ارزیابی قابلیت مدل CERES-Maize در برآورد عملکرد ذرت در سطوح مختلف آب و نیتروژن

سابقه و هدف: با افزایش رشد جمعیت و محدودیت گسترش اراضی کشاورزی بایستی به دنبال راهی به منظور افزایش بهره وری کشاورزی بود. امروزه نیاز به سیستم کشاورزی پایداری که در آن از منابع زیست محیطی به طور کامل استفاده شود و به طور هم زمان هیچ آسیبی به محیط زیست وارد نسازد، بسیار ضروری به نظر می رسد. در سال های اخیر به جنبه های کیفی خاک و افزایش تولید گیاهان زراعی با استفاده از بقایای گیاهی، کود های آلی و سبز به عنوان منابع تامین کننده مواد آلی خاک و عناصر غذایی گیاهان توجه بسیاری شده است. پس جایگزینی یا ترکیب کردن سیستم هایی مناسب از منابع آلی با کودهای شیمیایی به منظور کاهش مصرف نهاده های شیمیایی و تحقق اهداف کشاورزی پایدار می تواند به عنوان راهکاری مناسب مطرح باشد. علاوه بر این انجام آزمایش های مزرعه ای زمان بر و پرهزینه است، مدل های شبیه سازی گیاهی برای ارزیابی راهبردهای مختلف مدیریت زراعی در راستای بهینه سازی استفاده از منابع موجود، گزینه های مناسبی هستند.مدل DSSAT ابزاری جامع برای شبیه سازی و تصمیم گیری در مدیریت محصولات کشاورزی است که با ترکیب داده های اقلیمی، خاکی، ژنتیکی و مدیریتی به پژوهشگران و مدیران کمک می کند تا اثربخشی و پایداری سیستم های تولید کشاورزی را ارزیابی و بهبود دهند. در این مطالعه علاوه بر ارزیابی قابلیت مدل CERES-Maize در شبیه سازی عملکرد محصول و مراحل رشد و نمو، به مدیریت مصرف بهینه ی آب و نیتروژن در کنار کاربرد بیوچار و هیدروچار در کشت ذرت پرداخته و با تخمین مقادیر تلفات و جذب نیتروژن توسط مدل، آبشویی نیتروژن و مقدار زه-آب خروجی نیز برآورد شده است.مواد و روش ها: به منظور واسنجی و ارزیابی مدل CERES-Maize در شبیه سازی تولید ارقام ذرت SC-۷۰۴ و SC-۶۱۱ تحت دو نظام کشت بهاره و تابستانه در شرایط اقلیمی اهواز، آزمایش های صحرایی در لایسیمتر به صورت طرح آزمایشی فاکتوریل و در قالب بلوک های کامل تصادفی با سه تکرار انجام شد. برای جمع آوری و ایجاد پایگاه داده ی مورد نیاز مدل، آزمایش های مزرعه ای شامل اندازه گیری وزن ماده خشک در هر مرحله، ازت کل زیست توده، عملکرد دانه، میزان زه آب خروجی، نیتروژن کل زه آب و سطح برگ انجام شد. در این تحقیق علاوه بر کود اوره تاثیر بیوچار و هیدروچار حاصل از باگاس نیشکر نیز بر رشد و نمو، عملکرد دانه، میزان زه آب خروجی و آبشویی نیتروژن بررسی شد. جهت کمی کردن واکنش گیاه و محاسبه کارآیی مصرف آب و کود، دو سطح آبیاری کامل (I۱) و کم آبیاری به اندازه ۳۰ درصد (I۲) به-عنوان عامل اول و دو سطح نیتروژن ۲۰۰ (N۱) و ۱۶۰ (N۲) کیلوگرم در هکتار به عنوان عامل دوم در نظر گرفته شد. از شاخص های جذر میانگین مربعات خطا نرمال شده (NRMSE)، شاخص توافق ویلموت (d)، ضریب تبیین (R۲) و میانگین خطای مطلق (MAE) برای ارزیابی کارآیی مدل در شبیه سازی داده های مورد نظر و مقایسه آن ها با داده های اندازه گیری شده استفاده شد.