مقاله کامل تبخير تعرق و نياز آبياري

تبخير – تعرق و نياز آبياري
سيستم آب – خاك – گياه – اتمسفر
رابطه بين آب و خاك و گياه و اتمسفر را مي‌توان به اين صورت توصيف كرد كه گياه براي زنده ماندن نياز به آب دارد و آب به صورت ذخيره در خاك موجود است. اتمسفر انرژي لازم براي گياه را تأمين مي‌كند تا بتواند آب مورد نياز خود را از خاك دريافت كند. اين فرايندهاي به ظاهر ساده در يك سيستم بسيار پيچيده و مرتبط صورت مي‌گيرد كه به آن زنجيره آب – خاك – گياه – اتمسفر گفته مي‌شود. هر يك از عناصر اين زنجيره متأثر از اجزاء ديگر بوده و بر ساير عناصر نيز اثر مي‌گذارد. بطوري كه هيچ فرايندي از آن را نمي توان به صورت ساده و مستقل در نظر گرفت و اگر عملا گاهي اوقات از فرايندهاي جداگانه اي مانند تعرق، جذب، تبخير و يا امثال آن بحث مي‌شود فقط از نظر ساده كردن موضوع و تبيين آن مي‌باشد.
گياه در مناطق خشك و نيمه خشك كه مسأله كمبود آب يكي از معضلات كشاورزي مي‌باشد تعرق اساسي ترين فرايندي است كه در زنجيره آب – خاك – گياه – اتمسفر صورت مي‌گيرد. حدود 90درصد اجزاء فعال گياه از آب تشكيل شده و بيش از 99درصد مصرفي گياه مصرف تعرق و تبخير مي‌شود. تعرق فرايندي است كه طي آن آب از طريق روزنه هاي گياه تبديل به بخار شده و از آن خارج مي‌شود. تعرق زماني انجام مي‌شود كه فشار بخار آب در داخل گياه بيشتر از فشار بخار آب در هواي مجاور بوده و روزنه ها نيز باز باشند تا دي اكسيدكربن بتواند براي انجام فتوسنتز وارد گياه شود. بنابراين هر زمان كه روزنه ها باز باشند ولو اين كه در داخل خود برگ و يا در حد فاصل برگ و هواي مجاور مقاومت هايي صورت بگيرد، عمل تعرق انجام مي‌پذيرد. مگر اين كه مقدار اين مقاومت ها بسيار زياد باشد.
اگر فشار بخار آب در داخل برگ را با علامت eleaf، فشار بخار آب در هواي مجاور برگ را با eair، مقاومت در برابر حركت بخار آب در داخل روزنه ها را با rair نشان دهيم در اين صورت سرعت يا ميثزان تعرق (T) برابر خواهد بود با:
مقاومت هوا در برابر خروج بخار آب عمدتا بستگي به حركت هوا در لايه مجاور برگ داشته و اگر هواي مجاور برگ ساكن باشد اين مقاومت به دليل اشباع شدن سريع از بخار آب زياد شده و تعرق يكباره كاهش مي‌يابد. به همين دليل يكي از سازگاري هاي گياه با كم آبي كرك دار شدن سطح برگهاست تا بدين وسيله هوا در بين كركها محبوس و ساكن شود اما هنگامي كه هوا به سادگي در حد فاصل برگ و هوا جريان داشته باشد تعرق نيز جريان پيدا مي‌كند. اما مقاومت روزنه ها (rleaf) در برابر جريان بخار آب يك خصوصيت فيزيولوژيكي است كه توسط خود گياه كنترل مي‌شود. مثلا برخي از گياهان بر سلولهاي روزنه كنترل داشته و در مواقع لزوم آن را باز و بسته مي‌كنند.
