Transcript MONICA The Model for Nitrogen and Carbon in Agro-ecosystems Maryam Shafiei معرفی مدل • مدلی پویا که انتقال کربن ، نیتروژن و آب را در.

MONICA
The Model for Nitrogen and Carbon in Agro-ecosystems
Maryam Shafiei
1
‫معرفی مدل‬
‫• مدلی پویا که انتقال کربن‪ ،‬نیتروژن و آب را در اکوسیستم کشاورزی تشریح می کند‪.‬‬
‫• در گام های زمانی روزانه مهم ترین فرآیندها در خاک و گیاه مدل می شوند‪.‬‬
‫• یک بعدی کار می کند و نشان دهنده سطح یک متر مربع و عمق ‪ 2‬متری است‪.‬‬
‫‪2‬‬
‫توانمندی مدل‬
‫• محاسبه کربن برگشتی به خاک و نیتروژن مشتق شده از ماده آلی خاک‬
‫• بررس ی تاثیر غلظت ‪ CO2‬اتمسفر بر فتوسنتز و تعرق گیاه‬
‫• اندازه گیری رطوبت خاک‪ ،‬مقادیر کربن و نیتروژن‪ ،‬عملکرد محصول‬
‫• محاسبه معدنی شدن نیتروژن از بقایای محصول یا کودهای آلی‪ ،‬نیتریفیکاسیون (تولید نیترات)‪ ،‬دنیتریفیکاسیون (نیترات زدایی) و‬
‫خروج ‪ CO2‬از خاک‬
‫• محاسبه شارژ پتانسیلی آب زیرزمینی‪ ،‬تبخیر تعرق محصول و آبشویی نیترات به الیه های عمیق تر خاک‬
‫• بررس ی پویایی جرم میکروبی خاک‬
‫• این مدل به کوددهی و دور آبیاری خودکار مجهز شده‪ ،‬که مدل را قادر می سازد تا هنگامی که شرایطی به تدریج در حال تغییرند‪،‬‬
‫اجرای مدل با سناریوهای بلندمدت بدون نیاز به تنظیم مدیریت مجازی محصول صورت گیرد‪.‬‬
‫‪3‬‬
‫توسعه مونیکا‬
‫• جانشین مدل ‪ HERMES‬است )‪ HERMES ،(Kersebaum 1989‬مدل نیتروژن خالص است‪ ،‬باید‬
‫مدلی که پاسخ به تغییرات کربن تحت شرایط تغییراقلیم را نشان دهد‪ ،‬بر این اساس )‪)Nendel,2011‬‬
‫مدل ‪ MONICA‬را توسعه داد‪.‬‬
‫• در این مدل الگوریتم ساده برای محاسبه معدنی شدن نیتروژن از ماده آلی خاک از مدل ‪ DAISY‬گرفته‬
‫شده است‪.‬‬
‫• با به کار گیری این الگوریتم افزایش فتوسنتز‪ ،‬بهبود کارایی مصرف آب و رشد محصوالت تحت افزایش‬
‫‪ CO2‬می تواند بر طبق مشاهدات به دست آمده از آزمایش غنی سازی کربن هوای آزاد شبیه سازی شود‪.‬‬
‫‪4‬‬
‫کاربرد مدل‬
‫•‬
‫‪ MONICA‬تا کنون در سه پروژه مهم پژوهش ی استفاده شده است ‪:‬‬
‫• در پروژه ‪ LandCaRe 2020‬مربوط به تاثیر تغییراقلیم بر کشاورزی آملان‬
‫• پروژه ‪ CarBioCial‬کاربری اراض ی سه منطقه در جنوب آمازون (برزیل)‪ ،‬جهت مدیریت زمین‬
‫در شرایط تغییراقلیم‬
‫• پروژه ‪ EVA2‬استفاده از کشت متناوب برای تولید انرژی‪ .‬مدل برای ارزیابی تاثیر انرژی کشت‬
‫بر محیط به ویژه تغذیه آب زیرزمینی و شستشوی کود نیتروژنه استفاده شد‪.‬‬
