Water and nutrient distribution during trickle irrigation on three soils
Loading...
Date
2003-01
Authors
Scholtz, Diederick Arnoldis
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
University of the Free State
Abstract
English: Field trails were conducted in the Free State to quantify the affect of soil hydraulic
properties on the dimensions of the wetted volume below trickle irrigation emitters.
Three different soil types, a non-Iuvic fine sand (6-17% silt plus clay), luvic fine sand
(9.5-20.75% silt plus clay) and sandy clay loam (26.5-39.75% silt + clay)) and three
emitter discharge rates 1.2, 2 and 8 I h-1 were used to determine the water distribution
pattern below trickle emitters. The water content, expressed in mm water per 100 mm soil
depth, was measured with a neutron probe at 10 cm depth intervals till a depth of 155 cm,
for each access tube 5, 25, 45, 65, 85, 105, 125 and 145 cm away from the emitter and
between two emitters. The wetting patterns were presented in diagrams, indicating the
increase in water content in each cell as shades of blue.
Soil texture and emitter discharge rate played an important role in the distribution of
water below trickle emitters. The most acceptable way to quantify the wetted area was
the ratio between the width and depth of the wetting front. The width: depth ratio of the
wetted volume emphasizes the shape of the distribution pattern. It was found that this
ratio increased with an increase in the average silt plus clay percentage of the wetted soil,
for all the emitter discharge rates. This effect of texture was more pronounce for emitters
with a discharge rate of 2 l h-1 and higher.
The effect of emitter discharge rate on the width: depth ratio was different for the three
soil types. For both the luvic fine sand and sandy clay loam, irrespective of initial
wetness, the width: depth ratio increased sharply from the 1.2 I h-1 to the 2 I h-1 emitter
rates after which it remained the same to 8 I h-1 emitters. On the non-luvic fine sand
emitter discharge rate had little effect on the width : depth ratio. Practically, higher
emitter rates is preferable on sandy soils and lower emitter rates for both the luvic fine
sands and sandy clay loams.
Because the design criteria for trickle irrigation systems in South Africa presently does
not take the physical and hydraulic soil properties into account when designing trickle
irrigation systems, present guidelines used in South Africa were evaluated by using
important properties like soil texture, which came forward in the study. The width to
depth ratio of not less than 0.8 which is currently used in South Africa was compared
with actual measured data from the study. The measured width: depth ratios for all three
soil types were higher than 0.8 and it increased with an increase in the silt plus clay
percentage. It was difficult to set guidelines because a fixed in line emitter spacing of 60
cm was used throughout the study which caused wetting volumes to overlap, especially
on soils with a high silt plus clay content. This overlapping could influence the width to
depth ratio. A proposal for emitter spacing was obtained by multiplying the measured
width : depth ratio by 0.8 to give the emitter spacing factor. Thus, when the required
depth of wetting which is affected by rooting and soil depths, is known, the inline emitter
spacing can be calculated by multiplying the wetting depth by the emitter spacing factor.
The following emitter spacing factors could be used to determine the inline emitter
spacing of the experimental soils: non-luvic fine sand (0.88), luvic fine sand (1.28) and
sandy clay loam (2.56).
A single line with a constant inline emitter spacing of 60 cm was used to determine the
lateral wetting width. Pedotransfer functions, relating the wetting depth after 20 mm
irrigation was applied on a wet soil to the mean silt plus clay percentage of the wetted
soil volume, were derived. These functions were used to estimate the wetting depth for
different silt plus clay contents, increasing with 2% intervals. Guidelines that can be used
to estimate the maximum lateral spacing for a soil, from the mean silt plus clay
percentage of the potential wetting volume, were derived for different emitter discharge
rates. These guidelines are proposed for soils with predominantly fine sand in the sand
fraction.
In a second field trail the effect of timing of nitrate application through trickle irrigation
on the NO3- distribution through the profile was detected. This experiment was done on a
luvic fine sand with an emitter discharge rate of 2 I h-l
This experiment consisted of two
treatments. For the first treatment, the nitrate was applied in the beginning of a 20 mm
irrigation event on a dry soil. After 4 days an additional 20 mm irrigation was applied.
Nitrates moved away from the emitter and pockets of nitrate formed in the topsoil 30 cm
away from the emitter. The nitrate distribution pattern stayed the same after an additional
20 mm irrigation. Nitrate spread laterally more evenly throughout the profile, with a
wider and deeper distribution than when applied at the beginning of the irrigation event.
The application of nitrate in the beginning of an irrigation is ideal where a single emitter
supply nitrate to more than on plant for example, for crops that is spaced close together or
where the emitter lines is laid between two crop rows. During a second treatment, nitrate
was applied at the end of the irrigation event which was followed up by an additional 20
mm irrigation, four days later. The highest concentration nitrate stayed right below the
emitter with some lateral movement. Most of the nitrates moved with the water when an
additional 20 mm water was applied with small pockets of nitrate forming in the topsoil,
40 cm from the emitter. The application of nitrate at the end of an irrigation is ideal
where more than one emitter is used to apply nitrate to a single plant for example, tree
crops.
