Ratkaisuja vesipulaan kehittyneillä maatalouden kastelujärjestelmillä

Viime vuosikymmenen aikana maatalouden kastelujärjestelmistä on tullut entistä sofistikoituneempia. Monet viljelijät ovat nykyisin korvanneet perinteiset kasteluajastimet ja hydrauliset säätimet kehittyneillä hallinta- ja yhteyskomponenteilla, joita on muokattu teollisissa sovelluksissa käytetyistä. Näihin sisältyy järjestelmiä, joissa käytetään ohjelmoitavaa logiikkaa (Programmable Logic Controller, PLC), teollisuustason tietokoneita ja yhä taloudellisempia automaatiokomponentteja, joilla on mahdollisuus luoda yhteys teollisiin viestintäprotokolliin ja hyödyntää niitä. Nämä ohjaimet ja komponentit kykenevät vastaanottamaan syötteitä eri lähteistä, kuten maaperän kosteusantureista, sääasemista ja pakkasantureista, joiden avulla voidaan reagoida reaaliaikaisesti digitaalisen maanviljelyn keinoin.

Lisäksi näistä sofistikoituneista kastelun ohjausjärjestelmistä on nyt tulossa edullisempia, vaikka tiedon käytöstä kastelun optimoinnissa on tullut alati älykkäämpää.

Kuva 1: Puutarhanhoidon ja maanviljelyn laitteita valmistava Toro myy 4G-/Wi-Fi-/LoRa-/Bluetooth-yhteyksiä hyödyntäviä maatalouden Tempus Automation -kastelujärjestelmiä. Tukiaseman avulla viljelijät voivat ohjata venttiilejä ja valvontalaitteita kuplassa, joka on läpimitaltaan jopa 1,6 km. Tukiasemia on helppo lisätä kantomatkan pidentämiseksi, ja ne kaikki voivat olla aurinkovoimakäyttöisiä tai johdotettuja. (Kuvan lähde: The Toro Co.)

Veden säästäminen on yhä tärkeämpää ilmaston lämmetessä, alueiden kuivuessa, väestön kasvaessa ja pohjavesivarantojen huvetessa. Vesi voi itse asiassa olla pian tärkein kriittinen resurssi, jonka geopoliittinen merkitys ohittaa 2000-luvulla öljyn ja joka ehkä jopa aiheuttaa sotia tulevaisuudessa. Lähi-idässä on jo pitkään ollut veteen liittyviä ongelmia. Alue on vähitellen kuivunut sivilisaation syntyajoista lähtien ja tukee nyt 5 prosenttia maailman väestöstä vain 1 prosentilla maailman makeasta vedestä.

Kuva 2: Mikrosuihkutusjärjestelmiin ja muihin tippumenetelmiin perustuva kasvihuonekastelu ja ulkona tapahtuva riviviljelykastelu hyötyvät edistyneistä kastelun ohjausjärjestelmistä. (Kuvan lähde: Getty Images)

Liiketoiminnan näkökulmasta veden niukkuus näkyy korkeampina ruoan ja viljelytuotteiden hintoina, ja veden hinta on noussut nopeammin kuin energian hinta viimeisen vuosikymmenen aikana. Selkeästi sanottuna sekä suuren mittakaavan kaupallisissa toiminnoissa että vasta aloittavissa maatalousyrityksissä vedenkulutuksen minimoimisesta ja sadon määrien maksimoimisesta on tullut välttämätöntä.

Ohjattavat kastelu- ja viljelylaitteet

Kasteluohjainten vaatimukset riippuvat käyttökohteesta ja järjestelmän tyypistä: perustuvatko ne sadettimiin, tippukasteluun vai vesiviljelypiireihin.

Kuva 3: T3000-sarjan hiilidioksidiantureissa on IP67-kotelointi, joka kestää altistumisen sisätiloissa tapahtuvan vertikaaliviljelyn kosteudelle, mullalle ja lannoitteille. Automaattiset vesiviljely- ja kastelulannoitusrutiinit saavat niiltä tietoja. (Kuvan lähde: Amphenol Telaire)

Kasvihuoneissa kastelua voidaan ohjata hyvin tarkasti, sillä ilman ulkoympäristön vaihtelua optimaalinen valaistus, vesi, lannoitus ja mullan koostumus voidaan jatkuvasti pitää halutuissa rajoissa. Kastelu perustuu aina pumpulliseen säiliöön ja tarjotinpohjaiseen kastelupiiriin, joiden ansiosta vettä ei juurikaan häviä haihtumalla eikä yhtään valumalla pois. Ohjelmistovaihtoehtoja on runsaasti eri viljelykasveille. Nämä ohjelmat sisältävät alan tietoa kasvilajien kasvukierroista ja niille suotuisimmista viljelyparametreista.

