חיזוי שיא עקת המים בגפן – שילוב חיישנים, נתוני סביבה ובינה מלאכותית

בימות הקיץ החמים הקרינה והטמפרטורה עולות, והלחות היחסית פוחתת. בשל דפוס זה מאגר המים בצמח מתדלדל במהלך היום, וכאשר התנאים מתמתנים אחר הצהריים, הצמח משקם את מאגר המים שלו. חשוב להבין באיזו שעה ביום מאגר המים נמצא במינימום (קרי שיא העקה היומית שהצמח חווה) כדי להגיע לפרקטיקת השקיה מיטבית ולשפר את יכולת החקלאים לנטר את תגובת הצמחים לסביבה. עם זאת, היות שמאזן המים מושפע ממגוון גורמים ביוטיים ואביוטיים, קשה לחזות מתי יתרחש שיא העקה.

מאזן המים בצמח הוא גורם מרכזי המשפיע על בריאותו ועל קצב הצמיחה שלו, וכן ועל עמידותו לתנאי סביבה משתנים. מים זורמים מהקרקע לעלים דרך מערכת העצה בהתאם למפל לחצים. מולקולות מים שמתאדות מהפיוניות (דיוּת) יוצרות לחץ מים שלילי (מתח), שגורם לזרימה מעלה של עמודת המים – מהקרקע, דרך השורשים ועד לקצות עורקי העלים. ככל שהאידוי מתגבר, למשל בשעות חמות, עולה המתח בעמודת המים. היות שהרקמות החיות העוטפות את העצה נמצאות איתה בשיווי משקל הידראולי, עלייה בדיות ובמתח המים בעצה תגרום להתכווצות של התאים.

ההתכווצות היומית של קוטר הגזע היא בעלת אופי מחזורי: בבוקר הקוטר מרבי, ואחר הצהריים, בשיא האידוי, הוא מגיע למינימום (איור 1). כאשר קוטר הגזע הוא הקטן ביותר, הצמח חווה את שיא עקת המים. מועד זה ביום יכונה להלן 'שעת שיא עקת המים'. למרות חשיבותה, מעטות העבודות שהתמקדו בשעת שיא עקת המים. במחקר הנוכחי אפיינו את הדינמיקה העונתית של המועד הזה ביום, חקרנו כיצד הוא מושפע ממשתנים סביבתיים, ובנינו מודל לחיזוי שעת השיא בכל יום באמצעות כלים של למידת מכונה. חיזוי שעת שיא עקת המים עשוי לתרום לייעול הטיפול החקלאי בצומח, בעיקר לנוכח שינוי האקלים המשמעותי הפוקד את העולם ואת ישראל.

איור 1

קוטר הגזע כפונקציה של זמן לאורך שבוע

תוצאות המדידה לקוחות מחֶלקת ניסוי של גפנים באזור לכיש, ומתייחסות לגפן מסוימת בשבוע שחל בתאריכים 3–10 ביוני 2024. הקוטר המזערי של הגזע בכל יום מסומן בעיגול כתום.

במסגרת המחקר נאספו נתונים מכרם ענבי מאכל (זן סקרלוטה) באזור לכיש במהלך עונת הגידול של שנת 2024 בין החודשים אפריל לאוקטובר. הניסוי כלל 20 חלקות שנבדלו במאפייני ההשקיה והטיפול. מכל חלקה נמדדה גפן בודדת. הנתונים כללו מדידות רציפות של קרקע, מזג אוויר וקוטר הגזע. נתוני הקרקע נמדדו באמצעות חיישנים בשטח, וכללו טמפרטורה ותכולת מים בעומקים שונים באותה נקודה. הנתונים המטאורולוגיים, ובהם טמפרטורת האוויר, לחות יחסית, מהירות רוח וקרינת השמש, נמדדו בתחנה מטאורולוגית שהוצבה בכרם. נוסף על כך, אורך היום חושב לכל תאריך על בסיס זמני זריחה ושקיעה. כלל הנתונים עוגנו לפי תאריך ואזור, ונותחו ברזולוציה שעתית. בחישוב הממוצע של כל החלקות שנבדקו בכל ימי הניסויים, נמצא כי שיא עקת המים חל בשעה 14:54, עם סטיית תקן גבוהה מאוד – שעה ו-43 דקות (איור 2).

