Датчики на основе растений, которые измеряют толщину и электрическую емкость листьев, показывают большие перспективы в том, что они сообщат фермерам, когда активировать их ирригационные системы, предотвращая как потери воды, так и высыхание растений, по словам исследователей из Колледжа сельскохозяйственных наук штата Пенсильвания.
Постоянный мониторинг «водного стресса» растений особенно важен в засушливых регионах и традиционно осуществляется путем измерения содержания влаги в почве или разработки моделей эвапотранспирации, которые рассчитывают сумму испарения с поверхности земли и транспирации растений. Но существует потенциал для повышения эффективности использования воды с помощью новой технологии, которая более точно определяет, когда растения необходимо поливать.
Для этого исследования, недавно опубликованного в «Трудах Американского общества инженеров-агрономов и биологических инженеров», ведущий исследователь Амин Афзал, кандидат наук о растениях, интегрировал в датчик листа возможность одновременного измерения толщины листа и листа. электрическая емкость, чего раньше никогда не делали.
Работы проводились на растении томата в ростовой камере с постоянной температурой и 12-часовым включенным/выключенным фотопериодом в течение 11 дней. Средой для выращивания была торфяная горшечная смесь, содержание воды в которой измерялось датчиком влажности почвы. Содержание влаги в почве поддерживали на относительно высоком уровне в течение первых трех дней, после чего давали возможность обезвоживаться в течение восьми дней.
Исследователи случайным образом выбрали шесть листьев, которые подвергались прямому воздействию источников света, и установили на них датчики листьев, избегая основных жилок и краев. Они записывали измерения с пятиминутными интервалами.
Суточные колебания толщины листьев были незначительными, без существенных ежедневных изменений, когда влажность почвы колебалась от высокой до точки увядания. Однако изменения толщины листьев были более заметны при уровне влажности почвы ниже точки увядания, пока толщина листьев не стабилизировалась в течение последних двух дней эксперимента, когда содержание влаги достигло 5 процентов.
Электрическая емкость, показывающая способность листа накапливать заряд, оставалась примерно постоянной на минимальном уровне в темные периоды и быстро увеличивалась в световые периоды, подразумевая, что электрическая емкость является отражением фотосинтетической активности. Суточные колебания электрической емкости уменьшались, когда влажность почвы была ниже точки увядания, и полностью прекращались при объемной влажности почвы ниже 11 процентов, что свидетельствует о том, что влияние водного стресса на электрическую емкость наблюдалось через его влияние на фотосинтез..
«Толщина листа подобна воздушному шару - он набухает от увлажнения и сжимается от водного стресса или обезвоживания», - сказал Афзал.«Механизм, лежащий в основе взаимосвязи между электрической емкостью листа и состоянием воды, сложен. Проще говоря, электрическая емкость листа изменяется в ответ на изменение состояния воды в растении и окружающего освещения. Таким образом, анализ изменений толщины листа и емкости указывает на состояние воды в растении. - сытость против стресса."
Это последнее исследование, которое, как надеется Афзал, завершится разработкой системы, в которой датчики обрезки листьев будут отправлять точную информацию о влажности растений на центральный блок в поле, который затем передает данные в режиме реального времени. время с оросительной системой для полива урожая. Он представляет себе устройство, в котором датчики, центральный блок и система орошения будут обмениваться данными без проводов, а датчики могут получать беспроводное питание от батарей или солнечных элементов.
«В конечном счете, всеми деталями можно управлять с помощью приложения для смартфона», - сказал Афзал, изучавший электронику и компьютерное программирование в Исфаханском технологическом университете в Иране, где он получил степень бакалавра в области сельскохозяйственного машиностроения. Он тестирует свою рабочую концепцию в полевых условиях в Пенсильванском университете.
Два года назад он возглавил команду, занявшую первое место в конкурсе Ag Springboard Колледжа сельскохозяйственных наук, конкурсе предпринимательских бизнес-планов, и получил 7 500 долларов на помощь в разработке концепции.
Выросший в Иране, Афзал знает, что доступность воды определяет судьбу сельского хозяйства. За последнее десятилетие река Зайанде в его родном городе Исфахани высохла, и многие фермеры больше не могут сажать свои обычные культуры. «Вода - большая проблема в нашей стране, - сказал Афзал. «Это большая мотивация для моего исследования».
Технология Afzal очень многообещающая, отметил Сьорд Дукер, доцент кафедры управления почвой, советник Afzal и член исследовательской группы. Текущие методы определения орошения грубы, а датчики Afzal работают непосредственно с тканями растений.
«Я считаю, что эти датчики могут значительно повысить эффективность использования воды», - добавил Дукер.«Нехватка воды уже является огромной геополитической проблемой, поскольку на сельское хозяйство приходится около 70 процентов мирового потребления пресной воды. Необходимо повысить эффективность использования воды».
В последующем исследовании Афзал только что закончил оценку датчиков листьев на растениях томатов в теплице. Результаты подтвердили результаты только что опубликованного исследования. В своем новом исследовании он разрабатывает алгоритм для преобразования изменений толщины и емкости листа в значимую информацию о состоянии воды в растениях.