Afrikaans: Verskillende veldproewe is uitgevoer in die Vrystaat om die effek van grond hidrouliese eienskappe en drupperleweringstempo op die afmetings van die benatte volume onder drupbesproeiing te bepaal. Drie verskillende grond tipes, 'n nie-Iuviese fynsand (6-17% slik plus klei), 'n luviese fynsand (9.5-20.75% slik plus klei) en 'n sandkleileem (26.5- 39.75% slik plus klei) en drie verskillende drupperlewerings 1.2,2 en 8 l uur-1 is gebruik om die water verspreidingspatrone onder druppers te bepaal. Die waterinhoud, uitgedruk in mm water per 100 mm diepte, is gemeet met' n neutronmeter vir elke 10 cm interval in die onderskeie toegangsbuise, 5, 25, 45, 65, 85, 105, 125 en 145 cm weg van die drupper en tussen twee druppers. Die benattingspatrone is voorgestel in diagramme wat die toename in waterinhoud in elke sel voorstel, in skakerings van blou. Grondtekstuur en drupperlewering het albei 'n belangrike rol gespeel in die verspreiding van water onder druppers. Die mees aanvaarbare manier om die benatte area te beskryf was met die verhouding tussen die wydte en diepte van die benattingsfront. Die breedtetot diepte-verhouding van die benatte volume beskryf die vorm van die verspreidingspatroon. Daar is gevind dat hierdie verhouding toeneem met 'n toename in die gemiddelde slik plus klei persentasie van die benatte grond, by al die drupperleweringstempo's. Die effek van grondtekstuur was meer prominent vir druppers met 'n leweringstempo van 2 l uur-1 en hoër. Die effek van drupperlewering op die breedte- tot diepte-verhouding van die benatte so ne was verskillend vir die verskillende grondtipes. Vir beide die luviese fynsand en sandkleileem, ongeag van oorspronklike natheid, het die breedte- tot diepte-verhouding skerp toegeneem vanaf die 1.2 luur-1 tot die 2 l uur-I drupperleweringstempo's waarna dit dieselfde gebly het tot die 8 l uur-I drupper. Op die nie-Iuviese fynsand het drupperlewering slegs 'n geringe invloed op die breedte- tot diepte-verhouding gehad. Vir praktiese toepassing word drupperleweringstempo's hoër as 2 I uur-I aanbeveel vir sanderige gronde en laer drupperleweringstempo's vir beide luviese fynsande en sandkleileem gronde. Omdat die huidige riglyne vir die ontwerp van drupbesproeiingstelsels nie grondfisiese en -hidrouliese eienskappe in aanmerking neem nie, is die huidige riglyne wat in Suid Afrika gebruik word ge-evalueer deur belangrike eienskappe soos grondtekstuur, wat in die studie uitgekom het, as veranderlikes voor te stel. Die huidige voorgestelde breedtetot diepte-verhouding van minstens 0.8 is vergelyk met die werklike data wat met die studie verkry is. Die gemete breedte- tot diepte-verhouding vir al drie grondsoorte was hoër as 0.8 en het met 'n toename in die slik plus klei-persentasie toegeneem. Omdat daar deurgaans met 'n vaste inlyn drupperspasiëring van 60 cm gewerk is, was dit moeilik om aanvaarbare riglyne voor te stel aangesien die benattingsvolumes oorvleuel het, veral in gronde met hoë slik plus klei-inhoud. Die breedte- tot diepte-verhouding kan hierdeur beïnvloed word. 'n Voorstelling vir drupperspasiëring is opgestel deur die werklike gemete breedte- tot diepte-verhoudings met 0.8 te vermenigvuldig om die drupperspasiëringsfaktor te gee. Die verlangde benattingsdiepte van 'n grond word deur die grond- of potensiële bewortelingsdiepte bepaal, watter ookal die vlakste is. Dus, as die verlangde diepte van benatting bekend is, kan die inlyn drupperspasiëring bereken word deur die benattingsdiepte met die drupperspasiëringsfaktor te vermenigvuldig. Die volgende drupperspasiëringsfaktore kan gebruik word om die inlyn drupperspasiëring van die eksperimentele gronde te bepaal: nie-luviese fynsand (0.88), luviese fynsand (1.28) en sandkleileem (2.56). 