نویسنده: دکتر محمدباقر لک، وبسایت تخصصی مکانیزاسیون کشاورزی
مقدمه
برای تحلیل سامانه¬های کشاورزی، اغلب از مدل¬های ریاضی استفاده می¬شود که این نمایش ریاضیاتی از رشد گیاه زراعی منجر به توسعه مدل رشد گیاه می¬شود که برای پیش¬بینی واکنش گیاه به محیط کاربرد دارد. این مدل¬ها به طور فزاینده¬ای برای کمک به تحقیق و توسعه کشاورزی به کار می¬روند.
پیشرفت¬های اخیر در زمینه پایش بی¬وقفه و خودکار ویژگی¬های گیاه زراعی (مانند عملکرد، رشد و مصرف آب) فرصتی را به¬دست می¬دهد تا وضعیت رشد گیاه به شرایط محیطی در هر زمان ارتباط داده شود. مدل¬های رشد گیاهی بطور کلی بر دو نوع هستند: توصیفی[1] (تجربی[2] یا رگرسیونی[3]) و توضیحی[4] (ساختارگرا[5] یا فرآیندگرا[6]).
مدل¬های توصیفی رفتار سامانه را به روشی ساده شبیه¬سازی می¬کنند.
در مدل¬های توصیفی از داده¬های آزمایشی برای یافتن یک یا چند معادله ریاضی استفاده می¬شود. این مدل¬ها نیازمند مقدار زیادی داده هستند و فقط می¬توانند رفتار سامانه را در محدوده داده¬برداری شده توصیف کنند. مدل¬هاي توصیفي تنها تصویري از شرایط حال را ارائه مي¬كنند و پیشگویي یا توصیه نمي¬كنند و اطلاعاتی در اختیار نمی¬گذارند که سازوکار بروز نتیجه را تشریح کند.
مدل¬های فرآیندگرا سازوکارها و فرآیندهای هدایت کننده رفتار سامانه را بطور کمّی توصیف می¬کنند. به¬منظور ایجاد مدل فرآیندگرا، سامانه تحلیل شده، فرآیندها و سازوکارهای آن به¬طور مجزا کمّی می¬شوند و سپس با تلفیق آن¬ها، مدل سامانه مربوطه ارائه می¬شود. پیش¬بینی و تخمین اثر تنش از ویژگی‌های این مدل¬ها می-باشد.
یک مدل فرآیند گرای رشد گیاه، متغیرهای سرعت[7] (آهنگ فتوسنتز، آهنگ گسترش مساحت برگ، و غیره) و متغیرهای وضعیت[8] (زیست توده گیاه، عملکرد و غیره) را محاسبه می¬کند و فرآیندها به¬صورت تابعی از عوامل محیطی، مانند تابش نور و دمای محیط کمّی می¬شوند. در این روش، می¬توان سرعت رشد را در هر مرحله از نمو گیاه در طول فصل رشد، بر اساس وضعیت گیاه زراعی، خاک و آب و هوا محاسبه کرد.
از مدل¬های رشد گیاه زراعی می¬توان در امور پژوهشی و کاربردی مانند برآورد عملکرد، برنامه¬ریزی برای کشاورزی، مدیریت مزرعه، اقلیم¬شناسی و هواشناسی کشاورزی بهره گرفت. درک عوامل مؤثر بر مدل ضروری هستند. در این میان، عوامل آب و هوا تعیین¬کننده رشد بالقوه گیاه هستند؛ بطوری¬که انحراف آن¬ها از مقدار مطلوب سبب کاهش عملکرد می¬شود. تابش خورشیدی انرژی را برای فتوسنتز و تعرق گیاه فراهم می¬کند و یکی از عوامل هواشناختی تعیین کننده عملکرد بالقوه می¬باشد.
مدل¬های رشد گیاه بطور روزافزونی در تحلیل سامانه¬های کشاورزی ب¬کار گرفته می-شوند و با بهره¬گیری از معادلات ریاضیاتی، واکنش گیاه به عوامل رشد را شبیه¬سازی می¬کنند. بمنظور پایش اثر آب و هوا بر رشد گیاه زراعی و پیش¬بینی عملکرد، در مقیاس منطقه¬ای یا قاره¬ای از مدل¬های شبیه¬ساز متنوعی استفاده می¬شود که در ادامه به برخی اشاره می¬شود.
