Effects of greenhouse microclimate on irrigation scheduling of hydroponic crops under a mediterranean climate

Abstract

Soilless culture is considered one of the main components of sustainable protected horticulture. In fact, the adoption of protected soilless culture cultivation with the implementation of technical practices such as the integrated plant protection and climate control systems increased the water use efficiency and minimized the harmful effects of agro chemicals to the environment. Without doubt, farmers have improved their irrigation strategies and minimized nutrient outflow (e.g. nitrates and phosphates) from greenhouses to the environment. This takes into account the scarcity of water resources and local legislation regarding groundwater aquifers which may preexist in multiple countries. However, the concept of precise irrigation indicates that there is considerable scope for improvement of irrigation management practices, especially in open soilless systems, where drainage rates of 30-40% of the nutrient solution applied would be recommended. In addition optimization of greenhouse climate control, requires further knowledge and quantification of greenhouse environment, with special emphasize on cooling systems, as they are often of high energy demanding, water consuming and may directly affects water uptake (i.e., transpiration). In this regard, the managing water use in agriculture is one of the key themes, particularly in areas with a Mediterranean climate where water is often a scarce natural resource. The experiments presented in this thesis aim to contribute and enhance the understanding of different irrigation scheduling approaches of cucumber soilless cultivation as affected by prevailing greenhouse environments. Four experiments were carried out. The first experiment conducted from April to June 2014, the second and the third from October to December 2014 and from March to June 2015 and the fourth from April to June 2016. The findings of the study revealed that the irrigation frequency did not influence the cucumber crop’s growth and production, therefore within the same greenhouse environment, the irrigation frequency of soilless cucumber, should be better based on higher irrigation intervals rates (0.192 Kg m-2), as it proved to increased plant transpiration and minimized the drainage amount by 24%, in comparison to lower irrigation intervals rates (0.448 Kg m-2). The different greenhouse cooling systems evaluated (i.e., fan-wetted evaporated pad as opposed to forced ventilation) in autumn-winter (AW) and spring (SP) cropping seasons, to assess the effect of different irrigation amounts upon growth, indicated that there is a possibility for a hydroponically cucumber crop to grow and produce without any accompanying evaporative cooling system, as forced ventilation system could provide the desired air change by removing the excess sensible energy. The transpiration rates were statistically higher in the force ventilation compartment irrespective of the growing period, which resulted in less water and nutrient outflow into the environment. Compared to the AW season, plants grown in the SP season indicated higher production ranging from 53-84% in the force ventilation compartment but lower water use efficiency values. In addition, lower irrigation doses tested, for maintained drainage fraction close to 20-25% rather than 35-40% did not negatively affect plant growth rate or production. Despite the fact that, whitewash considered being the most profitable cooling practice from an energy and water saving point of view, a negative correlation between production and whitewash cooling system was found as opposed to fan-wetted pad evaporative cooling, which resulted in lower irrigation water use efficiency. However, the total greenhouse water use efficiency between two systems evaluated were the same, taking into account the amount of water needed to be evaporated from wetted pad (mean value of 72 l. m-2 d-1). In the current study, the simplified Penman-Monteith model anticipated for predicting short time transpiration was calibrated and successfully validated. The findings of the current study support that model coefficients respond differently under prevailing environmental conditions and coincide with the notion that they should be calibrated for each specific situation. In addition, the present study clearly demonstrated that there is a strong connection between leaf temperature and transpiration and irrigation scheduling based on transpiration may be possible to predict even at high irrigation interval cultivations such as the hydroponics cultures, by using plant as an indicator, with the use of a single leaf temperature sensor. In that framework a new reformatted equation of the simplified Penman-Monteith model developed and used. In conclusion, this study demonstrates that the amount and the timing of irrigation can even show to be significant predictors for leaf and substrate temperatures; therefore, sensing technology should be implemented as a tool for irrigation monitoring.

