Steuerung von Bewässerungssystemen im Gewächshaus mit Hilfe des Phytomonitoring

Abstract

The modern greenhouse production is worldwide marked by high development technology for economical and ecological Produktionclaims services. The increased shortage of water, were as the ecological pollution through fertilisers and pesticides, requires a controlled and precise amount of water inset. Innovative irrigation systems and processes were as open and closed hydroponics systems, are used for that purpose. The efficient water and nutrients is highly significant for the economical maintenance of height amounts and for better production quality.Within the framework of optimal irrigation systems into integrated cultivation is the determination of the water consumption of a whole canopy very important. The plant is observed as a component of the SPAC-System, which occurs the water transport-route between substrate and atmosphere. The determination of the water balance in the SPAC-System by technological measurements is reached by measuring on the individual components substrate, plant and atmosphere. The direct measuring on the plant by the Phytomonitoring-Technology is meaningful for the determination of the factual water status of the plant. The application of such measuring data on large plant canopies, such as the accuracy and the dynamic of those sensors, are prerequisites for a precise irrigation control.A new developed Phytomonitoring (EPM 2005 or 2006), which is based on gas exchange measurements of individual plant leaves by cuvettes, was used for measuring the momentary transpirations intensity of plant cultures. A control algorithm, which lanes on the constituted transpirations sums, was developed and examined for irrigating scheduling. Studies were carried out on variable vegetables (Lycopersicon esculentum, Capsicum anuum, and Cucumis saticus) as well as on a floriculture species (Gerbera jamensonii). Different substrates were used (institutional soil for vegetable cultures and perlite for gerbera culture). The applicability of this irrigation scheduling method in variable culture methods was tested on thin-layer and container culture. The precision and representatively of the method was tested on different seasons under central European (Berlin, Germany) and south European (Thessaloniki, Greece) greenhouse conditions. The tensiometer control method as well as a time-scheduled irrigation system were used for comparison purposes. Tensiometers were used for monitoring the suction course in the substrate. Sap flow measurements were made on a Lycopersicon esculentum culture.Although the tensiometermeasurements of the suction course a quick method and familiar to the grower is, is such irrigation scheduling method not corresponding to the actual water demands of the plants. On the one hand, the sensors are bound to constructive conditions deficiencies and on the other hand, they do not give representative measuring for the entire canopy.The SF-sensors of the LPS-03 Phytomonitoring (PHYTECH Company) give relative measurements of the sap flow, on the basis of the thermal balance method. They are simple to install and to handle and they are highly dynamic. The sensors determine the relative trend of the sap flow, which enables the transmissibility of the measurements on large canopies, though they are sensitive and can be influenced by the climatic conditions. In our experiments no steady agreement could be proved between the sap flow measurements and the transpiration measurements gain through the gas exchange method.The EPM-Phytomonitoring is measuring with a dynamic of 1 s. Measurements are carried out in eight sites (leaves) of the canopy. In comparison to other Phytomonitoringsystems gives this one a better transmissibility of the measurement on big canopies. Evaporation tests were carried out to improve the measurements precision of the sensor. The measurement error is about 5,8 %. A high coefficient of determination of the regression line between the measured transpirations intensity (and photosynthesis intensity) of two sites with the same conditions, was found. This improves the homogeneity of the mass exchange in greenhouse canopies. The measurements transmissivity on the whole canopy should be supported by crop growth and development models. The method is not cultivar specific.Water balances were builded over long periods to prove the transmissivity of the measurements over the whole canopy. The measured transpiration sums were high correlated to the calculated ones (through the water balance equation). The time delays of the drainage procedure and the error propagation have caused a balance error.The drain target of 20-30% (usual for the practical experience) of the irrigation scheduling method, based on the measured transpiration sum, could be reached even under high radiation and low humidity conditions. The WUE as the ratio of the T, transpired water amounts to the supplied water amounts through the cultivation period, was 0,7 to 0,8.The substrate of a tomato stand irrigated after the transpirationsummethod (switch threshold: 3 l transpiration sum, irrigation amount: 4 l) showed a suction-course comparable to the one of a tensiometercontroled stand (switch threshold: 50 hPa, irrigation amount: 3 l). There were no significant differences in the fruit number, leaf number or plant hight between the two canopies. The water was efficiently consummated in the tensiometercontroled stand, were as the yields were significantly not different.The comparison of a Gerbera jamensonii stand, irrigated after the measured transpirations sums (switch threshold: 700 ml, irrigation amount: 900 ml) to the one, irrigated after a time irrigation-system (eight times daily, irrigation amount: 1200 ml) gave significant differences in the amount and quality of the flowers. The transpirationsum method gave more and better flowers, were as the water amounts were efficiently consummated.Minimal drain water amounts (<5%) could be reached after transpiration sum method on tomato and cucumber stands, without salt accumulations in the substrate. The yield and the growth of the plants were not affected.The transpiration sum method can be controlled and monitored by tensiometers. For these purpose is a trend analysis of the substrate suction very helpful. The integration of plant growth and development models in to the irrigation algorithm is required for a precise water supply.More studies are necessary on the suitability of the sums of radiation, VPD and VPda-l, which were calculated between in succession irrigation times, for modelling purposes. The efficiency of such an irrigation schedule on the basis of climate models could be monitored by the EPM-Phytomonitoring.

