Angesichts der anhaltenden Wasserprobleme im Westen unterstützt das Irrigation Innovation Consortium die Zusammenarbeit zwischen Industrie und Universitäten

Von Stacy Nick

Da Wasser im Westen der USA immer knapper wird, verfolgt eine Gruppe von Universitäts- und Industriepartnern Innovationen bei der größten Nutzung dieser wichtigen Ressource: der landwirtschaftlichen Bewässerung.

Seit fast fünf Jahren unterstützt das Irrigation Innovation Consortium die Zusammenarbeit zwischen Industrie und Universität, um Bewässerungstechnologien zu verbessern, ihre Einführung zu fördern und ein effektives Wassermanagement in Landwirtschaft und Landschaft zu fördern.

Ein Zuschuss in Höhe von 5 Millionen US-Dollar von der gemeinnützigen Stiftung für Lebensmittel- und Agrarforschung im Jahr 2018 hat die Forschungs- und Engagementaktivitäten des Konsortiums unterstützt. Das IIC hat Projekte ausgewählt, die im Rahmen jährlicher wettbewerbsorientierter Forschungsaufrufe vorgeschlagen werden, um die gemeinsame Entwicklung und Erprobung von Technologien, Entscheidungsunterstützungssystemen und fortschrittlichen Bewässerungsmanagementstrategien zu unterstützen. Öffentliche und private Partner unterstützen ihre Projekte entsprechend, was zu einer Gesamtinvestition von über 10 Millionen US-Dollar in IIC-Forschungs- und Outreach-Aktivitäten führt. In jüngerer Zeit konnte das IIC auch den Wissenszuwachs und sein Netzwerk nutzen, um zusätzliche staatliche und bundesstaatliche Mittel zu gewinnen, um seine Reichweite und Wirkung zu erweitern.

Dem IIC mit Hauptsitz an der Colorado State University gehören vier weitere Land-Grant-Universitäten als Gründungsmitglieder an: die University of Nebraska-Lincoln, die Kansas State University, die Texas A&M University und die California State University-Fresno. Ursprüngliche Gründungspartner der Industrie sind Aqua Engineering, Irrigation Association, JAIN Irrigation Inc, LI-COR, CSU STRATA, Lindsay Corporation, Northern Water Conservation District, Valmont Industries und Rubicon Water.

Im Laufe der Zeit ist das Netzwerk des IIC auf mehr als 165 Forscher, Forschungstechniker und Studenten sowie mehr als 50 private Unternehmen und öffentliche Einrichtungen angewachsen. (Die aktuelle Partnerliste des IIC finden Sie hier)

„IIC-unterstützte Forschungsergebnisse und Outreach-Bemühungen tragen zu einem wachsenden Interesse an der entscheidenden Rolle der Bewässerung und dem Potenzial bei, die Auswirkungen und den Einsatz fortschrittlicher Managementinstrumente und -strategien durch die Zusammenarbeit mit Organisationen wie dem US Roundtable for Sustainable Beef, der Irrigation Association, zu skalieren. örtlichen Wasserversorgern und dem California Almond Board“, sagte Amy Kremen, stellvertretende Direktorin des IIC. Kremen vertritt die Colorado State University seit 2016 im Namen mehrerer institutioneller und bundesstaatlicher Projekte, die sich auf die Weiterentwicklung von Wissen und Praxis im Zusammenhang mit dem Bewässerungsmanagement konzentrieren, zunächst mit dem von der USDA-NIFA finanzierten Ogallala Water Coordinated Agriculture Project an der CSU und dem Colorado Master Irrigator Programm, bevor er dem IIC beitrat.

„Das Publikum für die Erkenntnisse und Ergebnisse der Arbeit des IIC ist groß und wächst“, sagte Kremen. „Es ist ein spannender Ort, an dem man sich aufhalten kann, weil Beziehungen, gegenseitiges Verständnis und Fachwissen als Reaktion auf große Bedürfnisse aufgebaut werden.“

Ein Großteil der Forschung des IIC konzentrierte sich auf die Bewältigung wasserbezogener Herausforderungen im amerikanischen Westen. Hier ist die landwirtschaftliche Bewässerung der größte Wasserverbraucher, und der Druck, den Wasserverbrauch zu reduzieren, wächst, da die Gemeinden mit anhaltender Dürre und einem Rückgang der Oberflächen- und Grundwasserversorgung zu kämpfen haben.

