Micro irrigation in the era of technology: Innovation and digital transformation

Abstract

Irrigation is one of the oldest practices since the early civilizations thousands of years ago. The earliest known systems of irrigation date back to 6000 BC in Egypt and Mesopotamia, and the different ways to water the plants have been displayed on the walls of ancient temples and ruins. The early irrigation system was surface irrigation until the 19th century. Sprinkler irrigation first became a reality at the end of the 19th century when different designs of lawn sprinklers were invented by Joseph Lessler in New York in 1871, Philip Pratt of Massachusetts in 1872, and Charles Skinner in Ohio in 1894. Then Joseph H. Smith of Washington improved upon the lawn sprinkler by producing the first rotary-head lawn sprinkler in 1897. Technologies continued to improve until the mid-20th century when in 1948, Frank Zybach, an innovative Nebraska farmer, developed a new type of sprinkler system, the center pivot, patented in 1952. Shortly after, the drip irrigation system was invented in 1959 by Simcha Blass, a Polish-Israeli engineer with his son Yeshayahu. Micro-irrigation is a type of irrigation system that uses lower pressure, lower energy, and lower flow than the average irrigation systems. Micro-irrigation efficiency can exceed 90%. It can be used for any kind of plants in agriculture, horticulture, landscaping, and gardening. One can come across other terminology such as localized irrigation, low-volume irrigation, low-flow irrigation, or trickle irrigation, but they all mean the same thing, micro-irrigation. In micro irrigation, one can have a pressure regulator, which can minimize the pressure to the required level as well as have an automatic irrigation timer for switching to different areas and times of the day. They can also have soil moisture and rain shut-off sensors. Thus, the irrigation system can regulate itself on how much water to apply. Micro-irrigation is one step in the right direction to cope with the increasing impact of climate change, the limitation in water resources, the widening gap between water supply and demand, as well as food security for the increasing population. For those reasons, there is a need to start using a more controlled and precise irrigation system. Thus, micro-irrigation systems have become more and more popular recently. Those who attended this conference benefited from the experts' presentations, gained, and shared knowledge and information, networked with senior and junior practitioners, visited the local micro-irrigation sites, and enjoyed the breath-taking sceneries and the hospitality of Morocco. Due to the large numbers of manuscripts the authors' names are not presented in the Editorial, but they are acknowledged in the list of contents. Under topic 1: papers on the state-of-the-art of drip irrigation in Morocco, Spain, and India indicated that each of the three countries presented specific advances and challenges, and the recommendations for each country need to be adapted accordingly. However, government policies need to be better adapted to promote its use, particularly in terms of financing, training farmers, and promoting the most efficient technologies. In Niger, currently, micro-irrigation is a top priority among climate-smart technologies, in addition to strengthening technologies for access to water resources, technical capacities of producers, particularly advisories, the strengthening of research, the popularization of micro-irrigation technologies, access to financing, and securing land tenure. Other needs persist in terms of strengthening science-society-policy interfaces and effective climate services for risk management. Under topic 2: another two papers focused on the clogging and the behavior and flow