Im Jahr 2010 definierten Wissenschaftler des kalifornischen Pacific Institute, einer globalen Denkfabrik für Wasser, einen Zustand, dem die Erde ausgesetzt sein könnte, der sich "Peak Water" nennt. Es ist zwar analog zu Peak Oil, aber es ist nicht nur so, dass uns das Wasser ausgeht. Süßwasser wird nicht verschwinden, aber es wird noch ungleichmäßiger verteilt, immer teurer und schwerer zugänglich. Laut dem emeritierten Präsidenten des Pacific Institute, Peter Gleick, sind viele Teile der Welt mit Wasserstress konfrontiert, und 80 Prozent des Süßwassers, das auf der ganzen Welt verwendet wird, wird für die Bewässerung von Feldfrüchten verwendet.
In den letzten 40 Jahren begann sich der gesamte Wasserverbrauch in den Vereinigten Staaten zu verringern. Ein Teil davon ist auf eine stark verbesserte Bewässerung zurückzuführen, und ein Teil auf Fernerkundungstechnologien - Satelliten, Radar und Drohnen -, mit denen die Wasserbelastung in Feldern basierend auf der Temperatur oder der reflektierten Lichtmenge des Baldachins bei verschiedenen Wellenlängen bewertet wird. Je besser wir die Flüssigkeitszufuhr in Pflanzen nachverfolgen können, desto mehr können wir vermeiden, dass unsere Pflanzen über- und unterbewässert werden. Diese Methoden eignen sich zwar gut für eine breite Sichtweise und geben einen Überblick über die Nutzung der Wasserfelder. Ein Team der Penn State University hat jedoch eine viel detailliertere Methode zur Messung des Wasserstresses von Pflanze zu Pflanze untersucht.
Das System, für das die Penn State Research Foundation ein internationales Patent angemeldet hat, verfügt über eine Aufsteckeinheit, die Sensoren zur Erfassung der Dicke und der elektrischen Kapazität oder der Fähigkeit zur Speicherung einer Ladung einzelner Blätter enthält. Die Sensoranordnung ist mit einem WiFi-Knoten verbunden, der die Daten an eine Zentraleinheit überträgt, die die Messungen über die Zeit verfolgt und sie als Indikatoren für Wasserstress verwendet. Schließlich könnte eine Smartphone-App das gesamte System ausführen.
"Die Implementierung einer solchen Technik in realen praktischen Anwendungen ist schwierig, da sie leicht, zuverlässig und zerstörungsfrei für die Pflanze sein muss", sagt Amin Afzal, Hauptautor der Studie, die in " Transactions" der American Society of Agricultural and Biological veröffentlicht wurde Ingenieure . "Was in diesem Artikel vorgestellt wird, ist eine Art Revolution für die Technik auf Pflanzenbasis, und wir hoffen, dass wir diese Technik entwickeln und sie eines Tages für praktische Anwendungen liefern können."
Die Penn State Research Foundation hat ein internationales Patent für das System angemeldet. (Amin Afzal) Aktuelle Standards für die Messung des Wasserstresses betreffen hauptsächlich Evapotranspirationsmodelle und die Bodenfeuchtigkeitsmessung. Ersteres umfasst die Berechnung der auf einem Feld auftretenden Verdunstungsmenge und das spätere Testen des Bodens selbst. In beiden Fällen werden jedoch eher Proxies für den Wasserstress als für den Stress gemessen, dem die Pflanzen direkt ausgesetzt sind.
Der Penn State Sensor arbeitet etwas anders. Ein Hall-Effekt-Sensor im Clip verwendet Magnete, um den Abstand von einer Seite des Clips zur anderen zu bestimmen. Wenn das Blatt austrocknet, rücken die Magnete näher zusammen. Währenddessen misst ein Kapazitätssensor die elektrische Ladung im Blatt. Wasser leitet Elektrizität anders als das Blattmaterial, und der Sensor kann dies ablesen. Eine Zentraleinheit im Feld interpretiert die Kapazität als Wassergehalt und leitet sie an das Bewässerungssystem weiter. Tests zeigten jedoch auch unterschiedliche Kapazitäten während des Tages (im Vergleich zur Nacht), wenn das Blatt photosynthetisch aktiv war.
