Μεγιστοποίηση της ενεργειακής ωφέλειας από την καλλιέργεια του ενεργειακού φυτού σόργου με ευφυή ρύθμιση άρδευσης
Authors: Παπανικολάου Χρήστος 
Published: August 2021

Η χρήση των συμβατικών μορφών ενέργειας έχει δημιουργήσει προβλήματα όπως το φαινόμενο του θερμοκηπίου, η όξινη βροχή και άλλα. Παράλληλα η εξάντληση των αποθεμάτων πετρελαίου, φυσικού αερίου και άνθρακα, καθιστούν επιτακτική τη χρήση εναλλακτικών μορφών ενέργειας. Παγκόσμιες συμφωνίες, ευρωπαϊκές οδηγίες και εθνικές νομοθεσίες επιβάλλουν, προτείνουν και ενθαρρύνουν την παραγωγή ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές. Η Βιομάζα αποτελεί μία ανεξάντλητη πηγή ενέργειας η οποία μαζί με την αιολική, την ηλιακή και άλλες χαρακτηρίζεται ως πράσινη πηγή ενέργειας και συμβάλλει στην κάλυψη μέρους των συνεχώς αυξανόμενων ενεργειακών αναγκών. Η σπατάλη του νερού, κυρίως από τη εφαρμογή των αλόγιστων αρδεύσεων, επιβάλει την λήψη μέτρων αντιμετώπισης του συγκεκριμένου προβλήματος. Η χρήση μεθόδων αποδοτικότερης εφαρμογής του αρδευτικού νερού, ο ακριβής υπολογισμός των αναγκών των καλλιεργειών σε νερό και η καλλιέργεια φυτών που δείχνουν ανοχή στην έλλειψη νερού αποτελούν μερικά από τα μέτρα για την αντιμετώπιση του προβλήματος της σπατάλης του νερού. Μια από τις μεθόδους αποδοτικής εφαρμογής του αρδευτικού νερού είναι και η στάγδην άρδευση, επιφανειακή και υπόγεια. Η υπόγεια στάγδην άρδευση αποτελεί παραλλαγή της αντίστοιχης επιφανειακής εφαρμόζοντας το αρδευτικό νερό δια μέσω σταλακτηφόρων αγωγών που τοποθετούνται σε διάφορα βάθη κάτω από την επιφάνεια του εδάφους. Ο συνδυασμός των μεθόδων αυτών με τεχνολογικά επιτεύγματα συνεπάγεται την μείωση του κόστους παραγωγής υπό την προϋπόθεση ότι τα συστήματα οργανώνονται, λειτουργούν και συντηρούνται κανονικά. Η εκπόνηση της παρούσας έρευνας έγινε για να αξιολογηθεί: α) η καλλιέργεια του ενεργειακού φυτού σόργου υπό συνθήκες γεωργίας χαμηλών εισροών, β) η επίδραση της ελλειμματικής άρδευσης με τις μεθόδους της επιφανειακής και υπόγειας στάγδην άρδευσης στην ανάπτυξη και παραγωγή βιομάζας του φυτού σόργου, γ) η μέθοδος επιφανειακής στάγδην άρδευσης με την χρήση αισθητήρα μέτρησης υγρασίας εδάφους, δ) η επίδραση διαφορετικών δόσεων άρδευσης στην ανάπτυξη και παραγωγή βιομάζας του ενεργειακού φυτού σόργου, ε) η σύγκριση της υπόγειας και επιφανειακής στάγδην άρδευσης με όρους εξοικονόμησης και αποδοτικότητας χρήσης νερού στο σόργο, στ) η σύγκριση της εφαρμογής τριών δόσεων άρδευσης με τη μέθοδο της υπόγειας και επιφανειακής στάγδην άρδευσης με όρους οικονομικούς, ζ) η μέθοδος υπολογισμού του δείκτη φυλλικής επιφάνειας με την λήψη ψηφιακών φωτογραφιών και την επεξεργασία με το πρόγραμμα AutoCAD, η) η ανάπτυξη μοντέλου πρόβλεψης της παραγωγής της καλλιέργειας με την εφαρμογή της πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης. Τελικός σκοπός της εργασίας είναι η μεγιστοποίηση της ενεργειακής ωφέλειας από την καλλιέργεια του ενεργειακού φυτού σόργου με ευφυή ρύθμιση άρδευσης. Η έρευνα πραγματοποιήθηκε σε πειραματικό αγρό του Αγροκτήματος