طرق تقييم كفاءة أصناف المحاصيل في الاستفادة من الماء المتاح وتحمل ظروف الشد الرطوبي
Methods of evaluating crop varieties for water use efficiency and moisture stress tolerance
يمكن تقييم كفاءة أصناف المحاصيل في الاستفادة من الماء المتاح وتحمل ظروف الشد الرطوبي من خلال الطرق الآتية
الطرق غير المباشرة :
أولاً: رفع مقدار الماء بالأرض إلى السعة الحقلية بعد استنفاذ قدر معين من الماء الميسر :
وفى هذه الطريقة تحدد السعة الحقلية والكثافة الظاهرية للطبقات المتتالية لقطاع الأرض لحساب نقص رطوبة الأرض طبقاً للمعادلة الآتية :
مقدار نقص الرطوبة بقطاع الأرض (مم) =
نسبة السعة الحقلية - نسبة المحتوى الحقيقي للرطوبة
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ × الكثافة الظاهرية للأرض × عمق قطاع الأرض (مم)
100
ويضاف الماء المستنفذ من الأرض بدقة لرفع مقدار ماء الأرض إلى السعة الحقلية عن طريق :
1- العدادات المائية .
2 الهدارات.
3- ضخ الماء بقدر معين من حجرات ممتلئة بالماء بالاستعانة بأنابيب بيانية
وفى هذا المجال قام موسى وعبد المقصود (2004) بدراسة تأثير ثلاث مستويات من الإجهاد الرطوبي عند استنفاذ 40 - 45 % و 60 - 65 % و 80 - 85% من الماء الميسر على المحصول وكفاءة استخدام الماء على سبعة أصناف من قمح الخبز هي سدس 1 وجميزة 7 وجميزة 9 وسخا 8 وسخا 93 وجيزة 168 وجيزة 170 وقد أشارت النتائج إلى ما يلى
1- أدى تعرض أصناف القمح للإجهاد المائي إلى نقص معنوي في محصول الحبوب، وقد تحسنت كفاءة استخدام الماء تحسناً معنوياً بالري عند استنفاذ أعلى رطوبة ميسرة (80 - 85 %) وسجل الصنف جميزة 7 أفضل القيم.
2- أظهر دليل الحساسية للجفاف، أن النقص في محصول حبوب الأصناف كان أقل عند استنفاذ 60 - 65 % من الماء الميسر، وأظهر الصنف سخا 93 أعلى مقاومة للإجهاد الرطوبي يليه الصنف سلمى 1. وتفيد هذه النتيجة في إمكانية غربلة عدد كبير من السلالات ونواتج برنامج التربية لتحمل الإجهاد الرطوبي وانتخاب أفضل السلالات تحملاً .
وتتميز هذه الطريقة بالبساطة ولكن يعيب عليها أنها تفترض أن الرطوبة في مجال التيسر [من السعة الحقلية إلى نقطة الذبول] متساوية اليسر وهذا مخالف للواقع حيث أن الرطوبة عند السعة الحقلية هي أكثرها تيسراً وتتناقص درجة اليسر كلما اتجهنا لنقطة الذبول الدائم، وعلى كل فهذه الطريقة لم تعد تستعمل كثيراً في الوقت الحالي.
ثانياً: تقييم كفاءة استخدام الماء وتحمل ظروف الشد الرطوبي عن طريق الحساب بمعادلات علمية:
الطرق التجريبية لتقدير البخر نتح باستخدام معادلات خاصة :
تعتبر كفاءة استخدام الماء (Water use efficiency (WUE من المؤشرات الهامة في دراسة المحاصيل. ويعبر عنها كنسبة بين المحصول واستخدام الماء لوحدة المساحة، فهي كمية الماء اللازمة لإنتاج وحدة واحدة من المحصول. حيث تتباين أصناف المحاصيل في كفاءة إنتاج المادة الجافة لكل وحدة ماء مستهلكة.
المحصول الاقتصادي Economic yield = البخر نتح (الماء المستهلك "ET" × كفاءة استخدام الماء "WUE" × دليل الحصاد "HI"
وعلى ذلك، فإن كفاءة استخدام الماء = المحصول الاقتصادي (كجم/ فدان) / البخر نتح (الماء المستهلك).
