گیاهی خیار را برآورد کردند. در این پژوهش برای تعیین تبخیر - تعرّق گیاه چمن و خیار از دو لایسیمتر وزنی استفاده شد و تبخیر - تعرّق به صورت روزانه اندازهگیری شد. همچنین با سه روش پنمن - مانتیث - فائو، هارگریوز - سامانی و ماکینگ نیز تبخیر - تعرّق مرجع محاسبه شد. تبخیر - تعرّق خیار در طول دورۀ رشد با توجّه به فاصلۀ کشت خیار در طول دورۀ رشد چهار ماهه برابر 2/273 میلیمتر اندازهگیری شد. بافکار و همکاران (1392) با استفاده از خصوصیات فیزیولوژیکی گیاه، ضرایب گیاهی ذرّت دانهای را در منطقۀ ماهیدشت کرمانشاه محاسبه کردند. آنها مطالعۀ مذکور را در دو سال زراعی 1389 و 1390 در ایستگاه لایسیمتری مرکز تحقیقات جهاد کشاورزی استان کرمانشاه در دشت ماهیدشت انجام دادند. همچنین محاسبۀ ضریب گیاهی را از نسبت تبخیر - تعرّق واقعی محاسبهشده با استفاده از دادههای لایسیمتری و تبخیر - تعرّق پتانسیل گیاه مرجع برآوردشده از معادلۀ پنمن - مانتیث به دست آوردند. نتایج آنها نشان داد که میزان تبخیر - تعرّق گیاه مرجع محاسبهشده از معادلۀ پنمن - مانتیث برابر 913 میلیمتر و تبخیر - تعرّق واقعی گیاه ذرّت بهدستآمده از لایسیمتر در طول دورۀ رشد برابر 743 میلیمتر است.
عابدی کوپایی و همکاران (1387) روشهای تخمین تبخیر - تعرّق سطح مرجع را با دادههای لایسیمتری در اصفهان مقایسه کردند. آنها در پژوهش خود برای تخمین تبخیر - تعرّق مرجع از چهار روش پنمن - مانتیث - فائو، ترک، هارگریوز و تشت تبخیر استفاده کردند و میزان تبخیر - تعرّق برآوردشده از این چهار روش را با تبخیر - تعرّق محاسبهشده از لایسیمتر مقایسه کردند. نتایج آنها نشان داد که معادلۀ پنمن - مانتیث - فائو از دقّت بیشتری نسبت به روشهای دیگر برخوردار است و معادلۀ تشت تبخیر، دقّت کمتری را در برآورد تبخیر - تعرّق دارد.
قمرنیا و همکاران (1393) نیاز آبی و ضرایب گیاهی یک جزئی و دو جزئی رزماری (.Rosmarinus officinalis L) را در اقلیم نیمهخشک کرمانشاه برآورد کردند. آنها برای پژوهش خود از پنج لایسیمتر زهکشدار در ایستگاه تحقیقاتی دانشگاه رازی کرمانشاه استفاده کردند که در آن از دو لایسیمتر برای محاسبۀ تبخیر - تعرّق چمن و تبخیر از سطح خاک و سه لایسیمتر برای کشت گیاه رزماری استفاده شد. در تمام طول دورۀ رشد گیاه، رطوبت مزرعه در حدّ ظرفیت زراعی مزرعه نگه داشته شد و با استفاده از معادلۀ بیلان آبی، میزان تبخیر - تعرّق گیاه به دست آمد. در این پژوهش میزان نیاز آبی گیاه رزماری 63/495 میلیمتر محاسبه شد و بیشترین میزان تبخیر - تعرّق در شهریورماه رخ داده بود. شریفی عاشورآبادی و همکاران (1391) با استفاده از لایسیمتر، نیاز آبی گیاه دارویی بومادران را تعیین کردند. پژوهش آنها در مجتمع تحقیقاتی البرز در جنوب شهرستان کرج در سالهای 87-1386 انجام گرفت. آنها با استفاده از لایسیمتر زهکشدار، نیاز آبی گیاه دارویی بومادران را محاسبه کردند. همچنین ضرایب گیاهی چهارگانۀ این گیاه دارویی را نیز برآورد کردند. بر اساس نتایج بهدستآمدۀ حاصل از این تحقیق، نیاز گیاه دارویی بومادران به آب در دورۀ رشد اقتصادی، معادل 72/149 میلیمتر برآورد شد.
