ارزیابی و کاربرد مدل پویایی سیستم در بررسی و تعیین آبشویی نیترات تحت سناریوهای اقلیمی مختلف در اراضی کشت و صنعت نیشکر امیر کبیر

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه آبیاری و زهکشی دانشمده علوم آب دانشگاه شهید چمران اهواز

2 دانشیار آبیاری و زهکشی دانشکده مهندسی علوم آب دانشگاه شهید چمران اهواز ، ایران

3 گروه آبیاری و زهکشی، دانشکده مهندسی علوم آب، دانشگاه شهید چمران اهواز

4 گروه آبیاری و زهکشی دانشکده علوم اب دانشگاه شهیدچمران اهواز

چکیده

چرخه نیتروژن در خاک بخش مهم چرخه نیتروژن در جهان است که حد زیادی تحت تاثیر تغییر اقلیم می‌باشد. در این تحقیق، مدل توسعه‌یافته با روش پویایی سیستم برای شبیه‌سازی رفتار نیتروژن در خاک در کشت و صنعت نیشکر امیرکبیر واسنجی و ارزیابی گردید. داده‌های تیمار آبیاری و کوددهی کامل (120 میلی‌متر در هر دور آبیاری و کوددهی چهار تقسیطی برابر 400 کیلوگرم بر هکتار) برای واسنجی مدل استفاده شد. همچنین داده‌های تیمار 150، 250 و 350 کیلوگرم بر هکتار برای ارزیابی مدل به کار برده شد. به منظور بررسی اثر تغییر اقلیم بر چرخه نیتروژن در خاک، خروجی سه مدل BNU-ESM، CESM-CAM و EC-EARTH با دو سناریوی RCP2.6 و RCP8.5 به‌کار گرفته شد. نتایج نشان داد تغییر اقلیم سبب افزایش فرایندهای تلفات نیترات، معدنی‌شدن و تصعید آمونیوم می‌گردد. مقدار تلفات نیترات برای دوره آتی (2035-2016) در الگوی اقلیمی EC-EARTH2.6 نسبت به دوره پایه (2000-1971)، افزایشی معادل 5 درصد نشان داد. معدنی‌‌شدن در دوره پایه برابر با 75/93 کیلوگرم‌‌درهکتار بدست آمد که این مقدار از مقادیر بدست آمده با مدل‌‌های تغییراقلیم کمتر می‌‌باشد. همچنین این پدیده سبب کاهش فرایند نیترات‌زدایی از 65/29 در دوره پایه تا 1/20 کیلوگرم درهکتار برای دوره آتی می‌شود. تغییر از سناریوی RCP2.6 به RCP8.5 سبب افزایش تلفات نیترات، معدنی‌شدن و تصعید آمونیوم شد که نشان دهنده اثر افزایش غلظت گاز دی‌اکسیدکربن بر این فرایندها است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation and Application of System Dynamic Model for Determination nitrate leaching in the agricultural lands under sugarcane cultivation under climatic scenarios in Amirkabir Sugarcane Agro-Industry

نویسندگان [English]

  • Mahboobe Ghasemi 1
  • Amir Soltani mohamadi 2
  • Abdali Naseri 3
  • Hadi Moazed 4
1 IRRIGATION AND DRAINAGE, water department, Shahid chamran iniversity of Ahwaz
2 Department of irrigation and Drainage, faculty of Water Sciences Engineering, Shahid Chamran Univrsity of Ahvaz, Ahvaz, Iran
3 Irrigation and Drainage, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran
4 Irrigation and Drainage, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran
چکیده [English]

