宾夕法尼亚州立大学农业科学学院的研究人员称，基于植物的传感器可以测量叶子的厚度和电容，在告诉农民何时启动灌溉系统、防止水浪费和干旱植物方面大有希望。
持续监测植物“水分胁迫”在干旱地区尤其重要，传统上通过测量土壤含水量或发展蒸散模型来计算地表蒸发和植物蒸腾的总和。但是，通过更准确地检测植物何时需要浇水的新技术，有可能提高水的利用效率。
这项研究最近发表在美国农业与生物工程学会汇刊该研究的首席研究员阿明·阿夫扎尔(Amin Afzal)是一名植物科学博士候选人，他在一个叶片传感器中集成了同时测量叶片厚度和叶片电容的能力，这是以前从未做过的。
在恒温和12小时开/关光周期11天的生长室内对番茄植株进行了研究。生长培养基为泥炭盆栽混合物，通过土壤水分传感器测定其含水量。土壤含水量在前3天保持在一个相对较高的水平，然后在8天的时间里让土壤脱水。
研究人员随机选择了六片直接暴露在光源下的叶子，并在上面安装了叶子传感器，避开了主要的叶脉和边缘。他们每隔五分钟记录一次测量结果。
叶片厚度的日变化较小，土壤水分从高到枯点的日变化不显著。然而，在凋萎点以下的土壤水分水平上，叶片厚度的变化更为明显，直到试验的最后两天，当水分含量达到5%时，叶片厚度稳定下来。
表明叶片储存电荷能力的电容量在黑暗时期大致保持在一个最小值，而在光明时期迅速增加，这表明电容量是光合活性的反映。土壤水分在凋萎点以下时，电容量日变化减小，在11%土壤体积含水量以下完全停止，表明水分胁迫通过影响光合作用对电容量的影响。
“叶子的厚度就像一个气球——它因水合作用而膨胀，因水分压力或脱水而收缩，”阿夫扎尔说。“叶子电容和水分状态之间的关系背后的机制是复杂的。简单地说，叶片电容的变化是响应植物水分状况和环境光的变化。因此，叶片厚度和电容变化的分析表明植物水分状况-充足水分与胁迫。”
这项研究中最新的一条线的研究阿夫扎尔希望将结束在一个系统的发展,叶子夹传感器将植物水分的精确的信息发送到一个中央单位在一个字段中,然后实时通信与水作物的灌溉系统。他设想了这样一种安排:传感器、中央单元和灌溉系统都可以在没有电线的情况下进行通信，传感器可以通过电池或太阳能电池无线供电。
“最终，所有的细节都可以通过智能手机应用程序来管理，”阿夫扎尔说。他在伊朗伊斯法罕科技大学(Isfahan University of Technology)学习电子和计算机编程，并获得了农业机械工程学士学位。他正在宾夕法尼亚州立大学实地测试他的工作理念。
两年前，他带领的一个团队在农业科学学院(College of agriculture Sciences)的农业跳板(agspringboard)竞赛中赢得了第一名，并获得了7500美元的奖金，以帮助开发这一概念。
在伊朗长大的阿夫扎尔知道，水资源的可用性决定着农业的命运。在过去的十年里，他家乡伊斯法哈尼市的扎扬德河已经干涸，许多农民再也不能种植他们通常种植的作物了。“水在我们国家是一个大问题，”阿夫扎尔说。“这是我进行研究的一大动力。”
阿夫扎尔的顾问、研究小组成员、土壤管理副教授Sjoerd Duiker指出，阿夫扎尔的技术非常有前途。目前确定灌溉的方法是粗糙的，而阿夫扎尔的传感器直接与植物组织工作。
“我相信这些传感器可以大大提高用水效率，”Duiker补充道。“水资源短缺已经是一个巨大的地缘政治问题，农业占世界淡水消耗的70%。提高用水效率至关重要。”
在一项后续研究中，阿夫扎尔刚刚完成了对温室番茄叶片传感器的评估。结果证实了刚刚发表的研究结果。在他的新研究中，他正在开发一种算法，将叶片厚度和电容变化转化为有关植物水分状况的有意义的信息。
了下:M2M(机器对机器)
