Development of crop water and thermal stress indices as an aid to irrigation and climate management in greenhouses
Authors: Ελβανίδη Αγγελική 
Published: September 2021

Οι επιδράσεις που δέχονται τα φυτά από το περιβάλλον, διακρίνονται σε βιοτικές και αβιοτικές ή φυσικοχημικές και επηρεάζουν τις αλληλεπιδράσεις του φυτού, με το φυσικοχημικό περιβάλλον, στο οποίο αναπτύσσονται. Η έγκαιρη ανίχνευση του τύπου και της έντασης της καταπόνησης των φυτών που προκαλείται λόγω των παραμέτρων αυτών είναι κρίσιμη, για την ελαχιστοποίηση τόσο της οξείας όσο και της χρόνιας απώλειας της παραγωγικότητας, κυρίως σε συνθήκες θερμοκηπίου (όπου διαφορετικές δόσεις άρδευσης λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια της ημέρας). Η σημαντικότητα της βλάβης εξαρτάται από τον τύπο της καταπόνησης και από τη διάρκεια μεταξύ του χρόνου έναρξης και του χρόνου ανίχνευσης της καταπόνησης. Συνήθως, όταν ένα φυτό καταπονείται, είτε λόγω βιοτικών είτε λόγω αβιοτικών παραγόντων, εκφράζεται στην καλλιέργεια με ποικίλα συμπτώματα. Η υδατική καταπόνηση, για παράδειγμα, συντελεί στο κλείσιμο των στομάτων και εμποδίζει τη λειτουργία της φωτοσυνθετικής διαδικασία και του ρυθμού της διαπνοής, με αποτέλεσμα να μεταβάλλεται το χρώμα και η θερμοκρασία του φύλλου. Άλλα συμπτώματα που συντελούν στη μορφολογία του φύλλου, όπως συστροφή φύλλου και το σημείο μαρασμού λόγω απώλειας της κυτταρικής σπαργής, μπορούν να αποτελέσουν επίσης ένδειξη υδατικής καταπόνησης. Για να αποφευχθούν οι συνθήκες εκείνες που θα συντελέσουν στην εκδήλωση οποιασδήποτε μορφής καταπόνησης του φυτού, απαιτείται η βέλτιστη διαχείριση του εναέριου (π.χ. η θερμοκρασία του αέρα, η σχετική υγρασία, ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, η ταχύτητα του αέρα), ριζικού περιβάλλοντος της καλλιέργειας (π.χ. διαθέσιμο νερό στη ρίζα, ηλεκτρική αγωγιμότητα στη ρίζα), του μικροκλίματος και των γενετικών χαρακτηριστικών των φυτών. Η συνεχής, άμεση και σε πραγματικό χρόνο παρακολούθηση της ανταπόκρισης του φυτού, υπό συγκεκριμένες περιβαλλοντικές και ριζικές συνθήκες, ονομάζεται «Speaking plant» προσέγγιση και μπορεί να συμβάλει στη βελτιστοποίηση αυτή, ρυθμίζοντας έτσι την αποδοτική δυναμική της καλλιέργειας. Η έννοια της «speaking plant» προσέγγισης και της ανταπόκριση των φυτών – μέσω της τηλεπισκόπησης είναι απαραίτητη για την καλύτερη κατανόηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ του μικροκλίματος και της φυσικής κατάστασης των φυτών. Έτσι, σε αυτή την προσέγγιση, οι φυσικές αποκρίσεις των φυτών στις περιβαλλοντικές αλλαγές καταγράφονται και η προκύπτουσα πληροφορία χρησιμοποιείται για να προσδιορίσει εκείνες τις συνθήκες που θέτουν τα φυτά σε καταπόνηση. Με τον τρόπο αυτό γίνεται έλεγχος του μικροκλίματος του θερμοκηπίου ώστε να επιτευχθεί πιο αποτελεσματική και βέλτιστη παραγωγή.