KNAW

Onderzoek

Gewasmonitoring en sturen op basis van modellen en sensoren in energiezuinige kassen

Pagina-navigatie:


Wijzig gegevens


Titel Gewasmonitoring en sturen op basis van modellen en sensoren in energiezuinige kassen
Looptijd 01 / 2011 - 12 / 2012
Status Afgesloten
Onderzoeknummer OND1345839

Samenvatting

Probleemstelling
Omstandigheden in energiezuinige kassen verschillend van die in conventionele kassen. Omdat hulpbronnen beperkt ingezet worden, fluctueren temperatuur, luchtvochtigheid, instraling en CO2 concentratie in de kas sterker. Ook is efficiënt gebruik van irrigatie water hierbij van belang. Deze beperkte inzet van hulpbronnen vraagt om een goed inzicht in wanneer dit het meest wenselijk is voor het gewas. Hiervoor is het van belang dat er bepaald kan worden wat gevolgen zijn van verandering van omstandigheden op de fysiologie van het gewas. De grenzen moeten worden opgezocht, zonder er te ver over heen te gaan.

De meest belangrijke fysiologische processen zijn de waterrelaties (wateropname, transport en verdamping), primaire productie (fotosynthese en allocatie van assimilaten) en de groei en ontwikkeling van de plant en de vruchten. Bestaande fysiologische modellen (bijv. INTKAM) zijn door WUR Glastuinbouw ontwikkeld op basis van algemene fysiologische principes. Kennis uit deze modellen kan worden gebruikt in nieuw te ontwikkelen modellen, maar zal opnieuw getoetst moeten worden in het kader van de omstandigheden in energiezuinige kassen. Ontbrekende kennis, waaronder bijv. de interactie tussen waterrelaties en groei en ontwikkeling van de plant en vruchten, zal moeten worden ontwikkeld. Recent onderzoek aan vruchtontwikkeling en diens interactie met de waterrelaties in de plant (DeSwaef et al.) en de effecten van bladbeweging op de lichtverdeling in een gewas (Sarlikioti et al.) heeft nieuwe kennis en fysiologische modellen opgeleverd. Integratie van deze fysiologische kennis zal alleen kunnen worden gerealiseerd wanneer die ingepast zouden kunnen worden in een omvattend gewasmodel.

Modellen kunnen een integraal beeld verschaffen over de gevolgen van veranderingen in teeltcondities, zoals die ten behoeve van energiebesparing. Dit biedt een basis om op basis van de fysiologische staat van het gewas te benaderen wat de ideale teeltcondities zijn voor een gewas, waarbij de gevolgen voor productie en energiebesparing inzichtelijk gemaakt kunnen worden. Dit kan een gefundeerde basis bieden om de grenzen van het gewas op te zoeken en zo forse energiebesparing mogelijk te maken met beperkt risico voor de teler en zonder negatieve gevolgen voor productie en kwaliteit.

In de afgelopen jaren is er een sterke ontwikkeling geweest van nieuwe plant sensoren. Naast verbeterde meettechnieken van reeds gevestigde meetprincipes (o.a. sapstroom, stengeldikte, bladdikte, vruchtgroei, transpiratie, chlorofyl fluorescentie, blad- en orgaan temperatuur) zijn er ook nieuwe sensoren ontwikkeld. Een voorbeeld hiervan is de patch clamp pressure probe (Zimmermann et al. 2008, 2009), waarmee online relatieve veranderingen in celturgor gemeten worden. Van een deel van de sensoren bestaan reeds als commercieel verkrijgbare producten (o.a. MONI-PAM, Walz) die in de tuinbouwsector beperkt toegepast worden.

Om een online monitoring tool te ontwikkelen die de fysiologische staat van het gewas in beeld brengt is ten eerste een goed fysiologisch gewasmodel nodig. Tevens zijn goede en betrouwbare plantsensoren een vereiste. Echter, deze kunnen alleen gecombineerd worden wanneer de informatie van de sensoren voldoende aansluit op de modelinput . Het modelontwerp moet daarom dusdanig zijn dat voldaan wordt aan de eisen om deze aansluiting te realiseren waardoor online monitoring mogelijk wordt.

