New Technology to Measure Vineyard Water Use and Vine Water Status. Evapotranspiration (ET): Evaporation + Transpiration

2/18/2014 New Technology to Measure Vineyard  Water Use and Vine Water Status Specialty Crops Research Initiative 2010 Developing sustainable vineya...
Author: Hillary Rose
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2/18/2014

New Technology to Measure Vineyard  Water Use and Vine Water Status

Specialty Crops Research Initiative 2010 Developing sustainable vineyard water management  strategies for limited and impaired water supplies Funding: J Lohr Vineyards, NIFA‐SCRI, AVF, USDA‐ARS Project Director:  James E. Ayars  PhD Student: Tom Shapland Project Manager:  Andrew J. McElrone Collaborators: Kyaw Tha Paw U, Rick Snyder 10 Co‐PIs and >10 Industry Cooperators Post Docs: Arturo Calderon, Tom Shapland

Andrew J. McElrone

California Irrigation Management Information System

Evapotranspiration (ET): Evaporation + Transpiration

Irrigation management how much & when? • Integrates soil, plant and atmosphere • Water lost  Replacement needs • Detect stress of the crop – Timing related to quantity and stress threshold – Impose stress with less risk

Surface Renewal Technology Development

ETc = Kc * ETo Crop evapotranspiration

Crop coefficient

ETO = consumption by well‐watered model grass species  under current weather conditions

Reference ET (CIMIS)

Kc = ETc / ETo Obtained from vines  in weighing lysimeter 

Goal: Cost‐effective tool to measure  actual water loss from vineyard surface 

Extended for grapevines throughout  CA to estimate of irrigation needs Kearney Agricultural Center Univ. of California‐ Parlier CA

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Surface Renewal Technology Development Paw U et al. 1995

Net Radiation

=

Sensible  Heat  Flux 

+

Ground  Heat  Flux 

+

Latent  Heat  Flux 

Surface Energy Balance: Partitioning of energy at the surface

Theory

Hardware Expensive Campbell  Scientific Dataloggers vs. Arduino‐based solution

Expensive  Net Radiometer vs.  Peltier plate  from computer Expensive Sonic Anemometer  vs. Cheap Thermocouple

VS.

Removed the need for calibration

Software

Surface Renewal:  A reliable & automated ET measurement system 

Eddy Covariance  $10,301

New Surface Renewal ~$500

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Proof of concept: 

ET actual lysimeter vs. SR (mm) Kearney Ag Center‐ 2013

Compare to lysimeter & eddy covariance (both gold standards)

ET SR (mm day‐1)

7 6 5 4

y = 0.9572x + 0.5409 R² = 0.777

3

Kearney Agricultural Center Univ. of California‐ Parlier CA

Esparto Vineyard:  3 plots, 3 irrigation trts

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6

7

ET lysimeter (mm day‐1)

How to use the technology? Example #1: Amount lost = amount applied • Not possible previously on a site by site basis • As if there is a weighing lysimeter at each site 

In past two years, measured in 8 plots within 5 wine and  table grape vineyards; slopes range from 0.9 ‐ 1.05

• Automated reports to users- layered approach • One, simple actionable number: Pump run time

One, simple actionable number

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How to use the technology? Example #2: Targeted deficit based on  effective water use

Chardonnay vineyard, Esparto 2013 Three adjacent plots; irrigation treatments imposed  post‐veraison (early August)

Are the vines effectively using the applied water?

How to use the technology?

How to use the technology?

Wet Treatment         

Overwatering

Measured by  Surface Renewal

How to use the technology?

Cumulative ETa or Cumulative Irrigation (L vine‐1)

Example #2: Targeted deficit based on  effective water use

Example #2: Targeted deficit based on  effective water use Cumulative ETa or Cumulative Irrigation (L vine‐1)

Cumulative ETa or Cumulative Irrigation (L vine‐1)

Example #2: Targeted deficit based on  effective water use

Medium Treatment          Measured by  Surface Renewal

Steady deficit

Surface Renewal Technology Development

Dry Treatment         

Measured by  Surface Renewal

Increasing deficit

ETa/ETO Actual ET/ Reference ET

Measure water use AND signal stress

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Lysimeter Vineyard‐Kearney Ag Center

During stress, vines can’t keep up with demand from atmosphere

Repeatable measurements (n=3 stations in one vineyard) Dry treatment plot is much lower for both parameters Wet treatment plot exhibiting stress

ETa/ETo

Chardonnay vineyard – Esparto 2013

Stomatal conductance (mmol m‐2 s‐1)

ETa/ETo

Not much benefit  for water inputs

Overwatering effect?

Dry plot‐ after initiation  of treatment        

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How to use the technology?

How to use the technology?

Example #3+: Detect stress signals

Example #4: Reduce spiking from weekly  irrigation

• Pair with physiological parameters initially • Develop database over time for each block • Eventually, wean from other plant and soil  based measurements 

Tuletechnologies.com Tom Shapland

• Functional prototype complete • Validated against gold standards • Economically viable‐ Patent(s) pending, LLC formed

• Change frequency and amount to match  demands more closely

Acknowledgements • Funding Sources: – – – – – • • • • • • • • • • • •

J. Lohr Vineyards and Wines American Vineyard Foundation National Grape and Wine Initiative NIFA-Specialty Crops Research Initiative USDA-ARS Sustainable Vit CRIS

• Jim Ayars- USDA-ARS • Felipe Barrios Masias- UC Davis • Mark Battany- UC ANR Daniel Bosch- Constellation Brands • • Arturo Calderon- UC Davis • Sean Castorani- ARS Davis • Nick Dokoozlian- E&J Gallo • Ashley Eustis- USDA-ARS Kevin Fort- UC Davis • Jerry Lohr- Grower Cooperator • Kyaw Tha Paw U- UC Davis • Jean Mari Peltier- NGWI

Anji Perry- J Lohr V&W Eva Pilar Pérez Álvarez Rod Scheaffer- Constellation Brands Tom Shapland- UC Davis Ruby Stahel- USDA-ARS Rick Snyder- UC Davis Gwen Tindula- UC ANR Yannis Toutountzis- Constellation Brands Andy Walker- UC Davis Larry Williams- UC Davis Andrew Zaninovich- Sunview Vineyards

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