Σύγχρονη διαχείριση αμπελώνων με χρήση συστημάτων πληροφορικής και τηλεπικοινωνιών στο πλαίσιο εφαρμογής γεωργίας ακριβείας

Abstract

In the present study Precision Agriculture (PA) was applied in a 1.0 ha certified organic vineyard (Precision Viticulture) at Mikrothives, Central Greece. The vineyard was planted with the Greek variety Vitis vinifera cv. Agiorgitiko. The aim of this study was to analyze the spatial variability of soil and landscape properties and its association with the variability of the vine physiology (with emphasis on plant water status), vegetation (NDVI vegetation index and pruning wood mapping using innovative technology; laser scanner), yield and grape quality. The ultimate goal was the delineation of management zones showing the greatest viticultural and economic importance. Variation of soil properties across the field was initially measured by the apparent electrical conductivity (ECa) using EM38 sensor (Geonics LTD, Ontario Canada), topography using RTK-GPS (Ag-GPS 252, Trimble Ltd., USA). Additionally, soil sampling and soil depth measurement was performed on a 10x20m grid using soil sampler. Vine canopy properties were assessed by measurement of Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) at several times during the growing period using the CropCircle sensor (ACS-210, Holland scientific Inc., Lincoln, NE, USA). Yield mapping was performed at harvest of each year by weighting and geo-referencing all the bins containing the harvested grapes across the vineyard. Grape composition (must sugar content, pH, total acidity and total anthocyanins and phenolic compounds) mapping was carried out from samples taken at the same time. An accurate distance measurement 2D laser scanner sensor (LMS 200 30106, SIC AG, Germany) was utilized to map pruning weight across the vineyard, prior to pruning during both years. Additionally, pruning weight per cell was assessed by weighting and georeferencing pruning residues immediately after pruning. Additionally, photosynthesis and physiological parameters of the grapevines were measured using the portable device LCpro + (ADC BioScientific Ltd, Hoddesdon, UK). Stem water potential (Ψs) was measured during veraison using pressure chamber. These measurements were performed on the 10x20m grid. A soil moisture measuring and recording system with two probes measuring at five depths (10, 20, 30, 50 and 90cm) was installed. The Ψs data were analyzed in comparison with the soil moisture data to determine the equation that describes the relationship between the two parameters The data were initially analyzed and despite the small vineyard size high variability was reported. Different approaches of data analysis were utilized with the aim to delineate management zones that can be the basis for variable rate applications. A novel method for analyzing the data using 'fuzzy clustering' algorithms for delineating vineyard zones was developed. Additionally, PCA (principal component analysis) was utilized to highlight the main soil parameters that significantly affected grape yield and quality. The vineyard was separated in 2-4 management zones and analysis of variance followed (ANOVA) to examine which physiological, yield and quality parameters showed significant differences between the zones. The produced maps by precision agriculture technologies can be a useful tool to evaluate vineyard spatial variability and perform targeted application of inputs (irrigation, fertilization) according to the needs of each management zone. Mapping of soil properties and topography determined vineyard sections that showed uniformity in the physiology and growth of the vines. In the areas of the central and western part of the vineyard the soil was shallow and did not sufficiently provide the plants with water; therefore they showed lower photosynthetic capacity, leading to reduced vegetation and lower productivity. Water status and plant physiology was better in the southern part, mainly because of the deeper soil that was able to provide the plants with sufficient water and nutrients. These results provide valuable information for better understanding of the heterogeneity of vineyards to achieve more effective management. The final two zone map resulted from the analysis was used to implement variable rate irrigation in 2012. For irrigation scheduling, the soil moisture which was monitored on a daily basis by the soil moisture sensor system, was utilized as a soil water status warning tool. When soil moisture reached low values, water potential measurement was performed to evaluate the actual water status of plants. According to the results of the application, differential irrigation achieved 20% irrigation water saving while grape total acidity was improved. The management zones could also be used to perform variable rate fertilization in case the vineyard was not organic.The results of this study demonstrate the feasibility of precision agriculture to improve the management of vineyards which benefits the farmers and the environment.

