WSPÓŁTWÓRCY

Zarządzanie nawadnianiem - dlaczego jest to łatwiejsze niż myślisz?

Wiele lat temu otrzymaliśmy telefon w sprawie zarządzania nawadnianiem od pary naukowców, dr Bryana Hopkinsa i Neila Hansena, dotyczący trawy sportowej, którą uprawiali we współpracy z certyfikowanymi menedżerami boisk sportowych na Uniwersytecie Brighama Younga (BYU) oraz ich programami badawczymi i edukacyjnymi. Chcieli zoptymalizować wydajność w trudnych sytuacjach, takich jak awaria sterownika nawadniania i nie tylko. Wspólnie zaczęliśmy intensywnie badać wodę w strefie korzeniowej.

W miarę gromadzenia danych dotyczących nawadniania i wydajności odkryliśmy nowe krytyczne najlepsze praktyki zarządzania nawadnianiem trawy darniowej i innych upraw, w tym pomiar "potencjału wody w glebie (zasysanie gleby)". Połączyliśmy czujniki potencjału wodnego gleby z tradycyjnymi czujnikami zawartości wody w glebie, aby zmniejszyć wysiłek potrzebny do utrzymania wysokiej wydajności trawy, jednocześnie oszczędzając koszty wody i zmniejszając potencjał chorób i słabego napowietrzenia. Zmniejszyliśmy również koszty nawożenia, minimalizując straty związane z wypłukiwaniem wody ze strefy korzeniowej z powodu nadmiernego podlewania.

Zwiększ plony, jakość i zysk każdej uprawy dzięki zarządzaniu nawadnianiem opartym na wilgotności gleby.

W tym artykule wykorzystamy trawę darniową i ziemniaki, aby pokazać, jak łączyć dane z czujników potencjału wodnego i zawartości wody, ale te najlepsze praktyki mają zastosowanie do każdego rodzaju upraw uprawianych przez naukowców zajmujących się nawadnianiem, agronomów, konsultantów ds. upraw, hodowców zewnętrznych lub hodowców szklarniowych. Dodając czujniki potencjału wody do czujników zawartości wody, pewien hodowca ziemniaków z Idaho zmniejszył zużycie wody o 38%. Zmniejszyło to jego koszt wody (koszty pompowania) na 100 funtów ziemniaków, oszczędzając mu 13 000 USD w ciągu jednego roku. Ale to nawet nie jest najlepsze. Jego plony wzrosły o 8%, a jakość upraw poprawiła się - zgnilizna, którą zwykle obserwował, praktycznie zniknęła.

Czym jest potencjał wodny gleby?

Mówiąc prościej, potencjał wodny gleby jest miarą stanu energetycznego wody w glebie. Ma on skomplikowaną naukową definicję, ale nie musisz rozumieć, czym jest potencjał wody w glebie, aby skutecznie z niego korzystać. Potraktuj go jako rodzaj termometru roślinnego, który wskazuje "komfort roślin" - tak jak termometr ludzki wskazuje komfort (i zdrowie) człowieka. Oto analogia, która wyjaśnia pojęcie potencjału wodnego gleby w kontekście optymalizacji nawadniania.

Po popołudniowej jeździe na sankach dwoje dzieci wróciło do oblodzonej chaty. Pospiesznie rozpalili ogień, by się ogrzać i wysuszyć. Dokładali coraz więcej polan, aby było im wygodnie, ale wkrótce w chatce zrobiło się gorąco. Próbując się ochłodzić, pozwolili ogniu zgasnąć i wkrótce zaczęli się trząść. Najwyraźniej brakowało im fundamentalnego zrozumienia "ilości" kłód potrzebnych do zapewnienia ciepła i komfortu w chacie.

