Optimal water management in agriculture within the context of climate change using innovative technologies and numerical simulation: field applications

Abstract

This dissertation investigates the optimization of irrigation and fertigation strategies in a drip-irrigated citrus orchard (grapefruit) under Mediterranean climate conditions. The main objective is to improve agricultural water use and reduce environmental impacts. The study combines field experiments, monitoring of key parameters, advanced laboratory techniques and numerical modeling with HYDRUS 2D/3D software to evaluate soil-water-plant interactions under different management scenarios. High-resolution measurements of soil hydraulic properties were carried out using specialized equipment (HYPROP, WP4C and KSAT). Both unimodal and bimodal van Genuchten functions were used to estimate the hydraulic parameters in order to accurately represent the water retention curve of the soil. The bimodal function showed better performance in the superficial soil layers (0–30 cm), which is probably due to the greater heterogeneity of the pore size distribution in these layers. This heterogeneity plays a crucial role in influencing water availability in the root zone. A comparative modeling study was then conducted to evaluate the simulation performance of both models using soil moisture data from field sensors. These data were used to calibrate and validate the model. Although the bimodal model achieved slightly better accuracy in simulating near-surface moisture content, the difference in overall performance according to the statistical evaluation criteria (MAE, RMSE, AIC, NSE) was found to be limited. Considering the lower computational effort and the reduced need for parameterization, the unimodal model was selected for further simulation scenarios. This choice represents a practical balance between model accuracy and operational efficiency. Subsequently, a series of irrigation and fertigation scenarios were simulated using the HYDRUS 2D/3D model. These scenarios explored the effects of different irrigation strategies (full and deficit irrigation), various configurations of drip tapes arranged in circular patterns around the trees, and alternative fertigation schedules. The results indicated that combining deficit irrigation with circular drip tape placements at greater distances from the tree trunk (100 and 120 cm), compared to the experimental setup at 60 cm, significantly reduced deep percolation and nitrate leaching. This, in turn, enhanced nitrogen uptake efficiency and mitigated the risk of groundwater contamination. The best performance was observed with the use of two circular drip tapes per tree, which overall outperformed all simulated single circular configurations. In parallel to the simulations, a combined field and laboratory study was conducted to assess the impact of deficit irrigation on fruit yield and quality. The results showed that reduced irrigation did not have a negative impact on overall fruit production. In some cases, it even improved quality characteristics, with an increase in total soluble solids (TSS), titratable acidity (TA) and antioxidant content being observed. Among the varieties studied, 'Ruby' showed remarkable tolerance to water stress while maintaining high fruit quality. This research highlights the value of a comprehensive and integrated approach combining a detailed hydraulic characterization of the soil, dynamic simulation models and the evaluation of different irrigation and fertigation strategies. The proposed framework provides a solid foundation for optimizing water and nutrient management in citrus orchards and offers practical, science-based solutions for sustainable resource use in perennial cropping systems, especially in regions facing water scarcity and increasing climate-related challenges.