Προσδιορισμός δεικτών θερμικής και υδατικής καταπόνησης καλλιεργειών για τη διαχείριση του μικροκλίματος και της άρδευσης στο θερμοκήπιο

Abstract

Efficient irrigation leads to quantitive and qualitive improvement of greenhouse cultivations yield when at the same time contributes to the diminution of inputs and the undesirable outputs of the cultivations. Irrigation management concerns the determination of both frequency and amount of watering events which are linked to the estimation of the cultivation water needs and the capacity of substrate to hold water and can be done using a number of approaches (manually, time scheduling, sensor driven etc.). In this framework and from the practical side of view, applications that are based on simple sensors outputs like those that measure solar radiation and substrate moisture are of great interest. But, none of this applications take account of the condition of the cultivation and for this reason scientific research has focused in the possibilities of managing irrigation using direct measurements of plant status parameters.The first of the main parts of this thesis concerns the evaluation of a series of existing and new water status indices, which are based on reflectance from the cultivation canopy measurements, in order to confine those that could have practical interest for irrigation management inside greenhouses. The experiments concerned ornamental and vegetable cultivations and more specifically gerbera and rocket. The reflectance was measured using a portable multispectral radiometer which measures in 8 narrow spectral areas centered at 460, 510, 560, 610, 660, 710, 760 and 810nm while for the diminution of signal noises (i.e. framework and machinery shadows) a special technique was used (white reference surface). At the same time a number of environmental, cultivation and substrate parameters were monitored. In the framework of the gerbera experiment the correlation of a number of reflectance spectral indices with generally accepted water status indices like stomatal conductance (gs) and crop water stress index (CWSI) and water balance parameters like volumetric substrate moisture (θ) and evapotranspiration (ΕΤ) was evaluated. Continuing, the evaluation was focused in complex spectral indices and a number of good relation with water stress were found. Indicatively good relationships were found between the index sPRI = (R560 - R510)/(R560 + R510) and gs, sPRI and θ, and the index NDRB1=(R710- R460)/( R710+ R460) and CWSI in various levels of water treatment of the cultivation. In the rocket experiment good correlation was found between the index sNDVI2=(R810 – R560)/(R810 + R560) and θ and sPRI and CWSI. A general result is that as water stress gets more intense sPRI gets lower values.The results showed that there is a straightforward relationship between water availability and water status with reflectance indices in the visible area of the spectrum for both cultivations. The existence of significant differences in reflectance spectrums only between irrigated treatments and treatments under strong water stress leads to the conclusion that reflectance in the visible area can be used to track water stress only if this is intense. Relevant opinions have been published by other researchers too. In every case the utilization of multispectral reflectance indices consists a promising research area which could produce direct and representative methods for the estimation of the water condition of a greenhouse cultivation. It is reasonable to think that as a typical system sums the solar energy that reaches the pyranometer outside the greenhouse in order to trigger irrigation events it irrigates independently of the condition of the cultivation. Probably a system could do something similar -but taking account of the condition of the cultivation- by using an index based on reflectance from the canopy. The second of the main parts of the thesis deals with the evaluation of substrate moisture status sensors (measurement of volumetric water content of the substrate and electrical conductivity of the substrate water) regarding their application for the automatic determination of irrigation scheduling parameters. The trials were made using a greenhouse tomato cultivation. Additionally the evaluation concerned the potential of these sensors to be used in conjunction with common irrigation scheduling techniques like time control and control using the integral of solar radiation outside the greenhouse. The relevant parameters were monitored using a series of sensors (Delta Τ, ThetaProbe, Decagon Devices, EC5, Decagon Devices, 10HS and Grodan WCM-Control) when at the same time a number of environmental parameters were monitored.The basic conclusion was that the main problem regarding the use of substrate parameters sensors was the broad variability of measurements which were dependent by the point of measurement inside the greenhouse and in the substrate (from top, from side etc) and from the sampling volume which was used by each sensor. It’s more likely that the sensors themselves was not then main problem but other causes like the irrigation system setup, the irrigation schedule etc. played a most significant role in the distribution of measurements.Trials that concerned the combination of the solar radiation integral for the determination of irrigation frequency and the substrate moisture (by a sensor placed in a representative point of the substrate) for the determination of water amount and the probable night irrigation were successful. Also the use of moisture sensor for the production of alarm signals should be recommended in every automatic irrigation system. Very interesting would be a direct evaluation in yield and water efficiency of a number of alternatives regarding automatic irrigation control. Furthermore a number of collateral facts resulted in the framework of the thesis, like evaluation of greenhouse evapotranspiration models, evaluation of irrigation strategies, equations for the calculation of leaf area index and equations for calibrating substrate moisture and electric conductivity sensors.

