Sensor based determination of the fruit bearing capacity in Malus x domestica (Borkh.) aimed at precise crop load management

dc.contributor.advisorZude-Sasse, Manuela
dc.contributor.authorPenzel, Martin
dc.contributor.grantorTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.refereeFlachowsky, Henryk
dc.contributor.refereeGeyer, Martin
dc.contributor.refereeWeltzien, Cornelia
dc.contributor.refereeZude-Sasse, Manuela
dc.description.abstractOne major goal of commercial fruit production is a homogenous fruit quality throughout the whole orchard. For this purpose, crop load management practices in apples intend to reduce the number of fruit per tree in order to (i) optimise the carbon supply to demand balance and the (ii) fruit quality in the current season, and (iii) ensure flower bud formation for the following season. Currently, crop load management is routinely performed field uniform without taking into consideration the inter-tree variability in flower or fruit set and the photosynthetic capacity of the trees, which frequently occurs in commercial orchards. Because of the variability among the trees, uniform crop load management can lead to sub-optimal numbers of fruit per tree when targeting homogenous fruit qualities. Currently, no tree-adapted crop load management practices have been developed. One reason is the lack of plant physiological and agronomic models to evaluate the actual fruit set of individual trees and to derive management decisions from these data. For tree-adapted crop load management, the fruit set and growth capacity of all trees within an orchard, often exceeding 2,500 trees per hectare, need to be mapped. Frequent studies of georeferencing and sensing individual trees’ data are available, but the developed approaches lack further application in decision support models. The aim of this thesis was (i) to investigate inter-tree variability in flower set, fruit set, and total leaf area per tree in apple, (ii) to develop a modelling approach to estimate the trees’ capacity to produce fruit of desired diameters, the fruit bearing capacity, which is based on spatially recorded sensor data of individual trees, and finally (iii) to investigate the application of the model, future possibilities, and advantages of tree-adapted crop load management. The variance in flowers per tree was investigated in two commercially relevant apple cultivars ('Elstar': 200 trees in 2011, 2014, 2015; 'Gala': 100 trees in 2014, 200 trees in 2015, 2016). Trees of the cultivar 'Elstar' were more susceptible to alternate bearing in comparison to 'Gala' trees and, therefore, included a higher percentage of trees with a low flower set, unable to meet the desired number of fruit per tree at harvest. Field uniform flower thinning led to yield reductions by over-thinning of trees with low and medium flower set on both cultivars ranging from 1.4 - 7.6 t ha-1. The leaf area per tree was recorded in three commercial apple orchards, taking into consideration the cultivars 'Gala' (996 trees), 'Pinova' (50 trees) and 'RoHo 3615' (100 trees), with a terrestrial 2-D light detection and ranging (LiDAR) laser scanner. A method to estimate individual trees’ photosynthetic and fruit bearing capacity (FBC) has been introduced. The method utilises the total leaf area per tree, monthly recorded gas exchange variables of the fruit and the leaves, fruit growth rates, and weather data and considers these data in a carbon balance model. The leaf area and photosynthetic capacity of the investigated trees was highly variable in all three orchards. In 'Gala', the variance in leaf area per tree and the FBC was similar in two consecutive years. However, the spatial location of cold and hot spots in the FBC, highlighting trees with FBC below or above the average of the surrounding trees, varied between the years. Consequently, for precise crop load management that targets homogenous average fruit diameters in orchards with inter-tree variability in total leaf area, the FBC need to be recorded annually. The FBC can be used to derive optimum fruit numbers per tree to achieve desired fruit diameters. The FBC of individual trees ('Gala' 2018: 100 trees, 2019: 70 trees; 'Pinova' 2018: 35 trees; 'RoHo 3615' 2018: 45 trees) was calculated for the actual average harvested fruit diameter. The modelled FBC of the