Ur SLU:s kunskapsbank

Konstgjorda rötter hjälper till att studera sprickbildning i marken

Senast ändrad: 12 mars 2019
sprickbildningsplattform.png

Vilken roll spelar vattenupptaget för markstrukturen? Det har forskare från institutionen för mark och miljö undersökt genom att ta fram en automatisk plattform i labbmiljö. Genom fotografering och bildanalys kan sprickbildning i olika jordtyper undersökas med hjälp av konstgjorda rötter. Med den här tekniken kan vi bland annat ta reda på hur växter kan användas för att förbättra markstrukturen i jordbrukssystem.

Markstrukturen har en nyckelroll för ett produktivt och hållbart jordbruk eftersom den kontrollerar många processer i marken såsom vattnets infiltration, markens vattenhållningsförmåga, markens luftning, och livsmiljön för markorganismer. Växter påverkar markstrukturen genom att rötterna skapar nya porer, att rötter och deras utsöndringar stabiliserar jorden, samt genom att växternas vattenupptag kan orsaka sprickbildning.

En helautomatisk plattform för att studera sprickbildning

För att studera vattenupptagets roll för markstrukturbildning närmare, konstruerade Tino Colombi, postdoktor och Daniel Iseskog, forskningsingenjör (båda vid institutionen för mark och miljö i forskningsgruppen för markmekanik och jordbearbetning) en helautomatisk plattform i labbmiljö. Genom fotografering och bildanalys kan man nu kvantifiera sprickbildning i olika jordtyper och vid olika intensiteter av vattenupptag med hjälp av konstgjorda rötter.

sprickor.png
Sprickbildning i två lerjordar efter simulerat vattenupptag med hjälp av artificiell rot. Foto: Tino Colombi.

Plattformen kan användas för experiment med tolv stycken s.k. kyvetter i storleken (höjd/bredd/djup) 55/50/5mm i två rader. Kyvetterna fylls med jord, och innehåller en artificiell rot bestående av en siliconslang samt ett membran.

Konstgjord uttorkning och vattenupptag

En Polyetylenglykol (PEG) lösning pumpas sedan genom de artificiella rötterna för att simulera vattenupptag, och genom att variera PEG-lösningens koncentration kan olika intensiteter av vattenupptag simuleras. På så sätt torkas jorden ut på liknande sätt som en rot hade gjort.

Varje kyvett fotograferas med 120 sekunders mellanrum i en veckas tid, vilket resulterar i ungefär 60 400 bilder sammanlagt i veckan. För att garantera ett kontinuerligt ljusflöde tillverkades två stycken huvar med LED lampor som sitter på kamerornas objektiv.

En plattform med öppen programvara och 3D-utskrivna delar

Dessa huvar, kyvetter samt olika detaljer för drivning och fästen till kamerorna har designats i ett CAD-program och sedan 3D-printats i PLA plast på institutionens 3D-printer. Plattformen är konstruerad av aluminiumprofiler med snabbfästen och motorerna samt kamerornas exponering styrs av Arduino som är ett mikrokontrollerkort med öppen hårdvara.

– Den här öppna tekniken gör att plattformen är lätt att bygga om och programmera för att hantera olika typer av experiment, säger Daniel Iseskog.

Bildbehandlingsprogram berättar var och när sprickorna bildas

För att sedan behandla och tyda resultaten utvecklades ett automatiskt bildbehandlingsprogram i samarbete med Norbert Kirchgessner från ETH Zurich, Schweiz, för att få fram information om när och var sprickorna bildas, och för att kvantifiera antal sprickor, förgreningar och sprickornas längd, bredd och area.

Data från de första försöken har använts till en masteruppsats av agronomstudent Susanne Alexandersson "A novel platform to quantify crack development due to plant water uptake" som snart publiceras.

– Genom den här plattformen kan vi bättre förstå sammanhanget mellan plantors fysiologiska processer och markstrukturen. En bonus är att vi kommer kunna studera de här mekanismerna med levande växter. Vi hoppas på att kunna ta fram kunskap om hur vi kan använda växter för att förbättra markstrukturen i jordbrukssystem, säger Tino Colombi

Relaterade sidor:
Sidansvarig: cajsa.lithell@slu.se