همزمان با خروج آب از برگها، گياه آب را از طريق ريشه ها جذب مي‌كند تا آبي كه در اثر تعرق از دست رفته است جبران شود. براي اين منظور آب در داخل خاك به سمت ريشه ها حركت نموده و پس از وارد شدن به داخل گياه از طريق آوندها به برگها مي‌رسد. حركت آب از خاك به داخل ريشه و سپس از ريشه به برگ در اثر اختلاف پتانسيل بين خاك و برگ است. ميزان جريان آب طي اين فرايند عبارت است از:
كه در آن
Q = سرعت جريان آب از خاك بطرف برگها
= پتانسيل كل آب در داخل برگ كه مجموع پتانسيل آماس (فشاري) سلولهاي برگ ( ) و پتانسيل اسمزي ( ) در برگ است.
= پتانسيل كل آب در خاك، شامل ماتريك و اسمزي
rplant = مقاومت در برابر جريان آب در داخل گياه مشتمل بر مقاومت در داخل ريشه ها، مقاومت درداخل آوندها و مقاومت در برگها.
rsoil = مقاومت در برابر جريان آب در داخل خاك.
با خارج شدن آب از خاك، رطوبت كاهش يافته و پتانسيل كل آن ( ) كاهش پيدا مي‌كند. در اين وضعيت ضريب هدايت موئينگي خاك با درصد رطوبت رابطه مستقيم دارد كاهش يافته و در نتيجه مقاومت خاك (rsoil) افزايش پيدا مي‌كند. كاهش و افزايش rsoil باعث مي‌شود كه آب كمتري داخل گياه شده و با كم شدن آماس سلولها، پتانسيل آب برگ ( ) نيز كاهش يابد. با كم شدن سرانجام روزنه ها بسته شده و مقاومت در برابر خروج آب در برگ (rleaf) افزايش و نهايتا براساس معادله 8-1 سرعت تعرق كاهش پيدا مي‌كند. چون گازكربنيك نيز از همان مسير وارد گياه مي‌شود اين عمل باعث كاهش ورود آن نيز شده و مقدار فتوسنتز كه در.اقع كميت و كيفيت محصول است تقليل پيدا مي‌كند.
خاك در زنجيره « آب – خاك – گياه – اتمسفر » خاك را مي‌توان مخزني دانست كه آب را موقتا در خود ذخيره كرده و سپس به تدريج در اختيار گياه قرار مي‌دهد. نيروهاي موئينه اي و جاذبه خاك كه به نام نيروهاي ماتريك (matric) معروفند مقدار قابل توجهي آب را در داخل منافذ خاك نگهداري مي‌كنند.نيروهاي موئينه اي به دليل چسبندگي ذرات خاك با آب و كشش سطحي مولكولهاي آب بوجود مي‌آيد و نيروهاي جاذبه اي به دليل بار منفي سطح ذرات رس است كه بخش مثبت مولكولهاي قطبي آب را بخود مي‌چسباند. براي اين كه آب بتواند در خاك جريان پيدا كند بايد نيرويي كه آب را به طرف ريشه مي‌كشاند بر اين نيروها غلبه نمايد. حداقل نيروي لازم براي استخراج آب بستگي به رطوبت خاك و نوع خاك دارد. منحني مشخصه رطوبتي خاك كه رابطه بين درصد رطوبت خاك و پتانسيل آب مي‌باشد نشان دهنده آن است كه با يك نيروي معين چه مقدار آب مي‌توان از خاك استخراج كرد.
اتمسفر انرژي لازم براي گياه به منظور تأمين آب مورد نياز از خاك توسط اتمسفر تأمين مي‌شود. چنانچه روزنه ها باز باشند و آب نيز محدود نباشد وضعيت اتمسفر عامل كنترل كننده سرعت تعرق است. مهمترين پارامتر در اين مورد دما و رطوبت است. بالا بودن دما باعث افزايش تعرق و مرطوب بودن هوا موجب كاهش آن مي‌شود. عامل مهم ديگر سرعت باد است كه باعث مي‌شود بخار آب تجمع يافته در سطح برگها از محيط خارج شده و اختلاف فشار بخار بين گياه و هوا را تشديد نمايد. البته بايد توجه داشت كه اتمسفر خود فاقد انرژي است و كليه انرژي هاي آن توسط تابش خورشيد تأمين مي‌شود كه از طريق اتمسفر برگياه اعمال مي‌گردد.