of the fluid inside two widely used emitters, one of which is compensating-pressure and the other is non-compensating-pressure. The results showed that the regions affected by clogging are mainly the corners of the labyrinth channel and the recirculation vortex zones. Under topic 3: using the Internet of Things (IoT), tensiometers, sensors, and weather stations in Peru have led to cotton yields increases by 53% and bean yield increases between 18% to 29%, compared to neighboring farms. It optimized water use, generating savings of up to 20% in irrigation water and profitability of 50%. Further, it enabled the control of plant growth and thus planned farm harvest time. This technology proved helpful for farmers and innovative compared to the flooding irrigation techniques used in the Peruvian cotton sector. In a second paper on the use of IoT, monitoring soil elements for irrigation management using IoT sensors, five sensors were employed, specifically designed for soil and irrigation water analysis. The sensors dedicated to soil pH, moisture, and NPK demonstrated commendable accuracy when compared with conventional measurements, equally, the irrigation water pH and turbidity sensors exhibited notably precise measurements. These IoT sensors could facilitate effective crop monitoring without excessive expenditures and serve to safeguard groundwater from nutrient contamination. Under topic 4: use of non-conventional water resources such as desalinated seawater and treated wastewater was presented. A couple of papers focused on desalination of sea water for irrigation in Morocco. One paper focused on the contributions of the Public-Private Partnership (PPP) set-up from the institutional, financial, technical, and management points of view, as well as the contribution of this set-up to the success of major desalination projects for irrigation. The study revealed that the PPP arrangement brings several advantages to desalination projects for irrigation, principally: the participation of the private partner in the financing, the sharing of risks between the public and private parties, and the sustainable management of the various components of the project. The second paper focused on the use of renewable energy sources such as wind and solar energy for desalination. In a third paper on the use of non-conventional water resources, the use of treated wastewater (TWW) for irrigation was presented with an example from Morocco. It was found that the utilization of treated wastewater for irrigation supplied the crop with a guaranteed water supply and ensured stability in its growth. Ultimately, the use of TWW emerges as a strategy to enhance irrigation water availability during periods of water scarcity. Under topic 5: a couple of papers focused on the Water-Energy-Food Nexus, WEF. The first paper provided a conceptual framework that considered the nexus approach in relation to micro-irrigation technology adoption, discussed the policy synergies, the trade-offs, and offered a broader framework for making adaptation responses more effective. A Nexus-based adaptation approach that integrates water, energy, and food within irrigation systems is crucial for the effective and sustainable use of different resources. This can promote inclusive and sustainable irrigation development, especially with the great challenges of climate change. In a second paper, a review of the policy interventions in Kenya was presented. The paper indicated that, in the past, Kenya faced numerous challenges in achieving sustainable development goals concerning food, water, and energy. To address this, cross-sectorial policy interventions, legal instruments, and institutional frameworks have been developed. Nevertheless, there is a need for a multi-sectoral approach to improve and implement the