Introduction - Monitoring

 
 
 
הגידול המתמיד באוכלוסיית העולם והשאיפה לשיפור ברמת החיים מביאים לעליה בביקוש למזון ומכאן לצורך בניצול מקסימלי של משאבי הטבע הדרושים לחקלאות. תהליכי הטיפוח של גידולים חקלאיים הביאו להגדלה משמעותית ביכולת ייצור המזון, אך בו בזמן גם להגדלה דרמטית בצריכת המים של הגידולים, ומכאן גם לרגישות גבוהה ליובש ולעקות סביבה נוספות. היעילות הממוצעת של שימוש בתשומות בייצור חקלאי נמוכה בדרך כלל. לפי ה-FAO רק כ- 50% ממי ההשקיה נצרכים למעשה על ידי גידולים. יתרת המים אובדת דרך התאדות ישירה מהקרקע, נגר עילי, או חלחול מתחת לבית השורשים ולעתים עד מי התהום. מלבד בזבוז משאב יקר, עלולה השקיה עודפת לגרום לזיהום מי תהום באגרוכימיקלים. יעילות הדישון הממוצעת אף היא נמוכה מאוד, ומלבד חוסר היעילות הכלכלית הכרוכה בכך, היא מהווה גורם עיקרי לזיהום מקורות מים.
ניהול תשומות חקלאיות יעיל מחייב התאמות לכל אורך ציר הגילוי-טיפוח-גידול. הן בשלבי הטיפוח והן בשלבי הגידול המסחרי יש יתרון במדידה ישירה של מצב המים בקרקע, מאחר שבניגוד למדידות בצמח או באטמוספירה, היא יכולה לרמוז על מחסור מים טרם הופעת העקה בצמח. מאידך, השונות המרחבית הגבוהה בקרקע מקשה מאוד על בחירת מיקום החיישן וקביעת כמות החיישנים המותקנת. הקושי בהשגת דגימה מייצגת של השדה למטרת קביעה של ממשק השקיה ודישון, מועצם בתנאי השקיה בטפטוף בשל שונות מקומית גדולה ברטיבות הקרקע. קושי זה במדידה מדויקת ומייצגת מצריך הצבת מספר רב של חיישנים על מנת לאמוד ערך מייצג של מצב המים בשדה. עובדה זו מייקרת מאוד את מערכות החישה, גורמת בדרך כלל להתקנת מספר לא מספיק של חיישנים בשדה, ובהתאם, מתקבלת מדידה לא מייצגת שעלולה להביא למסקנות שגויות. במקרים בהם שגיאה כזו נלקחת בחשבון היא מפוצה בעודף השקיה ודישון. נעשו מספר ניסיונות לקביעת מיקום החיישנים בשדה ולהקטנת מספרם (לדוגמא Agam et al., 2014), אולם המסקנות מעבודות אלו ממוקדות ונכונות עבור הקרקע, הגידול, האקלים, ושיטת ההשקיה הייחודיים לתנאי הניסוי.
 
אחד האתגרים העומדים בפני החוקרים הוא הבנת מנגנון האינטראקציה בין הגנוטיפ לסביבה תוך התחשבות בעובדה שגנוטיפים שונים מפעילים אסטרטגיות ניהול מאזן מים שונות בסביבות דומות. ניתן לסווג את אסטרטגיות הניהול על מנעד הנע מהתנהגות "שמרנית" (בקרה איזוהידרית בקירוב, near isohydric) להתנהגות "מסתכנת" (בקרה אנאיזוהידרית בקירוב, near anisohydric). צמחים איזוהידרים בקירוב שומרים על פוטנציאל מים קבוע בעלה על ידי סגירת פיוניות בשלב מוקדם יחסית של העקה, עם תלות מועטה בהשתנות תכולת המים בקרקע. לעומתם, צמחים אנאיזוהידרים בקירוב מאפשרים פתיחת פיוניות ממושכת יותר תחת תנאי יובש, המביאה ליצרנות גבוהה יותר, אך במחיר של הפחתת פוטנציאל המים שלהם עד לרמה נמוכה יחסית, המפחיתה את סיכויי ההישרדות בטווח הקצר (Moshelion et al., 2014; Sade et al., 2010). במקביל להבנת המנגנונים התאיים השולטים בסף הרגישות האיזוהידרית ישנה חשיבות רבה להבנת היתרונות היחסיים של האסטרטגיות השונות בתנאי הגידול המגוונים. הבנה זו תמקד יותר את תהליכי הטיפוח המולקולריים (הנדסה גנטית) מחד, ואת תהליכי הסלקציה של "התנהגויות" צמחים רצויות בתנאי שדה, מאידך. מטרת המחקר המוצע היא לייצר כלים לתיאור תגובת צמחים לתנאי עקה כתוצאה של "התנהגות" אופטימאלית, ולבחון את יישומם לטיפוח צמחים ושיפור התשומות בשדה.
