Tóm tắt: Theo các nhà nghiên cứu thuộc trường Cao đẳng Khoa học Nông nghiệp Penn State, các cảm biến thực vật đo độ dày và điện dung của lá đưa ra lời hứa hẹn cho người nông dân khi kích hoạt các hệ thống tưới nước của họ, tránh lãng phí nước và cây bị mất nước.

Việc giám sát liên tục “stress nước” ở cây trồng là đặc biệt quan trọng ở vùng khô cằn và theo truyền thống đã được thực hiện bằng cách đo độ ẩm của đất hoặc xây dựng các mô hình thoát hơi nước để tính tổng lượng bốc hơi mặt đất và thoát hơi thực vật. Nhưng tiềm năng có sẵn nhằm tăng hiệu quả sử dụng nước với công nghệ mới sẽ phát hiện chính xác hơn khi cây cần tưới nước.

Trong nghiên cứu này, gần đây đã được xuất bản trong Ấn phẩm Giao dịch của Hiệp hội các Kỹ sư Nông nghiệp và Sinh học Hoa Kỳ, nhà nghiên cứu hàng đầu Amin Afzal, một ứng cử viên tiến sĩ về khoa học thực vật, đã thực hiện nghiên cứu chưa bao giờ được thực hiện trước đây bằng cách tích hợp vào một cảm biến lá có khả năng đồng thời đo độ dày và điện dung của lá.

Nghiên cứu được thực hiện trên cây cà chua trong buồng tăng trưởng với nhiệt độ không đổi và thời gian bật / tắt 12 giờ trong 11 ngày. Môi trường tăng trưởng là một hỗn hợp than bùn, với lượng nước được đo bằng một cảm biến độ ẩm đất. Hàm lượng nước trong đất được duy trì ở mức tương đối cao trong ba ngày đầu và sau đó được khử nước trong thời gian 8 ngày.

Các nhà nghiên cứu chọn ngẫu nhiên sáu lá đã được phơi ra trực tiếp với nguồn ánh sáng và gắn cảm biến lá vào chúng, tránh các gân lá và các cạnh chính. Các phép đo được ghi lại trong khoảng thời gian cách nhau năm phút.

Sự thay đổi chiều dày lá ngày qua ngày là nhỏ, không đáng kể, khi độ ẩm của đất dao động từ cao xuống đến điểm héo cây. Tuy nhiên, sự thay đổi độ dày của lá đã được ghi nhận ở mức ẩm độ đất thấp hơn điểm héo cây, cho đến khi độ dày của lá ổn định trong hai ngày cuối cùng của thí nghiệm khi hàm lượng hơi nước đạt 5%.

Điện dung điện, cho thấy khả năng của một lá chứa điện tích gần như không đổi ở một giá trị tối thiểu trong suốt thời kỳ tối và tăng nhanh trong thời gian chiếu sáng, cho thấy điện dung điện là sự phản ánh của hoạt động quang hợp. Các biến thể điện dung điện hàng ngày giảm khi độ ẩm của đất thấp hơn điểm héo cây và hoàn toàn giảm xuống dưới mức thể tích nước ở 11%, cho thấy ảnh hưởng của áp suất nước lên điện dung đã được quan sát qua ảnh hưởng của nó đối với quang hợp.

Afzal nói: "Độ dày của lá giống như một quả bóng - nó căng lên do sự hydrat hóa và co lại bởi stress nước, hay mất nước”. "Cơ chế đằng sau mối quan hệ giữa điện dung của lá và trạng thái nước là quá trình phức tạp. Đơn giản là, điện dung của lá thay đổi để đáp ứng sự thay đổi trạng thái nước của cây trồng và ánh sáng xung quanh.Vì vậy, việc phân tích chiều dày lá và biến thể điện dung thể hiện trạng thái nước của cây - được tưới nước tốt so với bị stress nước.

Nghiên cứu này là một trong những nghiên cứu mới nhất của Afzal hy vọng sẽ kết thúc trong việc phát triển một hệ thống mà các cảm biến kẹp lá sẽ gửi thông tin chính xác về độ ẩm cây trồng tới một đơn vị trung tâm trong một cánh đồng, sau đó truyền đạt theo thời gian thực với hệ thống tưới tiêu để tưới cho cây trồng. Ông đã hình dung một sự sắp xếp trong đó cảm biến, bộ phận trung tâm và hệ thống thủy lợi sẽ truyền thông tin thông qua các cảm biến không dây hoạt động bằng pin hoặc pin mặt trời.

"Cuối cùng, tất cả các chi tiết có thể được quản lý bởi một ứng dụng điện thoại thông minh", Afzal, người đã học điện tử và lập trình máy tính tại Đại học Công nghệ Isfahan ở Iran, nơi ông đã nhận được bằng cử nhân về kỹ thuật máy móc nông nghiệp. Ông đang thử nghiệm khái niệm này ngoài đồng ruộng tại Penn State.

Hai năm trước, ông đã dẫn đầu một đội giành được vị trí đầu tiên trong cuộc thi Ag Springboard của trường Đại học Nông nghiệp, một cuộc thi lập kế hoạch kinh doanh, và đã được trao 7.500 đô la để giúp phát triển khái niệm này.

Lớn lên ở Iran, Afzal biết rằng sự hữu dụng của nước sẽ quyết định số phận của nông nghiệp. Trong thập kỷ qua, sông Zayandeh ở thành phố quê hương Isfahani đã khô cạn, và nhiều nông dân không thể trồng một số cây thông dụng của họ. "Nước là một vấn đề lớn ở nước ta", Afzal nói. "Đó là một động lực lớn cho nghiên cứu của tôi."

Phó giáo sư về quản lý đất đai Sjoerd Duiker- cố vấn của Afzal và là thành viên của nhóm nghiên cứu phát biểu: Công nghệ của Afzal rất có triển vọng. Các phương pháp hiện tại để xác định cho việc tưới tiêu cho cây trồng là thô sơ, trong khi phương pháp dùng cảm biến của Afzal là việc làm trực tiếp vào mô thực vật.

"Tôi tin rằng những cảm biến này có thể cải thiện hiệu quả sử dụng nước đáng kể," Duiker nói thêm. "Sự khan hiếm nước là một vấn đề địa-chính trị rất lớn, với nông nghiệp chiếm khoảng 70% lượng nước ngọt trên thế giới. Việc cải thiện tăng hiệu quả sử dụng nước là vô cùng cần thiết”.

Trong một nghiên cứu tiếp theo, Afzal vừa hoàn thành đánh giá cảm biến lá trên cây cà chua trong nhà kính. Các kết quả đã khẳng định kết quả của nghiên cứu vừa công bố. Trong nghiên cứu mới của mình, ông đang phát triển một thuật toán để chuyển tải sự thay đổi về độ dày và điện dung của lá sang các thông tin có ý nghĩa về tình trạng nước của cây.

Đỗ Thị Thanh Trúc theo Sciencedaily.