Vuonna 2010 Kalifornian Tyynenmeren instituutin, maailmanlaajuisen vedenmallin, tutkijat määrittelivät tilan, jota Maa voisi kohdata nimellä "huippuvesi". Löysästi, se on analoginen piikin öljylle, mutta ei ole vain, että meistä loppuu vesi. Raikas vesi ei katoa, mutta siitä tulee edelleen epätasaisesti jakautuneempaa, yhä kalliimpaa ja vaikeampaa käyttää. Tyynenmeren instituutin presidentti emeritus Peter Gleick toteaa, että monissa osissa maailmaa on vesitilannetta, ja 80 prosenttia ympäri maailmaa käytetystä makeasta vedestä käytetään kasvien kasteluun.
Noin viimeisen 40 vuoden aikana Yhdysvaltojen veden kokonaiskäyttö on alkanut tasaantua. Osa siitä johtuu huomattavasti parantuneesta kastelusta, ja osa johtuu etäantotekniikoista - satelliiteista, tutkaa ja droneista -, jotka arvioivat veden stressiä kentissä lämpötilan perusteella tai kuinka paljon valoa katos heijastaa eri aallonpituuksilla. Mitä paremmin pystymme seuraamaan kasvien nesteytystä, sitä enemmän voimme välttää kasvien kastelua. Mutta vaikka nämä menetelmät soveltuvat hyvin laajoihin näkymiin ja voivat antaa yleiskuvan käytetyistä vesikentistä, Penn State Universityn ryhmä on tutkinut paljon yksityiskohtaisempaa menetelmää vesitilanteen mittaamiseksi kasveittain.
Järjestelmässä, jolle Penn State Research Foundation on hakenut kansainvälistä patenttia, on kiinnitettävä yksikkö, joka sisältää anturit yksittäisten lehtien paksuuden ja sähkökapasitanssin tai kyvyn varastoida varausta vastaan. Anturijärjestelmä on kytketty WiFi-solmuun, joka lähettää tiedot keskusyksikköön, joka seuraa mittauksia ajan myötä ja käyttää niitä veden stressin indikaattoreina. Lopulta älypuhelinsovellus voi ajaa koko järjestelmän.
"Tällaisen tekniikan käyttöönotto todellisissa käytännöllisissä sovelluksissa on vaikeaa, koska sen on oltava kevyt, luotettava ja tuhoamaton laitokselle", sanoo Amin Afzal, tutkimuksen pääkirjailija, joka julkaistiin American Association of Agricultural and Biological -järjestössä. Insinöörit . "Mitä tässä artikkelissa esitetään, se on eräänlainen vallankumous kasviperäiseen tekniikkaan, ja toivottavasti voimme kehittää tätä tekniikkaa ja toimittaa sen lopulta jonain päivänä käytännön sovelluksiin."
Penn State Research Foundation on hakenut järjestelmää kansainvälistä patenttia. (Amin Afzal) Nykyiset vesistressin mittausstandardit kuuluvat ensisijaisesti haihdutusmallien ja maaperän kosteuden tunnistamiseen. Ensin mainitaan kentällä tapahtuvan haihtumisen määrän laskeminen, ja myöhemmin testataan maaperä itse, mutta kummassakin tapauksessa tekniikalla mitataan veden rasituksen lähestymistavat sen sijaan, että kasvit ovat suoraan alla.
Penn State -anturi toimii hiukan eri tavalla. Klipin Hall-efektianturi käyttää magneetteja etäisyyden pidikkeen yhdestä sivusta toiseen; kun lehti kuivuu, magneetit lähentyvät toisiaan. Samaan aikaan kapasitanssianturi mittaa lehtiä olevan sähkövarauksen. Vesi johtaa sähköä eri tavalla kuin lehtimateriaali, ja anturi pystyy lukemaan sen. Kentän keskusyksikkö tulkitsee kapasitanssin vesipitoisuutena ja välittää sen kastelujärjestelmään. Mutta testit osoittivat myös erilaista kapasitanssia päivällä (verrattuna yöhön), kun lehti oli fotosynteettisesti aktiivinen.
Afzal ja hänen kollegansa antoivat 11 päivän kuluessa koelaitoksen maaperän kuivua mittaamalla kapasitanssin ja paksuuden viiden minuutin välein. He huomasivat, että molemmat mittarit säilyttivät yhdenmukaisen käyttäytymisen noin päivään 9 saakka, jolloin fyysinen kuivuminen oli havaittavissa. Lisäksi kapasitanssi hyppäsi ylös ja alas 24 tunnin valosyklien aikana, mikä viittaa siihen, että kapasitanssi pystyy myös havaitsemaan fotosynteesin.
Hall-efekti- ja kapasitanssianturilla varustettu pidike määrittää vesipitoisuuden ja välittää sen kastelujärjestelmään. (Amin Afzal) Peltoalalla vain valikoima kasveja tarvitsee monitorit. Suurempi kenttä tarvitsisi enemmän kokonaisantureita, varsinkin jos sillä on erilaisia korkeuksia, maa-alueita tai reunoja, mutta tarvitaan vähemmän antureita yksikköaluetta kohti. Odotetussa hintakohdassa noin 90 dollaria yksiköt eivät ole halpoja, mutta ne ovat kestäviä osissa, jotka on suunniteltu kestämään yli viisi vuotta, Afzal sanoo.
Tavoitteena on parantaa satoa (tai ainakaan vähentää sitä) samalla vähentämällä tarvittavaa vesimäärää. On selvää, että ylivesi on tuhlaa. Mutta vedenalainen kastelu voi vähentää satoa, koska vesitiheyskasvit tuottavat vähemmän, mikä vähentää veden kokonaistehokkuutta. Kyse ei ole vain siitä, kuinka paljon vettä käytät, mutta myös siitä, kuinka kasvit käyttävät heille antamaa vettä, kertoo Coloradon osavaltion yliopiston siviili- ja ympäristötekniikan apulaisprofessori Jose Chavez, joka on tutkinut laajasti evapotranspiraatiota arvioidakseen paremmin Coloradon kastelua.
"Jotkut niitit saattavat olla erittäin alttiita menettämään paljon satoa", sato riippuen, jos se ei ole alijäämäistä kastelua - käyttämällä vähemmän kuin optimaalinen -, jotkut niitit saattavat menettää paljon satoa ", Chavez sanoo. "Teknologia, joka havaitsisi etukäteen, kun se saavuttaa kyseisen tason, estäisi saannon menetyksen valmistelemalla vesijohtajaa etukäteen."
Penn State -tiimi ryhmä testasi laitetta yhden tomaattikasvin kuudessa lehdessä - ei suuressa näytteen koossa. Afzal, joka on nyt tutkimustietojen tutkija Monsantossa, sanoo, että tekniikkaa voidaan soveltaa muihin kasveihin ja laajemmassa mittakaavassa, mutta se vaatii silti lisätutkimuksia eri viljelykasvien ja olosuhteiden testaamiseksi. Hän on jo antanut anturin riisikasveille, joilla on joustavat lehdet, jotka venyvät ja kutistuvat enemmän vedellä.
"Muiden ryhmien on poimittava se ja tehtävä arviointeja nähdäkseen, kuinka se toimii", Chavez sanoo. ”Jos se osoittaa, että eri kasveille ja maalajeille toimimisen kannalta on luotettavaa stressitason todentamiseksi todella mielestäni, se olisi mielestäni mukavaa. Mutta kuinka skaalautuva tämä on suuremmille kentille ja kuinka johdonmukaisia voit replikoida näitä erityyppisillä pinnoilla ja ympäristöissä? Ne olisivat minulle avainasioita. "
