Probleem op deze pagina?

Project: Remote sensing als instrument voor bodemvochtaansturing in peren- en appelboomgaarden: naar valorisatie van de ruimtelijke variatie.

LBO - LA: Landbouwonderzoek en Landbouwtrajecten
01/06/2010
31/05/2014

1. Remote Sensing (RS) informatie inbouwen in een waterbalansmodel voor bodemvochtaansturing in de fruitteelt.

Dit project beoogt de uitbouw van een informatiestructuur waarbij de fruitteler geadviseerd wordt welke waterdosering hij het best toedient in de verschillende blokken binnen eenzelfde perceel. Dit advies loopt op dagbasis. Het steunt op een bodemwaterbalansmodel dat nu al in de praktijk wordt toegepast. In het advies wordt specifieke informatie voorzien voor de verschillende zones van het perceel. De zonatie van de boomgaarden is gebaseerd op de informatie uit vliegtuigbeelden.

2. Investeringen in irrigatie onderbouwen met behulp van RS informatie.

In het project wordt een economische module ontwikkeld waarbij telers die niet over een irrigatie-installatie beschikken kunnen nagaan of dit voor de desbetreffende percelen rendabel is. De data input voor deze module komt uit een hyperspectraal vliegtuigbeeld dat genomen wordt tijdens een droge periode. Het financieel verlies door de droogte, wordt door de module voor de teler doorgerekend over meerdere jaren.

De fruitteler die gebruik maakt irrigatie, in eerste instantie voor de perenteelt maar ook voor appelboomgaarden is de technologie mogelijk interessant.

De aandacht voor precisieaansturing in de land- en tuinbouw is het afgelopen decennium sterk gegroeid. Dit onderzoeksproject introduceert de nodige specialisatie in de vochtaansturing in de fruitteelt. Het kapitaalintensieve karakter van de fruitteelt en specifiek de perenteelt (20 x meer omzet per hectare vergeleken met tarwe) maakt betere aansturingstechnieken zeer rendabel.

Het belang van bedruppeling in de perenteelt, waaronder voornamelijk de variëteit Conference, is gekend in de sector. Getuige hiervan de investeringsgolf in druppelirrigatiesystemen. De droogtegevoeligheid van ‘Conference’ werd aangetoond in voorgaand IWT-onderzoek (IWT 050661). Elk vochttekort tijdens de dikkingsfase van de vrucht betekent rendementsverlies. Het betekent dat maximaal bedruppeld wordt waarbij overmaat met ook uitspoeling van nutriënten in de praktijk, voorzichtig gesteld, niet uitgesloten is. Ramingen van waterverbruik liggen rond 930.000 m³/jr voor 2008. Indien de investeringstrend zich doorzet zal dit oplopen tot 1.700.000 m³/jr in 2015, waarbij dit water uit hoogwaardige waterlichamen wordt gepompt (Landeniaan en Krijt).

Het hoofdaandeel van het fruitteeltareaal in Vlaanderen is gelegen in Vlaams-Brabant en Zuid-Limburg. Omdat deze regio gekenmerkt wordt door hellingen, fluctuerende grondwatertafelstanden en een wisselende textuurverdeling is de ondergrond van de boomgaarden zeer heterogeen. Daarnaast komen in eenzelfde boomgaard bijna altijd bomen van verschillende variëteiten, ouderdom, plantafstand en teeltmanagement voor. Dit alles zorgt er voor dat het vochtverloop tussen de verschillende blokken binnen een boomgaard sterk verschillend is.

In de akkerbouw en de groenteteelt wordt momenteel irrigatie aangestuurd met behulp van een bodemwaterbalansmodel. De Bodemkundige Dienst van België (BDB) heeft dergelijke adviesverlening operationeel voor een honderdtal bedrijven in Zuid-Nederland, België en Noord-Frankrijk. Deze methodiek formuleert één advies voor het ganse perceel. In deze omstandigheden is dit perfect verdedigbaar omdat de teler, door de toepassing van overhead beregening, niet anders kan dan dezelfde irrigatiedosis toepassen op het ganse perceel.

Druppelirrigatiesystemen in een boomgaard daarentegen zijn altijd opgedeeld in verschillende blokken die apart aanstuurbaar zijn. De vraag stelt zich echter hoe deze vochtaansturing voor de verschillende blokken geoptimaliseerd kan worden, zodat een maximale productie mogelijk is met een minimum aan waterverbruik. Anders gesteld, hoe kan de ruimtelijke variabiliteit in waterbehoefte in boomgaarden worden opgevangen?

