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

Technische Samenvatting: Een precisie-imageringsbenadering voor de beoordeling van fotovoltaïsche schaduwdynamiek in wijnbouw

Probleemstelling
De wijnbouw in mediterrane omgevingen wordt geconfronteerd met toenemende beperkingen door stijgende temperaturen en overmatige zonnestraling, wat de rijping versnelt en de kwaliteit van de druiven in gevaar brengt. Hoewel agrivoltaïsche (AV) systemen een dubbele oplossing bieden van hernieuwbare energieopwekking en gedeeltelijke schaduw, is de lichtomgeving die zij creëren zeer dynamisch en ruimtelijk heterogeen, gedreven door de zonnestand, paneelgeometrie en de architectuur van het bladerdak. Traditionele methoden voor het beoordelen van schaduw, zoals de grondbedekkingsratio (GCR) of statische lay-outproxies, slagen er niet in om de real-time, op plantniveau variërende lichtregimes te vangen die de wijnstokken ervaren. Bovendien vertrouwen bestaande modelleringsbenaderingen vaak op vereenvoudigende aannames over de transmissie van het bladerdak, die mogelijk niet de complexe, intermitterende schaduwpatronen in commerciële wijngaarden weerspiegelen. Er is een kritieke behoefte aan veldgebaseerde, niet-destructieve methoden om deze spatio-temporele schaduwdynamiek te kwantificeren en deze direct te koppelen aan de fysiologische respons van de plant.

Methodologie
De studie werd uitgevoerd tijdens het groeiseizoen van 2025 in een Vitis vinifera cv. Falanghina wijngaard in Zuid-Italië, gelegen onder een agrivoltaïsche structuur met amorfe silicium dunne-film panelen. Het onderzoek maakte gebruik van een nabij-oppervlakte, time-lapse RGB-imageringsbenadering gecombineerd met radiometrische en fysiologische metingen.

• Experimenteel ontwerp: Twee verschillende posities van de wijnstok werden gemonitord: Agrivoltaic Shade (AVS), gekenmerkt door een hoge blootstelling aan paneel-geïnduceerde schaduw, en Agrivoltaic Light (AVL), met een lagere blootstelling.
• Imageringssysteem: Twee Brinno BCC2000 time-lapse camera's werden 2,0 m boven de grond geïnstalleerd, loodrecht op de PV-montagepalen gericht om de oostelijke (07:00–13:00) en westelijke (14:00–18:00) zijden van het bladerdak vast te leggen. Beelden werden elk uur verworven van juli tot september.
• Beeldanalyse: Een specifieke workflow met de photoQuad software werd geïmplementeerd. Dit omvatte:
  1. Kalibratie: Gebruikmakend van de bekende breedte van de PV-steunpaal (9,30 cm) om pixels om te zetten naar werkelijke afstanden.
  2. Segmentatie: Toepassing van een multi-schaal Statistical Region Merging (SRM) algoritme om de beschaduwde gebieden te onderscheiden van het verlichte bladerdak.
  3. Kwantificatie: Berekening van het percentage van het bladerdak dat beschaduwd is binnen gedefinieerde quadraten (7910,12 cm²) voor elke behandeling.
• Fysiologische & Radiometrische Metingen:
  • Stomataire geleidbaarheid ($g_s$) & Bladtemperatuur: Tweemaandelijks gemeten op 18 wijnstokken (9 per behandeling) met behulp van een draagbare porometer.
  • Radiometrie: Continue monitoring van Photosynthetically Active Radiation (PAR) onder de panelen en in een controlegebied met volle zon. Spectrale data (PPFD, band-specifieke fotonfluxdichtheden voor blauw, groen, rood en de Red:Far-Red ratio) werden verzameld met een draagbare spectrometer.
• Statistische Analyse: Niet-parametrische toetsen (Kruskal-Wallis, Dunn's test) werden gebruikt voor vergelijkingen tussen behandelingen, en Kendall's rangcorrelatie ($\tau$) werd ingezet om de relaties tussen schaduwmetingen en fysiologische variabelen te beoordelen.

