Co znajdziesz w artykule?
Rolnicy, chcąc poradzić sobie z niedoborami wody na plantacjach, stosują systemy nawadniające. Jak wykazała praktyka, dotychczasowe rozwiązania oparte na prostych sterownikach nie zapewniają efektywnego nawadniania, a zarazem przyczyniają się nadmiernego zużycia wody. Obecnie dużo skuteczniejszym sposobem jest dozowanie wody na plantacjach tylko wtedy, kiedy rośliny jej potrzebują i w ilościach, jakie są im niezbędne do prawidłowego rozwoju. Jest to możliwe dzięki rozwiązaniom, jakie dostarcza czwarta rewolucja technologiczna określana mianem Rolnictwo 4.0.
Potrzeba optymalizacji zużycia wody
W tradycyjnych systemach nawadniania czas i częstotliwość dawkowania wody są programowane przez użytkownika bez względu na rzeczywiste potrzeby roślin, ich fazę rozwoju czy ilość wyparowanej wody z gleby. Dodatkowo, raz zapisany program w układzie sterującym zwykle w sezonie nie jest korygowany, chyba że rośliny usychają lub pogarsza się ich kondycja na skutek nadmiernego podlewania. W tradycyjnym układzie rolnicy potrzeby nawodnienia określają na podstawie dotykowej oceny stanu uwilgotnienia gleby bądź wzrokowego stwierdzenia stanu roślin.
Decyzję, ile nawadniać, rolnicy opierają na organoleptycznej ocenie wysycenia gleby wodą, tj. nawadniania do pełnej pojemności wodnej gleby, której osiągnięcie objawia się pojawianiem się zastoisk wody na powierzchni gleby. Jak się okazuje, organoleptyczna ocena uwilgotnienia powierzchni gleby może sugerować dostatek wody, podczas gdy 5 cm poniżej warstwy uwilgotnionej występuje przesuszenie profilu glebowego. Natomiast podlewanie uprawy aż do osiągnięcia nasycenia gleby jest bardzo niekorzystne zarówno w sensie ekonomicznym, jak i środowiskowym.
Nadmiar wody z gleby nasyconej z reguły odcieknie w ciągu jednej doby do zawartości wilgoci odpowiadającej polowej pojemności wodnej. W wyniku tego dawkowany nadmiar wody jest tracony wraz z łatwo rozpuszczalnymi nawozami potasowymi i azotowymi, które trafiają do wód gruntowych, zanieczyszczając je.
Nawadnianie upraw powinno odbywać się na podstawie wiarygodnych kryteriów i mierzalnych parametrów. Racjonalne wykorzystanie wody w procesie nawadniania wymaga zasobu informacji dotyczących zapotrzebowania roślin na wodę, zawartości wody w glebie i jej dostępności dla roślin (potencjał wody w glebie), jak również skali ewapotranspiracji, czyli parowania wody z komórek roślinnych oraz gruntu.
W tym zakresie sama wiedza rolnika, jak i organoleptyczne metody oceny tych kryteriów, bez wykorzystania odpowiedniego oprzyrządowania i obróbki danych, są niewystarczające i mogą prowadzić do niedoszacowania lub przeszacowania dawkowania wody. Tak jedno, jak i drugie zjawisko jest niekorzystne dla rozwoju roślin.
Dopasowanie poziomu wilgotności gleby ściśle do gatunku gleby i potrzeb rośliny uprawnej powoduje, że rośliny rozwijają się w optymalnych warunkach, co prowadzi do maksymalizacji plonu i wzrostu odporności na choroby.
Inteligentne nawadnianie
Inteligentne nawadnianie to koncepcja obejmująca integrację cyfrowych rozwiązań wpiętych w sieć internetu rzeczy z tradycyjnymi praktykami nawadniania. Polega przede wszystkim na wykorzystaniu podłączonych urządzeń i danych w czasie rzeczywistym w celu optymalizacji zużycia wody w rolnictwie. Poprzez zastosowanie zaawansowanych technologii monitorujących poziom wilgotności gleby i warunki pogodowe możliwe jest dozowanie wody dokładnie wtedy i tam, gdzie jest ona potrzebna. W rezultacie rośliny otrzymują odpowiednią ilość wody we właściwym czasie, co przyczynia się do zwiększenia plonów. Długoterminowe oszczędności wody, energii i zwiększona produktywność upraw przyczyniają się do ogólnej opłacalności produkcji.
Inteligentne systemy nawadniania składają się z kilku elementów, w tym czujników, sieci komunikacyjnych, algorytmów umożliwiających podejmowanie decyzji dotyczących nawadniania oraz zautomatyzowanego sprzętu dostarczającego wodę na pole i dawkującego ją na rośliny. Czujniki umieszczone na polach zbierają w czasie rzeczywistym dane dotyczące poziomu wilgotności gleby, temperatury i innych istotnych czynników oraz warunków pogodowych. Nową generację stanowią czujniki montowane na roślinach, które mogą śledzić drobne zmiany, takie jak pęcznienie lub kurczenie się, i ostrzegać rolników o niewystarczającej zawartości wody lub tendencjach do zmniejszenia plonów.
Zebrane dane są przesyłane sieciami komunikacyjnymi, co umożliwia bezprzewodową łączność pomiędzy różnymi elementami inteligentnego systemu nawadniania. Dzięki temu rolnicy mają dostęp do aktualnych informacji na temat swoich pól, również będąc poza gospodarstwem. Zaawansowane algorytmy przetwarzają zebrane dane, dostarczając spostrzeżeń i zaleceń dotyczących optymalnych harmonogramów nawadniania, uwzględniając rodzaj upraw, rodzaj gleby i warunki pogodowe.
