Olive orchard irrigation with treated municipal wastewater: salt and water balance throughought the soil profile and study of the hydraulic properties of soil

This work deals with the comparative irrigation of an olive orchard with Treated Municipal Wastewater (TMW) and Fresh Water (FW). In particular, in a 0.5 acre rainfed field of olive groves in Laconia with olive trees over 15 years old, with no cultivation care in the previous years (except for mowing), a two-applications irrigation experiment was installed (TMW, FW) with six repetitions per application (a total of 66 trees per application). In these two years (2011, 2012) seven (7) and twelve (12) irrigation events took place respectively, using the same amount of water per olive tree. The irrigation events took place in time intervals that the availability of FW allowed (cooperative water source). The TMW was provided from Sparta’s TMW treatment plant (tertiary treatment) and was pumped after the chlorination tank. In the experimental field, which is only 1 km away from the Evrotas River, a sub-surface water table was shown to make its presence during the rainy period. The present work is structured in three chapters.In the first chapter titled “NERO” (Water), the irrigation water quality (chemical characteristics) of both FW and TMW are examined and compared. Appropriateness, and possible impacts under the current TMW legislative framework for irrigated soil (physical and chemical properties) as well as irrigated crops are investigated. It is concluded from these that the TMW is suitable for "indirect limited" irrigation. Also based on the TMW analyses and the legislated criteria, there are insignificant and small to moderate levels of soil and plant-based constraints. In addition to the above, this chapter examines the provisions taken from the existing legal framework for protection of soils from possible impacts of TMW for irrigation. The examination of the current legislative framework revealed weaknesses and shortcomings in the criteria concerning effects on physical and chemical properties of the soil being irrigated with TMW as a complementary, or even, exclusive source of irrigation water. In particular, the incorporation of the criteria proposed by Ayers & Westcot in the Greek legislative framework has been partially achieved. This is due to the fact that no critical conditions have been incorporated that have to do with the types of soils in which Ayers & Westcot suggested that these criteria apply. There are shortcomings that have to do with the described studies, since irrigation with TMW is not treated as a land reclamation work, with the studies and the prerequisites required (irrigation, drainage, etc.). Based on these findings, proposals are being made to supplement or amend the existing legislative framework.The second chapter, which is titled “EDAFOS” (Soil), is structured in three sub-chapters. The first sub-chapter examines the comparative effect of irrigation with TMW and FW in relation to the depth of the soil profile and the time. The sampling times are the start and end of each irrigation period, or in other words the end and start of each rainy season respectively. The investigated parameters are EC, pH, CaCO3, Organic Matter, Na+, K+ and Mg2+. Regarding the comparative effect of the two irrigation waters, there was no statistically significant difference between the two applications in any of the above-mentioned parameters, with