The nitrogen cycle in the soil is an important part of the nitrogen cycle in the world and is largely influenced by climate change. The developed model was calibrated and evaluated by system dynamics method in order to simulate nitrogen behavior in soil in Amirkabir sugarcane Agro-Industry. Data from complete irrigation and fertilization treatments (depth of irrigation was 120 mm and 4 split equal to 450 kg.ha-1) were used to calibrate the model. Also, treatments of 150, 250 and 350 kg.ha-1 were used to evaluate the model. In order to goals of this study, the output of three models of BNU-ESM, CESM-CAM and EC-EARTH was applied with two scenarios RCP2.6 and RCP8.5. The results showed that climate change would increase nitrate losses, mineralization and ammonium sublimation. The amount of nitrate losses in the EC-EARTH2.6 climatic pattern showed an increase of 5% for future period (2016-2035) compared to the base period (1971-2000). Mineralization in the base period was equal to 93.5 kg.ha-1, which is less than the values obtained with less variation models. This phenomenon also reduces the process of denitrification from 29.65 to 20.1 kg.ha-1. The change from the RCP2.6 to RCP8.5 scenario has led to an increase in nitrate losses, mineralization and ammonium volatilization, which indicates the effect of increasing the concentration of carbon dioxide gas on these processes.

کلیدواژه‌ها [English]

