Blaine HansonDepartment of Land, Air and Water Resources

University of California, Davis

Irrigation Water Management -

Science, Art, or Guess?

When should irrigations occur?How much water should be applied?How long should the irrigation last?

Irrigation water management: questions to answer

Avoid Deficit Irrigation

Avoid Overirrigation

Methods

ET based (sometimes called the water balance approach)Plant basedSoil moisture measurementsExperienceGuess

ET based method

Calculate the crop evapotranspiration (ET) between irrigations and apply that amount plus any needed for irrigation efficiencyAssumes that the ET between irrigations equals the soil moisture depletion (does not apply under shallow ground water conditionsET = Kc x ETo x IN

ET = crop evapotranspirationKc = crop coefficientETo = reference crop ET (California Irrigation Management Information System)IN = days between irrigations

Plant‐based

Use leaf‐water potential measurements to determine when to irrigation

Pressure chamberTime consuming

Use ET = Kc x ETo to determine how much water to apply

Soil moisture measurements

Approach 1 ‐measure changes in soil moisture content between irrigations –assumes that the ET between irrigations equals the soil moisture change between irrigations

When to irrigateHow much to apply

Approach 2 ‐measure soil moisture tension to determine when to irrigate

Soil moisture tension ‐ tenacity with which water is retained in soil (the drier the soil, the higher the soil moisture tensionUse reference crop ET and crop coefficients to estimate the amount of water to apply

Not recommended for drip and microsprinkler irrigation

Recommended method for drip and microsprinkler irrigation

Select an appropriate irrigation frequency

Use the ET‐based approach to determine how much water to apply

Do not use soil moisture measurements to determine how much water to apply

Monitor soil moisture to ensure adequate irrigation over time

Periodic measurements Limited dataMay be difficult to identify trends in soil moisture

Continuous measurement – trends are readily evident in data 

Methods for monitoring soil moisture

Soil probe

Tensiometers – soil moisture tension

Electrical resistance blocks – soil moisture tension• Watermark sensor• Gypsum block

Neutron moisture meter – soil moisture• Radioactive source – licensing, storage• Not appropriate for grower use

Dielectric moisture sensors – soil moisture

Soil probe

0

10050

Vacuum Gauge

Porous Ceramic Cup

Reservoir

Cap

Water

Tensiometer

Electrical Resistance Blocks

Watermark Block

Gypsum Block

Neutron moisture meter

Dielectric Soil Moisture Sensors

Sensors measure an electrical property of soil called the dielectric constant ‐ varies with soil moisture content

Calibration equation relates dielectric constant to soil moisture content 

GroPoint Dielectric Soil Moisture Sensor

Echo Dielectric Soil Moisture Sensor

Enviroscan Dielectric Sensor

Conclusions of USDA‐ARS Research on dielectric soil moisture sensors

All dielectric sensors studied required site specific calibrationNone of the sensors performed within the accuracy specifications published by the manufacturersSensors were sensitive to soil bulk electrical conductivityCalibrations of sensors were more difficult to establish than for the neutron probeSensor readings were sensitive to small scale variations of soil properties due to their very small zone of influence. These small scale variations were smaller than the scale at which plants respond to soil moisture

Drip/microsprinkler irrigation: where should the sensors be installed?

Soil moisture under drip/microsprinkler irrigation varies with distance and depth from the emitter

Root density also can vary with distance and depth from the emitters

Installation too close – very wet soil 

Installation too far – little or no response to irrigation

0 2 4 6Distance (feet)

0

2

4

6

8

10

12

14

Dis

tanc

e (fe

et)

-100102030405060708090100110

Site 2 (Young Navel)

Microsprinkler

High

Low

0 2 4 6 8Distance (feet)

0

2

4

6

8

10

12

14

16D

ista

nce

(feet

)

-100102030405060708090100110

Site 1 (Valencia)

Microsprinkler

High

Low

FanjetSpinner

Microsprinkler water application patterns

2 3 4 5 6 7 8 9Distance from micorsprinker (feet)

-3

-2

-1

Dep

th (f

eet)

2 3 4 5 6 7 8 9Distance from microsprinkler (feet)

-3

-2

-1

Dep

th (f

eet)

00.10.20.30.40.50.60.70.80.911.11.21.31.41.51.61.7

July 24 (just after irrigation)

July 29 (just before next irrigation)

High

Low

Soil water content

Soil moisture – microsprinkler (citrus)

20 30 40 50 60 70 80 90 100Distance From Tree (inches)

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10D

epth

(inc

hes)