התפתחות מיטבית של צמחים מתרחשת כאשר בסביבת הצמח, קרי, הקרקע והאטמוספרה, יתקיימו תנאים פיזיקליים, כימיים, וביולוגיים מותאמים לצורכי הצמח. כל אחד מהגורמים הקובעים את תנאי הגידול המשפיעים על הטרנספירציה והפוטוסינתזה, נתון לשינויים תמידיים בסקלת זמן של דקות עד שעות. האתגר המרכזי ליצירת תנאי גידול מיטביים חבוי בהתאמה דינמית של ממשק הגידול ואופן הטמעת התשומות לתנאי הסביבה המשתנים. לצורך כך נדרש ניטור מתמשך של כל הפרמטרים ברזולוציית זמן התואמת את הדינאמיקה של השינויים. ההטרוגניות הרבה של התנאים הסביבתיים בזמן ובמרחב מציבה אתגר בניטור משמעותי שייצג נאמנה את תנאי הגידול. בהתאם לכך אנו מציעים לבחון סל רחב ביותר של אמצעי ניטור קרקעיים, צמחיים, ואטמוספריים (פירוט בהמשך) ברזולוציות זמן ומרחב שתהיה מפורטת דיה לאפיון המערכת השלמה. יושם דגש על אמצעי דיגום שיאפשרו לעקוב אחר אינטראקציות של פרמטרים שכל אחד מהם נשלט לחוד, אולם השפעתו תלויה באחרים. למשל מוכר היטב הקשר שבין רמת הרטיבות וכמות ההשקיה לבין מידת איבוד החנקן החנקתי הנשטף אל מחוץ לבית השורשים, ובמקביל מוכר הקשר בין רטיבות הקרקע לבין משטר האוורור בה. אוורור לקוי עלול להביא לאיבוד חנקן בתהליכי דניטריפיקציה, לפגיעה ישירה בפעילות השורש (למשל בסלקטיביות הקליטה של אשלגן לעומת נתרן, ובמידת הרגישות למליחות), לשינוי האוכלוסייה המיקרוביאלית ופעילותה, להתפתחות תנאי חיזור, שינוי יציבות מרכיבי הקרקע המוצקים ולשינויים ישירים ועקיפים בריכוזי יסודות הזנה (Shenker et al., 2005). מארג התהליכים הביוגיאוכימיים מורכב מאד, ועל גבי מורכבות זאת נוספת המורכבות של השפעת ממשקי הגידול ואיכות המים על המשתנים השונים ועל האינטראקציות ביניהם (טרצ'יצקי וחובריו, 2015). בפרויקט הנוכחי אנו מתכוונים להגדיר פרמטרים חיוניים לניטור, לאפיין את האינטראקציות ביניהם ואת ההטרוגניות ומאפייניה במרחב ובזמן. כל אלה ישמשו בסיס למידול טוב של הדינמיקה של נוזלים ומומסים בקרקע ושל השתנות המערכת הכימית והביולוגית המשפיעות על תנאי בית השורשים. האלגוריתם שיפותח ייבחן בחלקות ניסוי להכוונת הממשקים באופן שתתקבל אופטימיזציה של מגוון הפרמטרים בבית השורשים. בנוסף להגדרת הפרמטרים הקריטיים הנדרשים לגידול אופטימאלי ואפיון משקלם היחסי ואופי האינטראקציות ביניהם, אנו מתכוונים להגדיר מהם אמצעי הניטור החיוניים ומהו אופן ההשמה המינימאלי הנדרשים להשגת תנאי גידול אופטימאליים בבית השורשים.