مدل رشد AquaCrop
آکواکراپ (AquaCrop) مدلی است ساختارگرا، ساده، دقیق و قوی که کاربری آن آسان بوده و با تعداد کمی پارامتر قابل اجرا است. این مدل، رشد و نمو پوشش سبز تاج، تعرق گیاه، زیست¬توده بالای خاک و متغیرهای عملکرد محصول را بعنوان توابعی از آب در دسترس و مصرفی، پارامترهای مدیریتی، فیزیولوژی گیاه، آب آبیاری و ویژگی-های خاک شبیه¬سازی می¬کند. این مدل تعادل میان آب و خاک را شبیه¬سازی کرده و فرآیندهای مربوط به رشد گیاه زراعی را بصورت تابعی از گیاه، خاک، آب و هوا و نحوه مدیریت بعنوان متغیرهای ورودی ب¬صورت روزانه شبیه¬سازی می¬کند.
از مدل AquaCrop می¬توان برای برنامه¬ریزی آبیاری نیز بهره جست. در پژوهش¬های متعدد، از مدل AquaCrop برای شبیه¬سازی موارد مختلف بهره¬گیری شده است، از جمله: عملکرد و مصرف آب در گیاه کلم، پیش¬بینی اثر تیمار آب و نیتروژن بر عملکرد ذرت، پیش¬بینی اثر سطوح مختلف آبیاری بر عملکرد زعفران، مدیریت آب و نیتروژن بر عملکرد برنج، برنامه‌ریزی آبیاری آفتابگردان، اثر آبیاری بر عملکرد گندم و سویا و تعیین عمق آبیاری برای گندم و گوجه¬فرنگی در مزرعه.
مدل‌های دیگر
در مدل مطالعات غذای جهان (WOFOST[9])، مقدار CO2 وارده و جذب شده بعنوان فرآیندهای حاکم بر رشد گیاه منظور می‌شوند و رشد گیاه با استفاده از نمو فنولوژیکی بعنوان فرایند کنترل رشد تشریح می¬شود. روش‌های استفاده از این شیوه عبارتند از: (1) حالت بالقوه که هیچ عامل محدودکننده رشدی منظور نشده و رشد گیاه کاملاً تحت کنترل دما و تابش خورشید است؛ (2) حالت محدودیت آبی که آب در دسترس گیاه به اندازه کافی نیست و بغیر از آب هیچ محدودیت دیگری اعمال نمی‌شود؛ (3) حالتی که مواد مغذی محدود هستند. این مدل می¬تواند آهنگ رشد روزانه گیاه را با در نظر گرفتن شرایط اقلیمی (تابش خورشیدی، دما، رطوبت نسبی، سرعت باد و بارش)، ویژگی¬های خاک (عمق خاک، ظرفیت نگهداری و نفوذ آب) و ویژگی¬های گیاه (طول دوره رشد، ویژگی¬های فتوسنتزی و توزیع ماده خشک) شبیه‌سازی کند. مدل خاک-آب-جو-گیاه (SWAP[10]) یک مدل مفصل است که از WOFOST اقتباس شده است.
در مدل CROPGRO فتوسنتز تاج‌پوشش بطور ساعتی با محاسبات جذب نور در گیاه و پارامترهای فتوسنتزی سطح برگ مدل¬سازی می¬شود. این مدل فرآیندگرا تعادل کربن در گیاه، نیتروژن در گیاه و خاک و تعادل آب در خاک را در نظر می¬گیرد. مقادیر، توده¬ها و تعداد بافت¬ها در این روش متغیرهای ثابت هستند. در حالی¬که آهنگ ورودی¬ها، تبدیلات و تلفات از متغیر ثابت، متغیر¬های وابسته هستند.
سامانه تصمیم ساز برای تبدیل فناوری کشاورزی (DSSAT[11]) مجموعه¬ای است از نرم¬افزارهای مستقل که آب و هوا، خاک، شرایط آزمایش و مقادیر و اطلاعات ژنوتیپ برای بکارگیری مدل¬ها برای موقعیت¬های مختلف را تشریح می¬کنند. این مدل تابش خورشیدی، دما و بارش را بعنوان ورودی در نظر می‌گیرد و در برنامه‌ریزی برای کاربری اراضی به کار گرفته می‌شود. یکی از مزایای DSSAT مدل کردن تعامل گیاه و نیتروژن است. در یک مطالعه موردی، از این مدل رشد برای پیش¬بینی رشد و عملکرد ژنوتیپ گندم در الجزایر استفاده شد. از این مدل بطور وسیعی در شرایط متنوع و اهداف مختلف در جهان بعنوان یک ابزار کمک مدیریتی استفاده شده است.
بدون دیدگاه