شبیه¬سازی آبشویی یون نیترات در یک خاک لوم شنی تیمار شده با زئولیت با استفاده از نرم¬افزار Hydrus-1D

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

چکیده

چکیده
مصرف کود نیتروژن در کشاورزی، تجمع و حرکت نمک­ها در خاک­ها و مدل­سازی این حرکت در سال­های اخیر مورد توجه فراوانی قرار گرفته است. از طرفی در استفاده از این مواد باید تدابیری اتخاد نمود که ضمن افزایش تولید و کیفیت محصولات کشاورزی از اثرات نامطلوب آن، مانند آلوده کردن محیط زیست، خاک و آب­های زیر زمینی کاسته شود. در این پژوهش تاثیر زئولیت پتاسیمی در جذب و نگهداری یون نیترات در یک خاک لوم شنی اشباع و در شرایط آزمایشگاهی، با چهار تیمار شاهد و کاربرد 2، 4 و 8 گرم زئولیت در هر کیلوگرم خاک مورد بررسی قرار گرفت. آزمایش­ها در قالب یک طرح بلوک­های کامل تصادفی انجام شد و نیز آبشویی یون نیترات، به وسیله نرم­افزار Hydrus-1D در ستون­های خاک شبیه­سازی شد. کود نیترات آمونیوم با غلظت 10 گرم بر لیتر به ستون­های خاک اضافه گردید و سپس ستون­های خاک آبشویی شدند. نتایج به دست آمده نشان داد، اضافه کردن زئولیت پتاسیمی به خاک باعث کاهش شستشوی نیترات و افزایش نگهداشت آن در خاک می­شود. در نرم­افزار هایدروس، از معادلات جابجایی - انتشار (CDE) و رطوبت روان- ساکن (MIM) در برآورد حرکت یون نیترات در خاک استفاده شد. ایزوترم­های جذب و ضرایب پخشیدگی و انتشار یون نیترات با استفاده از مدل­سازی معکوس تعیین گردیدند. به دلیل دست­خورده بودن نمونه­های خاک، برآورد مدل CDE به مقادیر اندازه­گیری شده در هر چهار تیمار، نزدیک­تر بود. همچنین هر دو مدل CDE و MIM نشان دادند که افزایش کاربرد زئولیت باعث کاهش ضریب پخشیدگی و افزایش ضریب انتشار آبی یون نیترات در خاک می­شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Simulation of Nitrate Ion Leaching in a Sandy Loam Soil Treated with Zeolite Using Hydrus-1D Model

نویسندگان [English]

  • Mostafa Moradzadeh
  • Hadi Moazed
  • Gholamabbas sayyad
چکیده [English]

In recent years, nitrogen fertilizer consumption in agriculture, accumulation and movement of salts in soils and modeling their movement have  received extensive attention, But in using these substances, there should be a balance between the production increase and the quality of agricultural products, otherwise, undesirable effects, such as environmental pollution and soil and ground water contamination will occur. The objectives of this study were to investigate the effect of potassium zeolite on nitrate ion sorption and retention in a saturated sandy loam soil under laboratory condition with four treatments of 0, 2, 4 and 8 g zeolite per kg soil and to simulate nitrate ion leaching using Hydrus-1D model. The study was conducted as a completely randomized block design. Ammonium nitrate fertilizer with concentration of 10g per liter was added to soil columns and then leaching was performed. Results of the study showed that by increasing the amount of potassium zeolite to soil, the mobility of nitrate ion reduced and the nitrate retention in soil increased. Also, the Convection- Dispersion (CDE) and Mobile- Immobile (MIM) models were used to simulate the nitrate ion mobility in soil. Absorption isotherms and diffusion and dispersion coefficients were determined through the inverse modeling. Because the soil was disturbed, CDE model estimation was closer to observed values in all four treatments. Both the CDE and MIM models showed that as the amount of zeolite applied to the soil increases, the diffusion coefficient and dispersion coefficient of nitrate ion in the soil decreases and increases, respectively.
LE_LIY� >s�@�?TL> در ستون­های خاک شبیه­سازی شد. کود نیترات آمونیوم با غلظت 10 گرم بر لیتر به ستون­های خاک اضافه گردید و سپس ستون­های خاک آبشویی شدند. نتایج به دست آمده نشان داد، اضافه کردن زئولیت پتاسیمی به خاک باعث کاهش شستشوی نیترات و افزایش نگهداشت آن در خاک می­شود. در نرم­افزار هایدروس، از معادلات جابجایی - انتشار (CDE) و رطوبت روان- ساکن (MIM) در برآورد حرکت یون نیترات در خاک استفاده شد. ایزوترم­های جذب و ضرایب پخشیدگی و انتشار یون نیترات با استفاده از مدل­سازی معکوس تعیین گردیدند. به دلیل دست­خورده بودن نمونه­های خاک، برآورد مدل CDE به مقادیر اندازه­گیری شده در هر چهار تیمار، نزدیک­تر بود. همچنین هر دو مدل CDE و MIM نشان دادند که افزایش کاربرد زئولیت باعث کاهش ضریب پخشیدگی و افزایش ضریب انتشار آبی یون نیترات در خاک می­شود.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • BTC curves
  • Hydrus-1D
  • Nitrate
  • Simulation
  • Zeolite