του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας στην περιοχή Βελεστίνου, του νομού Μαγνησίας. Στον συγκεκριμένο πειραματικό αγρό πραγματοποιήθηκε εγκατάσταση του επιφανειακού και υπόγειου συστήματος στάγδην άρδευσης καθώς και η τοποθέτηση των αισθητήρων μέτρησης της εδαφικής υγρασίας αλλά και του συστήματος πλήρους αυτοματοποίησης της επιφανειακής στάγδην άρδευσης. Η έρευνα πραγματοποιήθηκε τις καλλιεργητικές περιόδους 2007, 2008 και 2009. Το έδαφος ήταν αμμοπηλώδες έως αργιλοπηλώδες. Το πειραματικό σχέδιο που εφαρμόστηκε ήταν πλήρως τυχαιοποιημένες ομάδες με επτά μεταχειρίσεις σε τέσσερις επαναλήψεις. Οι μεταχειρίσεις που εφαρμόστηκαν ήταν: α) Υπόγεια στάγδην άρδευση με δόση άρδευσης ίση με 100% των αναγκών της καλλιέργειας (Υ100), β) Υπόγεια στάγδην άρδευση με εφαρμοζόμενη δόση άρδευσης ίση με το 70% της ET (Υ70), γ) Υπόγεια στάγδην άρδευση με δόση άρδευσης ίση με το 50% της ET (Υ50), δ) Επιφανειακή στάγδην άρδευση με δόση άρδευσης ίση με το 100% της ET (E100), μάρτυρας, ε) Επιφανειακή στάγδην άρδευση με δόση άρδευσης ίση με το 70% της ET (Ε70), στ) Επιφανειακή στάγδην άρδευση με δόση άρδευσης ίση με το 50% της ET (Ε50), ζ) Πλήρως αυτοματοποιημένη επιφανειακή στάγδην άρδευση με εφαρμοζόμενη ποσότητα νερού ίση με το 100% των αναγκών της καλλιέργειας. Οι αγωγοί εφαρμογής για το υπόγειο σύστημα στάγδην άρδευσης τοποθετήθηκαν με ειδικό υπεδαφοθέτη σε βάθος 0,45m. Το υλικό που χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή τους ήταν πολυαιθυλένιο, και η διάμετρός τους ήταν 20mm ενώ η ισαποχή τους ήταν 1,6m. Οι αγωγοί εφαρμογής είχαν ενσωματωμένους αυτοκαθαριζόμενους και αυτορυθμιζόμενους σταλακτήρες με παροχή 2,3L/h σε ένα εύρος πίεσης μεταξύ 0,5 έως 1,0Atm. Ο υπολογισμός της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ΕΤ0) και ο προγραμματισμός των αρδεύσεων έγινε με την μεθοδολογία του εξατμισίμετρου τύπου Α. Η μεθοδολογία αυτή εφαρμόστηκε για τον υπολογισμό της δόσης άρδευσης για τις μεταχειρίσεις στις οποίες καλύπτονταν το σύνολο των αναγκών τους σε νερό (E100 και Y100). Η δόση άρδευσης στις μεταχειρίσεις που αρδεύτηκαν ελλειμματικά υπολογίστηκε ως ποσοστό της πλήρους δόσης άρδευσης. Στη μεταχείριση A100 η δόση άρδευσης καθορίστηκε από τον ρυθμό εξάντλησης της εδαφικής υγρασίας όπως αυτή καταγράφονταν από τον αισθητήρα μέτρησης υγρασίας εδάφους. Η άρδευση των έξι από τις επτά μεταχειρίσεις γινότανε κάθε δύο ημέρες σύμφωνα με τις ενδείξεις του εξατμισίμετρου τύπου A ενώ στη μεταχείριση A100 καθορίζονταν από το ρυθμό εξάντλησης της εδαφικής υγρασίας. Ο μέσος όρος εξοικονόμησης νερού μεταξύ των ζευγών μεταχειρίσεων Ε50-Υ50, Ε70-Υ70 και Ε100-Υ100 ήταν 18,7%, 16,7% και 9,4% αντίστοιχα υπέρ της υπόγειας στάγδην άρδευσης. Ειδικά στην περίπτωση της μεταχείρισης A100 η μέση εξοικονόμηση νερού τη διετία 2008-2009 φτάνει το 10,1% σε σύγκριση με τη μεταχείριση E100. Για την μοντελοποίηση των παραγωγικών χαρακτηριστικών της καλλιέργειας εφαρμόστηκε η μέθοδος της πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης. Τα παραγωγικά