شبیه‌سازی اثر مدیریت آبیاری و نیتروژن بر عملکرد برنج و بهره‌وری آب سبز و آبی با مدل ORYZA2000

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته دکتری، گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده آب و خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

2 دانشیار، گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده آب و خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

3 استادیار پژوهش، موسسه تحقیقات برنج کشور، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، رشت، ایران

4 استاد، گروه مهندسی آب، واحد لاهیجان، دانشگاه آزاد اسلامی، لاهیجان، ایران

چکیده

مقدمه: برنج آبی به‌عنوان یکی از مهم‌ترین غلات جهان و محصولی با نیاز آبی زیاد، در معرض خطر کم‌آبی، بهره‌وری کم نیتروژن و اثرات زیست‌محیطی ناشی از مصرف بی‌رویه کود قرار دارد. در این میان، مدیریت صحیح آبیاری و کوددهی و همچنین تفکیک منابع آبی به آب سبز )رطوبت ناشی از بارندگی) و آب آبی (آب برداشت‌شده از منابع سطحی و زیرزمینی)، همراه با استفاده از مدل‌های فرآیندمحور مانند ORYZA2000، می‌تواند در ارتقای بهره‌وری و کاهش فشار بر منابع طبیعی نقش مؤثری ایفا کند. هدف از این پژوهش، ارزیابی اثرات توأم مدیریت آبیاری و نیتروژن بر عملکرد برنج و شاخص‌های بهره‌وری آب سبز و آبی با استفاده از مدل ORYZA2000 بود.

مواد و روش‌ها: آزمایش به‌صورت کرت‌های خردشده در قالب طرح بلوک‌های کامل تصادفی با سه تکرار و 16 تیمار طی دو سال زراعی در مؤسسه تحقیقات برنج کشور در رشت اجرا شد. عامل اصلی چهار سطح آبیاری (غرقاب دائم، آبیاری 1، 3 و 5 روز پس از محو آب از سطح زمین) و عامل فرعی چهار سطح نیتروژن (صفر، 60، 90 و 120 کیلوگرم در هکتار) بودند. رقم مورد استفاده، برنج هیبرید «بهار» بود که به‌دلیل عملکرد بالا و سازگاری با شرایط اقلیمی گیلان انتخاب و صفات عملکرد دانه، زیست‌توده، شاخص سطح برگ و جذب نیتروژن اندازه‌گیری شد. برای واسنجی و اعتبارسنجی مدل ORYZA2000 به‌کار گرفته شد و سپس نتایج مدل‌سازی بیلان آب برای شبیه‌سازی شاخص‌های بهره‌وری آب آبی و سبز و اجزای تعادل آبی مورد استفاده قرار گرفت.

نتایج و بحث: نتایج نشان داد که بیش‌ترین عملکرد دانه (7.2 تن در هکتار) با مصرف ۱۲۰ کیلوگرم نیتروژن و آبیاری سه روز بعد از محو آب از سطح زمین به‌دست آمد. مدل ORYZA2000 توانست عملکرد دانه، زیست‌توده، نیتروژن کل، نیتروژن دانه و شاخص سطح برگ (به‌ترتیب با ریشه مربعات خطای نرمال شده 12-7 درصد، 12-6 درصد، 15-8 درصد، 10-9 درصد و 29-14 درصد) را در سطح قابل قبولی شبیه‌سازی کند. عملکرد مدل در تمامی شاخص‌ها به‌جز شاخص سطح برگ از 0.65 بالاتر بود. مقدار ضریب تبیین (R2) برای تمامی شاخص‌ها نیز بالاتر از 0.7 بود که بیانگر برازش مطلوب مدل بین داده‌های اندازه‌گیری شده و شبیه‌سازی شده بود. بیش‌ترین مقدار متوسط دو ساله شاخص‌های بهره‌وری آبی شبیه‌سازی شده در تیمار آبیاری سه روز پس از محو آب از سطح زمین + ۱۲۰ کیلوگرم نیتروژن به‌دست آمد. تفکیک شاخص‌های بهره‌وری به اجزای سبز و آبی نشان داد که این تیمار برای بیش‌تر شاخص‌های بهره‌وری آب آبی و سبز بیشینه بود، اما بیشینه مقدار شاخص‌های بهره‌وری آب سبز و بهره‌وری تعرق ناشی از آب سبز به‌ترتیب در تیمارهای آبیاری پنج روز پس از محو آب از سطح زمین + ۱۲۰ کیلوگرم نیتروژن و آبیاری غرقاب دائم + 120 کیلوگرم نیتروژن به‌دست آمد.

