علوم آب و خاک

نگرانی در زمینه جنگ، خطر تروریسم، به‌کارگیری جنگ‌افزارها و بمب‌های ممنوعه از یک طرف و از طرفی آلودگی خاک و گیاه،سبب افزایش شیوع بیماری­ ها در جامعه شده است. از مشکلات اصلی کشت گیاهان زراعی به‌خصوص گندم در خاک ­های آلوده مناطق جنگی، وجود غلظت ­های بالای عناصرسنگین و سمی به­ ویژه آرسنیک است. استفاده از زئولیت یکی از راه‌حل‌های مناسب برای رفع مشکل خاک‌های آلوده مناطق جنگی است. هدف از این پژوهش، بررسی تأثیر قدرت یونی زئولیت بر جذب آرسنیک و خصوصیات تغذیه‌ای گندم در خاک­های آلوده به جنگ‌افزارها است. این آزمایش به‌صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی با سه تکرار برای هر گلدان انجام ‌شد. تیمارها شامل چهار سطح زئولیت صفر (₁a)، 5/ 0 (₂a) 5/ 1 (₃a) و 2/5 (₄a) درصد از وزن خاک و دو سطح خاک، یک سطح خاک خارج از محل جنگ (بدون آلودگی) (₁b) و سطح دیگر مربوط به خاک آلوده به سلاح ­های جنگی (₂b)، انجام پذیرفت. نتایج نشان داد در خاک ­های آلوده به جنگ‌افزارها، غلظت آرسنیک در گندم افزایش یافت. همچنین کاربرد تیمارهای زئولیت در خاک آلوده سبب کاهش معنی­دار این عنصر در سطح احتمال یک درصد و افزایش معنی­دار نیتروژن، فسفر، پتاسیم و کلسیم در دانه گندم در هر دو خاک ‌شد.

روی یک عنصر ضروری برای گیاهان است. این عنصر در گیاه موجب بهبود رشد و عملکرد شده و در متابولیسم کربوهیدرات­‌ها نقش دارد. کمبود روی در خاک‌­ها و گیاهان زراعی ایران به‌دلایل متعددی از جمله آهکی بودن خاک­‌های زراعی، مصرف بی­‌رویه کودهای فسفره و مصرف نامتعادل کودها محتمل است. در پژوهش حاضر تأثیر باکتری­‌های انحلال­کننده عنصر روی بر برخی ویژگی­های گیاه گندم به‌صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی بررسی ­شد. تیمارهای آزمایش شامل باکتری در چهار سطح ₁B (شاهد)،₂B  (Bacillus megaterium)،  ₃B(Enterobacter cloacae)، ₄B(ترکیب دو باکتری مذکور) و کود سولفات­روی در سه سطح Zn₀ (شاهد)، Zn₂₀ (20 کیلوگرم بر هکتار) و Zn₄₀ (40 کیلوگرم بر هکتار) بودند. طی دوره آزمایش ارتفاع گیاه و شاخص­ کلروفیل اندازه­‌گیری شد. در پایان دوره کشت مقدار روی تبادلی خاک، وزن خشک ریشه و اندام هوایی و مقدار روی در ریشه، ساقه و دانه اندازه‌­گیری و عملکرد دانه و مقدار جذب روی در دانه نیز محاسبه شد. نتایج نشان داد مقدار روی تبادلی خاک با کاربرد هر یک از تیمارهای باکتری نسبت به تیمار شاهد، افزایش معنی­‌داری در سطح یک­ درصد داشت. بیشترین مقدار روی تبادلی، عملکرد دانه، غلظت و جذب روی­ در دانه در تیمار دارای دو باکتری و با کاربرد 40 کیلوگرم بر هکتار سولفات روی و پس از آن در حضور Enterobacter cloacae با کاربرد 40 کیلوگرم در هکتار سولفات روی  مشاهده شد. بیشینه تمام ویژگی­‌های اندازه‌­گیری شده در تیمار دارای دو باکتری  Enterobacter cloacae و Bacillus megaterium نشان‌دهنده امکان استفاده از این باکتری­‌ها در راستای غنی­‌سازی روی در گندم، تولید بهینه محصول و کشاورزی پایدار است.