میراندا و همکاران (2006) تبخیر- تعرّق و ضرایب گیاهی را برای فلفل تاباسکو در شمال شرقی برزیل با استفاده از لایسیمتر برآورد کردند. همچنین تبخیر - تعرّق گیاه مرجع را با استفاده از معادلۀ پنمن - مانتیث - فائو محاسبه کردند. بر اساس نتایج آنها میزان کلّ تبخیر - تعرّق گیاه، برابر 888 میلیمتر و حداکثر میزان تبخیر - تعرّق روزانه، برابر
6/5 میلیمتر بر روز به دست آمد. یارمی و همکاران (2010) ضریب گیاهی و تبخیر - تعرّق پتانسیل گیاه زعفران را با استفاده از لایسیمتر به دست آوردند. آنها در پژوهش خود از سه لایسیمتر در مزرعۀ تحقیقاتی دانشگاه شیراز در دشت باجگاه استفاده کردند. کشت زعفران در این تحقیق در دو فصل کشت (2007-2006 و 2008-2007) انجام شد. مقادیر تبخیر - تعرّق زعفران برای دو فصل کشت بهترتیب 523 و 640 میلیمتر و حداکثر نرخ تبخیر روزانه، برابر 5/4 تا
1/6 میلیمتر بر روز برآورد شد. کلورلی و همکاران (2013) مقاومت آیرودینامیک و تبخیر - تعرّق را با استفاده از معادلۀ پنمن - مانتیث روی دو لایۀ یک کانوپی به دست آوردند. این مطالعه در بخش منطقۀ جنگلی مرکز استرالیا که اقلیم نیمهخشک دارد، انجام شد. نتایج نشان داد که مقاومت آیرودینامیک برای ضریب درگ بیش برآورد شده و در نتیجه تبخیر در محدودۀ متوسّط فشار بخار اشباع بوده است. آنها مقاومت آیرودینامیک را در لایههای بالا، پایین و پایه به دست آوردند و با هم مقایسه کردند. از آنجا که مقدار تبخیر به تغییرات حسّاس است، اندازهگیری پروفایل رطوبت جوّی باعث بهبود مقدار تبخیر - تعرّق محاسبهشده از طریق معادلۀ پنمن - مانتیث و مقاومت آیرودینامیک شد.
لیو و همکاران (2007) پارامتریزهکردن مقاومت آیرودینامیک را نسبت به انتقال حرارت با استفاده از اندازهگیری میدانی در یک ایستگاه تحقیقات کشاورزی در پکن چین ارزیابی کردند. آنها سیستم ارتباط گردابی را برای برآورد مقاومت آیرودینامیک نسبت به انتقال حرارت در سطح خاک لخت و پوشیده از ذرّت به کار بردند و تغییرات روزانۀ مقاومت آیرودینامیک را با هشت مدل، تجزیه و تحلیل کردند. نتایج آنها نشان داد که تفاوت روزانۀ مقاومت آیرودینامیک در طول روز برای هر دو سطح خاک لخت و تاج پوشش ذرّت معنیدار است و مدلها برآورد خوبی را ارائه کردند. فری و پرلو (2010) مقاومت آیرودینامیک را نسبت به استفادۀ حرارت با استفاده از روشهای مرفویتریک در دانشگاه قاهرۀ مصر تعیین کردند. آنها در پژوهش خود از دادههای خرد اقلیمشناسی نوامبر 2007 تا فوریۀ 2008 مربوط به سه ایستگاه و برای برآورد فضایی مقاومت آیرودینامیک نسبت به حرارت با روشهای مورفومتریک از سه روش مختلف با استفاده از مدل دیجیتالی سطح در محاسبۀ طول زبری برای حرکت و حرارت استفاده کردند. نتایج حاصل از تجزیه وتحلیل فضایی نشان داد که بالاترین مقدار مقاومت، مقاومت آیروینامیک است که نتایج متفاوتی را در پوششهای سطحی گوناگون به دست آورد. هال (2002) مقاومت آیرودینامیک صنوبر را اندازهگیری کرد. این مطالعه در دورۀ زمانی رشد آوریل تا اکتبر 1995 در انگلستان انجام شد. آنها از نظریۀ مونین - آبخوف برای محاسبۀ مقاومت آیرودینامیک استفاده کردند. در این پژوهش سرعت باد، شاخص سطح برگ، انتقال حرارت و فشار بخار اشباع در لایۀ مرزی اندازهگیری شدند. نتایج نشان داد که برآورد مستقیم مقاومت آیرودینامیک با مقدار شار حرارت محسوس، کمتر از مقدار محاسبهشده از فرمول نیمه لگاریتمی کلاسیک است.
نعمتپور و همکاران (1389) اثر مقاومت آیرودینامیک و تاج گیاه را بر برآورد تبخیر - تعرّق مرجع با معادلۀ پنمن - مانتیث ارزیابی کردند. آنها با استفاده از 70 روز دادۀ ساعتی، میزان مقاومت آیرودینامیک و مقاومت تاج گیاه و همچنین تبخیر - تعرّق مرجع را به دست آوردند. در این تحقیق از روشهای مختلف محاسبۀ مقاومت گیاهی استفاده شد که این مقادیر در نهایت با مقادیر لایسیمتری مقایسه شدند. نتایج آنها نشان داد که در میان روشهای محاسبۀ تبخیر - تعرّق مجموع ساعتی، روش ASCE در برآورد تبخیر - تعرّق مرجع، بیشترین مقدار R2 را دارد. با اعمال تصحیح مقاومت آیرودینامیک دو روش مارت و اک (1987) و چادوری و همکاران (1986) دقّت محاسبات تبخیر - تعرّق تا حدّ مطلوبی بهبود یافت. از میان مدلهای روزانه، مدل تودوراویکال (1999) بالاترین R2 را داشت و نتایج دقیقتری ارائه کرده است. نتایج این تحقیق نشان داد که دقّت مدلهای مجموع تبخیر - تعرّق ساعتی بیشتر از مدلهای تبخیر - تعرّق روزانه است.
