การพฒันาวธิกีารศึกษาการตอบสนองของรากขา้วแบบต่อเนื่องด้วยวธิถ่ีายภาพจากเครื่องสแกนเนอ

ร์Developing methodology to study the continuous root response by

take a photo from scanner

มหาวทิยาลัยศรนีครนิทรวโิรฒPage 1 of 10

ชื่อผลงานประดิษฐ์ (ภาษาไทย) การพฒันากระบวนการศึกษาการตอบสนองของรากขา้วแบบต่อเน่ืองด้วย วธิกีารถ่ายภาพจากเครื่องสแกนเนอร ์ (ภาษาอังกฤษ) Developing process to study the continuous root response by take a photo from scanner รูปภาพผลงานสิง่ประดิษฐ์

Page 2 of 10

20 วนั 45 วนั 90

พลวติัของรากขา้ว (Root

ความสำาคัญและท่ีมาของปัญหา แนวคิดการออกแบบจากความแปรปรวนของสภาพภมูอิากาศโลก มสีาเหตหุลักจากการ

เพิม่ขึ้นของปรมิาณก๊าซเรอืนกระจกในชัน้บรรยากาศ ล้วนเกิดจากการกระทำาของมนุษยแ์ทบทัง้สิน้ สง่ผลใหเ้กิดภัยพบิติัในรูปแบบต่าง ๆ ทัว่ทกุมุมโลก เชน่ การเพิม่ขึ้นของอุณหภมูสิง่ผลใหก้ารระเหยของนำ้าเพิม่ขึ้น ปรมิาณนำ้าในลำาธารและใต้ดินลดลง ทำาใหป้รมิาณฝนตกน้อยลงหรอืทิ้งชว่งเป็นเวลานาน เกิดภัยแล้ง สง่ผลกระทบต่อการเพาะปลกูใน ภาคการเกษตรและความมัน่คงทางด้านอาหารของโลก ประเทศไทยถือเป็นผู้ผลิตและสง่ออกอาหารท่ีสำาคัญของโลก โดยเฉพาะอยา่งยิง่ ขา้ว เป็นพชืเศรษฐกิจท่ีสำาคัญของโลก เน่ืองจากประชากรกวา่ครึง่โลกบรโิภคขา้วเป็นอาหารหลัก สว่นใหญ่การทำานาในประเทศไทยและทวปีเอเชยีจะขงันำ้าตลอดเวลาการเพาะปลกู ทำาใหม้กีารสญูเสยีนำ้าอยา่งมหาศาลและยงัสง่ผลกระทบต่อการเกิดก๊าซมเีทน (CH4) แพรก่ระจายสูบ่รรยากาศทำาใหเ้กิดภาวะโลกรอ้นขึ้นอีกด้วย ถึงแมว้า่การปลดปล่อยก๊าซเรอืนกระจกจากการปลกูขา้วจะมค่ีอนขา้งสงู แต่ความอยูร่อดและความมัน่คงทางอาหารบนโลกยอ่มมคีวามสำาคัญเชน่เดียวกัน ด้วยเหตน้ีุ นักวทิยาศาสตรจ์ากทัว่โลกพยายามค้นหาเทคโนโลยท่ีีชว่ยลดปรมิาณการปลดปล่อยก๊าซเรอืนจกแต่ไมส่ง่ผลกระทบต่อปรมิาณผลผลิตของขา้ว เชน่ การปลกูขา้วด้วยวธิเีปียกสลับแหง้ (Alternate wetting and drying หรอื AWD) เป็นอีกหน่ึงวธิทีี่ชว่ยการแก้ไขปัญหาดังกล่าว ทัง้ยงัชว่ยลดปรมิาณนำ้าท่ีใชส้ำาหรบัการเพาะปลกูโดยไมส่ง่ผลกระทบต่อปรมิาณผลผลิต สอดคล้องกับงานวจิยัของ Li, (1999), Yao et al., (2012), Belder et al., (2004) และงานวจิยัของ Michiel et al., (2010), Yao et al., (2010) Redwanur, (2014) พบวา่การปลกูขา้วด้วยวธิ ีAWD สามารถให้ผลผลิตขา้วได้สงูกวา่วธิแีบบดัง่เดิม อีกทัง้ยงัสามารถประหยดันำ้าถึงรอ้ยละ 24-38