  • nitrate losses
  • System dynamic
  • Nitrogen cycle
  • Climate change
بهمنی، ا. 1388. بررسی حرکت و تجمع نیترات در خاک تحت تنش آبی با استفاده از مدل LEACHM و شرایط مزرعه‌‌ای در گیاه نیشکر. پایان­نامه دکتری، رشته آبیاری و زهکشی، دانشکده مهندسی علوم آب، دانشگاه شهیدچمران اهواز، 130 صفحه.
دلقندی، م.، مساح بوانی، ع.، آجورلو، م.، برومندنسب س. و ب. اندرزیان. 1393. ارزیابی ریسک تأثیرات تغییر اقلیم بر عملکرد و فنولوژی رشد گندم )مطالعه موردی: شهرستان اهواز)، مجله مدیریت آب و آبیاری، 4(2): 161-175.
رحیمی‌‌مقدم، س.، کامبوزیا، ج. و ر. دیهیم‌‌فرد. 1397. ارزیابی ریسک ناشی از تنش گرما در ذرت دانه‌‌ای استان خوزستان تحت شرایط تغییر اقلیم. تنش‌‌های محیطی در علوم زراعی، 11(3): 764-749.
قهرمان، ن.، بابائیان، ا. و م. طباطبائی. 1395. بررسی اثرات تغییر اقلیم بر نیاز آبی و طول دوره رشد گیاه نیشکر تحت سناریوهای واداشت تابشی. مجله حفاظت منابع آب و خاک، 6(1): 63-74.
Chong-Hai, X. U. and X. Ying. 2012. The projection of temperature and precipitation over China under RCP scenarios using a CMIP5 multi-model ensemble. Atmospheric and Oceanic Science Letters. 5(6): 527-533.
Delju, A. H., Ceylan, A., Piguet, E. and M. Rebetez. 2013. Observed climate variability and change in Urmia Lake Basin, Iran. Theoretical and applied climatology, 111(1-2): 285-296.
Dayyani, S., Madramootoo, C. A., Prasher, S. O., Madani, A. and P. Enright. 2010. Modeling water table depth, drain outflow, and nitrogen losses in a cold climate using DRAINMOD 5.1. Transactions of the ASAE. 53(2): 385-395.
Dayyani, S., Prasher, S. O., Madani, A. and C. A. Madramootoo. 2012. Impact of climate change on the hydrology and nitrogen pollution in a tile-drained agricultural watershed in eastern Canada. Transactions of the ASABE, 55(2): 389-401.
Ernst, J. W. and H. F. Massey. 1960. The Effects of Several Factors on Volatilization of Ammonia Formed from Urea in the Soil 1. Soil Science Society of America Journal, 24 (2), 87-90.
Fan, X. H., Li, Y. C. and A. K. Alva. 2011. Effects of temperature and soil type on ammonia volatilization from slow-release nitrogen fertilizers. Communications in soil science and plant analysis, 42(10),1111-1122.
Fenn, L. B. and Kissel, D. E.  1974. Ammonia Volatilization from Surface Applications of Ammonium Compounds on Calcareous Soils: II. Effects of Temperature and Rate of Ammonium Nitrogen Application 1. Soil Science Society of America Journal, 38(4), 606-610.
Fletcher, E. J. 1998. The use of system dynamics as a decision support tool for the management of surface water resources. International Conference: New Information Technolo. For Decision-Making in Civ. Engrg., University of Quebec, Montreal, Canada, pp. 909-920.
Forrester, J. W. 1961. Industrial Dynamics, Journal of the Operational Research Society. 48(10):1037-41.
Gohari. A., Eslamian, S., Abedi-Koupaei, J., Bavani, A. M., Wang, D., and K. Madani. 2013. Climate change impacts on crop production in Iran's Zayandeh-Rud River Basin. Science of the Total Environment, 442:405-419.
Giordano, R., Brugnach, M. and M. Vurr. 2012. System dynamic modelling for conflicts analysis in groundwater management (Doctoral dissertation, International Conference: Environmental Modelling and Software Society. July 2007.
Gollany, H. T., Molina, J. A. E., Clapp, C. E., Allmaras, R. R., Layese, M. F., Baker, J. M. and H. H. Cheng. 2004. Nitrogen leaching and denitrification in continuous corn as related to residue management and nitrogen fertilization. Environmental Management, 33(1):S289-S298.
Golmohammadi, G., Rudra, R. P., Prasher, S. O., Madani, A., Goel, P. K. and K. Mohammadi. 2016. Modeling the impacts of tillage practices on water table depth, drain outflow and nitrogen losses using DRAINMOD. Computers and Electronics in Agriculture, 124:73-83.
Hassanzadeh, E., Elshorbagy, A., Wheater, H. and P. Gober. 2014. Managing water in complex systems: An integrated water resources model for Saskatchewan, Canada. Environmental Modelling & Software, 58:12-26.
He, W., Yang, J. Y., Qian, B., Drury, C. F., Hoogenboom, G., He, P.  and Zhou, W. 2018. Climate change impacts on crop yield, soil water balance and nitrate leaching in the semiarid and humid regions of Canada. PloS one, 13(11), e0207370.
Hjorth, P. and A. Bagheri. 2006. Navigating towards sustainable development:  system dynamics approach. Futures, 38(1): 74-92.
Jabloun, M., Schelde, K., Tao, F., and Olesen, J. E. (2015). Effect of temperature and precipitation on nitrate leaching from organic cereal cropping systems in Denmark. European Journal of Agronomy, 62, 55-64.
Johnsson, H., Bergstro¨m, L., Jansson, P.-E., Paustian, K. 1987. Simulated nitrogen dynamics and losses in a layered agricultural soil. Agric. Ecosyst. Environ. 18 (4), 333–356.