„Wasserknappheit, bestehende oder bevorstehende Wasserregulierung, heißere und trockenere Klimatrends – viele Faktoren treiben heute technologische und soziale Innovationen voran“, sagte Kremen. „Wir müssen alle uns zur Verfügung stehenden Instrumente nutzen und den gesamten verfügbaren Einfallsreichtum, das gesamte Fachwissen und das gesamte Systemwissen nutzen, wenn wir die Lebensqualität der Gemeinschaft und stabile landwirtschaftliche Wertschöpfungsketten erhalten und unterstützen wollen.“

Da viele Technologieunternehmen in den Bereich der Wasserbewirtschaftung in der Landwirtschaft und Landschaft einsteigen, herrscht große Aufregung, aber oft mangelt es den Endbenutzern an Klarheit. Der Lernaufwand für den effektiven Einsatz eines neuen Tools – und die damit verbundenen Kosten – sind oft noch zu hoch und die potenziellen Vorteile des Einsatzes sind nicht unbedingt offensichtlich.

Es bestehe zwar ein großer Bedarf und eine große Chance, Bewässerungssysteme zu aktualisieren und das Bewässerungsmanagement zu optimieren, doch sei es schwierig, eine solche Änderung herbeizuführen, sagte Kremen. „Man kann davon ausgehen, dass das, was zu Veränderungen im Bewässerungsmanagement führt, aus vier Teilen besteht, mit miteinander verbundenen technischen, praktischen, wirtschaftlichen und sozialen Aspekten, einschließlich der sich entwickelnden, aber allgegenwärtigen Politik und dem politischen Kontext. Werkzeuge, Daten und Schulungen müssen diese Dinge gemeinsam angehen.“ . Das ist eine große Herausforderung, aber dann kommt es zu bedeutsamen Veränderungen.“

Im Kern bestand die Mission des IIC, die Einführung innovativer Bewässerungswerkzeuge und -strategien voranzutreiben, darin, Wege zu finden, um Daten umsetzbar zu machen und den Zeitpunkt und die Mengen der Bewässerungsanwendungen zu bestimmen.

Die folgenden Schnappschüsse beleuchten einige Beiträge von CSU-Forschern zum gesamten Projektportfolio des IIC und wie ihre Arbeit neue Richtungen in Forschung und Öffentlichkeitsarbeit unterstützt.

Industriepartner: Vertical Irrigation, LLC

Hauptforscher: Joshua Craver, Assistenzprofessor, Controlled Environment Horticulture, CSU

Die Beleuchtung macht 40–60 % der Inputkosten für vertikale Bewässerungssysteme in der Landwirtschaft aus, was Nachhaltigkeit und Rentabilität einschränkt. Um dieses Problem anzugehen, leitete Joshua Craver ein vom IIC unterstütztes Projekt zur Evaluierung des Einsatzes unterschiedlicher Intensitäten von zusätzlichem tiefrotem Licht bei der Produktion von Mikrogrünpflanzen.

„Unser Labor hat umfangreiche Forschung zu Beleuchtungsanwendungen mit Leuchtdioden (LED) durchgeführt, mit dem Ziel, den Ernteertrag und die Qualität zu steigern und gleichzeitig die Energie- und Wassernutzungseffizienz zu verbessern. Mithilfe neuer Einrichtungen wie dem Controlled Environment Horticulture Research Lab.“ „Im Terra-Gebäude auf dem CSU-Spur-Campus freuen wir uns darauf, diese Fortschritte in der modernen Agrartechnologie mit der Öffentlichkeit zu teilen“, sagte Craver.

