В 2010 году ученые из Калифорнийского Тихоокеанского института, глобального аналитического центра по воде, определили состояние, с которым может столкнуться Земля, называемое «пиковая вода». В общем, это аналог пиковой нефти, но не только в том, что у нас кончится вода. Пресная вода не исчезнет, но она будет распределяться неравномерно, становиться все более дорогой и труднодоступной. По словам почетного президента Тихоокеанского института Питера Глейка, многие части мира испытывают нехватку воды, и 80 процентов используемой во всем мире пресной воды используется для орошения сельскохозяйственных культур.
За последние 40 лет общее потребление воды в Соединенных Штатах начало выравниваться. Частично это объясняется значительно улучшенным поливом, а частично - технологиями дистанционного зондирования - спутниками, радарами и беспилотниками, которые оценивают нехватку воды в полях на основе температуры или количества света, отражаемого навесом на разных длинах волн. Чем лучше мы можем отслеживать гидратацию растений, тем больше мы можем избежать как чрезмерного, так и недостаточного полива наших культур. Но в то время как эти методы хорошо подходят для широкого обзора и могут дать общую картину использования водных полей, команда из Университета штата Пенсильвания изучает гораздо более детальный метод измерения водного стресса, завод за заводом.
Система, для которой Государственный исследовательский фонд штата Пенсильвания подал заявку на международный патент, оснащена клипсовым блоком, который содержит датчики для определения толщины и электрической емкости, или способности сохранять заряд отдельных листьев. Массив датчиков подключен к узлу WiFi, который передает данные в центральный блок, который отслеживает измерения во времени и использует их в качестве индикаторов нехватки воды. В конце концов, приложение для смартфона может запустить всю систему.
«Внедрить такую технику в реальные практические применения, это сложно, потому что она должна быть легкой, надежной, не разрушающей растение», - говорит Амин Афзал, ведущий автор исследования, которое было опубликовано в « Транзакциях» Американского общества сельского хозяйства и биологии. Инженеры «То, что представлено в этой статье, является своего рода революцией для техники, основанной на растениях, и, надеюсь, мы сможем разработать эту технику и, наконец, когда-нибудь доставить ее для практического применения».
Государственный исследовательский фонд штата Пенсильвания подал заявку на международный патент системы. (Амин Афзал) Нынешние стандарты для измерения нехватки воды относятся главным образом к моделям суммарного испарения и определения влажности почвы. Первый включает в себя вычисление количества испарения, происходящего на поле, а затем проверяет саму почву, но в любом случае, методика измеряет косвенные значения для нехватки воды, а не стресса, непосредственно испытываемого растениями.
Датчик состояния Penn State работает немного по-другому. Датчик Холла в клипе использует магниты, чтобы определить расстояние от одной стороны клипа до другой; когда лист высыхает, магниты сближаются. Между тем, емкостный датчик измеряет электрический заряд в листе. Вода проводит электричество не так, как листовой материал, и датчик может это прочитать. Центральный блок в поле интерпретирует емкость как содержание воды и передает ее в систему орошения. Но тесты также показали различную емкость в течение дня (по сравнению с ночью), когда лист был фотосинтетически активным.
В течение 11 дней Афзал и его коллеги позволяли почве экспериментального завода высыхать, измеряя емкость и толщину каждые пять минут. Они заметили, что оба показателя поддерживали постоянное поведение вплоть до 9 дня, когда наблюдалось физическое увядание. Кроме того, емкость прыгала вверх и вниз в течение 24-часовых световых циклов, предполагая, что емкость также может обнаруживать фотосинтез.
Оснащенный датчиками эффекта Холла и емкостными датчиками, зажим определяет содержание воды и передает ее в систему орошения. (Амин Афзал) На местах, только выбор растений будет нуждаться в мониторах. Большее поле потребовало бы большего количества общих датчиков, особенно если оно имеет различные высоты, почвы или границы, но требует меньше датчиков на единицу площади. По словам Афзала, при ожидаемой цене около $ 90 устройства недешевы, но они долговечны в элементах, рассчитанных на срок службы более пяти лет.
Цель состоит в том, чтобы улучшить урожай (или, по крайней мере, не уменьшить его), уменьшая при этом необходимое количество воды. Очевидно, что переливание воды расточительно. Но подводный мир может снизить урожайность, так как растения, испытывающие недостаток воды, производят меньше, тем самым снижая общую эффективность использования воды. «Дело не только в том, сколько воды вы используете, но в том, как растения используют воду, которую вы им даете», - говорит Хосе Чавес, доцент кафедры гражданского и экологического машиностроения в Университете штата Колорадо, который подробно изучал эвапотранспирацию, чтобы лучше оценить ирригацию в Колорадо.
«В зависимости от культуры, если это не дефицитное орошение - применение менее оптимального - некоторые скобы могут быть очень восприимчивы к потере большой урожайности», - говорит Чавес. «Технология, которая будет определять заранее, когда она достигнет этого уровня, предотвратит потерю урожая, заранее подготовив менеджера по водоснабжению».
Команда из Penn State провела испытания устройства на шести листьях одного растения томата - небольшого размера. Афзал, который в настоящее время является исследователем данных исследований в Monsanto, говорит, что технология применима к другим растениям и в более широком масштабе, но все же потребует дальнейших исследований для тестирования различных культур и условий. Он уже поместил датчик на рисовые растения, у которых есть эластичные листья, которые растягиваются и сжимаются больше с водой.
«Другим группам нужно будет подобрать его и провести оценку, чтобы увидеть, как он работает», - говорит Чавес. «Если это покажет, что с точки зрения работы на разных растениях и типах почв надежно точно определить уровень стресса, я думаю, это было бы неплохо. Но насколько это масштабируемо для больших полей и насколько согласованно вы можете копировать их на различные типы поверхностей и сред? Это были бы ключевые вещи для меня ».