χαρακτηριστικά της καλλιέργειας που μελετήθηκαν στην παρούσα έρευνα ήταν το ύψος του κεντρικού στελέχους του φυτού, ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας (LAI) και η παραγωγή ξηρής βιομάζας. Το πρόβλημα το οποίο προέκυψε ήταν πολυπαραμετρικό και εντόνως μη γραμμικό. Για την επίλυση αυτού του προβλήματος το μη γραμμικό μοντέλο γραμμικοποιήθηκε με την εφαρμογή λογαριθμοποίησης με βάση το φυσικό λογάριθμο (ln) σε όλες τις τιμές των παραμέτρων και στη συνέχεια στο γραμμικό μοντέλο χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης (Multiple Regression). Το ύψος του φυτού, ο LAI και η ξηρή βιομάζα αποτελούσαν τις εξαρτημένες μεταβλητές (Υ) ενώ οι ανεξάρτητες μεταβλητές ήταν η άρδευση (Χ₁), η βροχόπτωση (Χ₂), η ηλιοφάνεια (Χ₃), η βροχόπτωση (Χ₃), η θερμοκρασία της ατμόσφαιρας (Χ₄), η υγρασία εδάφους (Χ₅), η υγρασία ατμόσφαιρας (X₆), και η διάρκεια της ημέρας. Ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας (LAI) κυμάνθηκε σε χαμηλότερα επίπεδα στις μεταχειρίσεις που αρδεύτηκαν ελλειμματικά σε σύγκριση με αυτές που δέχτηκαν πλήρη δόση άρδευσης συμπεριλαμβανομένης και της μεταχείρισης Υ70. Οι διαφορές μεταξύ των μεταχειρίσεων που αρδεύτηκαν ελλειμματικά και αυτών που δέχτηκαν πλήρη δόση άρδευσης ήταν σημαντικές. Η στατιστική ανάλυση των μετρήσεων LAI με τη μέθοδο SunScan και η εμβαδομέτρηση με το πρόγραμμα AutoCAD έδειξε ότι δεν υπήρχαν διαφορές μεταξύ των δύο μεθόδων. Στις μεταχειρίσεις E100, Y100 και Υ70 ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας εξαρτάται από την άρδευση και την βροχόπτωση. Αντίθετα, στις μεταχειρίσεις που αρδεύτηκαν ελλειμματικά ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας εξαρτάται από την άρδευση και από την εδαφική υγρασία. Κατά τη διάρκεια της τριετούς έρευνας παρατηρήθηκαν διαφορές ως προς την ανάπτυξη των φυτών. Τα φυτά που αρδεύτηκαν με υπόγεια στάγδην άρδευση ήταν ψηλότερα σε σύγκριση με εκείνα που αρδεύτηκα με επιφανειακή. Αντίστοιχα, τα φυτά που αρδεύτηκαν πλήρως παρουσίασαν μεγαλύτερη ανάπτυξη σε σύγκριση με εκείνα που αρδεύτηκαν ελλειμματικά. Επιπλέον φαίνεται καθαρά από την επεξεργασία των αποτελεσμάτων με τη μέθοδο της πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης ότι το ύψος των φυτών εξαρτάται από την άρδευση και μόνο. Η μέγιστη τιμή βιομάζας παρατηρήθηκε στις μεταχειρίσεις που αρδεύτηκαν με το σύστημα υπόγειας στάγδην άρδευσης και δέχτηκαν πλήρη δόση άρδευσης. Η μέση μέγιστη τιμή βιομάζας παρατηρήθηκε στη μεταχείριση Y100. Οι μεταχειρίσεις Ε70, Υ50 και Ε50 έδωσαν ικανοποιητική απόδοση. Στις μεταχειρίσεις E100 και A100 δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφορές κατά τη διετία 2008- 2009. Από την επεξεργασία των αποτελεσμάτων με τη μέθοδο της πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης φαίνεται ότι η ξηρή βιομάζα εξαρτάται από την άρδευση και μόνο. Η παραγωγή ενέργειας επηρεάστηκε κατά παρόμοιο τρόπο με την παραγωγή ξηρής βιομάζας από την εφαρμογή των διαφόρων δόσεων και μεθόδων άρδευσης. Το ενεργειακό ισοζύγιο είναι θετικό για