اگر يك دوره زماني مشخص، مثلا يك شبانه روز، را در نظر بگيريم معادله بيلان انرژي خورشيد در آن بصورت زير خواهد بود.
Rn = (1-a)Rs + I1-I2
كه در آن:
Rn = انرژي خالص وارد شده به سطح زمين
Rs = انرژي ورودي به سطح زمين بصورت طول موج كوتاه
I1 = انرژي ورودي به سطح زمين بصورت طول موج بلند
I2 = انرژي خارج شده از سطح زمين بصورت طول موج بلند
a = ضريب بازتاب تابش (albedo)
ضريب بازتاب تابش بستگي به خصوصيات فيزيكي سطح زمين و پوشش آن دارد. براي پوششهاي گياهي اين مقدار معمولا 25/ در نظر گرفته مي‌شود.
با توجه به معادله فوق كه در آن انرژي خالص خورشيد توصيف گرديد، مقدار تابش خالصي كه به سطح زمين مي‌رسد به سه قسمت اساسي تقسيم مي‌شود. بخشي از اين انرژي در صورت وجود آب و پوشش گياهي صرف تبخير (يا تبخير – تعرق)، بخشي صرف گرم كردن هوا و بخش ديگر بمصرف گرم كردن زمين مي‌رسد.
Rn = E + H + G
كه در اين معادله
Rs = تابش خالص خورشيدي
E = تبخير يا تبخير – تعرق
H = گرماي محسوس كه صرف گرم كردن هوا مي‌شود
G = مقدار انرژي كه صرف گرم كردن زمين مي‌شود
اين كه چه مقدار از انرژي خالص بمصرف هر كدام از اجزاء سه گانه فوق گردد بستگي به شرايط آب و هوايي و موجوديت آب در سطح زمين دارد. در شكل 8-1 بيلان اندازه گيري شده انرژي در سه وضعيت آب
و هوايي در طي يك شبانه روز، از طلوع خورشيد تا طلوع روز ديگر، نشان داده شده است. در اين جا مشاهده مي‌شود كه به دليل وجود رطوبت براي تبخير – تعرق، توزيع انرژي بين E ، H و G بطور متعادل صورت مي‌گيرد. مقدار بيشتري صرف تبخير – تعرق، مقداري صرف گرم كردن هوا و بخش كمتري بمصرف گرم شدن زمين مي‌شود. در يك سطح پوشيده از چمن در آب و هواي گرم و خشك آريزونا نه تنها تمام انرژي صرف تبخير – تعرق مي‌گردد بلكه به دليل اثر واحه اي (oasis effect) كه باعث انتقال گرما از اطراف نيز مي‌شود، انرژي صرف شده براي تبخير حتي بيش از مقدار انرژي خالص خورشيدي در منطقه است. حال آنكه در يك منطقه بدون آب مانند سطح درياچه خشك الميراژ در جنوب كاليفرنيا كل انرژي خورشيد باعث گرم شدن هوا و سپس گرم كردن خاك مي‌گردد. آنچه در ر.ابط آب و خاك و گياه از نظر ما حائز اهميت است مقدار انرژي است كه فرايند تبخير – تعرق را موجب مي‌گردد.

شكل 8-1 تغييرات روزانه اجزاء بيلان انرژي در سه شرايط آب و هوايي مختلف
تبخير – تعرق در پوشش هاي گياهي
در زنجيره آب، خاك – گياه – اتمسفر آب مستقيما از سطح خاك و يا توسط گياه به داخل اتمسفر وارد مي‌شود. انتقال آب از سطح خاك به هوا را تبخير (evaporation) و خارج شدن آن از گياه را تعرق (transpiration) گويند. اين دو پديده هر دو ماهيت تبخيري داشته و چون تفكيك آنها از يكديگر امكان
پذير نمي باشد مجموعا به نام تبخير – تعرق (evapo-transpiration) در نظر گرفته شده و با علامت ET نشان داده مي‌شود. در كشاورزي آب مورد مصرف زراعت (CONSUMPTIVE Use ,CU) به مجموع مقدار تبخير در سطح خاك و مقدار آبي گفته مي‌شود كه توسط ريشه هاي گياه از خاك جذب مي‌شود. بنابراين اختلاف ET و CU تنها در مقدار آبي است كه صرف فتوسنتز و انتقال مواد در داخل گياه مي‌شود و يا در ساختمان اسكلت گياه به كار رفته است. چون اين مقدار در قياس به تعرق بسيار ناچيز است، عملا تبخير – تعرق با آب مورد مصرف در زراعت برابر در نظر گرفته مي‌شود.
