Ανάπτυξη μαθηματικού μοντέλου δυναμικής νερού και αλάτων και διερεύνηση υδατικής και ωσμωτικής καταπόνησης των φυτών σε συνθήκες αγρού:
Creators: name: Λεκάκης, Εμμανουήλ Η.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2014
Subjects: Μαθηματικό Μοντέλο
Αρδεύσεις
Ποιότητα Νερού
Αλατότητα Εδάφους
Mathematical Model
Irrigations
Water Quality
Soil Salinity

description: Αντικείμενο της διατριβής αποτελεί η διερεύνηση της συνδυασμένης επίδρασης ωσμωτικής και υδατικής καταπόνησης σε φυτά καλαμποκιού, με εφαρμογή πλήρων και μειωμένων δόσεων αρδευτικού νερού υψηλής περιεκτικότητας σε άλατα, σε συνθήκες αγρού. Η μελέτη της υδατικής και ωσμωτικής καταπόνησης των φυτών απαιτεί τη γνώση της κίνησης του νερού και της μεταφοράς μάζας στο έδαφος. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε ένα μαθηματικό μοντέλο για την πρόβλεψη της κίνησης του νερού και της μεταφορά μάζας στο έδαφος. Στο μοντέλο ενσωματώθηκαν συναρτήσεις μείωσης του περιοριστικού παράγοντα πρόσληψης του νερού εξαιτίας υδατικής, αλλά και ωσμωτικής καταπόνησης. Το μοντέλο προβλέπει τη μείωση της πρόσληψης του νερού και υπολογίζει την απόδοση της καλλιέργειας από το λόγο της πραγματικής προς τη μέγιστη διαπνοή. Στο μαθηματικό μοντέλο SWANS, ενσωματώθηκε μια πολύ σημαντική προσέγγιση της μείωσης στην πρόσληψη νερού των φυτών εξαιτίας της τοξικής δράσης των αλάτων. Η περίσσεια των αλάτων του Na+ και του Cl- στο έδαφος προκαλεί τη συσσώρευσή τους στους φυτικούς ιστούς με αποτέλεσμα τη νέκρωσή τους και την επακόλουθη μείωση στην πρόσληψη του νερού. Η τοξική δράση των αλάτων προστέθηκε στην ωσμωτική καταπόνηση υπό μορφή δυναμικού που υπολογίζεται αθροιστικά για όλο το βάθος του ριζοστρώματος. Για τη βαθμονόμηση και επιβεβαίωση του μαθηματικού μοντέλου SWANS, πραγματοποιήθηκαν τρία έτη πειραμάτων σε μεταχειρίσεις καλαμποκιού στις οποίες εφαρμοζόταν πλήρεις και μειωμένες δόσεις αρδευτικού νερού με τέσσερα επίπεδα ηλεκτρικής αγωγιμότητας (ECiw = 0.8, 1.6, 3.2 και 6.4 dSm-1), σε συνθήκες αγρού. Τα αποτελέσματα της υγρασίας, της ηλεκτρικής αγωγιμότητας, αλλά και της συγκέντρωσης των αλάτων (Ca2+, Mg2+, Na+, K+ και Cl-) στο έδαφος, κατά τα δύο πρώτα έτη, χρησιμοποιήθηκαν για τη βαθμονόμηση του μαθηματικού μοντέλου, ενώ τα δεδομένα του τελευταίου έτους χρησιμοποιήθηκαν για την επιβεβαίωση του μοντέλου. Από τις παρατηρήσεις της ανάπτυξης των φυτών καλαμποκιού (δείκτης φυλλικής επιφάνειας, παραγωγή ξηράς μάζας και απόδοση) προέκυψε ότι η εφαρμογή αρδευτικού νερού με ECiw = 1.6 dSm-1 δεν είχε επίδραση στα φυτά, κατά τα τρία έτη. Η εφαρμογή αρδευτικού νερού με ECiw = 3.2 dSm-1 δεν είχε επίδραση κατά το πρώτο έτος, ενώ το δεύτερο και τρίτο έτος, η απόδοση μειώθηκε σημαντικά, εξαιτίας της συσσώρευσης των αλάτων στο έδαφος και της ωσμωτικής και ιοντικής καταπόνησης. Η εφαρμογή αρδευτικού νερού με ECiw = 6.4 dSm-1 είχε μεγάλη επίδραση τόσο κατά το πρώτο, όσο και κατά το δεύτερο έτος εφαρμογής, στην ανάπτυξη, αλλά κυρίως στην απόδοση του καλαμποκιού. Το μοντέλο προέβλεψε ιδιαίτερα ικανοποιητικά την κίνηση του νερού στο έδαφος, την ηλεκτρική αγωγιμότητα και τη συγκέντρωση των ιόντων Ca2+, Mg2+, Na+ και Cl- του εδαφικού διαλύματος. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα του μοντέλου και τις μετρήσεις προέκυψε ότι η χρήση αρδευτικού νερού με ECiw = 3.2 και 6.4 dSm-1 προκάλεσε αλάτωση, αλλά όχι νατρίωση του εδάφους. Η πρόβλεψη της πρόσληψης των κατιόντων από τα φυτά καλαμποκιού ήταν ιδιαίτερα ικανοποιητική.
description: The objective of this study was the investigation of the combined water and osmotic stress effects on water uptake, growth and yield of corn plants, under full and deficit irrigation with saline waters, in field conditions. The prediction of crop response to soil water and soil salinity requires determination of salt and water movement through the soil profile. For this purpose a mathematical model was developed for the prediction of soil water flow and mass transport. A root water uptake reduction function due to water and osmotic stress was incorporated in the model. The multiplicative approach was used to describe the combined matric and osmotic effects on plant water uptake. The actual and relative yield of corn is estimated by the model as the sum of the actual water uptake divided by the sum of the maximum water uptake. A very important approach was incorporated in the model, to account for the toxic effects of Na+ and Cl- salts on plant water uptake reduction. The excess concentrations of Na+ and Cl- in the soil solution can cause accumulation of these salts to toxic concentrations in the old leaves of plants, the subsequent wilting and reduced water uptake. For the calibration, validation and evaluation of the model to describe soil water content, concentrations of individual ions (Ca2+, Mg2+, Na+, K+ and Cl-) and the overall salinity given by the ECsw, field experiments were carried out in maize treatments for three consecutive years under full and deficit irrigation with saline waters of four levels of water salinity (0.8, 1.6, 3.2 και 6.4 dSm-1). The measurements of plant development indices (leaf area index, dry matter production and yield) revealed that the application of irrigation water with ECiw = 1.6 dSm-1 had no effect on corn plants during the three years. The application of irrigation water with ECiw = 3.2 dSm-1 had no effects on corn plants during the first year but the reduction in corn yield was significant during the second and third years, because of the accumulation of salts in the soil and the osmotic and ionic effects on plant water uptake. The application of irrigation water with ECiw = 6.4 dSm-1 reduced growth and corn yield significantly during the first and second year. Visual inspection and the obtained RMSE values suggest relatively good overall correspondence between measured data and model results of the soil water content, the soil solution electrical conductivity and the concentration of soluble Ca2+, Mg2+, Na+ and Cl-. The model predicted that the use of saline irrigation waters with ECiw = 3.2 dSm-1 and 6.4 dSm-1 caused severe soil salinization but not sodification of the treatments. Passive cation uptake mechanism was also described successfully by the model.