Universitätspartner: Colorado State University, University of Arizona, National Renewable Energy Laboratory (NREL)

Industriepartner: Jack's Solar Garden

Hauptforscher: Jordan Macknick, leitender Energie-Wasser-Land-Analyst, NREL

„Agrivoltaik“ bezieht sich im Sinne des US-Energieministeriums auf „die gleichzeitige Nutzung von Land sowohl für die Landwirtschaft als auch für die Stromerzeugung aus Photovoltaik.“

Ziel dieses vom IIC unterstützten Projekts ist es, den Bedarf an Bewässerungswasser und potenzielle Bewässerungseinsparungen für verschiedene Pflanzen, die unter und um Solarpaneele herum angebaut werden, besser zu verstehen.

Für dieses Projekt arbeiten Forscher mit Jack's Solar Garden zusammen, einem 24 Hektar großen kommerziellen Forschungsstandort für Agrarvoltaik in Longmont, der einen Gemeinschaftsgarten mit einer 1,2-Megawatt-Solaranlage kombiniert. Die CSU hat seitdem weitere entsprechende Forschungen am Standort und im neuen Terra-Gebäude auf dem CSU-Spur-Campus initiiert.

„Sie können Jack's besuchen und sehen, wie Agri-PV in einem Bestäuberlebensraum, in einem beweideten Lebensraum und in einer intensiven Gemüseproduktionsumgebung funktioniert“, Co-PI Meagan Schipanski, Assistenzprofessor für Boden- und Pflanzenwissenschaften an der CSU. „Es ist aufregend.“ , umfassendes Pilotprojekt, das Landverwaltern, Solarentwicklern und politischen Entscheidungsträgern in ganz Colorado und darüber hinaus wichtige Informationen liefern wird.“

In einem anderen Projekt arbeitete der CSU-Wasserressourcenspezialist Joel Schneekloth mit dem Ingenieur Lee Wheeler zusammen, um einen neuen Excel-basierten Rechner für die Effizienz von Bewässerungs- und Pumpanlagen zu entwickeln.

Dieses Tool kann verwendet werden, um potenzielle Ineffizienzen beim Pumpenbetrieb und bei der Mitteldrehpunkt-Wasserversorgung zu erkennen und so die Notwendigkeit eingehender Systemprüfungen oder Reparaturen anzuzeigen. Das Electric Power Research Institute und der Elektrizitätsversorger Tri-State Generation and Transmission Association, Inc. fungierten als Industriepartner und unterstützten dieses Projekt.

„Der Wert anspruchsvoller, neuerer Präzisionsmanagementtechnologien kann nicht ausgeschöpft werden, wenn ein Bewässerungssystem nicht gemäß den Systemspezifikationen funktioniert“, sagte Kremen. „Bewässerungssystem-Audits mögen weniger verlockend erscheinen als neue Widgets und Entscheidungsunterstützungs-Dashboards, aber Tatsache ist, dass eine Verbesserung der Grundlagen der Bewässerungssystemleistung zu erheblichen Wasser- und Energieeinsparungen für die Wasserversorgung im Westen führen könnte.“

Das Team führte Center-Pivot-Audits durch, um die Ergebnisse des Rechners zu testen, und stellte potenzielle Energieeinsparungen von bis zu 27 % fest. Dieser kostenlose Rechner kann verwendet werden, um Bewässerungsbetreiber dazu zu ermutigen, die Leistung des Bewässerungssystems proaktiv zu bewerten und zu priorisieren, anstatt Ineffizienzen als Probleme zu behandeln, die gelöst werden müssen, wenn etwas kaputt geht oder verstopft oder offensichtlich nicht richtig funktioniert. Schneekloth hat seitdem mit dem Colorado Master Irrigator-Programm zusammengearbeitet, um Bewässerungspersonal in der Verwendung des Rechners zu schulen.