Οι μοντέρνες θερμοκηπιακές καλλιέργειες χαρακτηρίζονται παγκοσμίως από την εφαρμογή μεθόδων υψηλής τεχνολογίας με στόχο την ικανοποίηση των οικονομικών και οικολογικών απαιτήσεων στην παραγωγή γεωργικών προϊόντων.Το πρόβλημα της όλο και αυξανόμενης έλλειψης νερού και της οικολογικής επιβάρυνσης από την χρήση φυτοπροστατευτικών προϊόντων απαιτεί τον έλεγχο και την ακριβή εφαρμογή του νερού και των λιπασμάτων. Πρωτοποριακά συστήματα και μέθοδοι άρδευσης όπως και οι τεχνολογίες καλλιέργειας με ανοικτά και κλειστά συστήματα υδροπονίας υπηρετούν αυτόν τον σκοπό.Στο επίκεντρο της ιδανικής διαχείρισης της άρδευσης στα θερμοκήπια βρίσκεται ο ακριβής προσδιορισμός του υδατικού ισοζυγίου της καλλιέργειας. Το φυτό ως μέρος του συστήματος SPAC (Soil- Plant – Atmosphere- Continuum), βρίσκεται ανάμεσα στο έδαφος και στην ατμόσφαιρα. Το νερό απορροφάται από το ριζικό σύστημα του φυτού και διαμέσου των λειτουργιών του αποβάλλεται τελικά με την μορφή υδρατμών στην ατμόσφαιρα. Την ποσοτική απόδοση του υδατικού ισοζυγίου στο σύστημα αυτό (SPAC) εξυπηρετούν οι μετρήσεις τόσο στο έδαφος και στην ατμόσφαιρα όσο και στο φυτό το ίδιο. Η μέθοδος του Phytomonitoring δίνει την δυνατότητα μέτρησης φυτικών παραγόντων απευθείας στο φυτό με την εφαρμογή ειδικών αισθητήρων.Στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής, εφαρμόστηκε η ειδική τεχνολογία του Phytomonitor – EPM 2005 (2006) για την καταγραφή της έντασης της στιγμιαίας διαπνοής σε θερμοκηπιακές καλλιέργειες. Η λειτουργία του συστήματος βασίζεται στην μέθοδο μέτρησης ανταλλαγής αεριών (Gas Exchange Method) σε μεμονωμένα φύλλα της καλλιέργειας. Για τον έλεγχο της άρδευσης κατασκευάστηκε ένας αλγόριθμος ο οποίος βασίζεται στα αθροιστικά σύνολα της διαπνοής της συνολικής καλλιέργειας.Η μέθοδος εξετάστηκε σε θερμοκηπιακές καλλιέργειες όπως τομάτας (Lycopersicum esculentum) , αγγούρι (Cucumis sativus),και ζέρμπερας (Gerbera jamesonii) και με διαφορετικά υποστρώματα (εδαφικό υπόστρωμα, υπόστρωμα περλίτη) σε καλλιεργητικά συστήματα φυτοδοχείων σε τραπέζι.Για την πιστοποίηση της ακρίβειας και της αντιπροσωπευτικότητας της μεθόδου εξετάστηκε η μέθοδος σε διαφορετικές εποχές κάτω από τις κλιματολογικές συνθήκες τόσο της βόρειας Ευρώπης (Γερμανία) όσο και της νότιας Ευρώπης (Ελλάδα). Παράλληλα εφαρμόστηκαν, η μέθοδος διαχείρισης άρδευσης με τενσιόμετρα (μέτρηση του υδατικού δυναμικού του υποστρώματος) και η μέθοδος έναρξης – διακοπής σε ορισμένους χρόνους, ως συγκριτικές μέθοδοι. Σε καλλιέργεια τομάτας εφαρμόστηκαν μετρήσεις της ταχύτητας ροής φυσικού χυμού (sap flow measurments) για την περαιτέρω σύγκριση της μεθόδου Phytomonitoring. Το υδατικό δυναμικό του υποστρώματος παρακολουθούνταν και καταγράφονταν σε όλες τις περιπτώσεις μέσω τενσιομέτρου. Η μέθοδος του τενσιομέτρου αποτελεί μία γρήγορη μέθοδος μέτρησης την οποία γνωρίζουν και χειρίζονται με σχετική ευκολία οι παραγωγοί. Ωστόσο η διαχείριση της άρδευσης δεν ανταποκρίνεται στην πραγματική υδατική ανάγκη της καλλιέργειας. Οι αισθητήρες παρουσιάζουν λειτουργικά και κατασκευαστικά ελαττώματα ενώ οι μετρήσεις δεν είναι αντιπροσωπευτικές για όλη την καλλιέργεια.