Blattsensoren können den Landwirten sagen, wann die Pflanzen bewässert werden müssen

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Anonim

Pflanzenbasierte Sensoren, die die Dicke und elektrische Kapazität von Blättern messen, sind vielversprechend, um Landwirten zu sagen, wann sie ihre Bewässerungssysteme aktivieren müssen, um sowohl Wasserverschwendung als auch ausgedörrte Pflanzen zu verhindern, so Forscher des Penn State College of Agricultural Sciences.

Die kontinuierliche Überwachung des "Wasserstresses" der Pflanzen ist besonders kritisch in ariden Gebieten und wurde traditionell durch Messung des Bodenfeuchtigkeitsgehalts oder durch Entwicklung von Evapotranspirationsmodellen durchgeführt, die die Summe der Verdunstung der Bodenoberfläche und der Pflanzentranspiration berechnen. Es besteht jedoch das Potenzial, die Wassernutzungseffizienz durch neue Technologien zu erhöhen, die genauer erkennen, wann Pflanzen bewässert werden müssen.

Für diese Studie, die kürzlich in Transactions der American Society of Agricultural and Biological Engineers veröffentlicht wurde, hat der Forscher Amin Afzal, Doktorand in Pflanzenwissenschaften, in einen Blattsensor die Fähigkeit integriert, Blattstärke und Blattkapazität gleichzeitig zu messen noch nie zuvor gemacht worden.

Die Arbeit wurde an einer Tomatenpflanze in einer Wachstumskammer mit einer konstanten Temperatur und einer 12-stündigen An / Aus-Photoperiode für 11 Tage durchgeführt. Das Wachstumsmedium war eine Torf-Eintopf-Mischung, wobei der Wassergehalt durch einen Bodenfeuchtigkeitssensor gemessen wurde. Der Bodenwassergehalt wurde für die ersten drei Tage auf einem relativ hohen Niveau gehalten und konnte danach über einen Zeitraum von acht Tagen dehydrieren.

Die Forscher wählten zufällig sechs Blätter aus, die direkt den Lichtquellen ausgesetzt waren, und montierten Blattsensoren an ihnen, wobei die Hauptadern und die Kanten vermieden wurden. Sie zeichneten Messungen in Fünf-Minuten-Intervallen auf.

Die täglichen Blattdickeschwankungen waren gering, und es gab keine signifikanten Veränderungen von Tag zu Tag, wenn die Bodenfeuchtigkeitsgehalte von hoch bis verwelkt reichten. Änderungen der Blattdicke waren jedoch bei Bodenfeuchtigkeitsgehalten unterhalb des Welkpunktes stärker bemerkbar, bis sich die Blattdicke während der letzten zwei Tage des Versuchs stabilisierte, als der Feuchtigkeitsgehalt 5% erreichte.

Die elektrische Kapazität, die die Fähigkeit eines Blattes zur Speicherung einer Ladung zeigt, blieb während dunkler Perioden in etwa konstant bei einem minimalen Wert und stieg während Lichtperioden schnell an, was impliziert, dass die elektrische Kapazität eine Reflexion der Photosyntheseaktivität war. Die täglichen Schwankungen der elektrischen Kapazität gingen zurück, wenn die Bodenfeuchte unter dem Welkepunkt lag und unterhalb des volumetrischen Wassergehaltes des Bodens von 11 Prozent vollständig abfiel, was darauf hindeutet, dass der Einfluss von Wasserstress auf die elektrische Kapazität durch seine Auswirkungen auf die Photosynthese beobachtet wurde.

"Blattdicke ist wie ein Ballon - es schwillt durch Hydration an und schrumpft durch Wasserstress oder Austrocknung", sagte Afzal. "Der Mechanismus hinter der Beziehung zwischen der elektrischen Kapazität des Blattes und dem Wasserzustand ist komplex. Einfach ausgedrückt, ändert sich die elektrische Kapazität des Blattes als Reaktion auf Schwankungen des Pflanzenwasserstatus und des Umgebungslichts. Die Analyse der Blattdicken- und Kapazitätsvariationen zeigt den Pflanzenwasserstatus an - gut bewässert gegen gestresst. "

Die Studie ist die neueste in einer Forschungsrichtung Die Hoffnungen von Afzal werden in der Entwicklung eines Systems enden, in dem Blattklammersensoren präzise Informationen über Pflanzenfeuchtigkeit an eine zentrale Einheit in einem Feld senden, die dann in Echtzeit mit einem Bewässerungssystem kommuniziert um die Ernte zu bewässern. Er sieht eine Anordnung vor, bei der die Sensoren, die Zentraleinheit und das Bewässerungssystem alle ohne Kabel kommunizieren, und die Sensoren können drahtlos mit Batterien oder Solarzellen betrieben werden.

"Letztendlich können alle Details mit einer Smartphone-App verwaltet werden", sagte Afzal, der an der Isfahan University of Technology in der Elektronik- und Computerprogrammierung studierte, wo er einen Bachelor-Abschluss in Landtechnik machte. Er testet sein Arbeitskonzept auf dem Gebiet von Penn State.

Vor zwei Jahren leitete er ein Team, das den ersten Platz beim Ag Springboard-Wettbewerb des College of Agricultural Sciences gewann, einem unternehmerischen Business-Plan-Wettbewerb, und erhielt $ 7.500, um bei der Entwicklung des Konzepts zu helfen.

Aufgewachsen im Iran weiß Afzal, dass die Wasserverfügbarkeit das Schicksal der Landwirtschaft bestimmt. Im letzten Jahrzehnt ist der Zayandeh River in seiner Heimatstadt Isfahani ausgetrocknet, und viele Bauern können nicht mehr ihre üblichen Pflanzen anbauen. "Wasser ist ein großes Problem in unserem Land", sagte Afzal. "Das ist eine große Motivation für meine Forschung."

Afzals Technologie ist sehr vielversprechend, bemerkte Sjoerd Duiker, Dozent für Bodenmanagement, Afzals Berater und Mitglied des Forschungsteams. Die derzeitigen Methoden zur Bestimmung der Bewässerung sind grob, während die Sensoren von Afzal direkt mit dem Pflanzengewebe arbeiten.

"Ich glaube, diese Sensoren könnten die Wassernutzungseffizienz erheblich verbessern", fügte Duiker hinzu. "Wasserknappheit ist bereits ein enormes geopolitisches Problem, da die Landwirtschaft für etwa 70 Prozent des weltweiten Süßwasserverbrauchs verantwortlich ist. Verbesserungen in der Wassernutzungseffizienz sind von entscheidender Bedeutung."

In einer Folgestudie hat Afzal gerade die Untersuchung von Blattsensoren an Tomatenpflanzen in einem Gewächshaus abgeschlossen. Die Ergebnisse bestätigten die Ergebnisse der soeben veröffentlichten Studie. In seiner neuen Forschung entwickelt er einen Algorithmus, um die Blattdicken- und Kapazitätsschwankungen in aussagekräftige Informationen über den Pflanzenwasserstatus zu übersetzen.

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