ניטור - תיאור מקיף של הפעלת המחקר

 
הניסויים ישלבו את מגוון החיישנים בשתי מערכות ליזימטרים המאפשרות מדידה רציפה של רכיבי מאזן מים (השקיה, טרנספירציה, שטף שורש, נקז, אוגר מים בקרקע), תגובת הצמח לדרישה האטמוספרית, ותנועת מלחים בבית השורשים. מערכת אחת נמצאת במכונים לחקר המדבר והשניה בפקולטה לחקלאות. המערכות מאפשרות מדידת צמחים רבים במקביל ולכן יאפשרו מבנה ניסוי של בלוקים באקראי. ניסויים נוספים בקנה מידה חצי מסחרי יתקיימו במו"פ ערבה בתחנת זוהר. המודלים והאלגוריתמים שיפותחו בחממות ינוסו בשדה ותוצאות השדה ישמשו את המפתחים לשיפור המודלים. בשנתיים הראשונות נשפר את יכולות המדידה והחישוב בשתי המערכות המבוקרות ובשנה השלישית נמדוד עונת גידול אחת במו"פ ערבה. בכל המערכות נגדל עגבנייה או סויה כצמחי מודל.
מערכת ליזימטרים במכונים לחקר המדבר (Lazarovitch et al., 2006) - המערכת כוללת 24 מיכלים נשקלים בנפח של 80 ליטר. המערכת מאפשרת שליטה על תנאי השפה במיכלים תוך דיוק מרבי במתן הטיפולים, כאשר לצמחים מבנה בית-שורשים קרוב מאוד לשדה. המערכת אוטומטית לחלוטין ומאפשרת מדידה של כמות מי הנקז והמוליכות החשמלית שלהם. כיוון שהמערכת מסתובבת ניתן לסרוק את העלווה של הצמחים ממרחק קבוע באופן אוטומטי עם סנסור אחד ולקבל עקומות יומיות.
 
 
מערכת ליזימטרים בפקולטה לחקלאות (Sade et al., 2010) – המערכת מאפשרת סריקה בקצב גבוה (High-throughput screening) של 96 צמחים בו זמנית ברמות שונות של עקות אביוטיות מבוקרת (דוגמת: מליחות, יובש הזנה מינראלית, אוורור) תוך יצירת פרופיל תגובה פיזיולוגי ברזולוציה גבוהה עבור כל צמח בנפרד. המערכת כוללת משקל מפוצה טמפרטורה בעל רגישות גבוהה וחיישני קרקע וסביבה (לחות יחסית, קרינה וטמפ'). המערכת מודדת ומחשבת באופן רציף את : קצב גדילה של הצמח, טרנספירציה יומית, טרנספירציה מצטברת, מגמות בטרנספירציה יומית, שטף שורש, יעילות ניצול המים של הצמח והולכת גזים בחופת הצמח. אלגוריתם מערכת ההפעלה מנרמל את נתוני הצמח הבודד לביומסה המחושבת של הצמח ולנתוני הדרישה האטמוספרית למים, ומציג אותם ביחס לכמות המים הזמינה לצמח בקרקע (Moshelion et al., 2014). במטרה לאפשר פיתוח כלים שיאפשרו לגשר בין המדידה המדויקת של מאזני המים המתאפשרת על ידי מערכות הליזימטרים, נמקם מצלמה תרמית אינפרא אדום (IR) מעל חופות הצמחים. לצילום זה (תרמוגרפיה) יש מספר יתרונות לקביעת סטטוס המים של הצמח כיוון שקצב האידוי משפיע ישירות על טמפ' העלה. תרמוגרפיה מאפשרת ניטור בלתי הרסני של שינויים במצב הפיזיולוגי של הצמח וזאת בניגוד לכלי אבחון אחרים שדורשים דגימה הרסנית. שיטה נוספת אותה ניישם בשלב העציצים במטרה ללמוד וליישם אותה בשלב השדה היא שיטת מדידה לא מתערבת של מצב הטורגור של הצמח בעזרת חיישן מגנטי חיצוני המונח בקביעות על העלה (ZIM-Prob). שילוב שיטה זו עם השיטה הקיימת למדידת קצב דיות רגעי ומאזן המים של הצמח השלם יאפשר לנו קביעת תכולת המים היחסית (RWC) של העלה בכל רגע נתון. לערך ה- RWC הרציף של הצמח בתגובה לשינויי הסביבה יש חשיבות קריטית בקביעת התנהגות התגובה של הצמח (היינו היזוהידרי/אנהיזוהידירי). אנו מאמינים כי שילוב הכלים ופיתוח אלגוריתם החלטה על בסיס המדידות הרציפות יהווה כלי סלקציה ואופטימיזציה חשוב הן למטפח והן למגדל.
