Transcript wofost
Slide 1
World Food Studies Crop Simulation Model
WOFOST مقدمه ای بر شناخت مدل زراعی
جلیل هاللی
1392 دیماه
Slide 2
مقدمه
توسعه مدلهاي متعدد در دو دهه گذشته به منظور استفاده بهينه از منابع موجود و استفاده از مدلهاي
شبيه سازي رشد گياهي در آنها (فرهادي بانسوله.)2009 ،
استفاده از تحليلهاي کمي سيستماتيک در تهيه مدلهاي شبيه سازي رشد گياه با توجه به اهداف محقق در
زمينه هاي اقتصادي-اجتماعي و زيست محيطي (هنگسديجک و همکاران.)1999 ،
مدلهاي شبيه سازي رشد محصول ابزاري هستند که مي توانند براي تخمين عملکرد ،آب مورد نياز و
احتياجات غذايي گياه در شرايط مختلف به کار گرفته شوند (وان ايترسام و همکاران.)2003 ،
مدلهاي شبيه سازي رشد محصول ،ابزار مفيدي براي تعيين کيفيت و کميت اثرات اقليمي ،خاکي و
مديريت مزارع بر رشد ،توليد و پايداري سيستمهاي زراعي مي باشند (هولدن و بررتون.)2004 ،
مدلها هزينه و زماني را که براي مطالعات مزرعه اي مصرف مي شود را کاهش داده و مي توانند براي
پتانسيل عملکرد منطقه اي و تجزيه تحليل اختالفات عملکرد در محصوالت مختلف مورد استفاده قرار
گيرند.
اين مدلها اثرات ّ
کمي منابع بيوفيزيکي مانند خاک و ويژگيهاي آب و هوايي ،خصوصيات گياهي و فاکتورهاي
مديريتي را بر روي عملکرد محصول و ميزان آب مورد نياز مورد تجزيه و تحليل قرار دهند( .کالرا و
همکاران2005 ،؛ ريچر2008 ،؛ وو.)2007 ،
در دهه هاي اخير مدلهاي زيادي جهت شبيه سازي رشد محصوالت زراعي و مديريت آب و خاک توسط
پژوهشگران امور کشاورزي و خصوصا دانشگاه واگنينگن هلند توسعه داده شده است (،SUCROS
INTERCOM ،ORIZAو ( )WOFOSTوان ایترسام و همکاران.)2003 ،
Slide 3
معرفی مدل WOFOST
اين مدل تکامل يافته مدل SUCROSبوده و از خانواده مدلهايي است که در دانشگاه واگنينگن
توسط دي ويت پايه گذاري گرديده است (فرهادي بانسوله.)2009 ،
اين مدل به عنوان بخش اصلي مدلهاي ديگر از جمله Soil Water Atmosphere ( SWAP
( )Plantکروس و وان دام )2003 ،و سيستم Crop Growth Monitoring ( CGMS
( )Systemوان ديپن و همکاران )2004 ،به کار رفته است.
WOFOST يک مدل شبيه سازي رشد محصول بوده و قادر است رشد گياهان زراعي يکساله را
به صورت روزانه در شرايط پتانسيل و آبياري محدود (کم آبياري) بر اساس خصوصيات گياهي،
پارامترهاي روزانه هواشناس ي و خصوصيات فيزيکي خاک شبيه سازي کند (بوگارد و همکاران.)1998 ،
اين مدل در ابتدا به عنوان مدل شبيه سازي رشد محصول به منظور ارزيابي عملکرد پتانسيل
محصوالت مختلف در کشورهاي استوايي توسعه يافته است.
از ديگر قابليتهاي اين مدل ارزيابي عملکرد پتانسيل نسبت به فاکتورهاي موثر بر رشد گياه ،تعيين
فاکتورهاي حساس ،پيش بيني عملکرد محصول و نياز آبي گياه با توجه به پيش بيني هاي هواشناس ي
3
است.
Slide 4
کاربردهای مدل WOFOST
خطرها و ريسکهاي مربوط به توليد گياهان
تغييرات توليد در انواع خاکها يا شرايط هيدرولوژيکي مختلف
تفاوت بين رشد و توليد گياهان مختلف
اهميت نسبي عوامل تعيين کننده رشد گياهان
استراتژيهاي تاريخ بذرپاش ي
اثرات تغيير اقليم بر عملکرد
زمان استفاده از ماشين آالت کشاورزي
ارزيابي منطقه اي پتانسيل عملکرد گياه با توجه به حداکثر مقدار توليد
برآورد حداکثر مزاياي آبياري با استفاده از کود شيميايي
پيش بيني شرايط متفاوت رشد با نمايش شبيه سازي در طول فصل زراعي
پيش بيني هاي منطقه اي عملکرد
4
Slide 5
مفهوم سطح تولید
از دیدگاه تغیير پذیری در ميزان تولید محصول بر حسب مؤلفههای اکولوژیک 3سطح قابل
تشخیص است( .وان ایترسام و رابینگ.)1997 ،
CO2
Radiation
Temperature
Crop features
Weeds/Pests
Critical periods
Diseases
Pollutants/salt
Defining factors
وضعیت تولید
Rainfall
Irrigation
Nutrients
پتانسیل
کمبود آب و موادغذایی
Limiting factors
محصول دست یافتنی
Reducing factors
تولید واقعی
سطح تولید (تن در هکتار)
5
Slide 6
سطح تولید در مدل WOFOST
در مدل WOFOSTسه سطح تولید در نظر گرفته شده است
-1تولید پتانسیل
-2سطح تولید محدود شده
الف -تولید محدود شده به وسیله آب
ب -تولید محدود شده به وسیله مواد غذایی
با استفاده از مدل WOFOSTمیتوان به ارزیابی ریسک بر پایه
شرایط اکولوژیکی پرداخت.
6
Slide 7
تاریخچه
این مدل از گروه مدلهای مکتب هلندی و مکتب دویت بوده و از مدل
SUCROSمشتق شده است .اصول اولیه ان توسط وان کلوئن و وولف
( )1986طراحی شده است.
مدل WOFOSTدر چارچوب مطالعات جهانی امنیت غذا و پتانسیل
جهانی تولید غذا توسط مرکز جهانی مطالعات غذایی با همکاری دانشگاه
واگنینگن و مرکز بیولوژی کشاورزی و حاصلخيزی خاک واگنینگن ایجاد
شده است.
