I 2010 definerte forskere ved Californias Pacific Institute, en global tanketank for vann, en tilstand Jorden kan møte som kalles "toppvann." Løst, det er analogt med toppolje, men det er ikke bare at vi vil gå tom for vann. Ferskvann forsvinner ikke, men det vil fortsatt bli mer ujevnt fordelt, stadig dyrere og vanskeligere å få tilgang til. Mange deler av verden står overfor vannstress, og 80 prosent av ferskvannet som blir brukt rundt om i verden blir brukt til vanning avlinger, ifølge Pacific Institute's president emeritus Peter Gleick.
I løpet av de siste 40 årene begynte den totale vannbruken i USA å flate ut. En del av dette skyldes sterkt forbedret vanning, og en del av dette skyldes fjernmålingsteknologier - satellitter, radar og droner - som vurderer vannspenning i felt basert på temperatur eller hvor mye lys kalesjen reflekteres i forskjellige bølgelengder. Jo bedre vi kan spore hydrering i planter, desto mer kan vi unngå både over- og undervann avlingene våre. Men selv om disse metodene er godt egnet til bred utsikt og kan gi et helhetsbilde av vannfeltene bruker, har et team fra Penn State University undersøkt en mye mer detaljert metode for å måle vannspenning, plante for anlegg.
Systemet, som Penn State Research Foundation har søkt om et internasjonalt patent for, har en utklippsenhet som inneholder sensorer for å oppdage tykkelse og elektrisk kapasitans, eller evnen til å lagre en ladning, av individuelle blader. Utvalget av sensorer er koblet til en WiFi-node, som overfører dataene til en sentral enhet som sporer målingene over tid og bruker dem som indikatorer for vannspenning. Etter hvert kan en smarttelefon-app kjøre hele systemet.
"Implementering av en slik teknikk i virkelige praktiske applikasjoner, det er vanskelig fordi det må være lett, pålitelig og ikke ødeleggende for anlegget, " sier Amin Afzal, hovedforfatter av studien, som ble publisert i Transactions of the American Society of Agricultural and Biologic Ingeniører . "Det som presenteres i denne artikkelen, det er en slags revolusjon for plantebasert teknikk, og forhåpentligvis kan vi utvikle denne teknikken og endelig levere den en dag til praktiske anvendelser."
Penn State Research Foundation har søkt om et internasjonalt patent på systemet. (Amin Afzal) Gjeldende standarder for måling av vannspenning faller først og fremst i evapotranspirasjonsmodeller og jordfuktighetsfølelse. Førstnevnte innebærer å beregne mengden fordampning som oppstår på et felt, og den senere tester selve jorda, men i begge tilfeller er teknikken å måle proxy for vannstress fremfor stress plantene er under direkte.
Penn State-sensoren fungerer litt annerledes. En Hall-effektføler i klippet bruker magneter for å fortelle avstanden fra den ene siden av klippet til den andre; når bladet tørker ut, kommer magnetene nærmere hverandre. I mellomtiden måler en kapasitanssensor den elektriske ladningen i bladet. Vann leder strøm på annen måte enn bladmaterialet, og sensoren kan lese det. En sentral enhet i feltet tolker kapasitansen som vanninnhold og kommuniserer den til vanningsanlegget. Men tester viste også forskjellig kapasitans på dagtid (mot natt) når bladet var fotosyntetisk aktivt.
I løpet av 11 dager lot Afzal og kollegene forsøksanleggets jord tørke ut, måle kapasitans og tykkelse hvert femte minutt. De la merke til at begge beregningene opprettholdt konsistent oppførsel fram til rundt dag 9, da fysisk visning var observerbar. I tillegg hoppet kapasitans opp og ned over 24-timers lyssykluser, noe som tyder på at kapasitans også kan oppdage fotosyntesen.
Utstyrt med Hall-effekt og kapasitanssensorer, bestemmer klippet vanninnhold og kommuniserer det til et vanningsanlegg. (Amin Afzal) I felt trenger bare et utvalg av planter monitorer. Et større felt vil trenge flere totale sensorer, spesielt hvis det har en rekke høyder, jordsmonn eller grenser, men krever færre sensorer per arealenhet. Til et forventet prispunkt rundt $ 90 er enhetene ikke billige, men de er holdbare i elementene, designet for å vare mer enn fem år, sier Afzal.
Målet er å forbedre utbyttet (eller i det minste ikke redusere det) samtidig som den nødvendige mengden vann reduseres. Det er klart, overvann er sløsing. Men undervannsføring kan redusere utbyttet, ettersom vannstressede planter produserer mindre, og dermed får den generelle vanneffektiviteten til å gå ned. Det handler ikke bare om hvor mye vann du bruker, men hvordan plantene bruker vannet du gir dem, sier Jose Chavez, en førsteamanuensis i sivil- og miljøteknikk ved Colorado State University som har studert evapotranspirasjon i utstrakt grad for å vurdere vanning i Colorado.
"Avhengig av avlinga, hvis det ikke er underskuddvanning - bruker mindre enn det optimale - kan noen stifter være veldig utsatt for å miste mye avkastning, " sier Chavez. "Teknologi som vil oppdage på forhånd når den kommer til å nå dette nivået, vil forhindre å miste utbyttet ved å forberede vannsjefen på forhånd."
Teamet fra Penn State testet enheten på seks blader av en enkelt tomatplante — ikke en stor prøvestørrelse. Afzal, som nå er forskningsdataforsker ved Monsanto, sier at teknologien kan brukes på andre planter, og i større skala, men vil fortsatt kreve ytterligere studier for å teste forskjellige avlinger og forhold. Han har allerede satt sensoren på risplanter, som har elastiske blader som strekker seg og krymper mer med vann.
"Andre grupper må hente den og gjøre evalueringer for å se hvordan de presterer, " sier Chavez. “Hvis det viser at det er pålitelig, med tanke på å jobbe for forskjellige planter og jordtyper, for å virkelig presisere stressnivået, tror jeg det ville vært fint. Men hvor skalerbar er dette til større felt, og hvor konsekvent kan du gjenskape disse på forskjellige typer overflater og miljøer? Dette ville være de viktigste tingene for meg. ”
