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

Technische Zusammenfassung: Ein Präzisions-Imaging-Ansatz zur Bewertung der photovoltaisch induzierten Beschattungsdynamik bei Weinreben

Problemstellung
Der Weinbau in mediterranen Umgebungen steht vor zunehmenden Einschränkungen durch steigende Temperaturen und übermäßige Sonneneinstrahlung, die die Reife beschleunigen und die Traubenzuqualität beeinträchtigen. Während Agrophotovoltaik-Systeme (AV) eine duale Lösung zur Erzeugung erneuerbarer Energien und zur teilweisen Beschattung bieten, ist das durch sie geschaffene Lichtumfeld hochdynamisch und räumlich heterogen, getrieben durch den Sonnenstand, die Geometrie der Paneele und die Architektur des Blätterdachs. Traditionelle Methoden zur Bewertung der Beschattung, wie der Bodenbedeckungsgrad (GCR) oder statische Layout-Proxys, erfassen nicht die Echtzeit-Lichtregime auf Pflanzenebene, denen die Reben ausgesetzt sind. Darüber hinaus stützen sich bestehende Modellierungsansätze oft auf vereinfachende Annahmen über die Transmissivität des Blätterdachs, die die komplexen, intermittierenden Beschattungsmuster in kommerziellen Weinbergen möglicherweise nicht widerspiegeln. Es besteht ein kritischer Bedarf an feldbasierten, nicht-destruktiven Methoden, um diese räumlich-zeitlichen Beschattungsdynamiken zu quantifizieren und sie direkt mit pflanzlichen physiologischen Reaktionen zu verknüpfen.

Methodik
Die Studie wurde während der Wachstumssaison 2025 in einem Weinberg mit Vitis vinifera cv. Falanghina in Süditalien durchgeführt, der sich unter einer Agrophotovoltaik-Struktur mit amorphen Silizium-Dünnschichtmodulen befindet. Die Forschung nutte einen bodennahen Zeitraffer-RGB-Imaging-Ansatz kombiniert mit radiometrischen und physiologischen Messungen.

• Experimentelles Design: Zwei unterschiedliche Weinpositionen wurden überwacht: Agrophotovoltaischer Schatten (AVS), charakterisiert durch eine hohe Exposition gegenüber paneelinduzierter Beschattung, und Agrophotovoltaisches Licht (AVL), mit geringerer Exposition gegenüber Beschattung.
• Bildgebungssystem: Zwei Brinno BCC2000 Zeitraffer-Kameras wurden 2,0 m über dem Boden installiert, orthogonal zu den PV-Montagepfosten ausgerichtet, um die östlichen (07:00–13:00) und westlichen (14:00–18:00) Seiten des Blätterdachs zu erfassen. Die Bilder wurden stündlich von Juli bis September aufgenommen.
• Bildanalyse: Ein dedizierter Workflow unter Verwendung der photoQuad-Software wurde implementiert. Dies umfasste:
  1. Kalibrierung: Verwendung der bekannten Breite des PV-Stützpfostens (9,30 cm), um Pixel in reale Distanzen umzuwandeln.
  2. Segmentierung: Anwendung eines multi-skaligen Statistical Region Merging (SRM)-Algorithmus, um beschattete Bereiche von beleuchtetem Blätterdach zu unterscheiden.
  3. Quantifizierung: Berechnung des Prozentsatzes der beschatteten Blätterdachfläche innerhalb definierter Quadrats (7910,12 cm²) für jede Behandlung.
• Physiologische & Radiometrische Messungen:
  • Stomatäre Leitfähigkeit ($g_s$) & Blatttemperatur: Zweimal monatlich gemessen an 18 Reben (9 pro Behandlung) mittels eines tragbaren Porometers.
  • Radiometrie: Kontinuierliche Überwachung der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR) unter den Paneelen und in einem Kontrollbereich in voller Sonne. Spektrale Daten (PPFD, band-spezifische Photonenflussdichten für Blau, Grün, Rot und das Rot:Farbreduziert-Verhältnis) wurden mit einem tragbaren Spektrometer erfasst.
• Statistische Analyse: Nicht-parametrische Tests (Kruskal-Wallis, Dunn-Test) wurden für den Vergleich der Behandlungen verwendet, und die Kendall-Rangkorrelation ($\tau$) wurde eingesetzt, um Beziehungen zwischen Beschattungsmetriken und physiologischen Variablen zu bewerten.