نتیجه‌گیری: مدیریت آبیاری و نیتروژن نقش اساسی در بهبود عملکرد برنج و بهره‌وری آب آبیاری دارند. مدل ORYZA2000 دقت بالایی در شبیه‌سازی سناریوهای مدیریتی و تحلیل اجزای تعادل آبی نشان داد و می‌تواند به‌عنوان ابزار تصمیم‌گیری در سیاست‌گذاری منابع آب و کود در مناطق برنج‌خیز کشور مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Simulation of irrigation and nitrogen management effects on rice yield and green/blue water productivity using ORYZA2000

نویسندگان [English]

  • Parvin Zolfaghary 1
  • Abutaleb Hezarjaribi 2
  • Mojtaba Rezaei 3
  • Ebrahim Amiri 4
1 Ph. D. Graduate, Department of Water Science and Engineering, Faculty of Water and Soil, Gorgan University of Agricultural Science and Natural Resources, Gorgan, Iran
2 Associate Professor, Department of Water Science and Engineering, Faculty of Water and Soil, Gorgan University of Agricultural Science and Natural Resources, Gorgan, Iran
3 Research Assistant Professor, Rice Research Institute of Iran, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Rasht, Iran
4 Professor, Department of Water Engineering, La. C., Islamic Azad University, Lahijan, Iran
چکیده [English]

Introduction: Irrigated rice, as one of the most important cereals worldwide and a crop with high water requirements, is increasingly exposed to risks of water scarcity, low nitrogen use efficiency, and environmental impacts resulting from excessive fertilizer application. In this context, proper management of irrigation and fertilization, as well as the distinction between green water (soil moisture derived from rainfall) and blue water (withdrawn from surface and groundwater sources), combined with the application of process-based models such as ORYZA2000, can play a significant role in enhancing productivity and reducing pressure on natural resources. The aim of this study was to evaluate the effects of irrigation and nitrogen management on rice yield and green and blue water productivity indices using the ORYZA2000 model.

Materials and Methods: The experiment was conducted as split plots in a randomized complete block design with three replications and 16 treatments over two cropping years at the Rice Research Institute of Iran, Rasht, Iran. The main factor was four irrigation regimes (permanent flooding, irrigation 1, 3, and 5 days after surface water disappearance) and the subfactor was four nitrogen levels (0, 60, 90, and 120 kg.ha⁻¹). The hybrid rice ‘Bahar’ was used, due to its high yield potential and good adaptability to the climatic conditions of Guilan province, and grain yield, biomass, leaf area index, and nitrogen uptake were measured. The ORYZA2000 model was used for calibration and validation, and then, the results of water balance simulation were used to estimate blue and green water productivity indices as well as the components of the water balance.

Results and Discussion: The results indicated that the highest grain yield (7.2 t.ha-1) was obtained with 120 kg.ha-1 nitrogen and irrigation three days after surface water disappearance. The ORYZA2000 model successfully simulated grain yield, biomass, total nitrogen, grain nitrogen, and leaf area index with normalized root mean square error (NRMSE) of 7-12%, 6-12%, 8-15%, 9-10%, and 14-29%, respectively. The model efficiency for all indices, except leaf area index, was higher than 0.65. The coefficient of determination (R²) for all indices was also higher than 0.70, indicating a good fit between the measured and simulated data. The highest two-year average values of simulated water productivity indices were obtained with the 120 kg.ha-1 nitrogen + irrigation three days after surface water disappearance. Separating the productivity indices into green and blue components showed that this treatment was the maximum for most blue and green water productivity indices, but the highest green water productivity and green water transpiration productivity indices were obtained with the 120 kg.ha-1 nitrogen + irrigation ​​five days after surface water disappearance and 120 kg.ha-1 nitrogen + permanent flooding, respectively.

Conclusion: Irrigation and nitrogen management plays a key role in improving rice yield and irrigation water productivity. The ORYZA2000 model demonstrated high accuracy in simulating management scenarios and analyzing water balance components, and thus can serve as a valuable decision-support tool in water and fertilizer resource policy-making for rice-growing regions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Crop modeling
  • Deficit irrigation
  • Farm water balance
  • Flood irrigation
  • Nitrogen uptake