В Южной Африке уже несколько лет разрешено выращивать коноплю (вид Cannabis sativa с низким содержанием психоактивного соединения ТГК) для личного пользования после изменений в законодательстве. Растет интерес к ее потенциалу в медицине и промышленности, например, для производства одежды, изоляции и бумаги, что многие рассматривают как возможность для мелких фермеров.
Однако конопля требует воды, а водные ресурсы Южной Африки ограничены. Масштабное выращивание конопли может привести к снижению доступности воды в уже засушливых районах.
Команда исследователей из Университета Квазулу-Натал и Родсского университета, включая недавнего выпускника магистратуры Гэри Дентона, использовала дроны и наземные датчики для картирования водопотребления конопли в регионе Мидлендс Квазулу-Натала. Полученные результаты представляют собой первые измеримые доказательства влияния конопли на водные ресурсы Южной Африки.
Понимание того, сколько воды потребляет культура, критически важно в условиях дефицита воды в Южной Африке. Национальный водный закон дает полномочия регулировать культуры, если они заметно уменьшают количество воды, достигающей рек и водохранилищ, и этот закон уже применялся в секторе коммерческих лесов. Без надежной информации о потреблении воды политики не могут оценить влияние конопли на запасы воды или принять обоснованные решения об управлении ею.
Исследование установило базовый уровень потребления воды коноплей. Эта информация поможет регуляторам Южной Африки оценить воздействие данной культуры на водные ресурсы.
При росте конопли растения забирают воду из почвы и выделяют водяной пар через листья (транспирация). Чтобы измерить потребление воды, была установлена башня посреди поля с датчиками, которые непрерывно фиксировали выделяемый коноплей водяной пар и скорость ветра. Это позволило рассчитать ежедневное потребление воды культурой без нарушения состояния растений.
Хотя другие исследования оценивали водопотребление конопли с помощью спутниковых снимков или измерения движения воды внутри растений, данное исследование стало первым, которое применило этот высокоточный метод к конопле.
Далее над полем пролетали дроны, оснащенные тепловизионными и инфракрасными камерами. Здоровые растения с достаточным количеством влаги имеют более прохладные листья, поскольку они выделяют больше водяного пара. Растения, испытывающие нехватку воды, имеют более теплые листья из-за меньшего выделения пара. Измеряя температуру листьев с помощью тепловизионных и инфракрасных камер на дроне, удалось оценить, сколько воды потребляет культура.
После этого компьютерная модель под названием QWaterModel использовалась для преобразования изображений с дронов в карты, отображающие использование воды. Исследование проводилось на коммерческой ферме недалеко от Питтермарцбурга, где верхушки растений удаляли для стимуляции цветения, а самцы удаляли, чтобы предотвратить опыление самок. Опыление снижает количество и качество лекарственных бутонов, но не влияет на потребление воды конопли.
Исследователи обнаружили, что урожай конопли за свой четырехмесячный вегетационный период использовал эквивалент 377 мм воды. В среднем, площадь, занимаемая каждым растением, потребляла около 28 литров воды в день, хотя эта цифра также учитывала воду, используемую соседними сорняками и потери от испарения из почвы.
Учитывая, что молодой платан (эвкалипт), известный высоким потреблением воды, использует 30–50 литров в день, конопля сопоставима с другими крупными, жаждущими растениями.
Исследовательская группа анализировала не только одну систему данных. Они также отслеживали:
- температуру, ветер и солнечный свет
- дождь: за сезон выпало 452 мм осадков
- влажность почвы: количество воды, удерживаемой в корневой зоне
- ирригация: дополнительное количество воды, добавленное с помощью системы капельного орошения.
Эти измерения помогли понять факторы, влияющие на водопотребление культуры, и позволят сравнивать результаты с участков, имеющих разные погодные условия, в будущих исследованиях.
Исследование пришло к ряду ключевых выводов, важных для будущего управления культурой:
- Различные участки поля потребляли разное количество воды, поскольку форма земли влияет на глубину почвы, ее способность удерживать воду и на то, насколько хорошо растут растения. Карты с дронов могут помочь фермерам определить зоны водного стресса и более эффективно оросить эти места.
- Значительная часть воды расходовалась сорняками, растущими между рядами, а не самими растениями конопли.
- Модель QWaterModel оказалась полезной для визуализации мест потребления воды, однако она оценила общее потребление воды выше, чем было измерено. Вероятно, это связано с потерей воды с голой почвы и сорняков.
Данное исследование является первым, которое измеряет водопотребление культуры, которая может стать широко распространенной. Понимание объема воды, потребляемой коноплей в Квазулу-Натале, позволяет прогнозировать ее потребление в других частях Южной Африки, что необходимо для разработки улучшенных планов управления водными ресурсами.
Создание и расширение плантаций конопли в районах с дефицитом воды возможно только на основе достоверных научных знаний. Авторы считают свое исследование жизненно важным первым шагом и настоятельно призывают производителей конопли и лиц, принимающих решения, углубить понимание того, как выращивание конопли напрямую влияет на запасы воды. Также подчеркивается важность минимизации роста сорняков между рядами конопли.
В работе использовались передовые технологии дронов, специализированные камеры и дорогостоящие наземные датчики. Для мелких или натуральных фермеров приобретение такого оборудования будет затруднительным. Тем не менее, это дает представление о будущем точного земледелия — подхода к ведению сельского хозяйства на основе технологий, использующего GPS, датчики и данные для обеспечения культур необходимым количеством ресурсов в разных частях поля.
По мере удешевления этой технологии и совершенствования моделей, дроновое точное земледелие может стать стандартом для фермерства в условиях меняющегося климата. Проект был профинансирован Водным исследовательским комиссией.