پهنه بندی آگرواکولوژیک گندم در حوضه آبریز بروجن: ارزیابی سیستم های زراعی دیم و آبی

مقدمه

     با توجه به اجزای ییچیده و به پیوسته درچالش امنیت غذایی موجود در قرن بیست ویکم، راه حل هایی که فقط یکی ازاجزاء اکوسیستم های زراعی را در بر می­گیرند مفید و موثر نخواهد بود. این مساله بایستی از طریق برنامه­های تلفیقی به هم پیوسته و سلسله مراتبی با در نظر گرفتن تمام جوانب مورد بحث قرار گیرد تا در عین حال بتواند به مدیریت پایدار منابع طبیعی منجر گردد. برای این منظور، سازمان خوار و بار جهانی و کمیته بین المللی تحلیل سیستم های کاربردی[1] (IIASA) روش پهنه-بندی اکولوژی کشاورزی[2] را ارائه دادند(فائو 1996). در این روش ابتدا بایستی برای هر منطقه ارزیابی دقیقی از منابع اراضی(خاک، آب و اقلیم) انجام گیرد و اطلاعات حاصل، با استفاده از یک سیستم اطلاعات مکانی مورد تحلیل قرار گیرد(محمدرضایی 1388و دپائو2008). امکان تخمین دقیق پتانسیل اراضی و عملکرد گیاه زراعی در سیستم های زراعی مختلف، قبل از برداشت نهایی محصول تنها با استفاده از مدل های شبیه سازی رشد و نمو گیاهان زراعی میسر می­گردد(امیری و رضایی 2009). در اغلب موارد مدل های شبیه سازی رشد و نمو به کاربرد در نقاط مشخص (کاربرد نقطه­ای) محدود شده است (تاتاری 1387 وماچوا و همکاران1991). تا به حال مطالعات متعددی  در مورد کاربرد مدل های زراعی در سطح منطقه ای انجام گرفته است (نصیری 1388 و تیلهام 2006 ). در بین مدل های شبیه سازی رشد ونمو گیاهان زراعی، مدل WOFOST به دلیل سادگی کاربرد، نیاز به داده های کمتر و قابلیت تلفیق با سامانه اطلاعات جغرافیایی، ابزاری مناسب برای تحلیل و ارزیابی سیستم های زراعی می­باشد (نصیری1388ودوی­هارتکامپ 1999). این مدل در برخی مناطق کشور مورد استفاده قرار گرفته و نتایجی اعتبار سنجی بالایی نیز از آن حاصل شده است(تاتاری 1387و نصیری 1388و امیری و رضایی 2009). مدل WOFOST در سیستم پایش رشد گیاهی[3] برای تخمین عملکرد گیاهان مختلف نظیر گندم، جو، پنبه، آفتابگردان، برنج، سویا، سیب زمینی و دانه های روغنی در اتحادیه اروپا مورد استفاده قرار گرفته است (بوگارد و همکاران 1998). با وجود اهمیت این موضوع، تحقیقات انجام شده در ایران در ارتباط با پهنه بندی و پتانسیل یابی محصولات زراعی بسیار محدود می‌باشند. استفاده از مدل WOFOST درایران برای شبیه سازی رشد ونمو گندم (تاتاری 1387)، پهنه­بندی شکاف عملکرد(نصیری1388) و برنج (امیری و رضایی2009) گزارش شده است.

     با توجه به جایگاه ویژه گندم در نظام‌های تولید کشور، هدف از این تحقیق تعیین پهنه بندی اگرواکولوژیکی از نظر پتانسیل تولید گندم، مقایسه عملکرد پتانسیل با عملکرد در شرایط محدودیت آب و ارزیابی سیستم های زراعت دیم و آبی در شهرستان بروجن است.

مواد و روش ها

منطقه مورد مطالعه حوضه آبخیز بروجن است که در جنوب‌­شرقی استان چهار محال و بختیاری بین عرض‌های جغرافیایی ′29 °31 و ′13 °32 شمالی و طول‌های جغرافیایی′47 °50  و ′26 °51 شرقی واقع شده است (شکل1). این‌ منطقه‌ نیز به‌ تبعیت‌ از اوضاع‌ کلی‌ آب‌ و هوایی‌ استان‌ چهارمحال‌ و بختیاری‌ که‌ تابعی‌ از وضعیت‌ کلیماتولوژی‌ زاگرس‌ میانی‌ است‌، دارای‌ زمستان­های‌ سرد و طولانی‌ و تابستانهای‌ کوتاه‌ و معتدل‌ می‌باشد.