Industriepartner: Trout Unlimited, Natural Resources Conservation Service, Paige Wireless

In diesem Projekt arbeitet Trout Unlimited mit landwirtschaftlichen Partnern, CSU Extension, CSU's Water Quality Lab und IIC zusammen, um den Einsatz der LoRa-Technologie zu demonstrieren, die Radiofrequenzmodulation für die stromsparende Übertragung von Daten über große Entfernungen zur Steuerung automatisierter Kontrollstrukturen beinhaltet.

Dieses Projekt wird durch einen Conservation Innovation Grant des Natural Resources Conservation Service (NRCS) finanziert und zielt darauf ab, historisch unterversorgten Produzenten bei der Nutzung traditioneller schwerkraftbetriebener Wasserverteilungsgräben zu helfen und es so zu ermöglichen, die Wasserlieferung bei Bedarf fernzusteuern.

Für dieses Projekt arbeitet Trout Unlimited mit acht Produzenten zusammen, die über 5.500 Fuß Höhe in den Flussbecken Gunnison und Rio Grande in Colorado tätig sind. Das Team setzt LoRa-Netzwerke und zeitgesteuerte Wasserbegrenzungspanels ein, um ihr Potenzial als kostengünstige, wirkungsvolle Werkzeuge zu testen und zu demonstrieren. Diese Einrichtung wird es Produzenten ermöglichen, fernüberwachte Daten in Echtzeit in ihren täglichen Betrieb zu integrieren, wodurch ihre Arbeitskosten gesenkt und die Produktionsergebnisse optimiert werden, während gleichzeitig die Habitat- und Wasservorteile der Hochwasserbewässerung erhalten bleiben.

Auf der Grundlage dieser Forschung werden Zahlungsszenarien und Anwendungsleitfäden für die Praxis entwickelt, um die NRCS-Praxisstandards für das Bewässerungswassermanagement zu informieren und zu aktualisieren.

„Da viele Landwirte außerhalb der Landwirtschaft arbeiten, sollte die Möglichkeit, diese Ströme aus der Ferne in Echtzeit zu überwachen und zu steuern, zu erheblichen Zeit- und Kosteneinsparungen führen“, sagte Perry Cabot, ein auf Bewässerung und Wasser spezialisierter Forschungswissenschaftler am Western Colorado Research Center Ressourcenverwaltung.

Einer der bedeutendsten Vorteile dieses Ansatzes besteht darin, dass die Technologie eine Open-Source-Konnektivitätsplattform verwendet, die es Geräten ermöglichen kann, in Bereichen miteinander zu kommunizieren, in denen Wi-Fi oder Breitband möglicherweise nicht verfügbar sind, sagte Cabot.

„Die Behebung des Mangels an zuverlässigen Konnektivitätslücken für Bewässerungsgeräte in ländlichen Gebieten im gesamten Westen ist für die Weiterentwicklung des Bewässerungsmanagements von entscheidender Bedeutung“, sagte er.

Industriepartner: Colorado Corn

Hauptermittler: Allan Andales, IIC-Hauptforscher und Spezialist für Erweiterungsbewässerung, CSU

Die Messung der Evapotranspiration hilft Landwirten bei der Beurteilung des Wasserverlusts aus der Wurzelzone und ist eine entscheidende Messung für Bewässerungsentscheidungen. Allerdings erschweren unterschiedliche Oberflächen- und Bewirtschaftungsbedingungen die Entscheidungsfindung zur Bewässerung.

Der Water Irrigation Scheduler for Efficient Application (WISE) ist ein cloudbasiertes Bewässerungsplanungstool, das die Evapotranspiration von Pflanzen schätzt und zur Berechnung des Bewässerungswasserbedarfs verwendet. WISE wurde an der CSU von Allan Andales und dem Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen, Mazdak Arabi, entwickelt. Für dieses vom IIC unterstützte Projekt arbeiteten Andales und Mazdak zusammen, um Fernerkundungstechniken zu testen, die die Bedingungen vor Ort nahezu in Echtzeit berücksichtigen würden, um die täglichen Evapotranspirationsschätzungen von WISE für Nutzpflanzen zu verbessern.