مفهوم کلّی آیرودینامیک را میتوان اینگونه بیان کرد که آیرودینامیک، جریان هوا و اثر آن بر اجسام متحرّک شامل ذرّات بخارشده از گیاه را بررسی میکند. مقاومت آیرودینامیک به این معنا است که پوشش گیاهی تمایلی به انتقال بخار به هوای بالای پوشش گیاهی از خود نشان نمیدهد. این فرایند با واردکردن مقداری نیرو و مقاومت همراه است. همچنین جریان هوا روی سطح پوشش گیاهی، اصطکاک ایجاد میکند و مقاومت گیاهی آن را نیز نشان میدهد. در محاسبۀ مقاومت آیرودینامیک گیاه، چگالی هوا نقش بسزایی ندارد؛ اما باد یکی از عوامل اثرگذار بر آن است. در پژوهشهای بسیاری، تأثیر باد بر پوشش گیاهی تأکید شده است. در شرایطی که خاک از گیاه پوشیده باشد، ارتفاع جابهجایی و طول زبری، صفر در نظر گرفته میشود. باید توجّه داشت، عوامل مؤثّر بر مقاومت آیرودینامیک به ارتفاع و ساختار گیاه بستگی دارد.
مبنای روشهای جدیدی که برای برآورد مقاومت آیرودینامیک وجود دارند، استفاده از دادههای سنجش از دور و دمای سطحی است. در این روشها با استفاده از معادلات ارائهشده و محاسبۀ پارامترهای آنها امکان برآورد مقاومت آیرودینامیک فراهم شده است. اغلب این معادلات، تجربی هستند و برخی پارامترهای موجود آن نیز از روشهای تجربی برآورد میشود. روش برآورد مقاومت آیرودینامیک بر اساس انتقال حرارت به صورت ذیل است:
(1)
در این معادله، rah مقاومت آیرودینامیک (ثانیه بر متر)، ρ چگالی هوا، Cp گرمای ویژۀ هوا در فشار ثابت، Ts دمای سطح که از اندازهگیری سنجش از دور مادون قرمز حرارتی محاسبه میشود، Ta دمای هوا و H شار حرارت محسوس است.
علّت انتخاب گیاه دارویی همیشهبهار، کاربرد فراوان آن در داروسازی است که نیاز آبی این گیاه محاسبه نشده است. بنابراین بررسی شرایط کشت و میزان نیاز به آب برای ایجاد مزارع گل همیشهبهار در تأمین نیاز کارخانههای داروسازی ضروری به نظر میرسد. از سوی دیگر تولید با کیفیت این محصول میتواند از واردات آن به داخل کشور جلوگیری و همچنین زمینه را برای صادرات این محصول فراهم کند. در نتیجه با انجام این تحقیق و محاسبۀ نیاز آبی این گیاه میتوان مناطق مستعدّ کشت منطقه را شناسایی و از آن به صورت محصولی در الگوی کشت زراعی استفاده کرد.
دادهها و روشها
منطقۀ مطالعهشده در 15 کیلومتری شمال شهر کرمان است که مزرعۀ کشت گیاه دارویی همیشهبهار در آن قرار دارد. کرمان با توجّه به آمار بلندمدّت هواشناسی و بر اساس طبقهبندی اقلیمی دومارتن، اقلیم خشک دارد. بر اساس آمار 40 سالۀ (1393-1353) ایستگاه هواشناسی در شهر کرمان، میزان بارش 1/164 میلیمتر، میانگین دمای هوا 7/17 درجۀ سانتیگراد و میانگین رطوبت نسبی 32 درصد در سال است. در این پژوهش از پنج لایسیمتر گیاه دارویی همیشهبهار استفاده شد و کشت گیاه در دو فصل کشت پاییز 93 و بهار 94 انجام گرفت. ارتفاع گیاه دارویی همیشهبهار در مرحلۀ میانی رشد در هر یک از لایسیمترها بین 20 تا 30 سانتیمتر اندازهگیری شد. تبخیر - تعرّق گیاه دارویی همیشه بهار با استفاده از لایسیمتر و با معادلۀ بیلان آب (رابطۀ 2) اندازهگیری شد:
(2)
در این رابطه، P میزان بارندگی، I مقدار آبیاری، D آب زهکشی، DW تغییرات رطوبت خاک (اختلاف رطوبت خاک قبل و بعد از آبیاری) و ET مقدار تبخیر - تعرّق است. در این پژوهش از لایسیمتر غیر وزنی زهکشدار استفاده شد و پس از آمادهسازی لایسیمترها در پنج لایسیمتر، گیاه دارویی همیشهبهار کشت شد. در طول دورۀ کشت این گیاه، رطوبت خاک قبل و بعد از هر آبیاری اندازهگیری شد. همچنین پس از هر بار آبیاری، میزان خروجی زهآب لایسیمترها اندازهگیری و با استفاده از معادلۀ بیلان آب (رابطۀ 2) میزان تبخیر - تعرّق گیاه محاسبه شد.
