Bladsensorer kan fortælle landmændene, hvornår afgrøder skal vandes

Plantebaserede sensorer, der måler bladenes tykkelse og elektriske kapacitans, viser et stort løfte om at fortælle landmændene, hvornår de skal aktivere deres kunstvandingssystemer, forebyggelse af både vandspild og udtørrede planter, ifølge forskere fra Penn State College of Agricultural Sciences.

Kontinuerlig overvågning af planters "vandstress" er særligt kritisk i tørre områder og er traditionelt blevet gjort ved at måle jordens fugtindhold eller udvikle evapotranspirationsmodeller, der beregner summen af ​​jordoverfladefordampning og plantetranspiration. Men der er potentiale til at øge vandforbrugseffektiviteten med ny teknologi, der mere præcist registrerer, når planter skal vandes.

Til denne undersøgelse, for nylig udgivet i Transaktioner fra American Society of Agricultural and Biological Engineers , ledende forsker Amin Afzal, en doktorgradskandidat i plantevidenskab, integreret i en bladsensor mulighed for samtidig at måle bladtykkelse og bladelektrisk kapacitans, hvilket aldrig er blevet gjort før.

Arbejdet blev udført på en tomatplante i et vækstkammer med konstant temperatur og 12 timers tænd/sluk fotoperiode i 11 dage. Vækstmediet var en tørvepotteblanding, med vandindhold målt med en jord-fugtføler. Jordens vandindhold blev holdt på et relativt højt niveau i de første tre dage og fik derefter lov til at dehydrere, over en periode på otte dage.

Forskerne valgte tilfældigt seks blade, der blev udsat direkte for lyskilder og monteret løvsensorer på dem, undgå hovedårerne og kanterne. De registrerede målinger med fem minutters intervaller.

De daglige bladtykkelsesvariationer var mindre, uden væsentlige daglige ændringer, når jordens fugtindhold varierede fra højt til visnet punkt. Ændringer i bladtykkelse var, imidlertid, mere mærkbar ved jordfugtighedsniveauer under visningspunktet, indtil bladtykkelsen stabiliseres i løbet af de sidste to dage af eksperimentet, når fugtindholdet nåede 5 pct.

Den elektriske kapacitans, som viser et blads evne til at opbevare en ladning, holdt sig nogenlunde konstant på en minimumsværdi i mørke perioder og steg hurtigt i lyse perioder, indebærer, at elektrisk kapacitans var en afspejling af fotosyntetisk aktivitet. De daglige variationer i elektrisk kapacitans faldt, når jordfugtigheden var under visnepunktet og helt ophørte under jordens volumetriske vandindhold på 11 procent, tyder på, at virkningen af ​​vandstress på elektrisk kapacitans blev observeret gennem dens indvirkning på fotosyntesen.

"Løvtykkelsen er som en ballon - den svulmer ved hydrering og krymper ved vandstress, eller dehydrering, " sagde Afzal. "Mekanismen bag forholdet mellem bladets elektriske kapacitans og vandstatus er kompleks. Kort fortalt, bladets elektriske kapacitans ændres som reaktion på variation i plantens vandstatus og omgivende lys. Så, analysen af ​​bladtykkelse og kapacitansvariationer indikerer plantevandsstatus - godt vandet versus stresset."

Undersøgelsen er den seneste i en række af forskning, som Afzal håber vil ende i udviklingen af ​​et system, hvor bladclipssensorer sender præcise oplysninger om plantefugt til en central enhed i en mark, som derefter kommunikerer i realtid med et kunstvandingssystem for at vande afgrøden. Han forestiller sig et arrangement, hvor sensorerne, centralenhed og kunstvandingssystem vil alle kommunikere uden ledninger, og sensorerne kan forsynes trådløst med batterier eller solceller.

"Ultimativt, alle detaljer kan administreres af en smartphone-app, " sagde Afzal, som studerede elektronik og computerprogrammering ved Isfahan University of Technology i Iran, hvor han tog en bachelorgrad i landbrugsmaskinteknik. Han tester sit arbejdskoncept i marken i Penn State.

To år siden, han ledede et hold, der vandt førstepladsen i College of Agricultural Sciences' Ag Springboard-konkurrence, en iværksætterkonkurrence om forretningsplaner, og blev tildelt $ 7, 500 til at hjælpe med at udvikle konceptet.

Opvokset i Iran, Afzal ved, at tilgængeligheden af ​​vand afgør landbrugets skæbne. I det sidste årti, Zayandeh -floden i hans hjemby Isfahani er tørret op, og mange landmænd kan ikke længere plante deres sædvanlige afgrøder. "Vand er et stort problem i vores land, " sagde Afzal. "Det er en stor motivation for min forskning."

Afzals teknologi er meget lovende, bemærkede Sjoerd Duiker, lektor i jordforvaltning, Afzals rådgiver og medlem af forskerteamet. Nuværende metoder til at bestemme kunstvanding er rå, mens Afzals sensorer arbejder direkte med plantevævet.

"Jeg tror, ​​​​at disse sensorer kan forbedre vandforbrugseffektiviteten betydeligt, "Tilføjede Duiker." Vandmangel er allerede et stort geopolitisk spørgsmål, med landbruget ansvarligt for omkring 70 procent af verdens ferskvandsforbrug. Forbedringer i vandforbrugseffektiviteten vil være afgørende."

I en opfølgende undersøgelse, Afzal er netop blevet færdig med at evaluere bladsensorer på tomatplanter i et drivhus. Resultaterne bekræftede resultaterne af den netop offentliggjorte undersøgelse. I sin nye forskning, han udvikler en algoritme til at oversætte bladtykkelsen og kapacitansvariationerne til meningsfuld information om plantevandsstatus.