UNIVERZA V LJUBLJANI BIOTEHNIŠKA FAKULTETA ODDELEK ZA AGRONOMIJO
Lara TUREL
SAMODEJNI NAMAKALNI SISTEMI IN
ZMANJŠANJE PORABE VODE PRI NAMAKANJU
DIPLOMSKO DELO Univerzitetni študij - 1. stopnja
Ljubljana, 2021
BIOTEHNIŠKA FAKULTETA ODDELEK ZA AGRONOMIJO
Lara TUREL
SAMODEJNI NAMAKALNI SISTEMI IN ZMANJŠANJE PORABE VODE PRI NAMAKANJU
DIPLOMSKO DELO Univerzitetni študij - 1. stopnja
AUTOMATIC IRRIGATION SYSTEMS TO REDUCE WATER CONSUMPTION DURING IRRIGATION
B. SC. THESIS Academic Study Programmes
Ljubljana, 2021
II
Diplomsko delo je zaključek Univerzitetnega študijskega programa prve stopnje Kmetijstvo – agronomija. Delo je bilo opravljeno na Katedri za agrometeorologijo, urejanje kmetijskega prostora ter ekonomiko in razvoj podeželja.
Študijska komisija Oddelka za agronomijo je za mentorja diplomskega dela imenovala prof.
dr. Marina Pintar.
Komisija za oceno in zagovor:
Predsednik: prof. dr. Dominik VODNIK
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za agronomijo Član: prof. dr. Marina PINTAR
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za agronomijo Član: prof. dr. Marko ZUPAN
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za agronomijo
Datum zagovora:
III
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA ŠD Du1
DK UDK 626.81:631.67:502.173(043.2)
KG samodejni namakalni sistem, senzorji, dostopna voda, onesnaževanje okolja AV TUREL, Lara
SA PINTAR, Marina (mentor)
KZ SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101
ZA Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za agronomijo, Univerzitetni študijski program prve stopnje Kmetijstvo - agronomija
LI 2021
IN SAMODEJNI NAMAKALNI SISTEMI IN ZMANJŠANJE PORABE VODE PRI NAMAKANJU
TD Diplomsko delo (Univerzitetni študij - 1. stopnja) OP VI, 22 str., 11 sl., 33 vir.
IJ sl JI sl/en
AI Kmetijstvo je največji porabnik vode, saj porabi več kot 70 % sladke vode na svetu, zato je še toliko bolj pomembno, da se avtomatizirani namakalni sistemi razširijo po svetu in postanejo cenovno dostopni tudi manjšim kmetom. Z uporabo avtomatiziranega namakalnega sistema privarčujemo z vodo do 65 %, poleg tega pa zmanjšamo izpiranje hranil in sredstev za varstvo rastlin iz tal. Zaradi nepravilnega namakanja se izgubi do 50 % vode, z avtomatiziranim namakanje pa se njegovo produktivnost poveča za dvakrat. Avtomatiziran sistem deluje na podlagi algoritma, ki združuje razpored namakanja na osnovi vodne bilance s pomočjo meritev senzorjev, ki neprekinjeno merijo količino vode v tleh. Glavni komponenti avtomatiziranega namakalnega sistema sta terenska in programska oprema, kjer se po podatkih senzorjev za merjenje količine vode v tleh in podatkov vremenske postaje, izvede namakanje brez posega človeka. Za pravilno delovanje morajo biti meritve senzorjev kakovostne, na kar vplivajo hidravlične lastnosti tal, struktura korenin in lokacija senzorjev.
IV
KEY WORDS DOCUMENTATION ND Du1
DC UDC 626.81:631.67:502.173(043.2)
CX automatic irrigation system, sensors, available water, environmental pollution AU TUREL, Lara
AA PINTAR, Marina (supervisor) PP SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101
PB University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Department of Agronomy, Academic Study Programme in Agriculture - Agronomy
PY 2021
TI AUTOMATIC IRRIGATION SYSTEMS TO REDUCE WATER CONSUMPTION DURING IRRIGATION
DT B. Sc. Thesis (Academic Study Programmes) NO VI, 22 p., 11 fig., 33 ref.
LA sl AL sl/en
AB Agriculture is the largest consumer of water, consuming more then 70% of the world's available water, which is why automated irrigation systems must be spread around the world and become affordable to smaller farmers as well. Using an automated irrigation system that saves up to 65% water is also minimizing leaching losses from the substrate. Incorrect irrigation loses up to 50% of water, but with automated irrigation, its productivity is doubled. The automated system works based on algorithms that combine distributed irrigation based on a water balance using sensors that continuously measure the amount of water in the soil. The main components of the automated irrigation system are hardware and software, which is based on the date from sensors for measuring the amount of water in the soil and the data of weather stations, performed without human intervention. For the best results, measurements must be as correct as possible. Sensors measurement is affected by the hydraulic properties of the soil, the structure of the roots and the location of the sensors themselves.
V
KAZALO VSEBINE
Str.
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA III
KEY WORDS DOCUMENTATION IV
KAZALO VSEBINE V KAZALO PREGLEDNIC VI KAZALO SLIK VI
1 UVOD 1
1.1 NAMEN IN POVOD DELA 1
2 IZZIVI NAMAKANJA V KMETIJSTVU 2
2.1 PROBLEMATIKA PREKOMERNE PORABE VODE ZA
NAMAKANJE
2
2.2 PORABA ENERGIJSKIH VIROV ZA NAMAKANJE V KMETIJSTVU 3
2.3 IZPIRANJE HRANIL IN SREDSTEV ZA VARSTVO RASTLIN IZ TAL
3
2.4 IZHLAPEVANJE VODE 4
2.5 VREDNOTENJE VODE 4
2.6 TRAJNOSTNO NAMAKANJE TER AVTOMATSKI NAMAKALNI
SISTEMI KOT REŠITEV
5
2.7 SPLOŠNA RAZŠIRJENOST NAMAKALNIH SISTEMOV 6
3 OSNOVE DELOVANJA AVTOMATIZIRANEGA NAMAKALNEGA SISTEMA
7
3.1 PRIMER AVTOMATIZIRANEGA NAMAKALNEGA SISTEMA V
NASADU SLIV
8
3.2 POMEN SENZORJEV PRI AVTOMATIZIRANEM NAMAKALNEM
SISTEMU
14
3.3 REDNOST AVTOMATIZIRANEGA NAMAKALNEGA SISTEMA Z
EKONOMSKEGA STALIŠČA
17
4 SKLEPI 18
5 POVZETEK 19
6 VIRI 20
ZAHVALA
VI KAZALO SLIK
Str.
Slika 1: Vrednost načrpane vode uporabljene za namakanje najrazširjenih pridelkov 5 Slika 2: Komponente avtomatiziranega namakalnega sistema v nasadu sliv 9
Slika 3: Posnetek zaslona spletne platforme IRRIX 10
Slika 4: Podatki meritev dveh senzorjev 10HS pri globini 30 cm za 1. drevo 11 Slika 5: Podatki meritev dveh senzorjev 10HS pri globini 60 cm za 1. drevo 11 Slika 6: Podatki meritev dveh senzorjev 10HS pri globini 30 cm za 3. drevo 11 Slika 7: Načrt postavitve senzorjev za merjenje količine vode v tleh pri
avtomatiziranem namakalnem sistemu v nasadu oljk 12
Slika 8: : Komponente avtomatiziranega namakalnega sistema v nasadu jablan 13 Slika 9: Primer uporabe avtomatiziranega namakalnega sistema pri paradižniku v
rastlinjaku 14
Slika 10: Senzor za merjenje količine vode v tleh 15
Slika 11: Odstotek dostopne vode rastlini glede na globino korenin 16
1 1 UVOD
Propadanje dragocenih naravnih virov ima danes neposredne posledice za kmetijsko pridelavo v prihodnosti s poudarjenim problemom erozije tal, prekomerne rabe vode in izgube biotske raznovrstnosti. Kmetje igrajo pomembno vlogo pri upravljanju ekosistemov in zaščiti biološke raznolikosti. Neustrezna uporaba agrokemikalij in vode predstavljata velika tveganja na področju tako varstva okolja kot tudi zdravja ljudi. Avtomatski namakalni sistemi nam ne služijo le pri kmetovanju na večjih sušnih območjih, temveč tudi pri preprečevanju prekomerne oziroma premajhne porabe vode in prekomernih negativnih vplivov namakanja na okolje.