اين مدل داراي نسخه هاي مختلفي است که در طول سالهاي مختلف ايجاد
شده است (راپولد 1986 ،نسخه 3؛ وان ديپن و همکاران 1988 ،نسخه 4.1؛
هيجمانس و همکاران1994 ،؛ سوپيت و همکاران 1994 ،نسخه 6؛ بوگارد و
همکاران 1998 ،نسخه .)7.1
Slide 8
مطالعات صورت گرفته با مدل WOFOST
اولين پژوهش با استفاده از اين مدل منجربه افزايش استفاده از کود شيميايي در سه کشور آفريقايي بورکينافاسو،
غنا و کنيا گرديد (.)1985 ،CWFS
در چارچوب نمايش منابع اکولوژيکي کشت با سنجش از دور و مدلهاي شبيه سازي ،اين مدل به عنوان ابزاري براي
برآورد پتانسيل عملکرد در برنامه امنيت غذايي در زامبيا مطرح شده و براي ذرت واسنجي و اعتبارسنجي گرديد (هايگن،
1990؛ وولف و همکاران.)1989 ،
روتر و همکاران ( )1997واسنجي و اعتباريابي مدل را براي ذرت در کنيا انجام داده و نتيجه گرفت که مدل مقدار
عملکرد را با خطاي 15درصد پيس بيني مي کند.
در اتحاديه اروپا اين مدل براي برآورد توليد پتانسيل گياهان به عنوان تابعي از شرايط خاک و اقليم مورد استفاده
قرار گرفته است (رابينگ و وان التستينج.)1992 ،
اين مدل براي مطالعت ارزيابي اثر تغيير شرايط اقليمي بر رشد محصول نيز مورد استفاده قرار گرفته است (وولف و
ديپن.)1994 ،
کاتالين و همکاران ( )2009سازگاري مدل WOFOSTرا براي شرايط کشور روماني بررس ي کردند .نتايج اين بررس ي
نشان داد که مي توان از اين مدل براي تحقيقات ويژه مثل بررس ي تاثير تغييرات آب و هوايي روي عملکرد استفاده
Slide 9
مطالعات صورت گرفته با مدل WOFOST
وو و همکاران ( )2005در ناحيه شمالي چين با استفاده از مدل WOFOSTعملکرد پتانسيل گندم زمستانه را
مدلسازي نمود و پي برد که تابش خورشيدي کمتر و درجه حرارتهاي باال عوامل عمده کاهش عملکرد در مناطق جنوبي
چين است.
باکر ( )1992از نسخه 1/4اين مدل به منظور برآورد ميزان ذخيره سازي آب باران استفاده نمود.
فرهادي بانسوله و همکاران ( )2009پارامترهاي گياهي مدل WOFOSTبراي محصول جو در کبوترآباد اصفهان را
واسنجی و اعتبارسنجی نمودند.
اميري ( )2009با استفاده از اين مدل شبيه سازي رشد برنج را مورد بررس ي قرار داد و مشخص نمود که اين مدل
مقدار شاخص سطح برگ را در اين مطالعه بيشتر از مقدار اندازه گيري شده شبيه سازي نمود.
بافکار و همکاران ( )1390پتانسيل توليد ذرت دانه اي رقم 704Cدر منطقه ماهيدشت کرمانشاه را با استفاده از مدل
WOFOSTبررس ي نمودند و پي بردند که اين مدل تطابق نسبتا خوبي با نتايج شبيه سازي مدل دارد.
قرينه و همکاران ( )1391با استفاده از مدل WOFOSTاستان خوزستان را براي پتانسيل عملکرد گندم آبي از
ديدگاه آگروکليماتيکي مورد مطالعه قرار دادند .اين مطالعه نشان داد که مدل WOFOSTبه طور قابل قبولي مي
ي
Slide 10
محدودیتهای مدل
Model: not simulated:
•
Winter dormancy, vernalization
•
Frost damage, winter kill
•
Cold stress, heat stress
•
Damage by hail and strong winds
•
Sensitive stages for drought stress
•
Damage from excess water, flooding
•
Management response (e.g. resowing)
•
Effect of weeds, diseases, animals
•
Yield quality
•
Harvest losses
Data: not all crops sufficiently calibrated for all regions
Slide 11
جنبه‌های تئوریک WOFOST
طرح کلی مدل
WOFOSTیک مدل شبیه ساز محصول نیمه قطعی با گام زمانی یک روزه به شمار میرود .مدل طی مراحل مختلف و بر مبنای
طرح شماتیک مطرح شده اقدام به شبیهسازی محصول مینماید.
-1فنولوژی (کاشت ،گلدهی ،بلوغ)
-2جذب تابش
-3تثبیت ( co2فتوسنتز)
-4تنفس
-5توسعه ارگانهای مختلف
-6تغیيرات سطح برگ
-7تبخير تعرق
-8بیالن آب-خاک
-9حاصلخيزی خاک (تأمين ماده غذایی طی فصل رشد) (در مدل CGMSدر نظر گرفته نشده)
سیستم شبیهسازی از تاریخ کاشت تا بلوغ صورت گرفته و بر مبنای پاسخ گیاه به شرایط آب و هوایی و خاک صورت میگيرد.
Slide 12
جنبه‌های تئوریک WOFOST
طرح کلی مدل
12
Slide 13
جنبه‌های تئوریک WOFOST
دیاگرام مدلهای خانواده )WOFOST( SUCROS
13
Slide 14
جنبه های تئوریک
پارمترهای مدل
Single value parameters
A single value defining the shape of a functional relationship (ex: LAIEM, Q10) or
a switch (ex: IDSL, IOX)
شاخص سطح برگ در مرحله جوانهزنی
درجه دما10 نرخ تنفس به ازای تغییر
Tabular parameters
The parameter is a function of another variable, usually temperature or
development stage.