Podobny problem miał pewien profesor z Wisconsin, Warren S. Johnson, pod koniec XIX wieku. Znalezienie dozorcy, który dorzuciłby węgla do pieca znajdującego się na dole, aby zapewnić komfort studentom, było nieprecyzyjne i czasochłonne. Mógł on próbować obliczyć, ile ciepła zawiera każdy kawałek węgla, jak duże jest pomieszczenie i ile ciepła już w nim jest. Zamiast tego wynalazł proste urządzenie zwane termostatem. Wynalazek ten wykorzystywał temperaturę i dzwonek w piwnicy, aby ostrzec dozorcę, aby dodał więcej węgla, gdy temperatura w pomieszczeniu spadnie poniżej optymalnego zakresu dla ich komfortu. Termostat stał się głównym produktem Johnson Controls, firmy, która istnieje do dziś.

Zarządzanie wodą w glebie dla wzrostu roślin ma wiele podobieństw do tych historii. Często, gdy ludzie zarządzają wodą do nawadniania, rozpoznają, że roślina ma trudności i dodają jej wody, aby znów czuła się komfortowo. Problem polega na tym, że podobnie jak chłopcy w domku, dodają zbyt dużo wody, ponieważ nie wiedzą, gdzie jest górna granica lub "ile" wody wystarczy. Następnie pozwalają glebie ponownie wyschnąć do punktu, w którym jest spieczona. Cykl ten powtarza się w kółko. W innych przypadkach tak bardzo boją się brązowych plam, że utrzymują glebę w stanie bliskim nasycenia, co jest marnotrawstwem wody i szkodliwe dla roślin. Wielu irygatorów uważa, że zainstalowanie czujnika zawartości wody w glebie rozwiąże ten problem, ale są w błędzie. Takie podejście ma podobne problemy jak dokładanie kłód do ognia.

Czujnik zawartości wody może jedynie powiedzieć "ile" wody znajduje się w glebie. Nie może powiedzieć, czy ilość ta jest optymalna dla roślin. Czujnik potencjału wody w glebie dostarczy takich informacji. W przypadku potencjału wody mierzy się parametr, który - podobnie jak temperatura - informuje o energii wody w glebie lub o tym, ile wody w glebie jest dostępne dla roślin.

Zrozumienie potencjału wodnego gleby jest łatwiejsze niż się wydaje

Temperatura jest znana każdemu. Nieustannie sprawdzamy temperaturę, aby podejmować decyzje, ale robiąc to rzadko, jeśli w ogóle, myślimy o jej skomplikowanej definicji jako stanu energetycznego systemu. Po prostu wiemy, co oznacza dla naszego komfortu. Rozumiemy jednostki (stopnie), ale nie wiemy, w jaki sposób są one powiązane z trzecią zasadą termodynamiki.

Potencjał wodny gleby jest wskaźnikiem stresu roślin

Ponieważ często współpracujemy z hodowcami ziemniaków w celu optymalizacji zarządzania nawadnianiem, zilustrujemy ten punkt danymi dotyczącymi nawadniania ziemniaków, ale te same zasady mają zastosowanie do trawy darniowej i innych upraw. Rysunek 2 przedstawia plony ziemniaków w sześciu różnych lokalizacjach na 40-hektarowym polu. Wyraźnie widać, że im dłużej rośliny ziemniaka pozostają w zakresie stresu (poniżej -100 kPa), tym większa jest utrata plonów.

Ta sama koncepcja dotyczy wszystkich roślin. Oczywiście celem dla trawy darniowej jest spójne, solidne, stabilne boisko, które wygląda świetnie (w przeciwieństwie do produkcji plonów), ale koncepcje są takie same. Zarządzanie trawą darniową w jej strefie komfortu wodnego skutkuje zdrowszymi roślinami poprzez zapewnienie odpowiedniej równowagi wody i powietrza w strefie korzeniowej. Minimalizuje to również występowanie chorób i chroni składniki odżywcze. Oszczędza to wodę i poprawia jakość nawierzchni do gry. To samo dotyczy innych upraw: utrzymywanie roślin w ich optymalnej strefie skutkuje zdrowszymi roślinami, co oznacza wyższą jakość i wydajność. Przy dzisiejszej trudnej sytuacji związanej z wodą słodką, są to potężne narzędzia pomagające w jej ochronie.

Czy trudno jest zmierzyć potencjał wodny gleby?