existing policies. The water policy needs to be aligned with the water and energy sectors. Under topic 6: in one of the presented papers, deficit irrigation was discussed. The nutrition quality and yield of orange fleshed sweet potato response to deficit irrigation in Tanzania was explained. The study concluded that the adoption of deficit irrigation strategies for crops using smart pressurized irrigation systems could be significant in undertaking water management reforms. Under topic 7: the benefit of supplemental irrigation in rain-fed agriculture was presented with an example from Brazil. Rainwater harvesting and supplemental irrigation for cotton cultivation in south-eastern Brazil was discussed. This study demonstrated that the adaptation of cotton production systems through the “Supplemental Irrigation” method in critical periods provides and guarantees sustainable cotton production. Since the implementation of this technology, cotton fiber production has increased by 72% and total cotton production increased by 58%. As of 2022, cotton producers continue to use this supplemental irrigation methodology, demonstrating that the technology is viable and is effective as a resilience measure to climate change and drought. In addition, this technology proves to be in line with Brazilian public policies. The ICID President and the Guest Editor would like to thank the Moroccan National Committee of ICID (ANAFIDE) for organizing the 10th Micro-Irrigation Conference. The selection of the papers for their suitability for the conference and for this special issue was carried out by Dr. EL Houssine Bartali, Dr. Mohamed Wahba, and Dr. Elhassnaoui Ismail, and their efforts are highly appreciated and acknowledged. *CHINESE TRANSLATION* 科技时代的微灌:创新与数字转型 本期特刊的第一部分基于2023年1月在摩洛哥达赫拉举行的第十届国际灌溉排水委员会(ICID)微灌会议。本期特刊发表的论文主要来自参加该会议的青年水务专业人士。 导论:灌溉系统发展 灌溉是自数千年前早期文明以来最古老的实践之一。已知最早的灌溉系统追溯到公元前6000年的埃及和美索不达米亚, 古代寺庙和遗址的墙壁上展示了不同的植物浇水方法。 早期的灌溉系统直到19世纪前都是地面灌溉。喷灌在19世纪末首次成为现实——Joseph Lessler于1871年在纽约、Philip Pratt于1872年在马萨诸塞州、Charles Skinner于1894年在俄亥俄州, 发明了不同设计的草坪喷灌器。随后, Joseph H. Smith于1897年在华盛顿特区生产出了第一个带旋转喷头的草坪喷水器, 进而改良了草坪喷水器。技术不断改进, 直到20世纪中叶——1948年, 一位富有创新精神的内布拉斯加州农民Frank Zybach发明了一种新型喷水系统, 即中心枢纽灌溉, 并于1952年获得专利。不久之后, 波兰裔以色列工程师Simcha Blass和他的儿子Yeshayahu于1959年发明了滴灌系统。 微灌是一种比一般灌溉系统使用更低压力、更低能量和更低流量的灌溉系统。微灌效率可达90%以上。它可用于农业、园艺学 (horticulture)、景观和园艺 (gardening)中的任何植物。还存在其他术语, 例如局部灌溉、低流量灌溉、低流灌溉或滴流灌溉, 但它们都意味着同一件事:微灌。 在微灌中, 可以配备压力调节器, 将压力降至所需水平, 并配备自动灌溉定时器, 用于切换到不同区域和一天中的不同时间。它们还可以配备土壤湿度传感器和雨水关闭传感器。因此, 灌溉系统可以自行调节用水量。 微灌是应对气候变化日益严重的影响、水资源短缺、水供需差距扩大、以及为不断增加的人口保障粮食安全的正确方向之一。 鉴于这些原因, 需要开始使用更加受控和精确的灌溉系统。因此, 微灌系统近年来变得越来越流行。 与会人员从专家的演讲中受益匪浅、收获并分享了知识和信息、与资深及初级从业者建立了关系网、参观了当地的微灌地址、并享受了摩洛哥令人惊叹的风景和热情好客的氛围。 特刊–主题 论文和主题的简要描述. 由于稿件数量众多, 本社论未提及作者姓名, 作者姓名请参考目录。 主题1:关于摩洛哥、西班牙和印度滴灌技术现状的论文表明, 这三个国家都呈现出具体的进步和挑战, 因此针对每个国家的建议需要进行相应调整。然而, 需要更好地调整政府政策以促进滴灌技术使用, 特别是在融资、培训农民和推广最高效的技术方面。在尼日尔, 微灌目前是气候智能型技术的重中之重, 此外还需加强获取水资源的技术、生产者的技术能力 (特别是警报)、加强研究、普及微灌技术、以及获得融资并确保土地使用权。其他需求包括:加强科学-社会-政策互动和有效的气候服务 (用于风险管理)。 主题2:另外两篇论文聚焦于压力补偿式滴头和非压力补偿式滴头这两种广泛使用的滴头的堵塞情况以及流体的行为和流动。结果表明, 受堵塞影响的区域主要是迷宫流道的拐角处和再循环涡流区。 主题3:与邻近的秘鲁农场相比, 利用物联网 (IoT)、张力计、传感器和气象站的农场使棉花产量增加了53%, 豆类产量增加了18%至29%。该技术优化了用水, 节省了高达20%的灌溉用水, 并提高了50%的盈利能力。此外, 它为植物生长控制提供了适宜条件, 从而计划农场收获时间。事实证明, 这项技术对农民有帮助, 并且与秘鲁棉花行业中使用的漫灌技术相比具有创新性。在第二篇关于物联网使用的论文中, 使用物联网传感器监测土壤元素以进行灌溉管理, 使用了五个专门用于土壤和灌溉水分析的传感器。与传统测量相比, 专用于土壤pH值、湿度和氮磷钾 (NPK)的传感器表现出值得称赞的准确性, 同样, 专用于灌溉水pH值和浊度的传感器也表现出非常精确的测量结果。这些物联网传感器能促进高效的作物监测, 而无需过多的支出, 并有助于保护地下水免受营养物污染。 主题4:介绍了非常规水资源的使用, 例如淡化海水和处理后的废水。几篇论文聚焦于摩洛哥的海水淡化, 以用于灌溉。一篇论文从制度、财务、技术和管理角度聚焦于政府和社会资本合作 (PPP)机制的贡献, 以及该机制对“用于灌溉的重大海水淡化项目的成功”所作的贡献。研究表明, PPP安排为用于灌溉的海水淡化项目带来了几个优势, 主要为:社会资本参与融资、政府与社会资本双方分担风险、以及项目各个组成部分的可持续管理。第二篇论文聚焦于利用风能和太阳能等可再生能源进行海水淡化。在关于非常规水资源利用的第三篇论文中, 以摩洛哥为例介绍了用于灌溉的“处理后的废水”(TWW)。研究发现, 将处理后的废水用于灌溉, 为农作物提供了供水保障并确保作物的稳定生长。最终, TWW的使用成为了在缺水期间提高灌溉用水可用性的一项策略。 主题5:两篇论文聚焦于水-能源-粮食纽带关系 (WEF)。