trees, with little deviation, corresponded to the actual number of marketable fruit per tree. The results additionally revealed that, in the two orchards of the cultivars 'Pinova' and 'RoHo 3615', field-uniform thinning of heterogeneous trees can result in avoidable yield losses on 23%, 31 %, respectively, of the investigated trees. Furthermore, 16 % of the trees of 'RoHo 3615' had numbers of fruit per tree that exceeded the FBC and led to an average fruit diameter below 65 mm, the minimum requirement for fresh market access. In 'Gala' in two consecutive years, the mean fruit mass and mean soluble solids content per tree correlated with the amount of photons that the tree, after the foliage was fully developed, had absorbed per fruit, demonstrating the physiological limitations of the trees to produce fruit of a desired quality. Minimum thresholds of seasonally intercepted photons per fruit to achieve a specific fruit quality were generated. In the period after the foliage of the trees was fully developed until harvest, the total incident photosynthetically active radiation (PAR) was 440 MJ m-2, 508 MJ-2 in 2018, 2019, respective, of which the trees absorbed 19-62 %, depending on the available leaf area and the associated light interception. On average, 7.5 MJ PAR in 2018 and 5.9 MJ in 2019 per fruit was required, that 80% of the fruit reached a marketable fruit diameter. To absorb this amount of PAR, at least 550 cm² of leaf area per fruit were required. For the implementation of tree adapted crop load management, both flower and fruit thinning would be feasible. Flower thinning has two advantages: it is independent of the weather conditions, and the same settings of the thinning device leads to consistent thinning results over several years. However, after flower thinning is performed, late frost can reduce the fruit set of the trees, which may lead to low crop loads below the FBC. Chemical fruit thinning is usually carried out when there is no longer a risk of late frost. However, the thinning efficacy depends on temperature, irradiation, humidity and the physiological condition of the trees. Therefore, thinning results often differ between years. In this work it was confirmed that for successful chemical thinning with the photosynthesis inhibitor metamitron, warm weather conditions (night: 15°C, day: 20°C) in the days before and after application are favourable. At these temperatures, one application of the active ingredient is sufficient to reduce the fruit set of the trees to the desired target values, whereas at lower temperatures further applications may be required. Tree adapted crop load management practices would be beneficial to avoid over-thinning and yield losses on trees with low and medium flower set, to optimise the crop load of all the trees and, consequently, to tap into the full economic potential of an orchard. For future crop load management strategies, the developed model can be utilised to evaluate the actual fruit and flower set in order to make management decisions for individual trees. For this purpose, it is required to utilise tree individual data in plant physiological and agronomic models. The models can potentially serve as algorithms to control machinery that is able to treat trees individually. Tree adapted crop load management would significantly advance the management of apple orchards taking into consideration the desired production targets and the physiological limitations of individual trees.en
dc.description.abstractBei der erwerbsmäßigen Erzeugung von Obst wird eine homogene Fruchtqualität innerhalb der gesamten Produktionsanlage angestrebt. Zu diesem Zweck wird bei Äpfeln die Anzahl an Früchten pro Baum durch Ausdünnung reduziert, um in der laufenden Saison (i) das Verhältnis zwischen dem Kohlenstoffbedarf wachsender Früchte und dem Angebot an assimilierten Kohlenstoff für das Fruchtwachstum, sowie (ii) die Fruchtqualität zu optimieren und (iii) die Blütenbildung für die folgende Saison sicherzustellen. Die Ausdünnung wird derzeit feldeinheitlich durchgeführt, ohne dabei die Variabilität des Blüten- und Fruchtansatzes oder der Wachstumskapazität der Bäume zu berücksichtigen, die häufig in Obstanlagen auftreten. Eine feldeinheitliche Ausdünnung kann jedoch aufgrund von Unterschieden im vegetativen und generativen Wachstum zwischen den