Kuva 4: IP67-koteloinnin ansiosta WIL-valot soveltuvat erityisen hyvin digitaaliseen maanviljelyyn sisätiloissa. (Kuvan lähde: Weidmüller)

Perinteisessä ulkoviljelyssä sadettimet ovat laajimmin käytettyjä kastelulaitteita. Ne vaihtelevat pienistä nurmikkosadettimista (samanlaisia kuin ne, joilla kotitaloudet kastelevat nurmikoitaan) korkeapaineisiin teollisiin sadettimiin, jotka saavat käyttövoimansa sähkömoottoreista tai dieselpumpuista. Jälkimmäisiin sisältyy massiivisia lineaarisesti liikkuvia järjestelmiä, jotka pystyvät kastelemaan useiden hehtaarien kokoisia avoimia peltoja suurilla sadetinryhmillään.

Toinen suuren mittakaavan viljelyoperaatioiden automatisoiduissa kastelujärjestelmissä yleinen malli on impulssisadetin. Yksinkertaistettuja versioita näistä myydään myös kuluttajille suunnattuina nurmikonkastelutuotteina. Lyhyesti sanottuna impulssisadetin koostuu sadetuspäästä, joka lähettää vesisuihkun mekaanisen sadetusvarren ohi. Sadetusvarsi osuu toistuvasti tähän vesisuihkuun ja hajottaa sen viljelykasvien ylle. Tuloksena oleva paine ja mekaanisen sadetusvarren liike kääntävät sadetuspäätä kääntöpisteen ympäri, jolloin sadetin pystyy kastelemaan koko ympyrän alueen tai osittaisen kaaren alueen.

Myös tippukastelu on yksi vaihtoehto viljelykasvien automaattiseen kasteluun. Niin sanottuihin vuotaviin putkistoihin tai mikrosuihkutussuuttimiin perustuva tippukastelu vähentää veden käyttöä (erityisesti haihtumisen aiheuttamia häviöitä) toimittamalla veden suoraan kasvien juuristoihin.

Lisätietoja pyörivistä ja lineaarisesti liikkuvista maatalouden kastelujärjestelmistä

Kääntöpistepohjainen kastelu on edistynyt versio sadettimella tapahtuvasta viljelmien kastelusta. Se on yksi tehokkaimmista suurien avopeltojen kastelutavoista, ja alalle tyypilliset järjestelmät pystyvät kattamaan säteeltään jopa 400 metrin alueen jopa 50 hehtaarin alueella. Kääntöpisteeseen perustuvat kastelujärjestelmät kastelevat pyöreän tai sektorin muotoisen alueen ympyrää kiertävällä kastelupuomilla (jossa on useita sadetussuuttimia). Kastelupuomi on useamman tornin varassa, ja koko järjestelmä liikkuu maata pitkin vetävillä pyörillä.

Kuva 5: Ajastussäätimiä käytetään kääntöpisteeseen perustuvissa kastelujärjestelmissä peruskasteluaikataulujen ohjaamiseen. Lisäksi alivirtausanturit valvovat usein yhtä kääntöpisteeseen perustuvan kastelujärjestelmän tornien kolmivaiheisen järjestelmän vaihetta. Nämä alivirtausanturit havaitsevat pysähtyneet tai juuttuneet tornit sekä estävät liikakastelun. (Kuvan lähde: Littelfuse)

Tornien välissä kastelupuomia tukee ristikkorakenne, jossa kaapeleita käytetään rakenteellisina elementteinä paljolti samalla tavoin kuin riippusiltojen tuennassa. Alkuperäiset 1940-luvulla kehitetyt kääntöpisteeseen perustuvat kastelujärjestelmät käyttivät veden virtausta pyörien käyttövoimana. Nykyään on paljon yleisempää, että tällaisissa laitteissa käytetään pyörien käyttövoimana sähkömoottoreita. Nämä pyörät voivat olla varsin hitaita, sillä ohjausjärjestelmältä voi kestää muutamia päiviä ohjata pyöriä pyörimään yksi täysi kierros.

