Dew Collection and Mulching as Measures to Improve Water Balance in Dryland Agriculture

Show simple item record

dc.contributor Helsingin yliopisto, maatalous-metsätieteellinen tiedekunta fi
dc.contributor Helsingfors universitet, agrikultur-forstvetenskapliga fakulteten sv
dc.contributor University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Agricultural Sciences en
dc.contributor Uusiutuvien luonnonvarojen kestävän käytön tohtoriohjelma fi
dc.contributor Doktorandprogrammet i hållbart utnyttjande av förnybara naturresurser sv
dc.contributor Doctoral Programme in Sustainable Use of Renewable Natural Resources en
dc.contributor.author Tuure, Juuso
dc.date.accessioned 2021-02-16T09:53:31Z
dc.date.available 2021-03-01
dc.date.available 2021-02-16T09:53:31Z
dc.date.issued 2021-03-11
dc.identifier.uri URN:ISBN:978-951-51-7140-5
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10138/326514
dc.description.abstract Water scarcity is globally a key reason for crop yield losses. Difficulties in efficient utilization of the total available precipitation cause yield limitations and even total crop failure at rainfed dryland farms. This study assessed two potentially available measures to improve the water balance of dryland agriculture; water recovery through passive dew collection and soil mulching with plant residue. Dew collection field experiments were conducted to evaluate the effectiveness of various plastic materials in dew collection in dryland conditions. The planar dew collectors were of the standard type: a 1 m2 surface tilted at 30◦ in respect to the horizontal. Dew yields were measured daily over a one-year period. The condensing surface temperatures and the meteorological conditions were monitored continuously, to calculate potential dew output. A laboratory method was prepared and tested for evaluating the attributes affecting dew condensation and droplet flow. The condensing surfaces were cooled below dewpoint by utilizing Peltier elements in controlled conditions. Dew yields measured in laboratory conditions were compared with calculated dew outputs, and with dew yields measured in field conditions. Dew occurred throughout the year, even through the dry seasons, and may be considered a small but reliable source of water. Annual dew yields were < 8% of the annual precipitation (322 mm). No significant differences were found between the tested materials. Clear skies, calm winds (0.5–2.5 m s-1), and conditions with dew point close to air temperature (Tdew ≈ Tair) favor dew condensation. Placement in the field affects the airflow characteristics at the condensing surfaces and ultimately the collected dew quantities, thus attention should be paid to the placement of the dew collectors in the field. Based on our results, a more comprehensive laboratory evaluation regime, with specific design and measurements of the airflow characteristics is needed to draw valid conclusions on the differences between the plastic foils. Mulching with plant residue was studied by measuring soil volumetric water content in vertical profiles in bare and plant residue-covered soil during a 100-day period. A one-dimensional model based on Richard’s equation was used to predict the effect of mulch over a two-year period. Compared with bare soil, mulching prolonged the time when continuously measured soil moisture content exceeded the water stress limit of maize. The predicted water-conserving effect increased with mulch thickness. However, plant residue mulch degrades naturally and the availability and competitive uses of plant residues may limit the thickness of the mulch layer. A mulch layer with a thickness of > 1 cm brought clear improvements to the soil moisture conditions and resilience against dry spells compared with bare soil. The presented models were capable of estimating the cumulative dew condensation and soil moisture behavior satisfactorily over time. For further development of the dew condensation model, more specific airflow measurements are needed for calculating the mass transfer for more accurate predictions of nightly dew quantities. This study touched upon the combined effect of irrigation with dew water and mulching on by using modeling to predict the effects on soil moisture. The results indicated that mulching improves the usability of irrigational water recovered from dew by reducing evaporation. The effect increases with layer thickness. Future research steps could include the quantification of the presented water-conserving measures on actual crop yields, especially the combined effect. en