شکل1-  موقعیت جغرافیایی منطقه مورد مطالعه

در این پژوهش جهت پیش­بینی عملکرد پتانسیل گندم از نسخه7 مدل^[4]WOFOST استفاده گردید. ساختار و روش محاسبات در این مدل در منابع مختلف ارائه شده است (بنایان وهمکاران 2003 و بوگارد و همکاران 1998 و شارما و همکاران2010) به اختصار اشاره می‌شود که در شرایط پتانسیل درجه حرارت حداقل و حداکثر روزانه، تشعشع روزانه و خصوصیات گیاه زراعی ورودی‌های اصلی مدل می‌باشند. سرعت فتوسنتز روزانه کانوپی بر اساس میزان تشعشع خورشیدی و رابطه بین فتوسنتز تک برگ و شدت نور پس از انتگرال گیری بر حسب شاخص سطح برگ و طول روز محاسبه می‌شود. سرعت رشد ماده خشک بر مبنای سرعت فتوسنتز کانوپی و پس از کسر تلفات ناشی از تنفس نگهداری و تنفس رشد بدست می‌آید. ماده خشک تولید شده از طریق توابعی بین اندام‌های مختلف شامل برگ، ساقه، ریشه و اندام‌های ذخیره‌ای (دانه) تخصیص می‌یابد. ماده خشک تخصیص یافته به برگ مبنای محاسبه شاخص سطح برگ و توسعه کانوپی در طی دوره رشد می‌باشد. الگوی تخصیص مواد بین اندام ها خود تابعی از مرحله نمو گیاه است، سرعت نمو تابع میانگین درجه حرارت روزانه بالاتر از یک دمای پایه بوده و مرحله نمو با انتگرال گیری از این سرعت در طی زمان تعیین می‌شود. فاصله زمانی محاسبات یک روزه بوده و مدل قادر است علاوه بر عملکرد نهایی، بسیاری از خصوصیات رشد از جمله شاخص سطح برگ، سرعت رشد محصول، میزان تجمع ماده خشک در هر یک از اندام ها، میزان تشعشع جذب شده و مراحل نمو را با فواصل یک روزه بعنوان خروجی ارائه کند(بومن وهمکاران 1996 و ون­ایترسام و همکاران2003).

 داده­های مورد نیاز مدل WOFOST: اطلاعات مربوط به مدیریت مزرعه، تاریخ کاشت و میانگین عملکرد واقعی برای نواحی مختلف از مراکز تحقیقات کشاورزی استان چهارمحال- بختیاری و جهاد کشاورزی جمع آوری شد. داده­های اقلیمی: داده­های مربوط به یک دوره 20ساله بوده و شامل حداقل و حداکثر دمای روزانه، بارش ورطوبت نسبی هوا، تبخیر پتانسیل، ساعات آفتابی بصورت روزانه از کلیه ایستگاه­های هواشناسی پوشش دهنده منطقه مورد مطالعه جمع آوری گردید. پتانسیل تبخیرو تعرق نیز بر اساس روش پنمن –مونتیث و با استفاده از نرم افزار ET.Calculator بصورت روزانه محاسبه گردید(فائو 2009). داده­های خاک: بافت خاک، نقطه پژمردگی، وضعیت اشباع، ظرفیت زراعی، وزن مخصوص ظاهری، ماده آلی، شوری خاک،pH و سایر ویژگی های شیمیایی مورد نیاز از گزارش نیمه تفصیلی دشت های منطقه مورد مطالعه استخراج گردید(مهندیسن مشاوریکم 1379). داده­های گیاه زراعی: برای واسنجی و اعتبار سنجی مدل از آزمایش 3ساله انجام شده در مرکز تحقیقات کشاورزی شهرکرد و ایستگاه بروجن استفاده شد(صحراگرد 2006). مدل پس از واسنجی، توسط داده‌های حاصل از آزمایشات انجام شده در ایستگاه‌های تحقیقاتی(شهرکرد و بروجن) در شرایط بهینه رشد گندم (بدون محدودیت آب و عناصر غذایی و آفات و بیماریها) تعیین اعتبار شد.

