A Precision Imaging Approach to Assess Photovoltaic- Induced Shading Dynamics in Grapevine

ملخص تقني: نهج تصوير دقيق لتقييم ديناميكيات التظليل الناجم عن الأنظمة الكهروضوئية في كرم العنب

بيان المشكلة
تواجه زراعة الكروم في البيئات المتوسطية قيوداً متزايدة ناتجة عن ارتفاع درجات الحرارة والإشعاع الشمسي المفرط، مما يسرع عملية النضج ويؤثر سلباً على جودة العنب. وبينما توفر أنظمة الزراعة الكهروضوئية (AV) حلاً مزدوجاً يتمثل في توليد الطاقة المتجددة والتظليل الجزئي، فإن بيئة الضوء التي تخلقها هي بيئة ديناميكية للغاية وغير متجانسة مكانياً، مدفوعة بموقع الشمس، وهندسة الألواح، وبنية المظلة النباتية. وتفشل الطرق التقليدية لتقييم التظليل، مثل نسب التغطية الأرضية (GCR) أو النماذج الهيكلية الثابتة، في رصد أنظمة الضوء اللحظية على مستوى النبات التي تتعرض لها الكروم. علاوة على ذلك، تعتمد نماذج المحاكاة الحالية غالباً على افتراضات تبسيطية حول نفاذية المظلة، والتي قد لا تعكس أنماط التظليل المتقطعة والمعقدة في مزارع الكروم التجارية. هناك حاءة ماسة إلى طرق ميدانية غير مدمرة للكمّ، تهدف إلى قياس ديناميكيات التظليل الزمانية والمكانية وربطها مباشرة بالاستجابات الفسيولوجية للنبات.

المنهجية
أُجريت الدراسة خلال موسم النمو لعام 2025 في كرم من صنف Vitis vinifera (فالانجينا) في جنوب إيطاليا، الواقع تحت هيكل زراعي كهروضوئي يتكون من ألواح السيليكون غير المتبلور (amorphous silicon) رقيقة الغشاء. اعتمد البحث على نهج التصوير القريب من السطح باستخدام كاميرات التصوير الزمني (time-lapse) بنظام RGB، مقترناً بقياسات إشعاعية وفسيولوجية.

• التصميم التجريبي: تمت مراقبة موقعين متميزين للنبات: ظل الزراعة الكهروضوئية (AVS)، الذي يتميز بالتعرض العالي للتظليل الناتج عن الألواح، وضوء الزراعة الكهروضوئية (AVL)، الذي يتميز بتعرض أقل للظل.
• نظام التصوير: تم تركيب كاميرتين من نوع Brinno BCC2000 للتصوير الزمني على ارتفاع 2.0 متر فوق سطح الأرض، موجهتين بشكل عمودي على أعمدة تثبيت الألواح الكهروضوئية لالتقاط جوانب المظلة الشرقية (07:00–13:00) والغربية (14:00–18:00). تم الحصول على الصور كل ساعة من يوليو إلى سبتمبر.
• تحليل الصور: تم تنفيذ سير عمل مخصص باستخدام برنامج photoQuad، تضمن:
  1. المعايرة: استخدام العرض المعروف لعمود دعم الألواذ الكهروضوئية (9.30 سم) لتحويل البكسلات إلى مسافات في العالم الحقيقي.
  2. التجزئة: تطبيق خوارزمية دمج المناطق الإحصائية متعددة المقاييس (SRM) للتمييز بين المناطق المظللة والمظلة المضاءة.
  3. القياس الكمي: حساب النسبة المئوية لمساحة المظلة المظللة ضمن مربعات محددة (7910.12 سم²) لكل معاملة.
• القياسات الفسيولوجية والإشعاعية:
  • الموصلية الثغرية ($g_s$) ودرجة حرارة الأوراق: تم قياسهما مرتين شهرياً على 18 كرمة (9 لكل معاملة) باستخدام جهاز بوروميتر محمول.
  • القياس الإشعاعي: تمت مراقبة الإشعاع النشط ضوئياً (PAR) المستمر تحت الألواح وفي منطقة تحكم معرضة للشمس الكاملة. كما جُمعت البيانات الطيفية (PPFD، وكثافة تدفق الفوتونات للنطاقات المحددة للون الأزرق، الأخضر، الأحمر، ونسبة الأحمر إلى الأحمر البعيد) باستخدام مقياس طيف محمول.
• التحليل الإحصائي: استُخدمت الاختبارات غير المعلمية (Kruskal-Wallis، واختبار Dunn) لمقارنة المعاملات، واستُخدم ارتباط رتب كيندال ($\tau$) لتقييم العلاقات بين مقاييس التظليل والمتغيرات الفسيولوجية.