einzelnen Bäumen zu einer suboptimalen Anzahl von Früchten pro Baum führen, wodurch Ertragsverluste auftreten. Bisher sind keine baumangepassten Verfahren für die Ausdünnung verfügbar. Ein Grund dafür ist das Fehlen von pflanzenphysiologischen und agronomischen Modellen, um den tatsächlichen Fruchtansatz einzelner Bäume in Relation zur Fruchtqualität zum Erntezeitpunkt zu bewerten und daraus Entscheidungen für die Kulturführung abzuleiten. Für eine an einzelne Bäume angepasste Ausdünnung ist es notwendig, den Fruchtansatz und die Fruchtertragskapazität aller Bäume innerhalb einer Anlage, die oft mehr als 2.500 Bäume pro Hektar umfasst, zu kartieren. Zwar gibt es zahlreiche Möglichkeiten zur Erfassung und Georeferenzierung von Daten einzelner Bäume, jedoch werden diese bisher noch nicht in Modellen zur Entscheidungsunterstützung verwendet. Ziel dieser Arbeit war es, (i) die Variabilität des Blüten- und Fruchtansatzes und der Wachstumskapazität aller Bäume einer Apfelproduktionsanlage zu erfassen, (ii) einen Modellierungsansatz der Fruchtertragskapazität der Bäume, um Früchte mit gewünschten mittleren Fruchtdurchmessern zur Ernte zu produzieren, zu entwickeln, der auf räumlich erfassten Sensordaten einzelner Bäume basiert, die zur Simulation der Kohlenstoffbilanz der Bäume in verschiedenen Fruchtentwicklungsphasen verwendet werden und (iii) Anwendungsmöglichkeiten des Modells in technischen Verfahren zur baumangepassten Ausdünnung zu untersuchen. Die Variabilität der Blüten pro Baum wurde an zwei wirtschaftlich bedeutenden Apfelsorten untersucht ('Elstar': jeweils 200 Bäume in 2011, 2014, 2015; 'Gala': 100 Bäume in 2014, 200 Bäume in 2015, 2016). Die Bäume der Sorte 'Elstar' wiesen im Vergleich zu denen der Sorte 'Gala' einen höheren prozentualen Anteil mit geringem Blütenansatz auf, die bei der Ernte nicht die Ertragskapazität pro Baum erreichen konnten. Die feldeinheitliche Ausdünnung während des Ballonstadiums (BBCH-Stadium 59) führte bei beiden Sorten zu Ertragsminderungen zwischen 1,4 - 7,6 t ha-1, verursacht durch Überdünnung von Bäumen mit geringem und mittlerem Blütenansatz. Die gesamte Blattfläche einzelner Bäume wurde in drei Apfelproduktionsanlagen ('Gala': 996 Bäume, 'Pinova': 50 Bäume, 'RoHo 3615': 100 Bäume) mit einem terrestrischen zweidimensionalen Light Detection and Ranging (LiDAR) Laserscanner erfasst. Es wurde eine Methode entwickelt, um die Photosynthese- und Fruchtertragskapazität (FBC) einzelner Bäume zu modellieren. Dabei werden die gesamte Blattfläche pro Baum, die saisonalen Gaswechselraten der Früchte und der Blätter, Wachstumsraten der Früchte und lokal erhobene Wetterdaten in einem Kohlenstoffbilanzmodell verwendet. Die Blattfläche und die Photosynthesekapazität der untersuchten Bäume wiesen in allen drei Anlagen eine hohe Variabilität auf. Die Variabilität der Blattfläche pro Baum und der FBC bei 'Gala' war in zwei aufeinanderfolgenden Jahren ähnlich. Durch Anwendung der Getis-Ord‘s Hot- und Cold-Spot-Analyse wurden Bäume mit einer niedrigeren bzw. höheren FBC als der Durchschnitt der umgebenden Bäume lokalisiert. Dadurch wurde festgestellt, dass sich die räumliche Lage von Coldspots und Hotspots der FBC zwischen den zwei Jahren unterschied. Folglich muss für eine präzise Ausdünnung, mit dem Ziel homogene mittlere Fruchtdurchmesser aller Bäume trotz Variabilität der Blattfläche zwischen den Bäumen zu erreichen, die FBC jährlich ermittelt werden. Die FBC kann zur Ableitung der optimalen Fruchtanzahl pro Baum verwendet werden, um gewünschte Fruchtdurchmesser zu erreichen. In dieser Arbeit wurde die FBC einzelner Bäume ('Gala' 2018: 100 Bäume, 2019: 70 Bäume; 'Pinova' 2018: 35 Bäume; 'RoHo 3615' 2018: 45 Bäume) für deren tatsächlichen mittleren Fruchtdurchmesser zur Ernte simuliert. Die resultierende FBC der Bäume entsprach, mit geringer Abweichung, der tatsächlichen Anzahl an vermarktungsfähigen Früchten pro Baum. Die Ergebnisse zeigten zudem, dass in zwei Anlagen die feldeinheitliche Ausdünnung heterogener Bäume zu vermeidbaren Ertragsverlusten bei bis zu 31 % der untersuchten Bäume führte. Zusätzlich überschritten in einer Anlage die Anzahl von Früchten pro Baum von 16 % der Bäume die FBC, was zu mittleren Fruchtdurchmessern unter 65 mm führte, der Mindestanforderung für Tafelware. Bei 'Gala' korrelierten in zwei aufeinanderfolgenden Jahren die mittlere