Its value is found by interpolation given DVS or TEMP
This is done with the AFGEN function
زیر برنامهای که این امکان را فراهم میآورد که
تعیين شودx از رویy با درونیابی خطی مقادیر متغير
Slide 15
WOFOST جنبه‌های تئوریک
فنولوژی
Phenological development and model stage (DVS):
•
Sowing
•
Emergence
•
Tiller formation
•
Floral initiation or double ridge appearance
•
Spikelet formation
•
Stem elongation
•
Anthesis (flowering)
•
Grain set
•
Grain dehydratation (ripening)
•
Dead-ripe (maturity)
DVS=0
DVS = 1
DVS=2
Slide 16
جنبه‌های تئوریک WOFOST
فنولوژی
Slide 17
جنبه‌های تئوریک WOFOST
فنولوژی -افزایش مجموع نیاز حرارتی روزانه
Slide 18
جنبه‌های تئوریک WOFOST
فنولوژی-فتوپریود
نمو برخی گیاهان عالوه بر واحد حرارتی تجمعی تحت تأثير فتوپریود ) (Pنيز قرار دارد .این مورد در
WOFOSTبا استفاده از یک فاکتور کاهش ی ) (Fprمد نظر قرار میگيرد .این فاکتور کاهش ی با توجه به
ميزان اپتیمم فتوپریود ( )Poو یک ميزان بحرانی فتوپریود ( )Pcو از رابطه زیر بدست میآید:
0 ≤ Fpr ≤ 1
P Pc
Po Pc
Fpr
همچنين فاکتور Dدر این گیاهان از رابطه زیر بدست میآید:
که Dمتغير حالت بی بعد برای توصیف مرحله نموی است.
که در زمان ظهور جوانه برابر با 0برای گلدهی 1و برای رسیدگی 2قرار داده میشود.
Te
D Fpr .
Treq
18
Slide 19
جنبه‌های تئوریک WOFOST
جذب تابش
تشعشع نفوذی
تابش دریافتی در باالی کانوپی
تابش دریافتی در درون کانوپی
تابش نفوذی
آسیمیالسیون CO2
Slide 20
WOFOST جنبه‌های تئوریک
تابش درون کانوپی
Solar radiation within canopy
LAI total
LAI shaded and sunlit
reflection
leaf angle distribution, scattering (implicit assumptions in WOFOST)
extinction coefficient (KDIFTB)
: عوامل کنترل کننده
requires modeling of LAI
• KDIFTB
extinction coefficient
for diffuse visible light
[-] as function of DVS
Slide 21
جنبه‌های تئوریک WOFOST
کاربرد و پیاده سازی تابش
اصل
مدلسازی با جزئیات در کل روز از طریق تغیير ارتفاع خورشید ،تابش مستقیم و
پخش شده و ...
رهیافت ساده شده در WOFOST
انتگرال گوس ی سه نقطه ای در روز
• سه نقطه در عمق سایه انداز برگ
نقاط 3در 3در روز (در 3ارتفاع خورشیدی در سه عمق کانوپی)
محاسبه سرعت آسیمیالسیون پتانسیل
Slide 22
WOFOST جنبه‌های تئوریک
Photosynthesis light response curve (per unit leaf area)
CO2 تثبیت
Controlling crop parameters
EFF (epsilon) Initial Light
use Efficiency = 0.45
AMAXTB
C4: 30-90
(default 70)
C3: 15-50
(default 40)
absorbed radiation (PAR) [J m-2 s-1]
maximum leaf CO2 assimilation as function
reduction factor of AMAX as function of av. temp. [cel; -]
red. factor of gross assim. rate as function of low min. temp. [cel; -]
TMPFTB Tmean response
TMNFTB
Tmin response
Slide 23
WOFOST جنبه‌های تئوریک
CO2 تثبیت
Mean Temperature Reduction (TMPFTB)
Slide 24
WOFOST جنبه‌های تئوریک
CO2 تثبیت
Min Temperature Reduction (TMPFTB)
Slide 25
جنبه‌های تئوریک WOFOST
تنفس
این پارامتر بر مبنای وزن خشک ارگانهای مختلف و ترکیبات شیمیایی شان برآورد می شوند که با
دمای محیط اصالح می گردد.
یر متناسب است
ی با موارد ز
تنفس نگهدار
• بیوماس قسمتهای زنده گیاه
• ضریب نگهداری در هر ارگان
• افزایش نسبی Q10با هر افزایش 10درجه ای در حداکثر دمای روزانه
• تنفس نگهداری با دما سریعا افزایش می یابد.
(حدود 15الی 30درصد همه آسیمیالسیون مصرف می شود).
یر بستگی دارد
تنفس رشد به عوامل ز
ضریب تبدیل بر هر ارگان
تخصیص دهی مواد تولید شده در همه ارگانها
(حدود 30الی 40درصد مواد تولید شده مصرف می شود)
Slide 26
جنبه‌های تئوریک WOFOST
توسعه ارگانهای مختلف
مواد تولیدی در همه قسمتهای مختلف توزیع می شوند (برگها ،ساقه هاف ریشته ها ،ارگانهای
ذخيره ای) که به مرحله رشد نيز بستگی دارد.
دو مرحله تخصیص دهی در این مدل وجود دارد:
ارگانهای زیر خاک مثل ریشه ها ()FRTB
اندامهای باالیی ( )1-FRTBشامل
برگها ()FLTB
ساقه ها ()FSTB
اندامهای ذخيره ای ()FOTB
Slide 27
WOFOST جنبه‌های تئوریک
تغییرات سطح برگ
WOFOST keeps track of:
– Living leaf biomass for each day (a leaf class)
– Specific leaf area for each class
– Physiologic age for each class
How to calculate leaf area:
LASUM
When leaves die:
class n
Leafbiomas
s * SLA
class 1
– Corresponding leaf biomass classes are emptied
– Dead biomass is added to the “dead weight leaves”
Slide 28
WOFOST جنبه‌های تئوریک
تبخیر و تعرق
Calculated separately for:
– Crop canopy (transpiration)
– Bare soil surface (soil evaporation)
– Soil surface with ponding (water evaporation)
"PENMAN" & "EVA(P)"
– This routines calculate the potential evapotranspiration rates
from a free water surface (E0), a bare soil surface (ES0), and a
crop canopy (ET0) in mm/d. For these calculations the analysis
by Penman is followed (Frère and Popov, 1979; Penman, 1956).
28
Slide 29
جنبه‌های تئوریک WOFOST
محدوده رطوبتی خاک
در اين مدل محدوده رطوبتي خاک براي رشد گياهان تابعي از تعرق مي باشد.
تنش آبي با بستن روزنه ها منجربه کاهش جذب CO2و مبادله CO2و O2ميان گياه و
اتمسفر مي شود .در مدل براي مشخص نمودن اين تاثير از معادله زير استفاده مي شود :
•
𝑎𝑇
𝑝𝐴.