'n Enkel lyn met 'n konstante inlyn drupperspasiëring van 60 cm is gebruik om die laterale benattingsbreedte, te bepaal. Pedo-oordragingsfunksies is afgelei wat gebruik kan word om die benattingsdiepte na 20 mm besproeiing op 'n nat grond, vanaf die gemiddelde slik plus klei persentasie van die benatte grondvolume, te beraam. Hierdie funksies is gebruik om die benattingsdiepte vir elke 2% toename in slik plus kleiinhoud te beraam. Riglyne wat gebruik kan word om die maksimum laterale spasiëring vanaf 'n grondsoort se gemiddelde slik plus klei persentasie te beraam, is afgelei vir verskillende drupperleweringstempo's. Die riglyne kan gebruik word op gronde waar die dominante sandfraksie, fynsand is. In 'n tweede veldproef is ondersoek ingestelof die tyd van nitraattoediening deur drupbesproeiing enige effek op die verspreiding daarvan deur die grondprofiel het. Hierdie proef is op die luviese fynsand met 'n drupper leweringstempo van 2 l uur-1, uitgevoer. Die proef het uit twee behandelings bestaan. Tydens die eerste behandeling is die nitrate aan die begin van die besproeiing op 'n droë grond toegedien waarna 'n opvolg 20 mm besproeiing vier dae daarna toegedien is. Die nitrate het weg' beweeg vanaf die drupper en pakkies nitraat in die bogrond ongeveer 30 cm vanaf die drupper gevorm. Die nitraatverspreidingspatroon het dieselfde gebly na die opvolg besproeiing. Nitrate het meer egalig lateraal en dieper versprei wanneer dit aan die begin van die besproeiingsgebeurtenis toegedien is. Toediening van nitraat aan die begin van 'n besproeiing is ideal waar 'n enkel drupper nitraat aan meer as een plant voorsien byvoorbeeld, vir gewasse wat nabyaan mekaar gespasiëer is of waar die drupperlyn tussen twee gewasrye gelê word. Tydens die tweede behandeling is nitrate aan die einde van die besproeiingsgebeurtenis toegedien waarna 'n opvolg 20 mm besproeiing vier dae later toegedien is. Die hoogste konsentrasie nitrate het reg onder die drupper gebly met net 'n bietjie laterale verspreiding. Na die opvolg 20 mm besproeiing het die grootste gedeelte nitrate saam met die water afbeweeg en klein pakkies nitraat het in die bogrond gevorm, 40 cm vanaf die drupper. Toediening van nitrate aan die einde van 'n besproeiing is ideal waar meer as een drupper nitraat aan 'n enkel plant voorsien byvoorbeeld, boomgewasse.
Afrikaans: Verskillende veldproewe is uitgevoer in die Vrystaat om die effek van grond hidrouliese eienskappe en drupperleweringstempo op die afmetings van die benatte volume onder drupbesproeiing te bepaal. Drie verskillende grond tipes, 'n nie-Iuviese fynsand (6-17% slik plus klei), 'n luviese fynsand (9.5-20.75% slik plus klei) en 'n sandkleileem (26.5- 39.75% slik plus klei) en drie verskillende drupperlewerings 1.2,2 en 8 l uur-1 is gebruik om die water verspreidingspatrone onder druppers te bepaal. Die waterinhoud, uitgedruk in mm water per 100 mm diepte, is gemeet met' n neutronmeter vir elke 10 cm interval in die onderskeie toegangsbuise, 5, 25, 45, 65, 85, 105, 125 en 145 cm weg van die drupper en tussen twee druppers. Die benattingspatrone is voorgestel in diagramme wat die toename in waterinhoud in elke sel voorstel, in skakerings van blou. Grondtekstuur en drupperlewering het albei 'n belangrike rol gespeel in die verspreiding van water onder druppers. Die mees aanvaarbare manier om die benatte area te beskryf was met die verhouding tussen die wydte en diepte van die benattingsfront. Die breedtetot diepte-verhouding van die benatte volume beskryf die vorm van die verspreidingspatroon. Daar is gevind dat hierdie verhouding toeneem met 'n toename in die gemiddelde slik plus klei persentasie van die benatte grond, by al die drupperleweringstempo's. Die effek van grondtekstuur was meer prominent vir druppers met 'n leweringstempo van 2 l uur-1 en hoër. Die effek van drupperlewering op die breedte- tot diepte-verhouding van die benatte so ne was verskillend vir die verskillende grondtipes. Vir beide die luviese fynsand en sandkleileem, ongeag van oorspronklike natheid, het die breedte- tot diepte-verhouding skerp toegeneem vanaf die 1.2 luur-1 tot die 2 l uur-I drupperleweringstempo's waarna dit dieselfde gebly het tot die 8 l uur-I drupper. Op die nie-Iuviese fynsand het drupperlewering slegs 'n geringe invloed op die breedte- tot diepte-verhouding gehad. Vir praktiese toepassing word drupperleweringstempo's hoër as 2 I uur-I aanbeveel vir sanderige gronde en laer drupperleweringstempo's vir beide luviese fynsande en sandkleileem gronde. Omdat die huidige riglyne vir die ontwerp van