το σύνολο των μεταχειρίσεων. Μια τάση υπεροχής φαίνεται να παρουσιάζει η μεταχείριση Υ70 η οποία δίνει μεγαλύτερο ενεργειακό ισοζύγιο σε σύγκριση με τις μεταχειρίσεις A100, Ε50, Ε70, E100, Υ50 και Y100 αντίστοιχα. Στη μεταχείριση Ε50 το ενεργειακό ισοζύγιο είναι θετικό και αρκετά υψηλό παρόλο που οι ανάγκες της καλλιέργειας καλύφθηκαν μόνο κατά το 50%. Από τη μελέτη των μετρήσεων εδαφικής υγρασίας φαίνεται ότι η υπόγεια στάγδην άρδευση διατηρεί την εδαφική υγρασία σε υψηλότερα επίπεδα από την αντίστοιχη επιφανειακή στις μεταχειρίσεις που αρδεύτηκαν ελλειμματικά. Δεν παρατηρήθηκε βαθιά διήθηση κατά τη διάρκεια της τριετούς έρευνας ενώ στη μεταχείριση Ε50 η εδαφική υγρασία διατηρήθηκε σε ικανοποιητικά επίπεδα κατά την περίοδο της άνθησης που το σόργο παρουσιάζει τη μεγαλύτερη ευαισθησία στην έλλειψη νερού. Ειδικά για τη μεταχείριση A100 η διακύμανση της μέσης εδαφικής υγρασίας ήταν σταθερή και κυμάνθηκε μεταξύ 24% και 32%κ.ο. που ήταν και τα όρια λειτουργίας του αυτοματοποιημένου συστήματος άρδευσης. Από τη μελέτη των αποτελεσμάτων της εμβαδομέτρησης του ριζικού συστήματος φαίνεται ότι αυτό δεν επηρεάστηκε από τη συχνότητα των αρδεύσεων. Η ανάπτυξή της ρίζας έφτασε έως το βάθος των 50cm τουλάχιστο. Επομένως το φυτό ανέπτυξε ριζικό σύστημα τουλάχιστο έως το βάθος του υπόγειου αγωγού εφαρμογής ενώ η μέγιστη πυκνότητα ριζών παρατηρήθηκε στα 30cm. Από τη μελέτη που έγινε προέκυψε ότι η ρίζα κάλυψε επιφάνεια 466cm², το μέγιστο μήκος των ριζικών τριχιδίων έφτανε τα 50cm ενώ το μέγιστο πλάτος έφτανε τα 35cm. Από τη μελέτη της αποδοτικότητας χρήσης αρδευτικού νερού (IWUE) προκύπτει ότι η υπόγεια στάγδην άρδευση εφαρμόζει αποδοτικότερα το νερό της άρδευσης. Μεταξύ των μεταχειρίσεων, η αποδοτικότητα χρήσης νερού ήταν μεγαλύτερη στις μεταχειρίσεις που αρδεύτηκαν ελλειμματικά. Τις καλλιεργητικές περιόδους 2008 και 2009 η μεγαλύτερη αποδοτικότητα χρήσης νερού παρατηρήθηκε στη μεταχείριση Υ70. Η οικονομική ανάλυση που πραγματοποιήθηκε περιελάμβανε μελέτη της ακαθάριστης προσόδου, των άμεσων δαπανών, του άμεσου κόστους παραγωγής και του ακαθάριστου κέρδους. Ως προς τις οικονομικές παραμέτρους που μελετήθηκαν η υπόγεια στάγδην άρδευση υπερέχει της επιφανειακής. Το επιπλέον κόστος για την αγορά του εξοπλισμού της μεταχείρισης A100 δεν φαίνεται να επηρεάζει σημαντικά την οικονομικότητα της καλλιέργειας σε σύγκριση με την μεταχείριση E100. Από την έρευνα προκύπτει ότι εφαρμογή κατάλληλων καλλιεργητικών τεχνικών σε συνδυασμό με τη χρήση σύγχρονης τεχνολογίας αυξάνουν το οικονομικό όφελος για τον παραγωγό. Εάν στα παραπάνω συνυπολογιστεί το περιβαλλοντικό όφελος από την μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων και την διατήρηση σταθερού του ισοζυγίου διοξειδίου του άνθρακα τότε γίνεται αντιληπτό ότι η καλλιέργεια του ενεργειακού φυτού σόργου αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη καλλιέργεια ιδιαίτερα υπό συνθήκες εφαρμογής γεωργίας χαμηλών εισροών, ελλειμματικής άρδευσης και εφαρμογής νέων τεχνολογιών πλήρους αυτοματοποίησης των αρδεύσεων.