Page 3 of 10

สำาหรบัการปลกูขา้วด้วยวธิ ีAWD ในประเทศไทย ได้ดำาเนินการทดลองประสทิธภิาพการใชเ้ทคโนโลย ีAWD ในพื้นที่แปลงวจิยัในเบื้องต้น ทัง้จากหน่วยงานภาครฐัและสถาบนัการศึกษาเมื่อไมก่ี่ปีที่ผ่านมา ซึ่งผลการทดลองจากงานวจิยัเบื้องต้นพบวา่การใชเ้ทคโนโลย ีAWD สามารถเพิม่ปรมิาณผลผลิตกับพนัธุข์า้วในประเทศไทยและลดการปลดปล่อยของก๊าซเรอืนกระจก แต่อยา่งไรก็ตาม การอธบิายถึงกลไกการตอบสนองทางสรรีะวทิยาของขา้วนัน้เป็นปัจจยัหลักในการอธบิายกลไกการตอบสนองของขา้วและการเกิดก๊าซเรอืนกระจก แต่อยา่งไรก็ตาม งานวจิยัท่ีผ่านมายงัไม่สามารถอธบิายความสมัพนัธข์องการเจรญิเติบโตและปรมิาณชวีมวลเหนือพื้นดินของต้นขา้ว (aboveground biomass) กับปรมิาณผลผลิต ได้อยา่งชดัเจน เน่ืองจากทัง้ความสงูและปรมิาณชวีมวลของต้นขา้วเหนือพื้นดินมค่ีาไมแ่ตกต่างกับขา้วที่ปลกูด้วยวธิแีบบดัง่เดิม ดังนัน้ จงึได้ทำาการศึกษากลไกการตอบสนองของรากภายใต้การปลกูขา้วทัง้ 2 แบบ เน่ืองจากรากพชืเป็นอวยัวะท่ีสำาคัญของพชืทำาหน้าท่ีหลากหลายและมีบทบาทท่ีสำาคัญต่อการเจรญิเติบโตของพชืทกุชนิด โดยหน้าที่หลักที่สำาคัญ คือการดดูนำ้าและธาตอุาหารไปเล้ียงสว่นต่าง ๆ ของลำาต้น อีกทัง้ยงัทำาหน้าท่ียดึเกาะดินใหต้้นพชืสามารถทรงตัวอยูไ่ด้ สะสมอาหาร และทำาหน้าที่เป็นแหล่งเริม่ต้นในการสรา้งฮอรโ์มนพชือีกด้วย ซึ่งหน้าที่เหล่าน้ีชว่ยใหพ้ชืมกีารเจรญิเติบโตและพฒันาได้เป็นปกติ แต่อยา่งไรก็ตาม การศึกษาการเจรญิเติบโตและการยอ่ยสลายของรากขา้ว ยงัมขีอ้จำากัดหลาย ๆ ด้าน เชน่ การศึกษารากด้วยวธิกีารขุดดินแบบ trench profile และ core sample จะสามารถทราบปรมิาณความหนาแน่นของรากได้เพยีงชว่งเวลาใดเวลาหน่ึงและยงัทำาลายระบบรากใหต้ายเนื่องจากการขุด ด้วยเหตน้ีุทีมผู้วจิยัได้ประยุกต์วธิกีารทดลองจากเทคนิค minirhizotron จากต่างประเทศ เขา้กับการทำางานของเครื่องสแกนเนอรแ์ละคอมพวิเตอร ์ทำาการศึกษาการตอบสนองของรากขา้วแบบต่อเน่ืองโดยไมท่ำาลายสว่นของระบบรากพชื ทำาใหส้ามารถทำาการศึกษาการเจรญิเติบโตทางพลวติัของรากขา้ว (root dynamic) นับวา่เป็นสิง่สำาคัญในการอธบิายถึงประสทิธภิาพของ

Page 4 of 10

พชืและความสมัพนัธข์องการเจรญิเติบโตและปรมิาณผลผลิตของขา้วในสว่นเหนือดิน (aboveground) และสว่นใต้ดิน (belowground) ตลอดระยะเวลาการเพาะปลกู