第一篇论文提供了一项概念框架, 用于衡量与微灌技术采纳相关的纽带关系法、探讨了政策协同作用与得失、并就更有效的适应措施提出了一项更广泛的框架。将水、能源和粮食整合到灌溉系统中的、基于纽带关系的适应方法, 对于有效且可持续地利用不同资源一事至关重要。此举能促进具备包容性和可持续性的灌溉发展, 特别是在气候变化带来的巨大挑战下。第二篇论文回顾了肯尼亚的政策干预措施。论文指出, 过去肯尼亚在实现与粮食、水和能源相关的可持续发展目标方面面临过诸多挑战。为解决这些挑战, 制定了跨部门政策干预措施、法律文书和制度框架。然而, 需要采取一项多部门方法来改进和实施现有政策。水政策需要与水和能源部门保持一致。 主题6:一篇论文探讨了亏水灌溉。解释了坦桑尼亚橙肉甘薯的营养品质和产量对亏水灌溉的响应。研究得出的结论认为, 采纳一系列使用智能加压灌溉系统的农作物亏水灌溉策略, 对于进行水管理改革一事可能具有重要意义。 主题7:以巴西为例介绍了雨养农业中补充灌溉的好处。探讨了巴西东南部用于棉花种植的雨水收集和补充灌溉。研究表明, 在关键时期通过“补充灌溉”方法调整棉花生产系统, 能提供并保证可持续的棉花生产。自实施该技术以来, 棉纤维产量增加了72%, 棉花总产量增加了58%。截至2022年, 棉花生产者继续使用这种补充灌溉方法, 这表明该技术是可行的, 并且能作为一项针对气候变化和干旱的有效适应措施。此外, 该技术被证明符合巴西的公共政策。 致谢 ICID主席和客座编辑感谢ICID摩洛哥国家委员会 (ANAFIDE)组织第十届微灌会议。EL Houssine Bartali博士、Mohamed Wahba博士和Elhassnaoui Ismail博士根据论文的适合性, 为会议和本期特刊的稿件进行了筛选, 他们的付出得到了高度赞赏和认可。 *TRANSLATION INTO SPANISH* WWP-2023-081—Editorial de invitado Microriego en la era de la tecnología: innovación y transformación digital. La primera parte de este número especial se basa en la décima conferencia de Microirrigación de la ICID, celebrada en enero de 2023 en Dakhla, Marruecos. Los artículos presentados en este número especial provinieron en gran parte de jóvenes profesionales del agua que participaron en la conferencia. Introducción: Desarrollo de sistemas de riego. El riego es una de las prácticas más antiguas desde las primeras civilizaciones hace miles de años. Los primeros sistemas de riego conocidos se remontan al año 6000 a. C. en Egipto y Mesopotamia y las diferentes formas de regar las plantas se muestran en las paredes de templos y ruinas antiguos. El primer sistema de riego fue el riego superficial hasta el siglo XIX. El riego por aspersión se hizo realidad por primera vez a finales del siglo XIX, cuando Joseph Lessler en Nueva York en 1871, Philip Pratt de Massachusetts en 1872 y Charles Skinner en Ohio en 1894 inventaron diferentes diseños de aspersores para césped. Luego, Joseph H. Smith de Washington mejoró el aspersor para césped al producir el primer aspersor para césped de cabezal giratorio en 1897. Las tecnologías continuaron mejorando hasta mediados del siglo XX, cuando en 1948, Frank Zybach, un innovador agricultor de Nebraska, desarrolló un nuevo tipo. de sistema de aspersión, el de pivote central, patentado en 1952. Poco después, el sistema de riego por goteo fue inventado en 1959 por Simcha Blass, un ingeniero polaco israelí con su hijo Yeshayahu. El microriego es un tipo de sistema de riego que utiliza menor presión, menor energía y menor flujo que los sistemas de riego promedio. La eficiencia del microriego puede superar el 90%. Puede utilizarse para cualquier tipo de plantas en agricultura, horticultura, paisajismo y jardinería. Se pueden encontrar otras terminologías como riego localizado, riego de bajo volumen, riego de bajo caudal o riego por goteo, pero todas significan lo mismo, microrriego. En el microriego, se puede tener un regulador de presión, que puede minimizar la presión al nivel requerido, así como tener un temporizador de riego automático para cambiar a diferentes áreas y momentos del día. También pueden tener sensores de humedad del suelo y de cierre por lluvia. De esta forma, el sistema de riego puede regularse solo sobre la cantidad de agua a aplicar. El microriego es un paso en la dirección correcta para hacer frente al creciente impacto del cambio climático, la limitación de los recursos hídricos, la brecha cada vez mayor entre la oferta y la demanda de agua, así como la seguridad alimentaria para una población en aumento. Por esas razones, es necesario empezar a utilizar un sistema de riego más controlado y preciso. Por ello, los sistemas de microriego se han vuelto cada vez más populares últimamente. Quienes asistieron a esta conferencia se beneficiaron de las presentaciones de los expertos, adquirieron y compartieron conocimientos