منظور از تعيين تبخير – تعرق برآورد مقدار آبي است كه بايد به يك پوشش زراعي داده شود تا در طول دوره رويش صرف تبخير و تعرق نموده و بدون آنكه با تنش آبي مواجه شود رشد خود را تكميل نموده و حداكثر مقدار محصول را توليد كند. از جايي كه عوامل بسيار زيادي در تبخير – تعرق دخالت دارند برآورد تبخير – تعرق اگر نتوان گفت كه غير ممكن است كاري است بسيار مشكل. روشهايي كه براي تخمين تبخير – تعرق بكار برده مي‌شود در دو گروه اصلي قرار مي‌گيرند كه عبارتند از: روشهاي مستقيم و روشهاي محاسبه اي. در روشهاي مستقيم بخش كوچك و كنترل شده اي از مزرعه را مجزا كرده و مقدار تبخير و تعرق در يك دوره زماني مستقيما اندازه گيري مي‌شود. حال آنكه در روشهاي محاسبه اي كه مي‌توان آنها را به روشهاي غير مستقيم دانست از عوامل مختلف اقليمي و گياهي استفاده شده و از روي ارتباط آنها با تبخير – تعرق و معادله هايي كه قبلا با روشهاي مستقيم واسنجي شده اند تبخير – تعرق پوشش گياهي مورد نظر تخمين زده مي‌شود. همانطور كه گفته شد هيچ كدام از اين روش را نمي توانند تبخير – تعرق را به طور دقيق برآورد نمايند ولي برخي از آنها در بعضي مناطق نتايجي را به دست مي‌دهند كه بيشتر با واقعيت مطابقت دارند. از نظر عملي روشي مطلوب است كه والا آسان بوده و ثانيا نتايج حاصله از آن واقعي تر باشد.
روشهاي مستقيم تعيين تبخير – تعرق
معمول ترين روش مستقيم تعيين تبخير – تعرق استفاده از اصل بيلان جرمي در يك حجم كنترل شده از خاك است. براساس اين اصل:
= جريان خروجي – جريان ورودي = AS
كه در آن جريان ورودي و خروجي به مقدار كل آبي گفته مي‌شود كه طي يك دوره زماني مشخص مثل يك ساعت يا يك روز و يا يك ماه به حجم معيني از خاك وارد و يا از آن خارج مي‌شود و معمولا بر حسب ميليمتر توصيف مي‌شوند. ساير علائم معادله عبارتند از: AS = تغيير رطوبت در حجم كنترل شده خاك در طي دوره زماني مشخص كه بر حسب سانتيمتر يا ميليمتر توصيف مي‌گردد.
Drz = عمق توسعه ريشه ها (سانتيمتر)
= رطوبت حجمي خاك در شروع دوره مورد نظر (اعشار)
= رطوبت حجمي خاك در انتهاي دوره مورد نظر (اعشار)
در شكل 8-2 عواملي كه ممكن است بر مقادير جريان ورودي و خروجي موثر باشند نشان داده شده است. براساس اين شكل مي‌توان نوشت:
I + P + SFI + LI + GW = جريان ورودي
ET + RO + LO + L + DP = جريان خروجي
در اين معادله ها:
I = آبياري (سانتيمتر)
P = بارندگي (سانتيمتر)
SFI = جريان سطحي ورودي به صرف خاك (سانتيمتر)
LI = جريان زير سطحي كه وارد حجم خاك مي‌شود (سانتيمتر)
GW = مقدار آبي كه از زير زمين ممكن است وارد حجم خاك شود (سانتيمتر)
ET = تبخير – تعرق (سانتيمتر)
RO= روآناب سطحي كه از زمين خارج مي‌شود (سانتيمتر)
LO = جريان آب زير سطحي كه از زمين خارج مي‌شود (سانتيمتر)
L = نياز آبشوئي مقدار آبي كه بايد از زمين خارج شود تا شوري خاك از درصد مورد افزايش پيدا نكند (سانتيمتر)
DP = نفوذ عمقي (جريان خروجي آب از خاك كه مازاد بر نياز آبشوئي صورت مي‌گيرد، (سانتيمتر)
همانطور كه ملاحظه مي‌شود در اين معادله ها تمام عناصر داراي بعد طول بوده و از روي آنها مي‌توان تبخير – تعرق (ET) را بدست آورد.
