Metody i alternatywne rozwiązania w zakresie nawadniania oszczędzające glebę i wodę

Zdjęcie na okładce: Nawadnianie plantacji ryżu przez oszczędzanie wody. Ochronę gleby i wody można łączyć z nawadnianiem, np. nawadnianie ryżu metodą zalewową w Wietnamie (powyżej). Wodę można również oszczędzać poprzez promowanie infiltracji do gleby, magazynowanie w zbiornikach lub zaporach, lub bardziej efektywne jej wykorzystywanie do nawadniania pól.

Oszczędzanie wody

Wodę można oszczędzać poprzez walkę z erozją wietrzną i wodną, o czym wspomniano, ale także poprzez poprawę efektywności wykorzystania wody, np. poprzez odpowiednie dostarczanie składników odżywczych i nawadnianie upraw.

• W skrócie omówiono kilka zasadniczych strategii, które mają na celu poprawę bilansu wodnego na polach. Obejmują one zmniejszenie prędkości wiatru w celu ograniczenia ewapotranspiracji wody i promowania infiltracji wody w glebie, zawartości materii organicznej, struktury gleby i wzrostu korzeni w głąb ziemi. Również uprawa międzyplonowa i agroleśnictwo mogą niekiedy zmniejszać ryzyko ekonomiczne rolników związane z problemami suszy, a także być łączone ze strukturami glebowymi chroniącymi wodę i glebę. Rysunek 1 poniżej.
• Efektywność wykorzystania wody to wydajność upraw na jednostkę zużytej wody. Wskaźnik ten można poprawić poprzez ograniczenie innych problemów poprzez poprawę żyzności gleby lub zintegrowaną ochronę przed szkodnikami, lub poprzez skuteczniejsze nawadnianie.
• Ograniczające czynniki wzrostu Dostępność wody i żyzność gleby to najczęstsze wyzwania dla upraw. Inwestowanie w jedno bez drugiego może nie być skuteczne, przynajmniej w latach problemowych. Tak jak w przypadku nawożenia, nawadnianie może pomóc, jeśli jest prawidłowo stosowane, natomiast w przeciwnym wypadku może zaszkodzić. Odżywianie upraw to nie tylko usuwanie kolejnego ograniczenia wzrostu upraw, ale także wpływ na odporność na suszę.
• Lepsze odżywienie roślin może też czasem bezpośrednio wpływać na oszczędność wody. Niedobór potasu (symbol pierwiastka: K) osłabia zdolność części zielonych do zamykania porów (stomata) i zatrzymywania transpiracji w razie potrzeby. Niedobór K często skutkuje żółtymi lub więdnącymi brzegami dojrzałych liści, zanim jeszcze zaczną się starzeć. Niedobór fosforanów (P) opóźnia wzrost wszystkich części i uzyskanie dojrzałości przez roślinę. Silny brak składników odżywczych powoduje na ogół, że małe części nadziemne produkują tylko cukier do małego i płytkiego systemu korzeniowego, co ma na przykład miejsce w niektórych małych gospodarstwach w rejonach tropikalnych.
• Jednak bardzo wysoki poziom składników odżywczych w połączeniu z wystarczającą ilością wody w wierzchniej warstwie gleby może sprawić, że systemy korzeniowe będą krótsze i będą rozwijać się bliżej powierzchni gleby. Dzieje się tak, ponieważ dobrze zaopatrzone górne warstwy gleby mogą wykorzystać prawie wszystkie cukry do nowego wzrostu, pozostawiając niewiele dla korzeni. Jest to udokumentowane również w przypadku fosforanów, pomimo sprzecznych uogólnień, jakie można spotkać w literaturze.
