Μαθηματική διερεύνηση εξατμισοδιαπνοής, φυσικών ιδιοτήτων εδάφους και ισοζυγίου νερού, αζώτου και φωσφόρου στο περιβάλλον αρδευομένων ορυζώνων

Abstract

Objective of this study is the development and application of mathematical models for the description of soil physical properties, agronomic characteristics including evapotranspiration and water, nitrogen, phosphorous balance in flooded rice fields. The mathematical approach of the aforementioned processes was based on experimental measurements from two rice-fields and fourteen lysimeters with flooded rice. The analysis in soil physical properties of the flooded rice-fields was based on the water retention curve (WRC) changes and consequently the changes of the pore size distribution (PSD), the saturated hydraulic conductivity (Ks) and the degree of soil compaction. Two new Ks equations and a new index “CPV index” for the detailed analysis of PSD changes were developed. The rice cultivation lead to soil compaction and for this reason two methods for soil compaction assessment were developed a) a new index “KSC-index” based on saturated hydraulic conductivity for compaction state comparisons among different soil types and b) a new grapho-analytical method for the development of compaction state nomographs separately for each soil type. The analysis of the agronomic parameters of rice crop leaded to equations development for the simulation of the crop height, the root length, the effective rooting depth, the leaf area index, the tillers number, the harvest index and the grain straw ratio. Special attention was given on the parameter of LAI, where the gravimetric method for LAI determination was developed. The method was expanded and used for the indirect determination of LAI during the total season using only the final dry biomass without intermediate measurements. Evapotranspiration was investigated in two steps a) in the first step, analysis was performed on seven methods of reference crop evapotranspiration for the environmental conditions of Thessaloniki plain in Greece giving special attention to the ASCE-standardized Penman-Monteith method, while analysis on another six methods of pan coefficient based on Class-A pan measurements was also performed, b) in the second step, assessment of rice crop evapotranspiration was performed, where new equations for the crop factor, evaporation from ponding water and water temperature were developed based on measurements from lysimeters. For the water, nitrogen and phosphorus balance assessment in flooded rice-fields, the modified GLEAMS model was applied. Modifications that concern the water, nitrogen and phosphorus balance in the ponding water and the inclusion of other equations that concern parameters, which were discussed in the previous applications are adopted. Algae growth submodel was also incorporated in the model due to their significant effects in the nitrogen and phosphorus balance in the ponding water. The model was calibrated and validated using data from two experimental rice fields of Thessaloniki plain in Greece.

Αντικείμενο της διατριβής είναι η ανάπτυξη και εφαρμογή μαθηματικών μοντέλων για την περιγραφή των φυσικών ιδιοτήτων του εδάφους, των αγρονομικών παραμέτρων με έμφαση στην εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας του ρυζιού καθώς και των συνιστωσών του ισοζυγίου νερού, αζώτου και φωσφόρου των ορυζώνων υπό συνθήκες κατάκλυσης. Η μαθηματική διερεύνηση των παραπάνω διαδικασιών βασίζεται σε πειραματικές μετρήσεις που ελήφθησαν από πειραματικούς ορυζώνες και πειραματικά λυσίμετρα με ρύζι υπό κατάκλυση. Η διερεύνηση των φυσικών ιδιοτήτων του εδάφους των ορυζώνων βασίστηκε στις μεταβολές που υφίσταται η χαρακτηριστική καμπύλη και μέσω αυτής η κατανομή μεγέθους των πόρων, η κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα και ο βαθμός συμπύκνωσης του εδάφους. Αναπτύχθηκαν δύο νέες εξισώσεις κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας κι ένας νέος δείκτης “CPV index” για την ανάλυση των μεταβολών της κατανομής μεγέθους των πόρων. Οι μεταβολές που υφίσταται το υπό κατάκλυση έδαφος οδηγούν σε συμπύκνωση και για το λόγο αυτό αναπτύχθηκαν και δύο μεθοδολογίες για τη μελέτη της συμπύκνωσης του εδάφους, οι οποίες είναι α) ένας νέος δείκτης (KSC index), ο οποίος βασίζεται στην κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα του εδάφους, για συγκρίσεις μεταξύ διαφορετικών εδαφών και β) μια νέα γραφο-αναλυτική μέθοδος, η οποία οδηγεί στη δημιουργία ενός νομογραφήματος συμπύκνωσης για κάθε τύπο εδάφους. Από τη διερεύνηση των αγρονομικών παραμέτρων της καλλιέργειας του ρυζιού αναπτύχθηκαν συναρτήσεις μεταβολής για το ύψος της καλλιέργειας, το μήκος των ριζών, το αποτελεσματικό βάθος ριζοστρώματος, το δείκτη φυλλικής επιφάνειας, τον αριθμό αδελφιών, το δείκτη συγκομιδής και το δείκτη αναλογίας καρπού-σταχιού. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην παράμετρο του δείκτη φυλλικής επιφάνειας όπου αναπτύχθηκε βαρυμετρική μέθοδος υπολογισμού της. Η μέθοδος επεκτάθηκε για τον έμμεσο υπολογισμό του LAI σε όλη την καλλιεργητική περίοδο χωρίς ενδιάμεσες δειγματοληψίες μόνο με βάση το συγκομιζόμενο προϊόν. Η μελέτη της εξατμισοδιαπνοής χωρίζεται σε δύο μέρη α) στο πρώτο μέρος έγινε ανάλυση των εφτά κυριότερων μεθόδων εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς για τις συνθήκες της πεδιάδος Θεσσαλονίκης, με ιδιαίτερη έμφαση στη μέθοδο ASCE-standardized Penman-Monteith, ενώ διερευνήθηκαν και έξι εξισώσεις υπολογισμού του συντελεστή εξατμισημέτρου με βάση μετρήσεις εξατμισημέτρου Class-A pan, β) στο δεύτερο μέρος έγινε ανάλυση και εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής της καλλιέργειας του ρυζιού, της εξάτμισης και της θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης με βάση τις μετρήσεις που ελήφθησαν από λυσίμετρα με στόχο την ανάπτυξη νέων εξισώσεων για τον υπολογισμό τους. Για την εκτίμηση του ισοζυγίου νερού, αζώτου και φωσφόρου σε συνθήκες εδαφών υπό κατάκλυση με καλλιέργεια ρυζιού γίνεται εφαρμογή του νέου τροποποιημένου μοντέλου GLEAMS. Στο μοντέλο ενσωματώθηκαν εξισώσεις, οι οποίες αναπτύχθηκαν στις προηγούμενες εφαρμογές ενώ αναλύονται και τροποποιήσεις για το ισοζύγιο νερού, αζώτου και φωσφόρου στο νερό κατάκλυσης. Έγινε ενσωμάτωση υπομοντέλου ανάπτυξης φυκών, τα οποία επηρεάζουν το ισοζύγιο αζώτου και φωσφόρου στο νερό κατάκλυσης. Το μοντέλο ρυθμίστηκε και επιβεβαιώθηκε με δεδομένα δύο πειραματικών αγρών της πεδιάδος Θεσσαλονίκης.