اطلاعات محدودی درباره تأثیر مقدار بقایای گیاهی در جهت‌های خاکورزی بر عملکرد گندم (Triticum aestivum L.) در مناطق دیم وجود دارد. پژوهش حاضر با هدف بررسی تأثیر سطوح گوناگون بقایای گندم و جهت خاکورزی بر عملکرد و اجزای عملکرد گندم دیم رقم سرداری در سال زراعی 95-1394 در منطقه دیم‌خیز زنجان انجام شد. پنج سطح بقایای گندم (صفر، 25، 50، 75 و 100 درصد پوشش سطح) در دو حالت شخم زمین (در امتداد شیب و روی خطوط تراز) در قالب طرح بلوک‌‌های کامل تصادفی در سه تکرار در زمینی با شیب 10 درصد، مصرف و با خاک مخلوط شدند. نتایج نشان داد که عملکرد و اجزای عملکرد دانه تحت تأثیر شیب زمین و بقایای گندم و نیز برهم‌کنش آنها قرار گرفتند. در خاکورزی روی خطوط تراز، عملکرد دانه (78/1 تن در هکتار)، وزن هزار دانه (26/42 گرم)، وزن کل بقایای گندم (78/894 کیلوگرم در هکتار) و ارتفاع بوته‌ها (11/55 سانتی‌متر) نسبت به شخم موازی شیب به‌ترتیب به اندازه 32/5، 01/5، 19/16 و 36/1 درصد بیشتر بود. بالاترین عملکرد دانه در جهت خاکورزی روی خطوط تراز با مصرف 75 درصد بقایا (45/2 تن در هکتار) به‌دست آمد که نسبت به شرایط بدون کاربرد بقایا در شخم موازی شیب، 53 درصد بیشتر بود. بنابراین استفاده از بقایای گندم و برگرداندن آنها به خاک همراه با خاکورزی روی خطوط تراز پیش از کشت گندم، به‌عنوان روش‌های مدیریتی مناسب خاک برای دستیابی به عملکرد گندم بیشتر در کشتزارهای دیم منطقه است.

نابود شدن منابع آب‌های زیرزمینی در مناطق ساحلی به‌علت پیشروی آب شور در آبخوان‌های این نواحی در حال حاضر یکی از مسائل مهم در تأمین نیاز‌های آبی در این مناطق است. در نواحی ساحلی، آب شور به‌صورت یک گوه از زیر، وارد آبخوان می‌شود. با توجه به تفاوت چگالی موجود بین آب شور و شیرین یک ناحیه بینابینی بین دو سیال شکل می‌گیرد. به‌منظور درک بهتر از اهمیت این موضوع، آزمایش‌ها و تحقیقات عددی جریان‌های وابسته به غلظت و انتقال ماده‌ی حل‌شده به‌وسیله تانک پر‌شده از نمونه ماسه‌های متنوع، کمک زیادی برای دستیابی به این مهم خواهد کرد. در این پژوهش، تانک ماسه‌ای واقعی مذکور، توسط نرم افزار SUTRA شبیه‌سازی شد. این شبیه‌سازی شامل پیکربندی، گسسته‌سازی، تخصیص ویژگی و تعیین شرایط مرزی است. در نهایت ضریب پراکنده‌پذیری عرضی در مقیاس ماکروسکپی برای سناریوهای مختلف انتقال ماده‌ محلول در این تانک براورد شد. هدف از انجام این پژوهش، تحلیل پراکندگی جریان، هنگام اختلاط آب شور و شیرین و اثر سرعت منفذی جریان، غلظت منبع آلاینده و ناهمگنی محیط متخلخل بر خاصیت پراکنده‌پذیری جریان است. در این پژوهش، پس از بررسی تأثیر شرایط مرزی متفاوت در مدل SUTRA بر پیشرفت هاله‌ آلودگی آب شور، شبیه‌سازی مدل نمونه ماسه‌های ناهمگن و مقایسه نتایج آن با مدل آزمایشگاهی و مدل همگن انجام شد. به عنوان نتیجه‌ای