مقدمه

نیترات منبع اولیه نیتروژن است که برای ادامه حیات گیاهان ضروری می­باشد. به همین دلیل کود­های شیمیایی نیتروژن دار برای بهبود رشد گیاهان مصرف می­شوند. زمانی­که مقدار نیترات در خاک مازاد بر نیاز گیاه باشد، آبشویی و وارد آب­های سطحی و زیرزمینی می­شود. علیرغم پژوهش­های صورت گرفته در زمینه مصرف بهینه کود جهت جلوگیری از آلودگی نیترات در رودخانه­ها، مزارع و آب­های زیرزمینی، هنوز اطلاعات کمی در این زمینه وجود دارد. بنابراین باید روش­هایی که قابلیت اجرا و انعطاف مدیریتی دارند شناخته شوند (میرزا و همکاران 1385). از جمله راه­کارهای جدیدی که برای افزایش تاثیرگذاری و جلوگیری از هدر روی کودهای شیمیایی مورد استفاده قرار گرفته است، به کارگیری ترکیبات طبیعی چون کانی­های زئولیت در مزارع کشاورزی می­باشد (پولات و همکاران 2004). زئولیت­ها با ساختمان بلوری، مواد متخلخلی هستند که به دلیل داشتن ظرفیت جذب کاتیونی بالا و قراردادن بعضی کاتیون­ها در ساختار خود علاوه بر نقش اصلاح کنندگی در خاک، می­توانند نقش تغذیه ای نیز داشته باشند و باعث بهبود رشد گیاه شوند.

زوینگمن و همکاران (2009) با افزودن مزولیت که نوعی زئولیت اصلاح شده می­باشد، به خاک­های شنی، سعی کردند قابلیت نگهداری آب و مواد غذایی را در آنها افزایش دهند. آنان نتیجه گرفتند که مزولیت در به تاخیر انداختن حرکت کود، ماده بسیار خوبی است. لی (2002) مقدار جذب و رهاسازی نیترات را با کاربرد زئولیت­های ساخته شده از زئولیت­های اصلاح شده مورد بررسی قرار داد. آزمایش­های ستونی نشان دادند که مقدار جذب یون نیترات در حالت اصلاح شده با سورفاکتانت[1] حدود 40 درصد بیشتر از زئولیت طبیعی است. لی و همکاران (2003)­ نشان دادند که برای جذب آنیون­ها نیاز است تا بار سطح زئولیت­ها به بار مثبت تغییر یابد و برای این عمل از سورفاکتانت­های آلی مانند HDTMA-BA یا تترامتیل آمونیوم[2] و یا ستیل پریدیم[3] استفاده کردند. وانگ و همکاران (2007) میزان جذب یون آمونیوم را از محلول 10 میلی گرم در لیتر این یون برابر با 21/1 میلی مول به ازای هر گرم رس موردنایت سدیمی گزارش کردند. سلیک و همکاران (2001) مقدار جذب و تبادل کاتیونی یون آمونیوم را به وسیله کانی­های زئولیت از گروه کلینوپتیلولایت[4] و سپیولایت[5] در روش ستونی مورد بررسی قرار دادند. آنها نشان دادند که ظرفیت تبادل کاتیونی در رس کلینوپتیلولایت، مقدار زیادی از یون­های آمونیوم را جذب کرد. کاترر و همکاران (2001) با استفاده از دو مدل یک ناحیه‎ای Hydrus  و دو ناحیه­ای Macro، تاثیر رطوبت اولیه و نحوه کاربرد ردیاب­های برماید و کلراید را در سطح خاک بر حرکت نمک­ها در دو ستون مرطوب و خشک بررسی کردند و نتیجه گرفتند که مدل دو ناحیه­ای برآورد بهتری از حرکت ردیاب­ها در ستون خاک خشک دارد. سانجنز و همکاران (a2001 و b2001) از نرم­افزار Hydrus-1D برای مطالعه حرکت کادمیوم در ستون خاک و نیز در مزرعه استفاده کردند. سرنیک و همکاران (1994) انتقال کادمیوم را در مکان­های صنعتی آلوده با استفاده از حل عددی مدل­های انتقال نمک­ها، و مرادی و همکاران (2005) پروفیل کادمیوم را در یک خاک آهکی تیمار شده با لجن فاضلاب با استفاده از نرم­افزارهای Hydrus و Macro شبیه­سازی کردند. آنان نتیجه گرفتند که با وجود کارایی هر دو نرم­افزار در شبیه­سازی، نتایج به دست آمده با نرم­افزارMacro، به مشاهدات آزمایشگاهی نزدیکتر است. سیمونک و همکاران (2008) شبیه­سازی حرکت غیر­متعادل آب و نمک­ها را با استفاده از نرم­افزار Hydrus-1D انجام دادند. نتایج نشان داد که کلروتلوران در محیط­های درشت دانه کاملا پیوسته از محل ورود به توده خاک به صورت منظم توزیع شد. فونتز و همکاران (2008) کاربرد نرم­افزار Hydrus-1D را بر حرکت نیترات در خاک آتشفشانی متاثر از پسماند فاضلاب و خاکستر آن، بررسی کردند. نتایج نشان داد که خاک­های آتشفشانی می­توانند نیترات را در خود نگه دارند یا به صورت تدریجی آزاد کنند. مرادزاده و همکاران (1391) با استفاده از نرم­افزار Hydrus-1D توانایی معادلات جابجایی - انتشار (CDE) و دو ناحیه­ای یا مدل روان –ساکن(MIM) را در برآورد حرکت یون آمونیوم در ستون­های یک خاک لوم شنی تیمار شده با زئولیت بررسی کردند، و نتیجه گرفتند که مدل CDE در خاک­های دست­خورده نسبت به مدل MIM آبشویی یون آمونیوم را بهتر برآورد می­کند. جلالی و همکاران (2010) برای ارزیابی خطر استفاده از فاضلاب در تغذیه آب­های زیرزمینی، جذب آمونیوم را در نمونه­های خاک با استفاده از آزمایشات ستون خاک مورد مطالعه قرار دادند. پس از آن از نرم­افزار Hydrus-1D برای حل معکوس و شبیه­سازی حرکت آمونیوم درخاک استفاده شد. آنان به این نتیجه رسیدند که استفاده از نرم­افزار Hydrus-1D ابزار بسیار خوبی برای شبیه­سازی حرکت آمونیوم در ستون­های خاک آزمایشی است.