• Ilości wody zużywanej do podlewania mogą być bardziej efektywne dzięki podlewaniu w razie potrzeby. Istnieją wzory matematyczne, za pomocą których można to obliczyć. Wilgotność gleby można obserwować na odpowiedniej głębokości (kierując się jej kolorem i własnym odczuciem), a wrażliwe rośliny będące wskaźnikami suszy mogą wyraźnie wskazywać na stres rośliny wywołany suszą, zanim jeszcze uprawa przestanie rosnąć. Obliczenia mogą być oparte o dobowe wskazania temperatury, siłę wiatru, uprawy, glebę i efektywność nawadniania oraz opady deszczu, np. z wykorzystaniem FAO (www.fao.org/3/S2022E/s2022e08.htm) lub odpowiednich aplikacji. Opady poniżej 2 mm można odrzucić jako nieefektywne dla wzrostu roślin. Temperatura liści wzrasta, gdy roślina zatrzymuje transpirację poprzez zamknięcie aparatów szparkowych (stomata). Pomocny w ocenie sytuacji może okazać się dron, balon lub latawiec z kamerą na podczerwień.
• Wrażliwe fazy upraw Nawadnianie może być ukierunkowane na wrażliwe na suszę etapy upraw, takie jak kiełkowanie, zapylanie i wykształcanie się ziaren/owoców, a np. w przypadku młodego, wilgotnego ryżu (= ryż niełuskany) — zwalczanie chwastów poprzez zalewanie (wystarczy kilka razy). Dzięki temu można zaoszczędzić wiele wody w porównaniu do metod wymagających ciągłego zalewania. Można to połączyć z wysiewem lub sadzeniem ryżu w rzędach oraz używaniem najnowszych rodzajów prostych narzędzi do odchwaszczania. Google np: System Intensyfikacji Upraw Ryżu (SRI). Jednak nawadnianie w czasie upalnej, słonecznej pogody może również prowadzić ciepło z powierzchni rośliny do nasion, podczas gdy sucha gleba jest bardziej izolująca. Nawadnianie w czasie upałów może być w każdym razie mniej skuteczne.
• Efektywność nawadniania może być zwiększona przy zastosowaniu nawadniania przy użyciu tryskaczy w porównaniu do nawadniania zalewowego (na większości pól). Odpowiednie nachylenie i przepuszczalność gleby mają znaczenie dla zalewowego nawadniania pól. Nawadnianie kropelkowe i podobne metody są najbardziej efektywne, ale wymagają stosunkowo wysokich nakładów. Rolnik może jednak skorzystać z przenośnych systemów węży do podlewania. Woda może się nagrzewać w przewodach nadziemnych, ale zatykające się otwory w przewodach (rurach, wężach) biegnących pod ziemią mogą być jeszcze większym wyzwaniem. Systemy niewielkoskalowe można instalować w pobliżu podwyższonego pojemnika z filtrami. Zdjęcia i wstęp można zobaczyć tutaj: nawadnianie kropelkowe.
• Częste nawadnianie powierzchniowe jest potrzebne głównie przy zakładaniu upraw, np. przy wysiewie małych nasion, rozsady lub sadzonek. Dostarczanie dużych ilości wody, a także duże szybkie spadki jej ilości mogą uszkadzać strukturę gleby. Natomiast rzadsze nawadnianie daje mniejsze parowanie z powierzchni gleby. Zwilżanie gleby na głębszych poziomach może sprzyjać głębszemu rozwojowi korzeni. System korzeniowy może pobierać wodę i mobilne składniki odżywcze, takie jak azot/azotany (NO^3-) i potas (K⁺), które mogły zostać wypłukane (wymyte) w głębokich warstwach gleby w wyniku intensywnych opadów deszczu na gołą ziemię. Płytkie korzenie mogą również pomóc w pobieraniu składników odżywczych z wierzchniej warstwy gleby. Ponadto szczególnie ważne dla pobierania fosforanów są długie (nie głębokie) systemy korzeniowe z grzybami symbiotycznymi, pod warunkiem zapewnienia wilgotności. Młode rośliny wymagają najwyższej dostępności wody. Jeśli trzeba jednocześnie zastosować dużo wody, to problemem może być erozja, spływ, zagęszczanie i powierzchniowe zamykanie porów. Podlewane donice wymagają więc piaszczystych lub włóknistych mieszanek doniczkowych. Woda może powoli wyciekać z odpowiedniego węża, worka lub innego pojemnika lub być wlewana do otworu, przy którym gleba powierzchniowa może utworzyć uszczelnienie i powoli uwalniać wodę. Piasek trzyma niewiele