Simulatie Klimaat & Gewasgroei

Gewassimulatiemodel als link tussen sensoren en gewasproductie

In de tuinbouw is grote behoefte om gedurende de teelt betrouwbare informatie te verkrijgen over de productiecapaciteit op dat moment. Er is een enorm aanbod aan gewas simulatiemodellen die de groei voorspellen op basis van klimaat, maar er zijn echter weinig modellen die in staat zijn om on-line metingen te vertalen naar productie. Samen met EcoCurves en Photosyntax is het Explorer model ontwikkeld die dit WEL kan. Sterker nog, we gaan een stap verder:

arrow-right

Naast het in inzichtelijk maken van de productiecapaciteit kunnen tevens de consequenties van teeltmaatregelen in kaart worden gebracht!


Metingen van momentane plant reacties zijn voor dit doel beslist niet voldoende. Korte-termijn reacties moeten worden afgewogen tegen langere termijn reacties; strategische afwegingen tegen operationele beslissingen.

De productiviteit van elk (tuinbouw)gewas wordt bepaald door de snelheid van ontwikkelingsprocessen enerzijds en de assimilatie van koolzuur anderzijds. Ontwikkelingsprocessen zoals bladafsplitsing, bloei-inductie en strekking van cellen in bloemen en vruchten zijn meer temperatuurafhankelijk dan processen die samenhangen met de assimilatie van koolzuur. In het vervolg worden de ontwikkelingsprocessen, waaraan gekoppeld de verdeling van assimilaten, sinks genoemd. De koolzuurassimilatie processen die impliciet zeer sterk afhankelijk zijn van het licht, worden source genoemd. Specifieke parameters voor sink en source processen worden via metingen aangeleverd. Beïnvloedende factoren zijn: licht, temperatuur en koolzuurconcentratie (CO2). Meer licht betekent een hogere fotosynthese en daardoor een grotere source. Temperatuur heeft binnen betrekkelijk ruime grenzen (15 - 25 oC) weinig invloed op de source. Temperaturen buiten dit traject verlagen de fotosynthese. Een hogere temperatuur doet de ademhaling toenemen. Tem-peratuur heeft vooral invloed op de ontwikkelingsprocessen. Een hogere temperatuur verhoogt de bloei¬snelheid en versnelt het afrijpen van de vruchten. Bij een jong gewas (kleine planten) betekent een hogere temperatuur ook een snellere toename van de lichtonderschepping door de plant (hoge¬re bladafsplitsings-snelheid en dunnere bladeren met een groter bladoppervlak). CO2: een hogere koolzuurconcentratie betekent een hogere fotosynthese en daardoor meer groei en productie. Boven een concentratie van 3 maal de buitenwaarde, die ca. 380 ppm bedraagt, heeft CO2 vrijwel geen invloed meer op de fotosynthese (verzadigingsniveau is bereikt).

Figuur: voorbeeld van de output van het Explorer model van de lichtbenutting en de gerealiseerde productie in week 40. De potentiële productie lijn laat zien wat de extra productie is bij een optimaal klimaat. Uit: Telen op basis van plantbalans bij koude teelten (praktijkonderzoek met Freesia als voorbeeldgewas). 2016: Sander Pot, Ad Schapendonk, Jan Snel en Hans Pronk. Randwijk: Plant Dynamics B.V., p. 39.

De fysiologische modellen die we ontwikkelen zijn gebaseerd op werkingsmechanismen en niet op statistiek. Wij besteden extra zorg om de simulatieresultaten te analyseren en vergelijkingen te maken met experimentele meetresultaten. Een goed beheer (en gebruik) van de opgeslagen meetresultaten is daarbij van groot belang omdat bijstelling van parameters zal plaatsvinden op basis van langlopende registraties van plant response en omgevingscondities. Dit mag echter niet resulteren in aanpassingen van de vergelijkingen. Deze dienen universeel te zijn. De Wit merkte al in 1970 op: "It will often be found that the results obtained with experimenting with the model and the actual system do not agree. In that case, the model may be adjusted such that a better agreement is obtained. Since there are many parameters and many equations involved this is not difficult. However, it is a disastrous way of working because the model degenerates then from an explanatory model in a demonstrative model which cannot be used anymore for extrapolation, and the technique reduces into the most cumbersome and subjective technique of curve fitting that can be imagined."