‫‪5‬‬
‫زیرمدل ها‬
‫‪ ‬زیر مدل کنترل مرکزی مدیریت محصول‬
‫•‬
‫کشت‬
‫•‬
‫کوددهی‬
‫•‬
‫آبیاری‬
‫•‬
‫برداشت‬
‫•‬
‫شخم پس از برداشت‬
‫‪ ‬زیر مدل های موضعی‬
‫•‬
‫زیر مدل دمای خاک‬
‫•‬
‫زیر مدل حرکت آب خاک‬
‫•‬
‫زیر مدل انتقال مواد خاک‬
‫•‬
‫زیر مدل ماده آلی برگشتی به خاک‬
‫•‬
‫زیر مدل رشد محصول‬
‫‪ ‬زیر مدل مرکزی فرعی‬
‫•‬
‫‪6‬‬
‫متغیرهای حالت الیه خاک‬
7
‫زیرمدل های فرآیند خاک‬
‫• دمای خاک‬
‫• تبخیر‬
‫• رطوبت خاک‬
‫• یخبندان خاک‬
‫• برف‬
‫• ماده آلی برگشتی به خاک‬
‫• نیتریفیکاسیون‬
‫• دنیتریفیکاسیون‬
‫• انتقال ماده‬
‫‪8‬‬
‫زیر مدل فرآیند خاک‬
‫• این مدل فرآیندهای سیستم گیاه‪ -‬خاک و تبادالت ماده و انرژی را با اتمسفر و چرخه آب نشان‬
‫می دهد‪.‬‬
‫• با استفاده از داده روزانه هواشناس ی دمای خاک را برای الیه مجزای خاک محاسبه می کند‪.‬‬
‫• حرکت آب در خاک با رهیافت ظرفیت مدل می شود‪ ،‬در این رهیافت فرض شده آبی که نمی‬
‫تواند در الیه خاک ذخیره شود‪ ،‬به الیه مجاور یا زیرین انتقال خواهد یافت‪.‬‬
‫‪9‬‬
‫دمای خاک‬
‫• مدل دمای خاک از یک تابع تجربی برای شرح هدایت گرما استفاده می کند‪ ،‬که به وسیله‬
‫)‪ Neusypina (1979‬ارائه شد‪.‬‬
‫‪10‬‬
‫تبخیر ‪-‬تعرق‬
‫• تبخیر‪ -‬تعرق گیاه مرجع برای علوفه کوتاه با روش )‪Penman-Monteith (1998‬‬
‫‪11‬‬
‫تبخیر‪ -‬تعرق‬
‫• تبخیر‪-‬تعرق پتانسیل‪ ،‬با استفاده از فاکتور ضریب گیاهی )‪ (Kc‬در طول دوره رشد گیاه و یک‬
‫فاکتور برای خاک لخت بین برداشت و جوانه زنی محصول بعدی محاسبه می شود‪.‬‬
‫‪12‬‬
‫رطوبت خاک‬
‫• میزان رطوبت خاک در وضعیت اشباع‪ ،‬ظرفیت مزرعه و نقطه پژمردگی بر اساس جرم مخصوص ظاهری‬
‫مختلف و طبقات مختلف ماده آلی خاک به دست آمد )‪.Wessolek et al (2009‬‬
‫‪13‬‬
‫حرکت آب خاک‬
‫بارندگی‬
‫• ورودی‬
‫صعود موئینگی‬
‫• خروجی‬
‫زهکش ی‬
‫تبخیر‬
‫‪14‬‬
‫تبخیر پتانسیل‬
‫تبخیر از سطح خاک تابعی از آب در دسترس و گرادیان فشار بخار هوای خاک ا ست‪.‬‬
‫‪15‬‬
‫تبخیر واقعی‬
‫• اگر فرض شود که آب در تبخیر از سطح خاک به صورت یک حوضچه کوچک است‪ ،‬که تنها از‬
‫این حوضچه تبخیر صورت می گیرد‪ ،‬میزان تبخیر ‪ 10‬درصد بیشتر از خاک مرطوب است‪.‬‬
‫• چنانچه برف سطح خاک را پوشیده باشد‪ ،‬تبخیر به صفر می رسد‪.‬‬
‫‪16‬‬
‫تعرق‬
‫• میزان تعرق پتانسیل از تبخیر تعرق کل به وسیله پوشش زمین تعیین می شود‪.‬‬
‫• تعرق واقعی هم به توزیع ریشه در خاک‪ ،‬کارایی و احتمال کمبود اکسیژن بستگی دارد‪.‬‬