the exception of Na+. As it concerns Na+, there were statistically significant differences between the applications, concerning the 0-30 cm horizon, after the first irrigation period (September 2011), which was maintained for this horizon and extended to the horizon 30-60 cm after the rainy season (June 2012). Finally, this difference in both horizons was maintained and strengthened, with the expiration of the second irrigation period (June 2012). Regarding the other parameters it is our belief that an increasing trend of these parameters was recorded, which was not reflected by a statistically significant difference as a result of the following factors: The seasonal appearance of a shallow phreatic water table, changing the relative motions and chemical kinetics of the examined soil parameters.The "good" quality of the two irrigation waters, which, at least during the first irrigation period, improved the characteristics of the soil profile.The olive plantation, which, by extracting nutrients from the soil profile, improved both the nutritional status of the leaves and the produced quantity (eg K +) resulting to no differences in the soil profile. The downward movement of some elements (er K+) through the soil profile with mass flow as the free surface of the subsurface aquifer (eg K +) moved downward.In the second sub-chapter an effort is made to document the relative movement of soil water (upward - downward) to and from the sub - surface seasonal aquifer. Using instrumentation it was possible to record the soil moisture profile, θ (z, t), during the survey period as well as recording of all meteorological data. Through these data, the crop evapotranspiration was determined by two independent methodologies (soil profile water balance method and Penman Monteith method modified by FAO) for the periods 16/6/2016 to 28/4/2013 and 16/6/2014 to 31/8 / 2014. Differences were found between the results of the two methodologies that could be interpreted by assuming downward soil water movement through the soil profile towards the aquifer during the first period and upward soil water movement from the aquifer to the rootzone during the second period. These assumptions were confirmed by the determination of the hydraulic head gradient of the soil profile (Δh / Δz), of the respective time intervals causing soil water movement.In the third subchapter the effect of irrigating with treated municipal wastewater (TMW) and fresh water (FW) on saturated hydraulic conductivity (Ks) was investigated. Ks was determined in undisturbed soil samples, collected from the upper soil layer (0-15 cm) of an illitic clay-loamy soil, after two irrigation periods. Statistical analysis showed significant diference between Ks-TMW=33.2 cm/h and Ks-FW=47.4 cm/h. Soil samples were analyzed for a number of factors potentially affecting Ks. Analysis of variance for each of these factors was performed between the two treatments in order to detect their differences. Statistically significant differences were found for pH, ECe, SAR, ESP and the concentrations of K+, Na+, Mg2+ which are elements related with TMW and FW quality-characteristics. Correlation between all factors and Ks showed that this was positive for soil ECe, CaCO3 and negative for SAR, ESP, and bulk density. Although the influence of each separate factor was investigated and the differences between the two treatments were verified, their quantitative characteristics could not explain