Op planten gebaseerde sensoren die de dikte en elektrische capaciteit van bladeren meten, zijn veelbelovend voor het vertellen van boeren wanneer ze hun irrigatiesystemen moeten activeren, het voorkomen van zowel waterverspilling als uitgedroogde planten, volgens onderzoekers van Penn State's College of Agricultural Sciences.

Het continu monitoren van "waterstress" van planten is met name van cruciaal belang in droge gebieden en werd traditioneel gedaan door het bodemvochtgehalte te meten of verdampingsmodellen te ontwikkelen die de som van bodemverdamping en planttranspiratie berekenen. Maar er bestaat potentieel om de efficiëntie van het watergebruik te verhogen met nieuwe technologie die nauwkeuriger detecteert wanneer planten water moeten krijgen.

Voor deze studie is onlangs gepubliceerd in Transacties van de American Society of Agricultural and Biological Engineers , hoofdonderzoeker Amin Afzal, een promovendus in de plantenwetenschappen, geïntegreerd in een bladsensor de mogelijkheid om gelijktijdig bladdikte en blad elektrische capaciteit te meten, wat nog nooit eerder is gedaan.

Het werk is gedaan op een tomatenplant in een groeikamer met een constante temperatuur en 12 uur aan/uit fotoperiode gedurende 11 dagen. Het groeimedium was een turfpotmengsel, met watergehalte gemeten door een bodemvochtsensor. Het bodemwatergehalte werd de eerste drie dagen op een relatief hoog niveau gehouden en mocht daarna uitdrogen, over een periode van acht dagen.

De onderzoekers kozen willekeurig zes bladeren die direct werden blootgesteld aan lichtbronnen en monteerden er bladsensoren op, het vermijden van de hoofdaders en de randen. Ze registreerden metingen met tussenpozen van vijf minuten.

De dagelijkse variaties in bladdikte waren gering, zonder significante dagelijkse veranderingen wanneer het bodemvochtgehalte varieerde van hoog tot verwelkingspunt. Bladdikte veranderingen waren, echter, meer merkbaar bij bodemvochtniveaus onder het verwelkingspunt, totdat de bladdikte gestabiliseerd was tijdens de laatste twee dagen van het experiment, wanneer het vochtgehalte 5 procent bereikte.

De elektrische capaciteit, die het vermogen van een blad laat zien om een ​​lading op te slaan, bleef ongeveer constant op een minimumwaarde tijdens donkere perioden en nam snel toe tijdens lichte perioden, wat impliceert dat elektrische capaciteit een weerspiegeling was van fotosynthetische activiteit. De dagelijkse variaties in elektrische capaciteit namen af ​​wanneer het bodemvocht onder het verwelkingspunt lag en stopten volledig onder het volumetrische watergehalte van de bodem van 11 procent, wat suggereert dat het effect van waterstress op elektrische capaciteit werd waargenomen door zijn impact op fotosynthese.

"De bladdikte is als een ballon - hij zwelt op door hydratatie en krimpt door waterstress, of uitdroging, " Zei Afzal. "Het mechanisme achter de relatie tussen de elektrische capaciteit van bladeren en de waterstatus is complex. Simpel gezegd, de elektrische capaciteit van het blad verandert als reactie op variatie in de waterstatus van de plant en omgevingslicht. Dus, de analyse van bladdikte en capaciteitsvariaties geven de waterstatus van de plant aan:goed bewaterd versus gestrest."

De studie is de laatste in een onderzoekslijn waarvan Afzal hoopt dat deze zal eindigen in de ontwikkeling van een systeem waarin bladklemsensoren nauwkeurige informatie over plantvocht naar een centrale eenheid in een veld sturen, die vervolgens in realtime communiceert met een irrigatiesysteem om het gewas water te geven. Hij stelt zich een opstelling voor waarbij de sensoren, centrale unit en irrigatiesysteem communiceren allemaal zonder draden, en de sensoren kunnen draadloos worden gevoed met batterijen of zonnecellen.

"Uiteindelijk, alle details kunnen worden beheerd door een smartphone-app, " zei Afzal, die elektronica en computerprogrammering studeerde aan de Isfahan University of Technology in Iran, waar hij een bachelor in landbouwmachinetechniek behaalde. Hij test zijn werkconcept in het veld bij Penn State.

Twee jaar geleden, hij leidde een team dat de eerste plaats won in de Ag Springboard-wedstrijd van het College of Agricultural Sciences, een wedstrijd voor ondernemersplannen, en kreeg $ 7, 500 om het concept te helpen ontwikkelen.

Opgegroeid in Iran, Afzal weet dat de beschikbaarheid van water het lot van de landbouw bepaalt. In het laatste decennium, de Zayandeh-rivier in zijn geboortestad Isfahani is opgedroogd, en veel boeren kunnen hun gebruikelijke gewassen niet meer planten. "Water is een groot probleem in ons land, " zei Afzal. "Dat is een grote motivatie voor mijn onderzoek."

De technologie van Afzal is veelbelovend, merkte Sjoerd Duiker op, universitair hoofddocent bodembeheer, Afzal's adviseur en lid van het onderzoeksteam. De huidige methoden om irrigatie te bepalen zijn ruw, terwijl de sensoren van Afzal direct met het plantenweefsel werken.

"Ik geloof dat deze sensoren de efficiëntie van het watergebruik aanzienlijk kunnen verbeteren, Duiker voegde toe. "Waterschaarste is al een enorm geopolitiek probleem, waarbij de landbouw verantwoordelijk is voor ongeveer 70 procent van het zoetwatergebruik in de wereld. Verbeteringen in de efficiëntie van het watergebruik zullen essentieel zijn."

In een vervolgonderzoek is Afzal is net klaar met het evalueren van bladsensoren op tomatenplanten in een kas. De resultaten bevestigden de resultaten van de zojuist gepubliceerde studie. In zijn nieuwe onderzoek hij ontwikkelt een algoritme om de variaties in bladdikte en capaciteit te vertalen naar zinvolle informatie over de waterstatus van planten.