Onesnaževanje okolja, zaradi presežkov uporabe mineralnih gnojil v kmetijstvu, postaja vse resnejša težava. Ko je vode za potrebe rastlin v tleh preveč, ta spira hranila in ostanke sredstev za varstvo rastlin v podzemno vodo. Trajnostni razvoj namakanja je bil izzvan z povečanjem pomanjkanja vodnih virov, nadalje pa tudi z globalnim segrevanjem in pogostimi pojavi ekstremnih vremenskih razmer, kar je stopnjevalo resnost problema. Čeprav uporaba razsoljene morske vode in prečiščenje odpadne vode lahko olajša potrebe po vodi v kmetijstvu, pa to predstavlja visoke stroške. Učinkoviti avtomatski namakalni programi, ki varčujejo z vodo, ponujajo alternativne možnosti za reševanje tega izziva (Liao in sod., 2021).
Cilj razporeditve namakanja je najučinkovitejša raba vode in energije z nanašanjem prave količine vode na obdelovalno površino ob pravem času in na pravem mestu, pri čemer je potrebno zagotoviti, da je voda na voljo, ko jo rastlina potrebuje (D'Odorico in sod., 2020).
Veliko kmetov uporablja avtomatske sisteme namakanja, vendar v smislu časovnikov (timer) ali z vklopom in izklopom glede na spremembe količine rastlinam dostopne vode. Vendar pa so taki sistemi v pogledu porabe vode neprimerni, saj je namestitev časovnika subjektivna in odvisna od uporabnikovega znanja in izkušenj, kar pa ni nujno strokovno znanje, ki je v takem primeru potrebno. Zato se je v zadnjem času pomen avtomatskim namakalnih sistemov poglobil in na raziskovalni ravni zelo razširil (Burnett in Von Iersel, 2008).
1.1 NAMEN IN POVOD DELA
Namen dela je narediti pregled in analizo literature na temo avtomatiziranega namakanja in njegovega doprinosa k manjši porabi vode in posledično k zmanjšanemu obremenjevanju okolja zaradi namakanja.
Povod za delo je bil projekt ŠIPK KOREOLJKA, kjer smo s študenti opravili izkop oljke in pregled fizikalnih in kemičnih lastnosti tal v območju korenin. Glavni namen projekta je bil določitev lokacije korenin oljke, osebno pa sem se začela zanimati za pomen namakanja in povezavo z lokacijo postavitve senzorjev za merjenje količine vode v tleh glede na razporeditev korenin. Projekt je potekal v letih 2019 in 2020.
2 2 IZZIVI NAMAKANJA V KMETIJSTVU
Splošni cilj kmetov je doseganje čim večjega dolgoročnega čistega dobička, vendar pa tega cilja ne smemo doseči na račun drugih gospodarskih, okoljskih in socialnih problemov. Namakanje ima veliko vplivov na okolje, ki pa sprva morda niso očitni, zato je pomembno, da ob doseganju tega cilja razmislimo o ohranitvi in zaščiti naravnih vodnih virov, zmanjšanju škodljivih učinkov na vodne vire in zrak, učinkovito ravnanje z odpadno vodo, zmanjšanju uporabe neobnovljivih virov energije in drugo (Garcia-Tejero in sod., 2011).
2.1 PROBLEMATIKA PREKOMERNE PORABE VODE ZA NAMAKANJE
Voda je eden najdragocenejših naravnih virov, pa tudi omejen dejavnik gospodarskega, kot tudi družbenega razvoja. Glavne okoljske funkcije in človeške potrebe so kritično odvisne od vode.
Naraščanje svetovnega prebivalstva povzroča vse večje pritiske na zaloge sladke vode (Chenoweth, 2008). Pomanjkanje sladke vode je vse bolj zaskrbljujoče, zlasti v sredozemskih državah in na jugu Azijskih držav, kot je Indija (Garcia in sod., 2020). V delih sveta, kjer pomanjkanje vode prizadene gospodarstvo, vodi do konkurence med sektorji in tudi okoljskimi potrebami. Kmetijstvo je globalno največji porabnik vode, saj porabi več kot 70 % dostopne vode na svetu (D'Odorico in sod., 2020).
Z naraščanjem prebivalstva in s tem njegovih potreb in dejavnosti, na eni strani in podnebnih sprememb na drugi, mnoge regije vse težje zagotavljajo dovolj sladke vode za svoje potrebe.
Pomanjkanje vode ne bi prizadelo le človeštva na področju zdravstva, kmetijstva, industrije in gospodinjstva, temveč tudi ekosisteme okoli nas, ki so odvisni od vode, in jim grozi nepopravljiva škoda (D'Odorico in sod., 2020).
Z naraščanje prebivalstva in večjega deleža bogatih se bo v prihodnjih desetletjih povpraševanje po kmetijskih proizvodih še povečalo. To povpraševanje bo posredno vplivalo na vodne vire, ki jih bo kmalu začelo primanjkovati, kar bo posledično ogrožalo ekosistemske storitve in trajnostno pridelavo hrane (Garcia-Tejero in sod., 2011). Svetovni sistem preskrbe s hrano se je na podvojitev svetovnega prebivalstva v zadnjih petih desetletjih odzval z dvakratno proizvodnjo hrane, kar predstavlja izzive v varstvu preskrbe s hrano in okolijske trajnostne sposobnosti. Večji obseg pridelave hrane zahteva večjo porabo vode (Gleick, 2002). Kmetijstvo kot gospodarski sektor, je tesno povezano s številnimi socialnimi in okolijskimi vprašanji, ki se dotikajo človeškega delovanja in političnih odločitev. Dolgoročno moramo spodbuditi racionalno rabo vode z učinkovitejšimi namakalnimi sistemi in praksami (Garcia-Tejero in sod., 2011).
Od skupne količine padavin se približno 35 % vode pretvori v površinske vodotoke in podzemno vodo, kar predstavlja modro vodo, ki jo uporabljamo v gospodinjstvu, hidroelektrarnah in za namakanje v kmetijstvu. Preostali del, torej 75 % se zadrži v tleh in porabijo rastline oziroma se vrne v ozračje v procesu evapotranspiracije. To je zelena voda in
3
prispeva v rastlinski pridelavi, ko je vir vode deževnica. Modra voda zavzema 9 % celotne vode na svetu, od tega pa jo kmetijstvo porabi približno dve tretjini (Duchemin in Hogue, 2009).
Na splošno velja, da je v regiji pomanjkanje vode, ko razpoložljivost vode pade pod 1.000.000 L/prebivalca/leto. Med te območja spada celotna Afrika, čeprav ima povprečno 640 mm/leto padavin, vendar je zaradi visokih temperatur in vetra, povečano izhlapevanje. Približno 30 % vse razpoložljive vode na svetu je shranjene v podzemni vodi. Povprečna stopnja polnjenja vodonosnikov se giblje med 0,1 in 3 % na leto. V kmetijstvu Amerike se porabi 65 % podzemne vode in je črpanje te vode, predvsem za namakanje, hitrejši od stopnje polnjenja vodonosnikov.
Takšno delovanje je v nekaterih regijah povzročilo padec vodne gladine tudi za več kot 30 m (Vorosmarty in sod., 2000).
2.2 PORABA ENERGIJSKIH VIROV ZA NAMAKANJE V KMETIJSTVU
Po podatkih UNESCO svetovno kmetijstvo porabi na leto 70 do 80 % načrpane sladke vode za namakanje. To zahteva ogromno energije tako za črpanje kot za dovajanje vode do rastline (Garcia-Tejero in sod., 2011). V ZDA se 15 % celotne energije porabi za črpanje namakalne vode. Poraba energije je skoraj trikrat večja pri namakanju, kjer se voda črpa iz podzemne vode, kot pri namakanju, kjer je glavni vir vode deževnica (Hodges in sod., 1994).
V državah, kjer je glavna gospodarska panoga kmetijstvo, je namakanje njegov pomembni sestavni del. V večini primerov se uporabljajo energijski viri kot so bencin, dizelsko gorivo, premog ter drugi povzročitelji onesnaževanja zraka in hrupa. Zato se danes največ raziskovalnih del posveča izkoriščanju obnovljivih energijskih virov kot je npr. sončna energija. Namakalni sistem, katerega vir je sončna energija ni samo okolju prijazen, ampak tudi cenejši. Razviti avtomatski namakalni sistem z uporabo sončne energije dokazuje, da je uporaba sončne energije primerna v rastlinski pridelavi v geografsko izoliranih regijah, kjer je naložba v električno napajanje predraga (Pughazendi in sod., 2018).
