Προσδιορισμός δεικτών θερμικής και υδατικής καταπόνησης καλλιεργειών για τη διαχείριση του μικροκλίματος και της άρδευσης στο θερμοκήπιο
Authors: Τσιρογιάννης Ιωάννης 
Published: August 2021

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.