شبیه سازی عملکرد پتانسیل گندم

 عملکرد پتانسیل برای یک دوره چند ساله برای شرایط پتانسیل و محدودیت آب شبیه سازی گردید و اختلاف بین آنها مورد تحلیل قرار گرفت.

اعتباریابی دقت مدل و ارزیابی آماری نتایج شبیه سازی مدل

ارزیابی قدرت مدل­های مختلف در پیش بینی با استفاده از دو شاخص جذر مجموع مربعات خطا (RMSE) و نیز ضریب رگرسیونی خطا مقادیر واقعی در برابر مقادیر پیش بینی شده انجام شد. شاخص RMSE را  از معادله زیر محاسبه می شود (معادله 3-1) (رینالدی 2003):

در این معادله Pi و Oi به ترتیب مقادیر پیش بینی شده و واقعی، n تعداد اندازه گیری واقعی اجزای گیاهی و O_mean میانگین مقادیر واقعی می­باشد. RMSE به صورت درصد اختلاف نسبی مقادیر پیش بینی شده در برابر مقادیر واقعی بیان می­شود. برای برازش معادلات و انجام محاسبات آماری، از نرم افزار Excel و SAS استفاده شد.

تحلیلی مکانی داده ها

در این پژوهش ز نقشه کاربری اراضی 75000/1 تهیه شده توسط اداره کل آمار و اطلاعات وزارت جهاد کشاورزی با اصلاحات جزئی و به هنگام سازی در حاشیه واحد های اراضی به عنوان لایه اطلاعاتی مبنی کاربری اراضی استفاده شد. نتایج حاصل ازشبیه سازی بصورت اطلاعات مکان دار به محیط ArcGIS وارد گردید (میرمحمدصادقی 1389). به منظور تخمین میزان عملکرد در سطح منطقه از تابع درونیابی Spline استفاده شد(وو و همکاران 2006). در این پژوهش برای تلفیق مدل با GIS از روش اتصال[5] استفاده شده است(دوی­ هارتکامپ و همکاران 1999). روش اتصال مدل با GIS به دو صورت مختلف انجام می شود: 1- ابتدا محاسبات و سپس درون یابی (CI) 2- ابتدا درون یابی داده ها و سپس محاسبات رستری (IC). نتایج تحقیقات انجام شده نشان داده روش اول (CI) دارای میانگین مربعات خطای کمتر بین مقادیر پیش بینی شده و مقادیر واقعی است،  لذا خطای مدل افزایش می یابد (وو و همکاران 2006). در این مطالعه از روش اول (ابتدا محاسبات و سپس درون یابی) استفاده شده است.با استفاده از روش هم­پوشانی ریاضی[6]، لایه رستری عملکرد در شرایط پتانسیل و لایه رستری محدودیت آب، میزان شکاف عملکرد ارزیابی و پهنه بندی گردید. با تطابق لایه های شکاف عملکرد و تناسب زراعت دیم و آبی، نقشه پهنه بندی آگرواکولوژیک گندم در منطقه مورد مطالعه ایجاد گردید.

