研究人员开发出测量干旱对植物影响的装置

干旱每年都成为一项更加严重的挑战，影响着全球多达 5500 万人，并对动植物构成重大威胁。干旱压力导致植物的生化和生理变化，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装置。

这项发明的作者之一、KTU 教授 Linas Svilainis 表示，制造该装置的想法源自 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和实现更高产量的重要步骤。然而，现有的评估植物状态的方法对植物有损害，而且在许多情况下需要长时间等待才能得到结果。新设备是非侵入式的，使用非接触式超声波对未切割的叶子进行测量。

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本树，但后来发现它也适用于其他植物。

欧洲葡萄园遭受干旱

由于根系较浅，从土壤中吸取水分的能力有限，葡萄树特别容易受到干旱的影响。缺水的葡萄树产量较低。此外，干旱会改变葡萄的成分——会影响糖分和酸度水平，而这决定了葡萄酒的质量和口感。出于这些原因，为了避免过度浇水，有必要监测这些植物并调节浇水量。

欧洲的葡萄园生产了全球 50% 以上的葡萄酒，而 2022 年，这里的气候已经比正常情况更炎热、更干燥，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，预计西班牙葡萄酒产量将比去年下降 20% 以上，原因是全国种植者遭受了长期干旱。

“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，”Svilainis 教授说。

韩国技术大学科学家开发的装置由两个换能器组成，其中一个换能器充当扬声器，发送信号，另一个换能器充当麦克风，两者之间的任何物体都会改变信号。

韩国首尔科技大学电气与电子工程学院教授 Svilainis 解释道：“根据发生的变化，我们可以确定物体的机械特性，在本例中是植物的叶子。”

这个掌上电子设备可以发出超声波，接收信号，并将数据传输到智能手机。地理坐标和照片被附加到传感器数据中并发送到云存储。利用云计算技术生成植物性状的分布图和时间图。

使用该仪器，可以用超声波测量植物的共振频率、厚度、密度和衰减。“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，这些参数可用于评估干旱胁迫，”教授补充道。

直接在田间进行植物分析的非侵入式解决方案

“要实现这一想法并实现现场测量，还有很多工作要做，”Svilainis 说。

他补充说，尽管该设备独一无二，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，而是使用非侵入式、非接触式技术。此外，它轻便、方便，并且可以立即获得结果。使用其他设备时，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。”

Svilainis 很快提醒说，植物是一种活体有机体，因此弄清楚如何在田间条件下测量其特性并非易事。植物中物质的含量会根据气温、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，与使用传统的温度计不同，传统的温度计太慢，无法检测瞬间的温度变化，而是利用超声波信号在传感器之间传播的延迟时间来测量空气状态。“这种延迟用于估计声速，它与空气温度和湿度相关，这使得测量更准确，而无需额外的传感器，”Svilainis 总结道。

该装置现已完成，其成果已在多场生物多样性专家会议上发表。该发明已获得立陶宛专利，申请已提交至欧洲专利局，预计也会引起商业兴趣。

该装置专为大叶子(直径超过 3 厘米)设计，这些叶子足够平坦，可以完全覆盖换能器，但未来该发明可以进一步开发用于其他植物、疾病控制或工业材料，例如薄膜测量。

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