U 2010. godini, znanstvenici iz kalifornijskog Pacific instituta, globalnog istraživačkog centra za vodu, definirali su stanje koje bi se Zemlja mogla suočiti pod nazivom "vršna voda". Lažno, analogno je vršnom ulju, ali nije samo da će nam ponestati vode. Slatka voda neće nestati, ali će i dalje postati neravnomjerno raspoređena, sve skuplja i teže pristupačna. Mnogi se dijelovi svijeta suočavaju sa vodenim stresom, a 80 posto slatke vode koja se koristi širom svijeta koristi se za navodnjavanje usjeva, izjavio je predsjednik emeritus Pacific Instituta Peter Gleick.
Tijekom posljednjih 40 godina ili više, ukupna upotreba vode u Sjedinjenim Državama počela je nestati. Dio toga je zbog uvelike poboljšanog navodnjavanja, a dio je zbog daljinskih senzorskih tehnologija - satelita, radara i bespilotnih letjelica - koji procjenjuju vodni stres u poljima na temelju temperature ili koliko svjetlosti se nadstrešnica ogleda u različitim valnim duljinama. Što bolje možemo pratiti hidrataciju u biljkama, to više možemo izbjeći prekomjerno i zalijevanje usjeva. No, iako su ove metode dobro prilagođene širokim pogledima i mogu dati cjelovitu sliku vodenih polja koja koriste, tim sa Sveučilišta Penn State istražuje mnogo detaljniju metodu mjerenja vodnog stresa, biljka po biljka.
Sustav, za koji je Penn State Research Foundation prijavio međunarodni patent, sadrži jedinicu sa spajanjem koja sadrži senzore za otkrivanje debljine i električnog kapaciteta, ili mogućnost pohrane naboja pojedinačnih listova. Niz senzora povezan je s WiFi čvorom koji podatke prosljeđuje u središnju jedinicu koja prati mjerenja tijekom vremena i koristi ih kao pokazatelje vodnog stresa. Na kraju bi aplikacija za pametne telefone mogla pokrenuti cijeli sustav.
"Primjena takve tehnike u stvarnim praktičnim primjenama, to je teško jer ona mora biti lagana, pouzdana, nerazorna za biljku", kaže Amin Afzal, vodeći autor studije, koja je objavljena u odjeljku Transakcije Američkog udruženja poljoprivrednih i bioloških Inženjeri . "Ono što je predstavljeno u ovom članku, to je svojevrsna revolucija za tehniku koja se temelji na biljkama. Nadamo se da ćemo tu tehniku uspjeti razviti i konačno jednog dana iskoristiti za praktične primjene."
Penn State Research Foundation prijavila je međunarodni patent za sustav. (Amin Afzal) Postojeći standardi mjerenja vodnog napona uglavnom spadaju u modele evapotranspiracije i ispitivanje vlage tla. Prvi uključuje izračunavanje količine isparavanja na polju, a kasnije i ispitivanje samog tla, ali u oba slučaja, tehnika je mjerenje proxyja za vodeni stres, a ne stresa pod kojim su biljke izravno izložene.
Penn State senzor djeluje malo drugačije. Hallov senzor za efekt u kopči koristi magnete kako bi odredio udaljenost s jedne strane kopče na drugu; kako se list suši, magneti se zbližavaju. U međuvremenu, kapacitivni senzor mjeri električni naboj u licu. Voda provodi struju drugačije od lisnog materijala, a senzor to može očitati. Središnja jedinica na terenu interpretira kapacitet kao sadržaj vode i komunicira ga o navodnjavanju. Ali testovi su također pokazali različitu sposobnost tijekom dana (u usporedbi s noću) kada je list bio fotosintetski aktivan.
Tijekom 11 dana, Afzal i njegovi kolege su dopustili da se tlo eksperimentalne biljke osuši, mjereći kapacitet i debljinu svakih pet minuta. Primijetili su da obje metrike održavaju dosljedno ponašanje sve do 9. dana, kada je bilo opaženo tjelesno navijanje. Uz to, kapacitet je skakao gore i dolje tijekom 24-satnog svjetlosnog ciklusa, što sugerira da kapacitet također može otkriti fotosintezu.
Opremljen senzorima Hallove efekta i kapacitivnosti, isječak određuje sadržaj vode i šalje ga navodnjavajućem sustavu. (Amin Afzal) Na terenu bi samo monitor biljaka trebao monitor. Za veće polje potrebno je više ukupnih senzora, pogotovo ako ima različite uzvisine, tla ili obrube, ali zahtijeva manje senzora po jedinici površine. Po očekivanoj cijeni od oko 90 USD, jedinice nisu jeftine, ali su postojane u elementima, dizajniranim tako da traju više od pet godina, kaže Afzal.
Cilj je poboljšati prinos (ili ga barem ne smanjiti) uz istovremeno smanjenje potrebne količine vode. Očito je da je prekomjerna voda rasipna. Ali podzemna voda može umanjiti prinos, jer biljke pod utjecajem vode daju manje, čime će opća učinkovitost vode pasti. Ne radi se samo o tome koliko vode koristite, već i kako biljke koriste vodu koju im dajete, kaže Jose Chavez, izvanredni profesor civilnog i ekološkog inženjerstva na Sveučilištu Colorado State koji je intenzivno proučavao evapotranspiraciju kako bi bolje procijenio navodnjavanje u Coloradu.
"Ovisno o usjevima, ako nije manjak navodnjavanja - primjenjujući manje od optimalnog, neke vrste spajalica mogu biti vrlo osjetljive na gubitak velikog prinosa", kaže Chavez. "Tehnologija koja bi uočila vremenski period kada će dostići tu razinu spriječila bi gubitak prinosa pripremanjem voditelja vode prije vremena."
Tim iz Penn Statea testirao je uređaj na šest listova jedne biljke rajčice - ne velikoj veličini uzorka. Afzal, koji je sada znanstvenik podataka o istraživanju u Monsantu, kaže da je tehnologija primjenjiva i na druge biljke i u većem opsegu, ali da će i dalje trebati dodatne studije za testiranje različitih usjeva i uvjeta. Senzor je već stavio na biljke riže, koje imaju elastične listove koji se strše i više smanjuju vodom.
"Ostale skupine morat će ga pokupiti i izvršiti procjene kako bi vidjeli kako to postiže", kaže Chavez. „Ako se pokaže da je pouzdano, s obzirom na rad na različitim biljkama i vrstama tla, zaista precizno odrediti razinu stresa, mislim da bi to bilo u redu. No, koliko je to skalabilno na većim poljima i koliko dosljedan ih možete ponoviti na različitim vrstama površina i okruženja? To bi bile ključne stvari za mene. "