wody i szybko się przemieszcza. Glina zatrzymuje dużo wody, pozostawiając jednak niewiele dla roślin do wchłonięcia, a punkt przesuszania gleby zostanie osiągnięty jako pierwszy. Tekstura pośrednia, ilasta, zatrzymuje większość wody dostępnej dla roślin, ale podlega erozji i daje niestabilną strukturę glebową. Mieszane tekstury z materią organiczną poprawiają zdolność gleby do zatrzymywania wody dostępnej dla roślin i zmniejszają problemy związane ze strukturą gleby. Sztuczne substancje mogą również zwiększyć zdolność do zatrzymywania wody, ale powszechnie stosowany środek, amid poliakrylowy, jest podejrzewany o powodowanie ryzyka raka.
• Głęboki wzrost korzeni może zmniejszyć potrzebę podlewania poprzez zapewnienie dostępu do wody i umożliwienie głębokiego wzrostu korzeni następujących upraw. Niektóre rośliny, np. groch zwyczajny (Cajanus cajan) mogą otwierać zwarte gleby w półsuchych regionach tropikalnych, a np. łubin żółty lub rzodkiew pastewna — w umiarkowanych. Duże i głębokie pory po niektórych obumarłych korzeniach mogą szybko doprowadzić wodę do głębszych warstw gleby. Może to pomóc w walce z erozją, ale czasami woda może zbyt głęboko i zbyt szybko przemieszczać się, wypłukując i niosąc ze sobą substancje odżywcze, w tym nawet fosforany i pestycydy. Można brać pod uwagę dobrze rozwinięte korzenie traw wieloletnich i żyta, ale najlepiej penetrują korzenie palowe. Korzenie mogą być zatrzymywane przez twarde warstwy (warstwy) czerwonawych tlenków żelaza, zwartą glinę i glebę kwaśną, o pH w wodzie (gleba : woda 1 : 2,5) poniżej 5,5 dla roślin wrażliwych i 5,0 dla pozostałych. W takich kwaśnych glebach o wysokiej zawartości glinu wymiennego (rozpuszczalnego w kwasie) korzenie nie mogą się dobrze wydłużać i ich rozwój ulega u roślin wrażliwych ulega zahamowaniu. Wapnowanie gleb tropikalnych o pH powyżej 5,5 w wodzie często powoduje niedobory mikroelementów wpływające na barwę młodych liści, ich kształt czy owoce. pH ekstrahowane w rozcieńczonym CaCl2 lub KCl będzie niższe odpowiednio o około 0,5 i 1,0 jednostki. Warto też zapoznać się z treścią planowanego rozdziału dotyczącego zintegrowanego zarządzania żyznością gleby.
• Podczas nawadniania często pomijany jest aspekt drenażu. Rolnik powinien mieć możliwość odprowadzania nadmiaru wody. Na terenach suchych i półpustynnych opad deszczu będzie zazwyczaj zbyt mały, aby wypłukać z gleby sole z wody do podlewania. Sole gromadzą się w dowolny sposób i powodują toksyczność u roślin (np. sód, chlorek i wodorowęglan są toksyczne dla roślin wrażliwych). Dlatego czasami potrzebne jest nadmierne nawadnianie połączone z drenażem. Ostrożność jest szczególnie istotna, jeśli w wodzie służącej do podlewania można wyczuć smak soli. Przewodnictwo elektryczne (EC) wskazuje całkowite stężenie soli, ale liczy się metoda analityczna (stężenie i jednostki); należy też pamiętać, że tolerancja u roślin znacznie się różni. Sód (Na⁺) jest również problemem dla struktury gleby, głównie wtedy, gdy zawartość wapnia i magnezu jest niska. Gleba może też stać się bardzo zasadowa, a materia organiczna ulec rozproszeniu, dając czarne gleby alkaliczne. Zdarzają się też gleby bielicowe „uszkodzone” przez sól. Pomóc może zastosowanie gipsu (CaSO₄) i/lub krzewów solnych (Atriplex spp.). Nawadnianie upraw, przynajmniej na obszarach półsuchych i suchych, wymaga więcej wiedzy i doświadczenia niż można tu przedstawić.
• Mulczowanie może czasem zmniejszyć utratę wody z powierzchni.