Niektórzy sprzeciwiają się wykorzystywaniu potencjału wodnego gleby do zarządzania nawadnianiem, ponieważ w przeszłości był on trudny do zmierzenia. Nie jest to już jednak prawdą. Przez lata stworzono wiele urządzeń do pomiaru potencjału wody w glebie, ale generalnie borykały się one z wyniszczającymi problemami, takimi jak niedokładność, słaba powtarzalność i rozczarowująca żywotność. Jednak, podobnie jak w przypadku większości technologii, postęp pozwolił przezwyciężyć wiele z tych problemów. Zainstalowaliśmy czujniki nowej generacji na trawach darniowych i innych uprawach i wiele się nauczyliśmy.

Czy można kontrolować nawadnianie, wykorzystując jedynie potencjał wodny gleby?

Wszystkie rośliny mają silny związek między potencjałem wodnym gleby a ich wydajnością lub zachowaniem. Dlaczego więc nie zmierzyć potencjału wody w glebie, aby kontrolować nawadnianie? To samo można zrobić, ustawiając temperaturę termostatu. Nie mówi on, ile energii potrzeba do ogrzania lub schłodzenia, ale ustawiając próg temperatury, wiesz, że będziesz czuć się komfortowo. Czy można zrobić to samo w glebie? Tak, można po prostu włączyć wodę na tyle długo, aby potencjał wody powrócił do górnej granicy zakresu komfortu; jest to powszechnie stosowane.

Istnieje jednak kilka potencjalnych problemów. Po pierwsze, możesz nie chcieć nawadniać dokładnie wtedy, gdy czujnik określi, że jest to potrzebne (np. w środku gry lub gdy warunki parowania są wysokie). Po drugie, na niektórych glebach może wystąpić opóźnienie między zastosowaniem wody a powrotem potencjału wody do "komfortowego" poziomu, więc warto wiedzieć, ile wody jest zużywane, aby wiedzieć, ile należy zastosować. Dlatego też, aby optymalnie zarządzać nawadnianiem, należy mierzyć nie tylko potencjał wodny, ale także zawartość wody.

Dlaczego sama zawartość wody nie wskaże, kiedy należy nawadniać?

Ponieważ zawartość wody w glebie jest łatwiejsza do zmierzenia, wiele osób używa jej do planowania nawadniania, ale czasami może to pozostawić ich w niepewności. Aby dowiedzieć się dlaczego, przyjrzyjmy się niektórym danym zebranym w terenie. Nie martw się, jeśli wykresy wyglądają na skomplikowane. Wyjaśnimy, na czym należy się skupić.

Rozważmy trendy zawartości wody w glebie na rysunku 5 przy regularnym nawadnianiu tryskaczowym. Ponieważ zawartość wody spada tylko o 3% w ciągu całego lata, można wyciągnąć wniosek, że rośliny uprawiane w glebie nie były w stresie. Można nawet uzasadnić ten wniosek, patrząc na to, jak wysoka jest zawartość wody (prawie 30% lub więcej). Pamiętaj jednak, że tak jak nie możesz określić, ile kłód potrzeba, aby utrzymać ciepło, tak nie możesz określić "ile" wody potrzebują rośliny, aby czuć się komfortowo bez dodatkowych informacji.

Spójrz na potencjał wody w glebie na rysunku 6. Są to pomiary w tym samym miejscu! Niektóre lokalizacje pozostają w zakresie stresu przez większość lata. W tym konkretnym przypadku kierownik nie był świadomy problemu, a nawet zasugerował (nie widząc miejsca), że może to być problem z czujnikami. Pojechaliśmy na miejsce i okazało się, że czujniki są prawidłowe. Teraz ma zainstalowanych kilka czujników potencjału wody w glebie i ufa im bardziej niż jakimkolwiek innym pomiarom w celu optymalizacji zarządzania nawadnianiem.

Potencjał wodny gleby jest miarą tego, jak mocno gleba zatrzymuje wodę. Jeśli potencjał wody (lub napięcie) jest zbyt silny, woda nie będzie dostępna dla roślin. Podczas gdy łatwo jest zobaczyć warunki stresowe na rysunku 6, nie jest to widoczne w zawartości wody (rysunek 5).