„Das Team hat gezeigt, dass die Ergebnisse des WISE-Bewässerungsplaners verbessert werden können, um mithilfe multispektraler Fernerkundungsdaten von Drohnen oder Mikrosatelliten genauer anzugeben, wann – und wie viel – vollständig oder unzureichend bewässerter Mais bewässert werden muss“, sagte Andales. „Wir haben eine Proof-of-Concept-Studie erfolgreich abgeschlossen, die zeigt, dass Fernerkundungsdaten, die tatsächliche Erntebedingungen einbeziehen, zur Aktualisierung der WISE-Erntekoeffizienten verwendet werden könnten, die für die Schätzung der Evapotranspiration von Nutzpflanzen erforderlich sind. Diese aktualisierten Erntekoeffizienten können wiederum zur Verbesserung der WISE-Tools verwendet werden.“ Bewässerungsempfehlungen.

Der nächste Schritt, sagte Andales, bestünde darin, einen Algorithmus zu entwickeln, der die Verarbeitung von Fernerkundungsdaten automatisieren und die WISE-Erntekoeffizienten nahezu in Echtzeit anpassen kann.

Industriepartner: Lindsay Corporation

Hauptforscher: José Chávez, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen, CSU

Reduzierte Wasservorräte aufgrund von Dürre und Erwärmung, städtisches Wachstum und Industrienachfrage erhöhen den Bedarf an einer effizienteren Wasserbewirtschaftung. Historisch gesehen haben Fernerkundung und Satellitenbilder Forschern und politischen Entscheidungsträgern geholfen, aber zunehmend können auch einzelne Landwirte auf diese Technologie zugreifen und davon profitieren.

Satelliten- und unbemannte Flugzeugsystemplattformen, die mit fortschrittlichen Multispektralsensoren ausgestattet sind, bieten eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung, die Landwirte dabei unterstützen kann, effektive Entscheidungen zum Bewässerungsmanagement zu treffen. Die Forscher testeten die Genauigkeit von UAS in Kombination mit Satellitenbildern, um den tatsächlichen Wasserbedarf bzw. die Evapotranspiration und das Bodenwasserdefizit sowohl für das Vollbewässerungsmanagement als auch für das Defizitbewässerungsmanagement zu ermitteln.

„Im Moment besteht eine zentrale Herausforderung darin, herauszufinden, wie man solche Tools erhält und was passieren muss, damit ein solches Tool zuverlässig in Echtzeit funktioniert, um eine bessere Entscheidungsfindung auf Feld- oder Wassereinzugsgebietsebene zu ermöglichen“, sagte Chávez.

Indem das IIC auf Wissensgewinnen aufbaut und daran arbeitet, den Einsatz von Tools und Managementansätzen, die es unterstützt hat, zu skalieren, möchte das IIC in den kommenden Monaten mehr Forscher und Industriepartner zusammenbringen.

„Eines der Dinge, über die wir gerne nachdenken, ist: Wie können wir mehr wichtige Partner der landwirtschaftlichen Wertschöpfungskette einbeziehen, die ein Interesse daran haben, dass die Bewässerung sinnvoll genutzt wird?“ sagte Kremen. „Wie bringen wir sie an den Tisch, um die Einführung und Nutzung innovativer Managementinstrumente und -strategien zu fördern? Wie können wir sicherstellen, dass die Verwendung begrenzten Wassers oder die Wiederverwendung von Wasser den größten Nutzen für Gemeinden, Ökosysteme und Volkswirtschaften mit sich bringen kann?“

Ein weiteres Ziel sei es, die Geschichte der Wissenschaft zu erzählen, damit mehr Menschen die Bedeutung eines effektiven Bewässerungsmanagements verstehen, fügte Kremen hinzu.

„IIC-unterstützte Fortschritte und Verbesserungen bei Bewässerungsmanagementinstrumenten und -strategien sind mit einem viel größeren System verbunden und stellen einen Teil des Weges zur Bewältigung kritischer Wasserknappheit, Qualitätsprobleme und anderer Herausforderungen dar. Daher sind diese Bewässerungsinnovationen für alle von Bedeutung.“ uns."

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