Determinarea necesarului de apă a diferitelor culturi irigate

Datorită creșterii populației și schimbărilor climatice, cererea pentru resursele de apă a crescut considerabil, irigațiile privând alte sectoare industriale de resursele de apă. Astfel, este foarte important să ne concentrăm atenția pentru a găsi soluții de utilizare mai eficientă a apei care să asigurare producție agricolă bună într-o manieră sustenabilă. Astfel de practici constau cel puțin în planificarea optimă a irigațiilor utilizând sisteme de irigații inteligente, controlate de la distanță, cuplate cu sisteme de monitorizare a solului, plantelor și resurselor de apă, etc. [1]. Agricultura de precizie asigură soluții pentru diferite probleme legate de resursele utilizate de fermieri incluzând apa pentru irigații. Sistemele convenționale de irigații nu țin seama atât de mult de schimbările care apar în sol precum și de apă care determinând evapotranspirația, rezultând uneori în utilizarea unei cantități de apă mai mari decât cea necesare, scurgerea fertilizatorilor și a apei pe suprafețe, băltirea, percolarea, stres asupra plantelor. Cunoscând momentul și cantitatea de apă care trebuie asigurată culturilor, poate fi crescută eficiența utilizării apei. Pentru a face aceasta este necesară o înțelegere complexă a utilizării apei de către plante în conexiune cu caracteristicile solului și condițiile climatice. În acest context, determinarea cantității de apă consumate de culturi este un element crucial. Acest lucru poate fi făcut prin următoarele tehnici [2]:

1. Utilizarea lizimetrelor

2. Evaluarea consumului de apă

3. Evaluarea evoluției umidității în sol

Figure 1 Schematics of water circuit.

Considerații generale legate de evapotranspirație

Apa din sol este consumată și prin evapotranspirație ceea ce contribuie la formarea masei vegetale a culturilor. Biomasa încorporează puțin peste 1% din apa consumată prin evapotranspirație, restul apei fiind translocată din sol de către plantă și contribuind la diferite procese fiziologice cum ar fi reglarea temperaturii, absorbție, asimilație și alte procese. Transpirația depinde în principal de umiditatea solului și de necesarul de apă al atmosferei. Dacă solurile au o cantitate suficientă de apă, intensitatea transpirație este reglată de conținutul de apă al atmosferei, dar dacă solul nu are suficientă apă, rata de transpirație scade rapid. Pentru necesare de apă ridicate (peste 3 mm pe zi), rata de transpirație scade chiar dacă solul are o umiditate bună iar acest lucru se face prin reducerea dimensiunilor stomatelor. Desigur, transpirația depinde și de specia cultivată și stadiul de dezvoltare al plantelor, așa cum am discutat într-un capitol anterior legat de necesitățile de apă ale culturilor.

În practicile agricole, un parametru important este cantitatea totală de apă pierdută prin evapotranspirație, ET. În general în condițiile de climat temperat în emisfera nordică, cea mai mare cantitate de apă consumată este înregistrat în luna iulie atunci când majoritatea culturilor au cantitatea maximă de biomasă, temperatura solului și aerului sunt ridicate, iar nebulozitatea scăzută. Consumul zilnic mediu de apă variază puternic în funcție de dinamica creșterii plantelor, succesiunea fazelor vegetative și factori meteorologici, mai ales modificări ale temperaturii. Primăvara, culturile care au o perioadă de vegetație lungă au un consum zilnic care crește în timp și atingând o valoare maximă în timpul fazelor critice pentru umiditate – înflorirea, formare a semințelor și coacerea - atunci când plantele sunt dezvoltate pe deplin și au o rată de transpirație mare. Aceste faze corespund și cu necesitățile cele mai mari de evapotranspirație ale atmosferei datorită creșterii temperaturii, deficitului de saturație a vaporilor de apă și intensității vântului. După fazele critice ale creșterii plantelor, consumul total de apă scade.

Evapotranspirația poate fi exprimată utilizând mai multe mărimi:

Evapotranspiraţia potenţială (ETP) reprezintă cantitatea de apă care ar fi evaporată și transpirată de o anumită cultură, sol sau ecosistem dacă există suficientă apă disponibilă. Această mărime definește consumul de apă în sol atunci când umiditatea acestuia este apropiată de capacitatea de câmp și terenul este acoperit cu un covor vegetal bine încheiat și activ, cu înălțimea de 15 -20 cm. În această ipostază, nici umiditatea solului și nici stadiul de dezvoltare a plantelor nu sunt factori limitativi ai evapotranspirației care corespunde în principal cu cerința de evaporare a atmosferei.

Evapotranspiraţia reală maximă (ETRM) reprezintă consumul de apă în condițiile în care solul este bine aprovizionat cu apă iar planta (o anumită cultură) acoperă terenul corespunzător stadiului ei de dezvoltare și tehnologiei de cultivare. În această situație, planta este singurul factor care influențează evapotranspiraţia.