کاربردی از انجام این پژوهش، نمودار تغییرات ضریب پراکنده‌پذیری عرضی، نسبت به غلظت منبع ورودی و سرعت واقعی جریان ترسیم شد. در شبیه‌سازی عددی محیط ناهمگن در تمام غلظت‌ها به‌استثنای غلظت C₀=35000، با افزایش سرعت جریان، مقادیر ضریب پراکنده‌پذیری عرضی A_T محاسبه شده توسط SUTRA کاهش یافت. در تمام سرعت‌ها به‌استثنای سرعت  m/day4u= با افزایش غلظت منبع ورودی، A_T براورد‌شده، افزایش پیدا کرد. همچنین مقادیر  A_Tبدست آمده از مدل SUTRA بیشتر از مقادیر  A_T آزمایشگاهی به‌دست آمد. در شبیه‌سازی عددی محیط همگن، برای تمام سرعت‌ها، با افزایش غلظت ورودی C₀، ضریب پراکنده‌پذیری عرضی A_T افزایش یافت. با توجه به نتایج کاربردی حاصل شده، می‌توان راه‌حل مناسبی برای بهبود کیفیت آب‌های زیرزمینی و جلوگیری از اختلاط منابع آبی شیرین و شور ارائه داد.

امروزه با افزایش روزافزون جمعیت در کشور ایران، به‌ویژه در مناطق خشک و نیمه‌خشک و در نتیجه افزایش اهمیت کیفیت منابع آبی از جمله آب‌های زیرزمینی، آزمایش‌های میدانی و مدل‌سازی‌های بسیاری برای پیشرفت آلودگی آب‌های زیرزمینی به‌وسیله نرم‌افزارهای قدرتمند و به‌روز انجام شده است. اما در بیشتر مواقع تفاوت ملموسی بین داده‌های اندازه‌گیری شده در آزمایشگاه‌ها و داده‌های تولید شده با نرم‌افزارها وجود دارد که به همین دلیل، از اعتبار علمی و صحت‌سنجی نتایج پژوهش کاسته می‌شود. در این مطالعه، به‌منظور توجیه و تصحیح داده‌های مذکور، از اصل کالیبراسیون استفاده شده است که خطای آزمایش و مدل‌سازی را به‌ حداقل برساند. هدف از انجام این پژوهش، صحت و اعتبارسنجی مدل SUTRA برای سناریوهای مختلف انتقال ماده محلول در یک نمونه تانک ماسه با ضریب هدایت هیدرولیکی ناهمگن به‌منظور ارزیابی پراکنده‌پذیری عرضی است. به این منظور ابتدا کدنویسی برای پیکربندی و کالیبراسیون مدل عددی SUTRA برای شبیه‌سازی سناریوهای مختلف انتقال ماده محلول در مخزن ماسه‌ای ناهمگن موجود در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه کاسل آلمان تا دستیابی به مقادیر قابل‌قبول انجام و سپس نتایج آن با مدل آزمایشگاهی مقایسه شد. به‌منظور صحت‌سنجی و اعتبارسنجی داده‌های حاصل از شبیه‌سازی با مدل SUTRA، پروفیل‌های غلظت مربوطه با نتایج مدل آزمایشگاهی مقایسه شد. نتایج حاصل از مدل‌های عددی و آزمایشگاهی، اثرات چگالی را از طریق پایین‌افتادگی مرکز هندسی ناحیه‌ اختلاط برای غلظت‌های پایین نمکC₀ = 250ppm  آشکار می‌سازد. همچنین نتایج نشان داد که عرض ناحیه اختلاط بین آب شور و شیرین به مقدار پراکنده‌پذیری طولی و به‌ویژه پراکنده‌پذیری عرضی بستگی دارد. با تحلیل نتایج شبیه‌سازی و آزمایشگاهی مشاهده شد که افزایش سرعت، باعث کاهش میزان پایین‌افتادگی و افزایش غلظت ورودی، باعث کاهش زمان مورد نیاز برای رسیدن به پایداری پراکندگی می‌شود.