در این تحقیق مقادیر مقاومت آیرودینامیک با استفاده از نظریۀ مونین - آبخوف به دست آمد. نظریۀ مونین - آبخوف توصیف غیر بعدی جریان متوسّط و دمای متوسّط در لایۀ سطحی به صورت یک تابع ارتفاع است. با توجّه به نظریۀ شباهت مونین - آبخوف (MOS) از شیب جداییناپذیر باد و پروفیل دما در یک لایۀ سطحی افقی همگن میتوان معادلۀ ذیل را بیان کرد (لیو و همکاران، 2007):
(3)
(4)
در این رابطه، k ضریب وان کارمن، u سرعت باد در ارتفاع Z (متر بر ثانیه)، u_* سرعت اصطکاک (متر بر ثانیه)، T_* دمای مبنا (کلوین)، T0 دمای سطح آیرودینامیک (کلوین)، zom طول زبری برای انتقال حرکت (متر)، zoh طول زیری برای انتقال حرارت (متر)، d طول جابهجایی صفر(متر)، Pro عدد آشفتگی بین جریانگردابی حرکت Km و حرارتKh و ς، omς، ohς پارامترهای ثابت هستند. در اینجا شار حرارت H از پروفیل سرعت باد و دمای هوا به دست میآید:
(5)
باید توجّه داشت که در معادلۀ (Ta-T0) و (L) تفاوت بین دمای هوا و دمای پتانسیل، نادیده گرفته شده است. با استفاده از روابط (3) تا (5) میتوان رابطۀ مقاومت آیرودینامیک را به صورت ذیل نشان داد:
(6)
روشهای برآورد مقاومت آیرودینامیک بر اساس نظریۀ مونین ـ آبخوف
مقادیر مقاومت آیرودینامیک بر اساس نظریۀ مونین ـ آبخوف در شرایط پایداری با روشهای ذیل محاسبه شد.
روش اول: روش تام[1] (1975)
(7)
مقدارς0m=ς0h=0 و شرایط پایدار در نظر گرفته شد و همچنین از نظریۀ MOS استفاده و مقدار z0m≠z0hدر نظر گرفته شد.
روش دوم: روش چادوری و همکاران (1986)
(8)
که در آن 5=β و معادلات نیمهتجربی است و z0m≠z0h در نظر گرفته شده است و در این معادلات، RiB به صورت ذیل برآورد میشود:
(9)
در این رابطه، RiB مقدار عدد ریچاردسون است.
روش سوم: روش ورما و همکاران[2] (1976)
(10)
روش محاسبۀ آن تجربی و z0m=z0h بوده است.
روش چهارم: روش مارت و اک (1984)
(11)
روش محاسبه، تجربی است و مقدار z0m=z0h در نظر گرفته شده است و همچنین ضریب c با استفاده از معادلۀ ذیل محاسبه میشود:
(12)
روش پنجم: روش زی (1988)
(13)
روش محاسبه، تجربی است و مقدار z0m=z0h در نظر گرفته شده است.
روش ششم: روش وینی[3] (1991)
(14)
در این رابطه، محاسبه نیمهتجربی و z0m≠z0h است و ضرایب a، b و c با کمک معادلات ذیل محاسبه میشوند:
(15) (16)
(17)
به این ترتیب با استفاده از الگوریتمها مقاومت آیرودینامیک محاسبه و نتایج حاصل از آن بررسی شد.