در این پژوهش سعی گردید با اندازه­گیری غلظت یون نیترات خروجی از ستون­های خاک حاوی مقادیر مختلف زئولیت و رسم منحنی­های رخنه (BTC) مربوط به نیترات به بررسی تاثیر زئولیت بر نگهداشت این یون در خاک اشباع پرداخته شود. همچنین نحوه حرکت یون نیترات با استفاده از نرم­افزار Hydrus-1D مورد مطالعه قرار گرفت.

 

معادلات مهم حاکم بر انتقال نمک­ها در خاک

معادله جابجایی - انتشار نمک­ها یا[6]CDE

به طور کلی جابجایی و انتشار نمک­ها در خاک با سه مکانسیم انتقال توده­ای، پخشیدگی مولکولی و انتشار مکانیکی انجام می­گیرد. با در نظر گرفتن تأثیر همزمان این سه فرآیند بر حرکت نمک­ها در خاک و در شرایط غیر همگام معادله زیر به دست می­آید:

]1[

 

 

که در آن، C غلظت نمک­ها در محلول آب خاک (M/L3) و z فاصله (L)، v، سرعت جریان و رطوبت حجمی خاک است. رابطه بالا به رابطه جابجایی – انتشار (CDE) در خاک برای نمک­ها و یون­های غیر واکنش­گر معروف است که در آن De، ضریب انتشار هیدرودینامیکی می­باشد. این رابطه، برای بررسی حرکت نمک­ها در محیط­های همگن مناسب است. برای جریان همگام آب که لزوما به معنای جریان همگام نمک­ها نیست، مقادیر،  و De ثابت بوده و رابطه بالا به شکل زیر در می­آید:

]2[

 

 

که در آن،  است.

مدل روان ساکن یا[7]MIM  

نتایج خیلی از پژوهش­ها به ویژه در خاک­های غیرهمگن نشان می­دهد فقط بخشی از آب موجود در خاک در انتقال نمک­ها دخالت دارد. بر این اساس می­توان آب موجود در خاک را به دو بخش متحرک و غیر متحرک تقسیم کرد. بخشی از آب موجود در خاک را که در انتقال توده ای نمک­ها نقش دارد، در اصطلاح بخش متحرک و بخش دیگر آب موجود در خاک را که غیر متحرک است، در اصطلاح بخش ساکن می­نامند. بر این اساس مدل فیزیکی غیر تعادلی یا دو ناحیه­ای یا مدل روان- ساکن (MIM) اولین بار توسط کوتس و اسمیت (1956)، در مسائل مهندسی نفت پیشنهاد شد. این مدل که بعدها توسط محققان دیگر برای بررسی حرکت  نمک­ها در خاک نیز مورد استفاده قرار گرفت، به صورت زیر است (ون گنوختن و وگنت 1989):

]3[

 

]4[

 
     

 

که در آن،  و به ترتیب رطوبت حجمی در ناحیه روان و ساکن،  و  غلظت نمک­­ها در ناحیه روان و ساکن ،  شدت جریان در ناحیه روان ، ضریب تبادل جرمی نمک­ها  بین دو ناحیه روان و ساکن و  ضریب انتشار است.

نرم­افزار Hydrus-1D

نرم­افزار Hydrus-1D یکی از مدل­های پیشرفته در ارتباط با حرکت یک بعدی آب، نمک­ها و گرما در خاک می­باشد. این مدل توسط سیمونک و همکاران (1998) در آزمایشگاه شوری خاک آمریکا بسط داده شده است، و شامل حل عددی معادله ریچادرز برای بررسی حرکت آب در خاک و معادلات جابجایی- انتشار برای بررسی حرکت نمک­ها و گرما در خاک است. معادلات مربوط، به روش عناصر محدود حل گردیده­اند. این مدل قادر به شبیه­سازی حرکت نمک­ها در شرایط اشباع و غیراشباع است و ویژگی­های خاک را به روش معکوس تخمین می­زند (عباسی 1386).

 

مواد و روش­ها

این پژوهش با هدف بررسی تاثیر کاربرد زئولیت پتاسیمی در جذب و نگهداری یون نیترات در شرایط آزمایشگاهی و خاک اشباع با چهار تیمار مختلف کاربرد زئولیت و شبیه­سازی حرکت آنها با استفاده از نرم­افزار Hydrus-1D انجام شد. یکی از این چهار تیمار به عنوان شاهد و فاقد زئولیت و سه تیمار دیگر به ترتیب شامل 2، 4 و 8 گرم زئولیت پودری در هر کیلوگرم خاک می­باشد. این پژوهش در قالب یک طرح بلوک­های کامل تصادفی و در سه تکرار انجام گرفت. ویژگی­های خاک مورد استفاده به صورت جدول 1 می­باشد.


 

جدول1- مشخصات خاک مورد استفاده در پژوهش

عمق (cm)

شن

( % )

سیلت

( % )

رس

( % )

بافت

چگالی ظاهری

(g/cm3)

چگالی واقعی

(g/cm3)

تخلخل

( % )

هدایت الکتریکی

(dS/m)

 

pH

25-0

71

22

7

لوم شنی

42/1

65/2

46

29/2

77/7

                     

 

 

