Sensori di flusso xilematico per la stima della traspirazione delle piante arboree da frutto

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1 Sensori di flusso xilematico per la stima della traspirazione delle piante arboree da frutto Antonio Motisi Dipartimento di Colture Arboree, Università di Palermo

2 Domanda traspirativa dell ambiente Environmental demand Architettura idraulica della pianta Plant hydraulic architecture Disponibilità idrica nel terreno Soil water availability

3 Dinamica giornaliera dell acqua nella pianta Assorbimento 35 Traspirazione ora del giorno Dinamica giornaliera del potenziale idrico Diurnal variation of leaf water potential 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18, PSI (bar) time of day

4 Effetti del deficit idrico sull assimilazione netta e sulla crescita nella vite Crescita per distensione cellulare Potenziale idrico nelle ore centrali della giornata (potenziale idrico minimo)

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6 Effetti del regime irriguo sulla produttività e sulla crescita vegetativa della vite Effects of irrigation regime on grapevine productivity and vegetative growth Produzione (yield) kg/vine kg/vine ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1, ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1, Water supply (fraction of consumption) Water supply (fraction of consumption) Legno di potatura (pruning wt) 6 0,8 5 0,6 4 0,4 0,2 kg/vine 3 2 kg/vine 0-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1-0,4 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4-0,6-0,8 Water supply (fraction of consumption) Water supply (fraction of consumption)

7 Effetti del regime irriguo sulla produttività dell olivo Effects of irrigation regime on olive yield R 2 = 0,973 Fruit Yield (kg/ha) Accumulated Yield 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Water supply (fraction of consumption) Kc From: Girona et al., 2000

8 Effetti dell irrigazione a deficit idrico controllato sulla crescita del frutto (pero) Effects of RDI irrigationon fruit growth (pear)

9 Tecniche di misura dei flussi xilematici

10 Velocità del flusso xilematico in risposta all irrigazione velocity (mm/s) day

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13 Sap flow readings Trunk radius SAP FLOW HEARTWOOD SAPWOOD BARK V Depth

14 Heat pulse

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17 3 Integrazione della velocità di flusso sull intera sezione interessata al flusso xilematica

18 Variazione radiale del flusso xilematico

19 Distribuzione radiale flusso xilematico

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21 Heat Field Deformation method (HFD)

22 Schemi di installazione dei sensori HFD simmetrico/asimmetrico

23 Heat balance

24 Sensori TDP (Thermal disspation probes)

25 calibrazione

26 Equazione di Marshall (1958) Soluzione analitica dell equazione di Marshall (1958) Solo in teoria!!

27 Effetto ferita Teoria (eq di Marshall) Dati osservati

28 Equazione di Marshall (1958)

29 Coefficienti di correzione

30 Raffronto con misure lisimetriche

31 RILIEVI ECOFISIOLOGICI FLUSSO XILEMATICO Per la validità del metodo sono state eseguite delle prove di calibratura sulle due stesse piante dove si trovano i sensori. I dati ottenuti di traspirazione sono stati confrontati con appositi sensori di misura di scambi gassosi effettuati con il sistema aperto.

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34 Sap flow sensors

35 Connettori (12 V) Riscaldatore (=resistenza)

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39 applicazioni Consumi idrici e vigore delle piante Osservazioni su pesco in combinazioni di innesto di diverso vigore

40 D = 1,62 D = 1,54 D = 1,55 D = 1,48 Barrier 1 GF 677 Ishtarà MrS 2/5

41 Differente struttura xilematica indotta nel nesto dai due portinnesti GF 677 MrS 2/5

42 scion/stock combination affected: xylem anatomical characters xylem hydraulic properties Limitation of growth by hydraulic constraints

43 MATERIALI E METODI Calibrazione dei sensori HPV attraverso un sistema aperto La prova è stata condotta su entrambe le piante delle due combinazioni di innesto (GF 677 e MrS 2/5) nel mese di agosto OUT I flussi traspirativi giornalieri delle piante sono stati stimati dalla differenza di concentrazione di vapore acqueo tra i flussi in entrata e in uscita dal pallone (CIRAS - 1) IN