Η παρούσα μελέτη αφορά στην εφαρμογή της Γεωργίας Ακριβείας (Αμπελουργία Ακριβείας) σε αμπελώνα πιστοποιημένης οργανικής γεωργίας, έκτασης 10 στρεμμάτων, εγκατεστημένο σε πλαγιά με βορειοανατολικό προσανατολισμό με την ερυθρή οινοποιήσιμη ποικιλία Αγιωργίτικο (Vitis vinifera L.). Σκοπός της μελέτης ήταν η διερεύνηση αρχικά της χωρικής παραλλακτικότητας των ιδιοτήτων του εδάφους και του αναγλύφου του αμπελώνα και η σύνδεσή της με την παραλλακτικότητα της φυσιολογίας της αμπέλου (με έμφαση στο υδατικό καθεστώς), των παραμέτρων της βλάστησης (χαρτογράφηση του δείκτη βλάστησης NDVI και του χειμερινού ξύλου κλαδέματος με χρήση πρωτοποριακής τεχνολογίας laser scanner) και των παραμέτρων της παραγωγής. Απώτερος στόχος ήταν ο χωρισμός του αμπελώνα σε ζώνες διαχείρισης με τη μέγιστη αμπελουργική και οικονομική σημασία. Για τη χαρτογράφηση του ανάγλυφου του αμπελώνα χρησιμοποιήθηκε RTK-GPS (Ag-GPS 252, Trimble Ltd., USA) ενώ για αυτή της φαινομενικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας του εδάφους (ECa) ο αισθητήρας ΕΜ-38 (Geonics LTD, Ontario Canada). Η χαρτογράφηση των χαρακτηριστικών της βλάστησης έγινε με χρήση του αισθητήρα εκτίμησης του δείκτη βλάστησης NDVI CropCircle (Holland Scientific Inc., Lincoln, NE, USA) για την αξιολόγηση της ζωηρότητας του φυλλώματος στα διάφορα στάδια του ετήσιου κύκλου των φυτών της αμπέλου. Για την εκτίμηση της ποσότητας του χειμερινού ξύλου που παράγεται από τα πρέμνα χρησιμοποιήθηκε σαρωτής λέιζερ δύο διαστάσεων (LMS 200 30106, SIC AG, Germany) το χειμώνα πριν από το κλάδεμα σε συνδυασμό με DGPS (Differential GPS-106, Trimble Ltd, USA). Παράλληλα, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις ζύγισης των κληματίδων δειγματοληπτικά σύμφωνα με το πλέγμα 10x20m. Επίσης πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις της φωτοσύνθεσης και παραμέτρων της φυσιολογίας της αμπέλου χρησιμοποιώντας τη φορητή συσκευή LCpro+ (ADC BioScientific Ltd, Hoddesdon, UΚ). Το μεσημβρινό υδατικό δυναμικό του βλαστού (Ψs) μετρήθηκε το μεσημέρι κατά τον περκασμό με χρήση ειδικού θαλάμου πίεσης. Ο αμπελώνας χωρίστηκε σε πλέγμα 48 κελιών, διαστάσεων 10 x 20 m, σύμφωνα με το οποίο πραγματοποιήθηκε η εκτίμηση του βάθους του εδάφους και η εδαφική δειγματοληψία (για την εργαστηριακή ανάλυση των δειγμάτων). Στον αμπελώνα εγκαταστάθηκε σύστημα καταγραφής της εδαφικής υγρασίας με δύο αισθητήρες οι οποίοι μετρούσαν σε πέντε βάθη (10, 20, 30, 50 και 90cm). Τα δεδομένα αναλύθηκαν σε αντιπαραβολή με τις μετρήσεις του υδατικού δυναμικού για την εύρεση της εξίσωσης που περιγράφει τη σχέση των δύο παραμέτρων. Τέλος, κατά τον τρυγητό προσδιορίστηκε η παραγωγή αλλά και οι κυριότεροι ποιοτικοί δείκτες (όπως η ολική οξύτητα του γλεύκους και ανθοκυάνες του φλοιού της ράγας). Τα δεδομένα αναλύθηκαν αρχικά και διαπιστώθηκε η ύπαρξη σημαντικής παραλλακτικότητας στον αμπελώνα παρά τη μικρή του έκταση. Χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικές προσεγγίσεις ανάλυσης με τελικό στόχο τη δημιουργία ζωνών διαχείρισης που να μπορούν να δεχτούν κοινή διαχείριση και να αποτελέσουν τη βάση εφαρμογής μεταβλητών δόσεων εισροών. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής αναπτύχθηκε καινοτόμα μέθοδος για την ανάλυση των δεδομένων χρησιμοποιώντας αλγορίθμους ‘fuzzy clustering’ για τον διαχωρισμό του αμπελώνα σε ζώνες. Παράλληλα χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος των κυρίων συνιστωσών (principle component analysis, PCA) για να βρεθούν οι κύριοι εδαφικοί παράγοντες που καθορίζουν την παραγωγή και την ποιότητα. Ο αμπελώνας χωρίστηκε σε 2-4 ζώνες διαχείρισης και ακολούθησε ανάλυση της παραλλακτικότητας (ANOVA) των παραμέτρων φυσιολογίας, παραγωγής και ποιότητας της κάθε ζώνης. Οι παραγόμενοι χάρτες που προκύπτουν από τη χρήση τεχνολογιών γεωργίας ακριβείας, μπορούν να αποτελέσουν ένα χρήσιμο εργαλείο για την αξιολόγηση της χωρικής παραλλακτικότητας του αμπελώνα με τελικό στόχο τη στοχευόμενη εφαρμογή εισροών (άρδευση, λίπανση) και αμπελοκομικών τεχνικών ανάλογα με τις ανάγκες κάθε ζώνης διαχείρισης. Μέσω της χαρτογράφησης των ιδιοτήτων του εδάφους και του τοπογραφικού ανάγλυφου προσδιορίστηκαν τμήματα του αμπελώνα που παρουσίασαν ομοιομορφία στην φυσιολογία και την ανάπτυξη της αμπέλου. Στα σημεία με ρηχότερο έδαφος, στο κεντρικό και δυτικό τμήμα του αμπελώνα, τα φυτά παρουσίασαν χαμηλότερη ικανότητα φωτοσύνθεσης, οδηγώντας σε μειωμένη ανάπτυξη της βλάστησης και χαμηλή παραγωγικότητα. Η υδατική κατάσταση και η φυσιολογική λειτουργία των φυτών ήταν καλύτερη στο νότιο τμήμα, κυρίως λόγω του μεγαλύτερου βάθος του εδάφους. Αυτά τα αποτελέσματα παρείχαν πολύτιμη πληροφορία για την καλύτερη κατανόηση της ετερογένειας των αμπελώνων για πραγματοποίηση αποτελεσματικής διαχείρισης μεταβλητών εισροών.Ο χάρτης των δύο ζωνών διαχείρισης που προέκυψε από την ανάλυση χρησιμοποιήθηκε για την εφαρμογή διαφοροποιημένης άρδευσης κατά το έτος 2012. Για τον προγραμματισμό της άρδευσης, η εδαφική υγρασία η οποία παρακολουθούνταν σε ημερήσια βάση με τη χρήση του συστήματος αισθητήρων εδαφικής υγρασίας, χρησιμοποιήθηκε ως εργαλείο προειδοποίησης για την υδατική κατάσταση του εδάφους. Όταν έδινε χαμηλές τιμές εδαφικής υγρασίας, πραγματοποιούνταν μέτρηση υδατικού δυναμικού για την αξιολόγηση της πραγματικής υδατικής κατάστασης των φυτών. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της εφαρμογής η διαφοροποιημένη άρδευση οδήγησε σε εξοικονόμηση αρδευτικού νερού 20% ενώ παράλληλα βελτίωσε την ολική οξύτητα του γλεύκους χωρίς να έχει επίπτωση στα υπόλοιπα ποιοτικά χαρακτηριστικά των σταφυλιών και στην παραγωγή. Οι ζώνες διαχείρισης θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν και για διαφοροποιημένη λίπανση αν ο αμπελώνας δεν ήταν οργανικός.Τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης αποδεικνύουν τη δυνατότητα της γεωργίας ακριβείας να βελτιώσει τη διαχείριση των αμπελώνων προς όφελος των γεωργών και του περιβάλλοντος.