نیترات آمونیوم خالص حاوی 35 درصد نیتروژن، به عنوان کود، مورد استفاده قرار گرفت. ستون­های خاک مورد استفاده در این پژوهش، لوله­های پلی اتیلن به قطر داخلی 5/10 سانتی­متر و ارتفاع 50 سانتی­متر بودند. در آنها تا ارتفاع 30 سانتی­متری از خاک مورد نظر به همراه مقدار مشخص زئولیت (با توجه به تیمار آزمایش) ریخته شد. در ارتفاع 31 سانتی­متری از کف، دو سوراخ تعبیه شد که یکی ورودی و دیگری خروجی آب بود. هدف از این کار ایجاد یک ارتفاع ثابت آب روی نمونه­های خاک بود. انتهای ستون­ها نیز با استفاده از کاغذ صافی و توری پلاستیکی و مفتول سیمی کاملا بسته شد. نمونه­های خاک مورد نظر ابتدا در هوای آزاد، پهن و خشک گردیدند و پس از کوبیده شدن، از الک شماره 10 (2 میلیمتری) عبور داده شدند. پس از آن برای هر تیمار، مقدار زئولیت لازم اضافه شد. سپس ستون­های خاک تهیه شده، در داخل سطل آب قرار داده شدند تا از پایین به بالا اشباع شوند. سپس ستون­ها برای کلیه تیمارها و تکرارها به صورت عمودی با مفتول سیمی به جسمی پایدار محکم شدند. به این ترتیب که ابتدا ستون­ها روی قیف­هایی قرار گرفتند. این قیف­ها نیز خود روی سه پایه­هایی فلزی قرار داشتند. برای جمع آوری زهاب خروجی از ستون­ها نیز در پایین قیف­ها استوانه مدرج قرار داده شد. سپس کود نیترات آمونیوم با غلظت 10 گرم بر لیتر روی ستون خاک اشباع ریخته شد. پس از نفوذ کامل محلول نیترات آمونیوم، شیر آب باز شد، و بار آبی به اندازه 1 سانتی­متر روی سطح خاک اعمال گردید. مقدار نیترات آمونیوم خالص با توجه به مقدار حداکثر کودی که به اراضی شالیزاری داده می­شود، 1000 کیلوگرم در هکتار بود که معادل 350 کیلوگرم در هکتار نیتروژن خالص می­باشد که پس از تقسیم به سطح ستون خاک (cm26/86( به 866/0 گرم تبدیل می­شود. بدین ترتیب که مقدار 866/0 گرم نیترات آمونیوم در 6/86 سانتی­متر مکعب آب حل و روی ستون خاک ریخته شد. نمونه گیری­ها در حجم تخلخل­های 1/0، 3/0، 5/0، 7/0، 1، 3/1، 7/1، 9/1، 2و 5/2 از زه آب خروجی به میزان 150 سانتی­متر مکعب، جهت تعیین غلظت یون نیترات انجام شد.

روش مدل­سازی

با توجه به مطالعات قبلی ایزوترم جذب فروندلیچ که به صورت زیر تعریف می­شود، برای جذب نیترات در نظر گرفته شد (مرادزاده و همکاران 1391، معاضد 2008).

]5[

 

که در رابطه فوق :Ce غلظت تعادلی ماده در محلول (mg/cm3)،:x  مقدار ماده محلول جذب شده (mg/l)،  و : ضرایب تجربی و :m جرم جاذب (g) می­باشد.

از میان پارامترهای مختلف هیدرولیکی و انتقال نمک­ها، با استفاده از تحلیل حساسیت، پارامترهای اصلی که با تغییر مقدار آن­ها نتایج نرم­افزار دستخوش تغییر قابل ملاحظه می­شوند، شناسایی گردیدند. در نرم­افزار Hydrus-1D، مقـادیر پارامتـرهای انتـقال نمک­ها  و (ضرایب مربوط به ایزوترم جذب فروندلیچ) و ضریب پخشیدگی (Dif) و انتشار (Dis) با استفاده از روش حل معکوس، با هر دو مدل CDE و MIM تعیین گردیدند. ملاک عمل برای به پایان رساندن اجرای برنامه و قبول پارامترهای تعیین شده توسط نرم­افزار، نمایه SSQ[8] می­باشد که به صورت زیر تعریف می­شود:

]6[

 

در رابطه بالا  و  به ترتیب مقادیر مشاهده شده آزمایشگاهی غلظت یون نیترات و مقادیر شبیه­سازی شده به وسیله نرم­افزار می­باشند. در مرحله واسنجی، پس از وارد کردن مقادیر اولیه هر کدام از متغیرها در مدل، نرم­افزار به پردازش داده­ها می­پردازد و مقادیر نهایی را برآورد می کند. در هر تکرار همزمان با برآورد متغیرها، SSQ نیز محاسبه می­شود. پس از هر بار اجرای نرم­افزار، دوباره مقادیر جدید محاسبه شده (بهینه شده) در مدل قرار می­گیرد و دوباره این عمل تکرار می­گردد. پایان محاسبات زمانی است که مقادیر برآورد شده به یک مقدار ثابت و SSQ به یک مقدار ثابت و حداقل میل کنند. از آنجایی که این نرم­افزار از سرعت همگرایی زیادی برخوردار است، پس از چند تکرار به سرعت جواب نهایی را برآورد می­کند.

شرایط مرزی و اولیه برای جریان آب

مرز بالایی ستون برای جریان آب، شرایط فشار ثابت[9]در نظر گرفته شد. به لحاظ اینکه در شرایط آزمایشگاهی نیز در کل زمان آزمایش همواره فشار یک سانتی­متری به ستون­های خاک اعمال شد. برای مرز پایینی ، شرط نشت[10] در نظر گرفته شد، زیرا این نوع شرط مرزی اغلب برای ستون­های خاک در شرایط آزمایشگاهی و برای حالتی که از پایین با هوا و فشار صفر در تماس می­باشند استفاده می­شود. برای شرط اولیه نیز شرط ارتفاع فشار انتخاب شد، زیرا فشار در بالا و پایین ستون­های مورد آزمایش همواره در طول آزمایش ثابت بود.

شرایط اولیه و مرزی برای انتقال نمک­ها

از آنجایی که مقدار کود اضافه شده به ستون های خاک به صورت یک جریان از بالا به خاک اضافه شد، شرط مرزی بالادست برای انتقال نمک­ها در مدل، شرط شدت جریان نمک­ها[11](Jc) انتخاب گردید.