𝑝𝑇
=𝐴
که در اين معادله Aميزان جذب واقعي Ap ،ميزان جذب پتانسيل Ta ،ميزان تعرق و Tp
ميزان تعرق پتانسيل است.
در محدوده رطوبت بحراني و ظرفيت مزرعه اي نسبت تعرق واقعي به تعرق پتانسيل يک مي
باشد .خارج از اين محدود کوچکتر از 1بوده و در نتيجه منجربه کاهش جذب در نتيجه کاهش
عملکرد گياه مي شود .رطوبت بحراني به نوع گياه و آب و هوا بستگي دارد (دريسن.)1986 ،
29
Slide 30
جنبه‌های تئوریک WOFOST
بیالن آب خاک
Slide 31
جنبه‌های تئوریک WOFOST
بیالن آب خاک
در مدل WOFOSTبیالن آب-خاک بر اساس سه روش بدست میآید:
در روش اول که از آن در محاسبه پتانسیل تولید بکار برده میشود ،خاک یک الیه فرض
شده است .خاک بطور پیوسته مرطوب بوده و نیاز آبی برابر مجموع تبخير تعرق در نظر
گرفته شده است.
در روش دوم که به شرایط محدودیت آب مربوط است ،خاک به صورت دو الیه در نظر
گرفته شده است .با این فرض که ریشه گیاه از آب زیرزمینی نمیتواند منتفع گردد.
در روش سوم که باز هم مربوط به شرایط محدودیت آب است ،خاک به صورت سه الیه
فرض شده اما اینبار تأثير آب زیر زمینی نيز در نظر گرفته شده است.
• الیه اول :برابر عمق توسعه ریشه
• الیه دوم :حد فاصل انتهای عمق توسعه ریشه تا سطح آب زیرزمینی
• الیه سوم :بين سطح آب زیر زمینی تا عمق 1000سانتیمتری خاک
Slide 32
جنبه‌های تئوریک WOFOST
حاصلخیزی خاک و محدودیت مواد غذایی
این مدل قابلیت مدلسازی شرایط محدودیت مواد غذایی در خاک را داراست.
این مدل با زیر مدل QUEFTSو بر مبنای ميزان عناصر P ،Nو Kتحت سه حالت زیر اقدام
به مدلسازی شرایط محدودیت مواد غذایی می کند:
حالت اول :شرایط تولید ماکزیمم بوده و عالوه بر اینکه تحت شرایط کمبود فسفر قرار نداریم،
نیتروژن به ميزان کافی وجود دارد.
حالت دوم :هر دو عامل فسفر و نیتروژن محدود کننده تولید میباشند.
حالت سوم :فقط عامل فسفر عامل محدود کننده بوده ،در حالی که نیتروژن به ميزان کافی وجود دارد.
Slide 33
نمونه نرم افزاری WOFOST 7.1.3
Slide 34
Slide 35
Slide 36
Slide 37
Slide 38
جمع بندی
مدل WOFOSTدر چارچوب مطالعات جهاني امنيت غذا و پتانسيل جهاني توليد غذا ،توسط
مرکز جهاني مطالعات غذايي در همکاري با دانشگاه واکنينگن و مرکز بيولوژيکي کشاورزي و
حاصلخيزي خاک واگنينگن ايجاد گرديده است.
اين مدل در واقع از مدل ديگري به نام SUCROSمشتق شده است .اصول اوليه آن توسط وان
کلوئن و وولف ( )1986نوشته شده است.
تابش خورشيدي محرک اصلي پيش برنده اين مدل مي باشد.
اين مدل نمو فنولوژيکي و رشد گياه را از آغاز جوانه زني تا زمان رسيدگي بر اساس خصوصيات
ژنتيکي گياه و شرايط محيطي توصيف مي کند.
اين مدل ،ماده خشک گياه را به عنوان تابعي از تشعشع ،دما و خصوصيتهاي گياه در مراحل زماني
يک روزه شبيه سازي مي کند.
اصول محاسبه توليد ماده خشک ،سرعت ناخالص جذب CO2توسط کانوپي است ،که به انرژي
تابش ي جذب شده بستگي دارد که آن هم تابعي از تشعشع روزانه ،سطح برگ گياه و ضريب خاموش ي
نور در کانوپي است.
اين مدل ميزان جذب CO2را بر پايه تشعشع فعال فتوسنتزي جذب شده توسط گياه شبيه سازي
مي کند.
رشد در مدل به صورت ديناميک با گام زماني يک روزه شبيه سازي مي شود.
Slide 39
جمع بندی
مدل WOFOSTسرعت سوخت و ساز CO2گياه را به PARورودي جذب شده توسط
کانوپي گياه و خصوصيات فتوسنتزي برگ ربط مي دهد .اين عمل با تنش آبي و کودي کاهش مي
يابد.
نسبت تعرق واقعي به تعرق پتانسيل ،ميزان تاثير تنش رطوبتي روي توليد گياه را نشان مي دهد.
مقدار ماده خشک توليد شده به بخشهاي ريشه ،برگ ،ساقه و ارگانهاي ذخيره تقسيم مي گردد.
اين نسبتها در مراحل مختلف رشد گياه متفاوت است .افزايش ماده خشک برگ نيز نشان دهنده
توسعه سطح برگ است .سطح برگ در پايان هر روز به عنوان سطح فتوسنتز کننده روز بعد در
نظر گرفته ميشود.
براي توصيف نمو فنولوژيکي گياه در اين مدل از متغير DVSاستفاده مي شود که براي جوانه
زني يا انتقال براي گياهان نشايي صفر ،مرحله گلدهي 1و مرحله برداشت 2در نظر مي گيرند که
تابعي از درجه روز مي باشد (وان کلوئن.)1986 ،
در اين مدل محدوده رطوبتي خاک براي رشد گياهان تابعي از تعرق ميباشد .در محدوده رطوبت
بحراني و ظرفيت مزرعه اي نسبت تعرق واقعي به تعرق پتانسيل يک مي باشد .خارج از اين
محدود کوچکتر از 1بوده و در نتيجه منجربه کاهش جذب در نتيجه کاهش عملکرد گياه مي شود.