‫‪17‬‬
18
‫صعود موئینگی‬
‫• صعود موئینگی از آب های زیرزمینی بر طبق نرخ صعود تجربی بررس ی می شود)‪(Ad-hoc-AG Boden 2005‬‬
‫• اگر تراز آب زیرزمینی در پروفیل خاک شبیه سازی شده قرار گرفته باشد‪ ،‬تخلیه ثابت آب زیرزمینی را می توان برای باال‬
‫آمدن یا پایین آمدن تراز آب زیرزمینی با توجه به تعادل آب خاک تنظیم کرد‪.‬‬
‫• نوسانات سطح آب زیرزمینی با یک ماکزیمم و مینیمم برای یک دوره مشخص در یک سال تعیین می شود‪.‬‬
‫‪19‬‬
‫انتقال ماده‬
‫• مواد مغذی در خاک با حرکت آب انتقال می یابند (انتقال یون های نیترات‪ ،‬آمونیم و سولفات)‪.‬‬
‫• معادله اساس ی انتقال مواد مغذی به شکل پراکنده‪:‬‬
‫‪20‬‬
‫ماده آلی برگشتی به خاک‬
‫‪21‬‬
‫نسبت کربن به نیتروژن‬
‫‪22‬‬
23
‫نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون‬
‫• فرآیندهای تبدیل آمونیوم به نیترات (نیتریفیکاسیون) و نیترات به دی نیتروژن (دنیتریفیکاسیون)‬
‫‪24‬‬
25
26
27
‫زیر مدل های فرآیند گیاه‬
‫•‬
‫فتوسنتز‬
‫•‬
‫تنفس‬
‫•‬
‫تخصیص مواد فتوسنتزی‬
‫•‬
‫فرآیندهای نوری‬
‫•‬
‫رشد ریشه‬
‫•‬
‫سطح برگ و پوشش زمین‬
‫•‬
‫تعرق‬
‫•‬
‫جذب نیتروژن‬
‫•‬
‫غلظت نیتروژن‬
‫•‬
‫تنش خشکسالی‬
‫•‬
‫کمبود نیتروژن‬
‫•‬
‫کمبود اکسیژن‬
‫•‬
‫تنش گرما‬
‫‪• 28‬‬
‫عملکرد‬
‫زیر مدل فرآیند گیاه‬
‫• مفهوم رشد گیاه در این مدل محاسبه تثبیت مواد فتوسنتزی از طریق تابش است که با این‬
‫روش فرآیند فتوسنتز ساده می شود‪.‬‬
‫• کارایی تولید کربوهیدرات وابسته به دما است‪.‬‬
‫• تولید اصلی از دانه تا برداشت با دمای تجمعی تعیین می شود‪.‬‬
‫• برای هر مرحله رشد‪ ،‬توزیع کربوهیدرات در گیاه به طور مداوم تنظیم می شود‪.‬‬
‫• در مراحل اولیه‪ ،‬رشد ریشه و برگ افزایش ی‪ ،‬در حالی که افزایش رشد قسمت هوایی و میوه در‬
‫مراحل بعدی صورت می گیرد‪.‬‬
‫‪29‬‬
‫زیر مدل فرآیند گیاه‬
‫• نمو محصول در هر مرحله از جمع درجه روز محاسبه می شود و برای هر مرحله طول روز و دمای‬
‫مورد نیاز جهت ورنالیزاسیون (بهاره سازی) تغییر می کند‪.‬‬
‫• عمق ریشه به نوع گیاه و بافت خاک بستگی دارد‪ ،‬و تراکم طولی ریشه توانایی ریشه را برای جذب آب‬
‫و نیتروژن محدود می کند‪.‬‬
‫• از سطح برگ‪ ،‬میزان پوشش خاک تخمین زده می شود‪ ،‬که به نوبه خود تعیین کسری از تبخیر از‬
‫تبخیر و تعرق کل است‪.‬‬
‫• برداشت شامل بخش های قابل عرضه به بازار است و بقایا به عنوان استخرهای ماده آلی خاک‬
‫اختصاص می یابند‪.‬‬
‫‪30‬‬