ET = I + P + SFI + LI + GW – RO – LO – L – DP – D در معادله فوق الزاما نبايد براي هركدام از عناصر عدد مشخصي وجود داشته باشد و اگر برخي از پارامترها وجود نداشته باشد به جاي آن صفر منظور مي‌شود. معادله مذكور را مي‌توان در مقياس بزرگ و در سطح مزرعه بكار برد براي اين منظور رطوبت خاك در ابتدا و انتهاي دوره معيني اندازه گيري و مقادير آب ورودي و خروجي از زمين نيز اندازه گيري و ازروي آنها با استفاده از معادله 8-8 تبخير – تعرق تخمين زده مي‌شود. در مقياس كوچك ساده ترين وسيله لايسيمتر (lysimeter) است. لايسيمتر يك تانك با ابعاد مشخص است كه در داخل خاك قرار گرفته و لذا امكان اعمال معادله 8-8 در آن وجود دارد. لايسيمتر از نظر هيدرولوژي بخش مجزا و كنترل شده اي از خاك است كه پارامترهاي SFI، LI و LO در آن حذف شده و GW، RO، L و DP يا قابل اندازه گيري بوده و يا حذف مي‌شود.

بنابراين با اندازه گيري مي‌توان ET را بدست آورد. تعيين AS در لايسي مترها متفاوت است. برخي لايسي مترها وزني بوده و مي‌توان AS را از روي وزن كردن تانك بدست آورد اما در لايسي مترهاي غير وزني تعيين AS با اندازه گيري رطوبت انجام مي‌شود شكل هاي 8-3 و 8-4 دو نوع لايسي متر وزني و غير وزني را نشان مي‌دهند. در لايسي مترهاي وزني علاوه بر تانك محتوي خاك و گياه، تانك دومي نيز وجود دارد كه آزادانه در داخل تانك اول حركت مي‌كند. تانك دوم روي ترازويي (loadcells) قرار گرفته و از روي افزايش يا كاهش وزن تانك مي‌توان تغييرات روطوبت و در نتيجه تغييرات ذخيره آب در تانك را بدست آورد. در اين لايسي مترها تمهيدات لازم براي خارج ساختن و اندازه گيري DP و L نيز در نظر گرفته شده است اما لايسي مترهاي غير وزني فاقد اين امكانات مي‌باشد. لاسي مترها گرچه وسايل دقيقي براي اندازه گيري تبخير – تعرق مي‌باشند اما مشكلات احداث و هزينه نسبتا زياد لايسي مترها مانع از كاربرد عمومي آنها مي‌شود و لذا از اين وسايل بيشتر در كارهاي تحقيقاتي و يا واسنجي ديگر روشهاي تخمين ET استفاده مي‌شود.
روشهاي محاسباتي تعيين تبخير – تعرق
روشهاي غير مستقيم تعيين تبخير – تعرق كه به /انها روشهاي محاسباتي گفته مي‌شود همگي براساس فرمول زير استوارند:
ET = Kc ETo
كه در آن:
ET = تبخير – تعرق گياه مورد نظر
ETo = تبخير – تعرق پتانسيل (تبخير – تعرق گياه مرجع)

فایل : 38 صفحه

فرمت : Word