]7[

 

که در معادله فوق C غلظت یون ورودی در ستون خاک (M/L3) و q سرعت جریان آب در خاک (L/T) می­باشد که در اینجا با توجه به غلظت کود نیترات آمونیوم ورودی که 10 گرم در لیتر می­باشد، برای یون آمونیوم محاسبه و وارد نرم­افزار شد. شرط مرزی پایین­دست نیز در نرم­افزار برای انتقال نمک­ها شرط گرادیان صفر[12]در نظر گرفته شد. زیرا از پایین، ستون­های خاک با هوا در تماس بودند. برای تعیین میزان غلظت اولیه یون نیترات در ستون­های خاک قبل از اعمال کود، مقدار مناسبی عصاره اشباع از خاک تهیه شد. به عنوان شرط اولیه در مدل، مقدار غلظت یون نیترات در ستون خاک، 0405/0 میلی گرم بر سانتی­متر مکعب در آزمایشگاه تعیین گردید.

 

نتایج و بحث

تاثیر اضافه کردن زئولیت به خاک در نگهداری یون نیترات

نتایج نشان داد که افزایش استفاده از زئولیت در خاک باعث نگهداشت بیشتر یون نیترات در خاک می­شود. علت را می­توان در خصوصیات عنوان شده برای زئولیت، مانند ساختار قفس مانند آن و در نتیجه به دام افتادن یون نیترات در شبکه­های آن جستجو کرد. همچنین عامل دیگر را می­توان به توانایی زئولیت در جذب و نگهداشت آب تا 70 درصد وزنی خود نسبت داد. با توجه به شکل­های 1 و 2، منحنی­های رخنه مربوط به یون نیترات، متقارن و زنگوله­ای نیستند. علاوه بر اینکه یون نیترات با ترکیب خاک و زئولیت جذب شد دوباره پرشدن ستون­های خاک و فشردگی خاک ستون­ها نیز موجب این اتفاق گشته است. از طرفی آزاد شدن تدریجی یون نیترات به علت پدیده پخشیدگی بعد از جریان توده­ای نیز سبب این تاخیر و کشیدگی منحنی رخنه در حجم تخلخل­های بالا بوده است. این تاخیر بیشتر به این علت بوده­است که پس از اینکه جریان توده­ای حجم زیادی از نیترات را خارج کرد پخشیدگی عرضی در منافذ ریزتر رخ داده است. رفتار مشاهده شده با نظرات جوری و همکاران‎(1991)‎ مطابقت دارد. با محاسبه سطح زیر منحنی رخنه برای یون نیترات در تیمارهای بدون زئولیت، درصد نیترات خروجی (88/93)، تقریبا برابر مقدار ماده اضافه شده به سطح خاک می­باشد. این موضوع نشان دهنده شسته شدن تقریبا تمامی یون نیترات در طی آزمایش است (جدول2). ولی در تیمارهای دارای زئولیت سطح زیر منحنی رخنه کمتر از مقدار ماده اضافه شده به خاک می­باشد که این موضوع نشان دهنده اثر زئولیت بر نگهداشت یون نیترات در خاک می­باشد. این امر در مقدار حداکثر نمک­های خروجی در منحنی رخنه نیز به خوبی قابل مشاهده است. در تیمار شاهد و کاربرد زئولیت به میزان 2، 4 و 8 گرم در کیلوگرم خاک، مقدار نیترات خارج شده به طور میانگین به ترتیب برابر 88/93، 91/73، 62/59 و 61/53 درصد مقدار اضافه شده به سطح خاک می­باشد. همچنین آزمون F برای درصد نیترات خروجی و میزان حداکثر غلظت نیترات خروجی از انتهای ستون خاک و اختلاف بین تیمارها در سه تکرار در سطح معنی­داری 5 درصد انجام شد. برای هر دو مورد این اختلاف معنی دار گردید. برای مقایسه دو به دوی بین تیمارها نیز از دو آزمون توکی و LSD استفاده شد. بر این اساس هر دو آزمون توکی و LSD نشان دادند که اختلاف درصد نیترات خروجی در تمامی تیمارها به صورت دو به دو در سطح معنی­داری 5 درصد معنی دار بوده­است. همچنین آزمون توکی نشان داد که اختلاف حداکثر میزان نیترات خروجی در تیمار بدون کاربرد زئولیت با تیمار 2 گرم زئولیت در کیلوگرم خاک معنی دار نیست. همچنین بر اساس این آزمون معلوم شد که بین تیمارهای 4 و 8 گرم زئولیت در کیلوگرم خاک، اختلاف حداکثر میزان نیترات خروجی معنی دار نمی­باشد. بین سایر تیمارها، دو به دو اختلاف­ها معنی دار بوده­است. اما آزمون LSD نشان داد که فقط بین تیمار بدون کاربرد زئولیت با تیمار 2 گرم زئولیت در کیلوگرم خاک اختلاف معنی دار نیست. البته از گفتن این نکته نیز نباید گذشت که معنی­دار بودن اختلاف در کاربرد زئولیت در تیمار 4 و 8 گرم زئولیت در کیلوگرم خاک، در این آزمون با سطح معنی داری 045/0 که به عدد 05/0 خیلی نزدیک می­باشد، تایید شد.

 


جدول 2- درصد نیترات خروجی از ستون­های خاک در تیمارها و تکرارها ی مختلف

(g/kg) مقدار کاربرد زئولیت

تیمار

تکرار

8

4

2

0

75/52

26/60

48/74

29/94

1

97/54

22/58

61/75

48/95

2

09/53

37/60

62/71

86/91

3

61/53

62/59

91/73

88/93

میانگین

 

 


شبیه­سازی و واسنجی با نرم­افزار Hydrus-1D

برای واسنجی نرم­افزار، یکی از تکرارهای هر تیمار آزمایشی برای یون نیترات مورد استفاده قرار گرفت و از دو تکرار دیگر هر تیمار برای آزمون نرم­افزار Hydrus-1D که برای هر تیمار کاربرد زئولیت و یون نیترات واسنجی شد، استفاده گردید.