گون بادکنکی (Astragalus fasciculifolius) از جمله گونه‌هایی است که در مناطق خشک و نیمه‌خشک جنوب ایران پراکنش خوبی دارد و می‌تواند به‌سرعت در کنار جاده‌ها استقرار یابد. پژوهش حاضر به‌منظور بررسی تأثیر جاده و شدت ترافیک آن بر ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی و قابلیت استفاده عناصر غذایی کنار جاده و بررسی غلظت عناصر در بخش‌های هوایی گونه گون بادکنکی بود. 30 نمونه خاک و گیاه به‌صورت تصادفی از کنار جاده‌ها و فاصله 100 متری از لبه جاده‌ها جمع‌آوری و برخی ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی خاک و قابلیت استفاده عناصر اندازه‌گیری شد. غلظت عناصر در اندام‌های هوایی گیاه نیز اندازه‌گیری شد. نتایج نشان داد که خاک‌های کنار جاده دارای مقدار شن و آهک بیشتر و سیلت و pH کمتری بودند. خاک‌های کنار جاده اصلی دارای مقدار پتاسیم کمتر و آهن، منگنز، روی و مس بیشتری نسبت به اراضی اطراف بودند درحالی‌ که این تفاوت برای جاده‌های فرعی درباره مقدار آهن و مس وجود نداشت. غلظت عناصر در گیاه نیز تحت‌ تأثیر جاده قرار گرفت و مقدار فسفر، پتاسیم، منگنز و روی افزایش معنی‌داری در گیاهان کنار جاده نشان داد. غلظت فسفر، آهن، روی و مس گیاه در جاده‌های اصلی و غلظت آهن و روی گیاه در جاده‌های فرعی ارتباط معنی‌داری با مقدار آن عناصر در خاک داشتند. تأثیر جاده‌ها بر تغییرات ویژگی‌های خاک و عناصر غذایی مربوط به افزوده‌شدن ترکیبات بستر جاده و انتشار ترکیبات حاصل از تردد وسایل نقلیه است. به‌طور کلی می‌توان نتیجه‌گیری کرد که خاک‌های کنار جاده، شرایط رطوبتی و تغذیه‌ای مناسب‌تری برای استقرار گونه Astragalus fasciculifolius نسبت به خاک‌های اراضی اطراف دارند.

در سطح جهانی تغییرات آب و هوایی، موضوع پذیرفته شده بسیار مهمی است ولی تأثیرات منفی آن در مناطق خشک و نیمه‌خشک مثل ایران بسیار شدید خواهد بود. لذا در این مطالعه، به بررسی دو سناریوی اقلیمی شامل 8/5- RCP (سناریوی بحرانی) و 4/5- RCP (سناریوی متوسط) در سال‌های 2020، 2030 و 2040 و تأثیر آن بر تغییرات دما در دوره رشد گندم در 5 شهرستان استان اصفهان شامل: اصفهان، نجف‌آباد، چادگان، برخوار و میمه پرداخته شد. بررسی تغییرات دما در طول دوره رشد گندم طی دهه‌های آتی نشان داد که شهرستان‌های برخوار، اصفهان، نجف‌آباد، چادگان و میمه به‌ترتیب تعداد روز بیشتری با دمای بالاتر از 30 درجه سلسیوس را در سال‌های 2020، 2030 و 2040 نسبت به میانگین دو سال اخیر (18-2017) تجربه خواهند کرد. همچنین در مقایسه با شرایط کنونی بیشترین درصد تغییرات از نظر تعداد روزهای با دمای بالاتر از 30 درجه سلسیوس در شرایط اقلیمی آینده (2020، 2030 و 2040)، به‌ترتیب در شهرهای برخوار، میمه، چادگان، نجف‌آباد و اصفهان مشاهده شد. دامنه درصد تغییرات تعداد روزهای بالاتر از 30 درجه سلسیوس در شرایط اقلیمی آینده نسبت به شرایط کنونی، بین 5 درصد (اصفهان) تا 97 درصد (برخوار) متغیر بود. درصد تغییرات در تمام شهرهای مطالعه شده در 8/5-RCP بیشتر از 4/5-RCP بود. در طول دوره رشد گندم، تعداد روزهای با دماهای کمتر از صفر درجه سلسیوس در شهرستان‌های اصفهان، برخوار و میمه کمتر و در شهرستان‌های نجف‌آباد و چادگان بیشتر خواهد بود. مقدار تبخیر- تعرق در طول دوره رشد گندم نیز در دهه‌های آتی افزایش خواهد یافت. بنابراین تدوین و کاربرد استراتژی‌های سازگاری برای هر شهرستان به‌منظور تضمین تولید گندم در منطقه حائز اهمیت است. 

