SUPERVISOR
Mohammad Reza Mosaddeghi,Mohamad Shayannejad,Mahdi Gheysari
محمدرضا مصدقی (استاد مشاور) محمد شایان نژاد (استاد راهنما) مهدی قیصری (استاد مشاور)
STUDENT
AFSANEH EBRAHIMI alavije
افسانه ابراهیمی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Simulation of the Biochar Effect on Wetting Patterns in Surface Drip Irrigation Using HYDRUS-3D Model
Nowadays, due to limited water resources of the country and the dominance of agricultural water use, it is necessary to save water and use suitable methods in water scarcity condition and to improve soil physical properties. In recent decades, the use of pressurized irrigation systems is widespread due to high their efficiency and performance, and they have been frequently used for most trees and field crops. Wetting pattern in a trickle irrigation system is one of the most important characteristics that should be taken into consideration for designing the irrigation systems. Besides, the use of coal produced from plant biomes and agricultural wastes (i.e., biochar) as a soil amendment has been recently attracted much attentions. Biochar could improve the soil physical properties through increasing of soil porosity, aggregate stability, water holding capacity and specific surface, improved gas exchange, and reduced bulk density. The objective of this study was to investigate the effect of rice husk and its biochar application on the wetting pattern under surface trickle irrigation in two soil textures of silty clay and loam. The soil water traort and wetting pattern were also simulated by HYDRUS-2D/3D model. The rice husk and its biochar were added to the soils at the rates of 0, 1 and 2 mass percentages. Experiments for monitoring the wetting front were carried out in a physical model with length of 200, width 50 and height of 100 cm, which was filled up to a height of 50 cm by the soil. In order to investigate the effect of treatments and their levels on the wetting pattern, the experiments were carried out at a flow rate of 4 L/h with constant irrigation time and three replications. Then, the soil physical and chemical properties were measured in the treated soils. The results indicated that organic treatments increased the soil organic carbon content and water repellency, and as a consequence the soil structure and physical quality were improved. The organic carbon content and water repellency in the silty clay soil were greater than those in the loam soil. Amendment type significantly affected saturated hydraulic conductivity, organic carbon content and water repellency in both soils. The increment in amendment rate increased the organic carbon content and water repellency in both soils. The increment in amendment rate reduced saturated hydraulic conductivity in the loam soil but increased it in the silty clay soil. Organic treatments increased the soil water content in the range of field capacity to permanent wilting point; the highest increase was observed for the biochar 2% treated soil. Moreover, the addition of organic materials in the silty clay soil reduced the horizontal advance and increased the vertical advance of the wetting front. However, in the loam soil it increased the horizontal advance and decreased the vertical advance of the wetting front. Performance of HYDRUS-2D/3D model for simulating the soil water traort was evaluated based on the statistics of coefficient of determination (R2), root mean square error (RMSE) and normalized root mean square error (NRMSE). The values of R2, RMSE and NRMS in all the treatments and in both soils were above 80%, less than 5 cm and less than 20%, respectively. Overall, it can be concluded that the addition of rice husk and its biochar increased the soil water holding capacity and altered the wetting pattern in the soil. In addition, the results showed that the HYDRUS-2D/3D model has a great potential in simulation of soil wetting pattern as affected by organic material treatments. Key words Wetting pattern, Trickle irrigation, Biochar, Rice husk, Soil physical properties, Numerical simulation, HYDRUS-2D/3D.
