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La gestione dell'irrigazione: perché è più semplice di quanto si pensi

Anni fa, abbiamo ricevuto una telefonata di gestione dell'irrigazione da parte di una coppia di scienziati, i dottori Bryan Hopkins e Neil Hansen, in merito ai tappeti erbosi sportivi che stavano coltivando in collaborazione con i responsabili dei campi sportivi certificati della Brigham Young University (BYU) e dei loro programmi di ricerca e formazione sui tappeti erbosi. Volevano ottimizzare le prestazioni in situazioni difficili, come il malfunzionamento dei programmatori di irrigazione e altro. Insieme, abbiamo iniziato a esaminare in modo intensivo l'acqua nella zona delle radici.

Con la raccolta di dati sull'irrigazione e sulle prestazioni nel tempo, abbiamo scoperto nuove best practice critiche per la gestione dell'irrigazione dei tappeti erbosi e di altre colture, tra cui la misurazione del "potenziale idrico del suolo". Abbiamo combinato i sensori di potenziale idrico del suolo con i tradizionali sensori di contenuto idrico del suolo per ridurre lo sforzo necessario a mantenere alte le prestazioni del prato, risparmiando sui costi dell'acqua e riducendo il potenziale di malattie e la scarsa aerazione. Abbiamo anche ridotto i costi di fertilizzazione minimizzando le perdite per lisciviazione dalla zona radicale dovute all'irrigazione eccessiva.

Aumentate la resa, la qualità e il profitto di qualsiasi coltura con la gestione dell'irrigazione guidata dall'umidità del suolo.

In questo articolo, utilizzeremo il tappeto erboso e le patate per mostrare come combinare i dati dei sensori di potenziale idrico e di contenuto idrico, ma queste best practice sono applicabili a qualsiasi tipo di coltura da parte di scienziati dell'irrigazione, agronomi, consulenti per le colture, coltivatori all'aperto o coltivatori in serra. Aggiungendo i sensori di potenziale idrico a quelli di contenuto idrico, un coltivatore di patate dell'Idaho ha ridotto il consumo di acqua del 38%. In questo modo ha ridotto il costo dell'acqua (costi di pompaggio) per 100 libbre di patate, risparmiando 13.000 dollari in un anno. Ma questa non è la parte migliore. La resa è aumentata dell'8% e la qualità del raccolto è migliorata: il marciume che di solito si riscontra è praticamente scomparso.

Che cos'è il potenziale idrico del suolo?

In termini semplici, il potenziale idrico del suolo è una misura dello stato energetico dell'acqua nel terreno. Ha una definizione scientifica complicata, ma non è necessario capire cosa sia il potenziale idrico del suolo per usarlo in modo efficace. Consideratelo come un tipo di termometro per le piante che indica il "benessere delle piante", proprio come un termometro umano indica il benessere (e la salute) delle persone. Ecco un'analogia che spiega il concetto di potenziale idrico del suolo in termini di ottimizzazione dell'irrigazione.

Dopo un pomeriggio di slittino, due bambini tornarono a piedi in una baita ghiacciata. Si affrettarono ad accendere un fuoco per riscaldarsi e asciugarsi. Continuarono ad aggiungere sempre più tronchi per stare comodi, ma ben presto la capanna divenne rovente. Nel tentativo di rinfrescarsi, lasciarono spegnere il fuoco e ben presto si ritrovarono a tremare. È chiaro che non avevano capito la "quantità" di tronchi necessaria per riscaldarsi e stare bene nella capanna.

Un problema simile esisteva per un professore del Wisconsin di nome Warren S. Johnson alla fine del 1800. Trovare un inserviente che aggiungesse carbone alla fornace del piano inferiore per far stare bene i suoi studenti era uno sforzo impreciso e lungo. Avrebbe potuto cercare di calcolare quanto calore conteneva ogni pezzo di carbone, le dimensioni della stanza e la quantità di calore già presente. Invece inventò un semplice dispositivo chiamato termostato. Questa invenzione utilizzava la temperatura e una campana nel seminterrato per avvisare il custode di aggiungere altro carbone quando la stanza scendeva al di sotto della temperatura ottimale per il loro comfort. Il termostato divenne il prodotto principale di Johnson Controls, un'azienda che esiste ancora oggi.

La gestione dell'acqua del suolo per la crescita delle piante ha molti parallelismi con queste storie. Spesso, quando si gestisce l'acqua per l'irrigazione, si riconosce che una pianta è in difficoltà e si aggiunge acqua per farla tornare a suo agio. Il problema è che, proprio come i ragazzi nella capanna, aggiungono troppa acqua perché non sanno dove sia il limite superiore o "quanta" acqua sia sufficiente. Poi lasciano che il terreno si asciughi di nuovo fino a diventare arido. Questo ciclo si ripete in continuazione. In altri casi, temono così tanto le macchie brune che mantengono il terreno vicino alla saturazione, sprecando acqua e danneggiando le piante. Molti irrigatori pensano che l'installazione di un sensore del contenuto idrico del suolo risolverà il problema, ma si sbagliano. Questo approccio presenta problemi simili a quelli dell'aggiunta di ceppi al fuoco.