Optimalisatie van het kasklimaat

Een energiezuinige teelt in kassen met een hoog economisch rendement is technisch mogelijk en zal door milieuwetgeving en de stijgende energieprijzen steeds vaker op de agenda komen. Een teelt waarbij energie niet wordt vernietigd maar via uitwisseling en opslag wordt hergebruikt wordt steeds meer de nieuwe standaard. Bijvoorbeeld in het programma “Het Nieuwe Telen”, wordt hier intensief aan gewerkt. De mate van energiebesparing is uiteraard afhankelijk van de besparing op gas en elektriciteit maar dit mag niet ten koste gaan van productie. Energiebesparing dient uitgedrukt te worden per eenheid geproduceerd product. De effectieve benutting van energie in de kas vraagt om inzicht in de effecten van klimaatregeling op de momentane productiecapaciteit van het gewas en de lange termijn regulering van bladontwikkeling en vruchtzetting. Deze nieuwe manier van telen gaat niet vanzelf en vergt vaak een opeenvolging van compromissen omdat energiebesparing en productiviteit impliciet vaker tegenstrijdige eisen aan het klimaat stellen dan in een teelt die enkel geoptimaliseerd is voor productie.

Omdat planten dynamisch reageren op klimaatfactoren met tijdsconstante die variëren in het seconden-minuten (korte-termijn processen) tot uren en dagen (lange-termijn) processen, is het verstandig om de controle hiërarchisch op te zetten:

1) de strategische controle waarbij processen als vegetatieve en generatieve sturing, bladafsplitsing, tros aanleg, vrucht aanleg en kopdikte worden gesimuleerd. Deze processen bepalen in feite de grenzen waarbinnen de korte-termijn optimalisatie gaat plaatsvinden maar niet de dynamiek waarmee dat gebeurt. De uitdaging voor de strategische controle is vooral gelegen in de accurate vaststelling van grenzen waarbinnen geen nadelige effecten zullen optreden. Door de impliciet trage reacties en het grote belang van de strategische optimalisatie is een goede fundering met beschikbare literatuurgegevens belangrijk.

2) de operationele controle waarbij binnen de grenzen van de strategische controle de dynamiek van snelle processen zoals huidmondjes reactie en elektronentransport in de bladgroenkorrels worden gemeten of gesimuleerd. Uit de monitoring resultaten dient afgeleid te worden wat optimale settings zijn voor de verschillende klimaatfactoren maar tevens is het belangrijk te ontdekken hoe ‘’goedkope’’ factoren op bepaalde tijden kunnen compenseren voor ‘’dure ‘’ factoren. Een nadeel van de gesloten kas is bijvoorbeeld de relatief hoge warmtelast zeker wanneer assimilatiebelichting wordt gebruikt. Uit de fotosynthese metingen bij tomaat is gebleken dat het temperatuuroptimum naar hogere waarden verschuift als de CO2 concentratie wordt verhoogd. CO2 is goedkoop te doseren omdat de kas gesloten is, en een logische maatregel zou dan ook zijn om het nadelige effect van een hoge temperatuur te compenseren door een verhoging van de CO2 concentratie. Uiteraard dient dit te gebeuren binnen de grenzen van de strategische setting. Daarnaast dient zorgvuldig onderzocht te worden wat de effecten van CO2 op de huidmondjes zijn. De korte-termijn effecten van klimaatfactoren zijn voornamelijk gerelateerd aan fotosynthese processen en huidmondjes reacties, die uiteraard nauw met elkaar verweven zijn.