e información, establecieron contactos con profesionales experimentados y jóvenes, visitaron los sitios locales de microriego y disfrutaron de los impresionantes paisajes y la hospitalidad de Marruecos. Número especial—Temas. Breve descripción de documentos y temas. Debido al gran número de manuscritos los nombres de los autores no se presentan en la Editorial, pero sí se reconocen en la lista de contenidos. En el tema 1: Los artículos sobre el estado del arte del riego por goteo en Marruecos, España e India indicaron que cada uno de los tres países presentó avances y desafíos específicos, y las recomendaciones para cada país deben adaptarse en consecuencia. Sin embargo, las políticas gubernamentales deben adaptarse mejor para promover su uso, particularmente en términos de financiamiento, capacitación de agricultores y promoción de las tecnologías más eficientes. En Níger, actualmente, el microriego es una prioridad entre las tecnologías climáticamente inteligentes, además del fortalecimiento de las tecnologías de acceso a los recursos hídricos, las capacidades técnicas de los productores, en particular las de asesoramiento, el fortalecimiento de la investigación, la popularización de las tecnologías de microriego, acceso a financiación y aseguramiento de la tenencia de la tierra. Persisten otras necesidades en términos de fortalecer las interfaces ciencia-sociedad-política y servicios climáticos eficaces para la gestión de riesgos. Bajo el tema 2: Otros dos artículos se centraron en la obstrucción y el comportamiento y flujo del fluido dentro de dos emisores ampliamente utilizados, uno de los cuales es de presión compensada y el otro es de presión no compensada. Los resultados mostraron que las regiones afectadas por la obstrucción son principalmente las esquinas del canal laberíntico y las zonas de vórtice de recirculación. Bajo el tema 3: El uso de Internet de las cosas (IoT), tensiómetros, sensores y estaciones meteorológicas en Perú han llevado a aumentos en el rendimiento del algodón del 53% y aumentos del rendimiento del frijol entre el 18 y el 29%, en comparación con las granjas vecinas. Optimizó el uso del agua, generando ahorros de hasta un 20% en agua de riego y una rentabilidad del 50%. Además, permitió controlar el crecimiento de las plantas y, por tanto, planificar el tiempo de cosecha en la granja. Esta tecnología resultó útil para los agricultores e innovadora en comparación con las técnicas de riego por inundación utilizadas en el sector algodonero peruano. En un segundo artículo sobre el uso de IoT, el seguimiento de los elementos del suelo para la gestión del riego mediante sensores de IoT, se emplearon cinco sensores, diseñados específicamente para el análisis del suelo y del agua de riego. Los sensores dedicados al pH del suelo, la humedad y el NPK demostraron una precisión encomiable en comparación con las mediciones convencionales; igualmente, los sensores de pH y turbidez del agua de riego mostraron mediciones notablemente precisas. Estos sensores de IoT podrían facilitar un seguimiento eficaz de los cultivos sin gastos excesivos y servir para proteger las aguas subterráneas de la contaminación por nutrientes. Bajo el tema 4: Se presentó el uso de recursos hídricos no convencionales como agua de mar desalinizada y aguas residuales tratadas. Un par de artículos se centraron en la desalinización de agua de mar para riego en Marruecos. Un trabajo se centró en las contribuciones del modelo de Asociación Público-Privada (APP) desde el punto de vista institucional, financiero, técnico y de gestión, así como la contribución de este modelo al éxito de grandes proyectos de desalinización para riego. El estudio reveló que el acuerdo de APP aporta varias ventajas a los proyectos de desalinización para riego, principalmente: la participación