روش برآورد مقاومت سطحی
مقاومت سطحی، مقاومت در برابر انتقال بخار آب از سطح گیاه در حال تعرّق و سطح خاک در حال تبخیر را بیان میکند. زمانی که سطح خاک به طورکامل از پوشش گیاهی پوشیده نباشد، عامل مقاومت تأثیر تبخیر از خاک را نیز شامل میشود. همچنین در شرایطی که تعرّق گیاه بالا نباشد، مقاومت سطحی به وضعیت آب در دسترس پوشش گیاهی نیز بستگی پیدا میکند. در این پژوهش به دلیل دسترسینداشتن به دستگاه اندازهگیری مقاومت روزنهای است و از سری روابطی که اسزکز و لانگ (1996) بر اساس معادلات پنمن ارائه کردند، استفاده شد:
(18)
در این رابطه، rs مقاومت سطحی گیاه، cρ ظرفیت گرمایی هوای خشک (4-10× 29 کالری بر سانتیمتر مربع بر درجۀ سانتیگراد) eo فشار بخار سطح و es فشار بخار اشباع در دمای T0 (دمای سطح)، γ ضریب ثابت سایکرومتری (کیلوپاسکال بر درجۀ سانتیگراد) و Eλ تبخیر - تعرّق به دست آمده از لایسیمتر در واحد انرژی (کالری بر سانتیمتر مربع بر ثانیه) (λ گرمای نهان تبخیر برابر با 585 کالری بر گرم) هستند. در اینجا دمای سطح با استفاده از سنجش از دور برآورد شده است. بر اساس بررسیهای انجامشده دو الگوریتم برآورد دمای سطح که کمترین خطا را داشتند، انتخاب و دمای سطح بر اساس آنها برآورد شد و در الگوریتمهای مختلف برآورد مقاومت آیرودینامیک استفاده شد. دمای سطحی با استفاده از روش کول و کاسیلس (1997) به دست آمد:
(19)
در این رابطه، T31و T32 بر حسب کلوین، مقادیر دمای سطح در باند 31 و 32 سنجندۀ مودیس با توان تفکیک 1000 متر هستند.
صحّتسنجی مقاومت سطحی و آیرودینامیک
پس از محاسبۀ مقاومت سطحی (rs) و مقاومت آیرودینامیک (ra) با استفاده از مدل پنمن - مانتیث مقدار تبخیر - تعرّق گیاه دارویی همیشهبهار محاسبه و با مقادیر اندازهگیریشده در لایسیمترها مقایسه شد. همچنین مقادیر خطای آن برآورد و بهترین الگوریتم معرّفی شد.
(20)
به این ترتیب با استفاده از الگوریتمهای تعریفشده، مقادیر مقاومت آیرودینامیک و سطحی برآورد شد. مقادیر محاسبهشده از روش پنمن - مانتیث با مقادیر بهدستآمده از هر یک از الگوریتمها با استفاده از شاخصهای خطاسنجی جذر میانگین مربعات خطا، میانگین درصد خطا و میانگین خطای بایاس و همچنین ضریب تبیین (R2) ارزیابی شدند.
(21) (22)
(23)
در این رابطهها ETi,lys، میزان تبخیر - تعرّق بهدستآمده از الگوریتمهای مقاومت آیرودینامیک و ETi ,cal، میزان تبخیر - تعرّق برآوردشده با روش پنمن - مانتیث است.
بحث
نتایج حاصل از تبخیر - تعرّق اندازهگیریشده با لایسیمتر در فصل کشت پاییز نشان داد که میزان تبخیر - تعرّق در مرحلۀ اولی رشد و مرحلۀ توسعۀ گیاه، مقادیر بیشتری را نشان میدهد و پس از آن در مرحلۀ میانی و پایانی، مقادیر تبخیر - تعرّق گیاه دارویی همیشهبهار رو به کاهش بود. این نتایج نشان داد در ابتدای دوره که میزان تبخیر بیشتر از تعرّق و سطح خاک به طور کامل از گیاه پوشیده نشده بود، جزء اصلی تبخیر - تعرّق را میتوان جزء تبخیر در نظر گرفت. در مرحلۀ میانی و پایانی که بیش از 95 در صد سطح لایسیمترها از گیاه پوشیده بود، میزان تبخیر کاهش یافت و بر میزان تعرّق افزوده شد. میتوان اینگونه در نظر گرفت که جزء غالب تبخیر - تعرّق در مرحلۀ میانی جزء تعرّق بوده و بیشترین میزان تعرّق در این مرحله برای گیاه رخ داده است. همچنین در فصل کشت پاییز باید به این نکتۀ مهم توجّه داشت که کشت در فصل پاییز، اتّفاق افتاده است و در مجموع، میزان تبخیر - تعرّق بسیار پایینتر از فصل تابستان است. میزان تبخیر - تعرّق بهدستآمده در فصل کشت پاییز با توجّه به روند تغییرات آن و اثر کاهش دما در انتهای دوره در مقایسه با مطالعات دیگر با لایسیمتر از روند منطقی پیروی میکند.
نتایج حاصل از اندازهگیری تبخیر - تعرّق در فصل کشت بهار نشان میدهد که میزان تبخیر - تعرّق در ابتدای دوره با توجّه به دمای کمتر هوا و کمبودن میزان تعرّق و غالببودن جزء تبخیر، کمتر بوده است. با افزایش رشد و کاملشدن پوشش گیاهی سطح، جزء تعرّق افزایش یافته و از جزء تبخیر کم شده است و این افزایش جزء تعرّق در افزایش میزان تبخیر - تعرّق در مرحلۀ توسعۀ گیاه مؤثّر بوده است. در مرحلۀ میانی رشد از جمله عوامل مؤثّر بر افزایش تبخیر - تعرّق را میتوان رشد کامل گیاه و پوشش کامل سطح از گیاه دانست. در مرحلۀ میانی که سطح از گیاه، پوشیده است، بیشترین میزان تعرّق را داشته است. همچنین نباید این نکته را فراموش کرد که در فصل کشت بهار دورۀ میانی رشد گیاه، دمای هوا به حداکثر میزان خود رسیده است؛ به این ترتیب میتواند روی افزایش تعرّق گیاه نیز تأثیرگذار باشد. در نهایت در مرحلۀ پایانی رشد، تبخیر - تعرّق رو به کاهش بوده و در اواخر دوره به کمترین مقدار خود رسیده است.
