W 2010 r. Naukowcy z kalifornijskiego Pacific Institute, globalnego think tanku ds. Wody, zdefiniowali stan, w którym Ziemia może stawić czoło, zwany „szczytową wodą”. Luźno, to analogicznie do szczytowej ropy, ale nie chodzi tylko o to, że zabraknie nam wody. Świeża woda nie zniknie, ale stanie się jeszcze bardziej nierównomiernie rozprowadzana, coraz droższa i trudniej dostępna. Zdaniem prezesa Instytutu Pacyfiku Petera Gleicka, wielu częściach świata zmaga się z niedoborem wody, a 80 procent świeżej wody, która jest wykorzystywana na całym świecie, jest wykorzystywana do nawadniania upraw.
W ciągu ostatnich 40 lat całkowite zużycie wody w Stanach Zjednoczonych zaczęło się zmniejszać. Częściowo dzieje się tak dzięki znacznie ulepszonemu nawadnianiu, a częściowo dzięki technologiom teledetekcji - satelitom, radarowi i dronom - które oceniają napór wody na polach na podstawie temperatury lub ilości światła, które baldachim odbija się przy różnych długościach fal. Im lepiej możemy śledzić nawodnienie roślin, tym bardziej możemy uniknąć zarówno nadmiernego, jak i niedostatecznego podlewania naszych upraw. Ale podczas gdy metody te dobrze pasują do szerokich widoków i mogą dać ogólny obraz wykorzystania pól wodnych, zespół z Penn State University badał znacznie bardziej szczegółową metodę pomiaru stresu wodnego, roślina po roślinie.
System, dla którego Penn State Research Foundation złożyła wniosek o przyznanie międzynarodowego patentu, wyposażony jest w klips, który zawiera czujniki wykrywające grubość i pojemność elektryczną lub zdolność do przechowywania ładunku poszczególnych liści. Zestaw czujników jest podłączony do węzła Wi-Fi, który przesyła dane do jednostki centralnej, która śledzi pomiary w czasie i wykorzystuje je jako wskaźniki stresu wodnego. W końcu aplikacja na smartfony może uruchomić cały system.
„Wdrożenie takiej techniki w rzeczywistych praktycznych zastosowaniach jest trudne, ponieważ musi być lekka, niezawodna, nieniszcząca rośliny” - mówi Amin Afzal, główny autor badania, które zostało opublikowane w Transactions of the American Society of Agricultural and Biological Inżynierowie . „To, co zostało przedstawione w tym artykule, to rodzaj rewolucji w technice roślinnej. Mamy nadzieję, że uda nam się rozwinąć tę technikę i wreszcie dostarczyć ją do praktycznych zastosowań”.
Penn State Research Foundation złożyła wniosek o międzynarodowy patent na system. (Amin Afzal) Obecne standardy pomiaru stresu wodnego dotyczą przede wszystkim modeli ewapotranspiracji i wykrywania wilgotności gleby. Pierwszy z nich polega na obliczeniu ilości parowania występującego na polu, a później testuje samą glebę, ale w obu przypadkach technika polega na pomiarze bliskości stresu wodnego, a nie stresu, na który narażone są rośliny.
Czujnik stanu Penna działa nieco inaczej. Czujnik efektu Halla w klipie wykorzystuje magnesy do określenia odległości od jednej strony klipu do drugiej; gdy liść wysycha, magnesy zbliżają się do siebie. Tymczasem czujnik pojemnościowy mierzy ładunek elektryczny w skrzydle. Woda przewodzi elektryczność inaczej niż materiał liści, a czujnik może to odczytać. Jednostka centralna w terenie interpretuje pojemność jako zawartość wody i przekazuje ją do systemu nawadniającego. Ale testy wykazały również inną pojemność w ciągu dnia (w porównaniu z nocą), kiedy liść był fotosyntetycznie aktywny.
W ciągu 11 dni Afzal i jego koledzy pozwolili wyschnąć glebie rośliny doświadczalnej, mierząc pojemność i grubość co pięć minut. Zauważyli, że oba wskaźniki zachowały spójne zachowanie aż do około 9 dnia, kiedy zaobserwowano więdnięcie fizyczne. Ponadto pojemność skokowa w górę i w dół w ciągu 24-godzinnych cykli świetlnych, co sugeruje, że pojemność może również wykrywać fotosyntezę.
Wyposażony w czujnik Halla i czujniki pojemnościowe klip określa zawartość wody i przekazuje ją do systemu nawadniającego. (Amin Afzal) Na polu tylko wybrane rośliny będą wymagały monitorów. Większe pole wymagałoby większej liczby czujników ogółem, zwłaszcza jeśli ma różne wysokości, gleby lub granice, ale wymaga mniej czujników na jednostkę powierzchni. Afzal twierdzi, że w oczekiwanej cenie około 90 USD urządzenia nie są tanie, ale są trwałe w elementach, zaprojektowanych tak, aby przetrwały ponad pięć lat.
Celem jest poprawa wydajności (lub przynajmniej jej zmniejszenie) przy jednoczesnym zmniejszeniu niezbędnej ilości wody. Oczywiście podlewanie jest marnotrawstwem. Ale podwodność może obniżyć plony, ponieważ rośliny obciążone wodą wytwarzają mniej, co zmniejsza ogólną wydajność wody. Jose Chavez, profesor inżynierii lądowej i inżynierii środowiska na Uniwersytecie Stanu Kolorado, który intensywnie studiował ewapotranspirację, aby lepiej ocenić irygację w Kolorado, nie dotyczy tylko ilości zużywanej wody.
„W zależności od uprawy, jeśli nie jest to nawadnianie deficytowe - przy zastosowaniu mniejszej niż optymalna - niektóre zszywki mogą być bardzo podatne na utratę dużej ilości plonu”, mówi Chavez. „Technologia, która wykryłaby z wyprzedzeniem, kiedy osiągnie ten poziom, zapobiegałaby utracie wydajności przez wcześniejsze przygotowanie zarządcy wody.”
Zespół z Penn State przetestował urządzenie na sześciu liściach pojedynczej rośliny pomidora - niezbyt dużej wielkości próbki. Afzal, który obecnie jest naukowcem zajmującym się danymi z Monsanto, mówi, że technologia ta ma zastosowanie do innych roślin i na większą skalę, ale nadal będzie wymagała dalszych badań w celu przetestowania różnych upraw i warunków. Już umieścił czujnik na roślinach ryżu, które mają elastyczne liście, które rozciągają się i kurczą bardziej z wodą.
„Inne grupy będą musiały to podnieść i przeprowadzić oceny, aby zobaczyć, jak się zachowuje”, mówi Chavez. „Jeśli okaże się, że pod względem pracy z różnymi roślinami i rodzajami gleby jest niezawodny, aby naprawdę określić poziom stresu, myślę, że to byłoby miłe. Ale jak skalowalne jest to dla większych pól i jak spójne można je replikować na różnych typach powierzchni i środowisk? To byłyby dla mnie kluczowe rzeczy. ”