‫فتوسنتز‬
‫فتوسنتز‬
‫تابش و دما‬
‫خالص ماده خشک روزانه‬
‫تنفس‬
‫تنفس‬
‫مدت زمان پوشش آسمان‬
‫‪31‬‬
‫نرخ فتوسنتز و مقاومت روزنه‬
‫دی اکسیدکربن‬
‫تخمین کل دی اکسید کربن تثبیت شده‬
‫فتوسنتز‬
(van ‫ استفاده می کند‬SUCROS ‫• مدلسازی رشد محصول از روش به کار رفته در مدل‬
Keulen et al. 1982)
Irradiation under
clear sky
Global radiation
32
‫فتوسنتز‬
‫محاسبه ماکزیمم نرخ فتوسنتز )‪Mitchell et al. (1995‬‬
‫دما‬
‫‪33‬‬
‫فتوسنتز‬
‫‪34‬‬
‫تنفس‬
‫• تنفس رشد و تنفس نگهداری (برای دوره نوری و تاریکی) از الگوریتم های ‪ AGROSIM‬استفاده می شود‬
‫)‪.(Mirschel und Wenkel, 2007‬‬
‫‪35‬‬
‫تخصیص‬
‫‪36‬‬
‫نمو گیاه‬
‫)‪(Ontogenesis‬‬
‫• نمو گیاه براساس جمع گرما شبیه سازی شده است‪ ،‬دمای موثر‪ ،‬مینیمم دمایی است که به‬
‫عنوان دمای پایه در نظر گرفته می شود‪ .‬حداقل رطوبت خاک برای مرحله جوانه زنی باید ‪30‬‬
‫درصد آب قابل دسترس باشد‪ .‬اگر رطوبت خاک مناسب باشد‪ ،‬دمای الیه باالی خاک برای‬
‫محاسبه مجموع گرما استفاده می شود‪.‬‬
‫‪37‬‬
‫سطح برگ و پوشش زمین‬
‫• تغییرات روزانه شاخص سطح برگ و پوشش زمین‬
‫‪38‬‬
‫جذب نیتروژن‬
‫• جذب نیتروژن گیاه از خاک با ایده )‪ Kersebaum (1989‬مدل شد‪ .‬جذب نیتروژن به وسیله‬
‫طول ریشه و آستانه ای که با افزایش رشد گیاه به طور خطی کاهش می یابد‪ ،‬تعیین می شود‪.‬‬
‫این آستانه کاهش کسری از فعالیت سطح ریشه را در مقایسه با ریشه های انتقال یافته نشان‬
‫می دهد‪ .‬ماکزیمم جذب روزانه نیتروژن ‪ 6‬کیلوگرم بر هکتار است‪.‬‬
‫‪39‬‬
‫تنش‬
‫• رشد گیاه به وسیله ‪ 4‬عامل مختلف تنش محدود می شود‪:‬‬
‫• تنش خشکسالی‬
‫• کمبود نیتروژن‬
‫• کمبود اکسیژن‬
‫• تنش گرما‬
‫‪40‬‬
‫تنش خشکسالی‬
‫• وقتی تعرق پتانسیل از مقدار آب ذخیره خاک بیشتر شود‪ ،‬خشکسالی آشکار می شود‪.‬‬
‫• فاکتور کاهش تنش خشکسالی به وسیله ارتباط بین تعرق واقعی و پتانسیل محاسبه می شود‪.‬‬
‫• اگر فاکتور کاهش زیر حد آستانه باشد‪ ،‬که برای هر محصول و هر مرحله نمو متفاوت است‪،‬‬
‫تنش خشکسالی بر روی تثبیت فتوسنتز تاثیر می گذارد‪.‬‬
‫‪41‬‬
‫کمبود نیتروژن و اکسیژن‬
‫• به محض اینکه غلظت نیتروژن بافت گیاهی کمتر از غلظت نیتروژن بحرانی شود‪ ،‬کمبود نیتروژن‬
‫نشان داده می شود‬
‫• تنش اکسیژن جذب آب ریشه را کاهش می دهد‪ .‬کمبود اکسیژن در حجم خاک ریشه‪ ،‬از نسبت‬
‫مقدار هوای واقعی و بحرانی در خاک تعیین می شود‪ .‬فرض شده کاهش غلظت اکسیژن در هوای‬
