圖1. 灌溉的傳感器信號技術、數據傳遞和遠程控制示意圖。
當今全世界淡水資源的大約80%被用于人工灌溉，在世界人口不斷增長、氣候惡化以及農田日趨鹽堿化的時代，如何通過引入人工智能傳感系統來有效降低水的消耗？本文介紹了這樣一種方案。
根據專家們的估計，為了能夠在2025年養活日益增長的地球人口，必須將全球糧食產量提高35%。今天全世界生產的植物性食物已經有50%是在人工澆灌的土地上種植的。這種強烈灌溉的后果導致了全球年復一年萬頃良田的荒蕪。僅就現在情況而言，在全球兩億六千萬公頃灌溉的農田中就有八千萬公頃遭遇到土地鹽堿化。正如在世界的許多地方所觀察到的那樣，由于降水量的明顯減少以及長期的缺水，使得近年來引入了高鹽分的灌渠水來灌溉，于是最終又進一步導致農田土壤受損。雖然一些“節水”式的灌溉系統例如滴水灌溉裝置逐漸取代了強耗水技術如自灌溉系統，但是即使對于“節水”式的灌溉系統而言，如果能夠將植物真正需水的時間通過傳感系統加以掌握的話，還可以進一步發揮節水的潛力。
測量土壤中的含水量只能為植物的供水提供粗略和間接的依據，這是因為土壤的狀態可能在各個局部之間存在著巨大差異，而且不同的植物對于缺水的反應又很不相同。與此相反，基于植物本身來確定缺水程度的方法則往往要勝過采用土壤測試的方法。確定一種植物對水分需求的可靠參數是測定葉片組織細胞的膨脹壓力，這是因為這種細胞膨脹對于從土壤和大氣中吸納水分或者失去水分的反應特別敏感。此外，這種通過細胞膨脹壓力的測量還可以對所期望的收成預測言之有據，植物氣孔的開啟與閉合會對葉子的細胞膨脹壓力發生作用。
圖2. （A）舒勞氏壓力彈測量法的原理與結構，（B）為Zimmermann 的細胞膨脹壓力傳感器的原理與結構。
實際的壓力測量方法
許多植物生理學家以及一些農場主測量壓力時采用的是舒勞氏壓力彈測量法。該法是將一片剪切的葉片（于2小時前經用薄膜包裹以防止蒸散作用）或者一支株枝置于鋼質容器內進行加壓。 測量彈中葉片切口開始出水時的壓力數值（見圖2A），這一壓力數值（可達4Mpa）可以視為植物維管束中水的絕對壓力以及葉片中的水勢能（=細胞膨脹減去滲透壓之差）。這種方法具侵入性，非常不準確，而且很費時，因此僅被用于某一植物性周期進程中的偶然性測量。
圖3. ZIM-磁性傳感器：（A）：香蕉葉，（B），示意圖和測量原理；Pclamp，所施外壓；Pc，細胞膨脹壓力；Pp：輸出壓力，系由傳感器所測出，并與細胞膨脹壓力成反比。
Zimmermann的植物細胞膨脹測量法（見圖2B）是一種可以在葉細胞中直接測量細胞膨脹壓力的唯一方法。在這種探頭中借助于一種充滿油的微型玻璃毛細管來測量細胞膨脹壓力，將毛細管于顯微鏡下通過巧妙的手法插入到一個葉細胞中，細胞膨脹壓力將細胞液推入毛細管中。這種油/水所產生的分界面可用一種與一根金屬棒連接的微米螺旋進行最佳調節。這種從油相產生的和與細胞膨脹相應的平衡壓力可用一種壓力傳感器進行測量，這種細胞膨脹探頭提供非常準確的測量數值，但是要求操作者必須很有經驗，而且這種測量不適于在室外進行，因為即便是很微小的葉片移動也會導致毛細管的震動從而使細胞破裂。
具磁性的細胞膨脹壓力探頭
一種新的非侵入性的、普遍適用的磁性細胞膨脹壓力探頭，如圖3A所示，可以在測量條件下，在一片香蕉葉片上來測量葉片中相對的細胞膨脹壓力。為了回答有關細胞膨脹壓力絕對值這一令人感興趣的問題，可以將該磁性探頭事先采用圖2B所示細胞膨脹壓力探頭進行校正。
圖4. 經過4個月（以色列）野外測量后由傳感器在葉片上所留下的印記，（A）：葉之上面，（B）：葉之下面，上部是葡萄葉，中部是橙子葉，下部是橄欖葉。
這種磁性探頭（科學命名稱為葉片鉗壓探頭，商業名字ZIM-探頭，意即Zimmermann 灌溉檢測器）能夠滿足對于最佳灌溉-傳感器系統的所有要求：成本低廉、操作簡便、抗雨水、風暴和沙土地質以及強烈的日光照射。即使最小的細胞膨脹壓力動態變化也能夠及時地、高精度地測出。這種測量為非侵入性的，不會傷害葉子，而且在整個植物生長周期均可使用（圖4）。
這種探頭可以裝備小型無線電發射裝置，將細胞膨脹壓力信號發送到遠程數據轉播中心站， 中心站通過移動式收發報機將信號傳送至因特網服務器（見圖1）。
