Επίδραση των παραγόντων του περιβάλλοντος στη διαπνοή τριανταφυλλιάς υπό κάλυψη

Abstract

During summer heat and water stress of the crop is one of the most important problems that greenhouse production faces. Climate control systems-techniques such as ventilation, shading and cooling are used in order to obtain favourable climatic conditions for crop growth and production. These systems aim to control the incoming solar radiation, greenhouse air temperature and vapour pressure deficit, factors that have a direct effect on crop transpiration. The objective of this study was the comparative analysis of the performances of different methods used for cooling the greenhouse environment during summer conditions. At this aim, data on environmental and crop variables were collected during summer periods and analyzed in order to evaluate the performances of four cooling techniques that are commonly used by growers, namely ventilation, forced ventilation, roof whitening and misting. Special attention was also devoted to the influence of leaf area index on canopy energy partitioning, since the crop contributes naturally by transpiration to the greenhouse cooling. Focus was put on the following aspects related to climate and crop processes: (a) analysis of energy partitioning at the canopy scale through the characterization of transpiration rate, sensible heat flux and stomatal conductance of the canopy, (b) characterization of the bulk aerodynamic and stomatal conductance of the canopy and their possible links with the air renewal rate, and (c) to the modifications induced by the above climate control systems to the crop water stress index. The main indices-criteria selected in this study to characterize the system greenhouse-crop was the crop water stress index and stomatal conductance. The crop water stress index was selected because it shows the heat and water stress that the crop goes through while the stomatal conductance was selected because it is important in the energy partitioning and, in relation to the aerodynamic conductance indicates the ability of the crop to exchange heat and mass and characterizes the extent to which canopy conductance controls transpiration and CO2 assimilation. Concerning the influence of greenhouse ventilation, shading, misting and leaf area index variations on greenhouse microclimate, it was found that: - Natural ventilation was not sufficient for greenhouse cooling during summer since it induced extreme temperature and humidity conditions. - Greenhouse shading reduced radiation load and in combination with natural ventilation lead to temperature and vapour pressure deficit reduction. - The use of different type of ventilation regimes created significant differences in the greenhouse microclimate since forced ventilation for example induced a more homogeneous vertical field of temperature and humidity compared with natural ventilation, by providing more intensive mixing of the inside atmosphere. On the other hand, the air surrounding the lower part of the canopy was cooler and more humid under natural ventilation than under forced ventilation. - The use of mist system significantly reduced temperature and vapour pressure deficit. It was shown that a high rate of ventilation is not a priori the best solution for alleviating crop stress in greenhouse during summer conditions. When not limited by low external wind speed, natural ventilation may be more appropriate as it creates a more humid and cooler environment, although less homogeneous, around the canopy. Therefore, it appears that a physiologically-based optimal value for the air exchange rate exists, and that this value depends on several factors: the outside conditions of wind, temperature and humidity, the internal air flow characteristics (which depends on the type of ventilation), the aerodynamic conductance and the specific stomatal response of the species to humidity. All these factors have to be taken into account when searching for the optimal (and time-variable) value of ventilation rate. As far as it concerns the influence of greenhouse ventilation, shading, misting and leaf area index variations on crop water stress index and crop stomatal conductance, it was found that: - The use of mist system significantly reduced crop water stress index and lead to an important increase of canopy stomatal conductance. It has to be noticed that the highest canopy stomatal conductance was observed during the period that the mist system was used. - The use of different ventilation system did not influence the value of crop water stress index but the high ventilation rate contributed to the decrease of canopy stomatal conductance. - Greenhouse shading in combination with high leaf area index resulted in lower values of the crop water stress index and in significant increase of canopy stomatal conductance, due to the feedback between canopy-to-air vapour pressure deficit and stomatal conductance. It was also found that high leaf area index associated with an adequate water supply was quite effective in avoiding strong canopy stress in greenhouse summer conditions, even when artificial evaporative cooling was not available. Therefore the development of high leaf area is favourable and could be recommended during summer cropping in greenhouses of Mediterranean and arid countries. Furthermore, it was found that the use of different ventilation systems caused significant changes in the bulk aerodynamic conductance. However, these changes did not appear to modify the energy partitioning at the canopy level since, forced ventilation for example, increased the canopy aerodynamic conductance but simultaneously caused a decrease in canopy stomatal conductance, due to the feedback between canopy-to-air vapour pressure deficit and stomatal conductance, allowing in that way the canopy to maintain similar levels for transpiration rate. In addition, the use of mist system increased stomatal conductance, through the decrease in vapour pressure deficit, allowing the crop to maintain similar levels for transpiration rate. In contrast, greenhouse shading and high leaf area index lead to increase of transpiration rate enhancing in that way the greenhouse cooling process through the interactions of crop with the microclimate. The body of results obtained in this study stress the fundamental importance of canopy leaf area index in greenhouse climate management as well as in the design of cooling systems. Therefore, it has to be incorporated as a basic input parameter in climate control algorithms as well as in design processes. In this way, it could be concluded that the interest of using mist systems or whitening would depend strongly on the value of the canopy leaf area index. Also, the management of the ventilation system will be influenced by this parameter. In particular, it was shown that a crop water stress index based on leaf temperature is a valuable indicator for assessing the physiological response of the crop to environmental variables. Therefore, it could be recommended as a performance criterion to be used in the development of advanced algorithms for greenhouse climate control. To summarize, the incorporation of information and data about the physiological status and characteristics of the canopy into greenhouse climate controllers appears to be of primary importance in the optimization of greenhouse climate management, and would logically constitute the continuation of the present work. Keywords: Ventilation, shading, misting, leaf area index, stomatal conductance, aerodynamic conductance, crop water stress index, energy partitioning, sensible heat, heat and mass transfer, transpiration.