based on existing criteria, the Ks reduction observed between the TMW-Ks and FW-Ks. The observed difference attributed to the susceptibility of the 2:1 type clay minerals to SAR increase and EC decrease something which affected Ks values between the two treatments.The third chapter titled ELHA_ELIA_LADI (Olive fruit-Olive tree-Olive oil) assess the effectiveness in irrigating olive trees cv Koroneiki with treated municipal wastewater (TMW) against fresh water (FW), for two consecutive cultivating periods. The application of TMW slightly increased fruit production during the year of high tree yield (15.92 kg fruit per tree versus 12.73 kg per tree under FW irrigation) as well as the oil content, during the year of low yield (18.21 % versus 16.43% under FW irrigation). It did not have any significant effect on the oil quality characteristics, such as free acidity, K270, K232, peroxide value and Delta K index. The irrigation treatment did not have any significant effect on the free fatty acid profile of the oil. Oleic acid was the dominant free fatty acid in the oil (ranging from 77.7 to 78.6%), followed by palmitic (10.6-11.1%), linoleic (5.5-5.8%) and stearic acid (2.5-2.8%), with their concentration falling within the range of the values for characterizing it as “Extra virgin” olive oil. The levels of K, Ca, Mg, Mn, Fe and Zn in the leaves increased with the application of TMW compared to FW, while the continuous use of TMW for two years led to a significant increase of P, Mg, Fe, Mn and Zn levels.Το παρόν πόνημα πραγματεύεται τη συγκριτική άρδευση ελαιώνα με Κοινοτικό Νερό (ΚΝ) και με Επεξεργασμένα Υγρά Αστικά Απόβλητα (ΕΥΑΑ). Συγκεκριμένα σε ξηρικό αγρό 5 στρεμμάτων με ελαιόδενδρα πλέον της 15ετίας στα οποία δεν είχε γίνει καμία καλλιερητική φροντίδα τα προηγούμενα χρόνια (πλην χορτοκοπής), εγκαταστάθηκε πείραμα άρδευσης δύο εφαρμογών (ΚΝ, ΕΥΑΑ) και έξι επαναλήψεων ανά εφαρμογή (συνολικά 66 δένδρα ανά εφαρμογή). Έλαβε χώρα άρδευση με ΚΝ και ΕΥΑΑ για δύο έτη (2011, 2012) με επτά (7) και δώδεκα (12) γεγονότα άρδευσης αντιστοίχως εφαρμόζοντας την ίδια ποσότητα νερού ανά ελαιόδενδρο, σε χρονικές στιγμές που η διαθεσιμότητα του ΚΝ το επέτρεπε (συνεταιριστική γεώτρηση). Το ΕΥΑΑ προερχόταν από τη Μονάδα Επεξεργασίας Υγρών Αστικών Αποβλήτων (ΜΕΥΑΑ) της Σπάρτης (τριτοβάθμια επεξεργασία) και λαμβανόταν μετά τη δεξαμενή χλωρίωσης. Στον αγρό αυτό ο οποίος βρίσκεται μόλις 1 km από τον ποταμό Ευρώτα διαπιστώθηκε ότι εμφανίζεται υποεπιφανειακό υδροφόρο στρώμα κατά την περίοδο των βροχοπτώσεων. Το παρόν είναι δομημένο σε τρία κεφάλαια.Στο πρώτο κεφάλαιο που τιτλοφορείται ΝΕΡΟ, εξετάζεται ανά γεγονός άρδευσης η ποιότητα, τόσο του ΚΝ όσο και του ΕΥΑΑ και ακολούθως γίνεται σύγκριση των δύο πηγών αρδευτικού ύδατος. Διερευνάται η καταλληλότητα, του ΕΥΑΑ βάσει του κείμενου νομοθετικού πλαισίου και οι ενδεχόμενες επιπτώσεις από τη χρήση του ΕΥΑΑ για άρδευση στο έδαφος (φυσικές και χημικές ιδιότητες) καθώς και στην καλλιέργεια. Συμπεραίνεται βάσει αυτών ότι το ΕΥΑΑ είναι κατάλληλο για «έμμεση περιορισμένη» άρδευση. Επίσης βάσει των αναλύσεων του ΕΥΑΑ και των κριτηρίων της νομοθεσίας υφίστανται μηδαμινοί και μικροί έως μέτριοι βαθμοί περιορισμού για το έδαφος το φυτό και το περιβάλλον. Πέραν των ανωτέρω στο κεφάλαιο αυτό γίνεται διερεύνηση της πρόνοιας που έχει ληφθεί από το υφιστάμενο νομοθετικό πλαίσιο για την προστασία των εδαφών από τις ενδεχόμενες επιπτώσεις της επαναχρησιμοποίησης ΕΥΑΑ για άρδευση. Μέσα από τη διερεύνηση