אופטימיזציה היא בחירה אופטימאלית של משתני החלטה לצורך השגת מטרה מוגדרת בכפוף למגבלות. תהליך האופטימיזציה מתבצע ברמות שונות, כאשר ההחלטות בכל רמה מכתיבות את המגבלות לגבי הגורמים הפועלים ברמה שמתחתיה. אופטימיזציה כוללת של מערכת חקלאית מצריכה הבנה של מאפייני כלל רמות ההחלטה והתחשבות במטרות השונות של מקבלי ההחלטות בכל רמה: החקלאים צריכים להבין את "התנהגות" הצמחים ומגבלותיהם בבואם לקבוע את רמות ההשקיה, ורשות המים ומשרד החקלאות צריכים להבין את מטרות החקלאים ומגבלותיהם בבואם לקבוע מחירי מים, מכסות מים, איכות מים, וכדומה. הפרויקט יתמקד ברמת הצמח, ויבחן תגובתם הדינמית של צמחים ("התנהגות") בתנאי אי וודאות לגבי זמינות המים העומדת לרשותם. המטרה היא לפתח כלים לתמיכה בתהליכי טיפוח זנים לגידול בתנאי אקלים שונים. מערכת זו תהיה חדשנית מבחינת (1) המושגים שבאמצעותם יאופיינו צמחים מבחינת תכונותיהם ותגובותיהם לתנאי עקת מים ו- (2) השילוב שבין כלי המדידה בשדה לבין הכלים המתמטיים והסטטיסטיים שישמשו לניתוח הנתונים שנאספו בכדי לאפיין את המערכת ואת הצמחים שבה.

המערכות שישמשו לאיפיון תופעות ותהליכים ברקצ"א -
מערכות גרבימטריות (ליזימטרים) המצוידות בחיישני קרקע וצמח יהוו את הבסיס לפיתוח הכלים, כאשר מערכת השורשים בתוכם, האטמוספרה בסביבתם, וחופת הצמח מעליהם ינוטרו באופן רציף (ראה תמונות 1-3 בנספח מספר___). השיטה הגרבימטרית מהווה כלי חשוב להבנת תהליכים הקשורים ביחסי קרקע-צמח-אטמופספירה ולכימות תהליכים רבים, שיש קושי למדוד אותם בתנאי שדה. בעזרת ליזימטרים ניתן לסגור מאזני מים ומומסים של בית השורשים, למדוד אוופוטרנספירציה (ET; Ben-Gal and Shani, 2002), לאסוף ולנטר את מי הנקז ולמדוד שינויים בתכולת רטיבות הקרקע. ניסויי השקיה המשתמשים בליזימטרים הממוקמים בחממות מאפשרים, בנוסף לבקרה על מאזן המים והמלחים בבית השורשים, גם בקרה על האקלים בחממה (Lazarovitch et al., 2006).
מדידות אטמוספריות וחישת חופת הצמחים והפרי - תכליתן של מדידות אטמוספריות הוא לספק מידע עבור שטפי אדי מים ו- CO2 בין האטמוספרה והקרקע/צמח. כימות שטף אדי המים וה- CO2חיוני על מנת לנטר את התפקוד הביולוגי של הצמח כפונקציה של תנאים אטמוספריים משתנים. שטף ה- CO2דרך פיוניות הצמח משקף את קצב קיבוע הפחמן בתהליך הפוטוסינתזה. שטף אדי המים הנפלט מהמערכת קרקע-צמח (ET) כולל בתוכו את שטף הדיות (transpiration) מפיוניות הצמח ושטף אדי המים מיתר חלקי הצמח והקרקע (evaporation). שטף ה-ET משקף את היקף ההשקיה הנדרש כפונקציה של כמות המשקעים. היחס בין הדיות והפוטוסינתזה מוגדר כיעלות ניצול מים (WUE). WUE הינו מדד חשוב לניטור ההתמודדות של הצמח עם עקות מים.