Μέχρι σήμερα, το περιβάλλον του θερμοκηπίου ελέγχονταν από τη θερμοκρασία του αέρα και τις μετρήσεις της υγρασίας της ατμόσφαιρας, σε ένα μόνο αντιπροσωπευτικό σημείο που βρίσκεται στο κέντρο του θερμοκηπίου, υποθέτοντας πλήρη ομοιογένεια του μικροκλίματος. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο, ορισμένα συστήματα ελέγχου του κλίματος προτείνουν την εγκατάσταση των αισθητήρων σε διάφορα σημεία στο χώρο του θερμοκηπίου. Ωστόσο, η υπόθεση αυτή δεν είναι ιδιαίτερα εφικτή στα περισσότερα από τα θερμοκήπια, καθώς το μέγεθός τους έχει αυξηθεί σημαντικά κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών. Μετρήσεις ωστόσο του κλίματος δείχνουν ότι ακόμη και σε καλά σχεδιασμένα θερμοκήπια υπάρχουν μεγάλες διαφορές θερμοκρασίας. Για παράδειγμα σε ένα θερμοκηπίο με μήκος μεγαλύτερο από 40 m, όπου χρησιμοποιεί σύστημα ψύξης, οι βαθμίδες θερμοκρασίας αέρα μπορεί να διαφέρουν μέχρι και 5 °C. Αυτές οι έντονες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, συντελούν εκτός από τη μη-ομοιόμορφη παραγωγή και την ποιότητα, στη δημιουργία παρασίτων και ασθενειών. Συνεπώς, η φυσιολογική αντίδραση του μικροκλίματος του θερμοκηπίου (θερμοκρασία αέρα, την υγρασία και την ταχύτητα) και των καλλιεργειών (καλλιέργειες διαπνοής, στοματική και αεροδυναμική αγωγιμότητα) ποικίλει σε διαφορετικές τοποθεσίες μέσα στο θερμοκήπιο, όχι μόνο λόγω της μεταβολής των εξωτερικών καιρικών συνθηκών, αλλά και λόγω των συστημάτων ελέγχου του κλίματος θερμοκηπίου (δηλαδή με τη χρήση των συστημάτων θέρμανσης, μόνωσης, αερισμού ή ψύξης). Έτσι, η άμεση και σε πραγματικό χρόνο παρακολούθηση των αντιδράσεων των φυτών και των διαδικασιών, σε συνδυασμό με την παρακολούθηση των τοπικών παραμέτρων μικροκλίματος μπορεί να βοηθήσει στη βελτίωση του ελέγχου του κλίματος και της συνολική παραγωγής. Η έγκαιρη, άμεση και σε πραγματικό χρόνο ανίχνευση των ποικίλων καταπονήσεων της καλλιέργειας μπορεί να επιτευχθεί, με την ανάπτυξη ενός συστήματος ανίχνευσης, εξοπλισμένο με μία πλατφόρμα πολλαπλών αισθητήρων, η οποία θα είναι σε θέση να κινείται πάνω από την καλλιέργεια και θα χρησιμοποιεί το φυτό ως «αισθητήριο» για να αντιλαμβάνεται τις πραγματικές του ανάγκες. Οι υπάρχων μέθοδοι μέτρησης των άμεσων και έμμεσων παραμέτρων φυσιολογίας του φυτού, όπως είναι ο ρυθμός φωτοσύνθεσης, η συγκέντρωση της χλωροφύλλης και του αζώτου και η υγρασία στο περιβάλλον της ρίζας, είναι αρκετά περίπλοκοι και προβληματικοί, καθώς περιορίζονται σε σχετικά μικρή κλίμακα, καθιστώντας την εφαρμογή τους σε μια εμπορικής κλίμακα πολλαπλών αισθητήρων, μάλλον ανέφικτη. Επιπλέον, υπάρχον μέθοδοι ανίχνευσης υδατικής καταπόνησης, μέσω υπολογισμού του υδατικού δυναμικού των φύλλων και μέτρησης της ροή χυμού του βλαστού, έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως μεταξύ άλλων, για την αξιολόγηση της υδατικής κατάστασης των φυτών είτε σε εδαφικές είτε σε υδροπονικές καλλιέργειες. Τα δεδομένα αυτά παρέχουν άμεση ενημέρωση σχετικά με την υδατική κατάσταση των