Evapotranspiraţia reală optimă (ETRO) reprezintă consumul de apă la o umiditatea solului între capacitatea de câmp și umiditatea minimă care favorizează obținerea recoltei eficientă economic, iar planta se găsește în faza de vegetație corespunzătoare stadiului ei de dezvoltare. În acest caz, influența umidității solului asupra evapotranspiraţiei este aproape neglijabilă; singura limitare apare datorită apei consumate de plantă în funcțiile de nevoile corespunzătoare stadiului ei de dezvoltare.

Evapotranspiraţia reală (ETR) exprimă consumul de apă în condiții normale, adică atunci când umiditatea solului este corespunzătoare elementelor meteorologice locale. Valoarea acestui parametru este influențată atât de umiditatea solului cât și de plantă. Relația între cele patru categorii de evapotranspiraţie este:

Evaluarea consumului de apă al culturilor irigate

Pentru determinarea consumului de apă la culturile irigate se folosesc metode directe și metode indirecte. Metodele directe se bazează pe calcule în câmp care urmăresc evaluarea bilanțului apei în sol folosind metoda parcelei sau metoda lizimetrelor [3].

Metoda parcelei în regim optim de irigare este o metodă de referință pentru stabilirea consumului de apă al culturilor irigate și constă în amenajarea unor parcele de irigare - cu respectarea normelor tehnici experimentale - pe care se aplică un regim optim de irigare. În acest mod, pe întreaga durată a sezonului de vegetație se asigură în sol, pe adâncimea (H) în care este răspândită masa principală de rădăcini ale plantei, umiditatea în intervalul capacității de apă ușor accesibilă, fără să se producă pierderi de apă prin scurgere la suprafață sau prin percolarea stratului radicular (H). Se urmărește îndeaproape dinamica umidității solului între semănare și culegerea recoltei pentru o anumită cultură, cu măsurători efectuate la decadă sau bilunar și după fiecare eveniment de precipitații sau irigare. Necesarul de apă în irigații se determină și se exprimă ca media consumului zilnic (exprimat în m³/ha⋅zi) utilizând următoarea ecuație:

ETRO = R_i + P_v + M − R_f

unde ETRO este consumul de apă în perioada studiată, R_i reprezintă rezervele de apă din sol la începutul intervalului de timp, P_v reprezintă cantitatea provenită din precipitații care au avut loc în perioada studiată, M este suma cantităților de apă suplimentate plantelor pentru a menține o umiditate a solului între capacitatea câmpului și umiditatea minimă, iar R_f reprezintă rezerva de apă din sol la finalul perioadei considerate.

Această metodă are avantajul că permite cea mai precisă estimare a consumului de apă de către culturile irigate. Are și inconveniente constând în volumul mare de muncă necesar pentru recoltarea probelor și determinarea umidității solului, precum și în imposibilitatea evitării și evaluării precise a pierderilor de apă prin scurgere și mai ales prin percolare sub adâncimea de 1,5 m.

Metoda lizimetrelor utilizează bazine paralelipipedice sau cilindrice, cu o suprafață de 1 - 4 m² și adâncimea de 0,8 - 1,2 m, confecționate din tablă groasă de 2 - 3 mm sau din beton. La partea inferioară un astfel de vas este prevăzut cu o conductă care asigură evacuarea apei în exces. Pe fundul lizimetrului se așază un strat drenant de 30 - 35 cm peste care se depune masivul de sol în care se cultivă cu planta al cărui consum de apă urmează a fi determinat. Lizimetrele se instalează în câmp, în baterii de câte 3 bucăți pentru fiecare cultură, în incinta unei parcele irigate cu suprafața de aproximativ 0,25 ha. Toate operațiile se efectuează în aceleași condiții în care se aplică lucrările la aceeași cultură în câmp.

Aprovizionarea cu apă a solului din lizimetru se poate face prin stropiri periodice sau prin alimentare dintr-un rezervor cu nivel constant, situat deasupra stratului drenant, pe principiul vaselor comunicante. Alimentarea lizimetrului cu apă prin udări periodice de suprafață este cea mai simplă și în plus, simulează condițiile naturale de aprovizionare cu apă a plantelor, udările realizându-se cu o periodicitate de 5 zile. Se aplică norme de udare care să depășească cu puțin capacitatea de reținere a solului. Surplusul de apă ce se evacuează prin conducta de la baza lizimetrului se captează și se măsoară riguros. Proviziile de apă din sol la însămânțare (R_i) și la recoltare (R_f) se stabilesc prin prelevare de probe de sol. În acest caz:

ETRM = R_i + P_v + M − R_f − D

în care toți parametrii sunt cei menționați anterior, iar D reprezintă cantitatea de apă drenată din lizimetru.