Remote Sensing biedt de mogelijkheden om dit ruimtelijke probleem aan te pakken. Aan de hand van een vliegtuigbeeld in het hyperspectraal domein kan droogtestress in boomgaarden beter gedetecteerd worden. Dit overzichtsbeeld gecombineerd met de klassieke aansturing via het bodemwaterbalansmodel kan voor de fruittelers het vereiste en voldoende gedetailleerd irrigatieadvies opleveren voor de verschillende blokken binnen eenzelfde boomgaard.

Ook voor niet-geïrrigeerde percelen kan met Remote Sensing worden nagegaan of en welke productieverbeteringen mogelijk zijn door investering in irrigatie.

De bedoeling van dit project is het toegankelijk maken van deze informatievoor de fruitteler. Daarom wordt de nodige adviesbasis voor de fruitteler opgebouwd, gedemonstreerd en in de sector geïntroduceerd.

Bij het formuleren van de projectaanvraag werden twee doelstellingen geformuleerd:

1. Remote Sensing (RS) informatie inbouwen in een waterbalansmodel voor bodemvochtaansturing in de fruitteelt.
2. Investeringen in irrigatie onderbouwen met behulp van RS informatie.

Om deze projectdoelstellingen te behalen werd gedurende vier jaar een monitorring opgestart op een geïrrigeerde en een niet-geïrrigeerde boomgaard. In elke boomgaard werd een spatiale variatie gecreëerd in bodemvocht. Deze variatie werd bestudeerd in de bodem, in de fysiologie van de boom, in de productie en in reflectie signalen gemeten op niveau van blad, boom, kruin en satelliet. Finaal werd aan de hand van deze opvolging onderzocht hoe de signalen afgeleid uit satelliet informatie (Remote Sensing, RS) kunnen worden geïncorporeerd in het management van de boomgaard.
Relatie tussen de heterogeniteit in vochttoestand tussen de verschillende zones binnen eenzelfde perceel en de productieverschillen die mogen verwacht worden door deze variabiliteit.

De relatie tussen vochtgehalte en productie werd vastgelegd via de stam water potentiaal (SWP). De stam water potentiaal is een parameter die droogtestress goed karakteriseert. De metingen geven een goede indicatie van de droogtestress van de fruitboom omdat ze uitdrukken hoeveel moeite een boom heeft om water te onttrekken aan de bodem. De stam water potentiaal wordt opgemeten met een speciaal daarvoor ontworpen mobiele drukkamer. Een blad dicht bij de stam van de boom wordt een uur afgeschermd van lucht en licht en vervolgens in de mobiele drukkamer gebracht.

De productie in de hoge diamterklassen werd in Bierbeek in 2010 en 2011 significant gecorreleerd met de SWP. In 2012 werd geen correlatie vastgesteld met de SWP, in 2013 was enkel het vruchtgewicht gecorreleerd met de SWP. Vermoedelijk wordt vooral in jaren met een droge aanvang van het groeiseizoen (april, mei, juni) de productie in belangrijke mate bepaald door vochttekort. De SWP wordt gestuurd door het vochtaanbod in de wortelzone en de vochtvraag van de atmosfeer. Dit werd geïllustreerd aan de hand van een meervoudige regressie tussen SWP, bodemvochtgehalte en ETo (referentiegewasverdamping). In drie van de vier onderzoeksjaren was een lager bodemvochtgehalte significant gerelateerd aan een lagere SWP. In de drie onderzoeksjaren veroorzaakt een daling van het bodemvochtgehalte met 1% (op gravimetrische basis) een daling van de SWP met 0.03 MPa. In elk onderzoeksjaar was de ETo significant gerelateerd aan de SWP, maar in 2012 was de relatie omgekeerd aan de drie overige jaren. In 2010, 2011 en 2013 werd bij hogere ETo waarden een lagere SWP geobserveerd.

Om een beter beeld te krijgen van de variatie in bodemvocht in een praktijkboomgaard werd in de tweede biënnale het bodemvochtgehalte gevolgd over 16 plots willekeurig verspreid over de boomgaard. Op eenzelfde tijdstip werd een verschil van 10% (op gravimetrische basis) bodemvocht gemeten tussen de meest natte en meest droge plot. Verschillen in afgifte van het irrigatiesysteem en natuurlijke variatie in de bodem waren verklarende factoren voor deze hoge variatie in bodemvocht gemeten over de boomgaard. De variatie in bodemvocht aanwezig over de boomgaard is betekenisvol. Indien het bodemvochtgehalte op een bepaalde plaats 10% lager is leidt dit tot een SWP daling van 0.3 MPa. In droge jaren kan dit resulteren in een productiedaling van 5 kg/boom in de hoge diameterklassen (groter dan 60 mm en groter dan 65 mm) die voor de fruitteler het meest rendabel zijn.