 

 


جدول3- ضرایب مربوط به ایزوترم جذب فروندلیچ و ضریب پخشیدگی و ضریب انتشار طولی یون نیترات

با دو مدل CDE و MIM.

SSQ

Dis(cm2/min)

Dif(cm2/min)

Kd

 

مدل

تیمار

03874/0

010/6

5532/0

009746/0

278/1

CDE

صفر گرم زئولیت

03877/0

451/7

6723/0

01727/0

357/1

MIM

01699/0

88/11

4945/0

6842/0

971/4

CDE

دو گرم زئولیت

01707/0

98/12

5605/0

6995/0

060/5

MIM

002525/0

44/18

4771/0

9032/0

87/2

CDE

چهار گرم زئولیت

002629/0

77/23

1884/0

9303/0

848/2

MIM

006671/0

88/60

4307/0

171/1

160/1

CDE

هشت گرم زئولیت

006672/0

72/62

1580/0

159/1

161/1

MIM

               

 

 

 

 

همان­طور که در جدول 3 مشاهده می­شود برای یون نیترات، در هر تیمار کاربرد زئولیت با توجه به کمتر بودن نمایه آماری SSQ، مدل CDE برآورد بهتری از ضرایب، نسبت به مدل MIM دارد. مطالعات قبلی نیز نشان داد که در خاک­های دست­خورده مدل CDE دقت بیشتری دارد. از آنجایی که خاک مورد آزمایش نیز دست­خورده بوده­است، صحت نتایج، با مطالعات مرادی و همکاران (2005) و همچنین تحقیقات بوخولد و همکاران (1992) مطابقت دارد. همچنین نتایج نشان می­دهد که مقادیر ضریب انتشار طولی برای یون نیترات به طور کلی با افزایش کاربرد زئولیت افزایش می­یابد. با توجه به شکل­های 1 و 2 نیز مشخص است که با افزایش مقدار کاربرد زئولیت و در نتیجه افزایش ضریب انتشار طولی، پالس نمک­ها بیشتر پراکنده می­شود و ارتفاع منحنی رخنه کاهش می­یابد. که این مورد به علت جذب بیشتر یون نیترات با افزایش مقدار زئولیت در ستون­های خاک بوده­است. ضرایب پخشیدگی نیترات نیز با افزایش کاربرد زئولیت روندی کاهشی دارد. با توجه به شکل­های 1 و 2 می­توان شبیه­سازی آبشویی یون­ها را با مقادیر اندازه­گیری شده مقایسه نمود. مشاهده می­شود، قسمت بالا­رونده منحنی با قسمت پایین­رونده آن دارای شیب یکسانی نمی­باشد که این مساله به خاطر تشکیل نسبی ساختمان در ستون خاک می­باشد. هر­چند که خاک ستون­ها دست­خورده بوده­است. همان­طور که مشاهده می­شود با به کار بردن هر دو مدل CDE و  MIMتحت نرم­افزار Hydrus-1D، برازش خوبی نسبت به مقادیر اندازه­گیری شده مشاهده می­شود.

 

                                                       

 

شکل1- شبیه­سازی آبشویی یون نیترات با مدل CDE.


 


 


شکل2- شبیه­سازی آبشویی یون نیترات با استفاده از مدل MIM.


آزمون نرم­افزار Hydrus-1D

پس از انجام واسنجی، برای هر تیمار خاک و زئولیت، از دو تکرار دیگر هر تیمار برای آزمون نرم­افزار استفاده شد. به این ترتیب که این بار فقط اطلاعات مربوط به منحنی رخنه شامل زمان و غلظت وارد نرم­افزار شد و مدل اجرا گردید. سپس ضرایب مربوط به ایزوترم جذب فروندلیچ و ضرایب پخشیدگی و انتشار با دو مدل CDE و MIM محاسبه شد. نتایج نشان داد که SSQ تکرارهای آزمون هر تیمار کاربرد زئولیت، نظیر به نظیر، نزدیکی قابل قبولی با مقادیر واسنجی داشته­اند.

مقایسه آماری برای ارزیابی دقت نرم­افزار

با استفاده از برخی روش­های آماری، دقت نرم­افزار Hydrus-1D در برازش مشاهدات آزمایشگاهی منحنی رخنه، برای هر دو حالت واسنجی و آزمون هر دو مدل CDE و MIM بررسی گردید. بدین منظور از بعضی از شاخص­های آماری استفاده شد. نخست به معرفی شاخص­های آماری به کار رفته و شرح مختصری از این روش­ها پرداخته می­شود.

معرفی شاخص­های آماری

اختلاف نسبت به خط 45 درجه

]8[

 

که در رابطه بالا مقادیر شبیه­سازی شده،  مقادیر مشاهده شده و  شیب خط برازش می­باشد. در این معادله مقادیر  نشان­دهنده پیش­بینی کمتر از مقدار واقعی و مقادیر نشان­دهنده پیش­بینی بیشتر از مقدار واقعی است. بهینه ترین مقدار  برابر یک و این شاخص نشان دهنده روند کلی مقدار خطا می­باشد.

 شاخص ضریب تبیین ()

این شاخص مشخص کننده مناسب بودن برازش معادله رگرسیونی بین داده­های شبیه­سازی شده و مقادیر مشاهده شده می­باشد و بهینه­ترین مقدار  برابر یک است ( ابراهیمیان و لیاقت 2011).