Un sensore del contenuto d'acqua può solo dire "quanta" acqua c'è nel terreno. Non può dirvi se quella quantità è ottimale per le piante. Un sensore del potenziale idrico del suolo vi darà questa informazione. Con il potenziale idrico, si misura un parametro che, come la temperatura, indica l'energia dell'acqua nel terreno, ovvero quanta acqua è disponibile per le piante.

Capire il potenziale idrico del suolo è più facile di quanto sembri

Tutti conoscono la temperatura. Controlliamo costantemente la temperatura per prendere decisioni, ma nel farlo raramente, se non mai, pensiamo alla sua complicata definizione di stato energetico di un sistema. Sappiamo semplicemente cosa significa per il nostro comfort. Capiamo le unità di misura (gradi) senza sapere come sono legate alla terza legge della termodinamica.

Il potenziale idrico del suolo è un indicatore di stress per le piante

Poiché lavoriamo spesso con i coltivatori di patate per ottimizzare la gestione dell'irrigazione, illustreremo questo punto con i dati di irrigazione delle patate, ma gli stessi principi si applicano ai tappeti erbosi e ad altre colture. La Figura 2 mostra la resa delle patate in sei punti diversi di un campo di 40 ettari. È evidente che quanto più a lungo le piante di patata rimangono nella fascia di stress (sotto i -100 kPa), tanto maggiore è la perdita di resa.

Lo stesso concetto vale per tutte le piante. Ovviamente, l'obiettivo per i tappeti erbosi è quello di ottenere un campo da gioco stabile, robusto e dall'aspetto gradevole (piuttosto che una produzione di frutti), ma i concetti sono gli stessi. La gestione del tappeto erboso all'interno della sua zona di comfort idrico si traduce in piante più sane, fornendo il giusto equilibrio di acqua e aria nella zona radicale. Inoltre, riduce al minimo le malattie e preserva i nutrienti. Inoltre, conserva l'acqua e migliora la qualità della superficie di gioco. Lo stesso vale per altre colture: mantenere le piante all'interno della loro zona ottimale si traduce in piante più sane, il che significa maggiore qualità e resa. Nella difficile situazione odierna dell'acqua dolce, questi sono strumenti potenti per aiutare la conservazione.

Il potenziale idrico del suolo è difficile da misurare?

Alcuni si oppongono all'uso del potenziale idrico del suolo per la gestione dell'irrigazione perché storicamente è stato difficile da misurare. Ma questo non è più vero. Nel corso degli anni sono stati creati molti dispositivi per misurare il potenziale idrico del suolo, ma in genere soffrivano di problemi debilitanti come l'imprecisione, la scarsa ripetibilità e la deludente longevità. Ma come per la maggior parte della tecnologia, i progressi hanno superato molti di questi problemi. Abbiamo installato questi sensori di nuova generazione nei tappeti erbosi e in altre colture e abbiamo imparato molto.

È possibile controllare l'irrigazione utilizzando solo il potenziale idrico del suolo?

Tutte le piante hanno una forte relazione tra il potenziale idrico del suolo e le loro prestazioni o il loro comportamento. Perché non misurare il potenziale idrico del suolo per controllare l'irrigazione? Lo stesso avviene quando si imposta la temperatura del termostato. Non vi dice quanta energia ci vorrà per riscaldare o raffreddare, ma impostando la soglia di temperatura, sapete che sarete a vostro agio. Si può fare la stessa cosa nel terreno? Sì, si può semplicemente aprire l'acqua per un tempo sufficiente a riportare il potenziale dell'acqua al massimo della gamma di comfort; è una pratica comune.

Tuttavia, ci sono alcuni problemi potenziali. In primo luogo, è possibile che non si voglia irrigare nel momento esatto in cui il sensore ne determina la necessità (ad esempio nel bel mezzo del gioco o quando le condizioni di evaporazione sono elevate). In secondo luogo, alcuni terreni possono presentare un ritardo tra il momento in cui si applica l'acqua e quello in cui il potenziale idrico torna a essere "confortevole", quindi sarebbe utile sapere quanta acqua viene utilizzata per sapere quanta applicarne. Per questo motivo è necessario misurare il contenuto d'acqua oltre al potenziale idrico per una gestione ottimale dell'irrigazione.

Perché il contenuto d'acqua non è sufficiente a dirci quando irrigare?