dc.description.abstract Vedenpuute on maailmanlaajuisesti yksi merkittävimmistä satoa rajoittavista tekijöistä. Useilla kuivilla viljelyalueilla esiintyy haasteita vähäisen ja epäsäännöllisen sadannan hyödyntämisessä, josta seuraa jopa täysimittaisia sadonmenetyksiä. Tässä tutkimuksessa arvioitiin kahta keinoa kuivien alueiden maatalouden vesitalouden parantamiseksi; passiivista aamukasteen keräämistä kasteluvedeksi sekä maan kattamista kasvijätteellä, haihdunnan hillitsemiseksi. Kenttäkokeet suoritettiin kuivalla alueella Keniassa. Muovimateriaalien soveltuvuutta kasteen keräämiseen arvioitiin kenttäkokein. Kenttäkokeissa käytettiin standardityyppisiä 30° kulmaan kallistettuja tasomaisia 1 m2 kasteenkerääjiä. Kertyneitä kastemääriä mitattiin päivittäin vuoden ajan. Lisäksi kasteentiivistymispinnan lämpötilaa sekä sääparametreja mitattiin jatkuvatoimisesti. Mittaustuloksia hyödynnettiin potentiaalisten kastemäärien mallituksessa. Muovien kasteenkeräysominaisuuksien tutkimiseksi rakennettiin laboratoriomenetelmä, jonka soveltuvuutta ominaisuuksien arvioimiseen selvitettiin. Kastetta tiivistävät pinnat jäähdytettiin Peltier-elementeillä kontrolloiduissa olosuhteissa alle kastepisteen. Laboratorio-olosuhteissa mitattuja kastemääriä verrattiin mallitettuihin kastemääriin, sekä kenttäkokeissa mitattuihin kastemääriin. Kenttäkokeissa kastetta tiivistyi ympäri vuoden, myös kuivien kausien aikana. Aamukaste todettiin pieneksi, mutta luotettavaksi vedenlähteeksi. Vuoden yhteenlasketut kastemäärät olivat < 8% kokonaissadannasta (322 mm). Kaikki tutkitut materiaalit soveltuivat kasteen keräämisen. Materiaalien välillä ei esiintynyt merkittäviä eroja. Kastetta tiivistyi parhaiten kun taivas oli pilvetön, tuuli 0.5–2.5 m s-1 ja ilman lämpötila lähellä kastepistettä. Kenttäkokeissa kasteenkerjääjän sijainnin havaittiin vaikuttavan merkittävästi ilmavirtauksiin ja siten kastekertymään. Esitetty laboratoriomenetelmä vaatii edelleen kehittämistä. Tarkempia mittaustuloksia vaaditaan luotettavien johtopäätösten vetämiseksi. Etenkin ilmavirtaa kasteentiivistymispintojen läheisyydessä tulisi kontrolloida ja mitata tarkemmin. Maan kattamista veden säästämiseksi tutkittiin 100 päivän ajan mittaamalla sääparametreja sekä maan kosteutta eri syvyyksissä kasvijätteellä katetussa ja paljaassa maassa. Katteen vaikutusta arvioitiin edelleen kahden vuoden tarkasteluajanjakson ajan, yksiulotteisella Richardin yhtälöön perustuvalla maankosteusmallilla. Mitattujen ja mallitettujen tulosten mukaan, maan kattaminen hidasti maan kuivumista. Paksumpi katekerros hidastaa kuivumista tehokkaammin, mutta kasvijätteen saatavuutta saattavat rajoittaa muut käyttötarkoitukset, esim. polttoaineena keittiössä tai eläinten rehuna. Tulosten mukaan jo > 1 cm paksuisen katekerroksen havaittiin selvästi parantavan maan kosteusolosuhteita ja resilienssiä sadekausien lyhyitä kuivia jaksoja vastaan. Tutkimuksessa käytetyt teoreettiset mallit ennustivat tyydyttävällä tarkkuudella kasteen kertymistä sekä maan kosteuden käyttäytymistä. Kasteenkertymistä ennustavan mallin lyhyen aikavälin tarkkuuden parantamiseksi tulisi kasteen tiivistymiseen vaikuttavia ilmavirtoja mitata tarkemmin. Tutkimuksessa sivuttiin kasteesta kerätyllä vedellä kastelun ja maan kattamisen yhteisvaikutusta maan kosteuspitoisuuteen mallittamalla. Tulosten perusteella maan kattaminen vähentää haihduntaa, siten parantaen kasteveden hyötysuhdetta. Katekerroksen paksuuden kasvattaminen parantaa hyötysuhdetta. Tulevissa tutkimuksissa olisi hyvä kartoittaa näiden toimien vaikutusta kasvien kasvuun, etenkin niiden yhteisvaikutusta. fi
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso en
dc.publisher Helsingin yliopisto fi
dc.publisher Helsingfors universitet sv
dc.publisher University of Helsinki en
dc.relation.isformatof URN:ISBN:978-951-51-7139-9
dc.relation.isformatof Helsinki: Unigrafia, 2021, Dissertationes Schola Doctoralis Scientiae Circumiectalis, Alimentariae, Biologicae. 2342-5423
dc.relation.ispartof URN:ISSN:2342-5431
dc.rights Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty. fi
dc.rights This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited. en
dc.rights Publikationen är skyddad av upphovsrätten. Den får läsas och skrivas ut för personligt bruk. Användning i kommersiellt syfte är förbjuden. sv
dc.subject maataloustieteet
dc.title Dew Collection and Mulching as Measures to Improve Water Balance in Dryland Agriculture en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Doktorsavhandling (sammanläggning) sv
dc.ths Alakukku, Laura
dc.ths Hautala, Mikko
dc.opn Abou Najm, Majdi
dc.type.dcmitype Text

Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
tuure_juuso_dissertation_2021.pdf 24.52Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record