研究人员开发出测量干旱对植物影响的装置

干旱每年都成为一个更加严峻的挑战，影响着全世界多达 5500 万人，并对动植物构成重大威胁。干旱胁迫会导致植物生化和生理变化，降低营养水平并破坏生态系统，从而影响人类健康并造成生计脆弱性。

为了评估植物对干旱的反应，立陶宛考纳斯理工大学（KTU）的科学家开发了一种特殊的方法。

该发明的作者之一、KTU 教授 Linas Svilainis 表示，创建该设备的想法来自 KTU 和西班牙国家研究委员会（CSIC）研究人员的合作。

监测植物的生理状态是保护植物免受有害影响并获得更高产量的重要一步。然而，现有的评估植物状态的方法会对植物造成损害，并且在许多情况下需要长时间等待结果。新设备是非侵入性的，使用非接触式超声波对未切割的叶子进行测量。

来自西班牙国家研究委员会 (CSIC) 和阿拉贡农业食品研究与技术中心 (CITA) 的科学家已经找到了如何使用超声波来评估干旱对植物的影响。

最初的应用是针对藤树，但后来证明它也适用于其他植物。

欧洲葡萄园正遭受干旱

藤树由于根系较浅且从土壤中提取水分的能力有限，因此特别容易受到干旱的影响。缺水的葡萄树产量较低。此外，干旱会改变所产葡萄的成分——它会影响糖分和酸度水平，而糖分和酸度水平决定了葡萄酒的质量和口味。由于这些原因，为了避免藤树过度浇水的另一个极端，有必要监测这些植物并调节浇水。

生产全球 50% 以上葡萄酒的欧洲葡萄园到 2022 年已经遭遇比正常情况更炎热、更干燥的天气，导致多达18%的欧洲葡萄园面临干旱风险。今年，西班牙农业、食品和渔业部也感到担忧，预计由于长期干旱困扰全国种植者，西班牙葡萄酒产量将比去年下降20%以上。

“我们团队开发的设备可以从超声波测量中提取机械特性，使植物科学家能够分析植物的生理状态，”斯维莱尼斯教授说。

KTU科学家开发的设备由两个传感器组成，其中一个作为扬声器发送信号，另一个作为麦克风接收信号。它们之间的任何东西都会改变信号。

“根据已经发生的变化，我们可以确定KTU 电气与电子工程学院教授 Svilainis 解释说：

手掌大小的电子设备产生超声波、接收信号并将数据传输到智能手机。地理坐标和照片附加到传感器数据并发送到云存储。利用云计算技术生成植物性状的分布图和时间图。

这可以使用仪器通过超声波测量植物的厚度、密度和衰减。 “来自西班牙的研究人员已经证明，这些测量结果与指示植物生理状态的参数相关，即水势和相对含水量，这些参数用于评估植物的生理状态。，”教授补充道。

直接在现场进行植物分析的非侵入式解决方案

“为了实现这个想法并使现场测量成为可能，需要做大量的工作，”斯维莱尼斯说。

他补充说，虽然该设备很独特，但它并不是唯一一种测量类似植物特征的设备。 “不同之处在于，我们不是将压力传感器穿入植物树干中，而是使用非侵入性、非接触式技术。此外，它轻便、方便，并且可以立即获得结果。使用其他设备，必须将叶子剪下来并带到实验室，这需要时间，但在这里我们可以在现场获得结果。”

斯维莱尼斯很快提醒植物是一种活的有机体，因此弄清楚如何在田间条件下测量其特征并不是一个容易的过程。其中物质的含量根据气温、阳光和湿度而变化。 “例如，忽略温度变化可能会导致高达 30% 的测量误差。”

他说，没有使用传统的温度计，因为传统的温度计太慢而无法检测即时温度变化，而是通过使用在换能器之间传播的超声波信号的延迟时间来测量空气的状态。 “这种延迟用于估计声速，这与和湿度，这使得测量更加准确，而不需要额外的传感器，”Svilainis 总结道。

该装置现已完成，其结果已在多次生物多样性专家会议上发表。该发明已获得立陶宛专利，并已向欧洲专利局提交申请，预计也将产生商业兴趣。

该设备专为大叶子（直径超过 3 厘米）而设计，这些叶子足够平坦，可以完全覆盖传感器，但将来该发明可以进一步开发用于其他植物，，或工业材料，例如薄膜测量。