نتایج و بحث

   نتایج تعیین اعتبار مدل برای عملکرد و زیست توده کل گندم رقم الوند در جدول1 نشان داده شده است. مدل WOFOST برآورد قابل قبولی برای هر دو متغیر به همراه داشت. مقادیر عملکرد مشاهده شده در محدوده 2/2 تا 2/6 بود. نتایج حاصل از آزمون Paired t-test دو دامنه-ای نشان داد بین مقادیر مشاهده شده عملکرد و زیست توده کل با مقادیر شبیه سازی شده آنها تفاوت معنی داری وجود ندارد(P>0.05). بر اساس نتایج حاصل از شبیه سازی مشخص شد میزان عملکرد شبیه سازی شده، برازش خوبی با مقادیر مشاهده شده داشت(شکل2). مقدار میانگین مربعات خطا برای هر دو متغیر در محدوده مطلوب قرار داشت و از 15 درصد تجاوزنکرد، بعلاوه شیب خط رگرسیون بین مقادیر مشاهده شده و پیش بینی شده برای عملکرد و زیست توده کل نیز با شیب خط 1:1 تفاوت معنی داری (05/0 > P) نشان نداد (جدول1). بر اساس شکل (2) نزدیک به 70درصد عملکرد و زیست توده کل در اطراف خط استاندارد(SE±) عملکرد مشاهده شده قرار دارد. همچنین ضریب تباین(R2) نیز هبستگی بالایی(R²>0.70) بین مقادیر شبیه سازی شده با مقادیر واقعی نشان می دهد. مدل WOFOST در بسیاری از مطالعات و در مناطق مختلف از جمله برای ارزیابی پتانسیل تولید و شبیه سازی رشد، عملکرد گندم در دشت های شمالی چین (وو و همکاران 2006) و روسیه(سوین و همکاران 1997) با موفقیت مورد استفاده قرار گرفته است. امیری و رضایی (2009) مدلWOFOST  را برای شبیه سازی رشد ونمو برنج مورد استفاده قرار دادند بر اساس نتایج ارزیابی آماری و گرافیکی مدل به منظور شبیه سازی بیوماس کل، بیوماس پانیکول و شاخص سطح برگ نتیجه گرفتند که مدل WOFOST در شبیه سازی بیوماس کل و بیوماس پانیکول از دقت مناسبی برخوردار است، ولی شاخص سطح برگ را به خوبی شبیه سازی نمی کند. به طور کلی نتایج مطالعه حاضر نیز نشان می‌دهد که مدل WOFOST،  قابلیت مطلوبی در تخمین پتانسیل عملکرد  گندم در منطقه مورد مطالعه داشته است.

پهنه بندی پتانسیل عملکرد

بر اساس نتایج حاصل از شبیه سازی در سطح منطقه مورد مطالعه، عملکرد پتانسیل از 2/2 تا4/6 تن در هکتار متغیر می‌باشد.  این نتایج نشان می‌دهد که دشت های مرکزی و شمال شرقی حوضه در مقایسه با نواحی جنوبی و غربی استعداد بیشتری در تولید گندم دارند(شکل3-الف). ماچو (1991) با انجام مطالعه‌ای در مورد ذرت، گندم و برنج نشان دادند که عملکرد پتانسیل این گیاهان بسته به اقلیم بسیار متنوع می‌باشد. نصیری و کوچکی(1388) با استفاده از مدل WOFOST پتانسیل تولید گندم را در استان خراسان 2/4 تا 8 تن در هکتار برآورد نمودند.

پهنه بندی عملکرد در شرایط محدودیت آب

درشکل (3-ب) مقادیر پیش بینی شده عملکرد گندم در شرایط محدودیت آب در مناطق مختلف حوضه مطالعاتی بروجن نشان داده شده است. بر اساس این نتایج عملکرد در شرایط محدودیت آب از4/2 تا 7/3 تن در هکتار متغیر می‌باشد. همچنین میزان زیست توده کل نیز از 11 تا 19 تن در هکتار متغیر است. توزیع مکانی عملکرد دانه و زیست توده کل، نشان می‌دهد که تنها دشت های جنوب شرقی حوضه (دشت امام قیس) در مقایسه با نواحی جنوبی و غربی از نظر خصوصیات اقلیمی استعداد تولید گندم را در شرایط محدودیت رطوبت یا دیم دارد. دشت های مرکزی(منطقه بلداجی) نیز نسبت به دشت های شمالی برای تولید گندم دیم وضعیت مطلوب تری دارند اما در مقایسه با منطقه امام قیس استعداد کمتری برای تولید گندم دیم دارد (شکل 3-ب). مارلتو و همکاران (2007) با استفاده از داده­های هواشناسی و مدل گیاهی شبیه سازی رشد گندم زمستانه (WOFOST) در شرایط محدودیت آب، عملکرد دانه و رشد گیاه را پیش بینی نمودند. عملکرد پیش بینی شده مطابقت زیادی با داده­های واقعی داشت. از نظر مؤلفان این مدل روش مناسبی برای پیش بینی عملکرد گندم خصوصاً در شرایط کمبود آب در مقیاس­های منطقه­ای و محلی می­باشد(بومن و همکاران1996 وبووگارد 1998 و سوین و همکاران1997 ).