44 MATERIALI E METODI Calibrazione dei sensori HPV: andamento giornaliero della traspirazione rilevata mediante sistema aperto ( pallone ) e sensori HPV 2,5 GF 677 MrS 2/5 0,60 Traspirazione albero (litri orā 1 ) 2,0 1,5 1,0 0,5 Traspirazione albero (l ora -1 ) 0,45 0,30 0,15 0, Ora del giorno Traspirazione rilevata mediante pallone Traspirazione determinata mediante sensori HPV Ora del giorno Traspirazione rilevata mediante pallone Traspirazione determinata mediante sensori HPV

45 RISULTATI flusso xilematico Andamento orario della traspirazione stimata mediante sensori di velocità di flusso xilematico tipo HPV GF 677 = 5 litri/ora Traspirazione albero (litri/ora) Potatura verde MrS 2/5 GF 677 MrS 2/5 = 1 litro/ora Dopo la potatura su GF677 il flusso traspirativo si riduce di circa il 50% lug 9-lug 10-lug 11-lug 12-lug 13-lug 14-lug 15-lug 16-lug 17-lug 18-lug Giorno Flussi xilematici registrati prima e dopo potatura verde

46 Andamento orario del flusso xilematico in prossimità della potatura verde 6.00 nuvolosità MrS 2/5 GF Potatura verde (14 luglio)

47 RISULTATI: relazioni idriche Tabella consumi idrici Portinnesto Prima potatura Dopo potataura GF 677 Area fogliare: 46 m 2 Traspirazione giornaliera: 46,6 litri Traspirazione unitaria: 1,6 mmoli m 2 s - 1 Area fogliare: 29 m 2 Traspirazione giornaliera: 21,3 litri Traspirazione unitaria: 1,2 mmoli m 2 s - 1 MrS 2/5 Area fogliare: 19 m 2 Traspirazione giornaliera: 11,5 litri Traspirazione unitaria: 0,8 mmoli m 2 s - 1 Area fogliare: 16 m 2 Traspirazione giornaliera: 9,1 litri Traspirazione unitaria: 0,75 mmoli m 2 s - 1 I minori valori di traspirazione unitaria osservati in MrS 2/5, fanno presupporre una condizione di maggior stress idrico

48 RISULTATI: Potenziale xilematico Andamento giornaliero del potenziale idrico del fusto in condizioni di piena irrigazione Sui portinnesti meno vigorosi si sono registrati valori di potenziale xilematico costantemente più bassi rispetto a quelli dei portinnesti più vigorosi Questo indica un maggiore stress idrico dei portinnesti meno vigorosi Architettura idraulica Potenziale xilematico (MPa) Portinnesto -1.0 GF677 MrS 2/5 Barrier 1 Ishtarà Ora

49 Potenziale idrico e misure dendrometriche

50 LVDT sensor

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52 LVDT sensors Holders of Al and INVAR (alloy of Ni and Fe with minimal thermal expansion) Linear Variable Displacement/Differential Transducers/Transformers (LVDT sensors)

53 Effetto del deficit idrico sul diametro del fusto

54 LVDT indicators for irrigation control MXTD Trunk Diameter Fluctuations (mm) MXTD MXTD trunk growth MDS MNTD MNTD trunk growth MNTD MXTD = Maximum Trunk Diameter MNTD = Minimum Trunk Diameter MDS = Maximum Daily Shrinkage GMT

55 Variazioni giornaliere del diametro del fusto in piante di pesco innestate su GF677 ed MrS 2/5 trunk diameter change (mm) GF677 MrS 2/

56 Trunk sap-flow velocity (by HPV) in trees grafted on GF677 and MrS 2/ GF677 MrS 2/5 0.2 velocity (mm/s)

57 diurnal changes in sap-flow velocity and trunk diameter in trees grafted on GF677 and MrS 2/5 GF677 MrS 2/ diameter (mm) diameter - GF677 sap velocity - GF677 diameter - MrS 2/5 sap velocity - MrS 2/ sap velocity (mm/s) Hour of day Hour of day 0.00

