نیترات بسیار متحرک بوده و غلظت زیاد آن در آب اثرات منفی بر سلامت انسان ، حیوان و به طور کلی محیط زیست دارد. غلظت بالای نیترات در آب آشامیدنی خطر ابتلا به انواع سرطانها، خصوصا سرطانهای دستگاه گوارش از جمله سرطان معده، روده، زبان و سرطانهای دهانی را افزایش می دهد. رابطه بین غلظت نیترات در آب آشامیدنی و بیماری متهموگلوبینا^[۲۳] و سیانوسیس^[۲۴] در کودکان کاملا شناخته شده است. نیترات موجود در آب آشامیدنی پس از مصرف به وسیله کودکان توسط باکتری های کاهنده نیترات به نیتریت احیا می شود. نیتریت از جمله ترکیباتی است که هموگلوبین( ناقل اکسیژن در خون) را به شکل غیر فعال مت هموگلوبین تبدیل مینماید. این تغییر شکل برگشتپذیر میباشد. هنگامی که این تبدیل از ۱۰ درصد تجاوز نماید نشانه های بالینی مانند خاکستری یا آبیرنگ شدن پوست، ظاهر میشود و اینحالت مت هموگلوبینمیا نامیده میشود.
دامها نیز ممکن است از علایم چندین عارضه و بیماری ناشی از وجود مقادیر زیاد نیترات در آب آشامیدنی نظیر متهموگلوبینمیا، اختلالات تولید مثلی، سقط جنین وکاهش تولید شیر رنج ببرند(فیوترل^[۲۵] ، ۲۰۰۴). جنبه دیگر نگرانی از افزایش غلظت نیترات در آب، ترس از غنی شدن^[۲۶] آبهای سطحی میباشد که موجبات رشد زیانآور گیاهانآبزی و پلانکتونها را فراهم می آورد. به دنبال فرایند غنی شدن مشکلاتی مثل ایجاد مانع در قایقرانی و کشتیرانی به واسطه رشد پر تراکم علف های هرز، مسدود شدن کانالهای آبیاری به وسیله جلبک ها و علف های هرز زیان آور حاصل از رشدجلبک ها، تولید توکسین به وسیله جلبک های مشخص و کاهش اکسیژن در آب به وجود خواهد آمد.
سازمان سلامت جهانی و جامعه اروپایی حد مجاز نیترات در آب آشامیدنی را به ۵۰ میلی گرم در لیتر اعلام نموده است. در سه دهه اخیر نیترات در آب های زیرزمینی افزایش یافته و در بعضی مناطق به ۵۰ میلی گرم در لیتر رسیده است. همدان در غرب ایران واقع شده است و بخش عمده آب آشامیدنی آن از آب های زیرزمینی تأمین می شود. تحقیقات نشان داده که غلظت نیترات در چاه های کشاورزی در این منطقه بین ۲ تا ۲۵۲ میلی گرم در لیتر بوده و متوسط غلظت نیترات در ۳۲۱ چاه نمونه برداری شده ۴۹ میلی گرم در لیتر بوده است.(کاویانی و همکاران، ۱۳۸۹)

۱-۸- عوامل موثر بر آبشویی نیتروژن

۱-۸-۱- مدیریت کودهای نیتروژنی

عواملی مانند میزان و زمان مصرف کود، نوع کود نیتروژنه بکار رفته و چگونگی کاربرد آن فرایند آبشویی نیترات را تحت تأثیر قرار می دهد. اصولا زمانی که مقدار کود مصرفی با مقدار برداشت گیاه متناسب باشدمیزان آبشویی نیترات به کم ترین مقدار می رسد. چنانچه تمام کود بهیکباره (روشی که در مناطق خشک و نیمه خشک مرسوم است) بکار رود تلفات نیترات افزایش و بازده کود کاهش خواهد بافت.
جی نس^[۲۷] و همکاران (۲۰۰۱) آبشویی نیترات در یک تناوب ذرت لوبیا تحت سه تیمار کود نیتروژن شامل: کم(۶۷ کیلوگرم در هکتار)، متوسط(۱۳۵ کیلوگرم در هکتار) و زیاد (۲۰۲ کیلوگرم در هتکار)، در ایالات متحده را بررسی کرده و غلظت نیترات را در زهکش زیر سطحی اندازه گیری نمودند. نتایج نشان داد غلظت نیترات در آب زهکش در سطوح کودی متوسط و زیاد بیشتر از حد مجاز بود و بیشترین تلفات نیتروژن در سط کودی زیاد(۲۰۲ کیلوگرم در هکتار) اتفاق افتاد.