تحلیل مکانی شکاف عملکرد

 بر اساس نتایج حاصل از پهنه بندی شکاف عملکرد، منطقه مورد مطالعه در سه پهنه مجزا قرار می گیرد(شکل4- الف). 1- پهنه­ای که میزان شکاف عملکرد کمتر از 4/2 تن در هکتار است2- پهنه ای که شکاف عملکرد بیش از 2/4 تن در هکتار است3- پهنه ای که شکاف عملکرد در آن بین 4/2 تا 2/4 تن در هکتار است. از همپوشانی نتایج حاصل از نقشه های تناسب اراضی زراعت دیم و آبی، عملکرد گندم در حالت پتانسیل و دیم، می توان به نقشه پهنه بندی آگرواکولوژیک برای سیستم های زراعی دیم و آبی، در منطقه دست یافت. این نقشه (شکل 4-ب)  علاوه بر ارایه سیستم های زراعی متناسب با هر پهنه، میزان افزایش عملکرد را در راستای تغییر کاربری یا تغییر سیستم زراعی را نیز نشان می دهد.

نتایج پهنه بندی آگرواکولوژیکی نشان می­دهد، الف) پهنه ای که مستعد زراعت دیم گندم است پهنه ای است که کمترین شکاف عملکرد بین پتانسیل و محدودیت آب را دارد (کمتر از4/2 تن در هکتار). ب) پهنه ای که مستعد زراعت آبی گندم است و تناسبی برای زراعت دیم ندارد پهنه ای است که بیشترین شکاف عملکرد بین حالت محدودیت آب و پتانسیل آب را دارد(بیشتر از 2/4تن در هکتار ). ج) پهنه سوم پهنه است که استعداد هر دو نوع سیستم زراعی آبی و دیم را دارد (شکاف عملکرد بین3/3-4/2 تن در هکتار). میزان خلاء یا شکاف عملکرد بین حالت پتانسیل و دیم در یبشتر مناطق حوضه مطالعاتی بیش از 4تن در هکتار می باشد. تحلیل علل شکاف عملکرد ایجاد شده در سیستم های زراعت آبی و دیم می تواند به استراتژی های بهینه برای بهبود عملکرد و کاهش شکاف عملکرد، کمک کند(کالدیز و همکاران 2002). یکی از مناسب ترین شاخص ها  برای تحلیل سیستم های دیم در یک منطقه، بررسی الگوی دوره رشد با استفاده از نمودار بیلان آبی یک منطقه است(تیلهام و همکاران 2006). نمودار بیلان آبی(شکل4) در ایستگاه بروجن نشان می دهد دوره مرطوب (دوره ای که میزان بارندگی از نصف میزان تبخیر و تعرق پتانسیل بالاتر است) (آتی و همکاران2002) با دوره سرما یا رکود زمستانه تطابق پیدا کرده است. دمای پایین در حین دوره بارش باعث ایجاد محدودیت دما در دوره مرطوب گردیده است. از طرفی همزمان با پایان دوره محدودیت دما، دوره بارش نیز به پایان رسیده و رطوبت ذخیره شده در خاک نیز در مدت کوتاهی بعد پایان دوره بارش از دست می رود (شکل 5) و گیاه در مراحل حساس تشکیل عملکرد با تنش شدید خشکی مواجه می گردد. دراین شرایط طول دوره ای که گیاه می­تواند با وجود رطوبت کافی، از تشعشع خورشیدی استفاده کند کاهش می یابد. آرایا و همکاران(2010) اظهار داشتند، مهمترین فاکتور تعیین کننده دوره رشد در مناطق نیمه خشک، بارش است. توزیع بارش در حین دوره رشد یا خارج از آن تعیین کننده شروع دوره رشد یا پایان آن است و به این صورت روی تناسب اقلیمی "دوره رشد" برای گیاهان زراعی مختلف تاثیر می گذارد. تغییرات 10 تا 20 روزه در طول دوره رشد در افزایش عملکرد گیاهان زراعی در شرایط دیم نقش عمده دارد(آرایا و همکاران2010). سایر محققین نیز گزارش کردند که در مناطق با اقلیم نیمه خشک طول دوره بارش نقش مهمی در عملکرد گیاهان زراعی دیم دارد، به طوری که بین میزان بارش با تبخیر و تعرق پتانسیل همبستگی بالایی وجود دارد (آتی و همکاران2002 و شارما و همکاران 2010).

شکل 5- نمونه میانگین الگوی بیلان آبی در ایستگاه بروجن