Οι αισθητήρες μέτρησης της ροής φυτικού χυμού του Phytomonitor LPS -03 (Fa. Phytech) αποδίδουν μία σχετική μέτρηση της ροής βασιζόμενοι στην μέθοδο του θερμικού ισοζυγίου. Με την μέθοδο αυτή αποδίδεται η σχετική τάση της ροής του χυμού, το οποίο επιτρέπει την χρήση των τιμών μέτρησης επί της συνολικής καλλιέργειας.Το Phytomonitor EPM – μετράει με μία υψηλή δυναμική του 1 sec. Οκτώ (8) ειδικά κατασκευασμένες κυψελίδες εφαρμόζονται σε οκτώ (8) διαφορετικά φύλλα σε διαφορετικά σημεία της καλλιέργειας πετυχαίνοντας έτσι μία καλύτερη εφαρμογή των τιμών μέτρησης σε μεγάλα σύνολα καλλιέργειας. Η μέθοδος δεν εξαρτάται από την ποικιλία της καλλιέργειας.Με το τεστ εξάτμισης ελέγχθηκε η ακρίβεια της μεθόδου και τέθηκε ένα όριο σφάλματος μέτρησης 5,8%. Η χρήση των τιμών μέτρησης επί του συνόλου της καλλιέργειας εξετάσθηκε μέσα από τον υπολογισμό του υδατικού ισοζυγίου της συνολικής καλλιέργειας για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα. Επιτεύχθηκαν υψηλές συσχετίσεις μεταξύ μετρούμενων και υπολογιζόμενων αθροισμάτων διαπνοής.Η διαχείριση της άρδευσης ακολουθήθηκε με βάση τις μετρήσεις της διαπνοής και των εξ αυτών υπολογιζόμενων αθροισμάτων διαπνοής και με στόχο μία προκαθορισμένη ποσότητα απορροής. Ο στόχος αυτός επιτεύχθηκε ακόμα και κάτω από συνθήκες υψηλών ακτινοβολιών και υψηλής ατμοσφαιρικής υγρασίας.Η μέθοδος διαχείρισης άρδευσης συγκρίθηκε με την μέθοδο διαχείρισης με την χρήση τενσιομέτρων. Οι μέθοδοι δεν διέφεραν στατιστικώς σημαντικά σε ότι αφορά τον αριθμό των καρπών, φύλλων ή το μέγεθος των φυτών.Με στόχο την άρδευση καλλιεργειών σύμφωνα με τις υδατικές τους ανάγκες, ορίστηκε η ποσότητα απορροής στο ελάχιστο (<5%). Το όριο αυτό επιτεύχθηκε χωρίς να αυξηθεί η αλατότητα στο υπόστρωμα και χωρίς αρνητική επιρροή στην απόδοση και την ανάπτυξη της καλλιέργειας.Συμπεράσματα:Η μέθοδος διαχείρισης της άρδευσης με την βοήθεια μετρήσεων αθροισμάτων διαπνοής μπορεί να υποστηριχθεί και να επιτηρηθεί από την μέθοδο του τενσιόμετρου. Η ανάλυση της τάσης του υδατικού δυναμικού στο υπόστρωμα/ έδαφος μπορεί να βοηθήσει προς αυτή την κατεύθυνση. Ωστόσο είναι απαραίτητη η προσαρμογή μοντέλων ανάπτυξης της καλλιέργειας στον αλγόριθμο, ώστε να αυξηθεί η ακρίβεια της μεθόδου με στόχο την ακριβέστερη εφαρμογή ποσοτήτων νερού σύμφωνα με τις ανάγκες της καλλιέργειας.Η μέθοδος των αθροισμάτων διαπνοής παρέχει την δυνατότητα μέτρησης των κλιματικών παραγόντων (ακτινοβολία, VPD) και τον υπολογισμό των αθροισμάτων τους στο διάστημα ανάμεσα στις αρδεύσεις. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η εξέταση της διαχείρισης της άρδευσης βασιζόμενη σε μοντέλα που θα βασίζονται σε αυτά τα σύνολα. Η μέθοδος του Phytomonitoring μπορεί να έχει ρόλο επίβλεψης για την σωστή λειτουργία μίας τέτοιας μεθόδου άρδευσης.

