作者:王方 来源:中国科学报 发布时间:2017/9/20 9:58:45
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让叶子告诉你何时浇水

 

美国宾州州立大学农业研究所的工作人员最近表示,基于植物传感器测量的叶片厚度和叶片电容的研究,告知农民何时启动灌溉系统,以防止水浪费和植物干旱,将变得很有希望。

连续监测植物的水分胁迫在干旱地区尤为重要。传统上,人们通过测量土壤含水量,或者开发蒸散模型来计算地表蒸发以及植物蒸腾的水总量。但现在,新技术能更准确地检测出植物何时需要浇水,从而提高水的利用率。

发表于《美国农业与生物工程师学会会刊》一项研究的主要作者Amin Afzal集成了一种叶片传感器,具有同时测量叶片厚度和叶片电容的能力,这在以前是没有过的。

在一个恒温、12小时开/闭光周期的生长室里,工作人员在番茄植株上进行了11天的研究。生长培养基是一种泥炭封装混合物,有土壤水分传感器测其水分含量。前三天,土壤水分含量保持在较高水平。之后允许脱水,为期八天。

研究人员随机选择了直接暴露于光源的6片叶子,并在其上安装叶片传感器,避免主脉和边缘。每间隔5分钟,他们记录下测量数据。

当土壤含水量从高位降到凋蔫点,每天叶片厚度变化不大,即没有显著的日变化。然而,叶片厚度在土壤湿度降到凋蔫点以下时,变化更为明显,直到最后两天水分含量达到5%时,叶片厚度稳定住了。

电容显示了一片叶子储存电荷的能力,其在黑暗阶段基本保持不变,在明亮阶段迅速增加。这意味着电容是光合作用的反映。土壤含水量低于凋蔫点时,日电容量下降,在水分含量为11%时完全停止,这表示缺水对电容的影响可通过其对光合作用的影响观察到。

“叶片厚度像气球一样,水合作用时膨胀,缺水时收缩。”Afzal说,“叶电容和水分状态关系背后的机理是复杂的,简单地说,叶片电容变化随着植物水分状态和环境光的变化而变化。因此,叶片厚度和电容的变化分析表明了植物水分状态——浇上水了或缺水了。”

Afzal表示这是一个系列研究,希望叶片传感器能在田间应用,向中央装置发送植物水分的精准信息,然后连接一个灌溉系统进行作物即时灌溉。到时候,传感器、中央装置、灌溉系统都可以不用电线来通讯。“最终,所有细节通过智能手机应用程序来管理。”Afzal说。

在伊朗长大的Afzal知道水的应用决定了农业的命运。过去十年间,家乡的Zayandeh河已经干涸了,农民不再种过去那些常见作物。研究小组成员Sjoerd Duiker表示,“水资源短缺已经是一个很大的地缘政治问题。”

农业用水占世界淡水使用量的70%,提高水效率至关重要。但目前决定灌溉的方法都比较粗糙,Afzal直接将其与植物组织相关联,谁需要水谁发信号。接下来,他会开发一种算法,把叶片厚度和叶片电容转化为植物水状态的有效信息。

(王方编译)

《中国科学报》 (2017-09-20 第6版 科研)
 
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