Kuva 6: AgSense-ohjelmisto (käytettävissä sovelluksena mobiililaitteilla ja tietokoneilla) hyödyntää GPS- ja takaisinkytkentätekniikoita kastelupumppujen, apukomponenttien, virtauksen, paineen, maaperän kosteuden, säätilan, säiliön vesimäärän (soveltuvin osin) ja varkauksista kertovien merkkien seurantaan. Tämä johtava vaihtoehto automaattisille kääntöpisteeseen perustuville kastelujärjestelmille (yhteensopiva myös lineaaristen koneiden kanssa) tarjoaa reaaliaikaista tietoa ja hälytyksiä sekä mahdollistaa hydrauli- ja sähkökäyttöisien kääntöpisteeseen perustuvien kastelujärjestelmien yhtäaikaisen käytön. Ohjelmisto mahdollistaa digitaalisten paneelien toiminnallisuuden säilyttäen samalla yhteensopivuuden minkä tahansa tuotemerkin tai ikäluokan mekaanisten paneelien kanssa. (Kuvan lähde: Valmont Industries Inc.)

Kääntöpisteeseen perustuvat kastelujärjestelmät ovat kookkaita ja yllättävän monimutkaisia koneita, ja niiden hallinnassa on omat haasteensa. Tornit eivät liiku yhtäaikaisesti vaan pysähtyvät ja käynnistyvät erikseen säilyttääkseen sadetuspuomin likimääräisen suuntauksen. Puomin ja sitä tukevien ristikkorakenteiden huomattava joustavuus mukautuu tornien epätasaiseen liikkeeseen ja maanpinnan luonnollisiin epätasaisuuksiin.

Kääntöpisteeseen perustuvissa kastelujärjestelmissä tornien osia ohjataan erikseen. Perinteisesti tämä tehdään yksinkertaisilla mekanismeilla ja rajakytkimillä. Jokainen osista tunnistaa helposti kulmansa suhteessa seuraavaan osaan seuraamalla seuraavaan osioon kiinnitetyn vivun asentoa. Yksinkertaiset rajakytkimet voivat sitten käynnistää tai pysäyttää pyörät tai kääntää niiden pyörimissuunnan seuraavan torniosan suhteellisen kulma-asennon mukaan. Tällainen lähestymistapa sopii yksinkertaiseen hydrauliohjaukseen hydraulikäyttöisten pyörien kanssa.

Ulommaisen tornin päässä olevalla vesitykillä voidaan laajentaa kasteltavaa aluetta fyysisen rakenteen ulkopuolelle. Jos tätä tykkiä käytetään jatkuvasti, kasteltava alue on edelleenkin pyöreä. Vesitykkiä ohjaamalla on kuitenkin mahdollista kastella jokseenkin suorakulmainen alue käyttämällä kääntöpisteeseen perustuvaa kastelujärjestelmää.

(Videon lähde: UNL Biological Systems Engineering)

Lineaarisesti liikkuvat sadettimia käyttävät kastelujärjestelmät ovat samankaltaisia kuin kääntöpisteeseen perustuvat järjestelmät. Tornin osia ei kuitenkaan ajeta kaaressa kiinteän kääntöpisteen ympäri. Sen sijaan ne liikkuvat edestakaisin suorassa linjassa. Tämä tarkoittaa, että lineaarisesti liikkuvat kastelujärjestelmät kattavat suorakulmaisen alueen pyöreän alueen sijasta. Tällainen peittoalue voi sopia paremmin nykyisiin viljelyjärjestelmiin ja tarjota kattavamman maa-alan peiton. Se myös kuitenkin tekee liikkuvien tornien ohjauksesta ja syöttöveden hallinnasta haastavampaa.

Kuva 7: Tämä on lineaarisesti liikkuva sadetusmalli. Tällaista mekaanista laitteistoa käyttävät automatisoidut järjestelmät kohtaavat vaikeita ulkokastelun haasteita. (Kuvan lähde: Getty Images)

Joissakin malleissa vesi syötetään kasteltavan alueen reunalla kulkevasta avoimesta kanavasta tai (vaihtoehtoisissa järjestelyissä) joustavan letkun kautta. Tällaisissa lineaarisesti liikkuvissa kastelujärjestelmissä on huomioitava, että tornien nopeutta pitää koordinoida, jotta kastelupuomi pysyy suhteellisen suorana, ja että torneja pitää ohjauta yhdessä niin, että järjestelmä kulkee jatkuvasti edestakaisin pellolla ajautumatta pois reitiltään. Näiden vaatimusten täyttämiseksi jotkin tornit ohjelmoidaan seuraamaan maahan upotettuja kaapeleita.

Maatalouden kasteluohjaimet

Yksinkertaisimmat kasteluohjaimet ovat pelkkiä ajastimia, jotka kytkevät veden virtaamaan vapaana ennalta asetettuina aikoina. Tällaisia ajastimia on myös kuluttajatason nurmikkosadettimissa.

Teolliset kasteluohjaimet ovat hieman sofistikoituneempia. Nämä ovat perinteisesti hydraulisia ohjausjärjestelmiä, ja niitä käytetään usein kääntöpisteeseen perustuvissa kastelujärjestelmissä.

