Bộ cảm biến giúp cung cấp nước cho cây trồng

Kiểm soát sự căng thẳng về nước của cây trồng đặc biệt quan trọng ở những khu vực khô cằn thường được thực hiện bằng cách đo độ ẩm của đất hoặc xây dựng các mô hình nhằm tính toán tổng lượng nước bốc hơi ở mặt đất và sự thoát hơi nước của cây trồng.

Tuy nhiên, một kỹ thuật mới do các nhà khoa học thuộc ĐH Khoa học Nông nghiệp bang Pennsylvania của Mỹ sáng chế sẽ hỗ trợ một cách hiệu quả người nông dân trong việc tưới tiêu, ngăn chặn sự lãng phí nước và tránh cho cây thiếu nước. Đó là các bộ cảm biến thực vật đo độ dày và điện dung của lá.

Công trình thử nghiệm được thực hiện trên cây cà chua trong một nhà kính với nhiệt độ không đổi và chu kỳ sáng tối 12 giờ trong 11 ngày. Môi trường tăng trưởng là một hỗn hợp đất, than bùn với lượng nước được ghi nhận bằng một cảm biến đo độ ẩm đất. 

Hàm lượng nước trong đất được duy trì ở mức tương đối cao trong ba ngày đầu và sau đó được phép khử nước, trong thời gian 8 ngày. Các nhà nghiên cứu chọn ngẫu nhiên sáu chiếc lá đã được tiếp xúc trực tiếp với nguồn ánh sáng và gắn cảm biến vào chúng, tránh các gân lá chính và các cạnh. Họ ghi lại các số liệu trong khoảng năm phút một lần.

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

Điện dung ở lá gần như không đổi ở một giá trị tối thiểu trong suốt thời kỳ tối và tăng nhanh trong thời kỳ sáng, cho thấy nó phản ánh hoạt động quang hợp. Các biến thể điện dung hằng ngày biến đổi khi độ ẩm của đất dưới điểm héo và hoàn toàn giảm xuống dưới mức dung lượng nước 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.

Nhà khoa học Amin Afzal, thuộc ĐH bang Pennsylvania, thành viên nhóm nghiên cứu nói: “Độ dày của lá giống như một quả bóng - nó phồng lên do sự hydrat hóa và co lại bởi sự căng thẳng của nước, hay mất nước”. 

Cơ chế đằng sau mối quan hệ giữa điện dung của lá và nước là phức tạp. Điện dung của lá thay đổi để đáp ứng sự thay đổi tình trạng nước của cây trồng và ánh sáng xung quanh.Vì vậy, việc phân tích chiều dày lá và biến thể điện dung cho thấy tình trạng nước của cây được cung ứng tốt hay là bị khô hạn.

Nghiên cứu này cũng nhằm phát triển một hệ thống mà các cảm biến gắn trên lá sẽ gửi thông tin chính xác về độ ẩm thực vật tới một đơn vị trung tâm ở cánh đồng, sau đó truyền thông theo thời gian thực cùng hệ thống tưới tiêu để tưới cho cây trồng. Các cảm biến có thể được cung cấp điện không dây với pin hoặc pin mặt trời.

Trong một nghiên cứu tiếp theo, Afzal vừa hoàn thành việc đánh giá cảm biến lá trên cây cà chua trong nhà kính.Ngoài ra, ông đang phát triển một thuật toán để chuyển biến dạng độ dày và điện dung của các lá phiếu sang các thông tin có ý nghĩa về tình trạng nước cây.