وفي هذه الحالة تصميم تجارب حقلية في مكررات تزرع فيها سلالات وأصناف المحاصيل محل الاختبار. وينبغي توفر بيانات عن محتوى رطوبة التربة عند الأعماق المختلفة من القطع التجريبية وتوفر بيانات عن تحليل التربة لمعرفة تركيب الحبيبات والسعة الحقلية ونقطة الذيول الدائم والماء الميسر والكثافة الظاهرية، كما يجب تسجيل بيانات الأرصاد الجوية وحساب الفقد في الماء أثناء النمو وربطه وبيانات الأرصاد الجوية .
ويتوقف استخدام هذه المعادلات على المتاح من بيانات ومعلومات عن ظروف الجو والتربة.
وعموماً عند تقدير كفاءة استخدام الماء للمحاصيل الحقلية (WUE) ينبغي تحديد رطوبة التربة قبل وبعد كل رية وحساب الاستهلاك المائي الفعلي من المعادلة :
O2-O1
x Bd x D x A ــــــــــــــــــــــــــــــــ = CUa
100
حيث CUa: الاستهلاك المائي الفعلي Actual consumptive use .
O1 : % لمحتوى رطوبة التربة بالوزن قبل الري.
O2 : % لمحتوى رطوبة التربة بالوزن بعد الري.
Bd : الكثافة الظاهرية جم / سم3
D : عمق قطاع التربة (م)
A : المساحة (م 2)
ثم تقدر كفاءة استخدام المحصول للماء المعادلة الآتية
محصول الحبوب (كجم/ فدان)
كفاءة استخدام المحصول للماء (W U Ecrop) = ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ (كجم/م3)
كمية الماء المستهلك (م3/ فدان)
(Jensen, 1983)
أما في حالة محصول الأرز فتكون المعادلة :
محصول الحبوب (كجم/ فدان)
كفاءة استخدام الماء للحقل (W. U. E field) = ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ (كجم/م3)
الماء المضاف (م3/ فدان)
(Israelsen and Hansen, 1962)
محصول الحبوب (كجم/ فدان)
كما تقدر كفاءة استخدام الماء من المعادلة = ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
البخر نتح الفعلي (الموسمي) للمحصول Ela (م3/ فدان)
(Vites, 1965)
1- تقدر كفاءة البخر نتح الفعلي (الماء المستهلك) وعمق مياه الري ببعض الطرق الحسابية طبقاً لمعادلة (1962) Israelsen and Hansen كما يلى :
Daiw= F. C-O1/100 x Db x d
WC = O2 - O1/ 100 x Db x d
حيث: Daiw عمق ماء الري المضاف بالسم
WC الاستهلاك المائي بالسم
F.C: محتوى رطوبة التربة عند السعة الحقلية
O1: % المحتوى رطوبة التربة قبل الري
O2: % المحتوى رطوبة التربة يعد الري
Db : الكثافة الظاهرية (جم/ سم3)
d : عمق قطاع التربة (سم)
الطرق المباشرة في تقدير الاستهلاك المائي والمحتوي الرطوبي للتربة :
ويستخدم لذلك العديد من الوسائل أشهرها المبخرات وأنواعها كالتالي :
1 - أوعية البخر :
1- 1- وعاء البخر المفتوح Open pan
يمكن استخدام أنماط مختلفة من آنية البخر المفتوحة لقياس كمية الفقد في الماء من سطح حر. وهذا الإناء المفتوح عبارة عن وعاء يسمح بتعريض سطح الماء فيه كاملاً للجو. وعلى ذلك فإن القياسات الناتجة من الوعاء ترتبط مع مقادير البخر من المحاصيل المنزرعة في نفس المنطقة. حيث يوضع الإناء في مكان مناسب (الشكل التالي) حتى المستوى المحدد، ويسجل عمق الماء بدقة. ويفضل استخدام مقياس خطافي مزود بميكرومتر للقياس، ويسجل مستوى الماء على فترات كل ساعة أو كل يوم. ويمثل انخفاض مستوى الماء في الإناء مقدار البخر خلال تلك الفترات حيث تحول قيم معدل البخر المقاس بقراءة مستوى سطح الماء في الإناء إلى معدل البخر نتح القياسي ومنه يحسب الاستهلاك المائي للمحصول.
