Les chercheurs ont intégré la capacité de mesurer simultanément l'épaisseur et la capacité électrique des feuilles dans un capteur foliaire pour surveiller le stress hydrique des plantes. Crédit :État de Pennsylvanie
Les capteurs à base de plantes qui mesurent l'épaisseur et la capacité électrique des feuilles sont très prometteurs pour dire aux agriculteurs quand activer leurs systèmes d'irrigation, prévenir à la fois le gaspillage d'eau et les plantes desséchées, selon des chercheurs du College of Agricultural Sciences de Penn State.
La surveillance continue du « stress hydrique » des plantes est particulièrement critique dans les régions arides et se fait traditionnellement en mesurant la teneur en eau du sol ou en développant des modèles d'évapotranspiration qui calculent la somme de l'évaporation de la surface du sol et de la transpiration des plantes. Mais il existe un potentiel pour augmenter l'efficacité de l'utilisation de l'eau avec une nouvelle technologie qui détecte plus précisément quand les plantes doivent être arrosées.
Pour cette étude, récemment publié dans Transactions de l'American Society of Agricultural and Biological Engineers , chercheur principal Amin Afzal, un doctorant en sciences végétales, intégré dans un capteur de feuille la capacité de mesurer simultanément l'épaisseur de la feuille et la capacité électrique de la feuille, ce qui n'a jamais été fait auparavant.
Le travail a été effectué sur un plant de tomate dans une chambre de croissance avec une température constante et une photopériode marche/arrêt de 12 heures pendant 11 jours. Le milieu de croissance était un mélange d'empotage de tourbe, avec une teneur en eau mesurée par un capteur d'humidité du sol. La teneur en eau du sol a été maintenue à un niveau relativement élevé pendant les trois premiers jours et laissée à se déshydrater par la suite, sur une période de huit jours.
Les chercheurs ont choisi au hasard six feuilles qui ont été exposées directement à des sources lumineuses et ont monté des capteurs de feuilles dessus, en évitant les nervures principales et les bords. Ils ont enregistré des mesures à des intervalles de cinq minutes.
Les variations quotidiennes de l'épaisseur des feuilles étaient mineures, sans changements significatifs au jour le jour lorsque la teneur en eau du sol variait d'un point élevé au point de flétrissement. Les changements d'épaisseur des feuilles étaient, cependant, plus visible à des niveaux d'humidité du sol inférieurs au point de flétrissement, jusqu'à ce que l'épaisseur des feuilles se stabilise au cours des deux derniers jours de l'expérience, lorsque la teneur en humidité atteint 5 pour cent.
La capacité électrique, qui montre la capacité d'une feuille à stocker une charge, est resté à peu près constant à une valeur minimale pendant les périodes d'obscurité et a augmenté rapidement pendant les périodes de lumière, ce qui implique que la capacité électrique était le reflet de l'activité photosynthétique. Les variations quotidiennes de la capacité électrique ont diminué lorsque l'humidité du sol était inférieure au point de flétrissement et ont complètement cessé en dessous de la teneur en eau volumétrique du sol de 11 pour cent, suggérant que l'effet du stress hydrique sur la capacité électrique a été observé à travers son impact sur la photosynthèse.
Cette recherche pourrait conduire au développement d'un système dans lequel des capteurs de pinces à feuilles enverront des informations précises sur l'humidité des plantes à une unité centrale dans un champ, qui communique alors en temps réel avec un système d'irrigation pour arroser une culture. Crédit :USDA
« L'épaisseur des feuilles est comme un ballon :elles gonflent par hydratation et rétrécissent sous l'effet du stress hydrique, ou déshydratation, " Afzal a déclaré. "Le mécanisme derrière la relation entre la capacité électrique des feuilles et l'état de l'eau est complexe. Tout simplement, la capacité électrique de la feuille change en réponse à la variation de l'état de l'eau de la plante et de la lumière ambiante. Donc, l'analyse de l'épaisseur des feuilles et des variations de capacité indique l'état de l'eau de la plante :bien arrosée par rapport à stressée. »
L'étude est la dernière d'une ligne de recherche qu'Afzal espère aboutir au développement d'un système dans lequel des capteurs de pinces à feuilles enverront des informations précises sur l'humidité des plantes à une unité centrale dans un champ, qui communique alors en temps réel avec un système d'irrigation pour arroser la culture. Il envisage un agencement dans lequel les capteurs, l'unité centrale et le système d'irrigation communiqueront sans fil, et les capteurs peuvent être alimentés sans fil avec des batteries ou des cellules solaires.
"Finalement, tous les détails peuvent être gérés par une application pour téléphone intelligent, " dit Afzal, qui a étudié l'électronique et la programmation informatique à l'Université de technologie d'Ispahan en Iran, où il a obtenu un baccalauréat en génie des machines agricoles. Il teste son concept de travail sur le terrain à Penn State.
Il y a deux ans, il a dirigé une équipe qui a remporté la première place au concours Ag Springboard du College of Agricultural Sciences, un concours de business plan entrepreneurial, et a reçu 7 $, 500 pour aider à développer le concept.
Ayant grandi en Iran, Afzal sait que la disponibilité de l'eau détermine le sort de l'agriculture. Au cours de la dernière décennie, la rivière Zayandeh dans sa ville natale d'Ispahani s'est asséchée, et de nombreux agriculteurs ne peuvent plus planter leurs cultures habituelles. "L'eau est un gros problème dans notre pays, " a déclaré Afzal. "C'est une grande motivation pour mes recherches."
La technologie d'Afzal est très prometteuse, a noté Sjoerd Duiker, professeur agrégé de gestion des sols, Conseiller d'Afzal et membre de l'équipe de recherche. Les méthodes actuelles pour déterminer l'irrigation sont grossières, tandis que les capteurs d'Afzal fonctionnent directement avec le tissu végétal.
"Je pense que ces capteurs pourraient considérablement améliorer l'efficacité de l'utilisation de l'eau, " a ajouté Duiker. " La pénurie d'eau est déjà un énorme problème géopolitique, l'agriculture étant responsable d'environ 70 pour cent de l'utilisation mondiale d'eau douce. L'amélioration de l'efficacité de l'utilisation de l'eau sera essentielle."
Dans une étude de suivi, Afzal vient de terminer l'évaluation des capteurs foliaires sur des plants de tomates en serre. Les résultats ont confirmé les résultats de l'étude qui vient d'être publiée. Dans ses nouvelles recherches, il développe un algorithme pour traduire l'épaisseur des feuilles et les variations de capacité en informations significatives sur l'état de l'eau des plantes.