του ισχύοντος νομοθετικού πλαισίου διαπιστώθηκαν αδυναμίες και ελλείψεις στα κριτήρια που αφορούν επιδράσεις σε φυσικές και χημικές ιδιότητες του εδάφους, των ΕΥΑΑ ως συμπληρωματικής ή και αποκλειστικής πηγής αρδευτικού ύδατος. Συγκεκριμένα η ενσωμάτωση των κριτηρίων που εισηγήθηκαν οι Ayers & Westcot στο Ελληνικό νομοθετικό πλαίσιο έγινε μερικώς, αφού διαπιστώνεται παράληψη ενσωμάτωσης κρίσιμης σημασίας προϋποθέσεων που έχουν να κάνουν με τα ήδη των εδαφών στα οποία οι Ayers & Westcot εισηγήθηκαν ότι ισχύουν τα εν λόγω κριτήρια. Επισημαίνονται λάθη που έχουν να κάνουν με τις περιγραφόμενες μελέτες αφού η άρδευση με ΕΥΑΑ δεν αντιμετωπίζεται ως ένα εγγειοβελτιωτικό έργο με τις μελέτες και τα έργα που αυτό απαιτεί κατά τη νομοθεσία (αρδευτικό, στραγγιστικό κ.λ.π.). Με αφετηρία αυτές τις διαπιστώσεις γίνονται προτάσεις συμπλήρωσης ή τροποποίησης του υφιστάμενου νομοθετικού πλαισίου.Το δεύτερο κεφάλαιο το οποίο φέρει τον τίτλο ΕΔΑΦΟΣ δομείται σε τρία υποκεφάλαια. Στο πρώτο υποκεφάλαιο εξετάζεται η συγκριτική επίδραση της άρδευσης με ΕΥΑΑ και ΚΝ σε σχέση με το βάθος της εδαφικής κατατομής αλλά και με το χρόνο. Με άλλα λόγια γίνεται σύγκριση κατατομών αλάτων σε σχέση με το χρόνο και τις δύο εφαρμογές. Οι χρονικές στιγμές των δειγματοληψιών άρα και των συγκρίσεων είναι η έναρξη και η λήξη κάθε αρδευτικής περιόδου δηλαδή η λήξη και η έναρξη κάθε βροχερής περιόδου αντιστοίχως. Εξετάσθηκε η εξέλιξη κατά την περιγραφείσα έννοια εδαφικών παραμέτρων όπως EC, pH, CaCO3, Οργανική Ουσία, Na+, K+ και Mg2+. Σε ότι αφορά στην συγκριτική επίδραση των δύο αρδευτικών υδάτων δεν διαπιστώθηκε στατιστικώς σημαντική διαφορά μεταξύ των εδαφών των δύο εφαρμογών σε καμία από τις πιο πάνω μετρηθείσες παραμέτρους, με εξαίρεση το Να+. Για το Να+ προέκυψαν στατιστικώς σημαντικές διαφορές μεταξύ των εδαφών των δύο εφαρμογών στον ορίζοντα 0-30 cm, μετά την πρώτη αρδευτική περίοδο (Σεπτέμβριος 2011), η οποία διαφορά διατηρήθηκε στον ορίζοντα 0-30 cm αλλά και επεκτάθηκε στον ορίζοντα 30-60 cm, μετά το πέρας της βροχερής περιόδου (Ιούνιος 2012). Τέλος, η διαφορά αυτή και στους δύο ορίζοντες διατηρήθηκε και ενισχύθηκε, με την παρέλευση και της δεύτερης αρδευτικής περιόδου (Ιούνιος 2012). Σε ό,τι αφορά στις λοιπές παραμέτρους, άποψή μας είναι ότι κατ’ αρχήν έγινε καταγραφή μίας αυξητικής πορείας αυτών των παραμέτρων, που δεν αποτυπώθηκε με στατιστικώς σημαντική διαφορά ως αποτέλεσμα των κάτωθι παραγόντων:Του εποχικά εμφανιζόμενου υπόγειου υδροφόρου, μεταβάλλοντας τις σχετικές κινήσεις και κινητικές των εξετασθέντων στοιχείωνΤης «καλής» ποιότητας των δύο αρδευτικών υδάτων τα οποία, τουλάχιστον κατά την πρώτη αρδευτική περίοδο, βελτίωσαν τα χαρακτηριστικά της εδαφικής κατατομής, ως αποτέλεσμα εκπλύσεως Της καλλιέργειας της ελιάς, η οποία αντλώντας θρεπτικά στοιχεία από την εδαφική κατατομή βελτίωσε τόσο τη θρεπτική κατάσταση των φύλλων όσο και την παραγόμενη ποσότητα (π.χ. Κ+) μην εμφανίζοντας διαφορά στην εδαφική κατατομή.Της απομάκρυνσης στοιχείων από την εδαφική κατατομή με τη μαζική ροή κατά την υποχώρηση του υποεπιφανειακού φρεάτιου ορίζοντα (π.χ. το Κ+).