Poiché il contenuto d'acqua è più facile da misurare nel terreno, molti lo usano per programmare l'irrigazione, ma a volte può lasciare al buio. Per capire perché, analizziamo alcuni dati raccolti sul campo. Non preoccupatevi se i grafici sembrano complicati. Vi spiegheremo su cosa è importante concentrarsi.

Considerate l'andamento del contenuto d'acqua del suolo nella Figura 5 in caso di irrigazione a pioggia regolare. Poiché il contenuto d'acqua scende solo del 3% per tutta l'estate, si potrebbe concludere che le piante coltivate nel terreno non sono in condizioni di stress. Potreste persino giustificare questa conclusione osservando l'elevato contenuto d'acqua (quasi il 30% o più). Ma ricordate che, proprio come non potete dire quanti ceppi servono per tenervi al caldo, non potete dire "quanta" acqua serve alle piante per stare bene senza altre informazioni.

Guardate il potenziale idrico del suolo nella Figura 6. Si tratta di misurazioni effettuate nello stesso sito! Alcune località rimangono nell'intervallo di stress per la maggior parte dell'estate. In questo caso specifico, il responsabile non era a conoscenza del problema e ha persino suggerito (senza aver visto il sito) che poteva esserci un problema con i sensori. Abbiamo visitato il sito e abbiamo scoperto che i sensori erano corretti. Ora ha installato una serie di sensori del potenziale idrico del suolo e si fida di loro prima di qualsiasi altra misurazione per ottimizzare la gestione dell'irrigazione.

Il potenziale idrico del suolo misura la capacità del terreno di trattenere l'acqua. Se il potenziale idrico (o la tensione) è troppo forte, l'acqua non sarà disponibile per le piante. Sebbene sia facile vedere le condizioni di stress nella Figura 6, non è evidente nel contenuto d'acqua (Figura 5).

Come combinare il contenuto d'acqua e il potenziale idrico del suolo per una gestione di precisione dell'irrigazione

Mentre il gestore dell'ultimo esempio si limitava a utilizzare il potenziale idrico per la gestione dell'irrigazione, aveva anche il lusso di lavorare un terreno pesante. Vediamo un altro esempio. Abbiamo installato dei sensori all'interno e al di sotto della zona radicale di un tappeto erboso ad alte prestazioni coltivato in un campo sportivo a base di sabbia con specifiche ASTM (F2396 - 11). Questo ci ha dato l'opportunità di vedere come ci comportavamo con l'irrigazione basata sul calendario rispetto a quella controllata dai sensori.

Abbiamo suddiviso la valutazione in tre periodi (illustrati nella Fig. 7) durante un'intera estate: irrigazione standard basata sul calendario, periodi di essiccazione fissi (basati sul potenziale idrico del suolo) e infine un periodo di essiccazione estrema. Le prossime tre figure mostreranno i dati in dettaglio per ciascuno di questi test.

La zona radicale di questo particolare tappeto erboso era di circa 15 cm, quindi abbiamo installato sensori di contenuto idrico e di tensione rispettivamente a 6 e 15 cm, con un singolo sensore di contenuto idrico a 25 cm per vedere l'acqua che veniva lavata oltre le radici e sprecata.

Utilizzare il contenuto d'acqua per determinare il punto di "pieno".

Quando abbiamo iniziato a esaminare i dati mostrati nella Figura 8, ci siamo resi conto che l'irrigazione a calendario stava provocando una sovra-irrigazione.

Il potenziale idrico del suolo era bloccato vicino a 0 kPa (sì, si può essere al di sopra della zona di comfort e causare problemi). Inoltre, ogni irrigazione comportava un aumento del contenuto d'acqua al di sotto della zona radicale (25 cm). È chiaro che dovevamo fare un passo indietro. Il nostro obiettivo era quello di portare la tensione nell'intervallo ottimale (da -20 a -100 kPa) e mantenere il contenuto d'acqua a 25 cm piatto.

Osservando attentamente l'uscita del sensore, ci siamo orientati verso un'irrigazione ottimale come quella che si vede nel regime di periodo di essiccazione fisso. La Figura 9 mostra che il 20 luglio abbiamo irrigato quanto basta per riportare il potenziale idrico del suolo nell'intervallo ottimale per le piante, senza raggiungere il contenuto idrico di 25 cm. In questo modo non abbiamo perso acqua al di sotto della zona radicale. È possibile vedere l'assorbimento giornaliero di acqua a 6 cm e 15 cm da parte delle radici nel contenuto d'acqua. Quando abbiamo irrigato e riportato la tensione all'intervallo di comfort, senza far aumentare il contenuto d'acqua a 25 cm, quello era il livello alto ottimale. Abbiamo usato il sensore del contenuto d'acqua di 6 cm per indicare il punto massimo di irrigazione. In questo particolare terreno, si può vedere che il contenuto d'acqua è di circa il 15%.