یافته ها: براساس نتایج حاصل از تیمارهای شاهد (شرایط بهینه و بدون اعمال تنش) با کاربرد هر سه منبع نیتروژن (اوره، بیوچار و هیدروچار)، ضرایب ژنتیکی برای هر دو رقم ۶۱۱ و ۷۰۴ سینگل کراس در منطقه اهواز مشخص شد. نتایج واسنجی مدل برای کاربرد هریک از این منابع نشان داد، مدل قادر است با حداقل اختلاف، ویژگی های رشد و نمو را برای ارقام ذرت در شرایط اقلیمی اهواز شبیه سازی کند که بیانگر دقت بالای ضرایب ژنتیکی محاسبه شده بود. مراحل شبیه سازی برای سایر تیمارهای آزمایش (به جز تیمارهای استفاده شده در مرحله واسنجی) برای هر سه منبع نیتروژن در هر دو فصل کشت مجددا انجام و با نتایج مشاهدات حاصل از آزمایش های مزرعه ای به منظور اعتبارسنجی مدل مقایسه شد. از اطلاعات عملکرد دانه، حداکثر شاخص سطح برگ، وزن کل زیست توده، ازت کل زیست توده، زه آب خروجی و نیتروژن کل زه آب که از سایر تیمارهای آزمایش استخراج شده بود؛ برای تعیین اعتبار مدل استفاده شد. نتایج اعتبارسنجی مدل نشان داد که مدل از توانایی بالایی برای پیش بینی وزن ماده خشک، ازت زیست توده، عملکرد دانه و همچنین حداکثر شاخص سطح برگ برخوردار می-باشد. گرچه مدل روند تغییرات زه آب خروجی را در تیمارهای مختلف آب و نیتروژن به درستی شبیه سازی کرد؛ اما مدل در پیش بینی زه آب خروجی ضعیف عمل کرد. هم در شرایط مزرعه و هم در شرایط شبیه سازی با کاربرد بیوچار و هیدروچار به جای کود اوره عملکرد دانه افزایش اما شاخص سطح برگ، وزن خشک کل و زه آب خروجی کاهش یافت. نتایج برازش رگرسیون خطی بین داده های مشاهده شده و شبیه سازی شده و مقایسه آن با خط ۱:۱ نیز نشان داد که با کاربرد منابع مختلف نیتروژن در هر دو فصل کشت، مدل می تواند تا بیش از ۹۰ درصد از تغییرات عملکرد دانه، آبشویی نیتروژن و حداکثر شاخص سطح برگ مشاهده شده را پیش بینی کند. در شرایط مطلوب و بدون تنش با ترکیب بیوچار و هیدروچار با کود اوره (I۱B۱ و I۱H۱)، زه آب خروجی در کشت بهاره و تابستانه به طور معنی داری کاهش یافت. این کاهش در مقایسه با کاربرد اوره به تنهایی (I۱N۱)، در کشت بهاره به ترتیب ۷/۱۵ و ۱/۱۳ درصد و در کشت تابستانه به ترتیب ۴/۱۷ و ۴/۱۴ درصد بود. درکشت بهاره و تابستانه با کاربرد هر سه منبع اوره، بیوچار و هیدروچار، MAE برای آبشویی نیتروژن به ترتیب بین kgNha-۱ ۷۳/۱-۵۳/۰ و ۴۳/۲-۳۱/۰ می باشد. میزان آبشویی نیتروژن تابعی از میزان زه آب خروجی است و فقط حرکت نیترات و اوره در شبیه سازی آبشویی نیتروژن از لایه های خاک توسط مدل در نظر گرفته می شود. به طور کلی در تیمارهای آزمایش در هر دو فصل کشت مدل مقادیر آبشویی نیتروژن را اندکی بیش تر از مقادیر اندازه گیری شده، شبیه سازی می کند.نتیجه گیری: مدلCERES-Maize توانست ویژگی های رشد و نمو ارقام ذرت کشت شده در منطقه اهواز را با دقت نسبتا بالا و با حداقل خطا پیش بینی کند. با این حال، نتایج نشان داد که دقت مدل در برآورد میزان زه آب خروجی در هر دو فصل کشت بهاره و تابستانه محدود است و نیازمند بازبینی یا اصلاح پارامترهای مرتبط با مدیریت آب و خاک است. با وجود این محدودیت، مدل CERES-Maize می تواند به عنوان ابزاری موثر و قابل اعتماد برای حمایت از تصمیم گیری های مدیریتی و برنامه ریزی زراعی در شرایط اقلیمی اهواز مورد استفاده قرار گیرد. استفاده از این مدل می تواند زمان و هزینه های مرتبط با مطالعات میدانی را به طور قابل توجهی کاهش دهد و به کشاورزان و برنامه ریزان زراعی امکان دهد تا با تکیه بر شبیه سازی های مدل، استراتژی های بهینه کشت، آبیاری و مدیریت خاک را تدوین کنند. بنابراین، با وجود نیاز به بهبود دقت در برآورد زه آب، این مدل پتانسیل بالایی برای افزایش کارآیی و اثربخشی برنامه ریزی زراعی در شرایط منطقه ای دارد.

کلیدواژه ها:

آبشویی نیتروژن ، بیوچار ، هیدروچار ، واسنجی مدل ، DSSAT