2.3 IZPIRANJE HRANIL IN SREDSTEV ZA VARSTVO RASTLIN IZ TAL
Intenzivno kmetijstvo je že podvojilo količino dušika in potrojilo količino fosforja v tleh. To je privedlo do evtrofikacije vode (bogatenje vode z rastlinskimi hranili, ki pospeši rast in cvetenje alg ter višjih rastlin, kar povzroči neželene motnje v ravnotežju ekosistema) jezer in obalnih zajetij (Miralles-Crespo in Van Iersel, 2011). V preteklosti je imelo približno 80 % površinskih vod v Evropi povečano vsebnost nitrata (50 mg/L, kar je meja za pitno vodo). K povečani vsebnosti nitrata pripomorejo neprimerno gnojenje, jesensko oranje in prevelika obremenitev pašnikov (Matson in sod., 1997). Poleg evtrofikacije prihaja v vodnih in obvodnih ekosistemih tudi do izgub biotske raznovrstnosti ter prerazmnožitve invazivnih tujerodnih vrst. Degradacija zemljišč in vodnih virov je najpogostejši negativni vplivi namakalnih sistemov na okolje (Miralles-Crespo in Van Iersel, 2011).
4
Podatki kažejo, da ima približno 1/3 namakanih zemljišč na svetu nižjo produktivnost zaradi slabega vodenja namakanja, ki povzroča izpiranje hranil in slanost tal. Letno se zaradi zasoljevanja izgubi približno 10 mio. ha od tega 1,5 mio. ha namakanih zemljišč. Ne-trajnostna raba vode za namakanje ima zato negativne posledice na trajnostno pridelavo hrane in stanje kopenskih ter vodnih ekosistemov (Miralles-Crespo in Van Iersel, 2011). Pogosto je škodljiv vpliv namakanja posledica namakanja samega, ki pa se z neustreznim delovanjem sistema še povečuje. Po podatkih se zaradi nepravilnega namakanja izgubi do 50 % vode (World Bank, 2003).
Učinkovitost namakanja je odvisna od namakalne tehnologije, torej ali gre za poplavno namakanje, kapljično ali katero drugo. Zaželeno je kapljično oziroma mikronamakanje, kjer se voda dovaja po kapljicah in je učinkovitost namakanja večja, natančneje 85 %. Poleg tega kapljično namakanje omogoča zmanjšati problem zasoljevanja tal in izpiranja hranil iz talnega profila (Tuijl, 1993). S tem ko dovedemo manj vode, te manj izhlapi in v tleh ostajajo manjše količine soli (Garcia-Tejero in sod., 2011).
2.4 IZHLAPEVANJE VODE
Ocenjeno je, da v procesu evapotranspiracije v ozračje preide 64 % vseh padavin, ki padejo na zemljo. Le 15 % padavin rastlina vgradijo v svoje tkivo. Voda, ki ne izhlapi, površinsko odteče ali pronica skozi tla (Garcia-Tejero in sod., 2011). Zgodaj v rastni sezoni je izhlapevanje tal večji del celotne evapotranspiracije, vendar se postopoma zmanjšuje, ko rastline rastejo in se povečuje rastlinski pokrov. V popolnem razvoju rastlinskega pokrova, predstavlja izhlapevanje tal le še 10-20 % evapotranspiracije (Konstantinos in sod., 2015).
Trenutno se soočamo s problemom podnebnih sprememb. Z višanjem temperatur, se poveča izhlapevanje vode, kar predstavlja nov izziv pri namakanju in rabi vodnih virov. V območjih, ki že imajo problem z omejeno razpoložljivostjo vode, bodo nove razmere problem še povečale. V prihodnosti bodo povišane temperature vplivale na upad pridelka ali pa bo potrebno bolj intenzivno namakanje za ohranjanje donosa. Razpoložljivost in kakovost vode sta tesno povezani s količino in pogostostjo padavin. Podnebne spremembe bodo povečale verjetnost ekstremnih vremenskih dogodkov, zato je potrebno boljše razumevanje podnebnih sprememb samih in njihov vpliv na razvoj novih tehnologij, prilagojenih lokalnim razmeram (Southworth in sod., 2000).
2.5 VREDNOST VODE
Trženje vode ostaja sporno politično vprašanje, zato je voda v kmetijstvu pogosto premalo cenjena. Za razliko od nafte, vodo le redko obravnavamo kot blago in posledično ostaja podcenjena, saj uporabniki ne plačujejo njene dejanske vrednosti. Medtem ko rastlina za oblikovanje pridelka porabi ogromno količino vode, njegova cena le redko predstavlja strošek porabe vode (D'Odorico in sod., 2020).
5
Na sliki 1 so predstavljeni glavni pridelki, ki skupaj predstavljajo 60 % svetovne proizvodnje hrane. Cena vode za namakanje posameznih pridelkov glede na lokacijo, kot tudi vrsto pridelka, variira. Globalno je povprečna vrednost vode za pridelavo pšenice 0,04 evro/m3, koruze in riža 0,14 evro/m3 in soje 0,08 evro/m3. Iz podatkov lahko opazimo, da je cena vode za pridelavo koruze, soje in riža večja, kot za pridelavo pšenice. Takšna razlika je posledica razlik tržni ceni pridelka in učinkovitosti rabe vode v pridelku (količina pridelanega na enoto vnosa vode).
Vrednost vode porabljene za pridelavo koruze je v vzhodni Aziji bistveno višja, kot drugod po svetu. Ob pregledu še 14 drugih vrst pridelkov, so ugotovili, da se vrednost vode giblje med 0,04 in 0,21 evro/m3, izjemo predstavlja pridelava krompirja, kjer je vrednost vode 0,57 evro/m3. Razlog za to je večji pridelek na enoto vode in višja tržna cena krompirja v primerjavi z ostalimi pridelki (D'Odorico in sod., 2020).
Slika 1: Vrednost načrpane vode uporabljene za namakanje najrazširjenih pridelkov (podatki za leto 2000) (prirejeno po D'Odorico in sod., 2020).
2.6 TRAJNOSTNO NAMAKANJE TER AVTOMATSKI NAMAKALNI SISTEMI KOT REŠITEV
Z standardnimi namakalnimi praksami lahko prihaja do negativnih vplivov na okolje in na družbenem in gospodarskem področju, npr. neučinkovita raba vode, energije in denarja, izsuševanje rek in jezer, uničevanje vodnih in obvodnih habitatov, degradacija tal ter onesnaževanje vode (Garcia-Tejero in sod., 2011). Trajnostno namakanje pomeni uporabo prave količine vode v primernem času in optimalnih pogojih. Izboljšanje upravljanja z zemljišči in vodami v kmetijstvu preprečuje degradacijo okolja, povečuje odpornost ekosistemov in ohranja vire, nujno potrebne za človeško preživetje (Gleick, 2002).
6
Z uporabo ustreznih kmetijskih praks in spremljevalnih rešitev politike lahko dosežemo učinkovitejšo rabo vode v kmetijstvu (D'Odorico in sod., 2020). Namakanje mora biti tesno povezano z učinkovitostjo rabe vode z namenom povečanja produktivnosti in izboljšanja kakovosti pridelka ob zmanjšanju družbenih in okolijskih stroškov, zlasti na območjih, kjer so težave z vodo bolj razširjene. Trenutno je kmetijstvo pod vplivom večjih sprememb, ki temeljijo na novih tehnologijah namakanja, gnojenja in več agronomskega znanja. Ti elementi so ključni za doseganje trajnostnega razvoja in preprečevanja prekomernega onesnaževanja okolja.
Kmetijstvo je z uporabo namakalnih sistemov vsaj dvakrat bolj produktivno kot tisto brez.
Uporaba avtomatskih namakalnih sistemov poveča učinkovitost rabe vode iz 40-50 % na 80-90
% in s tem prihrani polovico vode (Garcia-Tejero in sod., 2011).
V ZDA se na področju vrtnarstva soočajo s kritičnim pomanjkanjem delavne sile zaradi poostrenih predpisov glede delavcev migrantov in vse bolj konkurenčnega domačega trga dela.
Z avtomatizacijo namakalnih sistemov bi se potreba po delavni sili v času sezone bolj enakomerno porazdelila. Poleg tega ponekod po ZDA že obstajajo predpisi, ki omejujejo rabo vode v cvetličarstvu. S primernim dovajanjem vode lahko izboljšamo kakovost pridelave, zmanjšamo proizvodne stroške (40 % stroškov pridelave je delavna sila), povečamo tržno vrednost in omilimo nevarne pogoje dela (Wheeler in sod., 2018).
Na več območjih, kot je Španija, Grčija, Italija in druge, je vode malo in njeni stroški visoki, zato je optimalno upravljanje s tem pomembnim virom bistvenega pomena. Izvesti je potrebno povezanost spremenljivk, ki vplivajo na rast in pridelek (tla, voda in rastline) in z novimi tehnikami sprejeti ukrepe za optimizacijo pridelave (Navarro-Hellin in sod., 2014).