Innerhalb von elf Tagen ließen Afzal und seine Kollegen den Boden der Versuchspflanze austrocknen und maßen alle fünf Minuten Kapazität und Dicke. Sie stellten fest, dass beide Metriken bis zum 9. Tag, an dem physisches Welken zu beobachten war, ein konsistentes Verhalten aufwiesen. Darüber hinaus sprang die Kapazität über die 24-Stunden-Lichtzyklen auf und ab, was darauf hindeutet, dass die Kapazität auch die Photosynthese erfassen kann.
Ausgestattet mit Hall-Effekt- und Kapazitätssensoren ermittelt der Clip den Wassergehalt und leitet ihn an ein Bewässerungssystem weiter. (Amin Afzal) Auf dem Feld würde nur eine Auswahl von Pflanzen Monitore benötigen. Ein größeres Feld würde mehr Totalsensoren erfordern, insbesondere wenn es eine Vielzahl von Höhen, Böden oder Rändern hat, aber weniger Sensoren pro Flächeneinheit benötigt. Bei einem erwarteten Preis von rund 90 USD sind die Einheiten nicht billig, aber sie sind in den Elementen haltbar, die für eine Lebensdauer von mehr als fünf Jahren ausgelegt sind, sagt Afzal.
Ziel ist es, die Ausbeute zu verbessern (oder zumindest nicht zu verringern) und gleichzeitig die erforderliche Wassermenge zu reduzieren. Überbewässerung ist natürlich verschwenderisch. Eine Unterbewässerung kann jedoch den Ertrag verringern, da wasserbelastete Pflanzen weniger produzieren, wodurch die Gesamteffizienz des Wassers sinkt. Es geht nicht nur darum, wie viel Wasser Sie verbrauchen, sondern wie die Pflanzen das Wasser verwenden, das Sie ihnen geben, sagt Jose Chavez, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen an der Colorado State University, der sich intensiv mit Evapotranspiration befasst hat, um die Bewässerung in Colorado besser einschätzen zu können.
„Je nach Ernte können einige Heftklammern sehr anfällig für Ertragsverluste sein, wenn es sich nicht um eine Defizitbewässerung handelt, die unter dem Optimum liegt“, sagt Chavez. „Eine Technologie, die rechtzeitig erkennt, wann sie dieses Niveau erreichen wird, würde Ertragsverluste verhindern, indem der Wassermanager rechtzeitig vorbereitet wird.“
Das Team von Penn State testete das Gerät an sechs Blättern einer einzelnen Tomatenpflanze - keine große Stichprobe. Afzal, der jetzt ein Wissenschaftler für Forschungsdaten bei Monsanto ist, sagt, dass die Technologie auf andere Pflanzen und in größerem Maßstab anwendbar ist, aber weitere Studien erforderlich sein werden, um verschiedene Kulturen und Bedingungen zu testen. Er hat den Sensor bereits an Reispflanzen angebracht, die elastische Blätter haben, die sich mit Wasser mehr dehnen und schrumpfen.
"Andere Gruppen müssen es aufnehmen und Bewertungen durchführen, um zu sehen, wie es funktioniert", sagt Chavez. „Wenn sich herausstellt, dass es in Bezug auf die Arbeit mit verschiedenen Pflanzen und Bodentypen verlässlich ist, das Ausmaß des Stresses genau zu bestimmen, finde ich das schön. Aber wie skalierbar ist dies für größere Felder und wie konsistent können Sie diese auf verschiedenen Arten von Oberflächen und Umgebungen replizieren? Das wären die Schlüsselsachen für mich. “
