21/07/2023
Efektywne nawadnianie jest kluczowe dla uzyskania wysokich plonów i zrównoważonego rolnictwa. Jedną z powszechnie stosowanych metod planowania nawadniania jest metoda bilansu wodnego. Umożliwia ona precyzyjne określenie potrzeb wodnych roślin, minimalizując straty wody i optymalizując wzrost upraw. W niniejszym artykule szczegółowo omówimy, na czym polega ta metoda, jakie są jej kluczowe elementy i jak ją praktycznie zastosować.
- Na czym polega metoda bilansu wodnego?
- Kluczowe pojęcia i elementy bilansu wodnego
- Równanie bilansu wodnego
- Szacowanie ewapotranspiracji upraw (ETc)
- Zarządzanie dopuszczalnym ubytkiem (MAD)
- Praktyczne zastosowanie metody bilansu wodnego – przykład uprawy fasoli szparagowej
- Zalety i wady metody bilansu wodnego
- Najczęściej zadawane pytania (FAQ)
- Podsumowanie
Na czym polega metoda bilansu wodnego?
Metoda bilansu wodnego, zwana również metodą księgowania wody w glebie, to technika planowania nawadniania, która monitoruje deficyt wody w strefie korzeniowej roślin. Opiera się na śledzeniu wszystkich dodatków i ubytków wody z tej strefy. Głównym ubytkiem jest ewapotranspiracja upraw (ETc), czyli łączne parowanie wody z gleby i transpiracja z roślin. Dodatkami są opady atmosferyczne i nawadnianie.
Istotą metody jest utrzymywanie bilansu pomiędzy ilością wody dostarczanej do gleby a ilością wody zużywanej przez rośliny. Dzięki temu można uniknąć zarówno przesuszenia, jak i przelania gleby, co ma kluczowe znaczenie dla zdrowia i plonowania upraw.
Kluczowe pojęcia i elementy bilansu wodnego
Aby prawidłowo stosować metodę bilansu wodnego, należy zrozumieć kilka podstawowych pojęć:
- Ewapotranspiracja upraw (ETc): Jest to suma transpiracji wody przez rośliny i parowania wody z powierzchni gleby. ETc reprezentuje zapotrzebowanie roślin na wodę i jest wyrażane zazwyczaj w milimetrach lub calach na dzień.
- Pojemność wodna gleby (AWC): To ilość wody dostępnej dla roślin w glebie, mieszcząca się pomiędzy polową pojemnością wodną (FC) a punktem trwałego więdnięcia (PWP). FC to maksymalna ilość wody, jaką gleba może utrzymać po nasyceniu i odpływie grawitacyjnym, natomiast PWP to punkt, w którym roślina nie jest już w stanie pobierać wody z gleby i trwale więdnie. AWC jest kluczowym parametrem określającym zdolność gleby do magazynowania wody dla roślin.
- Deficyt wody w glebie (D): Różnica pomiędzy polową pojemnością wodną a aktualną zawartością wody w glebie. Deficyt wody wskazuje, ile wody należy dodać, aby przywrócić glebę do polowej pojemności wodnej.
- Zarządzanie dopuszczalnym ubytkiem (MAD): Procent dostępnej pojemności wodnej (AWC), który może zostać zużyty przez rośliny przed wystąpieniem stresu wodnego. Utrzymywanie deficytu wody poniżej MAD minimalizuje stres wodny i zapewnia optymalny wzrost roślin.
- Głębokość strefy korzeniowej (Drz): Głębokość gleby, z której rośliny pobierają wodę. Głębokość ta zmienia się w zależności od gatunku rośliny i fazy rozwojowej.
Równanie bilansu wodnego
Podstawowym narzędziem metody bilansu wodnego jest równanie bilansu wodnego, które pozwala obliczyć deficyt wody w glebie na dany dzień:
Dc = Dp + ETc - P - Irr
Gdzie:
- Dc - deficyt wody w glebie na dzień bieżący
- Dp - deficyt wody w glebie na dzień poprzedni
- ETc - ewapotranspiracja upraw na dzień bieżący
- P - opady atmosferyczne na dzień bieżący
- Irr - ilość wody z nawadniania, która przeniknęła do gleby na dzień bieżący
Jeśli wartość Dc staje się ujemna, należy ustawić ją na 0.0, co oznacza, że gleba osiągnęła polową pojemność wodną, a nadmiar wody został odprowadzony przez spływ powierzchniowy lub głęboką perkolację.