ETa= K x Eo
حيث : ET : البخر نتح للمحصول ويرمز له أحياناً ETC :
K : معامل المحصول
Eo : البخر نتح القياسي المقدر من إناء البخر
شكل يبين: وعاء البخر المفتوح من النوع المستدير. تقدر كمية البخر بقياس تغيرات العمق باستخدام مقياس خطافي مزود بميكروميتر للقياس - حيث يمثل الانخفاض مستوي الماء في الإناء مقدار البخر على فترات كل ساعة أو كل يوم .
2 - استخدام وعاء البخر القياسي Class A pan
وهذا يمتاز بإن سطح الماء المعرض للبخر قد غطى بشبكة من المعدن بها عدد من الثقوب تسمح ببخر الماء بدرجة يكون فيها مقدار البخر من هذه المبخرات تتساوى مع كمية البخر نتح التي تفقد من الحقل المنزرع.
كما يقدر البخر نتح القياسي (Potential evapotranspiration (ETP بالطرق الحسابية مع الاستعانة بالنتائج المتحصل عليها من الوعاء لتقدير كمية البخر نتح في المنطقة.
ETp = Epan × Kpan
(Doorenbos and Pruitt, 1984)
حيث :
Epan : بخر الوعاء ويساوى 7 مم/ يوم تحت ظروف شرق الدلتا.
Kpan : معامل الوعاء، والذي يعتمد على طراز الوعاء والرطوبة النسبية وسرعة الرياح والظروف البيئية الأخرى.
- ويقدر معامل المحصول (Crop coefficient (KC خلال فترات شهرية من المعادلة :
ETa
Crop coefficient (Kc) = ------------------
ETp
حيث :
ETa : البخر نتح الفعلي (الموسمي) من المحصول.
ETp: البخر نتح القياسي المقدر من إناء البخر.
وباستخدام أوعية البخر قام أبو الفتوح وآخرون (2002) بتقدير كفاءة استخدام وتأثير ذلك على نمو ومحصول صنف قمح الخبز جميزة 7 بمحطة بحوث وتجارب المقننات المائية بالزنكلون - محافظة الشرقية، بحساب كمية المياه للربة الواحدة لأربع ريات شهرية وكانت المعاملات كالآتي:
1- أعطيت كمية مياه تساوى 100٪ من إجمالي كمية البظر حوالي 2425 م3/ فدان.
2- أعطيت كمية مياه تساوى 80% من إجمالي كمية البخر، حوالى 2040 م3 / فدان.
3- أعطيت كمية مياه تساوى 60% من إجمالي كمية البخر، حوالي 1660 م3 / فدان.
وقد حققت المعاملة الثانية أعلى كفاءة لاستخدام الماء (1.75 كجم / م3) . وتشير هذه النتيجة إلى إمكانية توفير 385 م3 ماء فدان (%16) حيث أمكن الحصول على محصول أعلى من الحبوب والقش للفدان بدون نقص معنوي مقارنة بالمعاملة الأولى. وعلى ذلك يمكن تنظيم ري صنف القمح جميزة 7 بهذه المنطقة باستخدام وعاء البخر القياسي والري عند نسبة 80% من كميات البخر المجمعة على 4 ريات شهرية .
1- 3 - استخدام وعاء Sunkeu pan
وهو الوعاء المغمور تحت سطح التربة حيث أن درجة حرارة التربة والتي تؤثر على معدل البخر من التربة تؤخذ في الحسبان لإن وجود الوعاء مغموراً في التربة يجعل درجة حرارته تتناسب مع درجة حرارة التربة للدرجة أن KC تتراوح بين 0.9 شتاء إلى 1.1 صيفاً بعكس المبخر السابق Class A pan والذي تتراوح فيه قيمة Kc بين 1.2 إلى 1.4.