رطوبت بحراني به نوع گياه و آب و هوا بستگي دارد (دريسن.)1986 ،
Slide 40
با تشکر از توجه شما
World Food Studies Crop Simulation Model
WOFOST مقدمه ای بر شناخت مدل زراعی
جلیل هاللی
1392 دیماه
Slide 2
مقدمه
توسعه مدلهاي متعدد در دو دهه گذشته به منظور استفاده بهينه از منابع موجود و استفاده از مدلهاي
شبيه سازي رشد گياهي در آنها (فرهادي بانسوله.)2009 ،
استفاده از تحليلهاي کمي سيستماتيک در تهيه مدلهاي شبيه سازي رشد گياه با توجه به اهداف محقق در
زمينه هاي اقتصادي-اجتماعي و زيست محيطي (هنگسديجک و همکاران.)1999 ،
مدلهاي شبيه سازي رشد محصول ابزاري هستند که مي توانند براي تخمين عملکرد ،آب مورد نياز و
احتياجات غذايي گياه در شرايط مختلف به کار گرفته شوند (وان ايترسام و همکاران.)2003 ،
مدلهاي شبيه سازي رشد محصول ،ابزار مفيدي براي تعيين کيفيت و کميت اثرات اقليمي ،خاکي و
مديريت مزارع بر رشد ،توليد و پايداري سيستمهاي زراعي مي باشند (هولدن و بررتون.)2004 ،
مدلها هزينه و زماني را که براي مطالعات مزرعه اي مصرف مي شود را کاهش داده و مي توانند براي
پتانسيل عملکرد منطقه اي و تجزيه تحليل اختالفات عملکرد در محصوالت مختلف مورد استفاده قرار
گيرند.
اين مدلها اثرات ّ
کمي منابع بيوفيزيکي مانند خاک و ويژگيهاي آب و هوايي ،خصوصيات گياهي و فاکتورهاي
مديريتي را بر روي عملکرد محصول و ميزان آب مورد نياز مورد تجزيه و تحليل قرار دهند( .کالرا و
همکاران2005 ،؛ ريچر2008 ،؛ وو.)2007 ،
در دهه هاي اخير مدلهاي زيادي جهت شبيه سازي رشد محصوالت زراعي و مديريت آب و خاک توسط
پژوهشگران امور کشاورزي و خصوصا دانشگاه واگنينگن هلند توسعه داده شده است (،SUCROS
INTERCOM ،ORIZAو ( )WOFOSTوان ایترسام و همکاران.)2003 ،
Slide 3
معرفی مدل WOFOST
اين مدل تکامل يافته مدل SUCROSبوده و از خانواده مدلهايي است که در دانشگاه واگنينگن
توسط دي ويت پايه گذاري گرديده است (فرهادي بانسوله.)2009 ،
اين مدل به عنوان بخش اصلي مدلهاي ديگر از جمله Soil Water Atmosphere ( SWAP
( )Plantکروس و وان دام )2003 ،و سيستم Crop Growth Monitoring ( CGMS
( )Systemوان ديپن و همکاران )2004 ،به کار رفته است.
WOFOST يک مدل شبيه سازي رشد محصول بوده و قادر است رشد گياهان زراعي يکساله را
به صورت روزانه در شرايط پتانسيل و آبياري محدود (کم آبياري) بر اساس خصوصيات گياهي،
پارامترهاي روزانه هواشناس ي و خصوصيات فيزيکي خاک شبيه سازي کند (بوگارد و همکاران.)1998 ،
اين مدل در ابتدا به عنوان مدل شبيه سازي رشد محصول به منظور ارزيابي عملکرد پتانسيل
محصوالت مختلف در کشورهاي استوايي توسعه يافته است.
از ديگر قابليتهاي اين مدل ارزيابي عملکرد پتانسيل نسبت به فاکتورهاي موثر بر رشد گياه ،تعيين
فاکتورهاي حساس ،پيش بيني عملکرد محصول و نياز آبي گياه با توجه به پيش بيني هاي هواشناس ي
3
است.
Slide 4
کاربردهای مدل WOFOST
خطرها و ريسکهاي مربوط به توليد گياهان
تغييرات توليد در انواع خاکها يا شرايط هيدرولوژيکي مختلف
تفاوت بين رشد و توليد گياهان مختلف
اهميت نسبي عوامل تعيين کننده رشد گياهان
استراتژيهاي تاريخ بذرپاش ي
اثرات تغيير اقليم بر عملکرد
زمان استفاده از ماشين آالت کشاورزي
ارزيابي منطقه اي پتانسيل عملکرد گياه با توجه به حداکثر مقدار توليد
برآورد حداکثر مزاياي آبياري با استفاده از کود شيميايي
پيش بيني شرايط متفاوت رشد با نمايش شبيه سازي در طول فصل زراعي
پيش بيني هاي منطقه اي عملکرد
4
Slide 5
مفهوم سطح تولید
از دیدگاه تغیير پذیری در ميزان تولید محصول بر حسب مؤلفههای اکولوژیک 3سطح قابل
تشخیص است( .وان ایترسام و رابینگ.)1997 ،
CO2
Radiation
Temperature
Crop features
Weeds/Pests
Critical periods
Diseases
Pollutants/salt
Defining factors
وضعیت تولید
Rainfall
Irrigation
Nutrients
پتانسیل
کمبود آب و موادغذایی
Limiting factors
محصول دست یافتنی
Reducing factors
تولید واقعی
سطح تولید (تن در هکتار)
5
Slide 6
سطح تولید در مدل WOFOST
در مدل WOFOSTسه سطح تولید در نظر گرفته شده است
-1تولید پتانسیل
-2سطح تولید محدود شده
الف -تولید محدود شده به وسیله آب
ب -تولید محدود شده به وسیله مواد غذایی
با استفاده از مدل WOFOSTمیتوان به ارزیابی ریسک بر پایه
شرایط اکولوژیکی پرداخت.
6
Slide 7
تاریخچه
این مدل از گروه مدلهای مکتب هلندی و مکتب دویت بوده و از مدل
SUCROSمشتق شده است .اصول اولیه ان توسط وان کلوئن و وولف
( )1986طراحی شده است.
مدل WOFOSTدر چارچوب مطالعات جهانی امنیت غذا و پتانسیل
جهانی تولید غذا توسط مرکز جهانی مطالعات غذایی با همکاری دانشگاه
واگنینگن و مرکز بیولوژی کشاورزی و حاصلخيزی خاک واگنینگن ایجاد
شده است.