Szacowanie ewapotranspiracji upraw (ETc)
Dokładne oszacowanie ewapotranspiracji upraw (ETc) jest kluczowe dla efektywnego stosowania metody bilansu wodnego. Istnieje kilka sposobów na uzyskanie wartości ETc:
Korzystanie z danych meteorologicznych (CoAgMet)
Sieci meteorologiczne, takie jak Colorado Agricultural Meteorological Network (CoAgMet), dostarczają codziennych wartości ETc dla różnych upraw. CoAgMet oblicza ETc na podstawie danych pogodowych i współczynników upraw, uwzględniając fazę rozwojową roślin. Dostęp do danych CoAgMet jest szczególnie przydatny w regionach, gdzie sieć ta jest dostępna.
Użycie atmometrów
Atmometry to urządzenia terenowe, które symulują ewapotranspirację roślin referencyjnych, takich jak lucerna lub trawa. Atmometr składa się z porowatej ceramicznej kopułki pokrytej zieloną tkaniną, która naśladuje baldachim roślinny, oraz zbiornika z wodą destylowaną. Mierząc spadek poziomu wody w zbiorniku atmometru, można oszacować ETc roślin referencyjnych. Wartości ETc dla konkretnych upraw uzyskuje się, mnożąc ETc roślin referencyjnych przez odpowiednie współczynniki upraw (Kc).
Współczynniki upraw (Kc)
Współczynniki upraw (Kc) odzwierciedlają różnice w zapotrzebowaniu na wodę pomiędzy różnymi gatunkami roślin i fazami ich rozwoju. Kc jest stosunkiem ETc danej uprawy do ETc uprawy referencyjnej. Wartości Kc wahają się zazwyczaj od 0.2 dla młodych siewek do 1.0 lub więcej dla roślin w pełni rozwiniętych. Tabele współczynników upraw są dostępne dla wielu powszechnie uprawianych roślin i faz rozwojowych.
Tabela 1: Reprezentatywne współczynniki upraw (Kc) dla powszechnie uprawianych roślin do stosowania z lucerną referencyjną ET (ETr).
| Dni od siewu lub zazielenienia | Kukurydza | Fasola szparagowa | Ziemniaki | Pszenica ozima | Cebula z rozsady | Jare zboża (jęczmień, owies, ETc) | Buraki cukrowe | Lucerna | Pastwisko |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 5 | 0.25 | 0.23 | 0.22 | 0.30 | 0.38 | 0.20 | 0.19 | 0.25 | 0.33 |
| 10 | 0.25 | 0.30 | 0.21 | 0.33 | 0.38 | 0.25 | 0.20 | 0.43 | 0.33 |
| 15 | 0.26 | 0.33 | 0.26 | 0.44 | 0.39 | 0.32 | 0.20 | 0.82 | 0.45 |
| 20 | 0.27 | 0.44 | 0.33 | 0.52 | 0.40 | 0.40 | 0.21 | 0.82 | 0.56 |
| 25 | 0.27 | 0.57 | 0.40 | 0.65 | 0.42 | 0.50 | 0.22 | 1.00 | 0.68 |
| 30 | 0.29 | 0.71 | 0.50 | 0.74 | 0.43 | 0.60 | 0.27 | 1.00 | 0.79 |
| 35 | 0.35 | 0.89 | 0.59 | 0.82 | 0.45 | 0.69 | 0.30 | 1.00 | 0.79 |
| 40 | 0.41 | 1.00 | 0.70 | 0.89 | 0.46 | 0.78 | 0.33 | 1.00 | 0.79 |
| 45 | 0.49 | 1.00 | 0.73 | 0.95 | 0.47 | 0.88 | 0.36 | 1.00 | 0.79 |