W skład inteligentnych systemów nawadniania wchodzi również zautomatyzowany sprzęt, tak jak systemy nawadniania kropelkowego lub precyzyjne zraszacze. Urządzenia te można zaprogramować tak, aby dostarczały wodę dokładnie do obszarów, które jej potrzebują, co umożliwia oszczędności wody. Wsparcie ze strony sztucznej inteligencji jest niezbędne przy opracowywaniu i wdrażaniu inteligentnych systemów, które mogą pomóc w efektywnym zarządzaniu wodą w rolnictwie.
Deszczownie pracujące w systemie rolnictwa precyzyjnego
Skutecznym rozwiązaniem na zrównoważoną uprawę roślin bez nadmiernego obciążania lokalnego systemu wodnego jest nawadnianie o zmiennej dawce (Variable Rate Irrigation – VRI), które umożliwia zróżnicowanie dawki wody stosowanej na polach w celu dostosowania do potrzeb uprawy, rodzaju gleby i oczekiwanych plonów. Technologia VRI polega na nawadnianiu roślin wtedy, gdy jest to potrzebne, co sprawdza się zwłaszcza w przypadku pól o różnych typach gleby i zmiennym ukształtowaniu terenu. Produkcenci instalacji nawadniających wykorzystujących technologie VRI oferują trzy jej rodzaje.
Pierwszym rodzajem jest VRI Speed, który umożliwia przyspieszenie i spowolnienie ruchu deszczowni w celu osiągnięcia wymaganej głębokości aplikacji w danym sektorze. Maksymalna liczba sektorów to 180. Druga opcja, VRI Zone (sterowanie strefami VRI), polega na włączaniu i wyłączaniu zaworów sterujących zraszaczami deszczowni obrotowej w celu osiągnięcia żądanej głębokości w miejscu aplikacji. Najbardziej zaawansowana opcja VRI pozwala na sterowanie strefami dla każdego pojedynczego zraszacza, co umożliwia prawie nieograniczoną liczbę precyzyjnych kombinacji aplikacji wody. Wymaga to dodatkowych elementów, takich jak niezależnie sterowane zawory tryskaczowe i skrzynki zaworów sterujących zraszaczami. Trzeci rodzaj systemu nawadniania ze zmiennością tempa to VRI Zone dla deszczowni mostowych, oferujący podobne możliwości co VRI Zone, ale dla prostokątnych pól o różnych typach gleby.
Innym wariantem jest technologia precyzyjnego nawadniania VRI-EAC (Exclusion Area Control – kontrola obszaru wykluczenia), stosowana w przypadku wody uzyskanej z oczyszczania ścieków wykorzystywanej do nawadniania upraw. Rozwiązanie to umożliwia precyzyjne rozprowadzanie ścieków na polu z możliwością kontrolowania ich aplikacji z uwzględnieniem wrażliwych obszarów, co jest kluczowe dla skutecznego zarządzania środowiskiem w gospodarstwie.
Automatyzacja procesów nawadniania
W każdym z wymienionych systemów nawadniania wykorzystywane są mapy aplikacyjne, na podstawie których systemy sterują pracą instalacji nawadniających. Zarówno w małych, jak i w dużych instalacjach nawadniających pracujących w systemie VRI, istotną rolę odgrywają systemy zdalnego monitorowania i sterowania procesem nawadniania. W tym celu zastosowanie znajdują systemy klasy SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition – nadzór nad kontrolą i akwizycją danych), wykorzystywane w przemyśle, energetyce i innych branżach.
Systemy SCADA mają na celu nadzorowanie procesów technologicznych poprzez ciągłe zbieranie aktualnych danych, ich wizualizację, sterowanie, a także ewentualne alarmowanie. Centralnym składnikiem systemu SCADA jest baza danych przechowująca bieżące informacje o stanie urządzeń biorących udział w nadzorowanym procesie technologicznym (w tym przypadku procesie nawadniania), oraz informacje o wszystkich istotnych zdarzeniach zachodzących w urządzeniach.
Technologia SCADA w zautomatyzowanym systemie nawadniania może być wykorzystywana na wiele sposobów. Może wykrywać poziom wody w glebie i uruchamiać nawadnianie lub wysyłać komunikaty o wyłączeniu instalacji nawadniającej. Może także automatycznie obliczać temperaturę termometru wilgotnego, określając, kiedy temperatura zamarzania może stać się problemem dla roślin i uruchamiać podlewanie przed mrozem. Dodatkowo, system SCADA może używać czujników polowych i stacji pogodowych, aby określić nie tylko, kiedy podlewać, ale także ile wody użyć.
Zdalnie sterowane systemy nawadniające wykorzystujące SCADA oferują rolnikom wiele korzyści, które mogą przełożyć się na oszczędności czasu i pieniędzy. Umożliwiają one także podgląd i kontrolę całego sprzętu w jednym miejscu, dzięki czemu rolnicy nie muszą podróżować z pola na pole, ani logować się do wielu różnych systemów, aby uzyskać wgląd w swoje systemy nawadniające w czasie rzeczywistym. Dostęp do danych rolnik ma również za pomocą smartfonu lub tabletu, z poziomu którego może także sterować procesem nawadniania. Systemy SCADA zapewniają dostarczenie do uprawy odpowiedniej ilości wody, eliminując ryzyko nadmiernego podlewania upraw.
Autor: Dr inż. Jacek Skudlarski, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