Der moderne Gewächshausanbau ist weltweit gegenzeichnet durch hoch entwickelte Technologien, die den ökonomischen und ökologischen Produktionsansprüchen dienen. Der verstärkte Wassermangel und die ökologische Belastung durch Dünge-mittel und Pestizide erfordert eine kontrollierte und präzise Applikation von Wasser und Nährlösung. Innovative Bewässerungssysteme und –verfahren, wie auch hydroponische Kulturtechnologien mit offener und geschlossener Führung, dienen dazu. Der effiziente Einsatz von Wasser und Nährstoffen ist von großer Bedeutung für eine ökonomische Erhaltung hoher und qualitativer Produktmenge und für die Sicherung der Prozessqualität. Im Rahmen optimaler Bewässerungssteuerung des integrierten Anbaus ist die Bestimmung der Wasserumsätze von Pflanzenbeständen von zentraler Bedeutung. Dabei wird die Pflanze als Teilkomponente des SPAC-Systems betrachtet, welche im Wassertransportweg zwischen Boden und Atmosphäre steht. Die mess-technische Ermittlung des Wasserhaushalts im SPAC-System erfolgt durch Messungen an den einzelnen Komponenten Boden, Pflanze und Atmosphäre. Eine stärkere Aussagekraft über den tatsächlichen Wasserstatus der Pflanze bietet die sensorische Informationsgewinnung an der Pflanze selbst (Phytomonitoring). Die Übertragbarkeit der gewonnenen Daten auf große Pflanzenbestände und die hohe Genauigkeit und Dynamik des Sensors sind Vorraussetzungen zur Präzision der darauf anschließenden Steuerungsmethode. Ein neuentwickelter Phytomonitor (EPM 2005 bzw. 2006), der auf dem Prinzip einer Gaswechselmessung an einzelnen Pflanzenblättern basiert, wurde zur Messung der momentanen Transpirationsintensität von Pflanzenbeständen eingesetzt. Ein Steuerungsalgorithmus, basierend auf die gebildeten Transpirationssummen, wurde für die Bewässerungsführung erstellt und überprüft. Die Untersuchungen wurden an verschiedenen Gemüsearten (Lycopersicon esculen-tum, Capsicum anuum, Cucumis sativus), wie auch an einer Zierpflanzenkultur (Gerbera jamensonii), durchgeführt. Dabei wurden unterschiedliche Substrate verwendet (Einheitserde, Perlit). Zur Überprüfung der Anwendbarkeit der Steuerungs-methode an unterschiedlichen Anbauverfahren, wurden das Dünnschicht- und das Containerverfahren auf Kulturtischen ausgewählt. Die Präzision und Repräsentativität der Methode wurde in unterschiedlichen Jahreszeiten unter mitteleuropäischen(Berlin, Deutschland) und südeuropäischen Gewächshausbedingungen (Thessa-loniki, Griechenland) getestet. Als Vergleichsbewässerungsverfahren wurden die Saugspannungsregelungsmethode und die Bewässerung nach Zeitsteuerung herangezogen. Gleichzeitig wurden Tensiometer zur Überwachung des Saugspannungsverlaufs im Substrat eingesetzt. An Lycopersicon esculentum Pflanzen wurden auch Messungen zur Saftstromgeschwindigkeit durchgeführt. Die Messung der Substratsaugspannung durch Tensiometer ist eine schnelle und für den Anbauer vertraute Methode. Eine tensiometergeregelte Bewässerung erfüllt jedoch nicht den tatsächlichen Wasserbedarf der Pflanzen. Die Sensoren sind einerseits mit bauartbedingten Schwächen verbunden und geben anderseits keine repräsentativen Messwerte für den gesamten Bestand. Die Saftstromsensoren des LPS-03 Phytomonitor (Fa. PHYTECH) ermöglichen eine relative Messung des Stängelflusses nach der Wärmebilanzmethode. Sie sind einfach zu installieren, haben eine einfache Handhabung und eine hohe Dynamik. Die Sensoren ermitteln den relativen Trend des Saftstroms, was die Übertragbarkeit der Messdaten