Η αποτελεσματική άρδευση συντελεί στην ποσοτική και ποιοτική βελτιστοποίηση της παραγωγής ενώ ταυτόχρονα συμβάλει στην μείωση των εισροών στην καλλιέργεια και των ανεπιθύμητων εκροών από αυτή. Η διαχείριση της άρδευσης σχετίζεται με τον καθορισμό της συχνότητας και της δόσης που με τη σειρά τους βασίζονται στην εκτίμηση των αναγκών των καλλιεργειών σε νερό και στη δυνατότητα συγκράτησης υγρασίας από το υπόστρωμα, μπορεί δε να υλοποιηθεί με μία σειρά από προσεγγίσεις (χειρονακτικά, με χρονικό προγραμματισμό, με χρήση αισθητήρων κοκ). Στο πλαίσιο αυτό ιδιαίτερο ενδιαφέρον από πρακτική άποψη έχουν οι εφαρμογές που βασίζονται σε μετρήσεις απλών αισθητήρων όπως αυτοί που μετρούν την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας και αυτοί που μετρούν την υγρασία στο υπόστρωμα. Όμως σε καμία από τις περιπτώσεις αυτές δεν λαμβάνεται υπόψη η κατάσταση της καλλιέργειας και για το λόγο αυτό το ερευνητικό ενδιαφέρον έχει στραφεί στη διερεύνηση των δυνατοτήτων διαχείρισης της άρδευσης με χρήση άμεσων μετρήσεων φυτικών παραμέτρων. Το πρώτο από τα κύρια μέρη της παρούσας διατριβής αφορά αξιολόγηση μίας σειράς υφιστάμενων και νέων δεικτών υδατικής κατάστασης του φυτού που βασίζονται σε δεδομένα που προέρχονται από ανάκλαση ακτινοβολίας από την καλλιέργεια, με σκοπό τον εντοπισμό αυτών που μπορούν να έχουν πρακτική εφαρμογή στην διαχείριση της άρδευσης σε θερμοκηπιακές καλλιέργειες. Τα πειράματα αφορούσαν λαχανοκομικές και ανθοκομικές καλλιέργειες και συγκεκριμένα ζέρμπερα και ρόκα. Η μέτρηση της ανάκλασης από την φυλλική επιφάνεια έγινε με χρήση φορητού πολυφασματικού ραδιόμετρου που μετρούσε σε 8 στενές φασματικές περιοχές γύρω από τα μήκη κύματος 460, 510, 560, 610, 660, 710, 760 και 810nm ενώ για την μείωση των θορύβων (π.χ. σκιές περιβάλλοντος) χρησιμοποιήθηκε ειδική τεχνική (επιφάνεια αναφοράς). Παράλληλα καταγράφονταν μία σειρά από παραμέτρους του εναέριου περιβάλλοντος, του υποστρώματος και της καλλιέργειας. Στο πλαίσιο του πειράματος με ζέρμπερα αξιολογήθηκε αρχικά η συσχέτιση μίας σειράς από συνδυασμούς της ανάκλασης σε διάφορα μήκη κύματος με γενικά αποδεκτούς δείκτες υδατικής κατάστασης όπως η στοματική αγωγιμότητα (gs), ο δείκτης θερμικής καταπόνησης της καλλιέργειας (CWSI) κοκ αλλά και παραμέτρους του υδατικού ισοζυγίου όπως το κατ’όγκο περιεχόμενο του υποστρώματος σε υγρασία (θ) και η εξατμισοδιαπνοή (ΕΤ). Στην συνέχεια των μετρήσεων, δόθηκε έμφαση στην αξιολόγηση σύνθετων φασματικών δεικτών και βρέθηκε ότι ορισμένοι από αυτούς παρουσιάζουν ικανοποιητική απόκριση ως προς την υδατική καταπόνηση. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι εντοπίστηκαν καλές συσχετίσεις μεταξύ του δείκτη sPRI = (R560 - R510)/(R560 + R510) και της gs, του sPRI και του θ, καθώς και του δείκτη NDRB1=(R710- R460)/( R710+ R460) και του CWSI σε διάφορα επίπεδα υδατικής μεταχείρισης της καλλιέργειας.Στο πείραμα με ρόκα βρέθηκε συσχέτιση μεταξύ sNDVI2=(R810 – R560)/(R810 + R560) και θ καθώς και μεταξύ sPRI και CWSI. Φαίνεται μάλιστα ότι γενικά όσο η υδατική καταπόνηση αυξάνεται, ο sPRI ελαττώνεται. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι υπάρχει σχέση μεταξύ διαθεσιμότητας νερού και υδατικής κατάστασης και φασματικών δεικτών ανάκλασης στην περιοχή του ορατού και για τις δύο καλλιέργειες που μελετήθηκαν. Η ύπαρξη σημαντικών διαφορών στα φάσματα ανάκλασης μόνο μεταξύ αρδευόμενων και ισχυρά καταπονούμενων φυτών οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η ανάκλαση στο ορατό πιθανότατα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό υδατικής καταπόνησης μόνο όταν αυτή καθίσταται έντονη. Παρόμοιες απόψεις έχουν εκφραστεί και από άλλους ερευνητές.