۱-۸-۲- عملیات آبیاری

عملیات آبیاری در مناطقی مورد استفاده قرار میگردد که بارشهای موثر کمتر از نیاز تبخیر و تعرق گیاه باشد. در مناطق خشک و نیمهخشک آبیاری منبع اصلی تأمین آب مورد نیاز گیاه میباشد و بنابراین سیستمهای کشاورزی در مناطق خشک و نیمهخشک شدیداً وابسته به آبیاری و کوددهی میباشند.

در مناطق خشک و نیمه خشک به دلیل آبشویی املاح و برای جلوگیری از تجمع آنها در نیمرخ خاک عمق آبیاری مقداری بیشتر از تبخیر و تعرق گیاه در نظر گرفته میشود که این پدیده می تواند سبب آبشویی نیترات شود.
ماک^[۲۸] و همکاران(۲۰۰۵) تأثیر سه تیمار آبیاری( آبیاری بارانی در چهار مرحله، آبیاری بارانی در هشت مرحله، آبیاری مرسوم در منطقه: یک مرحله به صورت بارانی و سه مرحله به صورت جویچه ای) و سه مقدار کود نیتروژن بر موازنه آب خاک، آبشویی نیترات و عملکرد دانه را در تناوب ذرت - گندم مورد بررسی قرار دادند. برای تعیین آبشویی نیترات نمونه گیریهای غیر فعال حاوی رزین مورد استفاده قرار گرفتند. نتایج نشان داد که در آبیاری بارانی به دلیل کاربرد بیشتر آب اتلاف از طریق تبخیر بالاتر بود اما میزان آبشویی نیترات در مقایسه با تیمار آبیاری جویچهای پایینتر بود. همچنین با افزایش میزان کود و آب، آبشویی نیتروژن افزایش یافت و بیشترین آبشویی در تیمار آبیاری مرسوم و سطح کودی ۶۰۰ کیلوگرم در هکتار اتفاق افتاد.

۱-۸-۳- عملیات خاکورزی

روش های شخم به صورت مستقیم و غیرمستقیم کیفیت آبهای زیرزمینی را تحت تأثیر قرار می دهند. در خاکهایی که زهکشی خوبی دارند عملیات خاک ورزی میتواند موجبات انتقال سریع مواد شیمیایی کشاورزی از خاک سطحی به آبهای زیرزمینی را فراهم آورده و سبب آلودگی آبهای زیرزمینی شود.
اثرات شخم بر انتقال مواد شیمیایی بستگی به نوع خاک، شرایط اقلیمی و نوع مواد شیمیایی استفاده شده دارد. شخم ممکن است با تغییر در معدنی شدن بر آبشویی نیترات تأثیرگذار باشد(کانور^[۲۹] و همکاران۱۹۸۵).
آنها گزارش نمودند مقدار نیترات شسته شده به زیر عمق ۵/۱ متری در روش خاکورزی حفاظتی بیش از روش بیخاکورزی بوده است.

۱-۸-۴- گونه های گیاهی و چگونگی کشت آنها

گونه های گیاهی و روش کشت آنها آبشویی نیترات را تحت تأثیر قرار میدهند. یک سیستم ریشهای عمیق و گسترده، گیاهان را قادر میسازد تا نیتروژن را با کارایی بیشتری مصرف نماید. گیاهان زراعی مانند گندم و کلزا دارای سیستم های ریشه ای عمیق و گسترده بوده که به طور کارآمد خاک را از نیتروژن محلول تخلیه می نمایند. بررسی آبشویی نیترات در محصولات مختلف نشان داده، بالاترین میزان آبشویی نیترات در مزارع تحت کشت ذرت، سطوح متوسط آبشویی در محصولات یکساله مانند لوبیا و گندم و پایینترین سطح آبشویی در مورد محصولات دائمی مانند یونجه و چمن صورت گرفته است.

۱-۹- روش های کود دهی

روش کاربرد کود میتواند تأثیر مهمی بر رشد گیاه، راندمان مصرف کود و اثرات زیست محیطی آن داشته باشد. روش های کاربرد کود تحت تأثیر شکل منبع کودی، خصوصیات خاک و شرایط اقلیمی میباشد.