del socio privado en la financiación, el reparto de riesgos entre el sector público y privado y la gestión sostenible de los distintos componentes del proyecto. El segundo documento se centró en el uso de fuentes de energía renovables como la eólica y la solar para la desalinización. En un tercer documento sobre el uso de recursos hídricos no convencionales, se presentó el uso de aguas residuales tratadas (ATD) para riego con un ejemplo de Marruecos. Se descubrió que la utilización de aguas residuales tratadas para riego proporcionó al cultivo un suministro de agua garantizado y aseguró la estabilidad de su crecimiento. En última instancia, el uso de TWW surge como una estrategia para mejorar la disponibilidad de agua de riego durante períodos de escasez de agua. Bajo el tema 5: Un par de artículos centrados en el nexo agua-energía-alimentos, WEF. El primer documento proporcionó un marco conceptual para considerar el enfoque de nexo en relación con la adopción de tecnología de microriego, discutió las sinergias de políticas y las compensaciones, y ofreció un marco más amplio para hacer que las respuestas de adaptación sean más efectivas. Un enfoque de adaptación basado en Nexus que integre el agua, la energía y los alimentos dentro de los sistemas de riego es crucial para el uso eficaz y sostenible de los diferentes recursos. Esto puede promover un desarrollo del riego inclusivo y sostenible, especialmente ante los grandes desafíos del cambio climático. En un segundo documento se presentó una revisión de las intervenciones políticas en Kenia. El documento indicaba que en el pasado Kenia enfrentó numerosos desafíos para lograr los objetivos de desarrollo sostenible relacionados con los alimentos, el agua y la energía. Para abordar esto, se han desarrollado intervenciones de políticas intersectoriales, instrumentos legales y marcos institucionales. Sin embargo, es necesario un enfoque multisectorial para mejorar e implementar las políticas existentes. La política del agua debe estar alineada con los sectores del agua y la energía. Bajo el tema 6: En uno de los artículos presentados, se discutió el riego deficitario. Se explicó la calidad nutricional y el rendimiento de la batata de pulpa anaranjada en respuesta al riego deficitario en Tanzania. El estudio concluyó que la adopción de estrategias de riego deficitario para cultivos que utilicen sistemas de riego presurizados inteligentes podría ser importante para emprender reformas en la gestión del agua. En el tema 7: El beneficio del riego suplementario en la agricultura de secano se presentó con un ejemplo de Brasil. Se discutió la recolección de agua de lluvia y el riego suplementario para el cultivo de algodón en el sudeste de Brasil. Este estudio demostró que la adaptación de los sistemas de producción de algodón mediante el método de “Riego Suplementario” en períodos críticos proporciona y garantiza una producción algodonera sustentable. Desde la implementación de esta tecnología, la producción de fibra de algodón ha aumentado un 72% y la producción total de algodón aumentó un 58%. A partir de 2022, los productores de algodón continúan utilizando esta metodología de riego suplementario, lo que demuestra que la tecnología es viable y eficaz como medida de resiliencia al cambio climático y la sequía. Además, esta tecnología demuestra estar en línea con las políticas públicas brasileñas. Reconocimientos El Presidente de la ICID y el Editor Invitado desean agradecer al Comité Nacional Marroquí de la ICID (ANAFIDE) por organizar la Décima Conferencia sobre Microriego. La selección de los artículos por su idoneidad para la conferencia y para este número especial estuvo a cargo del Dr. EL Houssine Bartali, el Dr. Mohamed Wahba y el Dr. Elhassnaoui Ismail y sus esfuerzos son muy apreciados y reconocidos.