V prihodnosti se nam obeta drugačna ureditev porabe vode, bodisi površinskih ali podzemnih virov. V povečanju konkurence za vodne vire je potrebno povečati namakalni učinek in s tem zagotoviti nacionalno in globalno preskrbo s hrano. Običajno upravljanje z vodo v razvitih državah ni prednostna naloga, saj so stroški vode nizki. Večjega pomena so v državah z večjimi stroški črpanja vode ter v državah, kjer je kmetijstvo njihova glavna gospodarska panoga (Lea- Cox in sod., 2013).
2.7 SPLOŠNA RAZŠIRJENOST NAMAKALNIH SISTEMOV
Po podatkih FAO je globalno namakanih le 18 % obdelovalnih površin in 40 % pridelane hrane iz namakanega kmetijstva. Po vsem svetu je torej namakanih približno 280 milijonov hektarov, od tega 65 % v Aziji, 17 % v Ameriki, 9 % v Evropi, 5 % v Afriki in 1 % v Oceaniji. Ti podatki vključujejo namakanje v pomenu dovajanja vode, avtomatiziranih namakalnih sistemov pa je bistveno manj (Garcia-Tejero in sod., 2011). Učinkovitost rabe vode v kmetijstvu je postala prednostna naloga zaradi naraščanja omejitev vodnih virov. Posledično je to področje raziskav postalo eno najbolj prednostnih. Države, ki so na tem področju naredile največ raziskav so Kitajska, Združene države Amerike in Indija. Razlog za to je večje poudarjanje o podnebnih spremembah ter večje zavedanje o problematiki prekomerne rabe vode (Velasco-Munoz in sod., 2018).
7
V državah južne Evrope, kot so Grčija, Italija, Ciper, Španija, Portugalska in južna Francija, je zaradi sušnih in polsušnih pogojev namakanje nujno. Z novimi metodami namakanja lahko rabo vode pri namakanju zmanjšamo. V Evropi že beležijo učinkovitejšo rabo vode. V Grčiji je bila zaradi izboljšanja namakalnih sistemov po ocenah dosežena 95 % večja učinkovitost v primerjavi s prej uporabljenimi namakalnimi metodami (D'Odorico in sod., 2020). Politika ima ključno vlogo pri spodbujanju kmetijskega sektorja k uporabi učinkovitejših kmetijskih praks.
Poleg spreminjanja tehnik namakanja in s tem privarčevane vode ter zmanjšanja stroškov, pa so potrebni tudi programi usposabljanja in izmenjave znanja, ki so namenjena izobraževanju kmetov. V Grčiji se je poraba vode zmanjšala za 10 % z uvedbo službe za svetovanje o namakanju (Evropska agencija za kmetijstvo, 2012).
3 OSNOVE DELOVANJA AVTOMATIZIRANEGA NAMAKALNEGA SISTEMA
Kmetje potrebujejo ugodna namakalna orodja, ki jim omogočajo da izkoristijo znanstvena znanja in izkušnje za večjo učinkovitost rabe vode. Ustrezni in učinkoviti postopki upravljanja in uporabe namakalne vode, ki so usmerjeni v zagotavljanje tako ekonomskih kot okoljskih koristi, so nujni. Avtomatiziran sistem deluje na podlagi algoritma, ki združuje razpored namakanja na osnovi vodne bilance z mehanizmom povratne prilagoditve s pomočjo senzorjev, ki neprekinjeno merijo količino vode v tleh (Millan in sod., 2019).
Potreba po vodi je prostorsko (tekstura tal, topografske značilnosti, zbijanje tal, razlike v rodnosti, lokalna razširjenost škodljivcev in značilnosti namakanja) in časovno (meteoroloških razmer, vrste pridelka, stopnje rasti) različna (Shankar in sod., 2012). Namakanje je oskrba rastočih rastlin z vodo in je pomemben postopek že od začetka gojenja rastlin. Poznamo 3 namakalne metode: (1) poplavno, kjer se voda nanese na tla tako, da se poplavi večji ali manjši del namakalnega območja, (2) namakanje z razpršilci, kjer se voda razprši po tleh kot dež, ter (3) kapljično, kjer se voda nanese na tla ob rastlini v zelo majhnih količinah v hitrosti, ki je enaka pronicanju vode skozi tla, absorpciji na tla oziroma porabi vode iz strani rastlin. Prvi dva imata pomanjkljivost, da nista primerni za nagnjena pobočja, pri razpršilcih pa je problem tudi veter (Barman in sod., 2020). Kapljično namakanje imenujemo tudi mikro namakanje. Pri tem namakamo kapljico za kapljico neposredno na območje korenin. S tem ne le da ne izgubljamo vode, temveč se lahko izognemo tudi izgubi hranil (Barman in sod., 2020).
Metode razporeditve namakanja temeljijo na meritvah količine vode v tleh, meteoroloških podatkih ali spremljanju rastlinskega stresa. Tekstura in struktura tal določata, koliko vode je lahko shranjene v tleh in bo zato na voljo rastlinam. Na splošno imajo peščena tla majhno zmogljivost zadrževanja vode in zahtevajo pogostejše namakanje kot ilovnata ali glinasta tla.
Vrsta tal in globina ukoreninjenja rastline določa količino vode, ki jo je treba uporabiti za vzdrževanje optimalne količine vode v tleh (Water Conservation Factsheet, 2015).
Metode razporeditve namakanja so razvrščene v tri glavne skupine: (1) metode, ki temeljijo na vodni bilanci, (2) metode, ki se osredotočajo na spremljanje količine ali potenciala vode v tleh,
8
in (3) metode za merjenje stanja vodnega potenciala rastline, ki pa je še vedno v razvoju.
Najbolj razširjena je metoda vodne bilance, kjer morajo vnosi vode v sistem zemlja-rastlina uravnotežiti pričakovane potrebe rastlin po vodi. Glavni odtok vode iz sistema je potencialna evapotranspiracija rastline (ETc, kar je zmnožek izhlapevanja referenčne rastline (t.i. trave) ETo in koeficienta pridelka Kc). Prednost te metode je, da vzpostavi povezavo med potrebami rastline po vodi in podnebnimi razmerami. Pomanjkljivost pa je, da ne upošteva odstopanj med ocenjenimi in dejanskimi potrebami (Osroosh in sod., 2016).
Avtomatizirano namakanje temelji na v naprej določenem pragu količine vode v tleh. Ko je izmerjena količina vode v tleh pod mejo, se vklopi namakanje (Abi Saab, 2019). Dodaten razvoj temelji še na podatkih ETc in povratnih informacijah. Poznamo dva nadzorna sistema: 1. sistem z odprto zanko, kjer uporabnik ali sistem ne prejme nobenih informacij o stanju spremenljivk (slabost: se ne odziva na spremembe, ki se v sistemu pojavijo) in 2. sistem z zaprto zanko, kjer je izhod odvisen od popravkov, ki jih sistem naredi na podlagi povratnih informacij (sistemski krmilnik prejme informacije o stanju spremenljivk in izračuna kakšne nadaljnje ukrepe je potrebno sprejeti) (Millan in sod., 2019).
3.1 PRIMERI AVTOMATIZIRANEGA NAMAKALNEGA SISTEMA
V poskusu nasada sliv so testirali uporabo avtomatiziranega namakalnega sistema, ki ga podpira platforma IRRIX. Sistem lahko izvaja vnaprej določeno namakanje brez človeškega posredovanja. Podatki, ki jih je sistem zajel in zabeležil v prvi sezoni, so omogočali prilagoditev delovanja za drugo sezono, kar dokazuje sposobnost samodejnega učenja sistema. Poskus je bil izveden na južnem delu Španije, kjer so okoljske razmere ponekod podobne tistim v Sloveniji, torej sredozemsko podnebje, ilovnata tla, rahlo kisel pH in relativno majhna vsebnost organske snovi. Nameščeno je kapljično namakanje z eno namakalno linijo na vrsto dreves v nasad (Millan in sod., 2019).