Wichtigste Ergebnisse

• Beschattungsdynamik: Die AVS-Behandlung wies eine signifikant höhere mittlere Beschattung (76,14 %) auf als AVL (39,45 %, $p < 0,0001$). AVS blieb den ganzen Tag über konsistent beschattet (mit einem Spitzenwert von 89,49 % am späten Nachmittag), während AVL eine geringere, variablere Beschattung zeigte. Saisonale Trends unterschieden sich: Die AVS-Beschattung nahm im September ab, während die AVL-Beschattung zunahm, was die Interaktion zwischen solarer Phänologie und Paneelgeometrie widerspiegelt.
• Radiometrische Auswirkungen: Die mittlere PAR unter den Paneelen betrug 379,53 µmol m⁻² s⁻¹, was einer Reduktion um 64 % im Vergleich zur Vollsonnen-Kontrolle (1054,4 µmol m⁻² s⁻¹) entspricht. Die AVS-Behandlung erlebte eine extreme Photonenlimitierung (PPFD $\approx$ 52 µmol m⁻² s⁻¹) im Vergleich zu AVL (PPFD $\approx$ 1485 µmol m⁻² s⁻¹).
• Physiologische Korrelationen:
  • Stomatäre Leitfähigkeit ($g_s$): Zeigte eine moderate negative Korrelation mit der Beschattung ($\tau = -0,41$) und eine moderate- bis starke positive Korrelation mit der PPFD ($\tau = 0,52$) sowie den spektralen Photonenflussdichten.
  • Spektrale Qualität: Das Rot:Farbreduziert-Verhältnis (R:FR) war in AVS (0,46) signifikant niedriger als in AVL (0,98), was auf ein starkes „Schattensignal“ hindeutet.
  • Diurnale Muster: $g_s$ war am Morgen (ostseitig) signifikant höher als am Nachmittag (westseitig), ein Muster, das auf diurnale hydraulische Einschränkungen und das Dampfdruckdefizit zurückzuführen ist und nicht auf Unterschiede in der Beschattung zwischen den Seiten.
  • Temperatur: Die Blatttemperatur zeigte keinen signifikanten Zusammenhang mit $g_s$, was darauf hindeutet, dass thermische Variabilität in diesem Kontext nicht der primäre Treiber des stomatären Verhaltens war.
• Ertragsimplikationen: Unter Bezugnahme auf die gleichzeitigen Produktionsdaten desselben Standorts stellt die Studie fest, dass AVL-Reben die höchste Produktivität erzielten. AVS-Reben zeigten eine Reduktion der Traubenzahl um 25 % und eine Reduktion des Ertrags um 35 % im Vergleich zu AVL, während Vollsonnen-Reben noch stärkere Rückgänge verzeichneten, was auf ein „optimales Kompromissverhältnis“ in der AVL-Behandlung hindeutet.

Wichtigste Beiträge

1. Methodische Innovation: Die Arbeit präsentiert einen kostengünstigen, nicht-destruktiven Workflow unter Verwendung von proximalem RGB-Zeitraffer-Imaging, um zeitlich explizite Beschattungsmetriken abzuleiten. Dieser Ansatz geht über statische geometrische Schätzungen hinaus und liefert feldaufgelöste Daten zur Lichtinterzeption.
2. Physiologische Validierung: Die Studie zeigt, dass bildbasierte Beschattungsmetriken stark mit pflanzenrelevanten radiometrischen und physiologischen Variablen korrelieren, insbesondere mit der stomatären Leitfähigkeit und der Verfügbarkeit des Photonenflusses.
3. Charakterisierung der AV-Heterogenität: Die Forschung quantifiziert den starken Kontrast zwischen hochdichter Beschattung (AVS) und intermediärer Beschattung (AVL) innerhalb desselben Agrophotovoltaik-Layouts und hebt hervor, wie die Paneelpositionierung unterschiedliche Mikroumgebungen mit verschiedenen physiologischen Auswirkungen schafft.

Bedeutung und Behauptungen
Die Autoren behaupten, dass dieser Workflow ein praktisches Werkzeug für die Präzisionsüberwachung und das Management von Agrophotovoltaik-Systemen darstellt. Durch die Bereitstellung direkter, zeitlich expliziter Daten zu Beschattungsdynamiken unterstützt der Ansatz die standortspezifische Bewertung von Kulturpflanzen-Mikroumgebungen. Die Studie legt nahe, dass während hochdichte Beschattung (AVS) gegen extreme Strahlung puffern kann, sie jedoch die Kohlenstoffassimilation und den Ertrag bei lichtliebenden Kulturen wie Weinreben einschränken kann. Im Gegensatz dazu kann intermediäre Beschattung (AVL) ein optimales Gleichgewicht bieten, indem sie die photosynthetische Kapazität erhält und gleichzeitig thermischen Stress mildert. Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass solche bildbasierten Metriken das Design von Agrophotovoltaik-Systemen (Paneelabstand, Höhe, Orientierung) leiten können, um sie besser an die kulturspezifischen Lichtanforderungen anzupassen – weg von theoretischer Modellierung hin zu empirisch fundierten Managementstrategien.