Два подхода к оптимизации продуктивности водопользования
Исследователи из Службы сельскохозяйственных исследований (Agricultural Research Service, ARS) в Бушленде (Техас) помогают фермерам максимально эффективно использовать водные ресурсы в регионе, зависящем от водоносного горизонта Огаллала — огромного подземного резервуара, находящегося под постоянной угрозой истощения из-за чрезмерного использования.
Стив Эветт, Сьюзан О’Шонесси и их коллеги из Лаборатории исследований сохранения ресурсов и продуктивности разрабатывают и тестируют датчики влажности почвы и стресса растений, а также системы автоматического полива, которые орошают поля только при необходимости. Такие системы считаются ключевыми для устойчивого использования водоносного горизонта и помогают аграриям снижать затраты на воду и труд.
Исследователи развивают системы автоматического полива на основе двух взаимодополняющих подходов. Одна система подаёт воду на основе уровня водного стресса сельхозкультур, который детектируют беспроводные датчики, установленные на надземных подвижных трубопроводах коммерческих ирригационных систем. Другая система адаптирует для сельского хозяйства сенсорные технологии, разработанные для городских условий; она запускает полив на основе данных о влажности почвы от датчиков, установленных в фиксированных точках в грунте.
Контроль потребности в воде с поверхности
Учёные подтвердили эффективность системы автоматического полива в полевых исследованиях, сравнивая её с ручным управлением на основе мониторинга влажности почвы нейтронным зондом. В одном двухлетнем исследовании на сорго использовались 16 прототипов беспроводных датчиков на системе кругового полива для мониторинга температуры растительного покрова. Данные обрабатывались компьютером, который автоматически планировал и проводил полив в нужное время и в нужном месте. Исследователи разработали систему, использующую непрерывные измерения в течение дня и рассчитывающую Интегрированный индекс водного стресса сельхозкультур (Integrated Crop Water Stress Index, iCWSI).
Результаты, опубликованные в 2012 году в журнале Agricultural Water Management, показали, что автоматизированный метод планирования полива был так же эффективен, как и ручной, как при полном, так и при дефицитном орошении, давая схожую урожайность зерна и эффективность использования воды.
В рамках соглашения о совместных исследованиях и разработках (CRADA) команда интегрирует разработанные в ARS сенсорные сети и систему управления поливом с системами полива переменной нормой и круговыми системами компании Valmont Industries. Учёные также разрабатывают сенсорные технологии, которые позволят устанавливать уровень полива на основе данных по конкретному участку, обновляемых с учётом меняющихся погодных условий.
Контроль состояния воды под поверхностью почвы
Для автоматической системы полива с использованием подземных датчиков Эветт и его коллеги заключили CRADA с компанией Acclima, Inc. для создания почвенного влагомерного датчика, предназначенного для глубоких и точных измерений. Исследователи разрабатывают новую технологию, использующую рефлектометрию во временной области (time-domain reflectometry). Используются полые непроводящие пластиковые трубки, которые можно заглублять в почву на большую глубину.
Тестирование прототипов показало осуществимость подхода. ARS и Acclima подали заявку на патент на эту технологию, которая также включает возможность оценки засолённости почвы. Сочетание этих сенсорных систем и совершенствование алгоритмов управления на основе многолетних данных повысит надёжность и эффективность решения для автоматизации полива.