58 Effetti della dimensione dell albero

59 :00 8:00 diameter (mm) diameter - GF677 sap velocity - GF677 diameter - MrS 2/5 sap velocity - MrS 2/ sap velocity (mm/s) trunk diameter change (mm) :00 2:00 0:00 7:00 6:00 5:00 4:00 3:00 2:00 1:00 0:00 22:00 21:00 6:00 8:00 9:00 23:00 22:00 21:00 20:00 Mr. S. 2/5 19:00 18:00 9:00 GF677 20:00 17:00 10:00 16: :00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 18:00 11:00 17:00 Hour of day 12:00 13:00 14:00 15:00 16: Hour of day 0.00 xylem sap-flow velocity (mm/s)

60 Xylem water potential vs. diameter changes (lag: 3 hours) trunk diameter change (mm) GF677 y = x R 2 = 0.92 Mr.S. 2/5 y = x R 2 = xylem water potential (bar)

61 Stime della traspirazione al livello di impianto osservazioni a lungo termine su olivo

62 E stato eseguito un confronto fra il consumo idrico valutato a livello di albero e oliveto: 1 - Approccio ecofisiologico (sensori sap-flow); H Approccio micrometeorologico (eddy covariance). Sono stata eseguiti inoltre delle determinazioni indipendenti di Evapotraspirazione attraverso l uso dell Equazione n 69 (dual crop coefficient approach), contenuta nel quaderno numero 56 Della FAO (Irrigation and drainage paper): Etc = Eto * (K bc + K e ) Oliveto commerciale (cv. Nocellara del Belice) Localizzato in Sicilia CO 2 Scambi di CO 2 misurati a livello di oliveto: eddy covariance

63 Approccio micrometeorologico: stazione eddy covariance Open path CO 2 - H 2 O analyzer Radiometro netto 3-D anemometro sonico

64 Caratteristiche Vegetative Dell oliveto Appezzamento Plot D (NW) Plot D D (NW) Plot D (NW) Stazione eddy covariance Plot C (NE) Appezzamento Plot C (NE) C (NE) Plot C (NE) La percentuale media di copertura del suolo da parte degli alberi è del 45% N Appezzamento Plot B (SW) Plot B (SW) B (SW) Plot B (SW) Sensori sap flow Plot A (SE) Appezzamento Plot A (SE) A (SE) Plot A (SE) Appezzamento (plot) Età (Anni) Densità d impianto (m) Area sezione del tronco (cm 2 ) Area della proiezione della chioma (m 2 ) Altezza albero (m) A 12 5 x B 16 5 x C x D 12 5 x

65 CONFRONTO FRA I DATI (SCAMBI DI ACQUA) RILEVATI A LIVELLO DI PIANTA (SENSORI SAP FLOW) CON QUELLI A LIVELLO DI OLIVETO (EDDY COVARIANCE) Appezzamento Plot D (NW) Plot D D (NW) Plot D (NW) Stazione eddy covariance Plot C (NE) Appezzamento Plot C (NE) C (NE) Plot C (NE) N Appezzamento Plot B (SW) Plot B (SW) B (SW) Plot B (SW) Plot A (SE) Appezzamento Plot A (SE) A (SE) Plot A (SE) Sensori sap flow 1- Operazione di scaling all interno del plot A (sap flow) utilizzando l area della sezione del tronco (AST) come variabile; 2- Operazione di scaling fra i vari plot considerando le caratteristiche vegetative rilevate negli altri 3 plot e i valori di direzione prevalente del vento (intervallo di 30 min)

66 APPROCCIO ECOFISIOLOGICO Sensori Sap flow (Green and Clothier 1988) Plot: A Età (anni): 12 distanza fra alberi (m): 5 x 8 Area media sezione tronco (AST): 321 cm 2 (valore misurato su 40 piante) Percentuale media di copertura del suolo: 40% Due sensori sap flow per pianta sono stati applicati su 3 piante, individuate queste come rappresentative dell intero del plot (A): (AST = 154 cm 2 ; 316 cm 2 ; 412 cm 2 )

67 Plot A: misura dell umidità e temperatura del suolo Sensori Sap flow CS616 (reflectometers sensor) Campbell Scientific's 229-L water Matric Potential Sensor 1 m Punto intermedio fra le file Da 5 a 60 cm Di profondità Sensori di temperatura del suolo