 

درصد متوسط خطای پیش­بینی ( )

مقدار درصد متوسط خطای پیش­بینی نیز به صورت زیر است (بهرامی و همکاران 1388):

]9[

 

 به طور کلی شاخص  نشان دهنده روند کلی مقدار خطا می­باشد. با توجه به نتایج، برای حالت واسنجی نرم­افزارHydrus-1D  برای یون نیترات، مقدار  کمتر از یک است. یعنی برآورد نرم­افزارHydrus-1D  به طور کلی از مقدار مقادیر مشاهداتی کمتر بوده­است. ولی مقادیر  برای هر دو مدلCDE  وMIM  تقریبا به یک نزدیک می­باشد. به طوری که از 92/0 تا 98/0 در نوسان بوده­است. همچنین برای حالت آزمون نرم­افزار در پیش­بینی مقدار غلظت یون نیترات، مشاهده می­شود که نرم­افزارHydrus-1D  توانایی خوبی در شبیه­سازی و پیش­بینی غلظت یون نیترات داشته­است. به­طوری که در هر دو تکرار آزمون و برای هر دو مدل CDE  وMIM ، در اینجا نیز مقدار به عدد یک نزدیک بوده­است و بین مقادیر 92/0 تا 99/0 در نوسان می­باشد. مقادیر بالا و نزدیک به یک ، برای حالت آزمون نرم­افزار نشان از این دارد که نرم­افزار برای هر تیمار کاربرد زئولیت به خوبی واسنجی شده است. برای حالت آزمون نیز به تبعیت از حالت واسنجی، نرم­افزار مقادیر غلظت یون نیترات منحنی رخنه را کمتر از میزان اندازه­گیری شده نشان می­دهد. مقدار R2برای حالت واسنجی نرم­افزار برای یون نیترات بین 9/0 تا 99/0 در تغییر بوده­است. برای حالت آزمون نیز مقادیر R2 از روند حالت واسنجی خود برای یون نیترات تبعیت می­کنند. به طوری که مقادیر R2 برای یون نیترات بین 9/0 تا 99/0 نوسان کرده است. شاخص Er برای حالت واسنجی یون نیترات بین مقادیر 3/2 و 1/8 در تغییر بوده­است. دامنه تغییرات این مقادیر برای آزمون هر دو تکرار یون نیترات بین 9/0 و 5/8 قرار دارد. به طور کلی با مقایسه تمامی شاخص­های آماری، شبیه­سازی حرکت یون نیترات، توسط نرم­افزار به خوبی انجام شده است و نتایج نشان می­دهد که مقادیر محاسبه شده مربوط به ضرایب ایزوترم جذب فروندلیچ و ضرایب پخشیدگی و انتشار با دو مدل CDE و MIM برای حالت آزمون به حالت واسنجی نزدیک بوده­است.

 

نتیجه­گیری کلی

نتایج نشان می­دهد که افزایش مقدار زئولیت پتاسیمی در خاک باعث کاهش شستشوی نیترات و افزایش نگهداشت آنها در خاک شده است و از انتقال آنها به آب­های زیر زمینی و در نتیجه آلودگی آن جلوگیری می­نماید. به ترتیب کاربرد 2، 4 و 8 گرم زئولیت در کیلوگرم خاک باعث کاهش شستشوی نیترات در خاک، به میزان 27/21، 49/36 و 89/42 درصد نسبت به تیمار شاهد گردید. اما در تیمارهای حاوی 2، 4 و 8 گرم زئولیت در کیلوگرم خاک مقدار کل نیترات خروجی از ستون خاک به ترتیب 91/73، 62/59 و 61/53 درصد اضافه شده به سطح خاک می­باشد. هر دو مدل CDE و MIM نشان دادند که افزایش زئولیت باعث کاهش ضریب پخشیدگی و افزایش ضریب انتشار نیترات در خاک می­شود. نتایج نشان داد که نرم­افزار Hydrus-1D با دقت قابل قبولی توانست ضرایب هیدرودینامیک خاک را برآورد کند. همچنین با توجه به دست­خورده بودن نمونه­های خاک، مدل CDE نسبت به مدل MIM کارایی بهتری داشت. مدل MIM به دلیل داشتن پارامترهای بیشتر و دشواری تخمین آنها، نسبت به مدل CDE کارایی کمتری دارد. این مشکلات موقعی که فرایند جذب نیز درمدل مذکور منظور شود، دو چندان خواهد شد. زیرا برای هر کدام از نواحی روان و ساکن، بسته به اینکه چه ایزوترمی برای جذب در نظر گرفته شود، یک تا چند پارامتر دیگر باید تعیین شود. همین طور، در شرایط اشباع، نسبت رطوبت روان به رطوبت کل تقریبا برابر یک است و استفاده از مدل MIM برای توصیف انتقال نمک­ها در خاک به دلیل دقت کم پارامترهای تخمینی به ویژه ضریب تبادل نمک­ها بین فاز روان و ساکن توصیه نمی­شود. مدل MIM در محیط­های غیراشباع کارایی بیشتری نسبت به مدل CDE دارد. نتایج نیز نشان داد که مدلCDE  در شرایط پایدار رطوبتی و به ویژه در حالت اشباع کارایی بهتری دارد. با وجود مزایا و ضعف مدل­های به کار رفته، به طور کلی نتایج پژوهش حاضر و سایر پژوهش­ها نشان می­دهد که در بسیاری از موارد نتایج مدل­های CDE و MIM مشابه است (عباسی 2003، عباسی و همکاران 2004).

 

سپاسگزاری

نویسنده اول مقاله حاضر، مصطفی مرادزاده، با اجازه سایر نویسندگان، این پژوهش را به روان پاک مادر خود، (زرین) کبری رجبی فومنی، تقدیم می کند و از او به خاطر تمام فداکاری هایش چه به عنوان مادری مهربان و چه آموزگاری وظیفه شناس که سی سال به تربیت و آموزش علم و اخلاق به فرزندان این مرز و بوم همت گماشت، سپاسگزاری می کند.