Estimarea necesarului pentru irigații prin metoda lizimetrică permite calcularea precisă a maximului evapotranspirației pe perioade de timp scurte, ceea ce permite monitorizarea variațiilor necesarului apei în diferite stadii de dezvoltare a unor culturi, a fazelor critice și dependența de condițiile meteorologice inoportune cum ar fi temperaturile foarte ridicate, ploi puternice și altele.

Metodele indirecte sunt fundamentate pe dependența consumului de apă al plantelor de caracteristicile unor elemente climatice, prezentând avantajele de a fi operative și economice și asigurând în același timp obținerea de rezultate satisfăcătoare. Legătura între consumul de apă al plantelor și factorii climatici specifici zonei este exprimată de diverși cercetători prin formule empirice cu ajutorul cărora se poate calcula evapotranspiraţia. O largă răspândire o au, de asemenea, metodele indirecte de determinare a consumului de apă care se bazează pe valorile evaporaţiei apei măsurate cu evaporimetrele. În condițiile naturale din România s-a constatat că, cele mai potrivite metode indirecte pentru determinarea evapotranspiraţiei sunt metoda propusă de Thornthwaite şi metoda care se bazează pe evaporaţia apei. Metoda Thornthwaite exprimă evapotranspiraţia potențială ca funcție de temperatura medie lunară a aerului, multiplicată cu un coeficient de corecție dependent de latitudinea locului:

$ETP = 160 \bullet \left( \frac{10 \bullet t_{n}}{I} \right)^{a} \bullet k_{\phi}$

unde ETP este evapotranspirația potențială, t_n este temperatura medie a lunii pentru care se calculează ETP, I este indicele termic anual al zonei, egal cu suma indicilor termici lunari I = i_n, $i_{n} = \left( \frac{t_{n}}{5} \right)^{1.514}$ este indicele termic lunar (pentru temperaturi medii lunare negative, indicele termic se conisderă zero)

Metoda bazată pe măsurarea evaporației apei se folosește pe scară pentru determinarea necesarului de apă pentru irigații. Măsurarea evaporației se face cu ajutorul evaporimetrelor Piche şi Bac clasa A. Pentru obținerea valorilor (ETRO), datele de evapotranspiraţie se înmulțesc, ca și valorile calculate cu formula Thornthwaite, cu coeficienții (k_p) de corecție empirici specifici, în funcție de specie, lună calendaristică și zonă climatică. Metodologia stabilirii coeficienților de corecție (K_p) constă în urmărirea consumului de apă (prin metoda parcelei în regim optim de irigație) în paralel cu evaporația în evaporimetre și efectuarea raportului între cele două consumuri medii, diferențiat pe culturi și pe intervale de timp caracteristice: $K_{p} = \frac{ETRO}{E_{p}}$

unde E_p reprezintă apa colectată în același interval de timp în evaporimetru. Folosirea evaporimetrelor pentru estimarea consumului de apă al plantelor este avantajoasă deoarece aceste instrumente sunt simple din punct de vedere constructiv, putând fi confecționate pe plan local cu cheltuieli mici iar, pe de altă parte, evaporimetrele se exploatează și se întrețin ușor fără a fi necesar un personal cu calificare specială.

Evaporimetrul „Piche” (Figura 3) este alcătuit dintr-o eprubetă de 30 cm, divizată în mm și o rondea cu diametrul de 3 cm, din hârtie de filtru, ce poate fi aplicată pentru a acoperi gura eprubetei cu ajutorul unei cleme de fixare. Dispozitivul se poate atârna de un stativ. Acest evaporimetru determină rata de evaporare a apei de pe suprafața discului de hârtie care este menținut umed în mod constant. Citirile se fac zilnic în același interval orar.

Figura 4. Evaporimetru Bac de clasă A.

Bibliografie

1. Bwambale, E.; Abagale, F.K.; Anornu, G.K. Smart irrigation monitoring and control strategies for improving water use efficiency in precision agriculture: A review, Agricultural Water Management, 260 (2022), 107324.

2. Erie, L.J.; French, O.F.; Bucks, D.A.; Haris, K. Consumptive use of water by major crops in southwestern United States, United States Department of Agriculture, Conservation Research Report Number 29.

3. Pütz, T.; Groh, J. in Encyclopedia of Soils in the Environment (Second Edition), 2023, volume 5, 667-679, Elsevier.

4. Willmott, C.J., C.M. Rowe, and Y. Mintz, 1985. Climatology of the terrestrial seasonal water cycle. Journal of Climatology 5: 589-606.

5. Aschonitis, V.; Touloumidis, D.; ten Veldhuis, M.C.; Coenders-Gerrits, M. Correcting Thornthwaite potential evapotranspiration using a global grid of local coefficients to support temperature-based estimations of reference evapotranspiration and aridity indices. Earth System Science Data, 2021, https://doi.org/10.5194/essd-2021-115.