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

Resumen Técnico: Un enfoque de imagen de precisión para evaluar la dinámica del sombreado inducido por sistemas fotovoltaicos en la vid

Planteamiento del Problema
La viticultura en entornos mediterráneos enfrenta restricciones crecientes debido al aumento de las temperaturas y la radiación solar excesiva, que aceleran la maduración y comprometen la calidad de la uva. Si bien los sistemas agrivoltaicos (AV) ofrecen una solución dual de generación de energía renovable y sombreado parcial, el entorno lumínico que crean es altamente dinámico y espacialmente heterogéneo, impulsado por la posición del sol, la geometría de los paneles y la arquitectura del dosel. Los métodos tradicionales para evaluar el sombreado, como la relación de cobertura terrestre (GCR) o los indicadores estáticos de diseño, no logran capturar los regímenes de luz en tiempo real a escala de la planta experimentados por las vides. Además, los modelos existentes suelen basarse en suposiciones simplificadas sobre la transmitancia del dosel que pueden no reflejar los patrones de sombreado complejos e intermitentes en viñedos comerciales. Existe una necesidad crítica de métodos de campo no destructivos para cuantificar estas dinámicas de sombreado espacio-temporales y vincularlas directamente con las respuestas fisiológicas de la planta.

Metodología
El estudio se llevó a cabo durante la temporada de crecimiento de 2025 en un viñedo de Vitis vinifera cv. Falanghina en el sur de Italia, situado bajo una estructura agrivoltaica con paneles de película delgada de silicio amorfo. La investigación empleó un enfoque de imagen RGB de lapso de tiempo (time-lapse) de superficie cercana, combinado con mediciones radiométricas y fisiológicas.

• Diseño Experimental: Se monitorearon dos posiciones distintas de la vid: Sombra Agrivoltaica (AVS), caracterizada por una alta exposición al sombreado inducido por los paneles, y Luz Agrivoltaica (AVL), con menor exposición.
• Sistema de Imagen: Se instalaron dos cámaras de lapso de tiempo Brinno BCC2000 a 2.0 m sobre el suelo, orientadas ortogonalmente a los postes de montaje de los PV para capturar los lados este (07:00–13:00) y oeste (14:00–18:00) del dosel. Las imágenes se adquirieron cada hora de julio a septiembre.
• Análisis de Imágenes: Se implementó un flujo de trabajo dedicado utilizando el software photoQuad. Esto implicó:
  1. Calibración: Uso del ancho conocido del poste de soporte de PV (9.30 cm) para convertir píxeles en distancias del mundo real.
  2. Segmentación: Aplicación de un algoritmo de Fusión de Regiones Estadísticas (SRM) multiescala para distinguir las áreas sombreadas del dosel iluminado.
  3. Cuantificación: Cálculo del porcentaje del área del dosel sombreada dentro de cuadrantes definidos (7910.12 cm²) para cada tratamiento.
• Mediciones Fisiológicas y Radiométricas:
  • Conductancia Estomática ($g_s$) y Temperatura Foliar: Medidas dos veces al mes en 18 vides (9 por tratamiento) utilizando un porómetro portátil.
  • Radiometría: Se monitoreó continuamente la Radiación Fotosintéticamente Activa (PAR) debajo de los paneles y en un área de control de pleno sol. Los datos espectrales (PPFD, densidades de flujo de fotones de banda específica para azul, verde, rojo y la relación Rojo:Rojo Lejano) se recolectaron mediante un espectrómetro portátil.
• Análisis Estadístico: Se utilizaron pruebas no paramétricas (Kruskal-Wallis, prueba de Dunn) para las comparaciones de tratamientos, y se empleó la correlación de rango de Kendall ($\tau$) para evaluar las relaciones entre las métricas de sombreado y las variables fisiológicas.

