Непрерывный мониторинг «водного стресса» растений особенно важен в засушливых регионах и традиционно осуществляется путем измерения влажности почвы или разработки моделей эвапотранспирации, которые рассчитывают сумму испарения с поверхности земли и транспирации растений. Но существует потенциал для повышения эффективности водопользования с помощью новой технологии, которая более точно определяет, когда растения необходимо поливать.
Для этого исследования, недавно опубликованного в «Транзакциях Американского общества сельскохозяйственных и биологических инженеров», ведущий исследователь Амин Афзал, кандидат наук о растениях, интегрировал в датчик листьев, способный одновременно измерять толщину листа и электрическую емкость листа, который имеет никогда раньше не делалось.Работа проводилась на растении томата в камере для выращивания с постоянной температурой и 12-часовым световым периодом включения / выключения в течение 11 дней.
В качестве питательной среды использовалась торфяная почвенная смесь с содержанием воды, измеренным датчиком влажности почвы. Содержание влаги в почве поддерживалось на относительно высоком уровне в течение первых трех дней, а затем позволяли 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 значительных ежедневных изменений, когда содержание влаги в почве варьировалось от высокой до точки увядания. Однако изменения толщины листа были более заметны при уровнях влажности почвы ниже точки увядания, пока толщина листа не стабилизировалась в течение последних двух дней эксперимента, когда содержание влаги достигло 5 процентов.Электрическая емкость, которая показывает способность листа накапливать заряд, оставалась примерно постоянной на минимальном уровне в темные периоды и быстро увеличивалась в светлые периоды, подразумевая, что электрическая емкость была отражением фотосинтетической активности.
Ежедневные колебания электрической емкости уменьшались, когда влажность почвы была ниже точки увядания, и полностью прекращались при объемном содержании воды в почве, равном 11 процентам, что позволяет предположить, что влияние водного стресса на электрическую емкость наблюдалось через его влияние на фотосинтез.«Толщина листа похожа на воздушный шар — он набухает из-за гидратации и сжимается из-за недостатка воды 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. — полив против стресса ".
Это последнее исследование, которое Афзал надеется, завершится разработкой системы, в которой датчики зажима листьев будут отправлять точную информацию о влажности растений на центральный блок на поле, который затем в режиме реального времени обменивается данными с системой орошения. поливать урожай. Он предполагает устройство, в котором датчики, центральный блок и ирригационная система 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 инженерии сельскохозяйственной техники.
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.
Афзал, выросший в Иране, знает, что наличие воды определяет судьбу сельского хозяйства. За последнее десятилетие река Заянде 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 моих исследований».«Технология Afzal очень многообещающая, — отметил Сьерд Дуйкер, доцент кафедры управления почвами, советник Afzal и член исследовательской группы. Современные методы определения полива являются грубыми, в то время как датчики Афзала работают непосредственно с тканями растений.
«Я считаю, что эти датчики могут значительно повысить эффективность использования воды», — добавил Дуйкер. «Нехватка воды уже является огромной геополитической проблемой, поскольку на сельское хозяйство приходится около 70 процентов мирового потребления пресной воды. Повышение эффективности использования воды будет иметь важное значение».
В своем последующем исследовании Афзал только что завершил оценку датчиков листьев на томатах в теплице. Результаты подтвердили результаты только что опубликованного исследования.
В своем новом исследовании он разрабатывает алгоритм для преобразования толщины листьев и вариаций емкости в значимую информацию о состоянии воды в растениях.