استفاده مؤثر از آب باران نقش کلیدی در گسترش کشاورزی در مناطق خشک و نیمه‌خشک است. روش خاکورزی به‌عنوان یک اقدام مدیریتی مهم می¬تواند بر نگه¬داشت آب باران، رطوبت خاک و در نهایت عملکرد محصول در اراضی دیم اثر بگذارد. این مطالعه به‌منظور بررسی تأثیر درجه شیب دامنه و جهت خاکورزی بر کارآیی بهره¬مندی از آب گندم (RWUE) در کشتزارهای دیم گندم در زنجان انجام گرفت. آزمایش مزرعه¬ای در پنج دامنه با شیب متفاوت (12/6، 15/3، 17، 19/4 و 22 درصد) در دو جهت خاکورزی (خاکورزی موازی شیب و روی خطوط تراز) در دو تکرار به اجرا درآمد. رطوبت جرمی خاک در فواصل پنج روز طی دوره رشد و تولید رواناب پس از هر بارندگی اندازه‌گیری شد. عملکرد دانه گندم برای هر کرت تعیین و RWUE بر اساس نسبت عملکرد دانه و بارندگی محاسبه شد. بر اساس نتایج، تولید رواناب، رطوبت خاک، عملکرد دانه گندم و RWUE تحت تأثیر جهت خاکورزی قرار گرفت؛ به‌طوری که تولید رواناب در خاکورزی روی خطوط تراز 6/4 برابر کاهش یافت و مقدار رطوبت خاک، عملکرد دانه گندم و کارآیی بهره¬مندی از آب گندم RWUE به‌ترتیب 8/7، 24/8 و 24/8 درصد افزایش پیدا کرد. با افزایش درجه شیب به‌دلیل کاهش ظرفیت ذخیره آب، تولید رواناب در خاکورزی روی خطوط تراز نسبت به خاکورزی موازی شیب افزایش یافت و موجب شد رطوبت خاک، عملکرد دانه و RWUE کاهش یابد. این نتیجه نشانگر کاهش کارآیی روش خاکورزی روی خطوط تراز در حفظ آب و RWUE در شیب¬های تند است.