۱-۱۰- کود اوره

کود اوره معمول ترین کود مورد استفاده در کشاورزی است. اوره CO(NH2)2 دارای ۴۶ درصد ازت می باشد و بیشترین غلظت نیتروژن را در میان کودهای ازته به خود اختصاص داده است. بیش از ۹۰ درصد ازتی که در مزارع ایران استفاده می شود، به صورت اوره است. (بهمنی، ۱۳۸۸)
در خاک اوره بر سرعت به NH4+ هیدرولیز می شود. آنزیم اوره آز که به وفور در اغلب خاک های کشاورزی یافت می شود به عنوان یک کاتالیزور برای انجام هیدرولیز اوره محسوب می شود. سرعت واکنش هیدورلیز اوره عموما مرتبط با فعالیت آنزیم اوره آز است که به میزان زیادی به مواد آلی و بافت خاک بستگی دارد.
(NH₄) 2NH₃ +CO₂+H₂O آنزیم اوره آزCO(NH₂)₂ + ۲H₂O +
اوره تا سه روز پس از ورود به خاک بسته به دمای آن با آب ترکیب و به کربنات آمونیوم که نمکی پایدار است تبدیل می گردد. از ترکی کربنات آمونیوم و آب نیز، آمونیاک و گاز کربنیک ایجاد می شود.

۱-۱۱- نیشکر

نیشکر یکی از گیاهان تیره گندم است. نیشکر از گیاهان مهم قندی است که کشت و کار آن سابقه طولانی دارد. سابقه کشت این گیاه حدود ۶۰۰ سال قبل از میلاد در گینه و اندونزی و هند گزارش شده است. کشت نیشکر به دو صورت کشت سال اول(پلنت) و جوانه زنی(کشت راتون) صورت می گیرد. کشت راتون تحت عنوان رشد محصول بعد از برداشت ساقه بدون نیاز به بذر تعریف می شود. در راستای توسعه کشاورزی در استان خوزستان ۷ واحد کشت و صنعت نیشکری هر کدام به وسعت ۱۲۰۰۰ هکتار در شمال و جنوب اهواز تکمیل شده و یا در حال احداث است. در این اراضی شبکه های آبیاری احداث شده و به دلیل بالا بودن سطح ایستابی ، شور و سدیمی بودن اراضی و عدم وجود زهکشی طبیعی در آن ها، شبکه های زهکشی مصنوعی نیز احداث شده است. نیشکر در مقایسه یا سایر گیاهان احتیاج به نیترات بیشتری جهت رشد و نمو دارد. میزان مصرف کود اوره در مزارع کشت و صنعت امیر کبیر، ۳۵۰ کیلوگرم در هکتار گزارش شده است. مطالعه ای که در سال ۱۳۸۳ توسط مرکز تحقیقات نیشکر در مورد میزان آبشویی نیترات در مزارع ARC2 کشت و سنعت امیر کبیر به عمل آمده نشان داد که میزان نیترات اضافه شده در ۵ ماه ابتدای سال ۸۳ حدود ۳۳۶ کیلوگرم در هکتار و مقدار نیتراتی که طی این مدت از طریق زهکشی از هر هکتار خارج شده ۱/۴۵ کیلوگرم بوده است که بیانگر شستشوی بیش از ۱۳ درصدی نیترات در این زمین ها می باشد. (بهمنی، ۱۳۸۸).

۱-۱۲- اهمیت مدل ها

مدل به مجموعه ای از دستورات ، معادلات یا برنامه های کامپیوتری گفته می شود که برای کمی کردن عملکرد یک سیستم با توجه به تابع هدف بکار می رود. با بهره گرفتن از مدل می توان شرایط بهینه ای را انتخاب کرد که در آن بتوان با حداقل هزینه ها به بهترین نتایج از نظر مدیریت آب و خاک دست یافت. مدل های شبیه ساز، به طور عموم اجزاء و پارامترهای زیادی در نظر می گیرند و تغییرات پی در پی و مداوم عوامل را که در نتیجه اثرات متقابل آنها پیش می آید، به طور روزانه و یا ساعت به ساعت شبیه سازی می کنند(اسکگز، ۱۹۹۹) مدل های زهکشی امروزی، در حقیقت مدل های شبیه ساز هستند و مدل های پیشرفته، به طور عموم ، هم به مسئله مدیریت سطح ایستابی می پردازند و هم به مسائل کیفیت نظیر وضعیت نمک، انتقال کود، رسوبات و سایر آلاینده ها توجه می کنند و در عین حال کاهش عملکرد در اثر تنش آبی و وضعیت شوری را نیز شبیه سازی می کنند(پذیرا، ۱۳۸۱)

فصل دوم: مواد و روش ها

۲-۱- مدلNLEAP:

نسخه قدیمی این نرم افزار که تحت DOS بود با عنوان Nitrate leaching and economic analysis توسط شفر و همکارانش در سال ۱۹۹۱ در دانشگاه کلرادو ارائه شد و در سال ۱۹۹۸ توسط دگادو و همکارانش مورد تجدید نظر قرار گرفت و بعد از آن شفر و همکارانش و دلگادو و همکارانش در سال ۲۰۱۰ این نسخه را اصلاح کرده و به nitrogen loos and environmental assessment package تغییر نام دادند. این نسخه از امکانات سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) نیز می تواند استفاده کند و در نهایت نسخه NLEAP GIS 4.2 نام گرفت.(راهنمای مدل NLEAP GIS4.2 ، ۲۰۱۰)

۲-۱-۱- تشریح مدل NLEAP GIS 4.2 :

این نسخه جدید تأثیر مدیریت کاربرد نیتروژن را در محیط مزرعه و سیستم گیاهی مختلف ترکیب کرده و ارائه می کند. این نرم افزار حرکت نیترات و نشر N2O را دراعماق مختلف رشد ریشه گیاهان در تکرارهای زیاد و آنالیزهای بلند مدت شبیه سازی می کند(شفر و همکاران ۲۰۱۰) و علاوه بر آن می تواند به یک نرم افزار گرافیکی متصل گردد و به سرعت شیوه های مختلف ارزیابی را در دوره های بلند مدت به خدمت می گیرد.
NLEAP GIS 4.2 با مولفه های مختلفی در زبانهای کامپیوتری برنامه ریزی شده است. کنسول اصلی برنامه در فورترن و C/C++ توسعه یافته است (شفر و همکاران ۲۰۱۰)
کسنول NLEAP GIS 4.2 با الگوریتم های توصیفی اش جهت تعیین نیتروژن موجود در خاک و از دست رفتن نیتروژن از محیط رشد ریشه گیاهان ارائه گردیده و در محیط MICROSOFT EXCELL اجرا می شود که برنامه با ویژوال بیسیک نوشته شده است. (دلگادو و همکاران ۲۰۱۰)
فایل پایگاه داده NLEAP GIS 4.2 از اینترنت قابل دریافت است که پس از تبدیل به فرمت قابل استفاده در NLEAP GIS 4.2 با نرم افزار GIS قابل اجرا شدن می باشد.

۲-۱-۲- نحوه انتقال داده در NLEAP

NLEAP GIS 4.2 یک رابط اکسل می باشد که تحت برنامه نویسی ویژوال بیسیک بوده و با یک کنسول برنامه ریزی شده در زبانهای برنامه نویسی فورترن و C/C++ با پایگاه داده نرم افزار GIS و محیط اکسل ارتباط دارد.
NLEAP GIS 4.2 دارای سه جدول اصلی است که در یک فایل اکسس(Access) قرار می گیرند و پایگاه داده NLEAP GIS 4.2 می باشند (NLEAP DB) که این جداول عبارتند از :

• • جدول مدیریت سناریو: مجموعه از سناریوها است که هر کدام از این سناریوها مجموعه ای از رویداده های مربوط به عملیات کشاورزی مانند کاشت – کوددهی – شخم زدن –

• • برداشت – آبیاری و … می باشند. که در صفحات اکسل با نام رویدادها (EVENTS) قرار می گیرند.

• • جدول خاک: شامل انواع خاکها می باشد که اطلاعات مربوط به پروفیل خاک را در بر می گیرد.

[که درآن خاک و اطلاعات مربوط به پروفیل خاک مثل عمق لایه خاک و نحوه لایه بندی و بافتخاک و درصد مواد آلی و وزن مخصوص ظاهری و PH و رطوبت خاک و نقطه ظرفیت زراعی و نقطه پژمردگی و … در آن گنجانده شده است]
این جدول در صفحات اکسل با نام لایه خاک (SOIL LAYER) قرار گرفته است.

• • جدول هواشناسی: مجموعه ای از شرایط آب و هوایی روزانه در یک موقعیت مشخص می باشد(معمولا در یک ایستگاه هواشناسی) این جدول نوعا در برگیرنده ی سالهای مربوط به اقلیم روزانه [مانند درجه حرارت ماکسیمم و درجه حرارت مینیمم و میزان بارندگی و تبخیر و تعرق و …] بوده و در صفحات اکسل تحت عنوان CLIM LONG قرار دارد.

که هر کدام از این جداول باید به منظور ایجاد NLEAP DB وارد شوند.