Jak połączyć zawartość wody i potencjał wodny gleby w celu precyzyjnego zarządzania nawadnianiem?

Podczas gdy menedżer w ostatnim przykładzie ostatecznie wykorzystał potencjał wody do zarządzania nawadnianiem, miał również luksus pracy na ciężkiej glebie. Przyjrzyjmy się innemu przykładowi. Zainstalowaliśmy czujniki w i poniżej strefy korzeniowej wysokowydajnej trawy darniowej uprawianej na boisku sportowym na bazie piasku zgodnie ze specyfikacją ASTM (F2396 - 11). Dało nam to możliwość sprawdzenia, jak radzimy sobie z nawadnianiem opartym na kalendarzu w porównaniu z nawadnianiem sterowanym czujnikami.

Ocenę podzieliliśmy na trzy okresy (pokazane na Rys. 7) w ciągu całego lata: standardowe nawadnianie oparte na kalendarzu, stałe okresy suszenia (oparte na potencjale wody w glebie) i wreszcie ekstremalny okres suszenia. Kolejne trzy rysunki przedstawiają szczegółowe dane dla każdego z tych testów.

Strefa korzeniowa tej konkretnej trawy darniowej wynosiła około 15 cm, więc zainstalowaliśmy czujniki zawartości wody i naprężenia odpowiednio na 6 i 15 cm, z pojedynczym czujnikiem zawartości wody na 25 cm, aby sprawdzić, jaka woda została wypłukana poza korzenie i zmarnowana.

Użyj zawartości wody, aby określić punkt "pełny"

Kiedy zaczęliśmy przeglądać dane pokazane na rysunku 8, wiedzieliśmy, że nawadnianie kalendarzowe powodowało nadmierne nawadnianie.

Potencjał wody w glebie był bliski 0 kPa (tak, można być powyżej strefy komfortu i też powodować problemy). Każde nawadnianie powodowało wzrost zawartości wody poniżej strefy korzeniowej (25 cm). Najwyraźniej musieliśmy ograniczyć nawadnianie. Naszym celem było uzyskanie napięcia w optymalnym zakresie (od -20 do -100 kPa) i utrzymanie zawartości wody na poziomie 25 cm.

Uważnie obserwując dane wyjściowe czujnika, zmierzaliśmy w kierunku optymalnego nawadniania, tak jak to widać w reżimie stałego okresu suszenia. Rysunek 9 pokazuje, że 20 lipca nawadnialiśmy tylko tyle, aby przywrócić potencjał wodny gleby do optymalnego zakresu dla roślin, jednocześnie nie przekraczając zawartości wody na 25 cm. W ten sposób nie traciliśmy wody poniżej strefy korzeniowej. Można nawet zobaczyć dzienny pobór wody przez korzenie na wysokości 6 cm i 15 cm. Kiedy nawadnialiśmy i przywróciliśmy napięcie do komfortowego zakresu i nie spowodowaliśmy wzrostu zawartości wody na 25 cm, był to optymalny wysoki poziom. Użyliśmy czujnika zawartości wody 6 cm, aby określić pełny punkt nawadniania. W tej konkretnej glebie zawartość wody wynosi około 15%.

Wykorzystanie potencjału wodnego gleby do określenia punktu "pustego"

I odwrotnie, nasz punkt "pusty" został określony na podstawie potencjału wody w glebie. We wrześniu spuszczaliśmy wodę do momentu, aż rośliny przestały ją pobierać.

Na rysunku 10 zawartość wody na poziomie 25 cm nie zmienia się, co jest świetnym wynikiem. 5 września na poziomie 6 cm trawa darniowa przestaje pobierać wodę (brak dziennego spadku). Rośliny nie mogą pobrać wody z gleby, ponieważ jej potencjał wodny jest zbyt wysoki. A kiedy pobieranie wody ustaje, zakładając, że nie jest to spowodowane pochmurnym dniem (a tak nie było), wiemy, że jest to najwyższy poziom potencjału wody w glebie lub "pusty" punkt, w którym trawa przechodzi w stan uśpienia (-500 kPa). Jest to zakres, do którego nigdy nie chcemy się zbliżać. Chcemy utrzymać rośliny w komfortowym zakresie od -20 do -100 kPa. Jeśli spadnie poniżej optymalnego zakresu, wiemy, że nadszedł czas na podlewanie.