Αναμφισβήτητα, οι εκτός εδάφους θερμοκηπιακές καλλιέργειες συνεισφέρουν θετικά στην απόδοση των καλλιεργειών, στην αύξηση του δείκτη αποτελεσματικής χρήσης του νερού, στον περιορισμό της χρήσης αγροχημικών και στην προστασία του περιβάλλοντος. Παρόλα αυτά ακόμα και η "γεωργία ακριβείας", χρήζει βελτιώσεων στον τομέα της υδροπονίας και ειδικότερα στον προγραμματισμό της άρδευσης, αφού ποσοστό 30-40% του θρεπτικού διαλύματος στα ανοικτού τύπου υδροπονικά συστήματα απορρέει στο περιβάλλον. Γνωρίζοντας τις συνθήκες περιβάλλοντος θερμοκηπίου όπως ο δροσισμός και η αλληλεπίδρασή του με την καλλιέργεια, ο προγραμματισμός της άρδευσης σχεδιάζεται λαμβάνοντας υπόψη το υψηλό ενεργειακό κόστος λειτουργίας και της κατανάλωσης νερού, υπό τις ξηροθερμικές συνθήκες που επικρατούν στις Μεσογειακές περιοχές. Τα πειράματα που έγιναν, είχαν ως στόχο να μελετήσουν την επίδραση του περιβάλλοντος του θερμοκηπίου, στον προγραμματισμό της άρδευσης υπό τις Μεσογειακές συνθήκες. Συνολικά έγιναν 4 πειράματα. Το πρώτο έχει διεξαχθεί μεταξύ Απριλίου-Ιουνίου 2014, το δεύτερο και τρίτο μεταξύ Οκτωβρίου-Δεκεμβρίου 2014 και Μαρτίου-Ιουνίου 2015 και το τελευταίο μεταξύ Απριλίου-Ιουνίου 2016. Από τα πειράματα έχει αποδειχθεί ότι η εφαρμογή της ίδιας ημερήσιας δόσης νερού σε διαφορετικές συχνότητες άρδευσης, δεν επηρεάζει την παραγωγή της υδροπονικής καλλιέργειας αγγουριού. Παρ’ όλα αυτά έχει διαπιστωθεί ότι η αύξηση της συχνότητας άρδευσης με μικρότερες ποσότητες θρεπτικού διαλύματος (0.192 Kg m-2), είναι θεμιτή αφού μειώνεται ο βαθμός απορροής κατά 24% σε σύγκριση με άρδευση με μεγαλύτερες ποσότητες θρεπτικού διαλύματος (0.448 Kg m-2) σε πιο αραιά διαστήματα. Η επίδραση των διαφορετικών συστημάτων δροσισμού που έχουν μελετηθεί (π.χ. δυναμικός εξαερισμός σε σύγκριση με το σύστημα της υγρής παρειάς) σε δύο καλλιεργητικές περιόδους του έτους (φθινόπωρό, άνοιξη-καλοκαίρι) απέδειξαν ότι είναι δυνατή η αποφυγή χρήσης του συστήματος της υγρής παρειάς, αφού το σύστημα του δυναμικού εξαερισμού αφαιρούσε το πλεονάζον θερμικό φορτίο. Επιπρόσθετα έχει διαπιστωθεί ότι η διαπνοή της καλλιέργειας ήταν στατιστικά μεγαλύτερη εκεί όπου εφαρμοζόταν δυναμικός εξαερισμός, και στις δύο καλλιεργητικές περιόδους, μειώνοντας το ποσοστό της απορροής. Η καλλιέργεια κατά την περίοδο άνοιξης-καλοκαιριού παρουσίασε περισσότερη παραγωγή, όπως αναμενόταν κατά 53-84% στις διάφορες μεταχειρίσεις, όμως χαμηλότερο δείκτη παραγωγικότητας του νερού. Παράλληλα, οι χαμηλότερες δόσεις άρδευσης που εξετάστηκαν, με στόχο τη διατήρηση του νερού της απορροής κοντά στο 20-25% αντί μεταξύ 35-40%, δεν επηρέασαν αρνητικά την παραγωγή. Παρά το γεγονός ότι η σκίαση με άσπρη μπογιά θεωρείται η πιο οικονομική λύση από πλευράς εξοικονόμησης ενέργειας και νερού, σε σύγκριση με άλλες μεθόδους δροσισμού, η σκίαση επηρέασε αρνητικά την παραγωγή μειώνοντας παράλληλα και τον δείκτη αποτελεσματικότητας της άρδευσης, αν και στατιστικός οι διαφορές δεν ήταν σημαντικές συγκρίνοντας με το σύστημα της υγρής παρειάς. Παρόλα αυτά, ο συνολικός δείκτης κατανάλωσης νερού κυμάνθηκε στα ίδια επίπεδα μεταξύ των δύο συστημάτων δροσισμού, αφού μεγάλες ποσότητες νερού χρειάστηκε να εξατμιστούν από το σύστημα της υγρής παρειάς με μέση υπολογιζόμενη ποσότητα τα 72 λ. μ-2. Στην παρούσα διατριβή έχει βαθμονομηθεί και δοκιμαστεί η απλοποιημένη σχέση εκτίμησης της διαπνοής Penman-Monteith (συντελεστές α και β), σε διαφορετικά περιβάλλοντα θερμοκηπίου (π.χ. με δροσισμό, με μόνο δυναμικό εξαερισμό) και σε διαφορετικές περιόδους του έτους. Τα αποτελέσματα υπογράμμισαν τη σημασία της βαθμονόμησης του μοντέλου όπως αυτή επηρεάζεται από το περιβάλλον του θερμοκηπίου. Παράλληλα, εντοπίστηκε η στενή συσχέτιση που έχει η θερμοκρασία του φύλλου με τη διαπνοή και προτάθηκε ένα νέο μοντέλο εκτίμησης της διαπνοής ανά τακτά χρονικά διαστήματα (10 λεπτά), βασισμένο σε αναπροσαρμογή της απλοποιημένης σχέσης, παρακάμπτοντας μετρήσεις εκτίμησης του ελλείμματος κορεσμού της ατμόσφαιρας και της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας. Τέλος, κατά τη διάρκεια των πειραμάτων έχουν χρησιμοποιηθεί φυτοαισθητήρες και έχει αποδειχθεί η στενή συσχέτιση μεταξύ προγραμματισμού της άρδευσης (ποσότητας-συχνότητας), με τη θερμοκρασία του φύλλου, τη μεταβολή της διαμέτρου του βλαστού αλλά και με τη θερμοκρασία του υποστρώματος.