تحسين الري وإدارة المياه

المكاسب:

• القدرة على ربط مفاهيم استهلاك مياه النبات (ET)، ومستشعر رطوبة التربة وتوازن الماء بقرارات الري
• القدرة على إنتاج مشروع برنامج الري وحساب ميزانية المياه من ET المرجعي ومعامل المحاصيل باستخدام الذكاء الاصطناعي
• القدرة على منع هدر المياه والطاقة من خلال التحقق من توصيات الري بالذكاء الاصطناعي باستخدام بيانات المستشعر ونوع التربة ومعدل تدفق النظام

فالمياه هي أندر وأغلى المدخلات في الزراعة؛ وفي العديد من المناطق، تعتبر المياه العامل الوحيد الذي يحدد الإنتاجية. لكن الري سلاح ذو حدين: فالقليل من المياه يضغط على النبات ويقلل من المحصول، في حين أن الكثير من الماء يخنق الجذور، ويغسل العناصر الغذائية، ويتسبب في تملح التربة وعقم التربة، ويهدر الطاقة والمال. الري الصحيح يعني معرفة مقدار الماء الذي يحتاجه النبات حقًا وإعطائه ذلك بالضبط. تعلمك هذه الوحدة الأساس العلمي لحساب هذه الحاجة - توازن الماء والتبخر - وتوضح لك كيفية صياغة جدول الري باستخدام الذكاء الاصطناعي، وتخبرك بكيفية التحقق منه باستخدام أجهزة الاستشعار والواقع الميداني.

توازن الماء والتبخر

فكر في الحقل كحساب للمياه. مقدمة: هطول الأمطار والري. المخرجات: التبخر (من التربة) والنتح (من النبات). يُطلق على مجموع هذين المخرجين اسم التبخر النتحي (بالإنجليزية: Evapotranspiration, ET)؛ أي إجمالي فقدان الماء من نظام التربة النباتية إلى الغلاف الجوي. إن قرار الري هو ببساطة ما يلي: مقدار المياه التي يجب أن تدخل لمقابلة التدفق الخارجي (ET).

من الصعب قياس ET بشكل مباشر، لذلك يتم تقديره في خطوتين. أولاً، يتم حساب المرجع ET (ET0): الماء الذي سيفقده سطح العشب القياسي في ظل الظروف الجوية لذلك اليوم (درجة الحرارة والرطوبة والرياح والشمس). هذا هو الأرصاد الجوية بحتة. ثم يتم ضرب هذه القيمة بمعامل المحصول (Kc) الذي يعكس شهية ذلك المنتج للمياه في تلك المرحلة التطويرية:

ETc = ET0 × Kc

ETc هو متطلبات المياه اليومية الفعلية للمنتج (مم/يوم). يختلف Kc من الزراعة إلى الحصاد: صغير (0.3-0.5) في مرحلة الشتلات، وأعلى (1.0-1.2) في النمو الكامل، ويتناقص مرة أخرى عند النضج. يتم حساب كمية الري عن طريق طرح هطول الأمطار الفعال من ETc ومراعاة كفاءة النظام.

نصيحة: تنشر معظم خدمات الطقس والبوابات الزراعية بيانات ET0 مجانًا. يمكنك جعل الذكاء الاصطناعي يقول "احسب ETc باستخدام ET0 وKc"، ولكن تحقق من قيمة Kc من المصدر المحلي حسب المنتج والمرحلة؛ كاذبة Kc تحول ميزانية المياه بأكملها.

رطوبة التربة وأجهزة الاستشعار

حساب ET هو الجانب النظري لموازنة المياه؛ جهاز استشعار رطوبة التربة يقيس الحقيقة. تقوم هذه المستشعرات بقراءة رطوبة التربة بشكل مستمر على أعماق محددة وتعمل على مراقبة عتبتين حاسمتين: السعة الحقلية (أكبر قدر من المياه يمكن للتربة الاحتفاظ بها) ونقطة الذبول (الحد الأدنى الذي لا يستطيع النبات عنده امتصاص الماء). الري المثالي يحافظ على الرطوبة في نطاق "الماء القابل للامتصاص" الموجود بين هذين الاثنين. تؤكد بيانات المستشعر وحساب ET بعضهما البعض: يقول ET "كم يجب التخلص منه"، ويقول المستشعر "ما تبقى بالفعل". عندما يتعارض الاثنان، يكون التحكم الميداني ضروريًا (قد يتم إيقاف معايرة المستشعر).

