In 2010 definieerden wetenschappers van het Pacific Institute in Californië, een wereldwijde denktank voor water, een toestand waarmee de aarde te maken zou kunnen krijgen onder de naam "piekwater". Zoet water zal niet verdwijnen, maar het zal nog ongelijker verdeeld, steeds duurder en moeilijker toegankelijk worden. Veel delen van de wereld worden geconfronteerd met waterstress, en 80 procent van het zoete water dat over de hele wereld wordt gebruikt, wordt gebruikt voor het irrigeren van gewassen, volgens emeritus van het Pacific Institute, Peter Gleick.
In de afgelopen 40 jaar begon het totale waterverbruik in de Verenigde Staten af te vlakken. Een deel daarvan is te wijten aan sterk verbeterde irrigatie, en een deel daarvan is te danken aan teledetectietechnologieën - satellieten, radar en drones - die waterstress in velden meten op basis van temperatuur of hoeveel licht de luifel reflecteerde in verschillende golflengten. Hoe beter we de hydratatie van planten kunnen volgen, des te meer kunnen we voorkomen dat onze gewassen te veel of te weinig water krijgen. Hoewel deze methoden goed geschikt zijn voor brede weergaven en een algemeen beeld kunnen geven van de watervelden die worden gebruikt, heeft een team van Penn State University een veel gedetailleerdere methode voor het meten van waterstress, plant voor plant, onderzocht.
Het systeem, waarvoor de Penn State Research Foundation een internationaal patent heeft aangevraagd, beschikt over een clip-on die sensoren bevat om de dikte en elektrische capaciteit, of de mogelijkheid om een lading op te slaan, van individuele bladeren te detecteren. De reeks sensoren is verbonden met een WiFi-knooppunt, dat de gegevens verzendt naar een centrale eenheid die de metingen in de loop van de tijd volgt en ze gebruikt als indicatoren voor waterstress. Uiteindelijk kan een smartphone-app het hele systeem draaien.
"Het implementeren van een dergelijke techniek in echte praktische toepassingen, dat is moeilijk omdat het licht, betrouwbaar, niet-destructief voor de plant moet zijn", zegt Amin Afzal, hoofdauteur van de studie, die werd gepubliceerd in Transactions of the American Society of Agricultural and Biological Ingenieurs . “Wat in dit artikel wordt gepresenteerd, is een soort revolutie voor plantaardige technieken, en hopelijk kunnen we deze techniek ontwikkelen en uiteindelijk ooit voor praktische toepassingen leveren.”
De Penn State Research Foundation heeft een internationaal patent aangevraagd voor het systeem. (Amin Afzal) De huidige normen voor het meten van waterstress vallen voornamelijk in evapotranspiratiemodellen en bodemvochtwaarneming. Eerstgenoemde berekent de hoeveelheid verdamping die op een veld optreedt, en de latere test de bodem zelf, maar in beide gevallen meet de techniek proxy's voor waterstress in plaats van de stress waar de planten direct onder staan.
De Penn State-sensor werkt een beetje anders. Een Hall-effectsensor in de clip gebruikt magneten om de afstand van de ene kant van de clip tot de andere te bepalen; terwijl het blad uitdroogt, komen de magneten dichter bij elkaar. Ondertussen meet een capaciteitssensor de elektrische lading in het blad. Water geleidt elektriciteit anders dan het bladmateriaal, en de sensor kan dat lezen. Een centrale eenheid in het veld interpreteert de capaciteit als watergehalte en communiceert deze naar het irrigatiesysteem. Maar tests toonden ook een verschillende capaciteit gedurende de dag (versus 's nachts) wanneer het blad fotosynthetisch actief was.
In de loop van 11 dagen lieten Afzal en zijn collega's de grond van de proefplant uitdrogen, waarbij de capaciteit en dikte elke vijf minuten werden gemeten. Ze merkten op dat beide statistieken consistent bleven tot ongeveer dag 9, toen fysieke verwelking waarneembaar was. Bovendien sprong de capaciteit op en neer gedurende de 24-uurs lichtcycli, wat suggereert dat de capaciteit ook fotosynthese kan detecteren.
Uitgerust met Hall-effect en capaciteitssensoren, bepaalt de clip het watergehalte en communiceert dit naar een irrigatiesysteem. (Amin Afzal) In het veld zou alleen een selectie van planten monitoren nodig hebben. Een groter veld zou meer totale sensoren nodig hebben, vooral als het verschillende hoogtes, grond of randen heeft, maar minder sensoren per oppervlakte-eenheid vereisen. Bij een verwachte prijs van rond de $ 90 zijn de eenheden niet goedkoop, maar ze zijn duurzaam in de elementen, ontworpen om meer dan vijf jaar mee te gaan, zegt Afzal.
Het doel is om de opbrengst te verbeteren (of in ieder geval niet te verminderen) terwijl de benodigde hoeveelheid water wordt verminderd. Overwatering is natuurlijk verspillend. Maar onder water kan de opbrengst verminderen, omdat planten met waterstress minder produceren, waardoor de algehele waterefficiëntie daalt. Het gaat niet alleen om hoeveel water je gebruikt, maar ook hoe de planten het water gebruiken dat je ze geeft, zegt Jose Chavez, een universitair hoofddocent civiele en milieutechniek aan de Colorado State University die uitgebreid evapotranspiratie heeft bestudeerd om irrigatie in Colorado beter te beoordelen.
"Afhankelijk van het gewas, als het geen irrigatie is met een tekort - minder toepassen dan het optimale - kunnen sommige nietjes erg gevoelig zijn voor het verliezen van veel opbrengst, " zegt Chavez. "Technologie die van tevoren zou detecteren wanneer het dat niveau gaat bereiken, zou voorkomen dat de opbrengst verloren gaat door de watermanager van tevoren voor te bereiden."
Het team uit Penn State testte het apparaat op zes bladeren van een enkele tomatenplant - geen grote steekproef. Afzal, die nu onderzoekswetenschapper is bij Monsanto, zegt dat de technologie toepasbaar is op andere planten, en op een grotere schaal, maar nog steeds verdere studies vereist om verschillende gewassen en omstandigheden te testen. Hij heeft de sensor al op rijstplanten geplaatst, die elastische bladeren hebben die uitrekken en meer krimpen met water.
"Andere groepen moeten het oppakken en evaluaties uitvoeren om te zien hoe het presteert", zegt Chavez. “Als het aantoont dat het betrouwbaar is, in termen van werken voor verschillende planten en grondsoorten, om echt het stressniveau te bepalen, denk ik dat dat leuk zou zijn. Maar hoe schaalbaar is dit voor grotere velden, en hoe consistent kunt u deze repliceren op verschillende soorten oppervlakken en omgevingen? Dat zouden de belangrijkste dingen voor mij zijn. '
