Agro-productive impact of an experimental model for estimating pressure and flow rates in the micro- irrigation system of the 14 July organoponic farm

Water is de levensader van de landbouw, maar het op de juiste manier leveren ervan is een delicaat evenwicht. In de moderne landbouw is het doel vaak om precies de juiste hoeveelheid vocht aan elke individuele plant toe te dienen, waarbij zowel de verspilling door overstroming als de stress door droogte wordt vermeden. Dit is bijzonder uitdagend in systemen waarbij water door lange pijpen reist met veel kleine uitlaten, bekend als emittenten, die ontworpen zijn om water druppelsgewijs of spuitend direct op de gewassen af te geven. Terwijl het water door deze pijpen beweegt, vertraagt wrijving het, en de druk neemt af, wat betekent dat planten aan het begin van de lijn een zware dosis kunnen krijgen terwijl die aan het einde heel weinig ontvangen. Als de druk te laag is, bereikt het water de wortels niet effectief; als de druk te hoog is, verspilt het systeem energie en water. Boeren hebben een manier nodig om exact te voorspellen hoeveel druk en doorstroom elke plant zal bereiken, zodat ze het systeem kunnen aanpassen voordat de gewassen eronder lijden. Zonder deze kennis kan een boerderij er aan de oppervlakte groen uitzien, terwijl de productiviteit stilletjes afneemt door ongelijkmatige bewatering.

Op de organische boerderij "14 July" in Ciego de Ávila, Cuba, zetten onderzoekers zich in om dit probleem op te lossen met een nieuwe aanpak. Ze testten een wiskundig model, wat in essentie een reeks regels is die simuleert hoe water zich binnen de pijpen gedraagt, om te zien of het hen kon helpen het micro-irrigatiesysteem van de boerderij effectiever te beheren. De boerderij verbouwt een verscheidenheid aan groenten, waaronder sla, snijbiet, sperziebonen en komkommers, in verhoogde bedden die bedekt zijn met een netwerk van pijpen en sproeiers. Het team vergeleken twee manieren om de boerderij te exploiteren: de standaardmethode, waarbij ze het systeem controleerden op basis van initiële metingen en algemene ervaring, en een nieuwe methode waarbij ze hun model gebruikten om de druk en doorstroom bij elke afzonderlijke sproeier te voorspellen en te beheersen. Ze besteedden ook veel aandacht aan het weer en gebruikten regenvalgegevens om te beslissen wanneer ze de pompen aan- en uitzetten, met als doel energie en water te besparen wanneer de natuur een helpende hand bood.

De resultaten van dit experiment waren duidelijk en meetbaar. Wanneer de boerderij onder het nieuwe model functioneerde, werd de waterverdeling aanzienlijk gelijkmatiger. De onderzoekers ontdekten dat de uniformiteit van de watertoediening, een maatstaven voor hoe consistent elke plant water kreeg, steeg van een goed niveau naar een uitstekend niveau. De variatie in de hoeveelheid water die uit elke sproeier kwam, daalde drastisch, wat betekende dat de planten aan het einde van de pijp bijna dezelfde hoeveelheid water ontvingen als die aan het begin. Deze consistentie vertaalde zich rechtstreeks in betere oogsten. De gewassen die onder de nieuwe beheerstrategie werden gekweekt, produceerden merkbaar meer voedsel: de opbrengst van sla steeg met bijna een vijfde, die van snijbiet met meer dan een vijfde, sperziebonen met een vergelijkbare marge en komkommers met bijna een kwart. Het model stelde de boeren in staat om problemen in de pijpen te diagnosticeren, zoals verstopte of kapotte sproeiers, en deze te repareren voordat ze de gewassen konden schaden.

Buiten de gewassen zelf benadrukte de studie hoeveel water en energie bespaard konden worden door naar de hemel te luisteren. De onderzoekers volgden de dagelijkse regenval gedurende meerdere jaren en ontdekten dat de regen vaak voldoende water voor de gewassen bood, vooral voor snijbiet, dat tijdens bepaalde perioden helemaal geen extra irrigatie vereiste. Door het model te gebruiken om de bewatering te plannen alleen wanneer de regen niet voldoende vocht had geleverd, verminderde de boerderij het aantal keren dat ze hun pompen moesten laten draaien. Dit bespaarde niet alleen een aanzienlijk volume water, maar verlaagde ook de elektriciteit die nodig was om dat water door de pijpen te duwen. De studie concludeert dat dit wiskundige instrument een praktische manier is voor boeren om de verborgen fysica van hun irrigatiesystemen te begrijpen, wat leidt tot gezondere planten, hogere opbrengsten en een efficiënter gebruik van de kostbare hulpbronnen water en energie.