| 50 | 0.58 | 1.00 | 0.81 | 1.00 | 0.48 | 0.96 | 0.38 | 1.00 | 0.79 |
| 55 | 0.67 | 1.00 | 0.87 | 1.00 | 0.50 | 1.00 | 0.43 | 1.00 | 0.79 |
| 60 | 0.73 | 1.00 | 0.94 | 1.00 | 0.52 | 1.00 | 0.50 | 0.33* | 0.79 |
| 65 | 0.78 | 1.00 | 0.95 | 1.00 | 0.56 | 1.00 | 0.55 | 0.45 | |
| 70 | 0.86 | 1.00 | 0.95 | 1.00 | 0.59 | 1.00 | 0.60 | 0.77 | |
| 75 | 0.91 | 0.92 | 0.95 | 1.00 | 0.61 | 1.00 | 0.66 | 1.00 | |
| 80 | 0.94 | 0.85 | 0.95 | 1.00 | 0.65 | 0.93 | 0.77 | 1.00 | |
| 85 | 1.00 | 0.79 | 0.95 | 0.92 | 0.67 | 0.85 | 0.84 | 1.00 | |
| 90 | 1.00 | 0.73 | 0.95 | 0.85 | 0.74 | 0.77 | 0.92 | 1.00 | |
| 95 | 1.00 | 0.66 | 0.95 | 0.72 | 0.78 | 0.61 | 1.00 | 1.00 | |
| 100 | 1.00 | 0.59 | 0.95 | 0.58 | 0.81 | 0.45 | 1.00 | 1.00 | |
| 105 | 0.98 | 0.52 | 0.95 | 0.48 | 0.81 | 0.29 | 1.00 | *po cięciu | |
| 110 | 0.96 | 0.45 | 0.95 | 0.35 | 0.81 | 0.23 | 1.00 | ||
| 115 | 0.91 | 0.38 | 0.95 | 0.22 | 0.81 | 0.20 | 1.00 | ||
| 120 | 0.85 | 0.95 | 0.22 | 0.81 | 0.20 | 1.00 | |||
| 125 | 0.78 | 0.95 | 0.22 | 0.81 | 0.20 | 1.00 | |||
| 130 | 0.69 | 0.95 | 0.22 | 0.81 | 0.20 | 1.00 | |||
| 135 | 0.64 | 0.95 | 0.22 | 0.81 | 0.20 | 1.00 | |||
| 140 | 0.58 | 0.95 | 0.22 | 0.80 | 0.20 | 0.96 |
Źródło: Współczynniki dla wszystkich upraw z wyjątkiem pastwisk pochodzą z www.CoAgMet.com. Krzywe Kc CoAgMet zostały oparte na wartościach opracowanych przez Wrighta (1981, 1982) w Kimberly w Idaho i zostały dostosowane do warunków Kolorado przez US Bureau of Reclamation. Współczynniki dla pastwisk oparto na wartościach Kc z dokumentu FAO 56 (Allen i in., 1998).
Zarządzanie dopuszczalnym ubytkiem (MAD)
W praktyce nawadniania, tylko pewien procent dostępnej pojemności wodnej (AWC) może zostać zużyty, ponieważ rośliny zaczynają odczuwać stres wodny, zanim woda w glebie zostanie wyczerpana do punktu trwałego więdnięcia (PWP). Dlatego należy określić zarządzanie dopuszczalnym ubytkiem (MAD), wyrażone w procentach AWC. Wartości MAD są specyficzne dla różnych upraw i faz rozwojowych.
MAD można wyrazić w jednostkach głębokości wody (dMAD) za pomocą wzoru:
dMAD = (MAD / 100) * AWC * Drz
Gdzie:
- MAD - zarządzanie dopuszczalnym ubytkiem (%)
- AWC - dostępna pojemność wodna strefy korzeniowej (cale wody na cal gleby)
- Drz - głębokość strefy korzeniowej (cale)
Wartość dMAD służy jako wskazówka, kiedy należy rozpocząć nawadnianie. Zazwyczaj nawadnianie powinno być stosowane, gdy deficyt wody w glebie (Dc) zbliża się do dMAD lub gdy Dc ≥ dMAD. Aby zminimalizować stres wodny u roślin, Dc powinien być utrzymywany poniżej dMAD.