نظام الري والمحصول

ويتم تلبية نفس الحاجة من المياه بكفاءة مختلفة من خلال أنظمة مختلفة. يقوم الري بالتنقيط بتوصيل المياه مباشرة إلى منطقة الجذر، وكفاءته عالية (85-95٪)؛ وسط الرش (70-85%)؛ الري بالغمر منخفض (40-60%) وعرضة للتملح. ولا يمكن حساب المدة دون معرفة معدل تدفق النظام (المياه المسلمة في الساعة) وكفاءته. عند حساب الوقت باستخدام الذكاء الاصطناعي، تأكد من توفير تدفق النظام وكفاءته كمدخلات؛ وإلا فإن الإخراج لا معنى له.

ثلاث حالات صغيرة: بالأرقام

الحالة 1 - التوفير في ميزانية المياه. كان أحد منتجي الطماطم يسقي وفقًا للتقويم (وقت محدد كل يومين). عند التبديل إلى البرنامج القائم على ET، وجد أن ETc ينخفض ​​في الأيام الباردة والرطبة؛ وانخفضت عدد الريات بنسبة 22% طوال الموسم ولكن المحصول لم يتغير. كان المكسب هو الماء وطاقة المضخة.

الحالة 2 - خطأ Kc. بالنسبة لحقل الذرة، استخدم الذكاء الاصطناعي Kc = 1.2 طوال الموسم وأوصى بزيادة المياه بمقدار 3 مرات خلال فترة الشتلات. عرف المهندس أن Kc يجب أن تكون 0.4 في مرحلة الشتلة؛ الكثير من الماء قد يؤدي إلى اختناق الجذور وترشيح النيتروجين. عندما صححت Kc حسب المرحلة، أصبح البرنامج واقعيا.

الحالة 3 - الصراع بين أجهزة الاستشعار وET. بينما قال حساب ET "يجب أن تكون التربة قد جفت" كان المستشعر لا يزال يظهر رطوبة عالية. ذهبنا إلى الموقع: كانت الطبقة غير المنفذة في الطبقة السفلية تحتفظ بالمياه، وكانت هناك مشكلة في الصرف. وفقًا لـ ET، إذا تم سقيها، فسوف يتجمع الماء ويحدث تعفن الجذور؛ المستشعر والواقع الميداني حالا دون وقوع الخطأ.

موجه ضعيف / موجه قوي

حث ضعيف:

كم مرة يجب أن أسقي هذا الحقل؟

مطالبة قوية:

دورك: مهندس زراعي متخصص في الري. حساب مسودة جدول الري. المدخلات: - المنتج: [محصول]، مرحلة النمو: [المرحلة]، Kc (من المصدر المحلي): [القيمة] - آخر 7 أيام ET0 (مم/يوم): [مصفوفة]، هطول الأمطار الفعال (مم): [مصفوفة] - نوع التربة: [رملية/طفالية/طينية]، النظام: [تنقيط، الكفاءة 85%]، معدل التدفق: [لتر/ساعة] المهمة:- ETc يومي = ET0 × احسب Kc، مع عرض الجدول. - ابحث عن صافي متطلبات المياه لمدة 7 أيام (ETc - هطول الأمطار) وإجمالي المياه بكفاءة النظام. - اطرح مدة الري بناءً على معدل التدفق. - لاحظ أنه يجب التحقق من ذلك باستخدام بيانات مستشعر رطوبة التربة. - أظهر كل خطوة من خطوات الحساب؛ ضع علامة على المكان الذي تفترض فيه.

يوضح الموجه القوي جميع المدخلات والصيغة وتصحيح الإنتاجية ومتطلبات التحقق من المستشعر؛ يمنع الذكاء الاصطناعي من تقديم افتراضات مخفية.

أربعة قوالب قابلة للنسخ

1) حساب الخ:

قم بحساب وإضافة ETc يوميًا باستخدام تسلسل ET0 وقيمة Kc التالية. أظهر كل خطوة. أكتب أنني بحاجة إلى تأكيد ما إذا كانت Kc صحيحة للمنتج/المرحلة. ET0: [...]، كيه سي: [...]

2) الاحتياجات المائية الصافية والإجمالية:

طرح هطول الأمطار الفعال (صافي المتطلبات) من إجمالي ETc لمدة 7 أيام. أوجد إجمالي المياه عن طريق قسمة كفاءة النظام٪ على [..]. أعط النتيجة بالملليمتر وm3/da؛ عرض تحويل الوحدة.

3) مقارنة أجهزة الاستشعار-ET:

وفقًا لحساب ET، ما مقدار الانخفاض المتوقع في رطوبة التربة؟ قارن هذا بقراءة المستشعر التي قدمتها لك. إذا كان الفرق كبيرًا، فاذكر الأسباب المحتملة (الصرف الصحي، المعايرة، التسرب، هطول الأمطار). صناعة القرار؛ تظهر قائمة التحقق.