2- استخدام الليسيمترات Lysmeter
الليسيمتر عبارة عن أحواض معدنية أو خرسانية معزولة هيدروليجيا عن الحقل الذي توضع فيه ذات أحجام وأشكال مختلفة بهدف تمثيل الظروف الطبيعية للحقل، تخفر الأرض المراد وضع الحوض فيها بحجم يماثل حجم الحوض ثم يوضع الحوض بحيث يظهر من حافته العليا 5 - 10 سم فوق سطح الأرض، وتعاد التربة إلى الحوض بحسب آفاتها الطبيعية قبل الحفر، مع إعادة ضغط التربة لإعادة كثافتها الظاهرية إلى قيمتها الأصلية.
وتعتبر هذه من الطرق المباشرة لتقدير الاستهلاك المائي للمحصول، وتتمثل في عزل جزء من المحصول عما حوله وقياس كميات الماء الداخلة إلى والخارجة من هذا الجزء أو العينة، ويوجد من الليسيمترات ثلاثة أشكال :
أ - الليسيمتر غير الوزني: ويعتمد على افتراض أن السعة التخزينية للرطوبة في الأرض تبقى ثابتة ويكون الاستخدام الماني هو الفرق بين الماء المضاف والماء المنصرف.
ب- الليسيمتر الوزني: ويحسب منه مقدار الاستهلاك المائي للمحصول بالفقد بالوزن فيما بين الريات.
ج- ليسيمتر الماء الأرضي: حيث يقدر الاستهلاك المائي للنبات بكمية الماء اللازمة لإبقاء مستوى الماء الأرضي على عمق ثابت تحت سطح الأرض.
وللحصول على نتائج دقيقة باستخدام أجهزة الليسيمترات يجب أن تكون النباتات النامية في الليسيمتر مماثلة بالكامل لحالة المحصول الذي يتم دراسته وأن تكون هذه النباتات معرضة لنفس الظروف الفسيولوجية وأن تكون ظروف رطوبة التربة في كل من الليسيمتر وباقي الأرض متماثلة. ولذا فإن توقيت إضافة وكميات المياه يجب أن تكون متماثلة تماماً أيضاً، وكذا المعاملات الزراعية الأخرى التي يجب أن تتم بشكل واحد فيما بين الأرض والعينة المأخوذة في الليسيمتر مثل مواعيد الزراعة وكميات ونوعيات الأسمدة وغسيل ما قد يتجمع من أملاح ويضاف الماء يومياً لكي يوفر ظروفاً غير محددة لمعدلات البخر - نتح القياسي. وتتم أخذ قياسات يومية لمياه الصرف ويحسب البخر نتح كالآتي :
ETp = Da - Da
حيث :
ETp: البحر فتح القياسي (مم) .
Da: كمية المياه المضافة (مم) .
Dd: كمية مياه الصرف (م) .
رسم تخطيطي لجهاز ليسيمتر البخر - نتح القياسي
لقياس الاستهلاك الماني للمحاصيل
3- استخدام التنشيومترات Tensiometer
وهي أجهزة تقيس مباشرة قيمة الشد الرطوبي بالتربة. ويتكون التنشيومتر من كأس مسامى ملئ بالماء ويتصل بمقياس تفريغ لقياس الشد. ويتم وضعه في الحقل عن طريق عمل حفرة بواسطة الأوجر، بحيث يكون قطرها أقل قليلاً من قطر الكأس المسامي للتنشيومتر وبحيث تصل إلى العمق المطلوب. ثم يدفع التنشيومتر إلى داخل الحفرة مع التأكد من ضرورة وجود اتصال كامل بين الكأس المسامى ومادة الأرض المحيطة به . وعندما تقوم جذور النبات باستخلاص الماء من التربة، فإن الشد الناتج في التربة يؤدى إلى سحب الماء من الكأس المسامي حتى الوصول إلى التوازن بين الشد الرطوبي بالأرض ومقدار التفريغ في التنشيومتر. وعند ذلك يشير مقياس الشد (التفريخ) إلى مقدار الشد الرطوبي بالأرض. ويقيس التنشيو متر مدى محدود يصل إلى - 1.0 بار فقط .
وتعتبر هذه الطريقة من أفضل الطرق التي تستخدم لقياس الإجهاد الرطوبي في التربة والذى تختلف درجته بحسب المحصول حيث أن - 1.0 بار يعتبر إجهاد رطوبي المعظم محاصيل الحقل لكن إذا أريد إجهاد أكثر من ذلك فإن هذه الطريقة لا تصلح.
