دانلود مقاله خواص خاک

مقدمه
زهکشی آب قسمت پایین منطقه ریشه، D [mmd-1] ازطریق الگوی تحلیلی سیزون و سایرین (1980) محاسبه شد که بر اساس مقادیر مشخص شده برای خواص هیدرولیک خاک است.

الگوی زهکشی از معادله ریچارز بدست می‌آید که حرکت و جابجایی عمودی آب را از طریق خاک یکنواخت توصیف می‌کند:
(5)
که مقدار آب حجمی [m3m-3] است، k (قابلیت) هدایت هیدرولیکی [ms-1] است، H، رأس کلی هیدرولیکی [m]است که پتانسیل ماتریک خاک h[m] منهای رأس گرانشی کلی و z[m] شامل می‌شود و t زمان [s] است.

برای یک «گرادیان یا شیب واحد» دررأس پتانسیل کلی، یعنی Dh /dz ، و رابطه مناسب ، سیزون وسایرین(1980) نشان دادند که ما می‌توانیم یک رابطه خطی بین عمق کلی آب در نمای خاک، W[m]، و لگاریتم زمان [t]پیش‌بینی کنیم،
(6)
هم y وهم C عوامل وابسته به خاک هستند.

معادله (6) زهکشی آزاد از یک نمای خاک یکنواخت را فقط تحت تأثیر جاذبه و در غیاب یک جدول آب کم عمق تخمین می‌زند.

برای این بررسی و مطالعه، ما مورد یک تابع هدایت هیدرولیکی با قانون توان شکل زیر را بررسی می‌کنیم:
(7)
که و KS به ترتیب حداکثر مقادیر هدایت هیدرولیکی و مقدار آب خاک را نشان می‌دهند، و یک عامل شیبی است که نشان می‌دهد وقتی آب زهکشی می‌شود، هدایت هیدرولیکی چقدر سریع کاهش می‌یابد.

این معادله، از بکارگیری تابع هدایت با قانون توان ما پیروی می‌کند (سیزون و سایرین)، که در آن داریم:
(8)
برای اهداف عملی، ما علاقمند به میزان کلی آب ذخیره شده در منطقه ریشه هستیم، بنابراین Z = ZR، عمق ریشه‌ها، را تعیین می‌کنیم.

میزان آب زهکشی شده در زیر منطقه ریشه، D[m/d]، در مدت زمان یک روز بعداً به صورت زیر محاسبه می‌شود‍:
(9)
که wi[m] میزان آب ذخیره شده در سطح مقطع خاک، بین سطح خاک و عمق ZR، در روز قبلی است.

پارامترهای فشرده مورد نیاز برای ارزیابی زهکشی آبی که از منطقه ریشه خارج می‌شود، سه مقدار ثابت C,A,y هستند.

چاپاز (1987) نشان داد که معادله (9) توصیف خوبی از زهکشی پایین منطقه رشد پیچک کیوی و مرتعی که در خاک پوکِکُهی رشد می‌کنند، در اختیار می‌گذارد.

خواص خاک
برای ارزیابی این زهکشی خاک خارج از منطقه ریشه نیاز به دو خاصیت خاک می‌باشد.

اول اینکه از یک تراوایی سنج دیسکی (پروکس و وایت، 1988) برای بدست آوردن یک توصیف در جای اصلی خود هدایت هیدرولیکی خاک در حدود رأس فشار 20- تا حدود mm 150- استفاده ‌شد، که نزدیک به اشباع است.

داده‌ها و اطلاعات تراوایی سنج دیسکی مقیاسی از هدایت هیدرولیکی خاک های اشباع شده، ks[ms -1] را فراهم می‌سازند.

این خاصیت در کنترل ورود آب به خاک ونیز حرکت روبه پایین آب توسط جاذبه ضروری و مهم است.

ما همچنین نیاز به ویژگی حفظ و نگهداری آب خاک داریم چون این خاصیت، توانایی خاک‌ها را برای «نگهداری آب» در سوراخ ها و منفذهای خاک تحت تأثیر خود قرار می‌دهد.

داده‌ها و اطلاعات مختص ویژگی های حفظ و نگهداری آب خاک با استفاده از آمیزه ای از دستگاه هاین و اندازه‌گیری‌های صفحه‌ای فشار نمونه‌های خاک تعیین شدند (جیم وات).