מיקרו-האקלים של הפרי, קרי, הטמפרטורה והלחות היחסית בסביבתו המידית, עוצמת הקרינה המגיעה אליו, וכתוצאה מכך טמפרטורת הפרי עצמו, קריטי לקבלת פרי באיכות גבוהה. באזורים צחיחים וצחיחים למחצה ההשפעה המשולבת של לחות יחסית נמוכה, טמפרטורה גבוהה, וקרינת שמש חזקה עלולים להשפיע בצורה שלילית על צימוח ואיכות הפרי. בעגבניות, למשל, רמת קרינה גבוהה מדי עלולה לגרום להפרעה בהתפתחות הפרי (Leyva et al., 2013), בעוד חשיפה לטמפרטורת אוויר גבוהה עלולה לגרום לירידה בחומצה האסקורבית ובכמות ויטמין C (Dorais et al., 2001). על-מנת לנצל את מלוא הפוטנציאל ולמקסם את איכות התוצר, יש להבין את יחסי הגומלין בין הגידול (הפרי והזן הספציפי) לתנאים המטאורולוגיים, בפרט באזורים בהם התנאים מאתגרים, ולבחון את השפעתן של מניפולציות על מיקרו-האקלים של הפרי על איכותו. שליטה כזו, הניתנת להשגה בחממות, תורמת לאופטימיזציה של כמות ואיכות הפרי, ובלבד שהתנאים האופטימליים ניתנים להגדרה. לצורך כך יש צורך בניטור רציף של תנאים אלו ובפרט ניטור של טמפרטורת הפרי, טמפרטורת האוויר בסביבתו המידית, הלחות היחסית באוויר, וכמות ואיכות הקרינה.
ספקטרוסקופיה בחישה מרחוק מאפשרת ניטור מנגנונים פיזיו-כימו-ביולוגיים צמחיים רבים ברמות העלה והעלווה, באופן מהיר, נרחב, מחזורי, זול, ולא-הרסני (Blackburn, 2007). יסוד הספקטרוסקופיה ברכישת ספקטרום רציף (hyperspectrum) להחזרת אור (reflectance) בתחום הנראה (visible, VIS, 400-700 nm), האינפרה אדום הקרוב (near infrared, NIR, 700 – 1100 nm), ועד האינפרה-אדום הבינוני (shortwave infrared, SWIR, 1100-2500 nm). הדבר מאפשר מעקב אחר עקות ביוטיות, כדוגמת מחלות (Naidu et al. 2009), וא-ביוטיות, תוך כימות תכולת פיגמנטים שונים (Verlag et al. 2003), תכולת מים (Serrano et al. 2010), או תכולת נוטריינטים (Herrmann et al., 2010). עם זאת, נפח המידע המתקבל מהיפר-ספקטרה גדול, מסורבל, ובדרך כלל מלווה ברעש, ועל-כן קשה לחברו למדידות הפיזיולוגיות אשר נפחן קטן בהרבה (Mariotto et al., 2013). בכדי לנצל את המידע הרחב באופן מיטבי, ניתן לקשור אותו מתמטית/סטטיסטית לפרמטרים הפיזיולוגיים בעזרת שיטת 'רגרסיית הריבועים הפחותים החלקיים' (partial least squares-regression; PLS-R), הידועה בהתאמתה למידע היפר-ספקטרלי וליכולתה להתגבר אפילו על רעש וקו-לינאריות גבוהים. שיטה זו בוחנת את ההשתנות המשותפת (covariance) של כל משתנה בלתי-תלוי (אורך גל) יחד עם המשתנה התלוי (משתנה פיזיולוגי או כימי), וע"י כך מאפשרת לצמצם דרסטית את מספר המשתנים החוזים (וכמות המידע). לאחר שאותרו אורכי הגל הרלוונטיים, ניתן לנצל את התנהגותם הספקטרלית על-מנת ליצור מודל ספקטרלי ('אינדקס', כדוגמת ה-NDVI המוכר) לצורך חיזוי פיזיולוגי. באמצעות מודלים ספרתיים ניתן לכמת ולחזות תופעות ותהליכים בבית השורשים וברקצ"א, ומתוך כך לתכנן ולנהל את משאבי מים ואיכותם, כולל השקיה, ניקוז, ניהול מפלסי מי תהום וכדומה. למרות מורכבותם, השימוש במודלים ספרתיים הולך וגובר הודות להבנה טובה יותר של תהליכי זרימת מים והסעת מומסים, פיתוח ושיפור שיטות מתמטיות לפתרון משוואות ופיתוחם המואץ של מחשבים המסוגלים לחשב תהליכים שונים בו זמנית במרווחי זמן ומרחב קטנים (Simunek et al., 2008). כיום ישנו שימוש גובר במודלים להדמיה של תהליכים הקשורים בהשקיה, דישון ויישום חומרים בבית השורשים. הדמיות אלו מאפשרות אופטימיזציה של מערכת ההשקיה (Dabach et al., 2013), ולכן הן מהוות חלופה אטרקטיבית לתהליך מיגע ויקר של בדיקה של סכמות ניהול. כך ניתן לשפר את ייעול הניצול של תשומות בחקלאות תוך שמירה על משאבי המים והקרקע. כמו כן ההדמיות מאפשרות ניתוח רגישויות של הפרמטרים המיצגים את תכונות המים, הקרקע, הצמח והאקלים (Subbaiah, 2013). ניתוח רגישויות זה יכול להוות גורם חשוב בניהול יישום תשומות ובהערכת סיכונים.
המחקר המוצע משלב בין מדידות למודלים מתמטיים המתארים את הדינמיקה מעל ומתחת לפני השטח. ניתוח של תוצאות המדידות וחישובים של קורלציות במרחב ובזמן יאפשרו לקבוע מהי פרישת החיישנים המיטבית ומהי תכיפות המדידות הנדרשת. היבט חשוב מאוד של הפרויקט הוא אספקת מידע ברזולוציות מרחביות ועיתיות גבוהות לגבי השונות של תכולת המים והמומסים בקרקע. הטרוגניות של הקרקע קשה לאפיון ומדידות אלו יוכלו להציע דרך לאפיון כמותי לא רק של הערכים הממוצעים אלא גם של התפלגותם של הפרמטרים המאפיינים את הקרקע והצמחים בזמן ובמרחב. שונות מרחבית בתכונות הקרקע עשויה להשפיע רבות על הדינמיקה של צמחייה, ובייחוד של צמחייה תחת עקה (Yizhaq et al. 2014). מרבית הניסויים והמדידות בנוגע לתגובה של מערכת שורשים לעקה נעשו באמצעות גידול בעציצים, אשר מקטין אפקטים של ההטרוגניות המרחבית. הניסויים המוצעים יאפשרו לפתח מודלים מתמטיים המתארים את התפתחות מערכת השורשים בקרקע באופן קרוב יותר למציאות ויעזרו להבין כיצד הגידולים השונים מייצרים הטרוגניות בתנאי הקרקע. בנוסף נעקוב אחר התפתחות השורשים ותפקודם בתנאי שדה בשיטה בלתי מפרה באמצעות מספר שיטות ניטור כאשר העיקרית תהיה באמצעות מינירייזוטרון (Ephrath et al., 1999). בשיטה זו מחדירים לתוך הקרקע צינורות פרספקס שקופים ובוחנים לאורך זמן את התפתחות השורשים. זו היא בכך ש שהיא לא הרסנית ומאפשרת קבלת מידע רב לגבי פרמטרים שונים של מערכת השורשים במדידות חוזרות (אורך, הסתעפויות, עובי שורשים וכן התפתחות של שורשים חדשים ותמותה של שורשים).