Belangrijkste Resultaten

• Schaduwdynamiek: De AVS-behandeling vertoonde een significant hogere gemiddelde schaduw (76,14%) vergeleken met AVL (39,45%, $p < 0,0001$). AVS bleef de hele dag consistent beschaduwd (piekend op 89,49% in de late namiddag), terwijl AVL een lagere, meer variabele schaduw vertoonde. Seizoensgebonden trends verschilden: AVS-schaduw nam af in september, terwijl AVL-schaduw toenam, wat de interactie tussen de zonnestatistiek en de paneelgeometrie weerspiegelt.
• Radiometrische Impact: De gemiddelde PAR onder de panelen was 379,53 µmol m⁻² s⁻¹, wat een reductie van 64% betekent ten opzichte van de controle met volle zon (1054,4 µmol m⁻² s⁻¹). De AVS-behandeling ervoer extreme fotonbeperking (PPFD $\approx$ 52 µmol m⁻² s⁻¹) vergeleken met AVL (PPFD $\approx$ 1485 µmol m⁻² s⁻¹).
• Fysiologische Correlaties:
  • Stomataire geleidbaarheid ($g_s$): Toonde een matige negatieve correlatie met schaduw ($\tau = -0,41$) en een matige tot sterke positieve correlatie met PPFD ($\tau = 0,52$) en spectrale fotonfluxdichtheden.
  • Spectrale Kwaliteit: De Red:Far-Red (R:FR) ratio was significant lager in AVS (0,46) dan in AVL (0,98), wat wijst op een sterk "schaduwsignaal".
  • Diurnale Patronen: $g_s$ was significant hoger in de ochtend (oostgericht) dan in de middag (westgericht), een patroon dat wordt toegeschreven aan diurnale hydraulische beperkingen en de dampdruktekort (VPD) in plaats van verschillen in schaduw tussen de zijden.
  • Temperatuur: De bladtemperatuur vertoonde geen significante relatie met $g_s$, wat suggereert dat thermische variabiliteit niet de primaire drijfveer was voor het stomatale gedrag in deze context.
• Opbrengstimplicaties: Verwijzend naar gelijktijdige productiegegevens van dezelfde locatie, merkt de studie op dat AVL-wijnstokken de hoogste productiviteit bereikten. AVS-wijnstokken vertoonden een reductie van 25% in het aantal trossen en een reductie van 35% in de opbrengst vergeleken met AVL, terwijl wijnstokken in volle zon nog grotere reducties lieten zien, wat suggereert dat de AVL-behandeling een "optimaal compromis" vormt.

Belangrijkste Bijdragen

1. Methodologische Innovatie: Het artikel presenteert een goedkope, niet-destructieve workflow met behulp van nabije RGB time-lapse imageringsmethoden om tijdsafhankelijke schaduwmetingen af te leiden. Deze benadering gaat verder dan statische geometrische schattingen en levert veldgeresolveerde gegevens over lichtinterceptie.
2. Fysiologische Validatie: De studie toont aan dat uit beelden afgeleide schaduwmetingen sterk correleren met plantrelevante radiometrische en fysiologische variabelen, speciferik de stomatare geleidbaarheid en de beschikbaarheid van fotonflux.
3. Karakterisering van AV-Heterogeniteit: Het onderzoek kwantificeert het scherpe contrast tussen hoog-densiteit schaduw (AVS) en intermediaire schaduw (AVL) binnen hetzelfde agrivoltaïsche layout, waarbij wordt benadrukt hoe de positionering van panelen onderscheidende micro-omgevingen creëert met verschillende fysiologische implicaties.

Betekenis en Claims
De auteurs beweren dat deze workflow een praktische tool biedt voor de precisie-monitoring en het beheer van agrivoltaïsche systemen. Door het leveren van directe, tijdsafhankelijke gegevens over schaduwdynamiek, ondersteunt de benadering de locatie-specifieke beoordeling van gewasmicro-omgevingen. De studie suggereert dat hoewel hoog-densiteit schaduw (AVS) kan beschermen tegen extreme straling, het de koolstofassimilatie en opbrengst in zonminnende gewassen zoals wijnranken kan beperken. Daarentegen kan intermediaire schaduw (AVL) een optimaal evenwicht bieden door het fotosynthetisch vermogen te behouden terwijl thermische stress wordt gemitigeerd. Het artikel concludeert dat dergelijke op beeld gebaseerde metrieken kunnen helpen bij het ontwerpen van agrivoltaïsche systemen (paneelafstand, hoogte, oriëntatie) om beter aan te sluiten bij de lichtbehoeften van specifieke gewassen, waarbij men overgaat van theoretische modellering naar empirisch onderbouwde beheersstrategieën.