Σε κάθε περίπτωση η αξιοποίηση πολυφασματικών φυτικών δεικτών αποτελεί ένα υποσχόμενο πεδίο έρευνας καθώς θα μπορούσε να οδηγήσει σε άμεσες και αντιπροσωπευτικές μεθόδους για την εκτίμηση της υδατικής κατάστασης θερμοκηπιακών καλλιεργειών. Όταν ένα τυπικό σύστημα αυτόματου ελέγχου άρδευσης χρησιμοποιεί ως είσοδο το χρονικό ολοκλήρωμα της ηλιακής ακτινοβολίας που μετριέται με ένα πυρανόμετρο τοποθετημένο εκτός του θερμοκηπίου, δεν λαμβάνει υπόψη του την κατάσταση της καλλιέργειας. Πιθανότατα, στο μέλλον να προκύψει ένα σύστημα που να μπορεί να βασιστεί σε μία παρόμοια αρχή λειτουργίας, αλλά να εκτιμά τις πραγματικές ανάγκες της καλλιέργειας ολοκληρώνοντας την ανακλώμενη ακτινοβολία αντί για την προσπίπτουσα.Το δεύτερο κύριο μέρος της εργασίας σχετίζεται με την αξιολόγηση αισθητήρων υδατικής κατάστασης του υποστρώματος (μέτρησης διαθέσιμης υγρασίας και ηλεκτρικής αγωγιμότητας) όσο αφορά την αξιοποίησή τους για αυτόματο καθορισμό των παραμέτρων του προγράμματος άρδευσης σε υδροπονικές θερμοκηπιακές καλλιέργειες και συγκεκριμένα σε καλλιέργεια τομάτας. Ακόμη μελετήθηκε η δυνατότητα συνδυασμού τους με τους ποιο κοινούς τρόπους διαχείρισης της άρδευσης σε αυτές: το χρονικό προγραμματισμό και τον έλεγχο μέσω ολοκλήρωσης προσπίπτουσας ενέργειας ηλιακής ακτινοβολίας. Καταγράφονταν οι σχετικές παράμετροι στο υπόστρωμα με μία σειρά αισθητήρων (Delta Τ ThetaProbe, Decagon Devices EC5 και 10HS και Grodan WCM-Control) ενώ παράλληλα γινόταν μέτρηση και μίας σειράς από παραμέτρους του εναέριου περιβάλλοντος. Το βασικό συμπέρασμα ήταν ότι το μεγαλύτερο πρόβλημα όσο αφορά την εφαρμογή αισθητήρων μέτρησης υγρασίας στο υπόστρωμα είναι η μεταβλητότητα των μετρήσεων η οποία εξαρτάται από τη θέση μέτρησης εντός του θερμοκηπίου, από τη θέση μέτρησης στο υπόστρωμα (πάνω, πλάι κοκ) όσο και από τον όγκο δείγματος μέτρησης του κάθε αισθητήρα. Πιθανότατα δεν είναι οι αισθητήρες το μεγαλύτερο πρόβλημα (εάν και σίγουρα μπορούν να γίνουν βελτιώσεις όσο αφορά τα κατασκευαστικά τους χαρακτηριστικά), αλλά μια σειρά από άλλες αιτίες (αρδευτικό σύστημα, πρόγραμμα άρδευσης κοκ) που είναι υπεύθυνες για τις αποκλίσεις που παρατηρούνται.Δοκιμές που αφορούσαν τον συνδυασμό συστήματος άρδευσης με χρήση ολοκλήρωσης εξωτερικής ηλιακής ακτινοβολίας για τον καθορισμό της συχνότητας άρδευσης και αισθητήρα εδαφικής υγρασίας (τοποθετημένου σε προσεκτικά επιλεγμένο χαρακτηριστικό σημείο του υποστρώματος) για καθορισμό της δόσης άρδευσης και της πιθανής νυχτερινής άρδευσης ήταν επιτυχημένες. Ακόμη η χρήση αισθητήρων υγρασίας για παραγωγή σημάτων κινδύνου όταν η υγρασία πέφτει κάτω από κάποιο προκαθορισμένο επίπεδο θα έπρεπε ήδη να συστήνεται σε κάθε εφαρμογή αυτόματου ελέγχου. Ενδιαφέρον θα είχε να αξιολογηθούν σε επίπεδο παραγωγής και αποτελεσματικότητας χρήσης νερού (για όλη τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου) διάφορες εναλλακτικές σχετικά με την χρήση αισθητήρων παραμέτρων στο υπόστρωμα για διαχείριση της άρδευσης. Τέλος μία σειρά από παράλληλα αποτελέσματα προέκυψαν στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής, όπως αξιολογήσεις σχετικά με χρήση μεθόδων εκτίμησης εξατμισοδιαπνοής στο θερμοκήπιο, αξιολόγηση προγραμμάτων άρδευσης, σχέσεις υπολογισμού δείκτη φυλλικής επιφάνειας και σχέσεις βαθμονόμησης αισθητήρων μέτρησης υγρασίας υποστρώματος.