اين مدل داراي نسخه هاي مختلفي است که در طول سالهاي مختلف ايجاد
شده است (راپولد 1986 ،نسخه 3؛ وان ديپن و همکاران 1988 ،نسخه 4.1؛
هيجمانس و همکاران1994 ،؛ سوپيت و همکاران 1994 ،نسخه 6؛ بوگارد و
همکاران 1998 ،نسخه .)7.1
Slide 8
مطالعات صورت گرفته با مدل WOFOST
اولين پژوهش با استفاده از اين مدل منجربه افزايش استفاده از کود شيميايي در سه کشور آفريقايي بورکينافاسو،
غنا و کنيا گرديد (.)1985 ،CWFS
در چارچوب نمايش منابع اکولوژيکي کشت با سنجش از دور و مدلهاي شبيه سازي ،اين مدل به عنوان ابزاري براي
برآورد پتانسيل عملکرد در برنامه امنيت غذايي در زامبيا مطرح شده و براي ذرت واسنجي و اعتبارسنجي گرديد (هايگن،
1990؛ وولف و همکاران.)1989 ،
روتر و همکاران ( )1997واسنجي و اعتباريابي مدل را براي ذرت در کنيا انجام داده و نتيجه گرفت که مدل مقدار
عملکرد را با خطاي 15درصد پيس بيني مي کند.
در اتحاديه اروپا اين مدل براي برآورد توليد پتانسيل گياهان به عنوان تابعي از شرايط خاک و اقليم مورد استفاده
قرار گرفته است (رابينگ و وان التستينج.)1992 ،
اين مدل براي مطالعت ارزيابي اثر تغيير شرايط اقليمي بر رشد محصول نيز مورد استفاده قرار گرفته است (وولف و
ديپن.)1994 ،
کاتالين و همکاران ( )2009سازگاري مدل WOFOSTرا براي شرايط کشور روماني بررس ي کردند .نتايج اين بررس ي
نشان داد که مي توان از اين مدل براي تحقيقات ويژه مثل بررس ي تاثير تغييرات آب و هوايي روي عملکرد استفاده
Slide 9
مطالعات صورت گرفته با مدل WOFOST
وو و همکاران ( )2005در ناحيه شمالي چين با استفاده از مدل WOFOSTعملکرد پتانسيل گندم زمستانه را
مدلسازي نمود و پي برد که تابش خورشيدي کمتر و درجه حرارتهاي باال عوامل عمده کاهش عملکرد در مناطق جنوبي
چين است.
باکر ( )1992از نسخه 1/4اين مدل به منظور برآورد ميزان ذخيره سازي آب باران استفاده نمود.
فرهادي بانسوله و همکاران ( )2009پارامترهاي گياهي مدل WOFOSTبراي محصول جو در کبوترآباد اصفهان را
واسنجی و اعتبارسنجی نمودند.
اميري ( )2009با استفاده از اين مدل شبيه سازي رشد برنج را مورد بررس ي قرار داد و مشخص نمود که اين مدل
مقدار شاخص سطح برگ را در اين مطالعه بيشتر از مقدار اندازه گيري شده شبيه سازي نمود.
بافکار و همکاران ( )1390پتانسيل توليد ذرت دانه اي رقم 704Cدر منطقه ماهيدشت کرمانشاه را با استفاده از مدل
WOFOSTبررس ي نمودند و پي بردند که اين مدل تطابق نسبتا خوبي با نتايج شبيه سازي مدل دارد.
قرينه و همکاران ( )1391با استفاده از مدل WOFOSTاستان خوزستان را براي پتانسيل عملکرد گندم آبي از
ديدگاه آگروکليماتيکي مورد مطالعه قرار دادند .اين مطالعه نشان داد که مدل WOFOSTبه طور قابل قبولي مي
ي
Slide 10
محدودیتهای مدل
Model: not simulated:
•
Winter dormancy, vernalization
•
Frost damage, winter kill
•
Cold stress, heat stress
•
Damage by hail and strong winds
•
Sensitive stages for drought stress
•
Damage from excess water, flooding
•
Management response (e.g. resowing)
•
Effect of weeds, diseases, animals
•
Yield quality
•
Harvest losses
Data: not all crops sufficiently calibrated for all regions
Slide 11
جنبه‌های تئوریک WOFOST
طرح کلی مدل
WOFOSTیک مدل شبیه ساز محصول نیمه قطعی با گام زمانی یک روزه به شمار میرود .مدل طی مراحل مختلف و بر مبنای
طرح شماتیک مطرح شده اقدام به شبیهسازی محصول مینماید.
-1فنولوژی (کاشت ،گلدهی ،بلوغ)
-2جذب تابش
-3تثبیت ( co2فتوسنتز)
-4تنفس
-5توسعه ارگانهای مختلف
-6تغیيرات سطح برگ
-7تبخير تعرق
-8بیالن آب-خاک
-9حاصلخيزی خاک (تأمين ماده غذایی طی فصل رشد) (در مدل CGMSدر نظر گرفته نشده)
سیستم شبیهسازی از تاریخ کاشت تا بلوغ صورت گرفته و بر مبنای پاسخ گیاه به شرایط آب و هوایی و خاک صورت میگيرد.
Slide 12
جنبه‌های تئوریک WOFOST
طرح کلی مدل
12
Slide 13
جنبه‌های تئوریک WOFOST
دیاگرام مدلهای خانواده )WOFOST( SUCROS
13
Slide 14
جنبه های تئوریک
پارمترهای مدل
Single value parameters
A single value defining the shape of a functional relationship (ex: LAIEM, Q10) or
a switch (ex: IDSL, IOX)
شاخص سطح برگ در مرحله جوانهزنی
درجه دما10 نرخ تنفس به ازای تغییر
Tabular parameters
The parameter is a function of another variable, usually temperature or
development stage.