Jak określić optymalny system nawadniania

Kiedy połączyliśmy te dwa pomiary, stało się coś potężnego (rysunek 11). Połączenie ilości wody w glebie (zawartość wody) i potencjału wodnego gleby pozwoliło nam obliczyć kopertę wodną - ilość wody wymaganą do przejścia od stanu pustego do pełnego - lub maksymalną ilość wody, którą należy zastosować do tej trawy darniowej.

Rysunek 11 ilustruje tę koncepcję za pomocą pełnego wiadra, aby pokazać maksymalną ilość wody, która powinna być zastosowana do gleby. Każda większa ilość po prostu ucieknie przez "górną część wiadra" i zostanie zmarnowana wraz z nawozami itp. Puste wiadro (nie chcemy zbliżać się do tego punktu) to zawartość wody w glebie odpowiadająca napięciu -500 kPa na Rys. 10, gdzie rośliny nie mogą uzyskać więcej wody; powiązana zawartość wody wynosi 8%. Koperta wodna wynosiłaby (różnica zawartości wody) * (głębokość ukorzenienia) lub w tym przypadku (16% - 8%) * 0,15 m = 12 mm wody do nawadniania.

12 mm wody to maksymalna ilość wody, jaka powinna zostać zaaplikowana na trawę darniową. Aby jednak uzyskać optymalną wydajność, chcielibyśmy, aby spadła ona do -100 kPa. W przypadku tej konkretnej gleby byłoby to około 12% VWC (objętościowej zawartości wody) lub zmiana o 4% VWC i nawadnianie 6 mm wody. Tak więc, oprócz sprawdzenia zakresu komfortu, możemy wybrać ilość wody, której potrzebowalibyśmy, aby przenieść ją z dolnej części optymalnego zakresu do górnej.

Uproszczone zarządzanie nawadnianiem

Pomiar potencjału wodnego wraz z zawartością wody w celu zarządzania nawadnianiem pozwala zaoszczędzić czas i pieniądze. Dlaczego? Ponieważ dostarcza właściwych informacji. Wracając do analogii z domkiem letniskowym, nie dowiemy się, czy będzie nam wygodnie w naszym domku, wiedząc tylko, ile polan dołożyliśmy do ognia. W ten sam sposób nie dowiemy się, czy gleba ma optymalną wilgotność dla wzrostu roślin, wiedząc tylko, ile jest w niej wody lub jaka jest jej zawartość. Potencjał wody w glebie w połączeniu z zawartością wody w glebie daje nam precyzyjne punkty pełne i puste dla optymalnej wydajności. Gdy potencjał wody spada poza strefę komfortu upraw lub optymalny zakres, wiemy, że musimy dodać wodę. I wiemy dokładnie, ile wody należy dodać. Te dwa pomiary w połączeniu są potężnymi narzędziami, które można wykorzystać do doskonałego zarządzania wodą i składnikami odżywczymi - bez utraty czasu i pieniędzy na problemy spowodowane nadmiernym nawadnianiem.

Chcesz dowiedzieć się więcej o zarządzaniu nawadnianiem?

Obejrzyj nasze webinaria poświęcone zarządzaniu nawadnianiem lub ostatnie webinarium dr Colina Campbella i dr Bryana Hopkina poświęcone zarządzaniu murawą lub porozmawiaj z ekspertem ds. nawadniania. Nasi gleboznawcy mają wieloletnie doświadczenie w pomaganiu badaczom i irygatorom w mierzeniu wilgotności gleby w celu optymalizacji nawadniania.

Pobierz kompletny przewodnik po wilgotności gleby

Pytania?

Nasi naukowcy mają wieloletnie doświadczenie w pomaganiu badaczom i hodowcom w pomiarach kontinuum gleba-roślina-atmosfera.

Porozmawiaj z ekspertem

Poproś o wycenę