Växtbaserade sensorer som mäter lövets tjocklek och elektriska kapacitans visar ett stort löfte för att berätta för bönderna när de ska aktivera sina bevattningssystem, förhindra både vattenavfall och uttorkade växter, enligt forskare vid Penn State's College of Agricultural Sciences.

Kontinuerlig övervakning av anläggningens "vattenspänning" är särskilt kritisk i torra regioner och har traditionellt gjorts genom att mäta jordens fukthalt eller utveckla förångningsmodeller som beräknar summan av markförångning och växttranspiration. Men det finns potential att öka vattenanvändningseffektiviteten med ny teknik som mer exakt upptäcker när växter behöver vattnas.

För denna studie, nyligen publicerad i Transaktioner från American Society of Agricultural and Biological Engineers , ledande forskare Amin Afzal, en doktorsexamen i växtvetenskap, integrerad i en bladsensor förmågan att samtidigt mäta bladtjocklek och bladets elektriska kapacitans, som aldrig har gjorts tidigare.

Arbetet utfördes på en tomatväxt i en tillväxtkammare med konstant temperatur och 12 timmars på/av fotoperiod i 11 dagar. Tillväxtmediet var en torvpottblandning, med vatteninnehåll mätt med en jord-fuktsensor. Markvattenhalten hölls på en relativt hög nivå under de första tre dagarna och tilläts därefter att torka ut, under en period av åtta dagar.

Forskarna valde slumpmässigt sex blad som exponerades direkt för ljuskällor och monterade lövsensorer på dem, undvika huvudvenerna och kanterna. De registrerade mätningar med fem minuters mellanrum.

De dagliga variationerna i bladtjocklek var mindre, utan några signifikanta dagliga förändringar när markfuktinnehållet varierade från hög till vissnande. Ändringar i lövtjocklek var, dock, mer märkbar vid markfuktighetsnivåer under vissningspunkten, tills bladtjockleken stabiliserats under experimentets sista två dagar, när fukthalten nådde 5 procent.

Den elektriska kapacitansen, som visar bladets förmåga att lagra en laddning, höll sig ungefär konstant till ett minimivärde under mörka perioder och ökade snabbt under ljusperioder, vilket innebär att elektrisk kapacitans var en återspegling av fotosyntetisk aktivitet. De dagliga variationerna i elektrisk kapacitans minskade när markfuktigheten var under vissningspunkten och helt upphörde under jordens volymetriska vattenhalt på 11 procent, tyder på att effekten av vattenspänning på elektrisk kapacitans observerades genom dess inverkan på fotosyntesen.

"Bladtjockleken är som en ballong - den sväller upp genom hydratisering och krymper av vattenspänning, eller uttorkning, "Sade Afzal." Mekanismen bakom förhållandet mellan lövets elektriska kapacitans och vattentillstånd är komplex. Enkelt uttryckt, bladets elektriska kapacitans förändras som svar på variation i växtvattentillstånd och omgivande ljus. Så, analysen av lövtjocklek och kapacitansvariationer indikerar växtvattnstatus-välvattnad kontra stressad. "

Studien är den senaste i en rad forskning Afzal hoppas kommer att sluta i utvecklingen av ett system där lövklippsensorer kommer att skicka exakt information om växtfuktighet till en central enhet i ett fält, som sedan kommunicerar i realtid med ett bevattningssystem för att vattna grödan. Han föreställer sig ett arrangemang där sensorerna, centralenhet och bevattningssystem kommer alla att kommunicera utan ledningar, och sensorerna kan drivas trådlöst med batterier eller solceller.

"I sista hand, alla detaljer kan hanteras av en smart telefonapp, "sa Afzal, som studerade elektronik och datorprogrammering vid Isfahan University of Technology i Iran, där han tog en kandidatexamen i lantbruksmaskinteknik. Han testar sitt arbetskoncept inom området i Penn State.

Två år sedan, han ledde ett lag som vann förstaplatsen i College of Agricultural Sciences Ag Springboard -tävling, en entreprenöriell affärsplanstävling, och tilldelades $ 7, 500 för att hjälpa till att utveckla konceptet.

Växer upp i Iran, Afzal vet att tillgången på vatten avgör jordbrukets öde. Under det senaste årtiondet, Zayandehfloden i hans hemstad Isfahani har torkat ut, och många bönder kan inte längre plantera sina vanliga grödor. "Vatten är en stor fråga i vårt land, "sade Afzal." Det är en stor motivation för min forskning. "

Afzals teknik är mycket lovande, noterade Sjoerd Duiker, docent i markhantering, Afzals rådgivare och medlem i forskargruppen. Nuvarande metoder för att bestämma bevattning är råa, medan Afzals sensorer arbetar direkt med växtvävnaden.

"Jag tror att dessa sensorer skulle kunna förbättra vattenanvändningseffektiviteten avsevärt, "Tillade Duiker." Vattenbrist är redan en stor geopolitisk fråga, med jordbruk ansvarig för cirka 70 procent av världens sötvattenanvändning. Förbättringar i vattenanvändningseffektiviteten kommer att vara avgörande. "

I en uppföljningsstudie, Afzal har precis utvärderat lövsensorer på tomatplantor i ett växthus. Resultaten bekräftade resultaten av den just publicerade studien. I sin nya forskning, han utvecklar en algoritm för att översätta bladtjocklek och kapacitansvariationer till meningsfull information om växtvattentillstånd.