یک رابطه بروکس وکُرِی برای منحنی حفظ و نگهداری آب هماهنگ شد و برای ارزیابی و برآورد پارامتر معادله 7، فرم تقریبی تابع هدایت هیدرولیکی (ون گنوشتن ، 1980) مورد استفاده قرار گرفت.

تجزیه و تجلیل آماری محاسبات تعادل یا توازن آب
ماهیت نامشخص بارندگی در طول ماههای تابستان برنامه‌ریزی آبیاری را مشکل می‌سازد.

برای برآورد تغییرپذیری در هریک از مؤلفه های تعادل یا توازن آب، از یک روش آماری استفاده می‌کنیم.

برای تعیین شرایط آبیاری، بریک اساس سالانه برای هر یک از محصولاتی که در منطقه پوکِِکُهی رشد می‌کنند، از یک دوره 4 هفته ای برای هر یک از ماههای سال استفاده کردیم.

با توجه به محاسبات توازن آب دراز مدت، یک توزیع احتمال برای کل بارندگی، آبیاری کاربردی، مصرف آب محصولات و زهکشی ایجاد کردیم که برای هر دوره 28 روزه در سرتاسر سال صورت می‌گیرد.

بخاطر «زمان انتظار» ویژه بین زمان های زهکشی و بارندگی که در الگوی گاما تلویحی است، توزیع های زهکشی و بارندگی با یک تابع چگالی احتمال گاما (PDF) مقایسه می‌شوند (لارسن و مارکس، 1986).

توزیع های متناظر آبیاری و مصرف آب محصولات با یک تابع چگالی احتمال گاوسی مقایسه می‌شوند.

جزئیات تابع های PDF نرمال و گاما در ضمیمه یا پیوست بیان می‌شوند.

ما از تابع های PDF گاوسی و گاما استفاده می‌کنیم، که می‌توان برای ارزیابی ریسک یا احتمال خطر مربوط به هریک از مؤلفه‌های توازن آب و نیز برای تعیین آبیاری موردنیاز برای رسیدن به نیازهای محصول در 4 تا از 5 مورد، از طریق انحراف معیار و میانگین نمونه محاسبه کرد.

ولی با این همه، این تعریف دیسک یا خطر برای شرایط و نیازمندی‌های آبیاری بدین معناست که یک شانس 20درصد وجود دارد که آب کافی برای برآورد کردن شرایط و نیازمندی‌های محصول اختصاص داده نخواهد شد.

ولی نتایج بدست آمده می‌توانند برای تعیین نیازمندی‌های آب برای سطح از پیش تعیین شده ریسک مورد استفاده قرار گیرند.

نتایج
برآوردهای مصرف آب گیاهان برای برخی محصولات مزرعه‌ای ویژه منطقه اُکلند حاصل شدند.

محصولاتی که ما آنها را بررسی کردیم، عبارت بودند از: علف مرتعی، باغ‌های برگ ریز، به اضافه تک محصولات پیازها، سیب‌زمینی‌ها، اسکواش (نوعی کدوی مسمایی) و کلم.

همچنین یک محصول سالانه سبزیجات برگ سبز را نیز بررسی کردیم.

ما در ابتدا میانگین محاسبات توازن آب یک علف مرتعی را که در منطقه پوککهی رشد می‌کند را نشان خواهیم داد.

الگوی فصلی توازن آب برای مرتعی که در یک خاک محلی در آب و هوای پوککهی رشد می‌کند.

میانگین ET روزانه به بالاترین حد خود یعنی به حدود mm/d5 در طول ماههای تابستان می‌رسد.

این میزان ها در طول زمستان به پایین تر از mm/d1 کاهش می‌یابد.

میانگین بارندگی در طول تابستان تقریباً بین 5/2 تا mm/d 3 است.

بنابراین بطور میانگین برای حفظ و نگهداری تولید مرتع، حدود mm/d2 آبیاری مورد نیاز است.

میزان کمی از زهکشی در پایین منطقه ریشه در تابستان صورت می‌گیرد، که معمولاً بعد از یک بارندگی شدید می‌باشد که منطقه ریشه قبلاً نزدیک به ظرفیت مزرعه است.

زهکشی در تابستان به طور متوسط کمتر از حدود mm/d1 است در حالیکه جریان سطحی آب در تابستان به علت ماهیت زهکشی آزاد خاک پوککُهی ناچیز است.