4) سيناريو الجفاف/محدودية المياه:

إذا كانت المياه محدودة (متاحة: [م3])، وضح أي مرحلة من مراحل نمو هذا المحصول هي الأكثر حساسية للمياه واقترح مخططًا يعطي الأولوية للمياه في تلك المرحلة الحرجة. قم بتضمين مخاطر العائد.

النظام

العائد النموذجي

الوضع المناسب

خطر

قطرة

85-95%

محصول صفي، محدودية المياه

الانسداد والاستثمار

الرش

70-85%

الحبوب، نبات العلف

فقدان الرياح والرطوبة المرض

عارضة

40-60%

الكثير من الماء، والأرض المسطحة

التمليح والغسيل

التسميد

85-95%

سماد + ماء معا

دقة الجرعة/المعايرة

الأخطاء الشائعة

• الري بالتقويم. نطاق اليوم الثابت يتجاهل الطقس؛ يوفر المزيد من الماء في الأيام الباردة وكمية أقل من الماء في الأيام الحارة.
• باستخدام ثابت Kc. يختلف Kc باختلاف مرحلة النمو. القيمة الوحيدة هي ارتكاب خطأ كبير في الشتلات أو النضج.
• تجاوز كفاءة النظام. إذا لم تقم بتحويل صافي المتطلبات إلى إجمالي، فستصل كمية أقل من المياه إلى منطقة الجذر.
• الثقة العمياء في ET. الصرف والتسرب والمعايرة تشوه حساب ET؛ يعد التحقق المتبادل مع المستشعر والميدان أمرًا ضروريًا.
• الاعتقاد بأن الماء الزائد آمن. يؤدي الإفراط في تناول المياه إلى اختناق الجذور والتملح وتسرب العناصر الغذائية وإهدار الطاقة.

تنبيه: لا يتعلق قرار الري فقط بالإنتاجية، بل يتعلق أيضًا بصحة التربة على المدى الطويل واستدامة إمدادات المياه. السحب على المكشوف يقلل من المياه الجوفية. الري المفرط يجعل التربة قاحلة. يقوم الذكاء الاصطناعي بحساب ميزانية المياه، ولكن الحكم على الاستدامة متروك للمهندس.

في ملخص

علم الري هو التوازن المائي: كمية المياه التي يجب أن تدخل لمقابلة التدفق الخارجي (التبخر). الصيغة ETc = ET0 × Kc تعطي الحاجة الفعلية للمنتج؛ كفاءة النظام تحدد إجمالي المياه، وبيانات الاستشعار تحدد الواقع. يقوم الذكاء الاصطناعي بصياغة هذا الحساب بسرعة، ولكن من الضروري التحقق من Kc محليًا، وإدخال كفاءة النظام والتحقق من النتيجة باستخدام المستشعر/المجال. يعتبر الماء القليل جدًا أو الكثير منه ضارًا؛ الري الصحيح هو بالضبط كمية المياه المطلوبة ويتم اتخاذ القرار النهائي بناءً على حكم الاستدامة للمهندس.

مهمة التطبيق

اختيار المنتج ومرحلة التطوير؛ ابحث عن قيمة Kc مع 7 أيام من ET0 وبيانات هطول الأمطار (فعلية أو تمثيلية). أنشئ ميزانية مياه أسبوعية للذكاء الاصطناعي باستخدام قوالب "حساب ETc" و"صافي وإجمالي متطلبات المياه" في هذه الوحدة. ثم كرر نفس الحساب، متعمدًا إعطاء Kc خطأ (خارج الطور)، وقارن بين النتيجتين: ما مقدار التغيير الذي أحدثته Kc الخاطئة في متطلبات الماء؟ اكتب كيف ستقوم بإعداد خطوة التحقق باستخدام المستشعر.

قائمة مرجعية

• [ ] قمت بحساب ETc بواسطة ET0 × Kc وتحققت من Kc حسب المنتج/المرحلة.
• [ ] انتقلت من الحاجة الصافية إلى المياه الإجمالية بكفاءة النظام؛ لقد راجعت الوحدات.
• [ ] قمت بحساب وقت الري وفقًا لمعدل تدفق النظام.
• [ ] لقد قمت بمراجعة حساب ET باستخدام مستشعر رطوبة التربة والميدان.
• [ ] قمت بتقييم مخاطر المياه الزائدة والاستدامة وتركت القرار النهائي للمهندس.