Kousari, M., Ahani, H. and R. Hendizadeh. 2013. Temporal and spatial trend detection of maximum air temperature in Iran during 1960–2005. Global and Planetary Change. 111:97–110.
Kladivko, E. J., Frankenberger, J. R., Jaynes, D. B., Meek, D. W., Jenkinson, B. J. and N. R. Fausey. 2004. Nitrate leaching to subsurface drains as affected by drain spacing and changes in crop production system. Journal of Environmental Quality, 33(5):1803-1813.
Liang, X. Q., Chen, Y. X., Li, H., Tian, G. M., Ni, W. Z., He, M. M. and Z. J. Zhang. 2007. Modeling transport and fate of nitrogen from urea applied to a near-trenchpaddy field. Environmental Pollution. 150(3):313–320.
Malekian, R., Abedi-Koupai, J., Eslamian, S. S., Mousavi, S. F., Abbaspour, K. C. and M. Afyuni. 2011. Ion-exchange process for ammonium removal and release using natural Iranian zeolite. Applied Clay Science, 51(3):323-329.
Malhi, S.S., McGill, W.B., 1982. Nitrification in three Alberta soils: effect of temperature, moisture and substrate concentration. Soil Biol. Biochem. 14 (4), 393–399.
Matinzadeh, M. M., Koupai, J. A., Sadeghi-Lari, A., Nozari, H., ans Shayannejad, M. 2017. Development of an innovative integrated model for the simulation of nitrogen dynamics in farmlands with drainage systems using the system dynamics approach. Ecological Modelling, 347, 11-28.
Mandal, S., Donner, E., Vasileiadis, S., Skinner, W., Smith, E. and E. Lombi. 2018. The effect of biochar feedstock, pyrolysis temperature, and application rate on the reduction of ammonia volatilisation from biochar-amended soil. Science of the Total Environment, 627:942-950.
Mitsch, W. J., Day, J. W., Jr., Gilliam, J. W., Groffman, P. M., Hey, D. L., Randall, G. W. and N. Wang. 2001. Reducing nitrogen loading to the Gulf of Mexico from the Mississippi River basin: Strategies to counter persistent ecological problem. Bioscience, 51(5):373–388.
Moss, R. H., Edmonds, J. A., Hibbard, K. A., Manning, M. R., Rose, S. K., Van Vuuren, D. P., Carter, T. R., Emori, S., Kainuma, M., Kram, T., Meehl, G. A., Mitchell, J. F., Nalicenovic, N., Riahi, K., Smith, S. J., Stouffer, R. J., Thomson, A. M., Weyant, J. P., and T. J. Wilbanks. 2010. The next generation of scenarios for climate change research and assessment. J. Nature. 463:747-756.
Semenov, M. A., Jamieson, P. D. and P. Martre. 2007. Deconvoluting nitrogen use efficiency in wheat: A simulation study. European Journal of Agronomy. 26(3): 283-294.
Singh, R., Helmers, M. J., Kaleita, A. L. and E. S. Takle. 2009. Potential impact of climate change on subsurface drainage in Iowa’s subsurface drained landscapes. Journal of irrigation and drainage engineering. 135(4):459-66.
Strong, D.T. and Fillery, I.R.P., 2002. Denitrification response to nitrate concentrations in sandy soils. Soil Biol. Biochem. 34 (7), 945–954.
Van Vuuren, D. P., Edmonds, J. A., Kainuma, M., Riahi, K., Thomson, A. M., Hibbard, K., Hurtt, G. C., Kram, T., Krey, V., Lamarque, J. F., Masuri, T., Meinshausen, M., Nakicenovic, N., Smith, S. J., and S. Rose. 2011. The representative concentration pathways: an overview. Journal of climate Change. 109: 5-31.
Verstraete, W. and D. D. Focht. 1977. Biochemical ecology of nitrification and denitrification. In Advances in microbial ecology, 135-214.
Wang, Z., Qi, Z., Xue, L., Bukovsky, M., and M. J. Helmers. 2015. Modeling the impacts of climate change on nitrogen losses and crop yield in a subsurface drained field. Climatic Change, 129(1-2), 323-335.
Wu, L. and M.  Liu. 2008. Preparation and properties of chitosan-coated NPK compound fertilizer with controlled-release and water-retention. Carbohydrate Polymers, 72(2),240-247.
Yan, L., Zhang, Z. D., Zhang, J. J., Gao, Q., Feng, G. Z., Abelrahman, A. M., and Chen, Y. 2016. Effects of improving nitrogen management on nitrogen utilization, nitrogen balance, and reactive nitrogen losses in a Mollisol with maize monoculture in Northeast China. Environmental Science and Pollution Research, 23(5), 4576-4584.
Zarghami, M., Abdi, A., Babaeian, I., Hassanzadeh, Y. and R. Kanani. 2011. Impacts of climate change on runoffs in East Azerbaijan, Iran. Global food security–A review. Progress in Natural Science, 12 (12), 1665 and Planetary Change, 01(3):130-146.
Zheng, B., Chenu, K., Dreccer, M. F. and Chapman, S. C. 2012. Breeding for the future: what are the potential impacts of future frost and heat events on sowing and flowering time requirements for Australian bread wheat (Triticum aestivium) varieties? Global Change Biology. 18:2899–2914