auf große Bestände ermöglicht. Dabei sind solche Sensoren empfindlich und werden durch die klimatischen Bedingungen beeinflusst. Die Methode zeigte keine kontinuierliche Übereinstimmung zu der Gaswechselmethode. Das EPM-Messgerät misst mit einer hohen Dynamik von 1 s. Durch die Verwendung von 8 Blattküvetten wird an mehreren Stellen des Pflanzenbestands gemessen. Im Vergleich zu weiteren Phytomonitoringsystemen ist dadurch eine bessere Übertragbarkeit der Messdaten auf größeren Pflanzenbeständen gegeben. Die Methode ist dabei nicht sortenspezifisch. Bei der Überprüfung der Messgenauigkeit des Gerätes wurde durch Verdunstungstests ein Messfehler von 5,8% festgestellt. Durch ein hohes Bestimmtheitsmaß der Regressionsfunktion der gemessenen Transpirationsmassenstromdichte bzw. Nettophotosyntheseleistung an zwei Standorten der gleichen Konditionen wurde die Homogenität des pflanzlichen Stoffaustausches in Gewächshausbeständen bewiesen. Die Übertragbarkeit der Messdaten auf den gesamten Pflanzenbestand sollte durch Wachstums- und Entwicklungsmodellen unterstützt werden. Die Übertragbarkeit der Messdaten auf den gesamten Bestand wurde durch die Bildung der Wasserbilanz über längere Zeitperioden geprüft. Hohe Korrelationen wurden zwischen den gemessenen und den berechneten Transpirationssummen erzielt. Der Bilanzfehler wurde durch die zeitliche Verzögerung der Drainageabgabe und durch die Fehlerfortpflanzung verursacht. Die Bewässerungssteuerung nach den gemessenen Transpirationssummen hat die vorbestimmte Überschussmenge, sogar unter hohen Strahlungs- und Luftfeuchtigkeitsbedingungen, erzielen können. Für praxisüblich eingestellten Drainage-mengen (20-30%) war der WUET zwischen 0,7 und 0,8. Der durch Tensiometer registrierte Saugspannungsverlauf eines transpirations-gesteuerten Tomatenbestands (Schaltschwelle: 3 l, Gießmenge: 4 l) war vergleich-bar zu dem eines tensiometergeregelten Bestandes (Schaltschwelle: 50 hPa, Gieß-menge: 3 l). Die zwei Bewässerungsmethoden ergaben keine signifikante Unter-schiede in der Fruchtanzahl, Blattanzahl oder Pflanzengröße. Das Wasser wurde leicht effizienter in dem tensiometergeregelten Bestand eingesetzt, ohne dass sich die Erträge signifikant unterschieden. Aus dem Vergleich der Steuerungsmethode (Schaltschwelle: 700 ml, Gieß-menge: 900 ml) zu einer zeitgesteuerten Bewässerung (acht Bewässerungszeiten, Gießmenge: 1200 ml) bei Gerbera jamensonii Pflanzen konnte ein signifikant höherer und qualitativer Ertrag in der ersten Methode nachgewiesen werden. Dabei wurde in der ersten Methode das Wasser effizienter eingesetzt. Minimalste Drainagemengen (<5%) im Sinne einer bedarfsgerechten Bewässerung konnten durch eine transpirationssummengesteuerte Bewässerung erreicht werden. Es wurden keine Salzakkumulationen im Substrat festgestellt. Der Ertrag und das Pflanzenwachstum wurden nicht beeinflusst. Die Methode der Transpirationssummensteuerung kann durch Tensiometer überwacht und kontrolliert werden. Dabei kann die Trendanalyse der Saugspannung sehr hilfsreich sein. Die Integration von Wachstums- und Entwicklungsmodellen im Steuerungsalgorithmus ist für eine präzisere Wasserführung erforderlich. Die Eignung der zwischen den Gießtakten einer transpirationssummengesteuerten Bewässerung entstehenden Summenwerte der klimatischen Parameter sind für eine modellgeführte Bewässerung zu untersuchen. Der Phytomonitor EPM-2006 kann zur Überwachung einer nach Klimamodellen gesteuerten Bewässerung eingesetzt werden.