让叶子告诉你何时浇水

宾夕法尼亚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将非常有希望告知农民何时启动灌溉系统，以防止水资源浪费和植物干旱。

植物水分胁迫的连续监测在干旱地区尤为重要。传统上，人们通过测量土壤含水量或开发蒸散模型来计算地表蒸发和植物蒸腾的总量。但是现在，新技术可以更准确地检测植物何时需要浇水，从而提高水的利用率。

发表在《美国农业和生物工程师学会杂志》上的一项研究的主要作者阿明·阿夫扎尔(Amin Afzal)已经集成了一种刀片传感器，该传感器能够测量刀片厚度和刀片电容，这是前所未有的。

在恒温、12小时开/关的光周期生长室中，工人们对番茄植物进行了11天的研究。生长介质是一种泥炭封装混合物，带有土壤湿度传感器以测量其含水量。在头三天，土壤含水量保持在相对较高的水平。然后允许脱水8天。

研究人员随机选择了6片直接暴露在光源下的叶子，并在上面安装了叶子传感器，以避开主脉和边缘。他们每5分钟记录一次测量数据。

当土壤含水量从高水平下降到萎凋点时，叶片厚度每天变化不大，即没有显著的日变化。然而，当土壤水分降到萎凋点以下时，叶片厚度变化更明显，并在最后两天内稳定到含水量达到5%。

电容显示了叶子储存电荷的能力，电荷在黑暗期基本保持不变，在光明期迅速增加。这意味着电容是光合作用的反映。当土壤含水量低于萎凋点时，日电容下降，当含水量为11%时，日电容完全停止，表明水分亏缺对电容的影响可以通过其对光合作用的影响来观察。

"叶片的厚度就像一个气球，水合时膨胀，缺水时收缩。"阿夫扎尔说，“叶子电容和水分状态之间关系背后的机制是复杂的。简而言之，叶片电容随着植物水分状态和环境光线的变化而变化。因此，对叶片厚度和电容变化的分析表明，植物的水分状态要么是湿润，要么是缺水。”

阿夫扎尔说，这是一系列的研究，希望叶片传感器可以应用在田间，发送植物水分的准确信息到*设备，然后连接灌溉系统，即时灌溉作物。那时，传感器、*设备和灌溉系统都可以不用电线进行通信。"最终，所有细节都通过智能手机应用程序来管理."阿夫扎尔说。

阿夫扎尔在伊朗长大，他知道水的使用决定了农业的命运。在过去的十年里，我家乡的扎扬得河已经干涸，农民不再种植通常的农作物。研究小组成员Sjoerd Duiker说，“水资源短缺已经是一个重大的地缘政治问题。”

农业用水占世界淡水用量的70%，提高用水效率至关重要。然而，目前确定灌溉的方法相对粗糙。阿夫扎尔直接将它与植物组织联系起来，任何需要水的人都会发出信号。接下来，他将开发一种算法，将叶片厚度和叶片电容转换成植物水分状态的有效信息。

(王芳编译)

《中国科学日报》(第6版，2017年9月20日)