Fruchtmasse und der mittlere Gehalt an löslicher Trockensubstanz pro Baum mit der Menge an Photonen, die der Baum, nachdem die Blattfläche voll entwickelt war, pro Frucht absorbiert hatte. Durch die Korrelation wurden die physiologischen Grenzen der Bäume für die Erzeugung von Früchten einer angestrebten Qualität aufgezeigt. Außerdem wurden daraus Schwellenwerte der saisonal absorbierten Photonen pro Frucht generiert, um eine bestimmte Fruchtqualität zu erreichen. In dem Zeitraum, nachdem die Blattfläche der Bäume voll entwickelt war bis zur Ernte, betrug die Summe der einfallenden photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR) 440 MJ m-2 in 2018 und 508 MJ m-2 in 2019, von denen die Bäume, in Abhängigkeit der vorhandenen Blattfläche und der damit verbundenen Lichtinterzeption, 19-62 % absorbierten. Im Mittel waren je Frucht 7.5 MJ PAR in 2018 und 5.9 MJ PAR in 2019 notwendig, damit 80 % der Früchte eine vermarktungsfähige Qualität erreichten. Um diese Menge an PAR zu absorbieren, waren mindestens 550 cm² Blattfläche pro Frucht erforderlich. Für die Umsetzung der baumangepassten Ausdünnung eignen sich sowohl Blüten- als auch Fruchtausdünnung. Die maschinelle Blütenausdünnung hat zwei Vorteile: Zum einen ist sie witterungsunabhängig, zum anderen sind die Ausdünnergebnisse, bei gleicher Einstellung des Ausdünnungsgerätes, in mehreren aufeinanderfolgenden Jahren reproduzierbar. Nachdem die Blütenausdünnung durchgeführt wurde, kann Spätfrost den Fruchtansatz der Bäume reduzieren, was häufig zu Erntemengen unterhalb der FBC führt. Die chemische Fruchtausdünnung wird in der Regel durchgeführt, wenn keine Gefahr von Spätfrost mehr besteht. Jedoch hängt die Wirksamkeit der Ausdünnung von Temperatur, Einstrahlung, Luftfeuchtigkeit und dem physiologischen Zustand der Bäume ab. Daher unterscheiden sich die Ausdünnungsergebnisse häufig zwischen den Jahren. In dieser Arbeit wurde bestätigt, dass für eine erfolgreiche chemische Ausdünnung mit dem Photosynthesehemmer Metamitron, warme Witterungsbedingungen (Nacht: 15 °C, Tag: 20°C) in den Tagen vor und nach der Anwendung förderlich sind. Bei diesen Temperaturen ist eine Applikation des Wirkstoffes ausreichend, um den Fruchtansatz der Bäume auf die gewünschten Zielwerte zu reduzieren, während bei niedrigeren Temperaturen dafür häufig weitere Applikationen notwendig sind. Eine baumangepasste Ausdünnung hat den Vorteil, dass sich dadurch Überdünnung, und damit verbundene Ertragsverluste bei Bäumen mit geringem und mittlerem Blütenansatz, vermeiden lassen. Zudem kann durch eine baumangepasste Ausdünnung die Ertragsleistung aller Bäume optimiert und somit das volle wirtschaftliche Potenzial einer Obstanlage ausgeschöpft werden. Das entwickelte Modell zur Simulation der FBC einzelner Bäume, kann für zukünftige Ausdünnstrategien genutzt werden, um den tatsächlichen Frucht- und Blütenansatz einzelner Bäume zu bewerten und daraus Entscheidungen bei den einzelnen Schritten der Ausdünnung zu treffen. Dazu ist es erforderlich, baumindividuelle Daten (Blattfläche, Fruchtansatz) in pflanzenphysiologischen und agronomischen Modellen anzuwenden. Die Modelle können potenziell als Algorithmen zur Steuerung von Geräten dienen, die in der Lage sind, Bäume individuell auszudünnen. Eine baumangepasste Ausdünnung würde durch die Berücksichtigung der gewünschten Produktionsziele und der physiologischen Grenzen der einzelnen Bäume die präzise Bewirtschaftung von Apfelplantagen deutlich voranbringen.  de
dc.subject.ddc580 Pflanzen (Botanik)de
dc.subject.othercanopy photosynthesisen
dc.subject.othercarbon balanceen
dc.subject.otherprecision horticultureen
dc.titleSensor based determination of the fruit bearing capacity in Malus x domestica (Borkh.) aimed at precise crop load managementen
dc.title.translatedSensorbasierte Ermittlung der Fruchttragkapazität bei Malus x domestica BORKH. für eine präzise Ausdünnungde
dc.typeDoctoral Thesisen
tub.affiliationFak. 5 Verkehrs- und Maschinensysteme::Inst. Maschinenkonstruktion und Systemtechnik::FG Agromechatronikde
tub.affiliation.facultyFak. 5 Verkehrs- und Maschinensystemede
tub.affiliation.groupFG Agromechatronikde
tub.affiliation.instituteInst. Maschinenkonstruktion und Systemtechnikde
tub.publisher.universityorinstitutionTechnische Universität Berlinen


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