Στο δεύτερο κεφάλαιο έγινε προσπάθεια τεκμηρίωσης της σχετικής κίνησης του εδαφικού νερού (ανοδικά – καθοδικά) προς και από το υποεπιφανειακό εποχικά εμφανιζόμενο υδροφόρο στρώμα. Με χρήση οργάνων ήταν δυνατή η καταγραφή του προφίλ υγρασίας εδάφους, θ(z, t), κατά την περίοδο της έρευνας, καθώς και η καταγραφή όλων των μετεωρολογικών δεδομένων. Μέσω των δεδομένων αυτών προσδιορίσθηκε η εξατμιοσοδιαπνοή της καλλιέργειας με δύο ανεξάρτητες μεθοδολογίες (μέθοδος ισοζυγίου και μέθοδος Penman Monteith τροποποιούμενη κατά FAO) για τα χρονικά διαστήματα 16/6/2016 έως 28/4/2013 και 16/6/2014 έως 31/8/2014. Διαπιστώθηκαν διαφορές μεταξύ των αποτελεσμάτων των δύο μεθοδολογιών που θα μπορούσαν να ερμνηνευθούν υποθέτοντας τροφοδοσία από την εδαφική κατατομή του υδροφόρου στρώματος με νερό κατά το πρώτο χρονικό διάστημα και τροφοδοσία του ριζοστρώματος με νερό από τον υδροφόρο κατά το δεύτερο χρονικό διάστημα. Οι υποθέσεις αυτές επιβεβαιώθηκαν με προσδιορισμό για τα αντίστοιχα χρονικά διαστήματα των κατατομών κλίσεων υδραυλικού φορτίου (Δh/Δz) δηλαδή της αιτίας κίνησης του εδαφικού νερού. Στο τρίτο υποκεφάλαιο εξετάζεται η συγκριτική επίδραση της άρδευσης με ΕΥΑΑ και ΚΝ στην Ks αδιατάρακτων δειγμάτων που ελήφθησαν από την επιφάνεια του εδάφους του πειραματικού αγρού (12 αδιατάρακτα δείγματα ανά εφαρμογή). Διαπιστώθηκε στατιστικά σημαντική διαφορά στις τιμές των Ks-ΕΥΑΑ=33.2 cm/h έναντι των Ks-ΚΝ=47.4 cm/h. Τα εδαφικά δείγματα αναλύθηκαν για διάφορους παράγοντες που επηρεάζουν δυνητικά την Ks. Παρατηρήθηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές σε ό,τι αφορά στα pH, EC, SAR, ESP και στις συγκεντρώσεις K+, Na+, Mg2+ που είναι στοιχεία που σχετίζονται με χαρακτηριστικά ποιότητας των δύο αρδευτικών υδάτων. Διενεργήθηκε πολυπαραγοντική ανάλυση η οποία έδειξε και για τις δύο εφαρμογές θετική συσχέτιση μεταξύ της Ks και των ECe, CaCO3 και αρνητική μεταξύ της Κς και των SAR, ESP και φαινομενικής πυκνότητας. Παρά την ανάδειξη των συσχετίσεων (ποιοτικά χαρακτηριστικά), τα ποσοτικά χαρακτηριστικά δεν μπορούσαν να εξηγήσουν με βάση τα υπάρχοντα κριτήρια τη μείωση Ks που παρατηρήθηκε μεταξύ των Ks-ΕΥΑΑ και Ks-ΚΝ. Η διαπιστωθείσα διαφορά αποδόθηκε:Στον τύπο της αργίλου των εδαφικών μας δειγμάτων που ήταν ιλλίτης, δηλαδή ένα μη διογκούμενο αργιλικό ορυκτό, το οποίο διασπείρεται και σε μικρές τιμές ESP.Στο ότι τα τύπου 2:1 αργιλικά ορυκτά, στα οποία ανήκει και ο ιλλίτης, είναι ευαίσθητα στην αύξηση του SAR και τη μείωση της συγκέντρωσης του εδαφοδιαλύματος, ως αποτέλεσμα της διήθησης καλύτερης ποιότητας αρδευτικού νερού.Στο τρίτο κεφάλαιο που τιτλοφορείται ΕΛΗΑ-ΕΛΙΑ-ΛΑΔΙ, γίνεται συγκριτική διερεύνηση της επίδρασης των δύο αρδευτικών υδάτων στη θρεπτική κατάσταση της ελιάς ποικιλία «Κορωνέικη» στην παραγόμενη ποσότητα καρπών και λαδιού αλλά και στην ποιότητα του παραγόμενου ελαιολάδου. Η εφαρμογή του ΕΥΑΑ αύξησε ελαφρώς την παραγωγή καρπού κατά τη διάρκεια του έτους με την μεγάλη παραγωγή (15,92 kg καρπού ανά δέντρο έναντι 12,73 kg ανά δένδρο για την εφαρμογή του ΚΝ) καθώς και την περιεκτικότητα σε λάδι κατά το έτος της χαμηλής παραγωγής (18,21% έναντι 16,43% για άρδευση με ΚΝ). Δεν παρατηρήθηκε σημαντική επίδραση στα χαρακτηριστικά ποιότητας του λαδιού, όπως η ελεύθερη οξύτητα, K270, K232, υπεροξείδιο και ο Delta K. Επίσης δεν παρατηρήθηκε σημαντική επίδραση στο προφίλ του ελεύθερου λιπαρού οξέος του ελαίου. Το ελαϊκό οξύ ήταν το κυρίαρχο ελεύθερο λιπαρό οξύ στο έλαιο (κυμαινόμενο από 77,7 έως 78,6%), ακολουθούμενο από παλμιτικό (10,6-11,1%), λινελαϊκό (5,5-5,8%) και στεατικό οξύ (2,5-2,8%), που εμπίπτουν στο εύρος των τιμών για το χαρακτηρισμό του ως "εξαιρετικό παρθένο ελαιόλαδο". Τέλος τα επίπεδα των K, Ca, Mg, Mn, Fe και Zn στα φύλλα αυξήθηκαν με την εφαρμογή του ΕΥΑΑ σε σύγκριση με την εφαρμογή του ΚΝ, ενώ η συνεχής χρήση του ΕΥΑΑ για δύο χρόνια οδήγησε σε σημαντική αύξηση των συγκεντρώσεων P, Mg, Fe, Mn και Zn