I sensori a base vegetale che misurano lo spessore e la capacità elettrica delle foglie mostrano una grande promessa per dire agli agricoltori quando attivare i loro sistemi di irrigazione, prevenire sia lo spreco d'acqua che le piante inaridite, secondo i ricercatori del College of Agricultural Sciences della Penn State.

Il monitoraggio continuo dello "stress idrico" delle piante è particolarmente critico nelle regioni aride e tradizionalmente è stato effettuato misurando il contenuto di umidità del suolo o sviluppando modelli di evapotraspirazione che calcolano la somma dell'evaporazione superficiale del suolo e della traspirazione delle piante. Ma esiste il potenziale per aumentare l'efficienza nell'uso dell'acqua con una nuova tecnologia che rileva in modo più accurato quando le piante devono essere annaffiate.

Per questo studio, recentemente pubblicato in Transazioni dell'American Society of Agricultural and Biological Engineers , capo ricercatore Amin Afzal, un dottorando in scienze vegetali, integrato in un sensore per ante la capacità di misurare contemporaneamente lo spessore dell'anta e la capacità elettrica dell'anta, che non è mai stato fatto prima.

Il lavoro è stato svolto su una pianta di pomodoro in camera di crescita a temperatura costante e fotoperiodo on/off di 12 ore per 11 giorni. Il terreno di coltura era una miscela di torba, con contenuto d'acqua misurato da un sensore di umidità del suolo. Il contenuto idrico del suolo è stato mantenuto ad un livello relativamente alto per i primi tre giorni e successivamente lasciato disidratare, nell'arco di otto giorni.

I ricercatori hanno scelto a caso sei foglie che sono state esposte direttamente a fonti di luce e hanno montato su di esse sensori fogliari, evitando le vene principali e i bordi. Hanno registrato le misurazioni a intervalli di cinque minuti.

Le variazioni giornaliere di spessore fogliare erano minime, senza significativi cambiamenti quotidiani quando il contenuto di umidità del suolo variava da alto a punto di appassimento. I cambiamenti di spessore delle foglie erano, però, più evidente a livelli di umidità del suolo al di sotto del punto di appassimento, fino a quando lo spessore delle foglie si è stabilizzato durante gli ultimi due giorni dell'esperimento, quando il contenuto di umidità ha raggiunto il 5%.

La capacità elettrica, che mostra la capacità di una foglia di immagazzinare una carica, è rimasto approssimativamente costante ad un valore minimo durante i periodi bui e aumentato rapidamente durante i periodi di luce, implicando che la capacità elettrica era un riflesso dell'attività fotosintetica. Le variazioni giornaliere di capacità elettrica sono diminuite quando l'umidità del suolo era al di sotto del punto di appassimento e cessava completamente al di sotto del contenuto volumetrico di acqua del suolo dell'11%, suggerendo che l'effetto dello stress idrico sulla capacità elettrica è stato osservato attraverso il suo impatto sulla fotosintesi.

"Lo spessore delle foglie è come un palloncino:si gonfia per l'idratazione e si restringe per lo stress idrico, o disidratazione, " Afzal ha detto. "Il meccanismo alla base della relazione tra la capacità elettrica delle foglie e lo stato dell'acqua è complesso. In poche parole, la capacità elettrica della foglia cambia in risposta alla variazione dello stato idrico della pianta e della luce ambientale. Così, l'analisi dello spessore delle foglie e le variazioni di capacità indicano lo stato idrico della pianta:ben irrigata rispetto a stressata".

Lo studio è l'ultimo di una linea di ricerca che Afzal spera si concluderà con lo sviluppo di un sistema in cui i sensori a clip fogliari invieranno informazioni precise sull'umidità delle piante a un'unità centrale in un campo, che poi comunica in tempo reale con un impianto di irrigazione per innaffiare la coltura. Egli immagina una disposizione in cui i sensori, centrale e impianto di irrigazione comunicheranno senza fili, e i sensori possono essere alimentati in modalità wireless con batterie o celle solari.

"In definitiva, tutti i dettagli possono essere gestiti da un'app per smartphone, " ha detto Afzal, che ha studiato elettronica e programmazione informatica presso la Isfahan University of Technology in Iran, dove ha conseguito una laurea in ingegneria delle macchine agricole. Sta testando il suo concetto di lavoro sul campo alla Penn State.

Due anni fa, ha guidato una squadra che ha vinto il primo posto nel concorso Ag Springboard del College of Agricultural Sciences, un concorso di business plan imprenditoriale, e ha ricevuto $ 7, 500 per aiutare a sviluppare il concetto.

Cresciuto in Iran, Afzal sa che la disponibilità di acqua determina il destino dell'agricoltura. Nell'ultima decade, il fiume Zayandeh nella sua città natale di Isfahani si è prosciugato, e molti agricoltori non possono più piantare i loro raccolti abituali. "L'acqua è un grosso problema nel nostro Paese, " ha detto Afzal. "Questa è una grande motivazione per la mia ricerca."

La tecnologia di Afzal è molto promettente, ha osservato Sjoerd Duiker, professore associato di gestione del suolo, Consigliere di Afzal e membro del gruppo di ricerca. I metodi attuali per determinare l'irrigazione sono rozzi, mentre i sensori di Afzal lavorano direttamente con il tessuto vegetale.

"Credo che questi sensori potrebbero migliorare considerevolmente l'efficienza nell'uso dell'acqua, " Ha aggiunto Duiker. "La scarsità d'acqua è già un enorme problema geopolitico, con l'agricoltura responsabile di circa il 70% del consumo mondiale di acqua dolce. Il miglioramento dell'efficienza nell'uso dell'acqua sarà essenziale".

In uno studio di follow-up, Afzal ha appena finito di valutare i sensori fogliari sulle piante di pomodoro in una serra. I risultati hanno confermato i risultati dello studio appena pubblicato. Nella sua nuova ricerca, sta sviluppando un algoritmo per tradurre lo spessore delle foglie e le variazioni di capacità in informazioni significative sullo stato idrico della pianta.