Nykyään yhä useammassa kehittyneessä teollisessa kasteluohjaimessa käytetään vakiomallista ohjelmoitavaa logiikkaa (PLC). Sen lisäksi, että tämä PLC-pohjainen elektroniikka ohjaa esimerkiksi suuria kastelulaitteita lineaarisesti liikkuvissa kastelujärjestelmissä, ne voidaan konfiguroida lukemaan syötteitä maaperän kosteusantureista, virtausantureista, sääasemista ja pakkasantureista. Jotkin tällaiset järjestelmät ovat nyt hyvinkin varteenotettavia vaihtoehtoja myös erittäin pienille viljelytiloille (hedelmäalalla ja älykkään sisäviljelyn alalla) käytettäessä Arduinon kaltaisia ohjaimia kasvien ja kasvihuoneiden kastelun automatisointiin.

Kuva 8: NETBEAT NetMCU on esimerkki integroidusta kaupallisesta kasteluohjaimesta. Tämä lujatekoinen tuote suorittaa useita lannoitukseen, kastelulannoitukseen, kasvumallinnukseen ja ennusteiden laatimiseen liittyviä tehtäviä kaikenkattavan digitaalisen maanviljelyratkaisun tueksi. (Kuvan lähde: Netafim)

Automatisoidut kasteluohjaimet voivat mitata virtausnopeutta halutun vesimäärän varmistamiseksi sen sijaan, että sadetetaan satunnainen määrä vettä jonkin ennalta asetetun jakson aikana. Kun tunnettu alue sadetetaan tunnetulla määrällä vettä, voidaan saavuttaa ihanteelliset kasvuolosuhteet vettä tuhlaamatta. Mittaamalla virtausta voidaan myös havaita tukokset ja vuodot, jolloin käyttäjää voidaan varoittaa ongelmista ennen kuin tapahtuu merkittäviä viljelykasvien vaurioita tai vesihävikkiä. IoT-protokollien avulla nykyaikaiset ohjaimet voivat jopa lähettää hälytyksiä käyttäjän matkapuhelimeen, kun tällaista tapahtuu.

Kuva 9: RevPi-automaattiohjain- ja I/O-komponentit on rakennettu yksikorttisen Raspberry Pi SoM/CPU/GPU -minitietokoneen Compute Module -mallin ympärille. Uusimmat RevPi-mallit tukevat myös analogisia signaaleja, mikä on hyödyllistä tietyissä viljelyksien kastelun ohjaustavoissa. (Kuvan lähde: KUNBUS)

Myös kokonaishaihdunta- eli ET-ohjaimet ovat joillekin viljelijöille sopiva huipputeknologiavaihtoehto. Ne arvioivat tarvittavan veden määrän maaperän vesitasapainoa koskevien periaatteiden perusteella.

Vesitasapainoa tutkitaan maataloushydrologiassa, mutta olennaisinta on, että veden tulovirtaaman on vastattava ulosvirtaamaa ja muutosta vesivarannoissa. Ulosvirtaama muodostuu virtauksesta (kun vesi valuu pois) ja kokonaishaihdunnasta, joka tarkoittaa veden siirtymistä ilmakehään haihtumisen ja kasviston kautta tapahtuvan biologisen haihdunnan kautta.

ET-ohjaimet vaativat reaaliaikaisia tietoja tulovirtaamista (kastelun virtausnopeudesta ja sademääristä) sekä kokonaishaihduntaan vaikuttavista ympäristöparametreista, kuten lämpötilasta, ilmankosteudesta ja auringon säteilytysvoimakkuudesta. Tärkeitä parametreja, joita on hallittava tarkasti ET-ohjaimella (joka on usein muokattu automaatio-ohjain), ovat kasvikohtaiset kertoimet ja maaperän vedenpidätyskyky. Kasvikerroin määrittää biologisen haihduntanopeuden sääolosuhteiden ja veden saatavuuden funktiona. ET-ohjaimet voivat vähentää vedenkulutusta jopa 63 %, mikä on niin dramaattinen säästö, että monet muut lähestymistavat eivät siihen kykene.

Yhteenveto

Nykypäivän suurille maatiloille on saatavilla runsaasti sofistikoituneita kasteluratkaisuja. Automaatioteknologiat ovat itse asiassa myös tehneet edistyneistä kastelumenetelmistä riittävän edullisia pienemmillekin tiloille sekä vihanneksiin ja herkkiin viljelykasveihin erikoistuneille elintarviketuottajille, joiden voittomarginaalit ovat tiukempia.