آناليز تأثير تنش خشكي بر عملكرد، كارايي مصرف آب و شوري ناحيه ريشه برنج

Analysing drought stress effects on yield and water use efficiency of rice and the root zone salinity

مقدمه مديريت مناسب آب مهم ترين عمليات در اراضي شاليزاري است كه نقش مهمي در سودمندي ساير نهاده ها در كشت برنج دارد. زهكشي هاي ميان فصل و پايان فصل دو عمليات مهم مديريت آب در شاليزارها هستند به طوريكه اولي باعث افزايش عملكرد و دومي منجر به بهبود شرايط برداشت برنج مي شود. زهكشي زيرزميني با فراهم كردن شرايط بهتر براي كشت زمستانه در اين اراضي، مي تواند سبب تسهيل انجام عمليات هاي مديريتي مذكور در طول فصل كشت برنج شود. با اين وجود، با توجه به هزينه زياد و زمان بر بودن آزمايش هاي مزرعه اي، مدل هاي شبيه سازي ابزارهاي جايگزين مناسبي براي آناليز اثرات گزينه هاي مختلف مديريت آب مي باشند. از ميان مدل هاي مختلف شبيه سازي، مدل Aquacrop مدلي است كه جديدا براي شبيه سازي اثرات مديريت آبياري توسعه يافت. اين مدل در مقايسه با ساير مدل ها، دقيق، توانمند و نيازمند داده هاي كم مي باشد. براي گياهان زراعي، مدل Aquacrop داراي مدلي از رشد است كه مبتني بر رابطه رفتار محافظتي زيست توده به ازاي واحد تعرق گياه مي باشد. مشخصه خاص ديگر اين مدل، توصيف توسعه كانوپي به صورت پوشش سايه انداز هست تا شاخص سطح برگ. فراهاني و همكاران (Farahani et al., 2009)، با استفاده از مدل Aquacrop اثرات آبياري كامل و كم آبياري را بر پنبه در سوريه و اسپانيا بررسي كردند. آنها نشان دادند كه، درمرحله واسنجي، پارامترهاي اساسي مانند بهر ه وري آب نرمال شده، پوشش سايه انداز و كل زيست توده بايد براي شرايط مختلف اقليمي، خاك، ارقام، روش هاي آبياري و مديريت مزرعه مورد آزمايش قرار گيرد. در ايتاليا، گياه آفتابگردان با استفاده از مدل هاي Aquacrop، CropSyst و WOFOST ارزيابي شد. انحراف بين مقادير مشاهده شده و شبيه سازي شده عملكرد دانه به وسيله مدل Aquacrop كمتر از ميزان آن در دو مدل ديگر بود. مواد و روش ها در اين پژوهش، اثر تنش خشكي در شاليزارهاي داراي سيستم هاي زهكشي سطحي و زيرزميني با استفاده از مدل AquaCrop ارزيابي شد. داده هاي مورد نياز از پايلوت زهكشي زيرزميني دانشگاه علوم كشاورزي و منابع طبيعي ساري طي فصول كشت برنج در سال هاي 1390 و 1391 تهيه شد. مقدار تبخير تعرق مرجع با استفاده از ETo calculator 3.1 محاسبه شد. مقادير ورودي پارامترهاي هواشناسي روزانه شامل حداقل و حداكثر دماي هوا، حداقل و حداكثر رطوبت نسبي، ساعات آفتابي و سرعت باد در ارتفاع دو متري از ايستگاه هواشناسي و ETo calculator   از سايت فائو تهيه شد. سيستم هاي زهكشي عبارت بودند از: سه سيستم زهكشي معمولي شامل سيستم زهكشي با عمق زهكش 0/9 متر و فاصله زهكش 30 متر (D0.9L30)، سيستم زهكشي با عمق زهكش 0/65  متر و فاصله زهكش 30 متر (D0.65L30) و سيستم زهكشي با عمق زهكش 0/65 متر و فاصله زهكش 15 متر (D0.65L15)، يك سيستم زهكشي دو عمقي با فاصله زهكش 15 مترو اعماق زهكش 0/65و 0/9 متر به صورت يك در ميان (Bilevel) و سيستم زهكشي سطحي (Control). واسنجي و صحت سنجي مدل براساس اندازه گيري هاي مزرعه اي انجام شد. با استفاده از مدل واسنجي شده، اثر آبياري كامل (I1) و اعمال تنش خشكي در دوره هاي 2216 (I2)، 2923 (I3)، 3630 (I4)، 4337 (I5) و 5044 (I6) روز بعد از نشاكاري، بر عملكرد و كارايي مصرف آب برنج و شوري ناحيه ريشه بررسي شد. نتايج و بحث اعمال تنش در دوره هاي I2، I5 و I6، سبب كاهش قابل‌توجه عملكرد و زيست‌توده برنج در مقايسه با I1 شد. با نزديك شدن به مرحله خوشه دهي، تنش خشكي باعث كاهش بيشتر عملكرد برنج شد به‌طوري‌كه متوسط كاهش عملكرد دانه برنج در اثر تنش در دوره هاي I2 تا I4، 5 درصد ولي در مراحل I5 و I6، 15 درصد بود. تنش آبياري در دوره I2، كارايي مصرف در تيمارهاي زهكشي سطحي و زيرزميني را افزايش داد. در شرايط آبياري كامل و زهكشي دوعمقي، مقدار آب مصرفي برابر 620/4 ميلي متر و كارايي مصرف آب برابر 0/65 كيلوگرم بر مترمكعب بود ولي در شرايط تنش خشكي در هفته سوم پس از نشا، مقدار آب مصرفي برابر 529 ميلي متر و كارايي مصرف آب برابر 0/71 كيلوگرم بر مترمكعب به دست آمد. همچنين، تنش خشكي سبب افزايش بيشتر شوري ناحيه ريشه برنج در تيمار زهكشي سطحي در مقايسه با تيمارهاي زهكشي زيرزميني شد. نتيجه گيري بر اساس نتايج، مي توان از مدل AquaCrop براي تعيين مناسب ترين سيستم مديريت آب‌كشت برنج از نظر ميزان عملكرد محصول، كارايي مصرف آب و شوري ناحيه ريشه استفاده كرد.