جدول (1) مجموع تبخیر - تعرّق را در طول دو فصل کشت نشان میدهد. همان طور که مشاهده میشود در هر دو فصل کشت، میزان تبخیر - تعرّق در دورۀ میانی رشد، حداکثر مقدار را دارد. مجموع تبخیر - تعرّق در فصل کشت پاییز برابر 96/323 میلیمتر و در فصل کشت بهار برابر 50/1043 میلیمتر بود. در دورۀ کشت پاییزه تبخیر - تعرّق حدود یک سوم تبخیر - تعرّق کشت بهاره است. میزان تبخیر - تعرّق اندازهگیریشده در دهههای رشد گیاه در هر پنج لایسیمتر با توجّه به شرایط یکسان رشد، اختلاف اندکی داشته است و مقادیر آنها به میانگین نزدیک میشود.
جدول 1- تبخیر ـ تعرّق دههای اندازهگیریشده با لایسیمترهای گیاه دارویی همیشهبهار بر حسب میلیمتر
|
فصل رشد |
دهههای رشد |
تبخیر ـ تعرّق لایسیمترها (میلیمتر) |
میانگین (میلیمتر) |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|||
|
فصل کشت پاییز |
1 |
65/25 |
60/27 |
29/29 |
24/31 |
46/30 |
85/28 |
|
2 |
28/25 |
47/31 |
92/28 |
65/31 |
19/28 |
11/29 |
|
|
3 |
69/43 |
12/41 |
87/41 |
02/41 |
09/34 |
36/40 |
|
|
4 |
21/48 |
13/46 |
59/51 |
33/51 |
15/40 |
48/47 |
|
|
5 |
68/51 |
51/50 |
72/52 |
81/51 |
65/47 |
87/50 |
|
|
6 |
51/37 |
73/36 |
17/35 |
90/37 |
51/37 |
96/36 |
|
|
7 |
16/30 |
38/29 |
99/28 |
55/30 |
21/28 |
46/29 |
|
|
8 |
92/29 |
48/31 |
70/30 |
53/29 |
53/29 |
23/30 |
|
|
9 |
91/13 |
74/12 |
18/11 |
35/12 |
03/17 |
44/13 |
|
|
10 |
81/6 |
42/6 |
98/7 |
15/9 |
59/7 |
59/7 |
|
|
11 |
78/5 |
61/4 |
61/4 |
00/5 |
39/5 |
08/5 |
|
|
12 |
61/4 |
61/4 |
61/4 |
61/4 |
61/4 |
61/4 |
|
|
میانگین دوره |
82/322 |
80/322 |
63/327 |
13/336 |
42/310 |
96/323 |
|
|
فصل کشت بهار |
1 |
11/47 |
32/49 |
15/48 |
49/50 |
62/50 |
13/49 |
|
2 |
42/58 |
20/59 |
10/59 |
51/57 |
17/55 |
88/57 |
|
|
3 |
82/64 |
26/63 |
29/67 |
40/60 |
66/60 |
29/63 |
|
|
4 |
88/64 |
39/63 |
38/66 |
43/62 |
91/63 |
20/64 |
|
|
5 |
01/67 |
42/65 |
17/71 |
90/73 |
84/63 |
27/68 |
|
|
6 |
69/71 |
32/74 |
33/69 |
36/75 |
54/71 |
44/72 |
|
|
7 |
24/72 |
54/64 |
92/63 |
44/72 |
44/72 |
12/69 |
|
|
8 |
43/115 |
76/113 |
37/108 |
60/114 |
97/113 |
22/113 |
|
|
9 |
57/130 |
53/129 |
69/124 |
17/124 |
46/130 |
89/127 |
|
|
10 |
09/123 |
76/127 |
51/127 |
25/127 |
25/127 |
57/126 |
|
|
11 |
16/98 |
06/102 |
46/99 |
98/99 |
56/95 |
04/99 |
|
|
12 |
11/56 |
37/56 |
84/65 |
21/65 |
11/56 |
93/59 |
|
|
13 |
61/40 |
37/39 |
35/44 |
30/40 |
11/38 |
61/40 |
|
|
14 |
77/30 |
89/33 |
33/32 |
89/33 |
59/28 |
89/31 |
|
|
میانگین دوره |
91/1040 |
52/1042 |
88/1047 |
94/1057 |
25/1028 |
50/1043 |
|
نگارۀ (1) و (2) مقادیر تبخیر - تعرّق روزانۀ گیاه دارویی همیشهبهار را برای لایسیمترها در فصل کشت پاییز و بهار نشان میدهند. همان طور که نمودار نشان میدهد از آغاز فصل رشد، مقادیر تبخیر - تعرّق، روند افزایشی و این روند تا دورۀ میانی رشد ادامه داشته است و در نهایت در انتهای فصل رشد، تبخیر - تعرّق روند کاهشی یافته است. این نمودارها نشاندهندۀ تغییرات روزانۀ تبخیر - تعرّق گیاه دارویی همیشه بهار است. نمودار نگارۀ (1) در فصل کشت پاییز نشان میدهد که در مدّت زمان رسیدن به مرحلۀ میانی رشد، زمان کوتاهتری سپری شده است و در نگارۀ (2) و در فصل کشت بهار، زمان رسیدن به مرحلۀ میانی طولانیتر بوده است.