מערכת ליזימטרים וחלקות במו"פ ערבה (Ityel et al., 2012) - המערכת מאפשרת upscaling מתנאי מעבדה לתנאי שדה אמיתיים אך נשלטים. בחממה תעלה עם 12 ליזימטרים נשקלים בנפח של 800 ליטר. כמות הנקז ואיכותו נמדדים באופן אוטומטי. ליד המיכלים יש חלקת שדה עם אותה קרקע. מי התהום נמצאים בעומק של מטר וחצי והפרופיל ההידראולי בתוך הליזימטר זהה לזה של הקרקע. מיקום החלקה תחת כיסוי פלסטיק מאפשר שליטה בכמויות המשקעים.
בכל המערכות יבוצעו מדידות קרקעיות, צמחיות ואטמוספריות לפי הפירוט הבא:
מדידות קרקעיות - תכולת רטיבות נפחית, פוטנציאל מים, מוליכות חשמלית גושית, חמצן אווירני, פחמן דו חמצני אווירני, פוטנציאל חימזור, ערך הגבה, טמפרטורה, שטף חום, שטף התאדות, תמיסת מי משאב - מוליכות חשמלית, ערך הגבה, חמצן מומס, ריכוז יסודות ואפיון מצבם הכימי (קטיונים חופשיים לעומת קטיונים בכלאציה, ברזל תלת-ערכי לעומת ברזל דו-ערכי, חנקן אמוניאקלי לעומת חנקן ניטרטי, וכד').
מדידות צמחיות - זרימת מוהל העצה, דנדרומטר גבעול, דנדרומטר עלה, טורגור עלה, טמפרטורת עלה, , חילוף גזים (פוטוסינתזה, מוליכות פיוניות), פלורסנציה, גודל פרי, קצב התארכות פרי.
מדידות ספקטרליות
מדידות ספקטרליות כוללות מדידת הקרינה המוחזרת, נבלעת, ועוברת בעלים במאות אורכי גל צרים בתחומי הנראה, האינפרה אדום קרוב, האינפרה אדום הבינוני, והאינפרה אדום התרמי. מדידות אלה יתבצעו ברמות שונות (קרי, החממה והשדה) באמצעות מצלמה היפרספקטרלית, מבוססת ננו-טכנולוגיה, בעלת רזולוציות ספקטרלית ומרחבית גבוהות.
מדידות אטמוספריות - קרינה קצרה וארוכת גל נכנסת ויוצאת, טמפרטורת אוויר, לחות יחסית באוויר (ישמשו לחישוב הדרישה האטמוספרית VPD), מהירות רוח, כיוון רוח.
מדידות מיקרו-אקלים בסביבת הפרי - טמפרטורת הפרי באמצעות צילום תרמי, טמפרטורת ולחות האוויר בסביבת הפרי, חיישני קרינה גלובלית ו-PAR בנקודות שונות סביב הפרי. לאורך כל המחקר ובמיוחד במקומות בהם נשתמש בחישובים חדשים/שיטות חדשות למדידת ערכים פיזיולוגיים בסיסיים של הצמח, נוודא את תוצאות הבדיקה על אותם צמחים בעזרת מדידות קונבנציונאליות הכוללות מדידות של פוטנציאל המים והמוליכות ההידראולית של חלקי צמח, גובה הצמח, תכולת מים יחסית (RWC), תכולת כלורופיל, אינדקס שטח עלווה LAI, פוטוסינתזה (חילוף גזים ופלורסנציה), מוליכות פיוניות, אוסמולריות, מינרלים ברכיבי הצמח, התפלגות שורשים, תפקודי שורשים (שטף שורש, הולכה הידראולית), מינרלים בתמיסת הקרקע, יבול, מדדי איכות יבול, צילום שורשים, אנטומיה, גודל פרי, קצב התארכות. בדיקות השדה יכללו מערכת חדשה לניטור שורשים (מינירייזוטרון) המאפשרת בחינה מדוקדקת של השורש שכן יש אפשרות להגדיל את התמונה המתקבלת בהגדלה של 100X. המערכת בוחנת את מערכות השורשים במרווחים של 12 מ"מ עד לעומק הרצוי כך שכמות המידע שתתקבל היא רבה ביותר. נוסף למדידה באמצעות המינירייזוטרון, נבצע מדידות באמצעותIngrowth cores - לקביעה של קצב צמיחת השורשים. ייערכו קידוחים לתוכם יוכנסו סלי רשת בקוטר 10 ס"מ באורך 33 ס"מ שימולאו בקרקע המקומית נקייה משורשים בצפיפות זהה לזאת שבשטח. מדי חודשיים, יוצאו הגלילים והשורשים יישטפו במים. האורך, הקוטר ושטח הפנים של כל דגימה יקבעו בעזרת תוכנה ייעודית (WinRhizo) כמו כן ישמשו השורשים מדגימות אלו לקביעת מבנה אנטומי וכושר הולכת מים. מדידת ההתאדות הכללית תתבצע באמצעות שיטת פנמן-מונטיס (Penman-Monteith; PM; Monteith, 1973) לחישוב ההתאדות הפוטנציאלית מגידולי שדה תוך שימוש במדידת פרמטרים מטאורולוגיים בסיסיים. מחקרים קודמים הצביעו על כך שעל אף שינויים במאזן האנרגיה והפרה של התנאים המטאורולוגיים הקיימים בחממות (לדוגמה, Morille and Bournet, 2013), ניתן להתאים את שיטת PM למדידת התאדות בחממה או בית רשת. גורם מפתח להצלחת ניטור ההתאדות בחממה הוא מיקום החיישן ביחס לצמח. נושא זה יילמד וייושם במסגרת הניסויים. במסגרת הפרויקט תפותח מתודולוגיה לחישוב ההתאדות על בסיס שיטת PM בהסתמך על מדידות מטאורולוגיות חיצוניות לחממה המצויות בתפרוסת גבוהה ופתוחות לציבור. מחקרים קודמים הצביעו על כך שהדבר אפשרי כאשר נעשה בצורה מותאמת עבור תנאים ספציפיים כגון סוג חממה וגידול ותנאים מטאורולוגיים (Pirkner and Tanny, 2014).
במסגרת הפרויקט יפותח מודל מתמטי המתאר התנהגות אופטימאלית של צמחים בתנאי אי וודאות לגבי זמינות מים. מדובר במודל של בקרה אופטימאלית (optimal control) אשר רמת הטרנספירציה בכל מועד משפיעה על מלאי המים הזמין לצמח במועדים מאוחרים יותר, כאשר מועד חידוש המלאי אינו וודאי. הניסוח הפורמאלי מבוסס על Feinerman and Tsur (2014) שפיתחו מודל זה בהתייחס לניהול גידולים רב שנתיים בתנאים של חוסר וודאות לגבי שנות בצורת. במסגרת המחקר המוצע כאן נשתמש במודל פורמאלי זה לצורך אפיון בקרת מים על ידי צמחים. הפרמטרים של המודל יחולצו באמצעות ניתוח אקונומטרי של נתוני ניסויים שיופקו באמצעות מערכות הליזימטרים בפקולטה לחקלאות. הניסויים ייכללו זני בר וזנים מטופחים. זני הבר יילקחו מאזורי אקלים שונים, כאשר כל אחד מותאם לתנאי האקלים שלו כתוצאה של תהליך הסלקציה האבולוציוני. הנתונים לגבי צמחי הבר ישמשו לאמידת פונקציית הסתברות לגבי התפלגות משקעים בתוך עונת הגידול כפי שהיא "נתפסת" על ידי הצמח, ומתבטאת בתגובותיו לתנאי עקה במסגרת של ניסוי מבוקר. כמו כן הם ישמשו לאמידת פרמטרים של פונקציית המטרה של הצמח, אשר על פי הנחה מייצגת שרידות. שתי הפונקציות הללו למעשה מהוות בסיס מושגי, והפרויקט מציע להשתמש בהן לצורכי אפיון צמחים. את הפונקציה של התפלגות המשקעים הנאמדת עבור צמח בר מאזור נתון נשווה לפונקציית התפלגות המשקעים בפועל ועל ידי כך נסיק לגבי תכונות של צמחי בר ואסטרטגיות של בקרת מים באזורי אקלים שונים. צמחי הבר ישמשו כמישור ייחוס עבור אפיון זנים מטופחים. אנו מצפים כי הפרוייקט הבין-תחומי הכולל מערכת ניסויית, מודל מתמטי, ומודל אקונומטרי יוביל לבניית כלים חדשים אשר באמצעותם ניתן יהיה לאמוד את הפרמטרים הרבים של אינטראקציות צמח-סביבה ולתרגם אותם בזמן אמת לפרמטרים כמותיים ואלגוריתמי החלטה ואופטימיזציה.