Εφαρμογή νέων τεχνολογιών στη διαχείριση οπωρώνων μηλιάς

Abstract

Apple cultivation is important for Greece and all over the world. Apple market is very competitive as consumers demand high quality of apples. At the same time apple producers seek new cultivation practices in order to reduce production cost, which is increased due to high labour cost. European Union sets strict rules to reduce adverse environmental effects of agriculture and at the same time society is sensitive to environmental problems. Technological progress led to precision agriculture (PA) development. PA aims at managing the inherent variability within the fields in order of decreasing the environmental pollution and increasing farmer’s profit.The objective of the present research was the study of spatial and temporal variability of apple orchards by applying precision agriculture methods. The main objective of the research was the development of new yield predicting methods and the delineation of management zones within the orchards in order to apply variable rate fertilization. For this reason two commercial apple orchards were selected in Agia area of Larisa, where experiments were carried out for three sequential years.During the three years of the research, the following measurements were carried out and led to thematic maps: yield mapping, quality mapping (fruit weight, flesh firmness, soluble solids content, juice acidity, juice pH), NDVI mapping, flower mapping, elevation mapping, soil mapping (texture, potassium, calcium and organic matter content) and soil apparent electric conductivity mapping.For the data analysis, initially, the orchards were divided into cells, of the same size (main orchard 20m x 18m and secondary orchard 15m x 4m). A mean value of each measured parameter was calculated for each cell. Based on the mean values, thematic maps were created which allowed the comparison of the values of the cells for each analyzed parameter.Descriptive statistics were calculated for each map such as mean, standard deviation, maximum, minimum and coefficient variation.The results showed that there is significant spatial and temporal variability in yield, fruit quality, canopy, number of flowers and soil characteristics. This variability indicates that precision agriculture application will be beneficial. Yield results showed that there is significant variability in the main (60,9%) and in the secondary orchard (50%). The spatial variability of the fruit quality was low in both orchards (7% - 15%). Similar spatial variability was noticed in the NDVI measurements of the tree canopy (2,8% - 18,3%). Soil properties like clay, sand, silt, organic matter and calcium had medium spatial variability (15,9% - 20%), while apparent electric conductivity and potassium content had higher spatial variability (25,8% and 39,3% respectively).For yield prediction, flower and NDVI mapping were carried out. Yield prediction in the mid of April was possible by using flower variability maps. This is very important for the farmer because he/she can adjust the inputs according to flower variability, which may have a direct effect to his production costs. Moreover, yield prediction could be carried out by using the NDVI maps in the first days of June.The delineation of management zones was performed by using fuzzy logic techniques every year. The delineated management zones were proved to be unstable throughout the years, as there was very high temporal variability.Variable rate application of fertilizer was applied according to the real need of the plants for nitrogen. Fertilizer doses used were based on the amount of Nitrogen removed by the yield of last year. The results of the variable rate application of fertilizer showed that the reduction in the first year of application was 32,4% and the farmer’s profit increased by 21%. In the second year the amount of the fertilizer used was reduced by 56,6% and the farmer’s profit increased by 9%. It should be mentioned that in areas where variable rate fertilizer was applied, the fruit quality was better in comparison with the apples where fertilizer was uniformly applied. The results of the present work are significant. The farmer’s profit could be increased by using variable rate fertilization. Additionally the consumer demands for high quality fruits can be satisfied by the improved quality. The adverse environmental effects of agriculture can be reduced by the reduced chemical applications. The delineation of management zones based on the flower variability could be useful for the farmers because it will enable him/her to carry out more efficient management of the orchards. The positive correlation of flower variability and early in the season NDVI variability with final yield variability can help farmers to understand and predict the yield variability and improve orchard management. The delineation of management zones can be used in the variable rate application of inputs such as irrigation and pesticides as well as in cultivation practices such as thinning and pruning. The results of the research are important for farmers and consumers. For this reason the current research should be continued during the next years. An interesting further research is the study of the impact of variable rate fertilisation, which was applied in two years, on the soil nutritive contents. Thus soil analysis should be made and the results should be compared with the amount of fertiliser used. Additionally, more experiments with variable rate applications of fertiliser should be made to identify farmer’s profit and the factors that have a clear impact on it. It should be mentioned that an automated variable rate fertilization system must be developed in order to avoid applying fertilizers by hand. The positive correlation of NDVI and flower variability with yield variability should be evaluated. Specifically, delineation of management zones based on the NDVI values of trees or flower variability and variable rate fertilization based on these management zones should be made while the yield of each zone must be evaluated. At the same time, the investigation of new data analysis methods which ensures simple processes and reliable results is quite essential. Furthermore, flower mapping process should become automated. One suggestion is the use of video recorder to record the tree canopy during the full bloom stage and to analyse the video frames. Finally, LASER technology should be used to map the volume of the tree canopies before and after pruning. Variable rate fertilisation based on the nutrient removal by yield and branches maybe very efficient.

