Water and fertilizer use optimization for a precisión fertigation using reclaimed water

Abstract

Irrigated agriculture is the main user of freshwater resources worldwide, using more than 70% of the available water resources. This makes the agricultural sector especially susceptible to drought periods, which are expected to increase in the next few years because of the growing extreme event occurrence caused by climate change. This situation is particularly critical in Andalusia (Southern Spain) since irrigated agriculture is a key sector in its economy. Olive orchard is the most representative crop in this region as well as the most water demanding crop, even with very deficit irrigation strategies. On the other hand, fertilization is frequently imprecise, which leads to overfertilization of the olive trees, especially of nitrogen. In this context, the use of reclaimed water for olive orchard irrigation arises as an alternative to traditional water sources, which alleviates the pressure on water resources and reuses the nutrients carried by the water. However, its management is complex due to the water nutrient content, which, additionally, is variable throughout the year. For these reasons, new studies are required to understand the spatio-temporal variability effects of the water nutrients, as well as the development of tools to ease the proper application of this type of water for both farmers and technicians. This thesis is organized in 6 chapters, all of them focused on the particularities of olive orchard fertigation using reclaimed water. Thus, the different chapters include from the creation of a model for optimal fertigation using reclaimed water and its implementation in a user-friendly mobile app to the changes produced in water quality spatially and seasonally in irrigation networks due to its characteristics. Chapter 1 contextualizes the reason of this thesis and Chapter 2 describes the objectives pursued in this thesis and the structure of the rest of the document. Chapter 3 presents a model which determines in real-time the irrigation and fertilization scheduling, using reclaimed water, for olive groves. This model considers weather information, both historical and forecast, soil characteristics, irrigation system characteristics, water allocation, tree nutritional status, most susceptible crop development stages, electricity tariff and water quality. Different scenarios were simulated, showing the need for a more sustainable management when fertigating olive trees with reclaimed water, since farmers tend to overfertilize. Chapter 4 integrates the model developed in Chapter 3 into a mobile application for Android devices. This app aims to provide technicians and farmers with a user-friendly tool that eases the olive orchard fertigation management when using reclaimed water. This application was tested in a commercial farm, showing that no additional fertilizer application was necessary thanks to the nutrients provided by reclaimed water, saving 100% of the fertilizer applied by the farmer. This provides benefits not only for the farmer, who can reduce his total economic costs, but also for society as it avoids the intensive and unnecessary use of fertilizers and the associated pollution. In Chapter 5, a temporal and spatial study of the quality of reclaimed water in an irrigation distribution network is carried out, paying especial attention to nitrogen. This study showed that both the total concentration and the form in which nitrogen reaches the farms change over time and through the irrigation network. Seasonally, total nitrogen content was reduced in the summer months. Spatially, there was a clear nitrification process from the pumping station to the farms. These variations demonstrate the importance of continuous water quality monitoring in order to adjust the fertilization plan to the nitrogen content in the water. Finally, Chapter 6 contains the general conclusions obtained from this thesis and the avenues for future research. The use of reclaimed water for olive orchard fertigation in Andalusia can play a key role in reducing the water resource pressure and, simultaneously, recovering the water nutrients for fertilization. This thesis highlights the importance of a continuous water quality control and a proper management to avoid the impacts of an excessive fertilizer use when using reclaimed water. For this reason, tools which make easier reclaimed water management are presented as well as the changes occurring in the quality of this water source. All this contributes to achieve a more efficient use of both water and fertilizer.