Voor het modelontwerp zullen keuzes gemaakt moeten worden, afhankelijk van de beschikbare input, tijdsresolutie, betrouwbaarheid en rekencapaciteit. Het model zal daarom die fysiologische processen moeten bevatten die cruciaal zijn in energiezuinige kassen. Dit zal dan ook het uitgangspunt moeten zijn voor de ontwikkeling van een online monitoring tool.

Doelgroep en kennisbehoefte
Om een grote reductie (50%) van energiegebruik van de teelt in kassen te realiseren, moeten forse wijzigingen van de teeltcondities plaatsvinden. Dat er reductie in energiegebruik mogelijk is door deze wijzigingen, hebben recente onderzoeksprojecten naar Het Nieuwe Telen laten zien (de Gelder et al. 2009, 2010). Uit deze projecten bleek dat door deze wijzigingen de grenzen van het gewas opgezocht moeten worden om met minder energie productie- of kwaliteitsverlies te voorkomen. Om hieraan te kunnen voldoen werd in bovenstaande projecten geconstateerd dat continue monitoring van het gewas, die zich vertaalt naar snelle bijsturing van de teeltcondities, een vereiste is.

Al enige tijd zijn er sensoren op de markt waarmee telers beperkte delen van de fysiologische staat van het gewas kunnen monitoren. Het ontbreekt echter veelal aan de interpretatie van de sensor informatie en de samenhang met de teeltbeslissingen die vervolgens genomen moeten worden. Daarbij komt dat een enkele sensor maar een beperkt deel van de fysiologische status van de plant weergeeft, waardoor het gevaar van een eenzijdig beeld bij de teler ontstaat. Vanuit toeleveranciers is er vraag naar kennis om de interpretatie van sensoren te vergemakkelijken en deze aan te laten sluiten op de kennis van de teler.

Zowel ICT en sensortechnologie ontwikkelen zich in hoog tempo. De technische mogelijkheden voor continue monitoring en bijsturing van teeltcondities nemen daardoor sterk toe. Aan de kennis van plant fysiologische processen en modellering van de interactie tussen deze processen en de teeltcondities is volop onderzoek gedaan in de afgelopen jaren. Recent is gebleken dat met het gebruik van relatief simpele gewasmodellen en beperkte modeloutput de geïntegreerde kennis in een model goed als beslissingsondersteunende tool voor telers kan functioneren (Buwalda, Driever et al.). Hiermee lijkt de deur geopend voor de combinatie van sensor informatie met fysiologische modellen om continue monitoring en bijsturing te realiseren.

Doelstelling project
Het ontwikkelen van online monitoring methoden op basis van plant fysiologische processen ten behoeve van sturing van omgevingsfactoren in energiezuinige kassen om hiermee een grote reductie (50%) van energiegebruik en efficiënter watergebruik van de teelt in kassen te kunnen realiseren zonder productie- of kwaliteitsverlies.

Relevantie project voor EL&I
Er is duidelijke wetenschappelijke belangstelling voor sensoren die de status van de plant kunnen meten en hoe modellen te gebruiken zijn bij het interpreteren van sensorinformatie. Met name de integratie van gewasmodellen en sensoren voor online monitoring van gewassen in kassen is, voor zover ons bekend, niet eerder gedaan.

Ontwikkelingen in sensortechnologie voor de glastuinbouw is volop in beweging. De nieuwe sensortechnologie voor meten van turgordruk in bladeren van andere soorten planten in veldsituaties is recentelijk beschreven in een goed wetenschappelijk tijdschrift (J. Exp. Bot) door Zimmermann et al. Aantonen dat de techniek ook echt gebruikt kan worden om plantstress te meten in tomaat in kassen is een duidelijk logische volgende stap om deze technologie voor de glastuinbouw beschikbaar te maken. Hiervoor werken wij nauw samen met de groep van prof. Zimmermann (Univ Wurzburg, Duitsland).