Tabela 2: Głębokości zarządzania nawadnianiem (Drz) w calach dla wybranych upraw. (Zakłada się, że ukorzenienie nie jest ograniczone przez zagęszczenie lub płytkie gleby). (Bauder i Schneekloth, 2006)
| Głębokości zarządzania nawadnianiem | Uprawy roczne | Uprawy wieloletnie | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Siewki | Wegetatywna | Kwitnienie | Dojrzałość | Siewki | Zadomowienie | Dojrzałość | |
| Głębokość gleby lub Drz (cale) | |||||||
| Kukurydza | 12 | 24 | 30 | 36 do 48 | |||
| Ziemniaki | 12 | 18 | 24 | 24 do 48 | |||
| Zboża drobnoziarniste | 12 | 18 | 24 | 36 do 48 | |||
| Fasola polna | 12 | 18 | 24 | 24 do 30 | |||
| Buraki cukrowe | 12 | 18 | 24 | 36 do 48 | |||
| Warzywa | 6 do 12 | 18 | 18 | 18 do 24 | |||
| Lucerna | 6 do 12 | 24 do 36 | 48 do 72 | ||||
| Trawniki | 6 | 12 | 12 | ||||
| Trawy i pastwiska | 6 | 12 | 24 | ||||
Praktyczne zastosowanie metody bilansu wodnego – przykład uprawy fasoli szparagowej
Aby lepiej zrozumieć praktyczne zastosowanie metody bilansu wodnego, przeanalizujmy przykład uprawy fasoli szparagowej w Yuma, Kolorado. Załóżmy, że gleba to less ilasty Kuma o dostępnej pojemności wodnej (AWC) 0.20 cala wody na cal gleby dla górnych 30 cali. Fasola szparagowa została zasiana 31 maja 2008 roku, a początkowa zawartość wody w glebie była na poziomie polowej pojemności wodnej (deficyt wody D = 0).
Tabela 3. Założone głębokości ukorzenienia i MAD w różnych fazach rozwojowych fasoli szparagowej.
| Daty | Faza | Drz, cale | TAW, cale | MAD, % | dMAD, cale |
|---|---|---|---|---|---|
| 6/1 – 6/30 | Ustalenie roślin | 12 | 2.4 | 60 | 1.4 |
| 7/1 – 7/21 | Szybki wzrost wegetatywny | 20 | 4.0 | 60 | 2.4 |
| 7/22 – 8/15 | Kwitnienie; rozwój strąków | 30 | 6.0 | 50 | 3.0 |
| 8/16 – 9/10 | Wypełnianie i dojrzewanie strąków | 30 | 6.0 | 70 | 4.2 |
Dla każdej fazy rozwojowej fasoli szparagowej obliczono wartość zarządzania dopuszczalnym ubytkiem (dMAD). Na przykład, dMAD dla fazy ustalenia roślin wynosi (60/100) * 12 cali gleby * 0.20 cala wody/cal gleby = 1.4 cala wody. Oznacza to, że w fazie ustalenia roślin (od 1 do 30 czerwca), gdy deficyt wody w glebie (Dc) osiągnie lub przekroczy 1.4 cala, należy zastosować nawadnianie.
Korzystając z danych meteorologicznych CoAgMet dla Yuma, Kolorado, obliczono dzienne wartości ETc dla fasoli szparagowej i dzienne opady atmosferyczne w 2008 roku. Następnie, za pomocą równania bilansu wodnego, obliczano codzienny deficyt wody w glebie. Nawadnianie stosowano, gdy deficyt wody (Dc) osiągał lub przekraczał wartość dMAD dla danej fazy rozwojowej.
W tym przykładzie, od 31 maja do 10 września 2008 roku, fasola szparagowa zużyła łącznie 22.78 cala wody przez ewapotranspirację, ale otrzymała tylko 14.31 cala opadów. Zastosowano pięć nawadniania, aby zaspokoić zapotrzebowanie roślin na wodę. Całkowite zapotrzebowanie na nawadnianie netto w tym okresie wyniosło 11.53 cala.