Avtomatiziran namakalni sistem, ki je prikazan na sliki 2 sestavljata dve glavni komponenti:
1. TERENSKA/STROJNA OPREMA: Za spremljanje količine vode v tleh je bilo v poskusu uporabljeno 15 kapacitivnih senzorjev 10HS (Decagon Devices Inc., Pullman, WA, ZDA), za neprekinjeno merjenje količine vode v tleh, 5 senzorjev pri vsakem drevesu: 2 v globini 0,3 m, 2 v 0,6 m in 1 v 0,15 m, pod namakalno linijo. Nato imajo še senzor temperature zraka CS2015 (Campbell Scientific Inc., Logan, UT, ZDA) na višini 3 m. Poleg temperaturne sonde je bila še sončna plošča, katere vir energije so bile sončne celice, z 12V-7Ah baterijo in regulator napetosti BlueSolar PWM-Pro (Vitron Energy BluePower, Nizozemska). Sončna plošča predstavlja cenejši in okolju prijaznejši vir energije za črpanje vode, potrebne za namakanje.
Potrebni so še senzorji za nadzor porabe vode: magnetni ventil Rain Bird Europe SCN (Aix-en- Provence, Francija), digitalni vodomer Lab-Ferrer SL (Cervera, Lleida, Španija) in krmilnik SMD-CD16AC (Campbell Scientific Inc., Logan, UT, ZDA). Vse te komponente so nato povezane preko interneta z shranjevalnikom podatkov CR1000 (Campbell Scientific Inc., Logan, UT, ZDA), ki shranjuje podatke vsakih 5 minut.
9
2. PROGRAMSKA OPREMA: Uporabljena programska oprema je bila IRREX. To je spletna platforma, ki opravlja določene naloge in posredovanja človeka ni potrebno. Zajema podatke s senzorjev za količino vode v tleh nameščenih na terenu ter nato te podatke obdela in interpretira.
IRRIX analizira vse vhodne podatke. Nastavljen je za vsak senzor na najmanjšo vrednost, ki je še zadovoljiva. Za zmanjšanje variabilnosti med senzorji, vrednosti posameznega senzorja normalizira. V namakalnem sistemu so lahko nameščeni različni senzorji za merjenje količine vode v tleh, ki so tudi različno zanesljivi, zato sistem IRRIX samodejno ocenjuje zanesljivost senzorjev na lestvici od 0 do1. Vsi senzorji imajo na začetku vrednost 1 in ko se odkrije napaka določenega senzorja oziroma, da so podatki senzorja manj zanesljivi, se vrednost tega senzorja zmanjša proti 0. Če senzor preneha delovati, ga IRRIX samodejno odstrani iz sistema (določi vrednost 0). V tem primeru manjkajoče podatke nadomestijo podatki najbližjega senzorja oziroma senzor na isti globini, napaka pa je zabeležena in posredovana upravljalcu namakalnega sistema. IRRIX vsakodnevno analizira nabor podatkov in prilagodi odmerek namakanja na podlagi informacij, ki jih zagotavljajo senzorji in ocena vodne bilance (Millan in sod., 2019).
Slika 2: Komponente avtomatiziranega namakalnega sistema v nasadu sliv (prirejeno po Millan in sod., 2019).
Pred začetkom namakanja mora uporabnik v IRRIX vnesti načrt, ki vsebuje oceno razporeditve namakalne vode skozi sezono. To opravi strokovnjak, ki določi smernice, ki jih je potrebno pri namakanju upoštevati oziroma določi prag količine vode v tleh za vklop in izklop namakanja (Millan in sod., 2020). Pogoji za določanje praga količine vode v tleh temeljijo na sezonski krivulji porabe vode za namakanje, ki je prilagojena glede na prejšnja leta. Določeni sta še dve meji nad in pod to krivuljo, ki dovoljujeta minimalna nihanje. IRRIX pošlje posodobljene podatke o namakalnem obroku v shranjevalnik podatkov, ta pa na podlagi teh podatkov in podatkov vremenske postaje, ki je bila oddaljena 0,5 km od sadovnjaka, naprej pošlje ukaze
10
drugim napravam (ventilom, črpalki itd.). Če pride do anomalij, IRRIX opozori uporabnika na računalnik, ta pa mora potem problem rešiti sam (Millan in sod., 2019).
Sistem semaforja prikazuje ali je namakalni sistem deloval pravilno, poleg pa prikazuje kje je prišlo do napake (senzor in kateri, akumulator, ventil itd.). Rdeči del prikazuje, da namakanje ni bilo izvedeno, v tretjem dnevu pa je z modro obarvan presežek namakanja, ki ga IRRIX ni načrtoval. Na sliki 3 je prikazan poziv, ki ga prejme upravitelj, ko se pojavi napaka v sistemu (Millan in sod., 2019).
Slika 3: Posnetek zaslona spletne platforme IRRIX (Millan in sod., 2019).
Sliki 4 in 5 prikazujeta podatke meritev senzorjev 10HS pri dveh različnih globinah. Na obeh slikah lahko opazimo, da so senzorji prepoznali nihanje količine vode v času. Poleg tega se po krivuljah opazi znatno zmanjšanje namakanja po obranem pridelku. Podatki senzorjev se razlikujejo, kar nam da vedeti, da je postavitev senzorjev zelo pomembna.
Sliki 4 in 6 prikazujeta podatke meritev senzorjev na isti globini, vendar pri drugih drevesih.
Opazimo lahko razlike v količini vode, kar je posledica nehomogenih tal (neenakomerna porazdelitev makropor). Poleg tega se količina vode v tleh na globini 30 cm bolj spreminja kot na večjih globinah. Do razlik pri merjenju količine vode v tleh lahko pride tudi zaradi neenakomerne porazdelitve vode, saj ti senzorji zaznavajo približno 1 liter volumna tal.
11
Slika 4: Podatki meritev dveh senzorjev 10HS pri globini 30 cm za 1. drevo (Millan in sod., 2019).
Slika 5: Podatki meritev dveh senzorjev 10HS pri globini 60 cm za 1. drevo (Millan in sod., 2019).
Slika 6: Podatki meritev dveh senzorjev 10HS pri globini 30 cm za 3. drevo (Millan in sod., 2019).
12
Slika 7 prikazuje shemo avtomatiziranega namakalnega sistema, kjer so uporabili enako terensko in programsko opremo v nasadu oljk. Tokrat so senzorje za merjenje količine vode v tleh postavili na dve globini: 2 senzorja na globino 30 cm in enega na globino 60 cm pod namakalno linijo. En senzor vsake globine je bil nameščen pod kapalnik ter en senzor globine 30 cm na sredino med dva kapalnika. Poskus je bil izveden leto kasneje, kjer so se v poskusu osredotočili na uporabo RDI metodo (namakanje z reguliranim primanjkljajem), ki predstavlja dodatni izziv v avtomatiziranem namakalnem sistemu. Strategija RDI zagotavlja namakanje pod teoretičnimi potrebami pridelka po vodi v določenem obdobju fenofaz. Temelji na različnih sezonskih in fenoloških lastnostih in se uporablja za varčevanje vodnih virov in pridobitev agronomske koristi, povezane z nadzorom vigorja in izboljšanje kakovosti pridelka (Millan in sod., 2020).
Z uvedbo RDI metode se je donos olja znatno povečalo. To je bila posledica večjega števila plodov ter večje velikosti. Poraba namakalne vode pa se je zmanjšala za 46%. RDI metoda je v tem primeru temeljila na 100 ETc pred obiranjem, v izogib vodnemu stresu, in zmanjšanju namakanja na 40% ETc po obiranju za zmanjšanje izgube vode (Millan in sod., 2020).
Slika 7: Načrt postavitve senzorjev za merjenje količine vode v tleh pri avtomatiziranem namakalnem sistemu v nasadu oljk (prirejeno po Millan in sod., 2020).
Podoben primer avtomatskega namakalnega sistema so uvedli v nasadu jablan, kjer je bil potek dela enak, le da je bila programska in terenska oprema drugačna (Slika 8). Senzorji za merjenje količine vode v tleh so bili uporabljeni Watermark 200SS (Campbell Scientific, Logan, UT) in kot krmilnik RS500 (Acclima, Merdian, ID). Podatki so bili izmerjeni vsakih 5 sekund in kot povprečje poslani vsakih 15 minut. Preko modela RF401 (Campbell Scientific, Logan, UT) za prenos podatkov se podatki pošljejo v shranjevalnik podatkov, uporabljen CR10(X) (Campbell Scientific, Logan, UT). Tudi v tem primeru so uporabili solarni panel SYP105 (Instapark Co., Santa Fe Springs, CA), za zagotavljanje elektrike za krmiljenje in črpanje, in regulator napetosti.