La agricultura de regadío es el principal consumidor de agua en el mundo, empleando más del 70% de los recursos hídricos disponibles. Esto provoca que la agricultura sea especialmente vulnerable a los periodos de sequía, los cuales se espera que aumenten en los próximos años debido al incremento de los fenómenos extremos causados por el cambio climático. Esta situación es especialmente crítica en Andalucía (sur de España) ya que la agricultura es un sector clave en su economía. El olivar es el cultivo más representativo de esta región, además del cultivo que más agua demanda, pese a seguir estrategias de riego deficitarias. Por otro lado, la fertilización del olivar es con frecuencia imprecisa, lo que ocasiona en muchos casos que se produzca una sobrefertilización, especialmente de nitrógeno. En este contexto, la utilización de agua regenerada para el riego del olivar surge como una alternativa a las fuentes de agua tradicionales, la cual permite aliviar la presión en los recursos hídricos y reutilizar los nutrientes que lleva el agua. Sin embargo, su gestión es más compleja debido a esa concentración de nutrientes que lleva, la cual es, además, variable a lo largo del año. Por ello, es necesario llevar a cabo nuevos estudios para conocer los efectos de la variabilidad temporal y espacial de los nutrientes que aporta el agua, así como el desarrollo de herramientas que faciliten la aplicación adecuada de este tipo de aguas tanto para agricultores como técnicos. Esta tesis se estructura en 6 capítulos, todos ellos enfocados a las particularidades del fertirriego usando aguas regeneradas en el olivar. Así, los distintos capítulos contemplan desde la creación de un modelo y su implementación en una aplicación de entorno amigable para la gestión óptima del agua y el fertilizante usando estas aguas, hasta los cambios que se producen en la calidad del agua tanto espacial como temporalmente en la red riego debido a sus características. En el capítulo 1 se expone el contexto en el cual se enmarca esta tesis y se justifica la necesidad de la misma. En el capítulo 2 se encuentran los objetivos perseguidos en esta tesis, así como la estructura del resto del documento. El capítulo 3 presenta un modelo que determina en tiempo real la programación del riego y la fertilización del olivar usando aguas regeneradas. Este modelo considera información agroclimática, tanto histórica como futura, características del suelo, características del sistema de riego, dotación, estado nutritivo del árbol, etapas más susceptibles del desarrollo del cultivo, tarifa eléctrica y calidad del agua aplicada. Se simularon diferentes escenarios, evidenciando la necesidad de una gestión más sostenible cuando se fertirriega el olivar con aguas regeneradas ya que los agricultores tienden a sobrefertilizar. En el capítulo 4 se integra el modelo desarrollado en el capítulo 3 en una aplicación móvil para dispositivos Android. Esta app tiene como objetivo proporcionar a técnicos y agricultores una herramienta fácil de usar que facilite la gestión del fertirriego del olivar cuando se utilizan aguas regeneradas. Esta aplicación se utilizó en una finca comercial, mostrando que gracias a los nutrientes que aporta el agua regenerada, no era necesaria la aplicación de fertilizante adicional, ahorrando el 100% del fertilizante que aplica el agricultor. Esto proporciona beneficios no solo para el agricultor, el cual puede reducir sus costes totales, sino también para la sociedad, ya que evita el uso intensivo e innecesario de fertilizantes y la contaminación que lleva asociada. En el capítulo 5, se lleva a cabo un estudio temporal y espacial de la calidad del agua regenerada en una red de distribución de riego. Este estudio demostró que tanto la concentración de nitrógeno total como la forma en la que llega a la finca cambia con el tiempo y a lo largo de la red de riego. Estacionalmente, el contenido total de nitrógeno se redujo en los meses de verano. Espacialmente, se produjo una clara nitrificación desde la salida del agua en la estación de bombeo hasta las distintas parcelas. Estas variaciones demuestran la importancia de un continuo control de la calidad del agua para poder ajustar el programa de fertilización al contenido de nitrógeno en el agua. Por último, el capítulo 6 recoge las principales conclusiones obtenidas de esta tesis, así como las líneas futuras de investigación La utilización de agua regenerada para el fertirriego del olivar en Andalucía puede jugar un papel fundamental para disminuir la presión en los recursos hídricos y, al mismo tiempo, utilizar los nutrientes que contiene para la fertilización. Esta tesis destaca la importancia de un control continuo de la calidad del agua y de una gestión adecuada para evitar los problemas que puede ocasionar el uso excesivo de los fertilizantes. Por ello, en esta tesis se presentan herramientas que facilitan la gestión de este tipo de aguas, teniendo en cuenta aspectos técnicos y agronómicos y se estudian los cambios que se pueden producir en la calidad de las mimas. Todo esto contribuye a conseguir un uso más eficiente y sostenible tanto del agua como del fertilizante.