Een belangrijke kanttekening, op basis van ervaringen uit het project, is dat de variatie in bodemvocht niet alleen gerelateerd is met droogtestress maar dat een te natte bodem ook negatieve gevolgen heeft voor de productie. Indien een bepaalde zone in de boomgaard jaarlijks te vochtig ligt zal dit de bloembotvorming negatief beïnvloeden waardoor minder vruchten worden geoogst. De productiebepalingen uit de testrijen in 2011, 2012 en 2013 tonen dat op locatie 2 het aantal vruchten dat werd geoogst steeds lager was. Op deze zone werd steeds een hoger bodemvochtgehalte gemeten.

In de eerste 2 onderzoeksjaren werd in de niet-geïrrigeerde boomgaard in Kerkom het hyperspectraal signaal van appel (Jonagold) gemeten en vergeleken met dat van peer (Conference). Eveneens werd gewerkt met regenafscherming en werd er wortelsnoei toegepast. Op deze manier werd het RS signaal verzameld van appel (Jonagold), peer (Conference), peer gewortelsnoeid en peer gewortelsnoeid onder regenafscherming. Vanaf de tweede biënnale werd het aantal proefplots in de niet-geïrrigeerde boomgaard uitgebreid maar werd enkel nog de Conference meegenomen in de proef. Vervolgens werd er toegespitst op de detectie van droogtestress met behulp van RS. Op de helft van de plots werd wortelsnoei toegepast gezien deze techniek ook courant wordt gebruikt in de praktijk. De toegepaste wortelsnoei zorgde voor een verlaging van de SWP. Deze verlaagde SWP kwantificeert de verhoogde droogtegevoeligheid van de ‘Confernce’ peer na het toepassen van wortelsnoei.

Het bleek in de niet-geïrrigeerde boomgaard in Kerkom niet mogelijk om, zoals in Bierbeek, de SWP significant te correleren met de productie maar het toepassen van wortelsnoei had een grote impact op de fysiologie van de boom. De scheutgroei werd afgeremd, en de bloembotvorming werd gestimuleerd. Hoewel het verschil niet signifcant was, leek de opgrengst in de hoge diamterklasse ook te worden beïnvloed door de wortelsnoei in 2013. Proefresultaten uit het verleden (IWT 050661 “Basis voor het duurzaam watergebruik bij de irrigatie van de perenteelt”) duidden reeds het risico op opbrengstderving na worelsnoei indien er niet wordt geïrrigeerd.

Omdat de relatie in robust is voor verschillende irrigatie systemen, kan de variatie die aanwezig was binnen de niet-geïrrigeerde boomgaarden ook gevisualiseerd worden met deze relatie tussen SWP en ReNDVI. Aan de hand van deze beelden kan de spatial variatie worden weergegeven en het nut van één of meerdere irrigatieblokken worden weergegeven. In zou ervoor gekozen kunnen worden om de rode zone meer te irrigeren terwijl de blauwe zones minder kunnen geïrrigeerd worden.

De variatie die aanwezig is in de boomgaard ten gevolge van helling, ondergrond en andere kan onmogelijk met veldmetingen worden gekarteerd. Verder zijn voor deze veldmetingen vaak tijdrovend en destructief. Hiervoor biedt remote sensing een alternatief. Met remote sensing wordt gekeken naar de gereflecteerde straling van een object. Dit zal onder stress een afwijkend patroon volgend dat via remote sensing vanop afstand kan worden waargenomen. De verkregen beelden kunnen informatie geven over de fysiologische toestand van het gewas. Met remote sensing kan dus op één moment de volledige variatie in de boomgaard worden gevisualiseerd met behulp van spectrale metingen. In fruitboomgaarden zal droogtestress zich niet alleen manifesteren als minder water in de kruin maar het kan ook zorgen voor veranderende bladhoeken, afname van vegetatieve groei en in extreme gevallen zelfs chlorosis. Deze informatie kan met behulp van remote sensing gebruikt worden.