68 CALIBRAZIONE DEI SENSORI SAP FLOW Sistema aperto pallone Sessioni di misura giornaliere del flusso di linfa (sensori sap flow) e traspirazione (Pallone)

69 Regression between daily water consumption measured by the sap flow sensors and by open system balloon on the three trees and during the two calibration sessions. L/day (Balloon) Winter session y = 1.02 x R 2 = 0.99 TREE A B C L/day (sap flow) Summer session correction factor for 2.6 mm wound width

70 CALIBRAZIONE DEI SENSORI SAP FLOW L/hour Time (pianta più piccola) Sensori sap flow Sistema aperto pallone AST = 154 cm 2 2 AST = 316 cm 2 L/hour Time L/hour AST = 412 cm Time - Corrispondenza del consumo idrico giornaliero misurato con sensori sap flow e con il sistema aperto pallone ; - Il ritardo del flusso di linfa orario (da sensori sap flow) rispetto il tasso di traspirazione, è funzione della dimensione della pianta e quindi della capacitanza idraulica

71 Procedura di scaling dal livello albero a livello del plot A Consumo idrico giornaliero (litri/giorno) y = x R 1 2 = (albero più piccolo) 20 AST = 154 cm Area della sezione del tronco (cm 2 ) 2 3 Per ogni giorno è stata determinata la relazione tra l area della sezione del tronco e il consumo idrico giornaliero, a mezzo di regressione lineare Area media della sezione del tronco (plot A): 321 cm 2 (valore ottenuto da 40 piante) (albero più grande) AST = 412 cm2 Count PLOT A Proportion per Bar Area della sezione del tronco (cm 2 )

72 Scaling up operations among plots (From Plot A to plots B, C and D), of transpiration data from sap flow sensors Sap flow Plot Age (years) Tree spacing (m) Trunk cross sectional area (cm 2 ) Canopy land area projected on the ground (m 2 ) Tree height (m) A 12 5 x B 16 5 x C x D 12 5 x Tree leaf area (m 2 ) Old trees (Plot C) Young trees (Plot A,B and D) Trunk cross sectional area (cm 2 ) Scaling up operation from plot A to plot B and D (young plots): use of multipliers obtained from plot mean trunk cross sectional area ratios: From Plot A to B, use of 1,4 as multiplier (460/320); From Plot A to D, use of 0,7 as multiplier (220/320) Scaling up operation from plot A to plot C (old plot): use of multiplier obtained from orchard leaf area (LAI2000) ratio: From Plot A to D, use of 1,2 as multiplier (0,91/0,75).

73 Evaporazione del suolo

74 EVAPORAZIONE DEL SUOLO (mm/giorno) Umidità specifica di saturazione alla temperatura del suolo (Ts) Umidità specifica dell aria E = ρ C e u 1 + Ce q ( Ts ) * u * F q ( θ ) / Datm Densità dell aria Diffusività molecolare del vapor d acqua Velocità del vento (Kondo et al, 1986) Resistenza alla diffusione dell acqua dal suolo all atmosfera: funzione dell umidita del suolo (di superficie)

75 EVAPORAZIONE DEL SUOLO Componente evaporativa: Eto*K e, dove K e : coefficiente di evaporazione del suolo (Quaderno numero 56 della FAO) Misure dirette: Sistema chiuso di respirazione del suolo (CIRAS 1)

76 Traspirazione (da sap flow) e evaporazione del suolo (Plot A ) 2.0 A 4 B mm/giorno 1.0 KPa W m Giorno dell anno Traspirazione giornaliera Evaporazione giornaliera Giorno dell anno Media giornaliera del Deficit di pressione di vapore Media giornaliera della radiazione solare

77 1 - Eddy covariance: footprint (Schuepp et al. 1990) 2 - Eddy covariance : bilancio energetico y = x R 2 = :1 line 500 La fetch area copre una superficie interna all oliveto (Energia disponibile) Rn-G(W m -2 ) L elevato valore di correlazione indica un basso grado di dispersione H0+LE(W m -2 ) (Flussi turbolenti)

