莊稼何時需要澆水？葉子感測器有更專業的答案！

導讀

最近，美國賓州州立大學農業科學學院開發出一種非常有前景的植物感測器，它可以告知農民應該何時激活灌溉系統，以防止水資源浪費和植物缺水。

關鍵字

農業、物聯網、感測器

背景

水，是生命的源泉，人類的生活離不開水。可是隨著人口增長、工農業發展、氣候變化、環境惡化，水資源短缺的現象日益嚴重。然而，在節約和高效利用水資源的方面，又會出現哪些創新技術和案例呢？

筆者之前重點介紹過兩項讓人印象深刻的創新技術。一項就是：美國萊斯大學開發的太陽能海水淡化技術，將膜蒸餾技術與納米光子學相結合，使用太陽能將鹽水轉化為飲用水。

（圖片來源：Jeff Fitlow/萊斯大學）

另外一項就是：美國麻省理工學院和加州大學伯克利分校聯合開發的由MOF 材料做成的水分採集裝置，它也是由太陽能驅動，最重要地是，還可以在空氣乾燥的地區也能採集水分。

（圖片來源：Hyunho Kim/麻省理工學院）

這兩項技術的共同之處都是從節能、環保和低成本的角度出發，更加有效地利用水資源。一種是利用海水淡化，一種是則是利用乾燥空氣中的水分。

創新

今天，我要介紹的是一項和農業灌溉相關的創新技術。眾所周知，農業用水佔據世界淡水用量的70%，水資源的可利用量決定了農業的命運。提高農業方面的水資源利用率，其意義不容小覷。

最近，美國賓州州立大學農業科學學院開發出一種非常有前景的植物葉子感測器，它具有測量植物葉片厚度和葉片電容的功能，能夠告知農民應該何時激活灌溉系統，以防止水資源浪費和植物缺水。

（圖片來源：賓州州立大學）

這項研究的領導研究員、植物科學方面的博士研究生 Amin Afzal 將這項前所未有的研究成果發表在《Transactions of the American Society of Agricultural and Biological Engineers》期刊。

技術

為了更好的理解這項技術的來龍去脈，我們先從一個概念：水分脅迫（water stress）說起，它是指植物水分散失超過水分吸收，使植物組織含水量下降，膨壓降低，正常代謝失調的現象。

乾旱缺水地區持續監測植物「水分脅迫」，對於選擇恰當的時間對於農作物進行灌溉來說顯得尤為重要。這種監測的傳統方法通常是：測量土壤含水量，或者開發一種蒸散模型，計算地表的水分蒸發和植物體內水分的蒸騰的總量。然而，為了提高水資源利用率，就需要開發一種新技術，更為準確地監測「植物何時需要澆水」。

為了更好理解這項技術創新，我們要深入了解一下研究人員是如何開展這項研究的。首先，他們對位於恆溫、12小時（開/關）光照期的生長室中的西紅柿植物，展開了為期11天的研究。它的生長培養基是一種泥炭盆栽的混合物，通過土壤濕度感測器可測量其水分含量。土壤水分含量在前3天保持相對較高，之後的8天出現脫水。

隨後，他們隨機選用6片葉子，將其直接暴露於光源下，且為其裝配了葉子感測器，同時避免觸及主脈和邊緣，每隔5分鐘記錄一次結果。

葉片厚度的日常變化較小。當土壤中的水分含量從高到萎蔫點的過程中，葉片厚度每日並無顯著變化。然而，值得注意的是，當土壤水分水平低於萎蔫點時，葉片厚度會發生變化。在實驗最後的兩天，葉片厚度穩定了下來，此時水分含量達到5%。

葉片電容表明了其存儲電荷的能力。在無光照期間，它一直維持在最小值；當出現光照以後，它會急劇增加。這表明電容反映了植物光合作用的活動。每天的電容隨著土壤水分而變化，當土壤水分低於萎蔫點時，電容會降低；當土壤體積含水量為11%時，電容完全消失。這表明要了解水分脅迫對於電容的影響，可以觀察它對於光合作用的影響。為此，Afzal 作了一個生動的比喻：

「葉片厚度就像一個氣球，它由於水合作用而膨脹，而由於水分脅迫（或者說脫水）而縮小。」

對於核心機理，Afzal 如此解釋：

「葉片電容和水狀態之間關係的背後機理是複雜的。簡言之，葉片電容隨著植物水狀態和環境光的變化而變化。所以，分析葉片厚度和電容變化，可以得出植物的水狀態（水分充足活者缺少水分）。」

Afzal 希望開發出一種物聯網系統，通過葉夾式感測器，將關於植物水分的精準信息發送到農場中的中央單元，然後實時與灌溉系統進行通信，指導農作物灌溉。他設想這個系統可以無線地將感測器、中央處理單元和灌溉系統有效地結合起來，而感測器可以通過電池或者太陽能電池供電。最終，他希望所有一切的細節都可以通過智能手機應用程序（app）控制。

價值

（圖片來源：USDA）

這項創新有效地利用物聯網和感測器技術，解決監測農作物的水狀態，有效地指導農作物灌溉，不僅節約了水資源，也更加有利於農作物生長。

相對於之前一些用於灌溉決策的技術來說，這項技術更加細緻、實時和高效，因為它可以將感測器直接作用於農作物。

未來

在後續研究中，Afzal 剛剛完成了對於溫室中的西紅柿植物的葉子感測器的評估。結果證實了剛剛發表的研究成果。在新的研究中，他將開發一種演算法，將葉子的厚度和電容的變化，轉化為關於植物水狀態的有意義的信息。

參考資料

【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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