Uit de eerste biënnale kon worden opgemerkt dat deze correlaties enorm beïnvloedbaar waren door hoeveelheid metingen, moment van meting, groeisysteem, irrigatie, enz. Daarom werd in de tweede biënnale gezocht naar een robuste indicator voor SWP die onafhankelijk was voor veranderingen ten gevolge van boomgaard parameters (i.e. fenologie, boomstructuur en irrigatie systeem), omgevingsvariabelen (i.e. bodemtoestand) en sensor parameters (i.e. kijkhoek). Via de gemeten SWP kon een relatie worden gelegd tussen grondmetingen (blad- en kruinmetingen), deze werden ook gepubliceerd (Van Beek et al., 2013).

Zo blijkt duidelijk de relatie die gevonden is uit de blad en kruinmetingen een gelijkaardige relatie vertoont ten opzichte van SWP. Hier werd de NDWI (Normalized Difference Water Index; Gao, 1996) gebruikt die sterkt gerelateerd is aan de hoeveelheid water in het blad of de kruin. Deze index toont een goede correlatie die voor beide boomgaarden een gelijkaardig verloop heeft. Verder had de NDWI geen variatie die te wijten was aan opnamedag en moment in het groeiseizoen. Het probleem met deze index is het gebruik ervan in boomgaarden. Deze index is een ratio van twee banden in het SWIR (Shortwave Infrared; 1200-2500 nm). Op dit moment zijn er geen satellieten die over deze banden beschikken met spatiale en temporele resoluties die nuttig zijn voor toepassingen in precisie landbouw. Daarom werd gebruik gemaakt van een andere index. De Red-edge Normalized Difference Vegetation Index (ReNDVI; Van Beek et al., 2013) maakt gebruik van het licht op het grensgebied tussen het visuele en het infrarode (i.e. red-edge 720-780 nm). In combinatie met het NIR (Near InfraRed 1; 770–895 nm) werd in Van Beek et al. (2013) aangetoond dat deze index robust was voor alle mogelijke veranderingen. In tegenstelling tot de NDWI heeft deze index geen correlatie met bladmetingen. Dit is het gevolg van de relatie van de red-edge band met droogtestress. Deze band is namelijk gevoelig aan veranderingen in pigmenten (bv. chlorofyl), bladhoek, fenologie, bladwatergehalte en bladoppervlakte. Doordat deze veranderingen op bladmetingen niet zichtbaar zijn, wordt de relatie enkel duidelijk met kruinmetingen. Omdat deze index robust was op grondniveau (blad- en kruinmetingen) kon deze index ook bestudeerd worden op satellietniveau. Daarom werd voor alle satellietbeelden aangekocht in het project, de ReNDVI bepaald voor alle bestudeerde plots (meer informatie in Van Beek et al., 2013). De relatie tussen SWP en ReNDVI bepaald met satellietbeelden is afgebeeld in Figuur 157.

De relatie tussen SWP op satellietniveau en op kruinniveau toont een gelijkaardig patroon en ook voor beide boomgaarden is er geen verschil zichtbaar. Dit maakt van ReNDVI een ideale indicator voor SWP in perenboomgaarden. Op basis van deze relatie kunnen beelden worden gemaakt die de spatiale verdeling van SWP over de gehele boomgaard tonen. Deze beelden kunnen gebruikt worden om problemen met het huidige irrigatie systeem te detecteren Daardoor kan over-irrigatie of te weinig irrigatie vermeden worden en kunnen productie verliezen geminimaliseerd worden.

Andere indices vertoonden ook significante correlaties met SWP maar werden niet verder behandelt omdat ze afhankelijk waren van verschillen binnen de boomgaard (bv. leeftijd) of tussen boomgaarden (snoeisystemen) of andere invloeden. Daarenboven was het heel belangrijk dat het moment van opname geen invloed had op de relatie met SWP. De ReNDVI voldeed hieraan omdat de red-edge band afhankelijk is van fenologie waardoor deze verschillen werden genormaliseerd (Van Beek et al., 2013).

Binnen het project werden ook UAV (Unmanned Aerial Vehicles) gebruikt. Deze lieten toe om op een hoge spatiale resolutie (< 15 cm) de variatie binnen de boomgaard te visualiseren. Echter, omdat in een boomgaard vaak per rij of per blok wordt geïrrigeerd is deze grote spatiale resolutie nog niet nodig en zal deze enkel meer ruis toevoegen aan de relatie. Naar de toekomst toe kunnen deze zeker hun meerwaarde hebben in precisielandbouw naar ziektedetectie, opbrengstschatten, enz.