Its value is found by interpolation given DVS or TEMP
This is done with the AFGEN function
زیر برنامهای که این امکان را فراهم میآورد که
تعیين شودx از رویy با درونیابی خطی مقادیر متغير
Slide 15
WOFOST جنبه‌های تئوریک
فنولوژی
Phenological development and model stage (DVS):
•
Sowing
•
Emergence
•
Tiller formation
•
Floral initiation or double ridge appearance
•
Spikelet formation
•
Stem elongation
•
Anthesis (flowering)
•
Grain set
•
Grain dehydratation (ripening)
•
Dead-ripe (maturity)
DVS=0
DVS = 1
DVS=2
Slide 16
جنبه‌های تئوریک WOFOST
فنولوژی
Slide 17
جنبه‌های تئوریک WOFOST
فنولوژی -افزایش مجموع نیاز حرارتی روزانه
Slide 18
جنبه‌های تئوریک WOFOST
فنولوژی-فتوپریود
نمو برخی گیاهان عالوه بر واحد حرارتی تجمعی تحت تأثير فتوپریود ) (Pنيز قرار دارد .این مورد در
WOFOSTبا استفاده از یک فاکتور کاهش ی ) (Fprمد نظر قرار میگيرد .این فاکتور کاهش ی با توجه به
ميزان اپتیمم فتوپریود ( )Poو یک ميزان بحرانی فتوپریود ( )Pcو از رابطه زیر بدست میآید:
0 ≤ Fpr ≤ 1
P Pc
Po Pc
Fpr
همچنين فاکتور Dدر این گیاهان از رابطه زیر بدست میآید:
که Dمتغير حالت بی بعد برای توصیف مرحله نموی است.
که در زمان ظهور جوانه برابر با 0برای گلدهی 1و برای رسیدگی 2قرار داده میشود.
Te
D Fpr .
Treq
18
Slide 19
جنبه‌های تئوریک WOFOST
جذب تابش
تشعشع نفوذی
تابش دریافتی در باالی کانوپی
تابش دریافتی در درون کانوپی
تابش نفوذی
آسیمیالسیون CO2
Slide 20
WOFOST جنبه‌های تئوریک
تابش درون کانوپی
Solar radiation within canopy
LAI total
LAI shaded and sunlit
reflection
leaf angle distribution, scattering (implicit assumptions in WOFOST)
extinction coefficient (KDIFTB)
: عوامل کنترل کننده
requires modeling of LAI
• KDIFTB
extinction coefficient
for diffuse visible light
[-] as function of DVS
Slide 21
جنبه‌های تئوریک WOFOST
کاربرد و پیاده سازی تابش
اصل
مدلسازی با جزئیات در کل روز از طریق تغیير ارتفاع خورشید ،تابش مستقیم و
پخش شده و ...
رهیافت ساده شده در WOFOST
انتگرال گوس ی سه نقطه ای در روز
• سه نقطه در عمق سایه انداز برگ
نقاط 3در 3در روز (در 3ارتفاع خورشیدی در سه عمق کانوپی)
محاسبه سرعت آسیمیالسیون پتانسیل
Slide 22
WOFOST جنبه‌های تئوریک
Photosynthesis light response curve (per unit leaf area)
CO2 تثبیت
Controlling crop parameters
EFF (epsilon) Initial Light
use Efficiency = 0.45
AMAXTB
C4: 30-90
(default 70)
C3: 15-50
(default 40)
absorbed radiation (PAR) [J m-2 s-1]
maximum leaf CO2 assimilation as function
reduction factor of AMAX as function of av. temp. [cel; -]
red. factor of gross assim. rate as function of low min. temp. [cel; -]
TMPFTB Tmean response
TMNFTB
Tmin response
Slide 23
WOFOST جنبه‌های تئوریک
CO2 تثبیت
Mean Temperature Reduction (TMPFTB)
Slide 24
WOFOST جنبه‌های تئوریک
CO2 تثبیت
Min Temperature Reduction (TMPFTB)
Slide 25
جنبه‌های تئوریک WOFOST
تنفس
این پارامتر بر مبنای وزن خشک ارگانهای مختلف و ترکیبات شیمیایی شان برآورد می شوند که با
دمای محیط اصالح می گردد.
یر متناسب است
ی با موارد ز
تنفس نگهدار
• بیوماس قسمتهای زنده گیاه
• ضریب نگهداری در هر ارگان
• افزایش نسبی Q10با هر افزایش 10درجه ای در حداکثر دمای روزانه
• تنفس نگهداری با دما سریعا افزایش می یابد.
(حدود 15الی 30درصد همه آسیمیالسیون مصرف می شود).
یر بستگی دارد
تنفس رشد به عوامل ز
ضریب تبدیل بر هر ارگان
تخصیص دهی مواد تولید شده در همه ارگانها
(حدود 30الی 40درصد مواد تولید شده مصرف می شود)
Slide 26
جنبه‌های تئوریک WOFOST
توسعه ارگانهای مختلف
مواد تولیدی در همه قسمتهای مختلف توزیع می شوند (برگها ،ساقه هاف ریشته ها ،ارگانهای
ذخيره ای) که به مرحله رشد نيز بستگی دارد.
دو مرحله تخصیص دهی در این مدل وجود دارد:
ارگانهای زیر خاک مثل ریشه ها ()FRTB
اندامهای باالیی ( )1-FRTBشامل
برگها ()FLTB
ساقه ها ()FSTB
اندامهای ذخيره ای ()FOTB
Slide 27
WOFOST جنبه‌های تئوریک
تغییرات سطح برگ
WOFOST keeps track of:
– Living leaf biomass for each day (a leaf class)
– Specific leaf area for each class
– Physiologic age for each class
How to calculate leaf area:
LASUM
When leaves die:
class n
Leafbiomas
s * SLA
class 1
– Corresponding leaf biomass classes are emptied
– Dead biomass is added to the “dead weight leaves”
Slide 28
WOFOST جنبه‌های تئوریک
تبخیر و تعرق
Calculated separately for:
– Crop canopy (transpiration)
– Bare soil surface (soil evaporation)
– Soil surface with ponding (water evaporation)
"PENMAN" & "EVA(P)"
– This routines calculate the potential evapotranspiration rates
from a free water surface (E0), a bare soil surface (ES0), and a
crop canopy (ET0) in mm/d. For these calculations the analysis
by Penman is followed (Frère and Popov, 1979; Penman, 1956).
28
Slide 29
جنبه‌های تئوریک WOFOST
محدوده رطوبتی خاک
در اين مدل محدوده رطوبتي خاک براي رشد گياهان تابعي از تعرق مي باشد.
تنش آبي با بستن روزنه ها منجربه کاهش جذب CO2و مبادله CO2و O2ميان گياه و
اتمسفر مي شود .در مدل براي مشخص نمودن اين تاثير از معادله زير استفاده مي شود :
•
𝑎𝑇
𝑝𝐴.