Mulcz to powierzchniowa okrywa z martwej ściółki roślinnej lub innych materiałów. Powierzchnia gleby pod mulczem często wydaje się chłodniejsza i bardziej wilgotna. Jednak lekki deszcz może również pozostać na wierzchu mulczu z dala od korzeni, a mulcz może być siedliskiem owadów zgryzających siewki i przyciągać ptactwo grzebiące (kury) lub węże. Poprzez mulcz może rozprzestrzeniać się ogień, może też dochodzić do utraty azotu poprzez oddawanie amoniaku z mulczu bogatego w N. Wyraźnie sucha powierzchnia gleby będzie powoli wysychać tylko wtedy, gdy będzie pozbawiona aktywnych roślin i dużych grudek gleby. Jest to spowodowane zasysaniem (kapilarnym ruchem wody) przerwanym przez suszę powierzchniową.

• Szklarnie czasami poddają recyklingowi znaczną część zużywanej wody. Mimo to potrzebna jest odpowiednia wentylacja, aby utrzymać odpowiedni poziom CO₂  w ciągu dnia. W Wielkiej Brytanii CO₂  z elektrowni jest przekierowywany do ogromnych szklarni w pobliżu, ale wymaga to monitorowania czystości uwalnianych gazów, np. toksycznego tlenku węgla (CO).
• Pomóc mogą rośliny odporne na suszę. Roślina tolerancyjna na suszę może charakteryzować się jedną lub kilkoma poniższymi zdolnościami/cechami:

• może szybko rozwijać wierzchołki i korzenie, gdy opady są odpowiednie;

• jej pędy i korzenie mogą przetrwać okresy suche (różne geny);

• rozmnaża się (np. wytwarza owoce lub ziarna) i dojrzewa wcześnie, gdy jest jeszcze dużo wilgoci w glebie, „uciekając” w ten sposób przed suszą;

• wykształca na powierzchni warstwy wosku/ owłosienie/ meszek, a liście potrafią się zwijać.

• Konserwacja owoców i warzyw zamiast uprawiania ich z podlewaniem w porze suchej. Aby uniknąć brązowienia suszących się owoców, często można zastosować kontrolowane ogrzewanie do temperatury około 60–80°C przez około 5–10 minut, co powoduje zniszczenie niektórych enzymów (fenolazy), powodujących brązowienie przez utlenianie. Przeciwutleniacze, np. sok z cytryny, też mogą pomóc na jakiś czas (Zawawi i in. 2022). Agroleśnictwo może również dostarczyć drewna na dobre konstrukcje do suszenia i przechowywania.
• Tania metoda zakładania upraw, taka jak ulepszony wysiew bezpośredni, może pomóc roślinom tolerować niedobór wody poprzez wspieranie wczesnego wzrostu korzeni. Może pomóc w unikaniu wrażliwego etapu, w którym uszkodzone korzenie powinny zaopatrywać wierzchołki w wodę, lub dzięki temu, że w razie niepowodzenia można je przywrócić. To, co wydaje się problemem z suszą podczas kiełkowania w gorącym słońcu, może być spowodowane ciepłem nasłonecznionej powierzchni gleby. W niektórych przypadkach wschodzące siewki, np. z nawadnianej szklarni lub ekranowanego pomieszczenia, może zaoszczędzić wodę do podlewania, jeśli zostanie wykonane prawidłowo.
• Zintegrowane podejście Zwiększenie podlewania nie jest jedynym rozwiązaniem problemu niedoboru wody lub rolnictwa, jak wielu twierdzi. Jednak pod warunkiem prawidłowego stosowania może bardzo pomóc. Zastosowanie nieprawidłowe może z kolei zadziałać niszcząco. Podsumowując, wiele wody można zaoszczędzić dzięki zintegrowanemu, holistycznemu podejściu do zaopatrywania upraw w wodę (a także do zapewnienia zwierzętom gospodarskim cienia i dobrej paszy). Jednak znaczenie ma wiele drobnych aspektów, które często są pomijane. Więcej szczegółów na temat niektórych z nich można znaleźć w innych sekcjach.