در مدیریت ریسک خشکسالی موضوع تحلیل منطقه‌ای خشکسالی بسیار حائز اهمیت به‌نظر می¬رسد. در این مقاله با ارائه شاخص خشکسالی هیدرولوژیکی منطقه‌ای جدید (RDI) به این موضوع مهم پرداخته شده است. برای این منظور حوضه آبریز آجی‌چای به‌عنوان منطقه مورد مطالعه انتخاب شد. برای تحلیل منطقه‌ای خشکسالی هیدرولوژیکی ابتدا برای هر یک ایستگاه‌های آب‌سنجی حوضه سری زمانی شاخص خشکسالی جریان (SDI) محاسبه شد. سپس به‌منظور تعیین مناطق همگن به لحاظ خشکسالی هیدرولوژیکی از تحلیل خوشه‌بندی به‌روش k-means استفاده شد. بر اساس نتایج خوشه‌بندی 6 منطقه همگن در حوضه تشخیص داده شد. برای هر یک از این مناطق سری زمانی RDI برای دوره
1393-1365 محاسبه شد. نتایج نشان داد که طی دوره مورد مطالعه در هر یک از مناطق 1، 2، 3، 4، 5 و 6 به‌ترتیب 3/84، 3/83 ، 9/78، 1/80 و 1/82 درصد از مواقع ترسالی و خشکسالی خفیف رخ داده است. همچنین در همه مناطق مجموع درصد وقوع خشکسالی (متوسط و به بالا) از مجموع درصد وقوع ترسالی (متوسط و به بالا) بیشتر است. طوری که طی دوره مورد مطالعه در مناطق 2 و 3 مجموع درصد وقوع خشکسالی (متوسط و به بالا) نسبت به مجموع درصد وقوع ترسالی (متوسط و به بالا) بیش از دو برابر است. 

بررسی همگنی منطقه¬ای با استفاده از خصوصیات تک‌متغیره، گام مهمی در روش تجزیه و تحلیل فراوانی منطقه¬ای است؛ لیکن برخی پدیده‌های هیدرولوژیک دارای خصوصیات چندمتغیره بوده که نمی‌توان با روش‌های تک¬متغیره آنها را بررسی کرد. خشکسالی‌ها از جمله این پدیده‌ها هستند که تعریف آنها به‌صورت تک‌متغیره برای ارزیابی خطرات، تصمیم‌گیری و مدیریت مناسب تأثیرگذار نخواهد بود. بدین جهت در این مطالعه، به بررسی تحلیل فراوانی منطقه‌ای خشکسالی به‌صورت چندمتغیره با استفاده از شاخص‌های SEI (تبخیر- تعرق استاندارد شده)، SSI (رطوبت خاک استاندارد شده) و SRI (رواناب استاندارد شده) در حوضه آبریز کرخه طی دوره آماری 1996 تا 2019 پرداخته شد. شاخص‌ها، با استفاده از روش گشتاورهای خطی چندمتغیره و توابع کاپولا، توزیع توأم احتمال بین متغیرهای تبخیر- تعرق، رواناب و رطوبت خاک را محاسبه کرده و خشکسالی‌های هواشناسی، کشاورزی و هیدرولوژیک را به‌صورت همزمان مدنظر قرار دادند. نتایج تحلیل فراوانی منطقه‌ای چندمتغیره، با درنظر گرفتن تابع منطقه‌ای کاپولا گامبل، نشان داد که حوضه از لحاظ شدت شاخص‌های توأم خشکسالی SEI-SSI در تداوم‌های مشترک همگن قابل ‌قبول و از لحاظ شاخص‌های SEI-SRI ناهمگن است. این درحالی است که پس از خوشه‌بندی حوضه به چهار ناحیه همگن از لحاظ خصوصیات شاخص SPI (بارش استاندارد شده)، حوضه در تمام نواحی از لحاظ شاخص‌های تک‌متغیره SEI، SSI و SRI همگن قابل ‌قبول و در خوشه سوم و چهارم شاخص‌های خشکسالی SRI و SSI ناهمگن شناسایی شد. توابع توزیع پیرسون نوع (3)، پارتو، نرمال و لجستیک عمومی برای بررسی خصوصیات شاخص‌های خشکسالی SEI، SSI و SRI در این حالت، مناسب تشخیص داده شد. درنهایت برآورد بزرگی انواع خشکسالی‌های توأم و احتمال وقوع آنها نشان داد که نواحی شمالی و جنوبی حوضه آبریز کرخه طی سال‌های آتی، خشکسالی‌های کوتاه و پیاپی را تجربه خواهند کرد. خشکسالی‌ها در مناطق فاقد داده‌های هواشناسی، از نظر احتمال مشترک با استفاده از روش تحلیل فراوانی منطقه‌ای خشکسالی پیشنهاد شده در این پژوهش، قابل پیش‌بینی هستند.