Introduction Proper water management is the most important operation in paddy fields which plays a fundamental role in the usefulness of other inputs in rice cultivation. Midseason and endseason drainages are two major water management practices in paddy fields so that, the former increases crop yield and the latter provides more suitable conditions for rice harvest. Providing better condition for winter cropping in the fields, subsurface drainage can also facilitate such management practices during rice growing season. Field experiments should be done to quantify the effects of different water management strategies. However, with regard to the high cost time consuming field experiments, simulation models are suitable alternative tools for analyzing the effects of different water management options. Among various simulation models, the AquaCrop model is a newly developed model for simulating the effects of irrigation management. This model is accurate, robust and requires fewer input data compared with the other models. AquaCrop has a waterdriven growth engine for field crops with a growth module that relies on the conservative behavior of biomass (B) per unit transpiration (Tr) relationship. Another distinctive feature of the model is the expression of canopy development as canopy cover rather than leaf area index (LAI). Farahani et al. (2009) investigated full and deficit irrigation regimes on cotton using AquaCrop model in Syria and Spain. They showed that, for calibration, the key parameters such as normalized water productivity, canopy cover and total biomass, must be tested under different climate, soil, cultivars, irrigation methods and field management. In Italy, sunflower was studied using AquaCrop, CropSyst, and WOFOST models. There was less variation between observed and simulated grain yields by AquaCrop model than that of the other two models.  Materials and methods In this research, using AquaCrop model, the effects of drought stress were investigated in surface subsurface drained paddy fields. Required data were obtained from subsurface drainage pilot of paddy fields of Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University during 2011 and 2012 rice growing seasons. The ETo was accounted with the use of ETo calculator 3.1. The inputs values for daily weather parameters were maximum air temperature (Tmax), minimum air temperature (Tmin), maximum relative humidity (RHmax), minimum relative humidity (RHmin), sunshine hours (n/N) and wind speed at a height of 2 m (u2) based on weather station data and the ETo Calculator was based on FAO website. Drainage treatments were: three conventional subsurface drainage systems including drainage system with drain depth of 0.9 m and drain spacing of 30 m (D0.9L30), drain depth of 0.65 m and drain spacing of 30 m (D0.65L30), and drain depth of 0.65 m and drain spacing of 15 m (D0.65L15); a bilevel subsurface drainage system with drain spacing of 15 m and drain depths of 0.65 and 0.9 m as alternate depths (Bilevel), and surface drainage system (Control). Calibration and validation of the model was performed using field measurements. Using the calibrated model, the effect of full irrigation (I1) and drought stress during 1622 (I2), 2329 (I3), 3036 (I4), 3743 (I5) and 4450 (I6) days after rice planting on yield and water use efficiency of rice and root zone salinity was investigated.  Results and discussion Drought stress in I2, I5 and I6 periods caused considerable decrease in rice yield and biomass compared to I1. The stress at the stages close to the heading, resulted in more reduction in rice yield so that the average rice grain yield loss due to drought stress in the I2 to I4 periods was 5% while, it was 15% due to stress in I5 and I6 periods. Drought stress in I2 period increased water use efficiency of surface and subsurface drainage treatments. In Bilevel subsurface drainage system (drain spacing of 15 m and and drain depths of 0.65 and 0.9 m), the applied water and water use efficiency were, respectively, 620.4 mm and 0.65 kg m3 under full irrigation and 529 mm and 0.71 kg m3 under drought stress during I3 period. Drought stress caused further increases in the root zone salinity in surface drainage system compared with subsurface drainage systems.  Conclusion Based on the results, AquaCrop model could be used to determine the most appropriate water management system for rice cropping in terms of yield, water use efficiency and root zone salinity.