Rysunek 1.  Oszczędzanie wody na miejscu („in situ”). Oszczędzanie wody może obejmować infiltrację wody lub rowy retencyjne (jeśli osuwiska nie stanowią problemu). Większość metod ochrony gleby i wody może pomóc poprzez ograniczenie wiatru i/lub zwiększenie infiltracji wody przez powierzchnię gleby i materię organiczną gleby. Oszczędzanie wody może obejmować również skuteczne metody nawadniania oraz rozwiązywanie innych problemów, co ułatwi roślinom efektywne wykorzystywanie dostępnej wody. Źródło: Muriuki & Macharia (2011).

Bibliografia

Baumhardt RL, and Blanco-Canqui H 2014 Soil: Conservation Practices. In: Neal Van Alfen, editor-in-chief. Encyclopedia of Agriculture and Food Systems 5, Elsevier, 153-165.

Falkenmark M 1995, Water Linkages. ISRIC. https://www.isric.org/documents/document-type/green-water-credits-report-k12-inventory-and-analysis-existing-soil-and Open access.

Hudson W N 1987 Soil and water conservation in semi-arid areas. Silsoe Associates Ampthill, Bedford United Kingdom. Soil Resources, Management and Conservation Service. FAO Land and Water Development Division. Food and Agriculture Organization of the United Nations Rome, 1987 https://www.fao.org/3/t0321e/t0321e00.htm

Land and Water Division 2000 Manual on Integrated Soil Management and Conservation Practices. FAO land and water bulletin Series number: 1024-6703. 214 pp. ISBN: 9251044171 https://www.fao.org/publications/card/en/c/31f117c4-13e2-5631-bf16-ebaaa10b714f

Muriuki JP, Macharia PN 2011 Green Water Credits Report K12: Inventory and Analysis of Existing Soil and Water Conservation Practices in Upper Tana, Kenya. https://www.isric.org/documents/document-type/green-water-credits-report-k12-inventory-and-analysis-existing-soil-and Open access.

Mandal T. 2010. Low-cost soil and water conservation with many early benefits. Presentation Researchers’ Day: Climate Change Impact, Adaptation and Mitigation GEUS, Inst. of Geography, University of Copenhagen. 7 October 2010. Arranged by the Climate Change Task Force. https://www.yumpu.com/en/document/view/35209735/present-danish-water-forum

Plant and Soil Sciences eLibrary 2022. Irrigation Chapter 8 and 9.  Dept. of Agronomy and Horticulture, University of Nebraska. https://passel2.unl.edu/view/lesson/bda727eb8a5a/8

Thomas DB et al. 1997. Soil and water conservation manual. Soil and Water Conservation Branch, Min. Agric. Livestock Dev. and Marketing, Nairobi Kenya.

Watene G and others 2021 Water Erosion Risk Assessment in the Kenya Great Rift Valley Region Sustainability 2021, 13(2), 844; https://doi.org/10.3390/su13020844

Zawawi N A F et al. 2022 How Thermal, High Pressure, and Ultrasound Inactivation of Various Fruit Cultivars’ Polyphenol Oxidase: Kinetic Inactivation Models and Estimation of Treatment Energy Requirement. Appl. Sci. 2022, 12, 1864; https://doi.org/10.3390/app12041864