Pada tahun 2010, para ilmuwan di California's Pacific Institute, sebuah lembaga pemikir air global, mendefinisikan suatu kondisi yang bisa dihadapi Bumi yang disebut "puncak air." Secara longgar, ini analog dengan minyak puncak, tetapi bukan hanya kita akan kehabisan air. Air tawar tidak akan hilang, tetapi akan menjadi lebih merata, semakin mahal, dan sulit diakses. Banyak bagian dunia menghadapi tekanan air, dan 80 persen air tawar yang digunakan di seluruh dunia digunakan untuk mengairi tanaman, menurut presiden emeritus Institut Pasifik Peter Gleick.
Selama sekitar 40 tahun terakhir, total penggunaan air di Amerika Serikat mulai menurun. Sebagian karena irigasi yang sangat baik, dan sebagian lagi disebabkan oleh teknologi penginderaan jarak jauh — satelit, radar, dan drone — yang menilai tekanan air di ladang berdasarkan suhu atau seberapa banyak cahaya yang dipantulkan kanopi dalam berbagai panjang gelombang. Semakin baik kita melacak hidrasi pada tanaman, semakin banyak kita dapat menghindari over-dan di bawah air tanaman kita. Tetapi sementara metode ini sangat cocok untuk pandangan luas dan dapat memberikan gambaran keseluruhan dari bidang air yang digunakan, tim dari Penn State University telah mengeksplorasi metode yang jauh lebih rinci untuk mengukur tekanan air, tanaman demi tanaman.
Sistem, yang telah diterapkan oleh Penn State Research Foundation untuk paten internasional, dilengkapi unit clip-on yang berisi sensor untuk mendeteksi ketebalan dan kapasitansi listrik, atau kemampuan untuk menyimpan muatan, dari masing-masing daun. Array sensor terhubung ke simpul WiFi, yang mentransmisikan data ke unit pusat yang melacak pengukuran dari waktu ke waktu dan menggunakannya sebagai indikator tekanan air. Akhirnya, aplikasi smartphone dapat menjalankan seluruh sistem.
"Menerapkan teknik seperti itu dalam aplikasi praktis nyata, itu sulit karena itu harus ringan, dapat diandalkan, tidak merusak pabrik, " kata Amin Afzal, penulis utama studi ini, yang diterbitkan dalam Transaksi Masyarakat Amerika Pertanian dan Biologis Insinyur . "Apa yang disajikan dalam artikel ini, ini adalah semacam revolusi untuk teknik berbasis tanaman, dan mudah-mudahan kita dapat mengembangkan teknik ini dan akhirnya mengirimkannya suatu hari nanti untuk aplikasi praktis."
Penn State Research Foundation telah mengajukan paten internasional untuk sistem tersebut. (Amin Afzal) Standar saat ini untuk mengukur tekanan air jatuh ke dalam model evapotranspirasi dan penginderaan kelembaban tanah. Yang pertama melibatkan menghitung jumlah penguapan yang terjadi di lapangan, dan kemudian menguji tanah itu sendiri, tetapi dalam kedua kasus, teknik ini mengukur proksi untuk tekanan air daripada stres yang dialami tanaman secara langsung.
Sensor Penn State bekerja sedikit berbeda. Sensor efek Hall di klip menggunakan magnet untuk mengetahui jarak dari satu sisi klip ke yang lain; saat daun mengering, magnet semakin dekat. Sementara itu, sensor kapasitansi mengukur muatan listrik di daun. Air menghantarkan listrik secara berbeda dari bahan daun, dan sensor dapat membacanya. Unit pusat di lapangan menginterpretasikan kapasitansi sebagai kadar air dan mengkomunikasikannya ke sistem irigasi. Tetapi tes juga menunjukkan kapasitansi yang berbeda pada siang hari (dibandingkan pada malam hari) ketika daun itu aktif secara fotosintesis.
Selama 11 hari, Afzal dan rekan-rekannya membiarkan tanah tanaman percobaan mengering, mengukur kapasitansi dan ketebalan setiap lima menit. Mereka memperhatikan bahwa kedua metrik mempertahankan perilaku konsisten hingga sekitar hari ke 9, ketika layu fisik dapat diamati. Selain itu, kapasitansi melonjak naik dan turun selama siklus cahaya 24 jam, menunjukkan bahwa kapasitansi juga dapat mendeteksi fotosintesis.
Dilengkapi dengan sensor efek Hall dan kapasitansi, klip menentukan kadar air dan mengkomunikasikannya ke sistem irigasi. (Amin Afzal) Di lapangan, hanya beberapa pabrik yang membutuhkan monitor. Bidang yang lebih besar akan membutuhkan lebih banyak sensor total, terutama jika memiliki berbagai ketinggian, tanah atau batas, tetapi membutuhkan lebih sedikit sensor per unit area. Pada titik harga yang diharapkan sekitar $ 90 unit tidak murah, tetapi mereka tahan lama dalam elemen, dirancang untuk bertahan lebih dari lima tahun, kata Afzal.
Tujuannya adalah untuk meningkatkan hasil (atau setidaknya tidak menguranginya) sambil mengurangi jumlah air yang diperlukan. Jelas, overwatering itu boros. Tetapi underwatering dapat menurunkan hasil, karena tanaman yang stres air menghasilkan lebih sedikit, sehingga membuat efisiensi air secara keseluruhan turun. Ini bukan hanya tentang berapa banyak air yang Anda gunakan, tetapi bagaimana tanaman menggunakan air yang Anda berikan kepada mereka, kata Jose Chavez, seorang profesor teknik sipil dan lingkungan di Colorado State University yang telah mempelajari evapotranspirasi secara ekstensif, untuk menilai irigasi di Colorado dengan lebih baik.
“Bergantung pada tanamannya, jika bukan irigasi defisit — penerapan kurang dari yang optimal — beberapa kebutuhan pokok mungkin sangat rentan kehilangan banyak hasil, ” kata Chavez. "Teknologi yang akan mendeteksi sebelumnya ketika akan mencapai tingkat itu akan mencegah kehilangan hasil dengan mempersiapkan manajer air sebelumnya."
Tim dari Penn State menguji perangkat pada enam helai satu tanaman tomat — bukan ukuran sampel yang besar. Afzal, yang sekarang menjadi ilmuwan data penelitian di Monsanto, mengatakan bahwa teknologi ini berlaku untuk tanaman lain, dan pada skala yang lebih besar, tetapi masih akan memerlukan studi lebih lanjut untuk menguji berbagai tanaman dan kondisi. Dia sudah meletakkan sensor pada tanaman padi, yang memiliki daun elastis yang meregang dan menyusut lebih banyak dengan air.
"Kelompok lain perlu mengambilnya dan melakukan evaluasi, untuk melihat kinerjanya, " kata Chavez. “Jika itu menunjukkan itu dapat diandalkan, dalam hal bekerja untuk berbagai jenis tanaman dan tanah, untuk benar-benar menunjukkan tingkat stres, saya pikir itu akan bagus. Tetapi seberapa scalable ini untuk bidang yang lebih besar, dan seberapa konsisten Anda dapat mereplikasi ini pada berbagai jenis permukaan dan lingkungan? Itu akan menjadi hal utama bagi saya. "
