导读


最近,美国宾州州立大学农业科学学院开发出一种非常有前景的植物传感器,它可以告知农民应该何时激活灌溉系统,以防止水资源浪费和植物缺水。


关键字

农业物联网传感器


背景


水,是生命的源泉,人类的生活离不开水。可是随着人口增长、工农业发展、气候变化、环境恶化,水资源短缺的现象日益严重。然而,在节约和高效利用水资源的方面,又会出现哪些创新技术和案例呢?


笔者之前重点介绍过两项让人印象深刻的创新技术。一项就是:美国莱斯大学开发的太阳能海水淡化技术,将膜蒸馏技术与纳米光子学相结合,使用太阳能将盐水转化为饮用水。

(图片来源:Jeff Fitlow/莱斯大学


另外一项就是:美国麻省理工学院和加州大学伯克利分校联合开发由MOF 材料做成的水分采集装置,它也是由太阳能驱动,最重要地是,还可以在空气干燥的地区也能采集水分。

(图片来源:Hyunho Kim/麻省理工学院)


这两项技术的共同之处都是从节能、环保和低成本的角度出发,更加有效地利用水资源。一种是利用海水淡化,一种是则是利用干燥空气中的水分。


创新


今天,我要介绍的是一项和农业灌溉相关的创新技术。众所周知,农业用水占据世界淡水用量的70%,水资源的可利用量决定了农业的命运。提高农业方面的水资源利用率,其意义不容小觑。


最近,美国宾州州立大学农业科学学院开发出一种非常有前景的植物叶子传感器它具有测量植物叶片厚度和叶片电容的功能,能够告知农民应该何时激活灌溉系统,以防止水资源浪费和植物缺水。

(图片来源:宾州州立大学


这项研究的领导研究员、植物科学方面的博士研究生 Amin Afzal  将这项前所未有的研究成果发表在《Transactions of the American Society of Agricultural and Biological Engineers》期刊。


技术


为了更好的理解这项技术的来龙去脉,我们先从一个概念:水分胁迫(water stress)说起,它是指植物水分散失超过水分吸收,使植物组织含水量下降,膨压降低,正常代谢失调的现象。


干旱缺水地区持续监测植物“水分胁迫”,对于选择恰当的时间对于农作物进行灌溉来说显得尤为重要。这种监测的传统方法通常是:测量土壤含水量,或者开发一种蒸散模型,计算地表的水分蒸发和植物体内水分的蒸腾的总量。然而,为了提高水资源利用率,就需要开发一种新技术,更为准确地监测“植物何时需要浇水”。

为了更好理解这项技术创新,我们要深入了解一下研究人员是如何开展这项研究的。首先,他们对位于恒温、12小时(开/关)光照期的生长室中的西红柿植物,展开了为期11天的研究。它的生长培养基是一种泥炭盆栽的混合物,通过土壤湿度传感器可测量其水分含量。土壤水分含量在前3天保持相对较高,之后的8天出现脱水。


随后,他们随机选用6片叶子,将其直接暴露于光源下,且为其装配了叶子传感器,同时避免触及主脉和边缘,每隔5分钟记录一次结果。


叶片厚度的日常变化较小。当土壤中的水分含量从高到萎蔫点的过程中,叶片厚度每日并无显著变化。然而,值得注意的是,当土壤水分水平低于萎蔫点时,叶片厚度会发生变化。在实验最后的两天,叶片厚度稳定了下来,此时水分含量达到5%。


叶片电容表明了其存储电荷的能力。在无光照期间,它一直维持在最小值;当出现光照以后,它会急剧增加。这表明电容反映了植物光合作用的活动。每天的电容随着土壤水分而变化,当土壤水分低于萎蔫点时,电容会降低;当土壤体积含水量为11%时,电容完全消失。这表明要了解水分胁迫对于电容的影响,可以观察它对于光合作用的影响。为此,Afzal 作了一个生动的比喻:


“叶片厚度就像一个气球,它由于水合作用而膨胀,而由于水分胁迫(或者说脱水)而缩小。”


对于核心机理,Afzal 如此解释:


“叶片电容和水状态之间关系的背后机理是复杂的。简言之,叶片电容随着植物水状态和环境光的变化而变化。所以,分析叶片厚度和电容变化,可以得出植物的水状态(水分充足活者缺少水分)

Afzal 希望开发出一种物联网系统,通过叶夹式传感器,将关于植物水分的精准信息发送到农场中的中央单元,然后实时与灌溉系统进行通信,指导农作物灌溉。他设想这个系统可以无线地将传感器、中央处理单元和灌溉系统有效地结合起来,而传感器可以通过电池或者太阳能电池供电。最终,他希望所有一切的细节都可以通过智能手机应用程序(app)控制。


价值

(图片来源:USDA)

这项创新有效地利用物联网和传感器技术,解决监测农作物的水状态,有效地指导农作物灌溉,不仅节约了水资源,也更加有利于农作物生长。


相对于之前一些用于灌溉决策的技术来说,这项技术更加细致、实时和高效,因为它可以将传感器直接作用于农作物。


未来


在后续研究中,Afzal 刚刚完成了对于温室中的西红柿植物的叶子传感器的评估。结果证实了刚刚发表的研究成果。在新的研究中,他将开发一种算法,将叶子的厚度和电容的变化,转化为关于植物水状态的有意义的信息。


参考资料


【1】http://news.psu.edu/story/480105/2017/08/30/research/leaf-sensors-can-tell-farmers-when-crops-need-be-watered

【2】Amin Afzal, Sjoerd W. Duiker, John E. Watson, Dawn Luthe. Leaf Thickness and Electrical Capacitance as Measures of Plant Water Status. Transactions of the ASABE, 2017; 60 (4): 1063 DOI: 10.13031/trans.12083



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