[1]  Surfactant

[2]  Tetra Methyl Ammonium(TMA+)

[3]  Cethyl Pridium(CP+)

[4] Clinoptilolite

[5] Sepiolite

[6] Convection-dispersion equation  

[7] Mobile-immobile model

[8] Sum of squares

[9]Constant pressure head

[10] Seepage face

[11] Concentration flux BC

[12] Zero gradient 

منابع مورد استفاده
 بهرامی م، برومندنسب س و ناصری ع، 1388. مقایسه مدل هیدرولوژیک ماسکینگام-کونژ با مدل­های هیدرولیک آبیاری در برآورد مرحله پیشروی آبیاری جویچه­ای. مجله آبیاری و زهکشی ایران. جلد3، شماره 2، صفحه­های49-40.
عباسی ف، 1386. فیزیک خاک پیشرفته. انتشارات دانشگاه تهران
مرادزاده م، معاضد ه و صیاد غ، 1391. جذب دینامیک آمونیوم به وسیله یک خاک لوم شنی تیمارشده با زئولیت و ارزیابی معادلات جابجایی – انتشار و رطوبت متحرک- غیر متحرک. مجله علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی، علوم آب و خاک، سال 16، شماره 62، صفحه­های 175-163
میرزا م، میر سید حسینی ح، معزاردلان م و شیردست م، 1385. بررسی روند حرکت نیتروژن در ستون خاک و میزان آبشویی آن از منابع مختلف کود ازته. همایش خاک محیط زیست و توسعه پایدار. 17 و 18 آبان. کرج - پردیس کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران.
Abbasi F, 2003. Field-scale analyses of water flow and solute transport in furrows. PhD Thesis, No. 555, K.U. Leuven, Faculteit Landbouwkundige en Toegepaste Biologsche Wetenschappen, Leuven, Belgium.
Abbasi F, Feyen J and van Genuchten M. Th, 2004. Two dimensional simulation of water flow and solute transport below furrows: Model calibration and validation. Journal of Hydrology 290 (1-2): 63-79.
Boekhold A E and van der Zee SEATM, 1992. A scale sorption model validation at the column scale to predict cadmium content in a spatially variable field soil. Soil Sci 154(2): 105-112.
Celik M. S, Ozdemir B and Turan M, 2001. Removal of ammonia by natural clay mineral using fixed and fluidized bed column reactors. Water Science and Water Technology: Water Supply1(1): 81-88.
Cernik M, Federer P Borkovec M and Sticher H, 1994. Modeling of heavy metal transport in contaminated soil. Journal of Environmental Quality 23:1239-1248
Coats K and Smith B D, 1956. Dead end pore volume and dispersion in porous media. Society of Petroleum Engineers Journal 4: 73-84.
Ebrahimian H, Liaghat A, 2011. Field evaluation of various mathematical models for furrow and border irrigation systems. Soil and Water Research 6 (2): 91–101.
Fuentes R., Caceres L, Molina M, Iravena S, Cazanga M, Calder R and Escudey M, 2008. Use of Hydrus-1D to describe the transport of nitrate in a volcanic soil affected by sewage sludge, sewage sludge ash, and pinus radiata ash amendments. 5th International Symposium ISMOM.November 24 – 28, Chile.
Jellali S, Diamantopoulos E, Kallali H, Bennaceur S, Anane M and Jedidi N, 2010. Dynamic sorption of ammonium by sandy soil in fixed bed columns: Evaluation of equilibrium and non-equilibrium transport processes. Journal of Environmental Management 91: 897–905.
Jury WA, Gardner WR, Gardner WH , 1991. Soil Physics. John Wiley & Sons, Inc, New York.
Katterer T, Schmied B, Abbaspour K.C and Schulin R, 2001. Single-and dual-porosity modeling of multiple tracer transport through soil columns: effect of intial moisture and mode of application. European Journal of Soil Science 52: 25-36.
Li Z, 2002. Use of surfactant –modified zeolite as fertilizer carriers to control nitrate release. Microporous and Mesoporous Material 61: 181-188.
Li Z, Willms C and Roy S, 2003. Desorption of hexadecyl trimethyl ammonium from charged surface. Environmental Geoscience 10(1): 37-45.
Moazed H, 2008. Ammonium Ion removal from wastewater by a natural resin. Journal of Environmental Science and Technology 1(1): 11-18.
Moradi A, Abbaspour K. C and Afyuni M, 2005. Modling field-scale cadmium transport  below the root zone of a sewage sludge amended soil in arid region of central Iran. Journal of Contaminant Hydrology 42:99-111.
Polat E, Karaca M, Demir H and Naci Onus A, 2004. Use of natural zeolite (clinoptilolite) in agriculture. Journal of Fruit and Ornamental Plant Research 12:183-189.
Seuntjens P, Mallants D, Cornelis C and Geuzens P, 2001b. Nonequilibrium cadmium leaching in layered sandy soils. Soil Science 166: 507-519.
Seuntjens P, Tirez K, Simunek J, van Genuchten M. Th, Cornelis C and Geuzens P, 2001a. Aging effect on cadmium transport in undisturbed contaminated sandy soil column. Journal of Environmental Quality 30:1040-1050.
Simunek J, Kohne M, Kodesova R and Sejna M, 2008. Smulating nonequlibirium movement of water, solutes and particle using HYDRUS-A review of recent applications. Soil & Water Research 3 (1): 42 - 51.
Simunek J, Sejna M and van Genuchten M. Th, 1998. The Hydrus-1D software package for simulating the one-dimensional movement of water, heat, and multiple solute in variably saturated media, Version 2.0, IGWMC-TPS-70, Int. Ground Water Modeling Center, Colorado School of Mines, Golden, Co.
van Genuchten M. Th and Wagenet R J, 1989. Two-site/two-region models for pesticide transport and degradation: Theoretical development and analytical solutions. Soil Science Society of America Journal 53(5): 1303-1310.
Wang Y, Kmiyaa Y and Okuharaa T, 2007. Removal of low-concentration ammonia in water by ion-exchange using Na-mordenite. Water Research 41: 269-276.
Zwingmann N, Singh B, Mackinnon I and Gilkes R, 2009. Zeolite from alkali modified kaolin increases NH4+ retention by sandy soil: Column experiments. Applied Clay Science 46: 7–12.