φυτών, απαιτούν ωστόσο την επαφή του φυτού με τον αισθητήρα ή καταστροφή μέρος αυτού, κάτι το οποίο είναι δύσκολα εφαρμόσιμο σε εμπορικής κλίμακας καλλιέργεια. Στα εμπορικά συστήματα παραγωγής, η ανάπτυξη ενός συστήματος καταγραφής της φυσιολογίας του φυτού σε πραγματικό χρόνο από απόσταση (χωρίς την ανάγκη επαφής ή καταστροφής του φύλλου), βασισμένο στην πλατφόρμα πολλαπλών αισθητήρων. μπορεί να επιτευχθεί με την ανάπτυξη των προηγμένων συστημάτων τεχνικής υπολογιστικής νοημοσύνης. Ένα υπερφασματικό οπτικό σύστημα για παράδειγμα, το οποίο θα παρέχει πληροφορίες σχετικά με τη μορφολογία (μέγεθος, σχήμα, υφή), τη φασματική ιδιότητα (χρώμα, θερμοκρασία, υγρασία) και τα δεδομένα ανάπτυξης, μπορεί να οδηγήσει στην ανάπτυξη ενός συστήματος παρακολούθησης της φυσιολογίας της καλλιέργειας σε πραγματικό χρόνο, βασισμένο σε πλατφόρμες πολλαπλών αισθητήρων. Ως εκ τούτου, στόχος αυτoύ του ερευνητικού έργου ήταν να διερευνηθεί η χρήση πολυφασματικού και υπερφασματικού οπτικού αισθητήρα και υπέρυθρου θερμογράφου που θα λαμβάνουν μετρήσεις εξ αποστάσεως, υπό ελεγχόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες για την εκτίμηση της φυσιολογίας της καλλιέργειας. Τα δεδομένα φασματικής ανάκλασης της καλλιέργειας και τα δεδομένα που προέρχονται από υπέρυθρους αισθητήρες θερμοκρασίας, χρησιμοποιήθηκαν για την παρακολούθηση της ποιότητας της φυσιολογίας της καλλιέργειας προκειμένου ναxxiεκτιμηθεί ο προγραμματισμός της άρδευσης και να ρυθμιστεί το μικροκλίμα του θερμοκηπίου, για την επίτευξη αποτελεσματικότερης και βέλτιστης παραγωγής. Οι υδατικοί και θερμικοί δείκτες που προέκυψαν, μελετήθηκαν ως προς τη δυνατότητά τους να ανιχνεύουν έγκαιρα, άμεσα και σε πραγματικό χρόνο την ένταση και τη διάρκεια ποικίλων καταπονήσεων της καλλιέργειας κατά τη διάρκεια της ημέρας. Για το σκοπό αυτό, υλοποιήθηκε μία σειρά μετρήσεων με στόχο την αξιολόγηση των πιο δημοφιλή θερμικών δεικτών και δεικτών ανάκλασης για την αξιολόγηση του υδατικού επιπέδου της καλλιέργειας σε ελεγχόμενο περιβάλλον. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε διερεύνηση της εφαρμογής υπερφασματικού αισθητήρα απεικόνισης, ως εργαλείο καταγραφής της ανακλώμενης ακτινοβολίας του φυτού από απόσταση και εκτίμησης διαφορετικών επιπέδων υδατικής καταπόνησης και καταπόνησης αζώτου. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των μετρήσεων, οι τιμές της διαφοράς των δεικτών Modified Red Simple Ratio Index (mrSRI) και Modified Red Normalised Vegetation Index (mrNDVI) μεταξύ των καταπονημένων και μη φυτών, παρουσίασαν υψηλό συντελεστή συσχέτισης με την αντίστοιχη μεταβολή της διαφοράς των τιμών της υγρασίας του υποστρώματος και του θερμικού δείκτη Crop Water Stress Index (CWSI). Ο θερμικό δείκτης TSDmeas ωστόσο ενδείκνυται ως άμεσος δείκτης ανίχνευσης υδατικής καταπόνησης, καθώς παρουσίασε συσχέτιση με τη μεταβολή της υγρασίας του υποστρώματος χωρίς την ανάγκη μέτρησης της