‫باقیمانده پس از ‪ 4‬روز منجر به ماکزیمم تاثیر کمبود می شود‪.‬‬
‫‪42‬‬
‫کمبود نیتروژن و اکسیژن‬
‫‪43‬‬
44
‫تنش گرما‬
‫• مفهوم گرما در مدل به عنوان افزایش در آستانه حرارات گیاه خاص در طول دوره روشنایی روز‬
‫(دوره نوری) می باشد‪.‬‬
‫• تنش گرما جریان انتقال به اندام های ذخیره ای را کاهش می دهد و روی تولید میوه (بذر) تاثیر‬
‫می گذارد‪.‬‬
‫‪45‬‬
‫عملکرد‬
‫• عملکرد قابل عرضه محصول به بازار از شبیه سازی ماده خشک اندام ذخیره ای محاسبه می‬
‫شود‬
‫‪46‬‬
‫اعتبارسنجی‬
‫‪47‬‬
‫اعتبارسنجی‬
‫• در این مرحله مدل در برابر مجموعه داده ها از آزمایشات مختلف مزرعه آزمون و کالیبره شد‪.‬‬
‫• شاخص توافق (‪ ،)0-1‬تفاوت بین مقدار اندازه گیری و شبیه سازی را نشان می دهد‪ ،‬درصد کمی از‬
‫انحراف سیستماتیک مدنظر است‪.‬‬
‫‪48‬‬
‫اعتبارسنجی‬
‫‪49‬‬
‫مقایسه بین مدل های مختلف در شبیه سازی عملکرد جو بهاره در اروپا‬
‫‪50‬‬
Input
• [files]
• soil=SOIL.txt
• croprotation=ROTATION.txt
• fertiliser=SLAGDUNG.txt
• irrigation=Irrig.TXT
• climate_prefix=MET_HF.
51
Input
• [simulation_time]
• startyear=1991
• endyear=1997
• [nmin_fertiliser]
• activated=0
• ;mineral_fert_id=1
• ;organic_fert_id=2
• ;min=10.0
• ;max=100.0
• ;delay_in_days=30
52
Input
• [automatic_irrigation]
• activated=0
• ;amount=0
• ;treshhold=0.15
• ;nitrate=0
• ;sulfate=0
53
Input
•
[site_parameters]
•
latitude=52.809399
•
slope=0.0
•
heightNN=0.0
•
soilCNRatio=10.0
•
atmospheric_CO2=0.0
•
wind_speed_height=2.5
•
leaching_depth=2.0
•
pH=6.9
•
;groundwater_depth_min=-1
•
;groundwater_depth_max=-1
•
;groundwater_depth_min_month=-1
54
Input
55
‫فایل ورودی رطوبت خاک‬
• BdID Corg Bart UKT LD Stn C/N C/S
• 001 0.80 Sl2 03 2 00 010 08
• 001 0.15 Sl2 04 2 00 010 08
• 001 0.05 Sl2 20 2 00 010 08
• end
56
‫تناوب کشت‬
• field_ID crp sowing harves tillag dp Yld year
• 301000001 WR 230991 270792 270493 15 000 1992
• 301000001 SM 040593 230993 221293 10 000 1993
• 301000001 MEP 250494 060994 290994 15 000 1994
• 301000001 WW 111094 020895 030895 15 000 1995
• 301000001 WG 070995 130496 140496 10 000 1996
• 301000001 SG 170496 100996 170996 10 000 1996
• 301000001 SC 040497 080797 090797 10 000 1997
• end
57
‫کوددهی‬
•
Schlag_ID N FRT Date Incorp
•
301000001 40 KAS 030492 0