در مقایسه با آن، میانگین بارندگی در زمستان به حداکثر مقدار خود یعنی تقریباً پایین‌تر از mm/d 5 می‌رسد و این به مراتب بیشتر از میزان mm/d 1 مربوط به ET مرتع است.

بارندگی زیاد، همراه با ETپایین بدین معناست که هرگز نیازی به استفاده از آبیاری در زمستان وجود ندارد.

میزانهای زهکشی در زمستان حداکثر به حدود mm/d 5/3 می‌رسد، بطوریکه بطور متوسط فقط حدود 30درصد از بارندگی زمستان در داخل منطقه ریشه باقی‌خواهد ماند.

اگر می‌خواستیم آب گیاهان را براساس نیازمندی‌های آبیاری « متوسط» نشان داده شده را به 3 تقسیم کنیم، در اینصورت 50 درصد از زمانی که گیاه نیاز داشت فراتراز این تقسیم یا توزیع می‌شد.

ولی، بعلت ماهیت نامشخص و نامنظم بارندگی تابستان، و تغییر‌پذیری مربوطه مصرف آب گیاهان که ناشی از آب و هوای گرم / خنک یا آفتابی‌/ ابری می‌باشد، ممکن است یک پراکندگی گسترده در زمینه شرایط و نیازمندی‌های آبیاری محصولات خاص در سالهای متفاوت را پیش بینی کنیم.

در طول یک سال خشک (1974)، مرتع نیاز به حدود 525 میلی‌متر در سال آبیاری داشت، که در 25میلی‌متر واحد تهیه شد.

مقدار آب منطقه ریشه بخاطر میزان‌های ناچیز و نادر بارندگی برای اکثر روزهای ماههای ژانویه و فوریه نزدیک به نقطه تریگر [m3/m3]) 36%= ) باقی ماند.

بخاطر آب و هوای گرم و خشک، ETزمان تابستان حداکثر به حدود mm/d 5/7 رسید.

ترکیبی از کاهش نیازهای ETو بارندگی تقریباً زیاد در اواخر ماه آوریل مقارن با نزدیکی منطقه ریشه به ظرفیت مزرعه شد.

این منجر به دو رویداد زهکشی زیاد شد.

ولی، بخاطر افزایش بارندگی زمستانه که خاک منطقه ریشه را نزدیک به ظرفیت مزرعه نگه داشت، اکثر زهکشی بین ماههای ژوئن و اُکتبر صورت‌گرفت.

بین ماههای آوریل تا اُکتبر نیاز به آبیاری نبود.

از آن پس، دوره گرم و خشک دیگر بین ماههای اکتبر و نوامبر مصرف آب مرتع را افزایش داد و مقدار آب منطقه ریشه را به سرعت تا نقطه تریگر 36%= کاهش داد.

6 آبیاری 25 میلی‌متری در دو ماه آخر سال مورد نیاز بودند، هرچند که یک بارندگی وسیع حدود 90میلی‌متر در آخر ماه نوامبر صورت می‌گیرد.

تمام این بارندگی در منطقه ریشه باقی نماند.

بلکه، حدود 30 میلی‌متر زهکشی بود، و حدود 9 میلی‌متر نیز بصورت جریان سطحی آب تلف شد.

در طول یک سال بارانی (1992)، ما شرایط و نیازمندی‌های آبیاری مرتع را محاسبه کردیم که تقریباً 150 میلی‌متر در سال بود، که در 25 میلی‌متر واحد ارائه شد.

برای این سال بارانی، خاک منطقه ریشه در آغاز ماه ژانویه قبلاً کاملاً مرطوب بود.

بنابراین با توجه به این خاک قبلاً مرطوب، همراه با چند رویداد بارندگی وسیع در طول ماه ژانویه تا ماه مارس، ویک ET به مراتب پایین‌تری که ناشی از آب و هوای مرطوب‌تر و خنک‌تر بود، فقط 3 آبیاری بین ژانویه و مارس مورد نیاز بود.

در مقایسه، مرتع نیاز به تقریباً 15آبیاری درطول 3 ماه اول تابستان خشک سال 1974 داشت.

به عبارت دیگر، مرتع نیاز به آبیاری کلی تقریباً 375 میلی‌متر برای 3 ماه اول سال خشک داشت ولی برای سال بارانی و مرطوب این مقدار فقط 75 میلی‌متر بود.

این تفاوت به نیاز برای در نظرگیری ریسک و خطر در زمان بهبود بخشی به شرایط و نیازمندیهای آبیاری تأکید می‌کند.

