Sensores baseados em plantas que medem a espessura e capacitância elétrica das folhas são uma grande promessa para dizer aos agricultores quando ativar seus sistemas de irrigação, evitando o desperdício de água e plantas ressequidas, de acordo com pesquisadores do Penn State's College of Agricultural Sciences.

O monitoramento contínuo do "estresse hídrico" das plantas é particularmente crítico em regiões áridas e tradicionalmente tem sido feito medindo o teor de umidade do solo ou desenvolvendo modelos de evapotranspiração que calculam a soma da evaporação da superfície do solo e da transpiração da planta. Mas existe potencial para aumentar a eficiência do uso da água com novas tecnologias que detectam com mais precisão quando as plantas precisam ser regadas.

Para este estudo, publicado recentemente em Transações da Sociedade Americana de Engenheiros Agrícolas e Biológicos , pesquisador principal Amin Afzal, candidato a doutorado em ciência das plantas, integrado a um sensor de folha, a capacidade de medir simultaneamente a espessura da folha e a capacitância elétrica da folha, o que nunca foi feito antes.

O trabalho foi realizado em tomateiro em câmara de crescimento com temperatura constante e fotoperíodo on / off de 12 horas por 11 dias. O meio de crescimento era uma mistura de turfa para envasamento, com conteúdo de água medido por um sensor de umidade do solo. O teor de água do solo foi mantido em um nível relativamente alto durante os primeiros três dias e depois desidratado, durante um período de oito dias.

Os pesquisadores escolheram aleatoriamente seis folhas que foram expostas diretamente a fontes de luz e montaram sensores de folhas nelas, evitando as veias principais e as bordas. Eles registraram medições em intervalos de cinco minutos.

As variações diárias da espessura das folhas eram mínimas, sem mudanças diárias significativas quando o conteúdo de umidade do solo variava do ponto alto ao ponto de murcha. As mudanças na espessura da folha foram, Contudo, mais perceptível nos níveis de umidade do solo abaixo do ponto de murcha, até que a espessura da folha se estabilizou durante os dois dias finais do experimento, quando o teor de umidade atingiu 5 por cento.

A capacitância elétrica, que mostra a capacidade de uma folha de armazenar uma carga, permaneceu aproximadamente constante em um valor mínimo durante os períodos de escuridão e aumentou rapidamente durante os períodos de luz, implicando que a capacitância elétrica era um reflexo da atividade fotossintética. As variações diárias da capacitância elétrica diminuíram quando a umidade do solo estava abaixo do ponto de murcha e cessou completamente abaixo do conteúdo volumétrico de água do solo de 11 por cento, sugerindo que o efeito do estresse hídrico na capacitância elétrica foi observado por meio de seu impacto na fotossíntese.

"A espessura da folha é como um balão - ela incha com a hidratação e encolhe com o estresse hídrico, ou desidratação, "Afzal disse." O mecanismo por trás da relação entre a capacitância elétrica da folha e o estado da água é complexo. Simplificando, a capacitância elétrica da folha muda em resposta à variação no estado da água da planta e na luz ambiente. Então, a análise da espessura da folha e variações de capacitância indicam o estado da água da planta - bem irrigada versus estressada. "

O estudo é o mais recente em uma linha de pesquisa que Afzal espera que termine no desenvolvimento de um sistema no qual sensores de clipes de folhas enviarão informações precisas sobre a umidade da planta para uma unidade central em um campo, que então se comunica em tempo real com um sistema de irrigação para regar a cultura. Ele prevê um arranjo em que os sensores, unidade central e sistema de irrigação, todos se comunicarão sem fios, e os sensores podem ser alimentados sem fio com baterias ou células solares.

"Em última análise, todos os detalhes podem ser gerenciados por um aplicativo de smartphone, "disse Afzal, que estudou eletrônica e programação de computadores na Isfahan University of Technology no Irã, onde obteve o diploma de bacharel em engenharia de máquinas agrícolas. Ele está testando seu conceito de trabalho em campo na Penn State.

Dois anos atrás, ele liderou uma equipe que ganhou o primeiro lugar no concurso Ag Springboard do College of Agricultural Sciences, uma competição de plano de negócios empreendedor, e recebeu $ 7, 500 para ajudar a desenvolver o conceito.

Crescendo no Irã, Afzal sabe que a disponibilidade de água determina o destino da agricultura. Na última década, o rio Zayandeh em sua cidade natal de Isfahani secou, e muitos fazendeiros não podem mais plantar suas safras normais. “A água é um grande problema em nosso país, "disse Afzal." Essa é uma grande motivação para minha pesquisa. "

A tecnologia da Afzal é muito promissora, observou Sjoerd Duiker, professor associado de manejo do solo, Conselheiro de Afzal e membro da equipe de pesquisa. Os métodos atuais para determinar a irrigação são rudes, enquanto os sensores do Afzal trabalham diretamente com o tecido da planta.

"Acredito que esses sensores podem melhorar consideravelmente a eficiência do uso da água, "Duiker acrescentou." A escassez de água já é um grande problema geopolítico, com a agricultura responsável por cerca de 70 por cento do uso mundial de água doce. Melhorias na eficiência do uso da água serão essenciais. "

Em um estudo de acompanhamento, Afzal acaba de avaliar os sensores foliares em tomateiros em casa de vegetação. Os resultados confirmaram os resultados do estudo recém-publicado. Em sua nova pesquisa, ele está desenvolvendo um algoritmo para traduzir as variações da espessura da folha e da capacitância em informações significativas sobre o estado da água da planta.