Resultos Clave

• Dinámica de Sombreado: El tratamiento AVS exhibió un sombreado medio significativamente mayor (76.14%) en comparación con el AVL (39.45%, $p < 0.0001$). El AVS permaneció consistentemente sombreado durante todo el día (alcanzando un máximo de 89.49% al final de la tarde), mientras que el AVL mostró un sombreado menor y más variable. Las tendencias estacionales difirieron: el sombreado de AVS disminuyó en septiembre, mientras que el de AVL aumentó, reflejando la interacción entre la fenología solar y la geometría de los paneles.
• Impacto Radiométrico: El PAR medio bajo los paneles fue de 379.53 µmol m⁻² s⁻¹, lo que representa una reducción del 64% en comparación con el control de pleno sol (1054.4 µmol m⁻² s⁻¹). El tratamiento AVS experimentó una limitación de fotones extrema (PPFD $\approx$ 52 µmol m⁻² s⁻¹) en comparación con el AVL (PPFD $\approx$ 1485 µmol m⁻² s⁻¹).
• Correlaciones Fisiológicas:
  • Conductancia Estomática ($g_s$): Mostró una correlación negativa moderada con el sombreado ($\tau = -0.41$) y una correlación positiva de moderada a fuerte con el PPFD ($\tau = 0.52$) y las densidades de flujo de fotones espectrales.
  • Calidad Espectral: La relación Rojo:Rojo Lejano (R:FR) fue significativamente menor en AVS (0.46) que en AVL (0.98), indicando una fuerte "señal de sombra".
  • Patrones Diurnos: La $g_s$ fue significativamente mayor por la mañana (cara este) que por la tarde (cara oeste), un patrón atribuido a las restricciones hidráulicas diurnas y al déficit de presión de vapor más que a las diferencias de sombreado entre los lados.
  • Temperatura: La temperatura foliar no mostró una relación significativa con la $g_s$, lo que sugiere que la variabilidad térmica no fue el principal motor del comportamiento estomático en este contexto.
• Implicaciones de Rendimiento: Haciendo referencia a los datos de producción concurrentes del mismo sitio, el estudio señala que las vides AVL lograron la mayor productividad. Las vides AVS mostraron una reducción del 25% en el número de racimos y una reducción del 35% en el rendimiento en comparación con AVL, mientras que las vides de pleno sol mostraron reducciones aún mayores, sugiriendo un "compromiso óptimo" en el tratamiento AVL.

Contribuciones Clave

1. Innovación Metodológica: El artículo presenta un flujo de trabajo de bajo costo y no destructivo utilizando imágenes RGB de lapso de tiempo proximal para derivar métricas de sombreado temporalmente explícitas. Este enfoque va más allá de las estimaciones geométricas estáticas para proporcionar datos resueltos en el campo sobre la interceptación de luz.
2. Validación Fisiológica: El estudio demuestra que las métricas de sombreado derivadas de imágenes están fuertemente correlacionadas con variables radiométricas y fisiológicas relevantes para la planta, específicamente la conductancia estomática y la disponibilidad de flujo de fotones.
3. Caracterización de la Heterogeneidad Agrivoltaica: La investigación cuantifica el marcado contraste entre el sombreado de alta densidad (AVS) y el de sombreado intermedio (AVL) dentro de un mismo diseño agrivoltaico, resaltando cómo el posicionamiento de los paneles crea microambientes distintos con diferentes implicaciones fisiológicas.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este flujo de trabajo ofrece una herramienta práctica para el monitoreo y la gestión de precisión de los sistemas agrivoltaicos. Al proporcionar datos directamente explícitos en el tiempo sobre la dinámica del sombreado, el enfoque permite la evaluación específica del sitio de los microambientes de los cultivos. El estudio sugiere que, si bien el sombreado de alta densidad (AVS) puede amortiguar la radiación extrema, puede limitar la asimilación de carbono y el rendimiento en cultivos que requieren mucho sol como la vid. Por el contrario, el sombreado intermedio (AVL) puede ofrecer un equilibrio óptimo, manteniendo la capacidad fotosintética mientras se mitiga el estrés térmico. El artículo concluye que tales métricas basadas en imágenes pueden guiar el diseño de sistemas agrivoltaicos (espaciamiento de paneles, altura, orientación) para ajustarse mejor a los requisitos de luz específicos del cultivo, pasando de la modelización teórica a estrategias de gestión basadas empíricamente.