امروزه با توجه به محدودیت منابع آب کشور و سهم غالب بخش کشاورزی در مصرف آب، ضرورت صرفهجویی و استفاده از روشهای مناسب در شرایط کمبود آب و بهبود ویژگیهای فیزیکی خاک امری مهم تلقی میشود. در چند دهه اخیر استفاده از سیستمهای آبیاری تحتفشار به دلیل کارایی زیاد و امکان اجرا در غالب شرایط و برای اکثر گیاهان باغی و زراعی در ایران توسعه فراوانی یافته است. پیاز رطوبتی در آبیاری قطرهای از ویژگی های مهمی است که در هنگام طراحی باید موردتوجه قرار گیرد. از طرفی استفاده از زغال تهیهشده از زیستتودههای گیاهی و ضایعات کشاورزی (بیوچار) بهعنوان یک ماده اصلاحکننده خاک اخیراً توجه زیادی به خود جلب کرده است. بیوچار از طریق افزایش تخلخل خاک، پایداری ساختمان، نگهداری آب، افزایش سطح ویژه، تسهیل تبادلات گازی و کاهش چگالی ظاهری خاک باعث بهبود کیفیت فیزیکی خاک میشود. هدف از انجام این پژوهش بررسی تأثیر ماده اصلاحکننده شلتوک برنج و بیوچار آن بر جبهه رطوبتی خاک تحت آبیاری قطرهای سطحی در دو نوع خاک رسی سیلتی و لوم و شبیهسازی آن با مدلHYDRUS-2D/3D بود. شلتوک برنج و بیوچار آن در دو سطح 1 و 2 درصد وزنی به خاک افزوده شد. آزمایشها برای جمعآوری دادههای موردنیاز برای بررسی پیشروی جبهه رطوبتی درون یک مدل فیزیکی به طول 200، عرض 50 و ارتفاع 100 سانتی متری که تنها تا ارتفاع 50 سانتیمتری آن از خاک پر شده بود، انجام شد. به منظور بررسی اثر تیمارها و سطوح آنها بر ابعاد جبهه رطوبتی، آزمایشها تحت دبی 4 لیتر در ساعت با زمان آبیاری 3 ساعت و در سه تکرار انجام شد. سپس برخی از ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی خاک در تیمارهای مورد بررسی اندازهگیری شد. نتایج نشان داد که تیمارهای آلی با افزایش ذخیره کربن آلی و شاخص آب گریزی، سبب بهبود کیفیت فیزیکی و ساختمان خاک شدند. در خاک رسی سیلتی، مقدار کربن آلی و شاخص آب گریزی بیش تر از خاک لوم بود. نوع تیمار آلی اثر معنیداری بر برخی ویژگیها مانند هدایت هیدرولیکی اشباع، کربن آلی و شاخص آب گریزی در هر دو خاک داشت. افزایش مقدار کاربرد اصلاحکننده آلی سبب افزایش کربن آلی و شاخص آب گریزی در هر دو خاک و کاهش هدایت هیدرولیکی اشباع در خاک لوم و افزایش آن در خاک رسی سیلتی گردید. حضور تیمارهای آلی سبب افزایش رطوبت خاک در دامنه رطوبتی گنجایش زراعی تا نقطه پژمردگی دائم شدند که این افزایش در تیمار بیوچار دو درصد نسبت به تیمارهای دیگر بیش تر بود. همچنین افزودن مواد آلی در خاک رسی سیلتی سبب کاهش پیشروی افقی و افزایش پیشروی عمودی و در خاک لوم سبب افزایش پیشروی افقی و کاهش پیشروی عمودی جبهه رطوبتی شد. عملکرد نرمافزار HYDRUS-2D/3D برای شبیه سازی حرکت آب در خاک بر اساس آماره های ضریب تبیین (R 2 )، جذر میانگین مربعات خطا (RMSE) و جذر میانگین مربعات خطای نرمال شده (NRMSE) ارزیابی شد. مقادیر R 2 ، RMSE و NRMSE در تمام تیمارها و در هر دو خاک به ترتیب بیش تر از 80 درصد، کم تر از 6 سانتیمتر و کم تر از 20 درصد به دست آمد. درمجموع میتوان گفت افزودن شلتوک برنج و بیوچار آن سبب افزایش ظرفیت نگهداشت آب خاک و تغییر الگوی جبهه رطوبتی در خاک گردید. همچنین نتایج نشان داد که HYDRUS-2D/3D دارای توانایی خوبی در شبیهسازی الگوی رطوبتی خاک تحت تأثیر تیمارهای مواد آلی است. کلمات کلیدی : پیاز رطوبتی، آبیاری قطرهای، بیوچار، شلتوک برنج، ویژگیهای فیزیکی خاک، شبیهسازی، HYDRUS-2D/3D