نگاره 1- تبخیر - تعرّق گیاه دارویی همیشه بهار در هر لایسیمتر در فصل کشت پاییز (میلیمتر)
نگاره 2- تبخیر - تعرّق گیاه دارویی همیشهبهار در هر لایسیمتر در فصل کشت بهار (میلیمتر)
برآورد مقاومت آیرودینامیک
در فصل پاییز، محاسبۀ مقاومت آیرودینامیکی با الگوریتمهای بیانشده نشان داد که با وجود اختلاف با یکدیگر، روند تغییرات آنها از ابتدا تا انتهای دوره تقریباً مشابه است. نتایج نشان داد مقادیر مقاومت آیرودینامیک محاسبهشده با روش مارت، کمترین میزان را داشته است و مقادیر بهدستآمده از روش پنمن و زی بیشترین مقدار را برآورد کرده است. در روشهای وینی و تام، مقادیر، نزدیک به هم برآورد شده است. نتایج حاصل از برآورد مقاومت آیرودینامیکی در فصل کشت بهار و پاییز نشان داد در همۀ الگوریتمهای استفادهشده، مقدار مقاومت آیروینامیکی گیاه در دورۀ ابتدایی رشد، بیشترین مقدار را دارد و با رشد گیاه و افزایش پوشش گیاهی از مقدار آن کاسته شده است. نگارۀ (3) و (4) نمودارهای مقاومت آیرودینامیکی گیاه دارویی همیشهبهار را در دو دمای سطح با استفاده از الگوریتمهای بیانشده، نشان میدهد.
نگاره 3- مقاومت آیرودینامیک گیاه دارویی همیشهبهار محاسبهشده با استفاده از الگوریتمهای مختلف دورۀ کشت پاییز
نگاره 4- مقاومت آیرودینامیک گیاه دارویی همیشهبهار محاسبهشده با استفاده از الگوریتمهای مختلف دورۀ کشت بهار
مقاومت سطحی گیاه
نتایج نشان میدهد میزان مقاومت سطحی گیاه دارویی همیشهبهار در ابتدا زیاد بوده است. در انتهای دوره، این مقدار کاهش یافته و این روند با وجود نوسانات موجود در فصل رشد، ادامه داشته است. نگارۀ (5) و (6)، نمودار تغییرات مقاومت سطحی را در طول فصل رشد نشان میدهند.
نگاره 5- مقاومت سطحی گیاه دارویی همیشهبهار در طول دورۀ رشد (فصل کشت پاییز)
نگاره 6- مقاومت سطحی گیاه دارویی همیشهبهار در طول دورۀ رشد (فصل کشت بهار)
ارزیابی مقادیر مقاومت سطحی و مقاومت دینامیک گیاه دارویی همیشهبهار
پس از برآورد مقاومت سطحی و مقاومت آیرودینامیک با استفاده از معادلۀ پنمن - مانتیث، تبخیر - تعرّق گیاه دارویی همیشهبهار برای هر یک از الگوریتمها محاسبه و با مقادیر برآوردشده از لایسیمتر، مقایسه شد. نتایج حاصل از آن برای هر دو دمای سطح محاسبهشده و فصل کشت پاییز و بهار به صورت نمودار در نگارههای (7) تا (8) آمده است. این نتایج، نشان داده است که الگوریتمهای استفادهشده در برآورد مقاومت آیرودینامیک، توانایی خوبی در برآورد آن داشته است و نتایج تبخیر - تعرّق در مقایسه با دادههای لایسیمتری از دقّت خوب و مناسبی برخوردار هستند. نتایج حاصل در دورۀ کشت بهار، همبستگی بیشتر و مقادیر، دقّت بالاتری را دارند. همچنین برای صحّتسنجی الگوریتمهای مقاومت آیرودینامیک و سطحی، مقادیر خطای تبخیر - تعرّق در جدول (2) آمده است با توجّه به مقادیر شاخصها، الگوریتمها دقّت خوبی دارند
جدول 2- مقادیر شاخصهای سنجش خطای الگوریتمهای محاسبۀ مقاومت آیرودینامیک مقادیر شاخصهای سنجش خطای الگوریتمهای محاسبۀ مقاومت آیرودینامیک
|
الگوریتمهای مقاومت آیرودینامیکی |
شاخصهای خطایابی فصل کشت پاییز |
شاخصهای خطایابی فصل کشت بهار |
||||
|
RMSE (s m-1) |
MBE (s m-1) |