•
301000001 40 KAS 070592 0
•
301000001 125 KAS 230493 0
•
301000001 60 KAS 100593 0
•
301000001 30000 FM 161293 1
•
301000001 90 KAS 040594 0
•
301000001 60 KAS 240395 0
•
301000001 40 KAS 270495 0
•
301000001 60 KAS 120595 0
•
301000001 60 KAS 210396 0
•
301000001 80 KAS 010497 0
•
end
58
‫آبیاری‬
• Field_ID mm SCc IrrDat NCc
• 301000001 24 334 050592 000
• 301000001 24 334 120592 000
• end
59
‫آب و هوا‬
•
Tp_av Tpmin Tpmax T_s10 T_s20 vappd wind sundu radia prec tagesnummer RF
• C_deg C_deg C_deg C_deg C_deg mm_Hg m/se hours J/cm² mm jday %
• -000.6 -01.5 001.0 000.0 000.0 000.0 006.7 000.0 0052.0 000.0 001 090
• 0002.8 000.0 006.0 000.0 000.0 000.0 012.8 000.0 0052.0 000.0 002 085
• 0007.0 006.0 008.0 000.0 000.0 000.0 011.4 000.0 0163.0 000.0 003 077
• 0005.7 004.0 008.0 000.0 000.0 000.0 008.6 000.0 0052.0 000.0 004 070
• 0005.6 004.0 007.0 000.0 000.0 000.0 007.8 000.0 0052.0 001.0 005 076
• 0004.0 003.5 005.0 000.0 000.0 000.0 001.1 000.0 0052.0 001.0 006 085
• 0004.7 003.0 008.0 000.0 000.0 000.0 007.2 000.0 0069.0 000.0 007 079
• 0003.9 000.2 007.0 000.0 000.0 000.0 003.1 000.0 0075.0 001.0 008 067
60
‫اجرای مدل‬
‫• پس از نصب مدل در قسمت ‪ Examples‬که در ‪ USERPROFILE‬جای می گیرد‪ ،‬نمونه‬
‫فایل های ورودی و خروجی موجود است‪.‬‬
‫• فایل های ورودی شامل‪ :‬خاک‪ ،‬تناوب زراعی‪ ،‬کود‪ ،‬آبیاری و آب وهوا می باشد‪.‬‬
‫• پیکربندی فایل ‪ monica.ini‬شامل ‪ 7‬مرحله می باشد‪:‬‬
‫‪• files, simulation_time, nmin_fertiliser, automatic_irrigation,‬‬
‫‪site_parameters, general_parameters and init_values‬‬
‫‪61‬‬
line ‫ با دستور‬monica ‫شروع‬
• Start → run → cmd
• All Programs → Accessories → Command prompt.
• > cd C:\Program Files\MONICA
62
monica.exe ‫اجرای‬
63
Batch file
64
‫خروجی مدل‬
‫• خروجی مدل شامل دو فایل با نام های ‪ smout.dat‬و ‪ rmout.dat‬می باشد‪.‬‬
‫• در فایل ‪ smout.dat‬شامل خروجی بخش های مهم توسعه محصول و فرآیندهای خاک‬
‫اغلب در گام زمانی روزانه می باشد‪.‬‬
‫• فایل ‪ rmout.dat‬عالوه بر کاربرد گام زمانی روزانه متغیرها‪ ،‬آنالیز دقیق فرآیندهایی مثل نرخ‬
‫رشد ریشه‪ ،‬نرخ رشد برگ‪ ،‬نرخ تثبیت و‪ ...‬را نشان می دهد‪.‬‬
‫‪65‬‬
smout.dat
66
rmout.dat
67
68