Η καλλιέργεια μήλων είναι διαδεδομένη τόσο στην Ελλάδα όσο και στον υπόλοιπο κόσμο. Η εμπορία των μήλων είναι πολύ ανταγωνιστική καθώς οι απαιτήσεις των καταναλωτών για προϊόντα υψηλής ποιότητας είναι πολύ μεγάλες. Παράλληλα οι παραγωγοί μήλων αναζητούν νέες καλλιεργητικές πρακτικές για να μειώσουν το κόστος παραγωγής το οποίο είναι πολύ αυξημένο λόγω του υψηλού κόστους εργασίας. Τέλος η ευρωπαϊκή ένωση ορίζει ολοένα και αυστηρότερους νόμους για τη μείωση των αρνητικών επιπτώσεων της Γεωργίας στο περιβάλλον, ενώ υπάρχει μια γενική ευαισθησία της κοινωνίας στις μέρες μας για την προστασία του περιβάλλοντος. Η εξέλιξη της τεχνολογίας βοήθησε στην ανάπτυξη της γεωργίας ακριβείας η οποία έχει ως βασικό στόχο τη διαχείριση της παραλλακτικότητας που εμφανίζουν τα αγροκτήματα για μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων και αύξηση της οικονομικότητας των αγροκτημάτων. Το αντικείμενο της παρούσας έρευνας ήταν η μελέτη και η διαχείριση της χωρικής και χρονικής παραλλακτικότητας οπωρώνων μήλων με την εφαρμογή μεθόδων γεωργίας ακριβείας. Κύριος σκοπός της έρευνας ήταν η δημιουργία νέων μεθόδων πρόβλεψης της τελικής παραγωγής και ο διαχωρισμός ζωνών διαχείρισης εντός των οπωρώνων για τη δημιουργία διαφοροποιούμενης λίπανσης. Για το σκοπό αυτό επιλέχτηκαν δύο εμπορικοί οπωρώνες στην περιοχή της Αγιάς Λάρισας στους οποίους έγιναν πειράματα για τρία συνεχόμενα έτη.Στη διάρκεια τριών ετών οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν ήταν: η χαρτογράφηση της παραγωγής, η χαρτογράφηση της ποιότητας των καρπών (βάρος καρπού, σκληρότητα σάρκας, περιεκτικότητα του χυμού σε διαλυτά στερεά συστατικά, οξύτητα του χυμού, pH χυμού), η χαρτογράφηση της ευρωστίας των φυτών, η χαρτογράφηση της ανθοφορίας των δένδρων, η χαρτογράφηση του τοπογραφικού αναγλύφου των οπωρώνων, η χαρτογράφηση των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων του εδάφους (μηχανική σύσταση, περιεκτικότητα σε κάλιο, ασβέστιο και οργανική ουσία) και η χαρτογράφηση της φαινομενικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας.Για την ανάλυση των δεδομένων αρχικά οι οπωρώνες χωρίστηκαν σε κελιά με σταθερό μέγεθος (κύριος 20m x 18m και δευτερεύον 15m x 4m). Για κάθε κελί εξετάσθηκε η μέση τιμή του κάθε χαρακτηριστικού που μετρήθηκε. Με βάση τη μέση τιμή, δημιουργήθηκαν θεματικοί χάρτες που επέτρεπαν την εύκολη σύγκριση των τιμών του κάθε κελιού για κάθε χαρακτηριστικό που μετρήθηκε.Στη συνέχεια υπολογίζονταν για κάθε χάρτη τα περιγραφικά στατιστικά των υπό μελέτη χαρακτηριστικών όπως μέση τιμή, ελάχιστη τιμή, μέγιστη τιμή και συντελεστής παραλλακτικότητας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι υπάρχει σημαντική χωρική και χρονική παραλλακτικότητα στην παραγωγή, στα ποιοτικά χαρακτηριστικά των μήλων, στη διαμόρφωση της κόμης και της άνθισης των δένδρων και στις φυσικές και χημικές ιδιότητες του εδάφους. Η ύπαρξη αυτής της παραλλακτικότητας επιτρέπει την εφαρμογή της γεωργίας ακριβείας στους οπωρώνες και υποδηλώνει ότι θα υπάρξουν οφέλη από την εφαρμογή της.