78 Operazione di scaling fra i vari plot Stazione Eddy covariance Plot B (SO) Plot D (NO) Plot D (NW) covariance station Plot D (NW) Direzione del vento: Sud - ovest Plot B (SW) Plot B Copertura suolo = 58% K cb = 0.46 Sap flow sensors Plot C (NE) Plot C (NE) Plot C (NE) Direzione vento Sud - est Plot A (SE) Plot A (SE) Copertura suolo = 40% K cb = 0.4 Plot A (SE) Per ogni intervallo di tempo (30 minuti), caratterizzato da una definita direzione del vento, gli scambi di vapor d acqua misurati dalla stazione eddy covariance (intero oliveto), sono stati confrontati con i valori di scambio di ciascun plot: 1 - Confronto dati da Eddy Covariance (intero oliveto) con sensori sap flow: caratteristiche vegetative rilevate nei 4 plot direzione del vento 2 - Confronto dati da Eddy Covariance (intero oliveto) con la Etc (FAO): differenti K cb direzione del vento

79 Evapotranspiratione da eddy covariance ed evapotranspiratione da quaderno 56 FAO Perdite di acqua dovuto a rotture dell impianto di irrigazione Irrigazione a goccia Eventi piovosi 6 5 mm/giorno Eddy covariance Etc (Approccio FAO) Giorno dell anno

80 Evapotraspirazione da eddy covariance ed evapotraspirazione da sap flow DOY 240 Evapotranspirazione da Eddy Covariance Evapotranspiratione da sensori sap flow e evaporazione del suolo DOY 245 Evapotranspiratione (mm/ 30 min) Evapotranspiratione (mm/ 30 min) TIME TIME Radiazione Totale (W m-2) TIME TIME TIME Deficit di pressione di vapore (KPa) Deficit di pressione di vapore (KPa) Radiazione Totale (W m-2) TIME

81 6 5 4 Sap flow plus soil evaporation Eddy Covariance Etc mm/day / / Day of year Over 224 days, 96 daily eddy covariance evapotranspiration data (43%) did not match FAO and sapflow estimates for the following resons: 16 days for rain (excluded); 75 days with dew; 5 days for both

82 Trends of daily evapotranspiration evaluated by the dual crop coefficient approach (ETc), measured by the eddy covariance station, and evaluated by sap flow probe plus soil evaporation from DOY 235 to Water consumption (mm/day) Sap flow plus soil evaporation Eddy Covariance Etc Day of year

83 3 Evapotraspirazione (mm/giorno) y = 0,954x - 0,097 R2 = 0,89 Luglio - Settembre Ottobre - Gennaio ETc (mm/giorno) Relazione fra i valori di consumo idrico giornaliero valutati a mezzo dell approccio FAO (Etc), e quelli ottenuti a mezzo di sap flow (riferiti all intero oliveto)

84 Profili di velocita di flusso xilematico nel fusto di palme Phoenix canariensis in rapporto ad infestazioni da punteruolo rosso (Rhynchophorus ferrugineus) Antonio Motisi, Fulvio Pernice, Felice Romolo Dipartimento di Colture Arboree, University of Palermo, Italy

85 Effects

86 Control strategies: endotherapy

87 Palm xylem anatomy

88 The probe

89 The probe Upper (downstream): heater (0.1W) thermocouple Lower: 2 thermocouples (1 for DeltaT, 1 for stem temperature)

90 on-off behaviour of the probe in stirred water DeltaT 20 DeltaT ( C) C, 50 seconds 16.6 C (90% of max), 20 seconds time (sec)

91 Probe behaviour in the palm Time to equilibrium after a change in probe depth T 90% = 17:00 (20 min) T 100% = 17:10 (30 min) DeltaT T 0 = 16: time

92 Changes in DeltaT along stem radius deltat DeltaT 8 Probe depth: 15 cm 12 cm 9 cm 6 cm time

93 K=(dTM-dT)/dT K2 dtm?? K1

94 Granier K changes within palm stem K=(dTM-dT)/dT (peak values) K1 K K Inside...<<<<<<<<<.. Probe depth (cm) >>>>>>>>>>.. Outside

95 Palms grow from inside out

96 Thermal gradients

97 Thermal gradients External (wiring junction box temperature) and stem temperature diurnal change stem temperature JunctionTemp TWood_W TWood_N TWood_E TWood_S hour

Antonio Motisi. Dipartimento di Colture Arboree Università degli Studi di Palermo

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