النتائج الرئيسية

• ديناميكيات التظليل: أظهرت معاملة AVS تظليلاً متوسطاً أعلى بكثير (76.14%) مقارنة بـ AVL (39.45%، $p < 0.0001$). ظل نظام AVS مظللاً باستمرار طوال اليوم (بذروة بلغت 89.49% في وقت متأخر من بعد الظهر)، بينما أظهر نظام AVL تظليلاً أقل وأكثر تباينًا. اختلفت الاتجاهات الموسمية: انخفض التظليل في AVS في سبتمبر، بينما زاد في AVL، مما يعكس التفاعل بين الفينولوجيا الشمسية وهندسة الألواح.
• الأثر الإشعاعي: بلغ متوسط PAR تحت الألواض 379.53 ميكرومول م⁻² ث⁻¹، وهو ما يمثل انخفاضاً بنسبة 64% مقارنة بمجموعة التحكم المعرضة للشمس الكاملة (1054.4 ميكرومول م⁻² ث⁻¹). شهدت معاملة AVS محدودية فوتونية شديدة (PPFD $\approx$ 52 ميكرومول م⁻² ث⁻¹) مقارنة بـ AVL (PPFD $\approx$ 1485 ميكرومول م⁻² ث⁻¹).
• الارتباطات الفسيولوجية:
  • الموصلية الثغرية ($g_s$): أظهرت ارتباطاً سالباً متوسطاً مع التظليل ($\tau = -0.41$) وارتباطاً موجباً متوسطاً إلى قوي مع PPFD ($\tau = 0.52$) وكثافة تدفق الفوتونات الطيفية.
  • الجودة الطيفية: كانت نسبة الأحمر إلى الأحمر البعيد (R:FR) أقل بكثير في AVS (0.46) منها في AVL (0.98)، مما يشير إلى "إشارة ظل" قوية.
  • الأنماط اليومية: كانت $g_s$ أعلى بكثير في الصباح (الجانب الشرقي) منها في بعد الظهر (الجانب الغربي)، وهو نمط يُعزى إلى القيود الهيدروليكية اليومية وعجز ضغط البخار بدلاً من الاختلافات في التظليل بين الجوانب.
  • درجة الحرارة: لم تظهر درجة حرارة الورقة أي علاقة ذات دلالة إحصائية مع $g_s$، مما يشير إلى أن التباين الحراري لم يكن المحرك الأساسي للسلوك الثغري في هذا السياق.
• الآثار على الإنتاجية: بالإشارة إلى بيانات الإنتاج المتزامنة من نفس الموقع، تشير الدراسة إلى أن كرمات AVL حققت أعلى إنتاجية. أظهرت كرمات AVS انخفاضاً بنسبة 25% في عدد العناقيد وانخفاضاً بنسبة 35% في المحصول مقارنة بـ AVL، بينما أظهرت الكروم المعرضة للشمس الكاملة انخفاضات أكبر، مما يشير إلى وجود "حل وسط أمثل" في معاملة AVL.

المساهمات الرئيسية

1. الابتكار المنهجي: يقدم البحث سير عمل منخفض التكلفة وغير مدمر باستخدام التصوير الزمني القريب بنظام RGB لاستخراج مقاييس تظليل صريحة زمنياً. يتجاوز هذا النهج التقديرات الهندسية الثابتة لتوفير بيانات ميدانية حول اعتراض الضوء.
2. التحقق الفسيولوجي: تثبت الدراسة أن مقاييس التظليل المستمدة من الصور ترتبط ارتباطاً وثيقاً بالمتغيرات الإشعاعية والفسيولوجية ذات الصلة بالنبات، وتحديداً الموصلية الثغرية وتوفر تدفق الفوتونات.
3. توصيف عدم التجانس في الزراعة الكهروضوئية: يحدد البحث التباين الصارخ بين التظليل عالي الكثافة (AVS) والتظليل المتوسط (AVL) داخل نفس التخطيط الزراعي الكهروضوئي، مما يسلط الضل على كيفية خلق تموضع الألواح لبيئات دقيقة متميزة ذات آثار فسيولوجية مختلفة.

الأهمية والادعاءات
يزعم المؤلفون أن سير العمل هذا يوفر أداة عملية للمراقبة الدقيقة والإدارة للأنظمة الزراعية الكهروضوئية. ومن خلال توفير بيانات مباشرة وصريحة زمنياً حول ديناميكيات التظليل، يدعم هذا النهج التقييم الموقعي للبيئات الدقيقة للمحاصيل. تشير الدراسة إلى أنه بينما يمكن للتظليل عالي الكثافة (AVS) أن يحمي من الإشعاع الشديد، إلا أنه قد يحد من تمثيل الكربون والمحصول في المحاصيل المحبة للشمس مثل الكروم. وعلى العكس من ذلك، قد يوفر التظليل المتوسط (AVL) توازناً أمثلاً، حيث يحافظ على القدرة على التمثيل الضوئي مع التخفيف من الإجهاد الحراري. وتخلص الورقة إلى أن هذه المقاييس القائمة على التصوير يمكن أن توجه تصميم الأنظمة الزراعية الكهروضوئية (تباعد الألواح، الارتفاع، التوجيه) لتناسب بشكل أفضل المتطلبات الضوئية الخاصة بالمحاصيل، والانتقال من النمذجة النظرية إلى استراتيجيات الإدارة القائمة على الأدلة التجريبية.