بطور متوسط ما پیش‌بینی کردیم که مرتع نیاز به آبیاری کلی تقریباً 40 میلی‌متر بین ماههای ژانویه تا مارس دارد.

قضیه مشابهی در مورد علف مرتعی با بارندگی فرسایشی نیز در طول ماههای نوامبر و دسامبر صدق می‌کند.

در مقایسه، شرایط و نیازمندی‌های آبیاری درختان میوه با سیستم‌های ریشه‌ای عمیق‌ترشان تا حدودی کمتر از نمونه آن در علف مرتعی با ریشه سطحی تر است.

در واقع ما محاسبه می‌کنیم که یک باغ میوه بالغ و رسیده و برگ‌ریز در طول کل سال بارانی سال 1992 نیازی به آب ندارد.

این بدان خاطر است که درختان میوه آب کافی در منطقه ریشه عمیق‌شان ذخیره می‌کنند تا یک بافر مؤثر در برابر هر یک از کمبودهای کوتاه مدت آب که در طول تابستان ایجاد شدند، فراهم سازند.

تصور می‌شود که درختان میوه برگ‌ریز در خاک پوککهی یک بافر ذخیره حدود 5/82 میلی‌متر آب کاملاً موجود و در دسترس خاک داشته باشد (جدول 2).

این بافر برای برآورده کردن شرایط و نیازمندی‌های آب گیاهان برای یک دوره تقریباً ]1روزه کافی‌ است، که تصور می‌شود میانگین ET تابستان 5 میلی‌متر در روز باشد.

بارندگی تابستان فراوانتر از این در طول سال بارانی 1992 بود.

در سال خشک 1974، باغ میوه نیاز به حدود 300 میلی‌متر آبیاری در طول کل سال داشت.

این مقدار هنوز کمتر از 525 میلی‌متر آبیاری مورد نیاز توسط علف مرتع در همان سال است.

با توجه به اینکه تخصیص یا توزیع آبیاری بر اساس متوسط محاسبات توازن و تعادل آب، آب کافی برای هر تابستان فراهم نخواهدکرد.

چنین برنامه و طرحی در سال های بارانی‌تر و مرطوب‌تر توزیع بیش از حد خواهد بود ودر طول سالهای خشک‌تر توزیع کمتر از حد خواهد بود.

اگر پرورش دهندگان گیاه ملزم به استفاده دقیق از میزان متوسط آب آبیاری بودند، در اینصورت مقدار کمی از آب به گیاهان می‌رسید و کاهش چشمگیری در تولید محصولات وجود داشت.

یک شیوه محتاطانه‌تر برای توزیع آب مطلوب است و ما آن را بر اساس یک ارزیابی احتمالی خطر قرار می‌دهیم.

بعد برای بررسی تغییرپذیری نیازهای آب برای ایجاد سطح آبیاری موردنیاز جهت برآورده‌کردن نیازهای گیاهان در هشتاد درصد از سالها از یک روش آماری استفاده می‌کنیم.

با توجه به محاسبات توازن و تعادل آب دراز مدت، می‌توانیم یک توزیع احتمالی برای هر یک از مؤلفه‌های تعادل آب، که در طول یک مدت زمان 28 روزه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت، برای هریک از ماههای سال برقرار کنیم.

بنابراین برخی نتایج برای مرتع را در طول تابستان توضیح می‌دهیم که در آن ما توزیع‌های زهکشی و بارندگی را با یک تابع چگالی احتمال گاما (PDF) مقایسه می‌کنیم.

در آنجا همچنین توزیع‌های متناظر آبیاری و ET محصول را با یک PDFنرمال مقایسه می‌کنیم.

این تابع‌های چگالی احتمال که از طریق میانگین‌های نمونه‌ای و انحراف معیارها محاسبه‌ می‌شوند، توصیف خیلی خوبی از روند مشاهده شده در هریک از مؤلفه‌های تعادل و توازن آب را در اختیار می‌گذارند.

ما نشان می‌دهیم که به نظر نمی رسد که PDF زهکشی، همانطوریکه از طریق یک تابع گاما محاسبه می‌شود، به اندازه سه مؤلفه تعادل آب دیگر خوب باشد.

این بدان خاطر است که زهکشی اغلب در طول تابستان کاملاً کم است.

توزیع گاما توصیف خیلی خوبی از زهکشی را در طول زمستان ارائه می‌دهد که