13
Senzorji za merjenje količine vode v tleh so bili nameščeni 30 cm v globino in 1,25 cm stran od debla, en na vsako stran drevesa. Poleg teh senzorjev so uporabljali tudi senzorje za merjenje temperature zraka model 109 (Campbell Scientific, Logan, UT), ki so bili nameščeni na višino 2 m, ter senzorje za merjenje temperature tal model 107 (Campbell Scientific, Logan, UT). Kot programska oprema je bil uporabljen Teamviewer. V študiji so primerjali uporabnost žičnih in brezžičnih senzorjev. Ugotovili so, da so brezžični senzorji dobra alternativa žičnim, poleg tega pa so cenovno ugodnejši ter lažji za namestitev ter vzdrževanje (Osroosh in sod., 2016).
Slika 8: Komponente avtomatiziranega namakalnega sistema v nasadu jablan (prirejeno po Osroosh in sod., 2016).
Avtomatizirani namakalni sistemi se lahko uporabljajo tako v nasadih, kot tudi rastlinjakih.
Rastlinjak je zelo dinamično okolje, kjer se parametri spreminjajo prostorsko in časovno.
Prostorska variabilnost mikroklime se z večjimi rastlinjaki še poveča in je nadzorovanje parametrov, ki so med sabo povezani, še toliko bolj zahtevno. Običajne komunikacijske tehnologije, ki se uporabljajo pri zbiranju podatkov katerihkoli brezžičnih senzorjev, so Zigbee, GPRS, Wifi, LoRa, Bluetooth in druge. Zigbee in LoRa sta za prenos podatkov v rastlinjaku najprimernejša, saj sta cenovno ugodna ter primerna na krajše razdaljen (Kochhar in Kumar, 2019).
Senzorje, za merjenje količine vode v tleh, kot tudi senzorje za merjenje parametrov zraka, je potrebno namestiti na območja z različnimi ravnmi izhlapevanja (Henderson, 2018). Na sliki 9 so prikazani 100 cm dolgi brezžični senzorji količine vode v tleh TMH-2000 (Nercita, Kitajska), centralni krmilnik, zapisovalnik podatkov ter aplikacija za spremljanje namakanja. Uporaba senzorjev je povečala količino pridelka paradižnika za 20-40 % ter zmanjšala porabo vode do 60 % (Liao in sod., 2021).
14
Slika 9: Primer uporabe avtomatiziranega namakalnega sistema pri paradižniku v rastlinjaku (prirejeno po Liao in sod., 2021).
Podoben poskus v rastlinjaku je bil opravljen pri pridelavi solate, kjer so primerjali uporabo časovnika in avtomatiziranega namakalnega sistema. Uporabili so senzorje za merjenje količine vode v tleh EC-5 (Decagon De-poroke, Pullman, ZDA), kjer je shranjevalnik podatkov CR1000 (Campbell Scientific, Logan, ZDA) prejel podatke na 20 minut. Ko je količina vode v tleh padla pod vnaprej določeno mejo, je krmilnik SDM16AC/DC (Campbell Scientific, Logan, ZDA) vklopil črpalko za namakanje. Namakanje s pomočjo časovnika je bilo izvedeno enkrat na dan po izkušnjah uporabnika. Izcedno vodo iz posod, v katerih je bila po ena rastlina, so zbirali v vedrih in volumen izmerili tedensko. Pri namakanju s pomočjo senzorja je bilo izcedne vode povprečno 18 %, medtem ko pri avtomatiziranem namakalnem sistemu minimalno oziroma nič.
Pri avtomatiziranem namakalnem sistemu je bila poraba vode manjša za 45 %, poleg tega je bila suha masa rastline večja za 20 % (Montesano, 2016).
3.2 POMEN SENZORJEV PRI AVTOMATIZIRANEM NAMAKALNEM SISTEMU
V avtomatiziranem namakalnem sistemu se uporablja več vrst senzorjev, ki lahko delujejo povezano ali ne. Tako se uporabljajo senzorji za merjenje količine vode v tleh, temperature tal, temperature zraka, pH tal, prevodnost tal, vlažnost listov, količine dežja, moč in smer vetra itd.
76 % študij uporablja le senzorje za merjenje količine vode v tleh v povezavi z senzorji za merjenje temperature zraka. Največkrat uporabljeni senzorji za merjenje količine vode v tleh so:
YL69 (SparkFun Electronics, Niwot, CO, ZDA), FC-28 (Uruktech, Baghdad, Irak), SEN0114 (DFRobot, Shanghai, Kitajska), 10HS, EC-5 in EC-10 (Decagon Devices Inc., Pullman, WA,
15
ZDA); za merjenje temperature zraka pa: DHT11 (Adafruit Industries, New York, NY, ZDA), DHT22 (Adafruit Industries, New York, NY, ZDA) in LM35 (Texas Instruments, Dallas, TX, ZDA) (Garcia in sod., 2020).
Več brezžičnih senzorjih sestavljajo majhna vozlišča (senzorji iste vrste ali več vrst, ki merijo različne parametre), ki delujejo samostojno. Cilj uporabe teh vozlišč je zbrati vse podatke in jih poslati centralnemu sistemu v katerem se zbirajo podatki. Razvoj take tehnologije je pomemben za zmanjšanje porabe vode, gnojil in manjših potreb po delovni sili. Poleg tega uporaba brezžičnih senzorjev omogoča manjšo porabo elektrike ter je bolj enostavna za večja območja (Barman in sod., 2020).
Takšni senzorji so zelo dragi, zaradi česar manjši kmetje ne morajo uvesti takšnega sistema.
Vendar pa proizvajalci ponujajo vse več cenovno dostopnejših senzorjev, zaradi nedavnega napredka na področju uporabe različnih senzorjev in razvoja tehnologij WSN (Wireless sensor network) in IoT (Internet of things). Danes je na trgu na voljo veliko različnih senzorjev za merjenje količine vode v tleh, temperature zraka, vlažnost zraka, količine dežja, pH tal, temperature tal, vlažnost listov in drugo, ki lahko v določenem času posredujejo informacije.
Vendar je pravilna uporaba takšnih informacij zapletena zaradi potrebnega strokovnega znanja (Garcia in sod., 2020). Slika 9 prikazuje primer senzorja za merjenje količine vode v tleh, ki temelji na merjenju prevodnosti med dvema elektrodama, ki sta vstavljeni v tla.
Slika 10: Senzor za merjenje količine vode v tleh (Barman in sod., 2020).
Na obnašanje vode v tleh vpliva veliko dejavnikov, kot so hidravlične lastnosti tal, značilnosti namakalnega sistema, dolžina in struktura korenin rastlin, celo tudi zastirka. Slab položaj senzorjev za merjenje količine vode v tleh, ko senzorji ne merijo reprezentativne količine vode v tleh, lahko povzroči premajhno ali prekomerno namakanje, ki izniči namen namakalnega sistema (Konstantinos in sod., 2005).
Kakovost zbranih podatkov je možno izboljšati z uporabo več senzorjev, vendar pa to tudi poveča stroške zbiranja podatkov. Določiti najmanjše število senzorjev je težko, saj je to odvisno od hitrosti in ponovljivosti meritev senzorja ter razlik med senzorji in prostorskimi spremenljivkami (Van Iersel in sod., 2013). Na sliki 11 je predstavljena količina vode, ki jo rastlina pridobi iz določene globine tal. V prvih 25 % razvitih korenin od površine, je v
16
povprečju 40 % vode, ki jo rastlina pridobi, kar pa se z globino manjša. Na podlagi razumevanja tega, lahko predvidevamo najprimernejšo lokacijo senzorjev za merjenje količine vode v tleh (Barman in sod., 2020).
Slika 11: Odstotek pridobljene vode rastlini v določenem odstotku globine (prirejeno po Barman in sod., 2020).
Položaj senzorjev je pomembni dejavnik, ki vpliva na uspešnost namakanja. Rezultati študij kažejo, da položaj senzorjev vpliva na uspešnost namakanja oz. na natančnost merjenja količine vode v tleh. Čeprav se je izkazalo, da je kapljično namakanje veliko bolj učinkovito kot drugi namakalni sistemi, saj se namaka samo območje korenin rastlin, lahko nepravilno namakanje tudi pri tej tehnologiji vodi do prekomerne rabe vode in posledično izpiranja ostankov hranil in sredstev za varstvo rastlin. Obvladovanje učinkovitega namakanja je izziv zaradi številnih dejavnikov, ki jih je treba upoštevati, vključno s podnebjem, vrsto rastline, metodo namakanja in parametri namakalnega sistema (Dukes in sod., 2007).
