En 2010, des scientifiques du Pacific Institute en Californie, un groupe de réflexion mondial sur l'eau, ont défini une situation à laquelle la Terre pourrait être confrontée, appelée «pic de consommation d'eau». En gros, cela ressemble au pic de pétrole, mais ce n'est pas simplement que nous allons manquer d'eau. L'eau douce ne disparaîtra pas, mais elle sera encore plus inégalement répartie, de plus en plus chère et difficile d'accès. Selon le président émérite du Pacific Institute, Peter Gleick, 80% de l'eau douce utilisée dans le monde est utilisée pour l'irrigation des cultures.
Au cours des 40 dernières années environ, l'utilisation totale de l'eau aux États-Unis a commencé à se stabiliser. Cela est en partie dû à une irrigation considérablement améliorée, et à des technologies de télédétection (satellites, radars et drones) qui évaluent le stress hydrique dans les champs en fonction de la température ou de la quantité de lumière reflétée par la canopée dans différentes longueurs d’onde. Mieux nous pourrons suivre l'hydratation des plantes, plus nous pourrons éviter les arrosages excessif et insuffisant de nos cultures. Cependant, bien que ces méthodes conviennent bien à une vue d’ensemble et puissent donner une image globale des champs d’eau utilisés, une équipe de la Penn State University a exploré une méthode beaucoup plus détaillée de mesure du stress hydrique, plante par plante.
Le système, pour lequel la Penn State Research Foundation a demandé un brevet international, comprend une unité à clipser qui contient des capteurs pour détecter l’épaisseur et la capacité électrique, ou la capacité de stocker une charge, de feuilles individuelles. Le réseau de capteurs est connecté à un nœud WiFi, qui transmet les données à une unité centrale qui suit les mesures dans le temps et les utilise comme indicateurs du stress hydrique. Éventuellement, une application pour smartphone pourrait exécuter l'ensemble du système.
«Mettre en œuvre une telle technique dans de vraies applications pratiques est difficile, car elle doit être légère, fiable et non destructive pour la plante», explique Amin Afzal, auteur principal de l'étude, publiée dans Transactions de l'American Society of Agricultural and Biological Ingénieurs . "Ce qui est présenté dans cet article, c'est une sorte de révolution pour la technique à base de plantes, et nous espérons pouvoir développer cette technique et enfin la livrer un jour pour des applications pratiques."
La Penn State Research Foundation a demandé un brevet international pour le système. (Amin Afzal) Les normes actuelles en matière de mesure du stress hydrique concernent principalement les modèles d'évapotranspiration et de détection de l'humidité du sol. La première consiste à calculer la quantité d'évaporation se produisant sur un champ, et la dernière teste le sol lui-même, mais dans les deux cas, la technique mesure des indicateurs indirects du stress hydrique plutôt que du stress auquel les plantes sont directement soumises.
Le capteur Penn State fonctionne un peu différemment. Un capteur à effet Hall dans le clip utilise des aimants pour indiquer la distance d'un côté du clip à l'autre; à mesure que la feuille se dessèche, les aimants se rapprochent. Pendant ce temps, un capteur de capacité mesure la charge électrique dans la feuille. L'eau conduit l'électricité différemment du matériau de la feuille et le capteur peut le lire. Une unité centrale sur le terrain interprète la capacité en tant que teneur en eau et la communique au système d'irrigation. Mais les tests ont également montré une capacité différente pendant la journée (par rapport à la nuit) lorsque la feuille était active sur la photosynthèse.
Pendant 11 jours, Afzal et ses collègues ont laissé sécher le sol de l'usine expérimentale, en mesurant la capacité et l'épaisseur toutes les cinq minutes. Ils ont constaté que les deux indicateurs étaient au même comportement jusqu’au 9e jour, moment où le flétrissement physique était observable. De plus, la capacité a augmenté de haut en bas au cours des cycles de lumière de 24 heures, suggérant que la capacité peut également détecter la photosynthèse.
Équipé de capteurs à effet Hall et de capacité, le clip détermine la teneur en eau et la communique à un système d'irrigation. (Amin Afzal) Sur le terrain, seule une sélection d'usines aurait besoin de moniteurs. Un champ plus grand aurait besoin d'un plus grand nombre de capteurs, en particulier s'il présente une variété d'altitude, de sols ou de frontières, mais nécessite moins de capteurs par unité de surface. À un prix prévu d'environ 90 dollars, les unités ne sont pas bon marché, mais elles sont résistantes dans les éléments, conçues pour durer plus de cinq ans, dit Afzal.
L'objectif est d'améliorer le rendement (ou du moins de ne pas le diminuer) tout en réduisant la quantité d'eau nécessaire. Évidemment, trop d'arrosage est une perte de temps. Mais un sous-arrosage peut diminuer le rendement, car les plantes soumises à des stress hydriques produisent moins, ce qui diminue l'efficacité globale de l'eau. Cela dépend non seulement de la quantité d'eau que vous utilisez, mais également de la manière dont les plantes utilisent l'eau que vous leur donnez, explique Jose Chavez, professeur agrégé d'ingénierie civile et environnementale à la Colorado State University, qui a étudié de manière approfondie l'évapotranspiration afin de mieux évaluer l'irrigation au Colorado.
«En fonction de la culture, si ce n’est pas l’irrigation déficitaire - une application inférieure à l’optimum», certains aliments de base risquent de perdre beaucoup de rendement », explique Chavez. «Une technologie permettant de détecter à l'avance le moment où elle atteindrait ce niveau empêcherait de perdre le rendement en préparant à l'avance le gestionnaire de l'eau.»
L’équipe de Penn State a testé le dispositif sur six feuilles d’un même plant de tomate, ce qui n’était pas un échantillon de grande taille. Afzal, qui est maintenant chercheur scientifique chez Monsanto, affirme que la technologie est applicable à d'autres plantes et à une plus grande échelle, mais qu'elle nécessitera encore des études supplémentaires pour tester différentes cultures et conditions. Il a déjà mis le capteur sur des plants de riz, dont les feuilles élastiques s’étirent et rétrécissaient davantage avec de l’eau.
«D'autres groupes devront le prendre en charge et faire des évaluations pour voir comment il se comporte», explique Chavez. «Si cela montre qu'il est fiable, en termes de travail pour différentes plantes et types de sol, de vraiment cerner le niveau de stress, je pense que ce serait bien. Mais dans quelle mesure cela est-il adaptable à des champs plus grands et quelle cohérence pouvez-vous répliquer sur différents types de surfaces et d'environnements? Ce serait l'essentiel pour moi.
