Hoe drinken planten?

dr.ir. Martine van der Ploeg

technologiestichting STW

Deze vraag werd het promotieonderzoek van Martine van der Ploeg (1978). Na haar studie bodem, water en atmosfeer aan de Wageningen Universiteit met als specialisatie hydrologie, wilde zij uitzoeken hoe het water uit de bodem in de wortel van de plant terechtkomt. Dat is een lastige vraag, omdat bestaande meetinstrumenten voor het bepalen van de vochtigheidsgraad in de bodem, de zogeheten ‘tensiometers’, een te klein meetbereik hebben. Van der Ploegs onderzoeksvraag bleek dus neer te komen op het ontwikkelen van een nieuwe, snelle, nauwkeurige tensiometer met een groter meetbereik.

Ze begon met intensieve literatuurstudie op het gebied van de bodemnatuurkunde. Om alle parameters in beeld te krijgen zou er veel technisch werk gedaan moeten worden en daarvoor had ze een team van technici nodig. Van der Ploeg: “Dat was ook een nieuwe uitdaging voor mij: Wie stel je aan? Waar let je op? Ik vond naast de juiste kwalificaties het menselijk aspect belangrijk: met de technici zou ik een paar jaar intensief moeten samenwerken, dus ik wilde dat het menselijk goed zou klikken.”

Voor gek verklaard

Daarna ging het team naar verbeteringen van een bestaand prototype kijken. Vanuit de bodemfysica bracht Van der Ploeg vaak wensen naar voren die lijnrecht tegenover de ingenieurtechnische wensen stonden: “De ingenieurs hadden bijvoorbeeld een zeskantig prototype gemaakt. Maar als bodemfysicus weet je dat je dat niet zomaar in de bodem kunt aanbrengen. De boel moest gestroomlijnd worden.”

Het duurde een half jaar voordat er een nieuw prototype beschikbaar was. Hiermee kon Van der Ploeg de vochtigheid op een bepaalde diepte meten. De elektronische meetgegevens werden bijgehouden door een datalogger die voortdurend met een computer verbonden moest zijn. Voor praktijksituaties was het handiger om een ingebouwde datalogger te hebben. Zo ging in het eerste jaar de aandacht vooral uit naar praktische vragen. Daarna kon de eerste bodemproef starten.

De polymeer tensiometer.

technologiestichting STW

De nieuw ontwikkelde tensiometer meet de bodemvochtigheid via een omzetting van druk naar vochtigheid. Van der Ploeg: “We gebruiken daarvoor een zogeheten hydrofiel polymeer; een kunststof dat water aanzuigt. Wij brengen zo’n polymeer aan op een stuk massief keramiek. Dat is nog niet eerder gedaan. De technici verklaarden ons voor gek toen we voorstelden holle keramieken te gebruiken, zoals bij reeds bestaande tensiometers. Samen kwamen we tot de conclusie dat massieve keramieken ook zouden werken. En het massief keramiek blijkt grote voordelen te hebben: je krijgt er veel snellere responstijden van.”

Het polymeer zuigt door de poriën van het keramiek water aan, en zwelt dan op. Omdat het polymeer opgesloten zit in een metalen cilinder, neemt de druk binnenin de cilinder toe. Die druk wordt elektronisch gemeten. Maar hoe relateer je die drukmetingen aan de vochtigheid in de bodem? Dat bleek een lastige vraag. Van der Ploeg: “Alles wat je met zo’n nieuw instrument meet, is onbekend. Je weet nooit waardoor de resultaten worden beïnvloed: ligt het aan bepaalde eigenschappen van het polymeer, aan de metalen omhulling, aan het keramiek, aan de elektronica, of aan de bodem die je voor je metingen gebruikt?”

Systematisch werden alle factoren in kaart gebracht. Zo lukte het om een kalibratiemethode te vinden voor het nieuwe instrument. Veel tijd en zorg besteedde Van der Ploeg aan het maken van testbakken. “Als je een emmer grond in een bak stort, dan raken alle bodemlagen door elkaar gehusseld. Als je daar de vochtigheid in meet, krijg je geen goed beeld van de werkelijkheid. Dus wij hebben centimeter voor centimeter de oorspronkelijke gelaagdheid van een zandbodem, een leembodem en een gemengde bodem van zand en leem in onze testbakken gereconstrueerd.” De bakken worden met water verzadigd, het overtollige water wordt afgevloeid, en daarna begint het grote wachten. Tot wel zeven maanden duurt het voordat een testbak is uitgedroogd, en de automatisch vastgelegde meetwaarden van het instrument vergeleken kunnen worden met metingen van allerlei omgevingsfactoren.

technologiestichting STW

Allerlaatste druppel

Het wachten bleek de moeite waard. De nieuwe tensiometer kan veel nauwkeuriger, sneller en over een twintig keer zo groot bereik de bodemvochtigheid meten dan bestaande instrumenten. Van der Ploeg: “We kunnen nu een soort liveopnames maken van planten en hoe ze reageren op toenemende droogte. Je ziet ze als het ware water uit de bodem opzuigen. Het verrassende daarbij is dat planten niet, zoals tot nu toe gedacht, hun wateropname zo reguleren dat ze dat met de minste hoeveelheid energie doen. Integendeel: planten beginnen pas vrij laat met het opzuigen van water op nattere plekken, en blijven dat dan doen tot ze de allerlaatste druppel met veel moeite hebben opgezogen.”

Met de nieuwe metingen is het gedrag van planten te relateren aan de eigenschappen van de bodem. Daar zaten onderzoekers over de hele wereld op te wachten. Zo bracht Van der Ploeg een half jaar door in het US Salinity Laboratory in California, om daar haar kennis in de praktijk toe te passen. “Dat vind ik het meest bevredigende van dit werk. Je doet onderzoek waar mensen echt iets aan hebben. Je weet waar je het voor doet.”

Het promotieonderzoek van Martine van der Ploeg is gefinancierd binnen het Open Technologieprogramma van STW.