Učinkovitost namakanja se zelo razlikuje glede na parametre namakalne linije, globino senzorjev, vrsto tal ter značilnosti mikroklime. Natančneje, učinkovitost namakanja se poveča z zmanjšanjem razmaka med kapljičnimi linijami (3 do 10 %). Konstantinos je s sodelavci ugotovil, da je za največjo učinkovitost namakanja v ilovnato peščenih tleh najprimernejši položaj senzorjev 11 cm od kapljične linije in 30 cm globoko v tleh (Konstantinos in sod., 2015). Enako kot Millan s sodelavci (Millan in sod., 2019), so opazili značilna strma nihanja meritev pri globinah manjših od 30 cm. Glede na rezultate študij lahko sklepamo, da je v tleh, v katerih se voda giblje počasneje primernejša manjša globina namestitve senzorjev ter obratno v tleh, kot so peščena.
17
3.3 PREDNOST AVTOMATIZIRANEGA NAMAKALNEGA SISTEMA Z EKONOMSKEGA STALIŠČA
V poskusu v ZDA so bili nameščeni brezžični senzorji pri dveh vrstah okrasnih drevesih v loncih, ameriški dren in rdeči javor. Vsaka vrsta dreves je bila namakana glede na povprečno odčitane podatke senzorjev za merjenje količine vode v tleh, ki so bili posamezno vstavljeni v lonce. Drevesa v drugem bloku je namakal pridelovalec z uporabo običajnih praks. Vsaka vrsta s senzorji je bila brezžično povezana neposredno na glavno linijo, zato da so bile vrste neodvisne. Nameščeni so bili še merilniki pretoka, ki so bili povezani na nR5 ali Em50R vozlišče. Uporabljeni senzorji so bili 10HS (Decagon Devices, Pullman, WA), ki so bili dolgi 10 cm, nameščeni vodoravno. Pridelovalec je nastavil ciklično namakanje 6 minut na cikel in 1-4x dnevno odvisno od sezone. To je bilo prekinjeno ob večjih padavinskih dogodkih. Pri avtomatskem namakanju je namakalo le, ko je bila izmerjena količina vode v tleh pod določeno mejo. Podatki so bili zbrani vsako minuto nato pa poslani kot povprečje na 15 minut (Belayneh in sod., 2013).
V obdobju od marca do novembra 2012, je bilo za namakanje drena s pomočjo senzorjev porabljene 0,34 gal vode/drevo in pri običajni praksi 0,92 gal vode/drevo. Za namakanje javorja je bilo porabljene 1,13 gal vode/drevo s senzorji ter 1,72 gal vode/drevo pri običajni praksi namakanja (1 gal = 3,78 L). Povprečno je bilo dnevno namakanje s pomočjo senzorjev pri namakanju drena za 63 %, pri rdečem javorju pa za 33% manjše kot pri običajni praksi namakanja. Pri namakanju drena je bilo obdobje (julij in november), ko so pri namakanju s pomočjo senzorjev porabili več vode pri običajni praksi, kar nakazuje na zmožnost prilagajanja senzorjev glede na pogoje (Belayneh in sod., 2013).
Preklop na senzorje za merjenje količine vode v tleh je zmanjšal porabo vode za več kot polovico. Zaradi avtomatizacije namakalnega sistema so se stroški zmanjšali za 20.300 USD (≈
17.000 €). Letni stroški namakalnega sistema so 15000 USD/hektar (12.600 €), kar je 4/5 prihranka. Kmetija dobi 5000 USD dobička. S tem dobičkom pokrijemo stroške namakalnega sistema v 2,7 letih. Te razlike postanejo še toliko večje v krajih, kjer je voda zaradi črpana iz večjih globin dražja. Avtomatiziran namakalni sistem je zelo pomemben, še posebej v krajih, kjer je cena vode večja (Belayneh in sod., 2013).
18 4 SKLEPI
Po podatkih FAO je globalno namakanih le 18 % obdelovalnih površin vendar 40 % hrane prihaja iz kmetijstva, kjer uporabljajo namakanje. Le malo namakalnih sistemov je avtomatiziranih. Z naraščanjem prebivalstva in večjega deleža bogatih se bo v prihodnjih desetletjih povpraševanje po kmetijskih pridelkih in proizvodih še povečalo. Svetovni sistem preskrbe s hrano se je na podvojitev svetovnega prebivalstva v zadnjih petih desetletjih odzval z dvakratno proizvodnjo hrane.
Kmetijstvo je največji porabnik vode, saj porabi več kot 70 % sladke vode na svetu, zato je še toliko bolj pomembno, da se avtomatizirani namakalni sistemi razširijo po svetu in postanejo cenovno dostopni tudi manjšim kmetom. Z avtomatizacijo namakalnih sistemov ne le da privarčujemo do 65% vode, temveč tudi energijo. V ZDA se 15 % celotne energije porabi za črpanje namakalne vode. Poleg tega s prekomernim namakanjem povzročamo izpiranje hranil in sredstev za varstvo rastlin iz tal.
Podatki kažejo, da ima približno 1/3 namakanih zemljišč na svetu manjšo količino pridelka zaradi slabega vodenja namakanja, kar povzroča izpiranje hranil in slanost tal. Posledica se kaže tudi v manjši ekonomski produktivnosti. Pogosto je škodljiv vpliv namakanja posledica namakanja samega, ki pa se z neustreznim delovanjem sistema še povečuje. Po podatkih se zaradi nepravilnega namakanja izgubi do 50 % vode. Kmetijstvo je s pravilno uporabo namakalnih sistemov vsaj dvakrat bolj produktivno kot tisto brez.
Glavni komponenti avtomatiziranega namakalnega sistema sta terenska in programska oprema.
Na podlagi podatkov senzorjev za merjenje količine vode v tleh in podatkov vremenske postaje izvede namakanje brez posega človeka. Za pravilno delovanje morajo biti meritve senzorjev kakovostne, na kar vplivajo hidravlične lastnosti tal, struktura korenin in lokacija senzorjev. Po podatkih je globina senzorjev za merjenje količine vode v tleh najprimernejša med 30 in 60 cm, kar dokazuje trditev, da je v prvih 25 % globine korenin od površine, povprečno 40% vse dostopne vode rastlini.
Avtomatski namakalni sistem predstavlja velik strošek z relativno kratko življenjsko dobo, vendar pa se ob zmanjšanju črpanja in rabe vode celotni namakalni sistem poplača v 2,7 letih.
19 5 POVZETEK
V zadnjem času se je pomen avtomatskim namakalnih sistemov povečal in na raziskovalni ravni zelo razširil. V projektu ŠIPK KOREOLJKA smo z izkopom oljke določili lokacijo korenin in fiziološke ter kemične lastnosti tal v njihovem območju. Pregled literature na temo avtomatiziranega namakanja nakazuje na način, ki doprinese k manjši porabi vode in s tem zmanjšanemu obremenjevanju okolja.
Namakanje ima veliko vplivov na okolje, ki pa sprva niso očitni, zato je pomembna ohranitev in zaščita naravnih virov ter zmanjšanje škodljivih učinkov na okolje. Voda je eden najdragocenejših omejenih naravnih virov, na katero z naraščanjem prebivalstva in spreminjanja podnebnih sprememb še dodatno pritiskamo. Z neprimernim namakanjem ne le prihaja do izgub vode, temveč tudi do izpiranja hranil in sredstev za varstvo rastlin v tla.
Trajnostno namakanje je namakanje, kjer se uporabi prava količina vode v primernem času in v optimalnih pogojih. To lahko dosežemo z avtomatskimi namakalnimi sistemi, kjer je namakanje tesno povezano z učinkovito rabo vode z namenom povečanja produktivnosti in izboljšanja kakovosti pridelka ob zmanjšanju okolijskih in družbenih stroškov. Avtomatiziran sistem deluje na podlagi algoritma, ki združuje razpored namakanja na osnovi vodne bilance z mehanizmom povratne prilagoditve s pomočjo senzorjev, ki neprekinjeno merijo količino vode v tleh.
Tekstura in struktura tal določata, koliko vode je lahko shranjene v tleh in bo zato na voljo rastlinam.
Avtomatiziran namakalni sistem temelji na sistemu, ki lahko izvaja namakanje brez človekovega posredovanja. Sistem sestavljata dve glavni komponenti: (1) terenska oprema v katero spadajo različni senzorji, med katerimi so najpomembnejši senzorji za merjenje količine vode v tleh, senzorji za nadzor porabe vode, krmilnik in shranjevalnik podatkov, (2) programska oprema, kjer spletna platforma zajema podatke senzorjev in podatke vremenskih postaj ter jih interpretira. Podatki, ki jih je sistem zajel in zabeležil v prvi sezoni, omogoči prilagoditev delovanja za drugo sezono, kar dokazuje sposobnost samodejnega učenja sistema.