Zo blijkt dat de link tussen SWP en ReNDVI robust is en kan gebruikt worden in boomgaarden. Wanneer deze in praktische toepassingen gebruikt worden is het wel aangewezen om gebruik te maken van een referentie punt in de boomgaard (of een aantal punten) die ervoor zorgen dat de gebruikte relatie gevalideerd wordt. Met de remote sensing beelden kan men de relatieve verschillen binnen de boomgaard karteren. Een opmerking die hierbij wel gemaakt moet worden, is de noodzaak voor het gelijktijdig (op dezelfde dag) uitvoeren van spectrale veldmetingen en SWP metingen. Tijdens de eerste biënnale werd namelijk opgemerkt dat SWP erg afhankelijk was van het weer (atmosferische watervraag), waardoor de relatie met remote sensing verstoord werd.

Voor de irrigatieaansturing op één centrale zone op het perceel kan gebruik gemaakt worden van bodemvochtsensoren of door middel van de berekening van het bodemvochtgehalte in de wortelzone met een bodemwaterbalansmodel. Dit waterbalansmodel kan gekalibreerd worden met bodemvochtstalen en/of bodemvochtsensoren. Indien het bodemwaterbalansmodel gecombineerd wordt met een ETo verwachting kan hieruit een irrigatieadvies worden afgeleid. In dit project werd een opvolging op een centrale zone in het perceel met een bodemwaterbalans gecombineerd met bodemvochtstaalnames. Deze aansturing is analoog aan de opvolging die momenteel loopt binnen het PWARO project. (IWT 90924 TD Introductie van duurzame irrigatie en fertigatietoepassing in de perenteelt). De ervaringen uit dit project duiden erop dat de mogelijke meerwaarde van de satellietbeelden hoger is dan de kosten voor het gebruik ervan, zeker indien er gewerkt wordt in regio’s met een hoge concentratie aan boomgaarden. Verwacht wordt dat de kost van de satellietbeelden nog zal verminderen in de toekomst, bovendien kan één satellietbeeld per seizoen, of zelfs een satellietopname uit een vorig groeiseizoen, waardevolle informatie leveren voor de fruitteler.

Het bleek eveneens mogelijk om de gestresste bomen te detecteren met het Worldview II satelietbeeld. In dit geval werd de werd de variatie in stress aangebracht door wortelsnoei. Net zoals voor de geïrrigeerde boomgaard kon het RS-signaal enkel goed worden geïnterpreteerd indien het werd vergeleken met terreinobservaties van SWP en bodemvocht. Voor een boomgaard waar vooralsnog geen terreinmetingen voor handen zijn is een interpretatie van het satellietbeeld risicovol en zijn aanvullende metingen aangewezen.

Met remote sensing werd in dit project enkel gekeken naar de relatie met SWP. Met deze SWP waarden kon dan een inschatting gemaakt worden van de te verwachten opbrengst en de kwaliteit van de vruchten. Het bleek ook mogelijk om met remote sensing rechtsreeks te kijken naar de relatie met productie. Uit de relatie tussen remote sensing en productie (hardheid en opbrengst per boom) blijkt dat het ook mogelijk is om rechtsreeks via remote sensing een inschatting te hebben van het productiepotentieel. Hierbij wordt gebruik gemaakt van de relatie tussen gezondheid van de bomen en de hoeveelheid (of kwaliteit) van de vruchten. Verder blijkt ook dat de correlatie in Bierbeek groter was dan deze in Kerkom. Dit komt waarschijnlijk voort uit de mogelijkheid om in een geïrrigeerde boomgaard in te grijpen tijdens lange periodes van droogte, terwijl in een niet-geïrrigeerde boomgaard de opbrengst meer zal varieren in functie van het weer.

Katholieke Universiteit Leuven en Proefcentrum fruitteelt vzw
Bodemkundige Dienst van België vzw

De verschilllende fruitveilingen onder de koepel van VBT (BFV, Veiling Borgloon, Limburgste tuinbouwveiling, BRAVA, Veiling Hoogstraten), GIM nv, Aurea Imaging, ADLO, Provincie Limburg, Fruitbedrijf Vandervelpen, Universiteit Gent.

Pieter Janssens
Agro Landbouwmachines / Technologie
cc dd (vd), Luc Verhoeven (Just Innovation), Luc Larmuseau (iLLumoo)
Share this on