איור 2

התפלגות המועדים של שעת שיא עקת המים בחלקות הניסוי שנבדקו במחקר

האיור מתאר את הכמות היחסית של שעות השיא במדגם שכלל את כל החלקות בכל תקופת המחקר (אפריל עד אוקטובר 2024).

היכולת לחזות את שעת שיא עקת המים עשויה לייעל את הטיפול בצמח (לדוגמה, לתזמן את ההשקיה כך שתיטיב עם הצמח). לפיכך יושמו מודלי רגרסיה שונים לחיזוי שעה זו. לצורך כך אומנו המודלים: רגרסיה ליניארית, יערות אקראיים ורשת נוירונים מסוג טרנספורמר. מבין המודלים שנבחנו, הטרנספורמר הציג את ביצועי החיזוי הטובים ביותר עם נתון RMSE של שעה ו-35 דקות על סט המבחן. נתון זה נמוך מסטיית התקן של שעת השיא (שעה ו-43 דקות), מה שמעיד על איכות טובה של החיזוי. ראו טבלה 1.

טבלה 1

ביצועי מודלים לחיזוי שעת שיא עקת המים

במטרה להצביע על המשתנים המשפיעים ביותר על החיזוי ולהסביר את מודלי הבינה המלאכותית (המהווים 'קופסה שחורה') הרצנו כל אחד מהמודלים בכל פעם ללא משתנה אחר, ובחנו את השינוי באיכות החיזוי (ΔRMSE). נמצא כי תכולת המים בקרקע היא המשתנה שהייתה לו ההשפעה הגדולה ביותר על שעת שיא עקת המים. ניתחנו את המשתנה הזה, ומצאנו שבתחילת העונה (באביב) קיים מתאם שלילי בין תכולת המים לשעת שיא עקת המים (שעה מוקדמת יותר כשהאדמה רוויה), אך ככל שהעונה מתקדמת, המתאם הולך ונעשה חיובי יותר. ייתכן שהשפעת תכולת המים בקרקע על עקת הגפן תלויה בשלב הפנולוגי של הגידול או בתנאי רקע סביבתיים משתנים, ולכן יש לבחון אותה בהקשרים דינמיים.

משתנה משמעותי נוסף הוא אורך היום, שנמצא במתאם חיובי עם שעת שיא עקת המים – ככל שהיום מתארך, שעת שיא עקת המים נדחית. מהממצא הזה עולה שהגפן 'שומרת' על לחץ מים נמוך זמן רב יותר בימים ארוכים, אולי בעקבות דרישות פוטוסינתטיות מוגברות. גם טמפרטורת הקרקע וקרינת השמש נמצאו כמשתנים בעלי תרומה חיובית לדחיית שעת שיא עקת המים, אם כי ברמה נמוכה יותר.

לסיכום, המחקר מדגים כיצד שילוב של נתוני שדה רציפים עם שיטות ניתוח מתקדמות של בינה מלאכותית מאפשר חיזוי מדויק של שעת עקת המים בגזע הגפן, שהיא סמן פיזיולוגי רגיש למאזן המים בצמח. הממצאים האלה תורמים להבנה טובה יותר של הדינמיקה העונתית של עקת מים בגפן, ומציעים בסיס לפיתוח כלים חקלאיים חכמים לניהול השקיה ולקבלת החלטות מושכלת, על אחת כמה וכמה בעידן של שינוי האקלים. המחקר נערך רק על גפנים, אך ניתן להניח שתופעה דומה קיימת גם במינים אחרים.