Η παραλλακτικότητα της παραγωγής έδειξε ότι είναι σημαντική τόσο στον κύριο (60,9%) όσο και στον δευτερεύοντα οπωρώνα (50%). Η χωρική παραλλακτικότητα των ποιοτικών χαρακτηριστικών των καρπών ήταν σχετικά μικρή και στους δύο οπωρώνες (7% - 15%). Παρόμοια χωρική παραλλακτικότητα σημειώθηκε και από τις μετρήσεις της ευρωστίας της κόμης των δένδρων (2,8% – 18,3%). Όσον αφορά στη χωρική παραλλακτικότητα των εδαφικών χαρακτηριστικών, η άργιλος, η άμμος, η ιλύς, η οργανική ουσία και το ασβέστιο παρουσίασαν μέτρια χωρική παραλλακτικότητα (15,9% - 20%) ενώ η φαινόμενη ηλεκτρική αγωγιμότητα και το κάλιο εμφάνισαν μεγαλύτερη παραλλακτικότητα (25,8% και 39,3% αντίστοιχα).Για την πρόβλεψη της παραγωγής, πραγματοποιήθηκε χαρτογράφηση της ανθοφορίας και της ευρωστίας των δένδρων. Με βάση την χαρτογράφηση της ανθοφορίας μπόρεσε να γίνει πρόβλεψη της χωρικής παραλλακτικότητας της παραγωγής από τα μέσα Απριλίου. Αυτό είναι πολύ σημαντικό για τον παραγωγό καθώς μπορεί να προσαρμόσει τις εισροές ανάλογα με την παραλλακτικότητα των ανθέων και να αυξήσει το κέρδος του. Με την χαρτογράφηση του δείκτη ευρωστίας των δένδρων (NDVI) έγινε πρόβλεψη της παραγωγής με βάση τις μετρήσεις των πρώτων ημερών του Ιουνίου. Η δημιουργία ζωνών διαχείρισης πραγματοποιήθηκε με τη χρήση της ασαφούς λογικής από χρόνο σε χρόνο. Απεδείχθη ότι οι ζώνες διαχείρισης δεν ήταν σταθερές στη διάρκεια του χρόνου δηλαδή υπήρχε χρονική παραλλακτικότητα. Με βάση τις πραγματικές ανάγκες των φυτών σε άζωτο έγινε εφαρμογή λίπανσης με μεταβλητές δόσεις. Οι δόσεις λιπάσματος που χρησιμοποιήθηκαν στηρίχτηκαν στην ποσότητα του αζώτου που αφαιρείται με την παραγωγή της προηγούμενης χρονιάς. Τα αποτελέσματα των εφαρμογών λίπανσης με μεταβλητές δόσεις έδειξαν ότι η μείωση του λιπάσματος την πρώτη χρονιά της εφαρμογής ήταν 32,4 % και το κέρδος του παραγωγού αυξήθηκε κατά 21%. Τη δεύτερη χρονιά η ποσότητα του λιπάσματος μειώθηκε κατά 56,6% και το κέρδος του παραγωγού αυξήθηκε κατά 9%. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι η ποιότητα των καρπών μετά την εφαρμογή της λίπανσης με μεταβλητές δόσεις βελτιώθηκε σημαντικά σε σχέση με την ποιότητα των μήλων όπου είχε γίνει ομοιόμορφη εφαρμογή του λιπάσματος. Η σημασία των αποτελεσμάτων της παρούσας εργασίας είναι σημαντική καθώς μπορούν να δοθούν λύσεις στα προβλήματα που δημιουργούνται στον γεωργικό τομέα. Με την εφαρμογή λίπανσης με μεταβλητές δόσεις το κέρδος του παραγωγού αυξάνεται. Ακόμη οι καταναλωτές καλύπτουν την ανάγκη τους για υψηλής ποιότητας προϊόντα καθώς τα φρούτα που παράγονται είναι πολύ καλύτερης ποιότητας και πιο υγιεινά αφού