شكل يبين جهاز التنشيومتر ويتكون من أنبوبة من البلاستيك متصلة بكأس مسامي عند طرفها الأسفل، وبخزان ملء التنشيومتر عند الطرف العلوي، وعداد تفريغ من نوع Bourdon type يتصل بالأنبوبة من الجانب
4- كتل المقاومة الجبسية Gypsum resistance blocks
وهذه تتكون من كتل تصنع من مادة جبسية أو ألياف زجاجية أو النايلون تحوي بداخلها زوجاً من الالكترودات المتصلين باسلاك كهربائية . ويتم تشبيع الكتل ووضعها في الأرض بحيث يكون أحد وجوهها ملاصقاً للتربة. ويصل الشد الرطوبي في الكتلة بالتدريج إلى حالة اتزان مع ذلك الموجود بالتربة المحيطة. ومع تغير المحتوى الرطوبى للكتلة تتغير كذلك المقاومة الكهربائية بين قطبيها. وتقاس هذه المقاومة بجهاز قياس المقاومة الكهربية أو بجهاز قياس التوصيل الكهربي المزود بمقياس مدرج من 1 إلى 100 ، بحيث يقرأ الجهاز 100 في حالة التشبع وتقل القراءة بانخفاض الرطوبة الأرضية، ويتراوح المدى الفعال لكتل المقاومة بين – 1 إلى - 15 بار (عن عبد العظيم، 1997 ).
وتستخدم هذه الطريقة في حالة إيجاد إجهاد رطوبي يبدأ من - 1.0 بار فأكثر ولذلك تعتبر التنشيومتر مع كتل المقاومة الجبسية متكاملة تغطى مجال الرطوبة بإجهاد من صفر إلى - 15 بار .
شكل يبين (a) الكتلة الجبسية المسامية، رسم تخطيطي لمنظر الكتلة من الوجه ومن الحافة يوضح موقع الالكترودات بداخل الكتلة المصممة لقياس المحتوي الرطوبي للأرض بقياس تغير المقاومة تصنع الالكترودات من الصلب غير القابل للصدأ.
(b) رسم بياني يربط مقاومة إحدى كتل المقاومة من نوع Plaster of Paris (بالأوم) ومحتوي رطوبة الأرض من الماء المتاح لأرض سلتية لومية
5- طريقة تشتت النيوترونات Neutron - scattering method
تعتمد هذه الطريقة على تصادم النيترونات الصادرة من مصدر سريع مع نواة ذات وزن ذرى منخفض تتمثل في هيدروجين الماء الموجود بالتربة وتفقد النيوترونات طاقتها نتيجة للاصطدام وتتحول إلى نيوترونات بطيئة حيث يحدث لها تشتت وانعكاس. ويستخدم جهاز استقبال لعد تلك النيوترونات البطيئة بحيث يكون معدل العد دالة للمحتوى الرطوبي للأرض . وهذه الطريقة تعتبر من أحسن الطرق وأسرعها لكنها مكلفة جداً لارتفاع ثمن الجهاز المستخدم بالإضافة إلى أنه يجب أن تؤخذ الاحتياطات الكافية حتى لا يصاب من يستعمل هذا الجهاز بالإشعاعات الضارة.
رسم تخطيطي لجهاز تشتت النيوترونات يتم إنزال مصدر النيوترونات السريعة، وعداد النيوترونات المبطأة إلى عمق القياس المطلوب بداخل أنبوبة القياس الموضوعة بالتربة. يقوم العداد بعد التيوترونات المبطأة المرتدة بتأثير الهيدروجين في الماء الموجود بالتربة حيث يتم تسجيلها على المقياس المتصل بالجهاز تعبر الرطوبة المقاسة بواسطة الجهاز عن المحتوي الرطوبي للكتلة الكروية من المترية المحيطة بجهاز العد. ويكون حجم تلك الكتلة أكبر كلما كان المحتوي الرطوبي بالأرض أقل.
ويوجد طراز خاص لقياس المحتوي الرطوبي في الطبقة السطحية من التربة .