Utilizzare il potenziale idrico del suolo per determinare il punto di "vuoto".

Al contrario, il nostro punto di "vuoto" è stato determinato utilizzando il potenziale idrico del suolo. A settembre, abbiamo lasciato scendere l'acqua fino a quando le piante non l'hanno più assorbita.

Nella Figura 10, il contenuto d'acqua a 25 cm non si muove, il che è ottimo. Il 5 settembre, al livello di 6 cm, il tappeto erboso smette di assorbire acqua (nessun calo giornaliero). Le piante non riescono a prelevare l'acqua dal terreno perché il potenziale idrico del suolo è troppo alto. Quando l'assorbimento dell'acqua si interrompe, supponendo che non sia a causa di una giornata nuvolosa (e non lo era), sappiamo che si tratta del livello più alto di potenziale idrico del suolo o del punto di "vuoto", in cui l'erba entrerà in dormienza (-500 kPa). È l'intervallo a cui non vogliamo mai avvicinarci. Vogliamo mantenere le piante nella fascia di comfort compresa tra -20 e -100 kPa. Se scende al di sotto di questo intervallo ottimale, sappiamo che è il momento di annaffiare.

Come determinare un regime di irrigazione ottimale

Quando abbiamo messo insieme queste due misurazioni (Figura 11) è successo qualcosa di straordinario. Combinando la quantità d'acqua presente nel terreno (contenuto d'acqua) e il potenziale idrico del suolo, è stato possibile calcolare l'inviluppo idrico, ovvero la quantità d'acqua necessaria per passare dal vuoto al pieno, ovvero la quantità massima d'acqua da applicare a questo tappeto erboso.

La Figura 11 illustra questo concetto utilizzando un secchio pieno per mostrare la quantità massima di acqua da applicare al terreno. Una quantità maggiore di questa non farà altro che superare il "tappo del secchio" ed essere sprecata insieme ai fertilizzanti, ecc. Il secchio vuoto (non vogliamo avvicinarci a questo punto) è il contenuto d'acqua del suolo corrispondente a una tensione di -500 kPa nella Fig. 10, dove le piante non possono ricevere altra acqua; il contenuto d'acqua associato è dell'8%. L'involucro d'acqua sarebbe (differenza di contenuto d'acqua) * (profondità di radicazione) o, in questo caso (16% - 8%) * 0,15 m = 12 mm di acqua di irrigazione.

I 12 mm di acqua rappresentano la quantità massima di acqua da applicare al tappeto erboso. Tuttavia, per ottenere prestazioni ottimali, vorremmo scendere solo a -100 kPa. In questo particolare terreno, ciò equivale a circa il 12% di VWC (contenuto volumetrico d'acqua) o a una variazione del 4% di VWC e all'irrigazione di 6 mm d'acqua. Quindi, oltre a vedere l'intervallo di comfort, possiamo impostare la quantità d'acqua necessaria per spostarlo dalla parte inferiore dell'intervallo ottimale a quella superiore.

Gestione dell'irrigazione semplificata

Misurare il potenziale idrico insieme al contenuto d'acqua per la gestione dell'irrigazione fa risparmiare tempo e denaro. Perché? Perché fornisce le informazioni giuste. Per tornare all'analogia con la capanna, non possiamo sapere se saremo a nostro agio nella nostra capanna solo sapendo quanti ceppi abbiamo aggiunto al fuoco. Allo stesso modo, non sapremo se il terreno ha un'umidità ottimale per la crescita delle piante solo conoscendo quanta acqua c'è, o il contenuto d'acqua. Il potenziale idrico del suolo, combinato con il contenuto idrico del suolo, ci fornisce i punti precisi di pieno e vuoto per ottenere prestazioni ottimali. Quando il potenziale idrico scende al di fuori della zona di comfort della coltura o dell'intervallo ottimale, sappiamo che dobbiamo aggiungere acqua. E sappiamo esattamente quanta acqua aggiungere. Queste due misurazioni combinate sono strumenti potenti che possono essere utilizzati per perfezionare la gestione dell'acqua e dei nutrienti, senza perdere tempo e denaro a causa di problemi causati dall'irrigazione eccessiva.

Volete saperne di più sulla gestione dell'irrigazione?

Guardate i nostri webinar sulla gestione dell'irrigazione, o il recente webinar del Dr. Colin Campbell e del Dr. Bryan Hopkin sulla gestione dei tappeti erbosi, oppure parlate con un esperto di irrigazione. I nostri scienziati del suolo hanno decenni di esperienza nell'aiutare ricercatori e irrigatori a misurare l'umidità del suolo per ottimizzare l'irrigazione.

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