研究人員開發出測量乾旱對植物影響的裝置

乾旱每年都成為更嚴峻的挑戰，影響著全世界多達 5500 萬人，並對動植物構成重大威脅。乾旱脅迫會導致植物生化和生理變化，降低營養水平並破壞生態系統，從而影響人類健康並造成生計脆弱性。

為了評估植物對乾旱的反應，立陶宛考納斯理工大學（KTU）的科學家開發了一種特殊的方法。

該發明的作者之一、KTU 教授 Linas Svilainis 表示，創建該設備的想法來自 KTU 和西班牙國家研究委員會（CSIC）研究人員的合作。

監測植物的生理狀態是保護植物免受有害影響並獲得更高產量的重要一步。然而，現有的評估植物狀態的方法會對植物造成損害，並且在許多情況下需要長時間等待結果。新設備是非侵入性的，使用非接觸式超音波對未切割的葉子進行測量。

來自西班牙國家研究委員會 (CSIC) 和阿拉貢農業食品研究與技術中心 (CITA) 的科學家已經找到瞭如何使用超音波來評估乾旱對植物的影響。

最初的應用是針對藤樹，但後來證明它也適用於其他植物。

歐洲葡萄園正遭受乾旱

藤樹由於根系較淺且從土壤中提取水分的能力有限，因此特別容易受到乾旱的影響。缺水的葡萄樹產量較低。此外，乾旱會改變所產葡萄的成分——它會影響糖分和酸度水平，而糖分和酸度水平決定了葡萄酒的品質和口味。由於這些原因，為了避免藤樹過度澆水的另一個極端，有必要監測這些植物並調節澆水。

生產全球 50% 以上葡萄酒的歐洲葡萄園到 2022 年已經遭遇比正常情況更炎熱、更乾燥的天氣，導致多達18%的歐洲葡萄園面臨乾旱風險。今年，西班牙農業、食品和漁業部也感到擔憂，預計由於長期乾旱困擾全國種植者，西班牙葡萄酒產量將比去年下降20%以上。

「我們團隊開發的設備可以從超音波測量中提取機械特性，使植物科學家能夠分析植物的生理狀態，」斯維萊尼斯教授說。

KTU科學家開發的設備由兩個感測器組成，其中一個作為揚聲器發送訊號，另一個作為麥克風接收訊號。它們之間的任何東西都會改變訊號。

「根據已經發生的變化，我們可以確定KTU 電機與電子工程學院教授 Svilainis 解釋：

手掌大小的電子設備產生超音波、接收訊號並將資料傳輸到智慧型手機。地理座標和照片附加到感測器資料並發送到雲端儲存。利用雲端運算技術產生植物性狀的分佈圖和時間圖。

這可以使用儀器透過超音波測量植物的厚度、密度和衰減。 「來自西班牙的研究人員已經證明，這些測量結果與指示植物生理狀態的參數相關，即水勢和相對含水量，這些參數用於評估植物的生理狀態。，」教授補充道。

直接在現場進行植物分析的非侵入式解決方案

「為了實現這個想法並使現場測量成為可能，需要做大量的工作，」斯維萊尼斯說。

他補充說，雖然該設備很獨特，但它並不是唯一一種測量類似植物特徵的設備。 「不同之處在於，我們不是將壓力感測器穿入植物樹幹中，而是使用非侵入性、非接觸式技術。此外，它輕巧、方便，並且可以立即獲得結果。使用其他設備，必須將葉子剪下來並帶到實驗室，這需要時間，但在這裡我們可以在現場獲得結果。

斯維萊尼斯很快就提醒植物是一種活的有機體，因此弄清楚如何在田間條件下測量其特徵並不是一個容易的過程。其中物質的含量會根據氣溫、陽光和濕度而改變。 “例如，忽略溫度變化可能會導致高達 30% 的測量誤差。”

他說，沒有使用傳統的溫度計，因為傳統的溫度計太慢而無法檢測即時溫度變化，而是使用在換能器之間傳播的超音波訊號的延遲時間來測量空氣的狀態。 「這種延遲用於估計聲速，這與和濕度，這使得測量更加準確，而不需要額外的感測器，」Svilainis 總結道。

該裝置現已完成，其結果已在多次生物多樣性專家會議上發表。該發明已獲得立陶宛專利，並已向歐洲專利局提交申請，預計也將產生商業興趣。

該設備專為大葉子（直徑超過 3 厘米）而設計，這些葉子足夠平坦，可以完全覆蓋感測器，但將來該發明可以進一步開發用於其他植物，，或工業材料，例如薄膜測量。