Avtomatski namakalni sistem se lahko uporablja na prostem, kot tudi v rastlinjakih. Za dodatno doseganje kakovosti pridelka obstaja metoda RDI, ki zagotavlja avtomatizirano namakanja pod teoretičnimi potrebami pridelka po vodi v določenem obdobju fenofaz. Učinkovitost namakanja se zelo razlikuje glede na parametre namakalne linije, globino senzorjev, vrsto tal ter značilnosti mikroklime. Za pridobivanje podatkov o količini vode v tleh so potrebni senzorji za merjenje količine vode v tleh, katerih lokacija mora biti primerna. Slab položaj senzorjev za merjenje količine vode v tleh, lahko povzroči premajhno ali prekomerno namakanje, ki izniči namen namakalnega sistema.
20 6 VIRI
Barman A., Neogi B., Souvik P. 2020. Solar-powered automated drip irrigation system. V: IoT and analytics for agriculture. Springer: 27-45
Belayneh B. E., Lea-Cox J.D., Lichtenberg E. 2013. Costs and benefits of implementing sensor- controlled irrigation in a commercial pot-in-pot container nursery. HortTechnology, 23, 6:
760-769
Burnett S. E., van Iersel M. W. 2008. Morphology and irrigation efficiency of Gaura lindheimeri grown with capacitance sensor-controlled irrigation. HortScience, 43, 5: 1555-1560
Chenoweth J. 2008. Minimum water requirement for social and economic development.
Desalination, 229: 245-256
D'Odorico P, Chiarelli DD, Rosa L, Bini A, Zilberman D, Rulli MC. 2020. The global value of water in agriculture. Proceeding of the National Academy Science of the United States of America, 117, 36: 21985-21993
Duchemin M., Hogue R. 2009. Reduction in agricultural non-point source pollution in the first year following establishment of an integrated grass/tree filter strip system in southern Quebec (Canada). Agriculture Ecosysttems Environment, 131: 85-97
Dukes M.D., Munoz-Carpena R., Zotarelli L., Icerman J., Scholberg J.M.S. 2007. Soil moisture- based irrigation control to conserve water and nutrients under drip irrigated vegetable
production. Estudios de la Zona No Saturada del Suelo, 7: 229-236 Evropska agencija za kmetijstvo. 2012. Voda za kmetijstvo.
https://www.eea.europa.eu/sl/articles/voda-za-kmetijstvo (12.7.2021)
Garcia L., Parra L., Jimenez J.M., Lioret J., Lorenz P. 2020. IoT-based smart irrigation systems:
An overview on the recent trends on sensors and IoT systems for irrigation in precision agriculture. Sensors, 20, 4, 1042, doi:10.3390/s20041042: 48 str.
García-Tejero I.F., Durán-Zuazo V.H., Muriel-Fernández, J.L., Rodríguez-Pleguezuelo, C.R.
2011. Water and sustainable agriculture. Dordrecht, Springer: 94 str.
Gleick P. H. 2002. Water management: Soft water paths. Nature, 418: 373
Hodges A. W., Lynne G.D., Rahmani M., Casey C.F. 1996. Adoption of energy and water- conserving irrigation technologies in Florida. Fact Sheet. Institute of Food and Agricultural Sciences, No. 103: 6 str.
https://p2infohouse.org/ref/12/11357.pdf (12.7.2021)
Kochhar A., Kumar N. 2019. Wireless sensor networks for greenhouses: An end-to-end review.
Computer and Electronics in Agriculture, 163, doi: 10.1016/j.compag.2019.104877: 15 str.
Konstantinos X. S., Elmaloglou S., Dercas N. 2005. Investigating the effects of soil moisture sensors positioning and accuracy on soil moisture based drip irrigation scheduling systems.
Agricultural Water Management, 148: 258-268
Lea-Cox J. D., Bauerle W.L., van Iersel M.W., Kantor G.F., Bauerle T.L., Lichtenberg E., King M. D., Crawford L. 2013. Advancing wireless sensors networks for irrigation management of ornamental crops: An overview. HortTechnology, 23, 6: 717-724
21
Liao R., Zhang S., Zhang X., Wang M., Wu H., Zhangzhong L. 2021. Development of smart irrigation systems based on real-time soil moisture data in a greenhouse: Proof of concept.
Agricultural Water Management, 245, doi: 10.1016/j.agwat.2020.106632: 9 str.
Matson P. A., Parton W.J., Power A.G., Swift M.J. 1997. Agricultural intensification and ecosystem properties. Science, 277: 504-509
Millan S., Campillo C., Casadesus J., Perez-Rodriguez J.M., Prieto M.H. 2020. Automatic irrigation scheduling on a hedgerow olive orchard using an algorithm of water balance readjusted with soil moisture sensors. Sensors, 20, 9, 2526, doi: 10.3390/s20092526: 23 str.
Millan S., Casadesus J., Campillo C., Monino M.J., Prieto M.H. 2019. Using soil moisture sensors for automated irrigation scheduling in a plum crop. Water, 11(10), 2061, doi:
10.3390/w11102061: 18 str.
Miralles-Crespo J., van Iersel M. W. 2011. A calibrated time domain transmissometry soil moisture sensor can be used for precise automated irrigation of container-grown plants.
HortScience. 46, 6: 889-894
Montesano F. F., van Iersel M.W., Parente A. 2016. Timer versus moisture sensor-based irrigation control of soilless lettuce: Effect on yield, quality and water use efficiency.
Horticulture Science, 43, 2: 67-75
Navarro-Hellin H., Torres R, Soto F., Albaladejo-Perez C., Lopez-Riquelme J.A., Domingo R.
2014. A wireless sensors architecture for efficient irrigation water management. Agricultural Water Management, 151: 64-74
Osroosh Y., Peters R.T., Campbell C.S, Zhang Q. 2016. Comparison of irrigation automation algorithms for drip-irrigated apple trees. Computers and Electronics in Agricultur, 128: 87-99 Pughazendi N., Muthukumaravel M., Sushil M., Sai Manohar V. 2018. Soil moisture sensor-
based systems are suitable gor monitoring and controlling irrigation of greenhouse crops.
HortScience, 53, 4: 552-559
Saab A., Jomaa I., Skaf S., Fahed S., Todorovic M. 2019. Assessment of a smartphone
application for real-time irrigation scheduling in mediterranean environments. Water, 11, 2, 252, doi: 10.3390/w11020252: 18 str.
Shankar V., Ojha C.S.P., Hari Prasad K.S. 2012. Irrigation scheduling for maize and Indian- mustard based on daily crop water requirement in a semi-arid region. International Science Index, Agricultural and Biosystems Engineering, 6, 3: 476–485
Southworth J., Randolph J.C, Habeck M., Doering O.C., Pfeifer R.A., Rao D.G., Johnston J.J.
2000. Consequences of future climate change and changing climate variability on maize yields in the Midwestern United States. Agriculture, Ecosystems and Environment, 82: 139- 158
Tuijl W. 1993. Improving water use in agriculture: experience in the Middle East and North Africa. 201 št. Washington, D.C. World Bank Technical Paper: 76 str.
Velasco-Muñoz JF, Aznar-Sánchez JA, Belmonte-Ureña LJ, López-Serrano MJ. 2018.
Advances in Water Use Efficiency in Agriculture: A Bibliometric Analysis. Water, 10, 4:
377, doi: 10.3390/w10040377: 17 str.
Vorosmarty C. J., Green P., Salisbury J., Lammers R. B. 2000. Global water resources:
vulnerability from climate change and population growth. Science, 289: 284-288
22
Water Conservation Factsheet. 2015. Irrigation scheduling with tensiometers.
https://www2.gov.bc.ca/assets/gov/farming-natural-resources-and-industry/agriculture-and- seafood/agricultural-land-and-
environment/water/irrigation/5771002_irrigation_scheduling_with_tensiometers.pdf (12.7.2021)
Wheeler W. D., Thomas P., van Iersel M., Chappell M. 2018. Implementation of sensor-based automated irrigation in commercial floriculture production: A case study. HortTechnology, 28, 6: 719-727
World Bank. 2003. World Development Report: Sustainable development in a dynamic world- transforming institutions, growth, and quality of life. The World Bank.
https://openknowledge.worldbank.org/handle/10986/5985 (12.7.2021)
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorici prof. dr. Marini Pintar za strokovno pomoč in nasvete pri nastanku diplomskega dela.
Hvala vsem sodelujočim v projektu ŠIPK KOREOLJKA za navdih in novo zanimanje.
Zahvaljujem se družini za podporo v času celotnega študija, še posebej sestri Tini.
Hvala tudi sošolcem za pomoč in zabavo, ko je bila ta res potrebna.
