The search for innovative approaches to agricultural production is essential to face the challenge of providing food to a growing population without depleting natural resources. Therefore, an accurate assessment of the green and blue water needs of cultivated land is essential for systematic water management in agriculture. Among the limits to global food production, soil and water salinity and climatic conditions play a prominent role, particularly in semi-arid and arid regions. In this context, a possible solution is to grow in a controlled environment, such as greenhouses, where temperature, humidity, light, and other factors can be adjusted to meet the plant's needs. This research aims to evaluate different crop production techniques, from the more traditional approach in the field to innovative soilless cultivation techniques, with a case study in Egypt. An innovative approach to the water-salinity-energy nexus is proposed to evaluate each cultivation method. First, field and greenhouse reference and crop evapotranspiration are modeled at the global scale using the Penman-Monteith and Hargreaves-Samani models. In addition, the energy consumption is calculated to maintain the optimal climatic conditions for indoor cultivation. Finally, the WATSALT model is introduced to simultaneously monitor water and salinity conditions to estimate green and blue water under stress conditions for specific crops. The results showed that by shifting to protected cultivation, the reduction in crop water requirement is 60%, 65%, and 30% for tomato, watermelon, and pepper, respectively. Moreover, the mean energy consumption for producing tomato, watermelon, and pepper in the plastic greenhouses of Egypt is calculated to be 76.5, 22.4, and 65.2 kWh/m2, respectively. Additionally, drip irrigation showed the most efficient method to control salt accumulation in salt-affected areas. This model could be used for irrigation planning and resource management policies. Besides, it can be helpful on multiple scales, from farm to global scale.
La ricerca di approcci innovativi per la produzione agricola è fondamentale per affrontare la sfida di fornire cibo ad una popolazione in continua crescita, senza depauperare le risorse naturali. Pertanto, una valutazione accurata del fabbisogno di acqua verde e blu dei terreni coltivati è essenziale per una gestione sistematica dell'acqua in agricoltura. Tra i limiti alla produzione alimentare globale, la salinità del suolo e dell'acqua e le condizioni climatiche hanno un ruolo di primo piano, particolarmente nelle regioni semi-aride e aride. In questo contesto, una possibile soluzione è coltivare in un ambiente controllato, quali le serre, in cui temperatura, umidità, luce e altri fattori possono essere regolati per soddisfare le esigenze della pianta. Questa ricerca mira a valutare diverse tecniche di produzione delle colture, dall'approccio più tradizionale in campo alle innovative tecniche di coltivazione fuori suolo, con un caso studio in Egitto. Viene proposto un approccio innovativo al nesso acqua-salinità-energia per la valutazione di ciascun metodo di coltivazione. In primo luogo, l'evapotraspirazione di riferimento e colturale in campo e in serra sono modellate alla scala globale utilizzando i modelli Penman-Monteith e Hargreaves-Samani. Inoltre, viene calcolato il consumo di energia per mantenere le condizioni climatiche ottimali per la coltivazione indoor. Infine, viene introdotto il modello WATSALT per monitorare simultaneamente le condizioni dell'acqua e della salinità per stimare l'acqua verde, l'acqua blu in condizioni di stress per specifiche colture. I risultati hanno mostrato che, passaggio alla coltivazione protetta la riduzione dell'evapotraspirazione e' del 60%, 65% e 30% per pomodoro, anguria e peperone, rispettivamente. Inoltre, il consumo energetico medio per la produzione di pomodoro, anguria e peperoncino in serra in Egitto è di76,5, 22,4 e 65,2 kWh/m2., rispettivamente. Inoltre, l'irrigazione a goccia si è mostrata il metodo più efficiente nel limitare gli effetti della salinità sulla produzione agricola. Questo modello potrebbe essere utilizzato per la pianificazione dell'irrigazione e di politiche di gestione delle risorse. Inoltre, può essere utile su più scale, dall'azienda agricola alla scala globale.
The water-salinity-energy nexus : an approach to evaluate shifting agriculture techniques from the open field to protected cultivation
Karimzadeh, Saeed
2020/2021
Abstract
The search for innovative approaches to agricultural production is essential to face the challenge of providing food to a growing population without depleting natural resources. Therefore, an accurate assessment of the green and blue water needs of cultivated land is essential for systematic water management in agriculture. Among the limits to global food production, soil and water salinity and climatic conditions play a prominent role, particularly in semi-arid and arid regions. In this context, a possible solution is to grow in a controlled environment, such as greenhouses, where temperature, humidity, light, and other factors can be adjusted to meet the plant's needs. This research aims to evaluate different crop production techniques, from the more traditional approach in the field to innovative soilless cultivation techniques, with a case study in Egypt. An innovative approach to the water-salinity-energy nexus is proposed to evaluate each cultivation method. First, field and greenhouse reference and crop evapotranspiration are modeled at the global scale using the Penman-Monteith and Hargreaves-Samani models. In addition, the energy consumption is calculated to maintain the optimal climatic conditions for indoor cultivation. Finally, the WATSALT model is introduced to simultaneously monitor water and salinity conditions to estimate green and blue water under stress conditions for specific crops. The results showed that by shifting to protected cultivation, the reduction in crop water requirement is 60%, 65%, and 30% for tomato, watermelon, and pepper, respectively. Moreover, the mean energy consumption for producing tomato, watermelon, and pepper in the plastic greenhouses of Egypt is calculated to be 76.5, 22.4, and 65.2 kWh/m2, respectively. Additionally, drip irrigation showed the most efficient method to control salt accumulation in salt-affected areas. This model could be used for irrigation planning and resource management policies. Besides, it can be helpful on multiple scales, from farm to global scale.| File | Dimensione | Formato | |
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https://hdl.handle.net/10589/186607