De techniek voor detectie van beweging is al langer beschikbaar, maar is nog niet specifiek ontwikkeld voor toepassing in kassen. Eerder onderzoek (Sarlikioti et al.) heeft gevolgen getoond van bladbeweging voor de lichtonderschepping van een gewas, met behulp van een combinatie van 3d modellering en vision technieken. Op deze unieke expertise bouwen wij in dit project verder.

Aanpak en tijdspad
1.1 Fase 1 (2011).
In deze fase worden nieuwe methodologie voor monitoring van waterstatus van de plant getest en nieuwe modellen geëvalueerd. Door middel van experimenteel onderzoek zullen verschillende sensoren worden getest (o.a. de patch clamp pressure probe, sap flow, stem diameter, fruit growth). Data uit deze experimenten zal gebruikt worden voor de evaluatie van bijv. een model voor vruchtgroei in relatie tot waterstatus. Bepaling van de relatie tussen waterstatus en plantbeweging en de gevolgen hiervan voor lichtverdeling in gewas zal worden onderzocht. Tevens zal ontbrekende kennis in modellen, fysiologie en sensortechniek worden geïdentificeerd. Om kritieke kennishiaten op vullen zal een wetenschappelijk onderzoeksvoorstel (voor aanstelling van een AIO) worden geschreven. De resultaten uit deze fase zullen worden gepubliceerd in wetenschappelijke artikelen en vormen de basis voor verschillende sub-modellen.

1.2 Fase 2. (2012)
Ontwerpeisen van een online monitoringtool worden gedefinieerd. Sub-modellen zullen worden ontwikkeld waarbij aansluiting tussen (delen van) ontwikkelde gewasmodellen en sensoren kunnen worden getest voor monitoring. Dit zal offline plaatsvinden door middel van simulaties, maar zal waar mogelijk online worden getest met behulp van experimenteel onderzoek. De nadruk zal liggen op identificatie van de meest belangrijke fysiologische processen in energiezuinige kassen die betrouwbaar gemonitord kunnen worden.

1.3 Fase 3. (2012)
Praktijktoets van een prototype monitoring tool, waarbij de gekozen (sub)modellen en sensoren getest worden in samenhang. Aan de hand van deze toets wordt gesimuleerd hoe hulpbronnen (m.n. energie en water) zo efficiënt mogelijk zouden kunnen worden ingezet. Voor deze simulatie zal gebruik gemaakt worden van bestaande modellen voor kasklimaat, aangepast voor energiezuinige kassen.

Resultaten
1.4 Wetenschappelijke publicaties:
1.5 - evaluatie van de patch clamp pressure probe als methode ter detectie van turgor veranderingen in bladeren van tomaat onder invloed van energiezuinige klimaatregeling
1.6 - online monitoring van bladbeweging en -turgor in tomaat onder condities van beperkte energie-input
1.7 - detectie van water stress in tomaat met behulp van verschillende plantsensoren en mogelijkheden voor efficiënt watergebruik
1.8 - effecten van energiezuinige semi-gesloten kassen op plant waterstatus in tomaat
1.9 Onderzoeksvoorstellen:
- beslissingsondersteunende tools voor online monitoring van plant fysiologische processen door integratie van fysiologische- en gewasmodellen en plantsensoren voor gewassen in energiezuinige kassen
- kwantificering van plantgroei en -beweging in energiezuinige kassen.

Publicaties bij dit project zijn beschikbaar via deze Link

Betrokken organisaties

Betrokken personen

Projectleider Dr.ir. S.M. Driever

Bovenliggende onderzoeksactiviteit(en)


Omhoog
Ga terug naar de inhoud
Ga terug naar de site navigatie