Soil moisture – drip irrigation

Tree Trunk

Tree Skirt

Wetted Area

High Root Density

Low Root Density

Root pattern – flood irrigation of trees 

Tree Trunk

Tree Skirt

Wetted Area

High Root Density

Low Root Density

Root pattern – microsprinkler‐irrigated tree

Tree Trunk

Tree Skirt

Wetted Area

High Root Density

Low Root Density

Root pattern – drip‐irrigated tree

01-Mar-03 01-May-03 01-Jul-03 01-Sep-03 01-Nov-03 01-Jan-04

Soil

moi

stur

e te

nsio

n (c

entib

ars)

0

20

40

60

80

100

246

Distance From Drip Line (feet)

Grapes

Soil moisture tension – drip‐irrigated grapes

Courtesy – Blake Sanden,UCCE, Kern County

How frequently should soil moisture be measured ‐ periodic vs. continuous measurements

Periodic • Measurement intervals – once or twice per week• Appropriate for sprinkle, furrow, and flood irrigation• Not recommended for drip or microsprinkler irrigationContinuous • Measurement interval – few minutes to once per day• Recommended for microirrigation

What Do The Readings Mean?

18-Ju

n

25-Ju

n

28-Ju

n2-J

ul

10-Ju

l

12-Ju

l

16-Ju

l

19-Ju

l

23-Ju

l

30-Ju

l

6-Aug9-A

ug

13-A

ug

16-A

ug

20-A

ug

23-A

ug

27-A

ug1-S

ep3-S

ep6-S

ep

10-S

ep

13-S

ep

17-S

ep

20-S

ep2-O

ct0

50

100

150

200W

ater

mar

k B

loc k

Re a

din g

(ce n

tibar

s)

Depth (feet)6 12 18 24

Walnut (flood irrigated)

Soil moisture tension – flood irrigated walnut

Plot 4 - 6"

0

20

40

60

80

100

12"

Tens

iom

eter

Rea

ding

s (c

entib

ars)

0

20

40

60

80

100

24"

1-Au

g2-

Aug

5-Au

g6-

Aug

8-Au

g11

-Aug

12-A

ug13

-Aug

15-A

ug16

-Aug

19-A

ug20

-Aug

22-A

ug23

-Aug

26-A

ug27

-Aug

29-A

ug30

-Aug

2-Se

p3-

Sep

5-Se

p6-

Sep

9-Se

p10

-Sep

12-S

ep13

-Sep

16-S

ep17

-Sep

19-S

ep20

-Sep

23-S

ep24

-Sep

26-S

ep27

-Sep

30-S

ep1-

Oct

3-O

ct4-

Oct

6-O

ct10

-Oct

11-O

ct13

-Oct

14-O

ct15

-Oct

17-O

ct18

-Oct

21-O

ct22

-Oct

24-O

ct25

-Oct

28-O

ct29

-Oct

31-O

ct1-

Nov

4-N

ov5-

Nov

7-N

ov8-

Nov

4-D

ec13

-Dec

0

20

40

60

80

100

Soil moisture tension – microsprinkler‐irrigated citrus

Date

Soil moisture tens

ion (cen

tiba

rs)

Continuous monitoring of soil moisture

Sensor typeCompatible for continuous measurement – multiple measurements per day to once per dayPlacement of sensors (distance, depth) relative to drip emitters/microsprinklers

Data loggerComputer/software for evaluating dataWireless system or computer downloadConsultant or grower

Sensors for continuous monitoring of soil moisture 

Watermark electrical resistance blocks – soil moisture tension

Dielectric moisture sensors – soil moisture

AMD 400 Data Logger

Irrometer Monitor Data Logger

A - Almond - 47.9 inches

01-Jan-04 01-Mar-04 01-May-04 01-Jul-04 01-Sep-04 01-Nov-04So

il M

oist

ure

Tens

ion

(cen

tibar

s)0

20

40

60

80

100

120

140

160

183660

B - Almonds - 59.7 inches

01-Jan-04 01-Mar-04 01-May-04 01-Jul-04 01-Sep-04 01-Nov-040

20

40

60

80

100

120

140

160

183660

Depth (inches)

Depth (inches)

Courtesy – Blake Sanden,UCCE, Kern County

Soil moisture tension –drip‐irrigated almond

Peach Orchard - Flood Irrigation

Day of Year

100 120 140 160 180 200 220 240 260

Soil

Moi

stur

e Te

nsio

n (c

entib

ars)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

123

Depth (feet)

1 May 1 Jun 1 Jul 1 Aug 1 Sep

Soil moisture tension – flood irrigated peach

Wireless Systems

Advantage – frequent access to data from office

Sensors

Data logger

Transmitter device at logger – radio, cell phone

Receiver device – office, network

Computer

Automating the microirrigation system

Automation – controller turns the irrigation system on and off 

Devices: soil moisture sensor, data logger, wireless system, controller

What triggers the irrigation?• Soil moisture level• Predetermined amount of 

evapotranspiration• Days between irrigation

anrcatalog.ucdavis.edu