圖5. （A），在以色列時達4個月之久的葡萄葉的PP測量節錄，相應的溫度變化（黑線表示）和相應的濕度變化（紅線表示）分別示于該圖的下半部，灌溉結果分別采用向下的箭頭表明。
葉片上被磁性探頭遮蓋了氣孔的小葉片起到一種傳感器元件的作用，發生于自由葉子組織中的細胞膨脹壓力的變化能夠在數分之一秒內傳遞到葉片小點的細胞中，這是因為該細胞與其周圍的組織通過液力連接在一起的緣故。這種傳感器元件是通過運用兩個圓形的鋁盤將葉片鉗夾于其間來實現的（見圖3B），兩個鋁盤各與一種磁體相連。傳感器元件中細胞膨脹壓力的變化是通過一種高靈敏的微型壓力傳感器進行測量的，該傳感器用硅膠固定于底部鋁盤上。通過螺紋可以改變上部鋁盤與上部磁體之間的距離，通過改變兩個磁體間的距離可以將磁壓調節至最佳程度，并與葉子的厚度及其機械強度相適應。
細胞膨脹壓力是通過葉子的壓力傳遞功能來進行測定的，亦即通過位于下部圓盤的壓力傳感器來測量經過葉子組織后的壓力信號的衰減。這種衰減取決于與鉗壓相反的細胞膨脹壓力（見圖3B）。在較高的細胞膨脹壓力情況下，只有相應于所施加鉗壓的一小部分被傳送出去，而當細胞膨脹壓力較小時則產生出相當于所施加鉗壓的一大部分，也就是說，傳感器傳送的壓力信號與細胞膨脹壓力呈負相關的關系。
圖6. 位于澳大利亞西海岸野外一顆5m高的油梨樹葉子細胞的缺水程度隨時間和空間發生的動態變化圖形（中午北面有陽光照射）。在樹的1.5m和5m的高度朝天的方向安置了4種傳感器（O：紅色；N：灰色；W：黑色； S：藍色），可以看出失水情況與日照有強烈依附關系。
結果
在實驗室、植物溫室和野外條件下，針對擬南芥、西紅柿、辣椒植物、香蕉樹、葡萄株、朱欒、橙子、橄欖樹和油梨所進行的廣泛和長期的測量表明，缺乏灌溉對于細胞膨脹壓力產生的效應要明顯不同于小氣候的相應影響。圖5A顯示的是一個在以色列室外條件下對葡萄樹進行的傳感器測量的典型例子。與細胞膨脹壓力同時測量的還有溫度和濕度測量。圖中看出，在停止滴灌之后，在正午時分傳感器輸出信號的幅度PP在其后的數天內不斷地增大，也就是說，細胞膨脹壓力的損失隨著干旱程度的增加而增加。在停止灌溉后一段時間的夜間，由于土壤中還沒有足夠的水分，原來的細胞膨脹壓力仍然不能建立起來，同時，在夜間測量的輸出壓力信號PP增大。在灌溉一周以后（見圖5A之箭頭所示），原來的夜間和正午的細胞膨脹壓力值便得以在數小時之內趨于穩定。
在圖5A的測量中可以規則地觀察到，在停止灌溉的3天后出現了PP值（=細胞膨脹壓力）周期性的變化，這種跌宕起伏的現象源于植物氣孔周期性的開合所致，許多植物例如香蕉（見圖5B）和橄欖（見圖5C）都試圖以這樣的方式來減少水分的損失。可是由于在氣孔閉合的時候也就不再進行CO2的吸收，于是也就減少了收成。這種高靈敏度傳感器表明，由這個農場主所選定的灌溉戰略僅為次佳之選。 在3天之后就進行灌溉可能會優于數周之久的灌溉。其總的用水量完全可能進一步得到降低。
展望
確定細胞膨脹壓力或PP的數值，即超越了它就必須進行灌溉才能獲得最佳收成和產品質量的界限值，是未來研究的前沿。從2010年3月起擬在多個地中海國家和南美洲國家通過栽培植物和果樹進行試驗，在荷蘭也已就西紅柿的溫室栽培所進行的測量表明了這一技術的潛能。甚至在森林經濟中也會發現這種磁傳感器的重大意義。如同圖6所示，通過置入多個傳感器能夠首次對于樹木的供水動力學進行精確的測量，對歐洲不同樹木進行的實驗取得了有關樹木供水的新知識。一種有價值的儀器可以將這一技術進一步用于科學領域，例如可以研究生理作用對于非侵入性的基因排除。開展這種廣泛應用的前提是，在不久的將來，使這種迄今為止仍然停留在樣機水平的傳感器轉變成為商業大規模的產品。
背景知識
植物的細胞是由剛性的細胞壁所包圍，從而使細胞在力學上保持穩定，同時使得通過滲透膜過程來建立流體力學上的超壓力成為可能，這種超壓力就叫做細胞膨脹壓力。該壓力在供水良好的情況下在早晨的數值通常為500~700 kPa。在高蒸發情況下（例如中午當氣溫達到最高值、濕度成為最低值時）細胞膨脹壓力可能下降到100 kPa以下。當細胞膨脹壓力為零時，細胞膜會從細胞壁脫落，即所謂的胞質皺縮，這一過程是不可逆的，細胞就此死掉。細胞膨脹壓力大于300 kPa對于細胞的延伸生長以及對于生物化學和生物物理反應（因而對于產品質量）是必要的，這是由于傳輸與合成過程部分地依附于壓力。