Zalety i wady metody bilansu wodnego
Zalety metody bilansu wodnego:
- Prostota i łatwość stosowania: Metoda jest stosunkowo prosta w zrozumieniu i implementacji, szczególnie przy użyciu arkuszy kalkulacyjnych.
- Efektywność nawadniania: Pozwala na precyzyjne określenie ilości i czasu nawadniania, minimalizując straty wody i optymalizując zużycie.
- Dostosowanie do potrzeb roślin: Uwzględnia specyficzne zapotrzebowanie na wodę różnych upraw i faz rozwojowych.
- Oszczędność wody i energii: Poprzez unikanie nadmiernego nawadniania, metoda przyczynia się do oszczędności wody i energii potrzebnej do jej pompowania.
Wady metody bilansu wodnego:
- Wymaga dokładnych danych wejściowych: Dokładność metody zależy od jakości danych wejściowych, takich jak ETc, opady, AWC i Drz. Błędy w szacowaniu tych parametrów mogą prowadzić do nieprawidłowego planowania nawadniania.
- Uproszczenia i założenia: Równanie bilansu wodnego jest uproszczonym modelem, który nie uwzględnia wszystkich procesów zachodzących w glebie, takich jak spływ powierzchniowy, głęboka perkolacja czy podsiąk kapilarny.
- Konieczność kalibracji i weryfikacji: W praktyce, zaleca się okresową weryfikację obliczeń bilansu wodnego za pomocą pomiarów wilgotności gleby, aby skorygować ewentualne błędy i niepewności.
Najczęściej zadawane pytania (FAQ)
- Czy metoda bilansu wodnego jest odpowiednia dla wszystkich rodzajów upraw?
Tak, metoda bilansu wodnego może być stosowana dla większości rodzajów upraw, zarówno polowych, jak i ogrodniczych. Wymaga jednak dostosowania parametrów, takich jak współczynniki upraw (Kc) i zarządzanie dopuszczalnym ubytkiem (MAD), do specyficznych potrzeb danej uprawy. - Jak często należy aktualizować bilans wodny?
Bilans wodny najlepiej aktualizować codziennie, aby uwzględniać bieżące warunki pogodowe i zmiany w zapotrzebowaniu roślin na wodę. - Czy można stosować metodę bilansu wodnego bez danych meteorologicznych?
Tak, w przypadku braku dostępu do danych meteorologicznych, można wykorzystać atmometry do szacowania ETc. Atmometry dostarczają bezpośrednich pomiarów ewapotranspiracji roślin referencyjnych, które można wykorzystać do obliczeń bilansu wodnego. - Jak określić dostępną pojemność wodną (AWC) gleby?
Wartości AWC dla różnych rodzajów gleb można znaleźć w tabelach gleboznawczych lub uzyskać z badań laboratoryjnych próbek gleby. Dostępne są również internetowe bazy danych glebowych, takie jak Web Soil Survey, które dostarczają informacji o AWC dla konkretnych lokalizacji. - Czy metoda bilansu wodnego uwzględnia opady efektywne?
Tak, w równaniu bilansu wodnego uwzględnia się opady atmosferyczne (P). Jednak w uproszczonej formie równania nie rozróżnia się opadów efektywnych od całkowitych. W bardziej zaawansowanych modelach bilansu wodnego można uwzględnić straty wody związane ze spływem powierzchniowym i głęboką perkolacją, aby dokładniej oszacować opady efektywne.
Podsumowanie
Metoda bilansu wodnego jest cennym narzędziem w planowaniu nawadniania, umożliwiającym efektywne zarządzanie zasobami wodnymi i optymalizację plonów. Poprzez monitorowanie deficytu wody w glebie i uwzględnianie zapotrzebowania roślin na wodę, metoda ta pozwala na precyzyjne określenie ilości i czasu nawadniania. Pomimo pewnych uproszczeń i konieczności dokładnych danych wejściowych, metoda bilansu wodnego jest szeroko stosowana w praktyce rolniczej i ogrodniczej, przyczyniając się do zrównoważonego i efektywnego gospodarowania wodą.
Jeśli chcesz poznać inne artykuły podobne do Metoda bilansu wodnego w planowaniu nawadniania, możesz odwiedzić kategorię Rachunkowość.