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά τη βελτιστοποίηση στρατηγικών άρδευσης και υδρολίπανσης σε οπωρώνα εσπεριδοειδών (γκρέιπφρουτ) με στάγδην άρδευση, υπό μεσογειακές κλιματικές συνθήκες, με σκοπό την ενίσχυση της αποδοτικότητας χρήσης του νερού και τη μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Η μελέτη ενσωματώνει εφαρμογές πεδίου, παρακολούθηση κρίσιμων παραμέτρων, προηγμένες εργαστηριακές μεθόδους και αριθμητική προσομοίωση μέσω του μοντέλου HYDRUS 2D/3D, με στόχο την αξιολόγηση των αλληλεπιδράσεων εδάφους–νερού–φυτού υπό ποικίλες συνθήκες διαχείρισης.Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις υψηλής ανάλυσης των υδραυλικών ιδιοτήτων του εδάφους, με χρήση εξειδικευμένου εξοπλισμού (HYPROP, WP4C και KSAT), ενώ η εκτίμηση των υδραυλικών παραμέτρων βασίστηκε στην εφαρμογή μονοτροπικών και διτροπικών συναρτήσεων van Genuchten, με στόχο την ακριβέστερη αναπαράσταση της καμπύλης συγκράτησης νερού. Το διτροπικό μοντέλο παρουσίασε καλύτερη απόδοση στα επιφανειακά στρώματα του εδάφους (0–30 cm), γεγονός που πιθανότατα οφείλεται στη μεγαλύτερη ετερογένεια στην κατανομή των πόρων σε αυτά τα στρώματα, η οποία επηρεάζει καθοριστικά τη διαθεσιμότητα νερού προς το ριζικό σύστημα. Ακολούθησε συγκριτική μελέτη μοντελοποίησης, με στόχο την αξιολόγηση της προσομοιωτικής ικανότητας των δύο μοντέλων, βάσει επιτόπιων μετρήσεων εδαφικής υγρασίας από αισθητήρες πεδίου, οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν για τη βαθμονόμηση και την επαλήθευσή τους. Αν και το διτροπικό μοντέλο εμφάνισε ελαφρώς καλύτερη προσαρμογή στα δεδομένα των επιφανειακών στρωμάτων, η διαφορά στην προσομοιωτική απόδοση κρίθηκε περιορισμένη, σύμφωνα με τα βασικά στατιστικά κριτήρια αξιολόγησης (MAE, RMSE, AIC, NSE). Λαμβάνοντας υπόψη τη μικρότερη υπολογιστική πολυπλοκότητα και τις μειωμένες απαιτήσεις παραμετροποίησης, το μονοτροπικό μοντέλο επιλέχθηκε για την περαιτέρω προσομοίωση σεναρίων, ως μία πιο ισορροπημένη επιλογή μεταξύ ακρίβειας και λειτουργικής αποδοτικότητας, ιδίως σε εφαρμογές με περιορισμένη διαθεσιμότητα δεδομένων και πόρων. Στη συνέχεια, υλοποιήθηκε σειρά σεναρίων προσομοίωσης με το μοντέλο HYDRUS 2D/3D, με στόχο την αξιολόγηση της επίδρασης διαφορετικών στρατηγικών άρδευσης (πλήρης έναντι ελλειμματικής), διαμορφώσεων των σταλακτηφόρων σωλήνων σε κυκλική διάταξη, καθώς και εναλλακτικών προσεγγίσεων υδρολίπανσης. Ο συνδυασμός της ελλειμματικής άρδευσης με κυκλικές διατάξεις άρδευσης τοποθετημένες σε μεγαλύτερη απόσταση από τον κορμό του δέντρου (100 και 120 cm), σε σύγκριση με την πειραματική διάταξη των 60 cm, οδήγησε σε σημαντική μείωση της βαθιάς διήθησης και της έκπλυσης νιτρικών, ενισχύοντας την αποδοτικότητα πρόσληψης αζώτου και περιορίζοντας τον κίνδυνο ρύπανσης των υπόγειων υδάτων. Τα καλύτερα αποτελέσματα καταγράφηκαν όταν εφαρμόστηκε διάταξη δύο κυκλικών σταλακτηφόρων σωλήνων γύρω από κάθε δέντρο, η οποία υπερείχε συνολικά σε σχέση με όλες τις μονές κυκλικές διατάξεις που προσομοιώθηκαν.Παράλληλα με τα σενάρια προσομοίωσης, διεξήχθη μελέτη στο εργαστήριο για την αξιολόγηση της επίδρασης της ελλειμματικής άρδευσης στην παραγωγή και στην ποιότητα των καρπών. Τα αποτελέσματα κατέδειξαν ότι η μείωση της άρδευσης δεν επηρέασε αρνητικά τη συνολική απόδοση, ενώ οδήγησε σε βελτίωση ποιοτικών χαρακτηριστικών, όπως αυξημένα ολικά διαλυτά στερεά (TSS), οξύτητα (TA) και υψηλότερη περιεκτικότητα σε αντιοξειδωτικές ενώσεις. Ιδιαίτερη ανθεκτικότητα στην υδατική καταπόνηση επέδειξαν ορισμένες ποικιλίες, όπως η “Ruby”. Η παρούσα έρευνα τεκμηριώνει την αξία μιας πολυεπίπεδης, συνδυαστικής προσέγγισης που περιλαμβάνει τον υψηλής ακρίβειας χαρακτηρισμό των υδραυλικών ιδιοτήτων του εδάφους, τη δυναμική αριθμητική προσομοίωση και την αξιολόγηση διαφορετικών στρατηγικών άρδευσης και υδρολίπανσης. Το προτεινόμενο πλαίσιο μπορεί να αποτελέσει θεμέλιο για τη βελτιστοποίηση της διαχείρισης νερού και θρεπτικών σε καλλιέργειες εσπεριδοειδών, προσφέροντας πρακτικές και επιστημονικά τεκμηριωμένες λύσεις για τη βιώσιμη αξιοποίηση των υδατικών πόρων σε πολυετείς καλλιέργειες, ιδιαίτερα υπό το πρίσμα της λειψυδρίας και των εντεινόμενων προκλήσεων της κλιματικής αλλαγής.