MPE (%) |
RMSE (s m-1) |
MBE (s m-1) |
MPE (%) |
|
|
پنمن |
65/2 |
48/0- |
93/15- |
41/4 |
17/1 |
12/6- |
|
وینی |
47/2 |
15/0- |
89/21- |
60/4 |
16/2 |
33/9- |
|
زی |
64/2 |
42/0- |
34/17- |
59/4 |
97/1 |
08/8- |
|
مارت و اک |
30/2 |
59/0 |
36/38- |
65/5 |
76/3 |
49/21- |
|
ورما |
34/2 |
21/0 |
96/28- |
15/5 |
03/3 |
62/15- |
|
چادوری |
33/2 |
14/0 |
03/27- |
64/4 |
36/2 |
80/10- |
|
تام |
51/2 |
25/0- |
50/19- |
52/4 |
97/1 |
13/8- |
نگاره 7- مقایسۀ مقادیر تبخیر ـ تعرّق گیاه دارویی همیشهبهار اندازهگیریشده از لایسیمتر با مقدار محاسبهشده از روشهای مختلف، فصل کشت پاییز
نگاره 8- مقایسۀ مقادیر تبخیر ـ تعرّق گیاه دارویی همیشهبهار اندازهگیریشده از لایسیتر با مقادیر محاسبهشده با روشهای مختلف، فصل کشت بهار
یافتهها
هدف اصلی در این تحقیق، اندازهگیری تبخیر - تعرّق واقعی گیاه دارویی همیشهبهار در دو فصل کشت با استفاده از لایسیمتر زهکشدار و همچنین محاسبۀ مقاومت سطحی و مقاومت آیرودینامیک این گیاه بود.
به این منظور، گیاه دارویی همیشهبهار در پنج لایسیمتر در منطقهای در 15 کیلومتری شهر کرمان کشت شد. بر این اساس با استفاده از معادلۀ بیلان آب، مقادیر تبخیر - تعرّق گیاه دارویی همیشهبهار محاسبه شد. سپس با استفاده از مقادیر دمای سطح برآوردشده از تصاویر ماهوارهای و با استفاده از الگوریتمهای مختلف، مقاومت سطحی و مقاومت آیرودینامیک محاسبه و در نهایت نتایج آنها با استفاده از معادلۀ پنمن - مانتیث، ارزیابی شد. نتایج تبخیر - تعرّق بهدستآمده از لایسیمترهای کشتشده از گیاه دارویی همیشهبهار به یکدیگر نزدیک بودند و در هر دو فصل کشت از روند یکسانی پیروی کردند. میزان تبخیر - تعرّق در ابتدای دوره کمتر بود و با افزایش سطح پوشش گیاهی، این مقدار افزایش و در نهایت در مرحلۀ پایانی رشد گیاه، این مقدار دوباره کاهش یافت. در تمام لایسیمترها این روند مشخّص بود و ادامه داشت. نتایج بهدستآمده از روشهای محاسبۀ مقاومت آیرودینامیک، نشان داد که همه از یک روند کلّی پیروی میکنند. نتایج حاصل با وجود تفاوت در نوع محصول از نتایج حاصل از پژوهشهای کلورلی و همکاران (2013)، لیو و همکاران (2007)، هال (2002) و نعمتپور و همکاران (1389) پیروی میکند و با نتایج حاصل از پژوهش پدرو و همکاران (1994) در برخی نتایج، مغایرت دارد.
ارزیابی و صحّتسنجی نتایج حاصل از مقاومت سطحی و آیرودینامیک با استفاده از معادلۀ پنمن - مانتیث و مقایسۀ آنها با نتایج تبخیر - تعرّق حاصل از لایسیمترها نشان داد که مقادیر بهدستآمده، صحّت بسیار خوبی داشت و تأییدی بر مقادیر حاصل از هر یک از روشهای مقاومت آیرودینامیک بود.
نتایج کلّی نشان میدهد که گیاه دارویی همیشهبهار برای کشت مناطق خشک، مناسب است. کشت در این مناطق در فصل پاییز با توجّه به پایینتربودن دمای هوا و کاهش شدّت تابش، مناسبتر ارزیابی میشود و مقادیر تبخیر - تعرّق کمتر است. همچنین به مقادیر آب کمتری در طول دورۀ کشت نیاز است و دورۀ کوتاهتری را تا زمان رسیدن به مرحلۀ گلدهی طی میکند. بنابراین با توجّه به نتایج حاصل، امکان کشت پاییزۀ گیاه دارویی همیشهبهار در مناطق خشک، فراهم است.
)