drupbesproeiingstelsels nie grondfisiese en -hidrouliese eienskappe in aanmerking neem nie, is die huidige riglyne wat in Suid Afrika gebruik word ge-evalueer deur belangrike eienskappe soos grondtekstuur, wat in die studie uitgekom het, as veranderlikes voor te stel. Die huidige voorgestelde breedtetot diepte-verhouding van minstens 0.8 is vergelyk met die werklike data wat met die studie verkry is. Die gemete breedte- tot diepte-verhouding vir al drie grondsoorte was hoër as 0.8 en het met 'n toename in die slik plus klei-persentasie toegeneem. Omdat daar deurgaans met 'n vaste inlyn drupperspasiëring van 60 cm gewerk is, was dit moeilik om aanvaarbare riglyne voor te stel aangesien die benattingsvolumes oorvleuel het, veral in gronde met hoë slik plus klei-inhoud. Die breedte- tot diepte-verhouding kan hierdeur beïnvloed word. 'n Voorstelling vir drupperspasiëring is opgestel deur die werklike gemete breedte- tot diepte-verhoudings met 0.8 te vermenigvuldig om die drupperspasiëringsfaktor te gee. Die verlangde benattingsdiepte van 'n grond word deur die grond- of potensiële bewortelingsdiepte bepaal, watter ookal die vlakste is. Dus, as die verlangde diepte van benatting bekend is, kan die inlyn drupperspasiëring bereken word deur die benattingsdiepte met die drupperspasiëringsfaktor te vermenigvuldig. Die volgende drupperspasiëringsfaktore kan gebruik word om die inlyn drupperspasiëring van die eksperimentele gronde te bepaal: nie-luviese fynsand (0.88), luviese fynsand (1.28) en sandkleileem (2.56). 'n Enkel lyn met 'n konstante inlyn drupperspasiëring van 60 cm is gebruik om die laterale benattingsbreedte, te bepaal. Pedo-oordragingsfunksies is afgelei wat gebruik kan word om die benattingsdiepte na 20 mm besproeiing op 'n nat grond, vanaf die gemiddelde slik plus klei persentasie van die benatte grondvolume, te beraam. Hierdie funksies is gebruik om die benattingsdiepte vir elke 2% toename in slik plus kleiinhoud te beraam. Riglyne wat gebruik kan word om die maksimum laterale spasiëring vanaf 'n grondsoort se gemiddelde slik plus klei persentasie te beraam, is afgelei vir verskillende drupperleweringstempo's. Die riglyne kan gebruik word op gronde waar die dominante sandfraksie, fynsand is. In 'n tweede veldproef is ondersoek ingestelof die tyd van nitraattoediening deur drupbesproeiing enige effek op die verspreiding daarvan deur die grondprofiel het. Hierdie proef is op die luviese fynsand met 'n drupper leweringstempo van 2 l uur-1, uitgevoer. Die proef het uit twee behandelings bestaan. Tydens die eerste behandeling is die nitrate aan die begin van die besproeiing op 'n droë grond toegedien waarna 'n opvolg 20 mm besproeiing vier dae daarna toegedien is. Die nitrate het weg' beweeg vanaf die drupper en pakkies nitraat in die bogrond ongeveer 30 cm vanaf die drupper gevorm. Die nitraatverspreidingspatroon het dieselfde gebly na die opvolg besproeiing. Nitrate het meer egalig lateraal en dieper versprei wanneer dit aan die begin van die besproeiingsgebeurtenis toegedien is. Toediening van nitraat aan die begin van 'n besproeiing is ideal waar 'n enkel drupper nitraat aan meer as een plant voorsien byvoorbeeld, vir gewasse wat nabyaan mekaar gespasiëer is of waar die drupperlyn tussen twee gewasrye gelê word. Tydens die tweede behandeling is nitrate aan die einde van die besproeiingsgebeurtenis toegedien waarna 'n opvolg 20 mm besproeiing vier dae later toegedien is. Die hoogste konsentrasie nitrate het reg onder die drupper gebly met net 'n bietjie laterale verspreiding. Na die opvolg 20 mm besproeiing het die grootste gedeelte nitrate saam met die water afbeweeg en klein pakkies nitraat het in die bogrond gevorm, 40 cm vanaf die drupper. Toediening van nitrate aan die einde van 'n besproeiing is ideal waar meer as een drupper nitraat aan 'n enkel plant voorsien byvoorbeeld, boomgewasse.
Description
Keywords
Soil texture, Emitter discharge rate, Width to depth ratio, Inline emitter spacing, Lateral spacing, Nitrate distribution, Microirrigation, Soil moisture, Fertilizers -- Application, Dissertation (M.Sc.Agric. (Soil, Crop and Climate Sciences))--University of the Free State, 2003