Το αντικείμενο της εργασίας αυτής ήταν η συγκριτική ανάλυση της επίδρασης των διαφόρων μεθόδων ψύξης του θερμοκηπίου κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού στη διαπνοή μιας θερμοκηπιακής καλλιέργειας τριανταφυλλιάς. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν τέσσερα από τα πλέον διαδεδομένα μέσα κλιματισμού των θερμοκηπίων κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού και πιο συγκεκριμένα: ο φυσικός αερισμός, ο δυναμικός αερισμός, η σκίαση με άσπρισμα του καλύμματος του θερμοκηπίου και ο δροσισμός με τεχνητή ομίχλη. Παράλληλα, μελετήθηκε και η επίδραση της φυλλικής επιφάνειας της καλλιέργειας στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ του κλίματος του θερμοκηπίου και των ανταλλαγών μάζας και ενέργειας της καλλιέργειας, καθώς η φυλλική επιφάνεια της καλλιέργειας αποτελεί ένα φυσικό μέσο ψύξης του θερμοκηπίου μέσω της διαπνοής της καλλιέργειας. Μεγαλύτερη έμφαση δόθηκε: (α) στην ανάλυση των αλλαγών που προκαλούν τα παραπάνω συστήματα στον καταμερισμό της ενέργειας στο επίπεδο της καλλιέργειας μέσα από μετρήσεις της διαπνοής και υπολογισμούς της αισθητής ενέργειας και της στοματικής αγωγιμότητας της καλλιέργειας, (β) στον υπολογισμό της αεροδυναμικής και της στοματικής αγωγιμότητας της καλλιέργειας και της πιθανής τους σύνδεσης με το ρυθμό ανανεώσεων του αέρα του θερμοκηπίου και (γ) στην ανάλυση των μεταβολών του δείκτη υδατικής καταπόνησης της καλλιέργειας. Έγινε φανερό ότι ένας υψηλός ρυθμός αερισμού δεν είναι και υποχρεωτικά η καλύτερη λύση για την ανακούφιση του θερμοκηπίου και της καλλιέργειας από τις συνθήκες καταπόνησης κατά τη διάρκεια καλοκαιρινών συνθηκών. Η χρήση διαφορετικού τύπου αερισμού (φυσικός-δυναμικός) προκάλεσε σημαντικές διαφορές στην αεροδυναμική αγωγιμότητα της καλλιέργειας. Οι μεταβολές αυτές δεν επηρέασαν τον καταμερισμό της ενέργειας στο επίπεδο της καλλιέργειας. Η χρήση του συστήματος δροσισμού προκάλεσε μείωση του ελλείμματος κορεσμού στο θερμοκήπιο κάτι που οδήγησε σε σημαντική αύξηση της στοματικής αγωγιμότητας της καλλιέργειας, επιτρέποντας έτσι στη διαπνοή να παραμείνει σε παρόμοια επίπεδα, όπως στην περίπτωση χωρίς το σύστημα δροσισμού. Αντίθετα, η σκίαση του θερμοκηπίου και η μεγάλη φυλλική επιφάνεια οδήγησαν μέσα από τις αλληλεπιδράσεις της καλλιέργειας με το μικροκλίμα σε αύξηση του ρυθμού διαπνοής της καλλιέργειας αυξάνοντας έτσι τη διαδικασία της ψύξης στο θερμοκήπιο. Τέλος, από τα αποτελέσματα που παρουσιάστηκαν στην εργασία αυτή, έγινε φανερή η σημαντικότητα του δείκτη φυλλικής επιφάνειας, τόσο στον έλεγχο του μικροκλίματος όσο και στο σχεδιασμό των συστημάτων ψύξης των θερμοκηπίων. Για το λόγο αυτό ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας θα πρέπει να λαμβάνεται ως μία βασική παράμετρος τόσο στους αλγορίθμους για τον έλεγχο του μικροκλίματος όσο και στη διαδικασία του σχεδιασμού των συστημάτων ψύξης των θερμοκηπίων. Έτσι, μπορούμε να πούμε ότι η απόφαση για τη χρήση του δροσισμού της σκίασης ή του αερισμού για παράδειγμα εξαρτάται κατά κύριο λόγο από την τιμή του δείκτη φυλλικής επιφάνειας της καλλιέργειας. Επιπλέον, έγινε φανερό ότι ο δείκτης υδατικής καταπόνησης της καλλιέργειας αποτελεί ένα χρήσιμο και αξιόπιστο εργαλείο που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως κριτήριο για τη λήψη αποφάσεων σχετικά με τον έλεγχο του κλίματος στο θερμοκήπιο. Τέλος έγιναν οι απαραίτητες ποιοτικές παρατηρήσεις και μετρήσεις για την ποσοτική περιγραφή των μηχανισμών που επηρεάζουν και καθορίζουν τα κριτήρια για τη βελτιστοποίηση του μικροκλίματος του θερμοκηπίου. Συνέχεια της εργασίας αυτής αποτελεί η ενσωμάτωση όλων των πληροφοριών που παρουσιάζονται στην παρούσα διατριβή σε ένα προσομοίωμα για τον έλεγχο και βελτιστοποίηση του μικροκλίματος του θερμοκηπίου. Το αντικείμενο της εργασίας αυτής ήταν η συγκριτική ανάλυση της επίδρασης των διαφόρων μεθόδων ψύξης του θερμοκηπίου κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού στη διαπνοή μιας θερμοκηπιακής καλλιέργειας τριανταφυλλιάς. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν τέσσερα από τα πλέον διαδεδομένα μέσα κλιματισμού των θερμοκηπίων κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού και πιο συγκεκριμένα: ο φυσικός αερισμός, ο δυναμικός αερισμός, η σκίαση με άσπρισμα του καλύμματος του θερμοκηπίου και ο δροσισμός με τεχνητή ομίχλη. Παράλληλα, μελετήθηκε και η επίδραση της φυλλικής επιφάνειας της καλλιέργειας στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ του κλίματος του θερμοκηπίου και των ανταλλαγών μάζας και ενέργειας της καλλιέργειας, καθώς η φυλλική επιφάνεια της καλλιέργειας αποτελεί ένα φυσικό μέσο ψύξης του θερμοκηπίου μέσω της διαπνοής της καλλιέργειας. Μεγαλύτερη έμφαση δόθηκε: (α) στην ανάλυση των αλλαγών που προκαλούν τα παραπάνω συστήματα στον καταμερισμό της ενέργειας στο επίπεδο της καλλιέργειας μέσα από μετρήσεις της διαπνοής και υπολογισμούς της αισθητής ενέργειας και της στοματικής αγωγιμότητας της καλλιέργειας, (β) στον υπολογισμό της αεροδυναμικής και της στοματικής αγωγιμότητας της καλλιέργειας και της πιθανής τους σύνδεσης με το ρυθμό ανανεώσεων του αέρα του θερμοκηπίου και (γ) στην ανάλυση των μεταβολών του δείκτη υδατικής καταπόνησης της καλλιέργειας. Έγινε φανερό ότι ένας υψηλός ρυθμός αερισμού δεν είναι και υποχρεωτικά η καλύτερη λύση για την ανακούφιση του θερμοκηπίου και της καλλιέργειας από τις συνθήκες καταπόνησης κατά τη διάρκεια καλοκαιρινών συνθηκών. Η χρήση διαφορετικού τύπου αερισμού (φυσικός-δυναμικός) προκάλεσε σημαντικές διαφορές στην αεροδυναμική αγωγιμότητα της καλλιέργειας. Οι μεταβολές αυτές δεν επηρέασαν τον καταμερισμό της ενέργειας στο επίπεδο της καλλιέργειας. Η χρήση του συστήματος δροσισμού προκάλεσε μείωση του ελλείμματος κορεσμού στο θερμοκήπιο κάτι που οδήγησε σε σημαντική αύξηση της στοματικής αγωγιμότητας της καλλιέργειας, επιτρέποντας έτσι στη διαπνοή να παραμείνει σε παρόμοια επίπεδα, όπως στην περίπτωση χωρίς το σύστημα δροσισμού. Αντίθετα, η σκίαση του θερμοκηπίου και η μεγάλη φυλλική επιφάνεια οδήγησαν μέσα από τις αλληλεπιδράσεις της καλλιέργειας με το μικροκλίμα σε αύξηση του ρυθμού διαπνοής της καλλιέργειας αυξάνοντας έτσι τη διαδικασία της ψύξης στο θερμοκήπιο. Τέλος, από τα αποτελέσματα που παρουσιάστηκαν στην εργασία αυτή, έγινε φανερή η σημαντικότητα του δείκτη φυλλικής επιφάνειας, τόσο στον έλεγχο του μικροκλίματος όσο και στο σχεδιασμό των συστημάτων ψύξης των θερμοκηπίων. Για το λόγο αυτό ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας θα πρέπει να λαμβάνεται ως μία βασική παράμετρος τόσο στους αλγορίθμους για τον έλεγχο του μικροκλίματος όσο και στη διαδικασία του σχεδιασμού των συστημάτων ψύξης των θερμοκηπίων. Έτσι, μπορούμε να πούμε ότι η απόφαση για τη χρήση του δροσισμού της σκίασης ή του αερισμού για παράδειγμα εξαρτάται κατά κύριο λόγο από την τιμή του δείκτη φυλλικής επιφάνειας της καλλιέργειας. Επιπλέον, έγινε φανερό ότι ο δείκτης υδατικής καταπόνησης της καλλιέργειας αποτελεί ένα χρήσιμο και αξιόπιστο εργαλείο που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως κριτήριο για τη λήψη αποφάσεων σχετικά με τον έλεγχο του κλίματος στο θερμοκήπιο. Τέλος έγιναν οι απαραίτητες ποιοτικές παρατηρήσεις και μετρήσεις για την ποσοτική περιγραφή των μηχανισμών που επηρεάζουν και καθορίζουν τα κριτήρια για τη βελτιστοποίηση του μικροκλίματος του θερμοκηπίου. Συνέχεια της εργασίας αυτής αποτελεί η ενσωμάτωση όλων των πληροφοριών που παρουσιάζονται στην παρούσα διατριβή σε ένα προσομοίωμα για τον έλεγχο και βελτιστοποίηση του μικροκλίματος του θερμοκηπίου.