θερμοκρασίας των μη καταπονημένων φυτών. Από την άλλη πλευρά, η τιμή της διαφοράς του δείκτη Transformed Chlorophyll Absorption in Reflectance Index (TCARI) και του δείκτη Photochemical Reflectance Index (PRI) μεταξύ των καταπονημένων και μη φυτών, παρουσίασε συσχέτιση με την αντίστοιχη μεταβολή της διαφοράς της συγκέντρωσης της χλωροφύλλης και του ρυθμού της φωτοσύνθεσης, αντίστοιχα. Επιπλέον, οι δείκτες Optimized Soil Adjusted Vegetation Index (OSAVI) και Modified Soil Adjusted Vegetation Index (MSAVI) παρουσίασαν συσχέτιση με τις αντίστοιχες μεταβολές της διαφοράς της συγκέντρωσης αζώτου μεταξύ των καταπονημένων και μη φυτών.Προέκυψε ωστόσο, πως αν και αρκετοί ήταν οι δείκτες που ήταν σε θέση να ανιχνεύουν είτε άμεσα είτε έμμεσα διαφορετικά επίπεδα υδατικής καταπόνησης και καταπόνησης αζώτου, ο καθένας από αυτούς παρουσιάζει ορισμένα μειονεκτήματα όταν χρησιμοποιείται μεμονωμένα. H έντονη παραλλακτικότητα της δομής του φύλλου αλλά και της γενικότερης άμβλυνσης της ακτινοβολίας λόγω της διακύμανσης της γωνίας φωτισμού μέσα στο θερμοκήπιο, του προσανατολισμού και της κλίσης τουxxiiφύλλου, της παρουσίας σκιάσεων και της ανάκλασης από μη φυλλικές επιφάνειες, καθιστούν τους δείκτες επιρρεπείς στις περιβαλλοντικές συνθήκες. Έτσι προκύπτει έντονη η ανάγκη καταγραφής δεδομένων ανάκλασης μη καταπονημένων φυτών, ως σημείο αναφοράς. Για την ελαχιστοποίηση της επίδρασης των εξωγενών παραμέτρων υπολογίστηκε η δεύτερη παράγωγος των δεδομένων ανάκλασης, ώστε να εξασφαλισθεί η σταθερότητα των τιμών στην πάροδο του χρόνου, για διαφορετικά σημεία μέσα στο χώρο του θερμοκηπίου. Προέκυψε ότι οι δείκτες SRI(555/465) και TGI της δεύτερης παραγώγου παρουσίασαν σημαντική συσχέτιση με τη μεταβολή του ρυθμού της φωτοσύνθεσης. Επιπλέον στα πλαίσια του έργου, ένας νέος δείκτης αζώτου, ο οποίος ονομάζεται Background Adjustment Nitrogen Index (BANI), αναπτύχθηκε και συγκρίθηκε με τους υπάρχον δείκτες που χρησιμοποιήθηκαν για την εκτίμηση διαφορετικών επιπέδων υδατικής καταπόνησης και καταπόνησης αζώτου. Προέκυψε ότι, ο ΒΑΝΙ ήταν ο καλύτερος δείκτης ανάκλασης για την πρόβλεψη της συγκέντρωσης αζώτου του φυτού τομάτας σε άζωτο, σε συνθήκες θερμοκηπίου. Αυτά τα ευρήματα ανοίγουν νέες δυνατότητες παρακολούθησης της φυσιολογίας της καλλιέργειας από απόσταση. Η περαιτέρω ταξινόμηση των δεικτών ανάκλασης και της πληροφορίας που προκύπτει από τους δείκτες, μέσω στατιστικού εργαλείου όπως είναι το μοντέλο δέντρου ταξινόμησης και λήψης αποφάσεων (Classification Tree), συντέλεσε στο να ξεπεραστούν περιορισμοί που προκύπτουν κατά τη διαδικασία της μέτρησης και να ενισχύσει τις δυνατότητα επίτευξης αξιόπιστων αποτελεσμάτων ανίχνευσης διαφορετικών επιπέδων υδατικής καταπόνησης και καταπόνησης αζώτου. Αυτό το εργαλείο διασφαλίζει την αυτοματοποίηση της διαδικασίας παρακολούθησης της φυσιολογίας της καλλιέργειας από απόσταση, περιορίζοντας αρκετά την ανθρώπινη παρέμβαση.