𝑝𝑇
=𝐴
که در اين معادله Aميزان جذب واقعي Ap ،ميزان جذب پتانسيل Ta ،ميزان تعرق و Tp
ميزان تعرق پتانسيل است.
در محدوده رطوبت بحراني و ظرفيت مزرعه اي نسبت تعرق واقعي به تعرق پتانسيل يک مي
باشد .خارج از اين محدود کوچکتر از 1بوده و در نتيجه منجربه کاهش جذب در نتيجه کاهش
عملکرد گياه مي شود .رطوبت بحراني به نوع گياه و آب و هوا بستگي دارد (دريسن.)1986 ،
29
Slide 30
جنبه‌های تئوریک WOFOST
بیالن آب خاک
Slide 31
جنبه‌های تئوریک WOFOST
بیالن آب خاک
در مدل WOFOSTبیالن آب-خاک بر اساس سه روش بدست میآید:
در روش اول که از آن در محاسبه پتانسیل تولید بکار برده میشود ،خاک یک الیه فرض
شده است .خاک بطور پیوسته مرطوب بوده و نیاز آبی برابر مجموع تبخير تعرق در نظر
گرفته شده است.
در روش دوم که به شرایط محدودیت آب مربوط است ،خاک به صورت دو الیه در نظر
گرفته شده است .با این فرض که ریشه گیاه از آب زیرزمینی نمیتواند منتفع گردد.
در روش سوم که باز هم مربوط به شرایط محدودیت آب است ،خاک به صورت سه الیه
فرض شده اما اینبار تأثير آب زیر زمینی نيز در نظر گرفته شده است.
• الیه اول :برابر عمق توسعه ریشه
• الیه دوم :حد فاصل انتهای عمق توسعه ریشه تا سطح آب زیرزمینی
• الیه سوم :بين سطح آب زیر زمینی تا عمق 1000سانتیمتری خاک
Slide 32
جنبه‌های تئوریک WOFOST
حاصلخیزی خاک و محدودیت مواد غذایی
این مدل قابلیت مدلسازی شرایط محدودیت مواد غذایی در خاک را داراست.
این مدل با زیر مدل QUEFTSو بر مبنای ميزان عناصر P ،Nو Kتحت سه حالت زیر اقدام
به مدلسازی شرایط محدودیت مواد غذایی می کند:
حالت اول :شرایط تولید ماکزیمم بوده و عالوه بر اینکه تحت شرایط کمبود فسفر قرار نداریم،
نیتروژن به ميزان کافی وجود دارد.
حالت دوم :هر دو عامل فسفر و نیتروژن محدود کننده تولید میباشند.
حالت سوم :فقط عامل فسفر عامل محدود کننده بوده ،در حالی که نیتروژن به ميزان کافی وجود دارد.
Slide 33
نمونه نرم افزاری WOFOST 7.1.3
Slide 34
Slide 35
Slide 36
Slide 37
Slide 38
جمع بندی
مدل WOFOSTدر چارچوب مطالعات جهاني امنيت غذا و پتانسيل جهاني توليد غذا ،توسط
مرکز جهاني مطالعات غذايي در همکاري با دانشگاه واکنينگن و مرکز بيولوژيکي کشاورزي و
حاصلخيزي خاک واگنينگن ايجاد گرديده است.
اين مدل در واقع از مدل ديگري به نام SUCROSمشتق شده است .اصول اوليه آن توسط وان
کلوئن و وولف ( )1986نوشته شده است.
تابش خورشيدي محرک اصلي پيش برنده اين مدل مي باشد.
اين مدل نمو فنولوژيکي و رشد گياه را از آغاز جوانه زني تا زمان رسيدگي بر اساس خصوصيات
ژنتيکي گياه و شرايط محيطي توصيف مي کند.
اين مدل ،ماده خشک گياه را به عنوان تابعي از تشعشع ،دما و خصوصيتهاي گياه در مراحل زماني
يک روزه شبيه سازي مي کند.
اصول محاسبه توليد ماده خشک ،سرعت ناخالص جذب CO2توسط کانوپي است ،که به انرژي
تابش ي جذب شده بستگي دارد که آن هم تابعي از تشعشع روزانه ،سطح برگ گياه و ضريب خاموش ي
نور در کانوپي است.
اين مدل ميزان جذب CO2را بر پايه تشعشع فعال فتوسنتزي جذب شده توسط گياه شبيه سازي
مي کند.
رشد در مدل به صورت ديناميک با گام زماني يک روزه شبيه سازي مي شود.
Slide 39
جمع بندی
مدل WOFOSTسرعت سوخت و ساز CO2گياه را به PARورودي جذب شده توسط
کانوپي گياه و خصوصيات فتوسنتزي برگ ربط مي دهد .اين عمل با تنش آبي و کودي کاهش مي
يابد.
نسبت تعرق واقعي به تعرق پتانسيل ،ميزان تاثير تنش رطوبتي روي توليد گياه را نشان مي دهد.
مقدار ماده خشک توليد شده به بخشهاي ريشه ،برگ ،ساقه و ارگانهاي ذخيره تقسيم مي گردد.
اين نسبتها در مراحل مختلف رشد گياه متفاوت است .افزايش ماده خشک برگ نيز نشان دهنده
توسعه سطح برگ است .سطح برگ در پايان هر روز به عنوان سطح فتوسنتز کننده روز بعد در
نظر گرفته ميشود.
براي توصيف نمو فنولوژيکي گياه در اين مدل از متغير DVSاستفاده مي شود که براي جوانه
زني يا انتقال براي گياهان نشايي صفر ،مرحله گلدهي 1و مرحله برداشت 2در نظر مي گيرند که
تابعي از درجه روز مي باشد (وان کلوئن.)1986 ،
در اين مدل محدوده رطوبتي خاک براي رشد گياهان تابعي از تعرق ميباشد .در محدوده رطوبت
بحراني و ظرفيت مزرعه اي نسبت تعرق واقعي به تعرق پتانسيل يک مي باشد .خارج از اين
محدود کوچکتر از 1بوده و در نتيجه منجربه کاهش جذب در نتيجه کاهش عملکرد گياه مي شود.
رطوبت بحراني به نوع گياه و آب و هوا بستگي دارد (دريسن.)1986 ،
Slide 40
با تشکر از توجه شما