L’objectif de ce travail est l’analyse comparative des performances de differents systèmes de refroidissement en cultures sous serre durant la période estivale. Dans ce but, des mesures de variables climatiques comme de variables liées à l’activité physiologique de la culture ont été réalisées durant deux étés consécutifs. Cet ensemble de données a été analysé afin d ́évaluer les performances respectives de quatre méthodes de refroidissement couramment pratiquées par les serristes, à savoir la ventilation statique, la ventilation forcée, le blanchiment et la brumisation. Une attention particulière a été portée sur l’effet de de l’indice foliaire sur le bilan d’énergie de la culture, puisque la culture contribue de manière naturelle à refroidir la serre par sa transpiration. Pour cette raison, l’analyse des données a porté en priorité sur les interactions entre le climat et la culture, notamment sur les aspects suivants: (a) analyse de la partition de l’énergie à l’échelle du couvert, à travers la caractérisation des flux de transpiration et de chaleur sensible; (b) caractérisation des conductances du couvert (aérodynamique et stomatique) et de leur possible relation avec le taux de renouvellement de la serre et (c) les modifications induites par les sytèmes de contrôle sur l’indice de stress hydrique. Les résultats montrent qu’un taux de ventilation élevé n’est pas a priori la meilleure solution pour atténuer les conditions de stress dans la serre pendant la période estivale. L’utilisation de différents sytèmes de ventilation (naturelle ou forcée) modifie significativement la conductance aérodynamique, mais celle-ci n’apparait pas avoir un effet important sur la partition de l’énergie au niveau du couvert. L’utilisation d’un système de brumisation augmente la conductance du couvert, du fait de la diminution du déficit de pression de vapeur d’eau dans la serre, ce qui permet à la culture de maintenir un niveau de transpiration similaire. Le blanchiment de la serre apparait comme un moyen efficace de diminuer les conditions de stress quand l’indice foliaire est faible. La conductance stomatique du couvert augmente de manière importante aprés le blanchiment, ce qui permet de diminuer significativement l’indice de stress hydrique par rapport aux valeurs observées avant le blanchiment. Un indice foliaire élevé induit una augmentation du flux de transpiration, permettant ainsi une plus grande contribution du refroidissement évaporatif naturel de la serre. L’ensemble des résultats obtenus dans cette thèse souligne le rôle fondamental de l’indice foliaire de la culture dans la gestion du climat sous serre et dans le dimensionnement des systèmes de refroidissement. Par conséquent, cette caractéristique du couvert végétal doit être considérée comme un paramètre d’entrée dans les algorithmes de contrôle du climat comme dans les méthodes de calcul et de dimensionnement de la climatisation. Dans cette optique, on peut conclure que l’intérêt d’utiliser un système de brumisation ou la technique de blanchiment va dépendre principalement de la valeur de l’indice foliaire. De même, la gestion de la ventilation dépendra de ce paramètre. Enfin, il a été démontré que l’indice de stress hydrique basé sur la temperature de surface représente un indicateur pertinent pour évaluer l’état physiologique de la culture et sa réponse a un stress hydrique ou thermique. Cet indice peut donc être utilisé comme critère de performance dans le développement d’algorithmes avancés de contrôle du climat sous serre. En résumé, l’incorporation d’informations et de données sur le comportement physiologique et les caractéristiques de la culture apparait de première importance dans l’optimisation de la gestion du climat sous serre, et devrait constituer la suite logique du travail presenté dans cette thèse. Mots-clés: Ventilation, ombrage, indice foliaire, conductance aerodynamique, conductance stomatique, indice de stress, bilan d’énergie, chaleur sensible, transpiration, rayonnement.