χρησιμοποιούνται πολύ λιγότερες ποσότητες λιπάσματος. Επίσης λόγω της χρήσης μικρότερης ποσότητας αγροχημικών ουσιών η ρύπανση του περιβάλλοντος περιορίζεται σε μεγάλο βαθμό. Η δημιουργία ζωνών διαχείρισης βασισμένες στην παραλλακτικότητα των ανθέων είναι πολύ σημαντική για τους παραγωγούς καθώς μπορούν να ξέρουν κάθε χρόνο ποιος τρόπος διαχείρισης των οπωρώνων τους είναι πιο αποδοτικός. Τέλος η θετική συσχέτιση της παραλλακτικότητας των ανθέων και της παραλλακτικότητας του δείκτη NDVI με την τελική παραγωγή βοηθά τους παραγωγούς να κατανοήσουν και να προβλέψουν την παραλλακτικότητα της παραγωγής. Η διαμόρφωση ζωνών διαχείρισης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εφαρμογή μεταβλητών δόσεων και άλλων εισροών όπως η άρδευση και η εφαρμογή παρασιτοκτόνων αλλά και καλλιεργητικών πρακτικών όπως το αραίωμα των καρπών ή το κλάδεμα. Τα αποτελέσματα της έρευνας αυτής είναι σημαντικά τόσο για τους παραγωγούς, όσο και για τους καταναλωτές. Γι’ αυτό το λόγο η έρευνα θα πρέπει να συνεχιστεί και στα επόμενα χρόνια. Μια ενδιαφέρουσα επέκταση της έρευνας είναι η μελέτη της επίδρασης της μεταβλητής λίπανσης, που εφαρμόστηκε τα δύο χρόνια, στα θρεπτικά συστατικά του εδάφους. Γι’ αυτό θα πρέπει να γίνουν αναλύσεις εδάφους και να συσχετιστούν τα αποτελέσματα με τις ποσότητες λιπάσματος που χρησιμοποιήθηκαν. Επιπροσθέτως, θα πρέπει να γίνουν περισσότερες εφαρμογές λίπανσης με μεταβλητές δόσεις για να εξακριβωθεί ποιο είναι ακριβώς το κέρδος του παραγωγού και από ποιους παράγοντες επηρεάζεται. Αξίζει να σημειωθεί ότι θα πρέπει να αναπτυχθεί ένα αυτοματοποιημένο σύστημα εφαρμογής λιπάσματος έτσι ώστε η εφαρμογή να μη γίνεται με το χέρι. Η θετική συσχέτιση μεταξύ δείκτη NDVI και ανθοφορίας με την παραγωγή θα πρέπει να αξιολογηθεί. Συγκεκριμένα θα πρέπει να γίνει διαχωρισμός ζωνών διαχείρισης στους οπωρώνες που να βασίζεται στις τιμές του NDVI ή στην ανθοφορία των δένδρων, να εφαρμοστεί μεταβλητή λίπανση σύμφωνα με τις ζώνες αυτές και να αξιολογηθεί η παραγωγή που θα προκύψει. Παράλληλα θα πρέπει να ανακαλυφθούν νέοι τρόποι ανάλυσης των δεδομένων που να εξασφαλίζουν απλότητα στην επεξεργασία των δεδομένων και αξιόπιστα αποτελέσματα. Επιπλέον θα πρέπει να αυτοματοποιηθεί η διαδικασία χαρτογράφησης της ανθοφορίας. Μια πρόταση είναι η χρήση βιντεοκάμερας για την καταγραφή της κόμης των δένδρων όταν αυτά βρίσκονται σε πλήρη ανθοφορία και η ανάλυση των καρέ του βίντεο. Τέλος θα πρέπει να γίνει χρήση τεχνολογίας LASER για να καταγραφεί ο όγκος της κόμης των δένδρων πριν και μετά το κλάδεμα και να εκτιμηθεί ο όγκος των κλαδιών που αφαιρούνται με το κλάδεμα. Η εφαρμογή μεταβλητής λίπανσης στηριζόμενη στις απώλειες των θρεπτικών συστατικών που προκαλούνται τόσο από την συγκομιδή των καρπών όσο και από την απομάκρυνση των κλαδιών από τον οπωρώνα ίσως αποδειχθεί πολύ αποδοτική.