การทบทวนวรรณกรรมรากพชืเป็นอวยัวะท่ีสำาคัญของพชื ทำาหน้าท่ีในการดดูนำ้าและธาตุ

อาหารไปเล้ียงต้นพชื ชว่ยใหพ้ชืมกีารเจรญิเติบโตและพฒันาได้เป็นปกติ แต่เน่ืองจากเป็นสว่นท่ียากต่อการศึกษาเพราะเป็นสว่นท่ีอยูใ่ต้ดินทำาใหก้ารวจิยัด้านน้ีค่อนขา้งจำากัดเมื่อเปรยีบเทียบกับการศึกษาในสว่นอ่ืน ๆ ของพชื วธิกีารศึกษาทำาได้ยาก ใชแ้รงงานและทนุในการศึกษาค่อนขา้งสงู จงึได้มกีารนำาเทคนิคต่าง ๆ มาชว่ยในการทำาการศึกษาวจิยัเกี่ยวกับราก โดยการศึกษาระบบรากทางตรงมหีลายวธิ ีเชน่ Trench profile, Core sampling, Framed monolith, Pinboard เป็นต้น ซึ่งวธิกีารดังกล่าวจะสามารถศึกษาความหนาแน่นของรากได้เพยีงระยะเวลาใดเวลาหน่ึง เน่ืองจากต้องทำาการขุดรากขึ้นมาอบแหง้และชัง่นำ้าหนัก จงึไมส่ามารถศึกษาการตอบสนองของรากได้อยา่งต่อเนื่อง ต่อมา Doussan et al., (2006) ได้พฒันาการศึกษารากด้วยวธิไีรโชตรอน (Rhizotron) โดยการเปิดหน้าดินและใชแ้ผ่นพลาสติกวางบนดินทำามุม 90 องศา เมื่อพชืมีการเจรญิเติบโตจะทำาการบนัทึกพฒันาการของระบบรากโดยใชป้ากกาเขยีนแผ่นใสแบบถาวรวาดการเจรญิของรากแต่ละครัง้บนแผ่นพลาสติกใส จนกวา่แผ่นพลาสติกจะเต็มจงึทำาการเปล่ียนแผ่นใหม ่จากนัน้นำามาวเิคราะหก์ารเจรญิเติบโตโดยการนับจุดตัดบนแผ่น Grid line วธิดัีงกล่าวสามารถศึกษาการตอบสนองของรากแบบต่อเน่ือง แต่มคีวามซบัซอ้นและความแมน่ยำาในการคำานวณปรมิาณความยาวของราก ด้วยเหตน้ีุ นำามาสู่การพฒันาวธิกีารศึกษาการตอบสนองของรากแบบต่อเน่ืองด้วยวธิกีารถ่ายภาพด้วยเครื่องสแกนเนอร ์ซึ่งวธิน้ีี จะทำาการฝังกล่องสแตนแลสท่ีติดกระจกด้านบนและมชีอ่งไวส้ำาหรบัใสส่แกนเนอร ์โดยติดตัง้ทำามุม 45 องศากับพื้นดินตัง้แต่ขัน้ตอนการหวา่นเมด็ขา้ว จากนัน้ถ่ายภาพทกุสปัดาห์ด้วยเครื่องสแกนเนอรต์ลอดระยะเวลาการเพาะปลกู ซึ่งตำาแหน่งของภาพ

Page 5 of 10

จะอยูใ่นในลักษณะเดิม ทำาใหส้ามารถวเิคราะหก์ารเกิดของรากใหม ่การเจรญิเติบโต การตายและการยอ่ยสลายของรากได้อยา่งชดัเจน จากนัน้นำาภาพที่ถ่ายได้มาวเิคราะหห์าความยาว ความหนาแน่น และปรมิาณนำ้าหนักของราก จากโปรแกรมสำาเรจ็รูป 2 โปรแกรม คือ Gimp (Free software) และ WinRhizo ซึ่งสามารถวเิคราะหก์ับคอมพวิเตอรทั์ง้แบบตัง้โต๊ะและพกพา การศึกษาการตอบสนองของรากด้วยวธิดีังกล่าวเป็นวธิท่ีีสะดวก สามารถศึกษาได้อยา่งต่อเน่ือง ไมท่ำาลายระบบราก ประหยดัแรงงาน ลดขัน้ตอนในการทำางาน มคีวามแมน่ยำาสงู และสามารถนำาไปประยุกต์ใชใ้นการศึกษาระบบรากกับพชืเกษตรชนิดอ่ืนหรอืในระบบนิเวศป่าไม้

วตัถปุระสงค์

1. เพื่อพฒันากระบวนการศึกษาพลวติัของรากขา้วภายใต้การปลกูขา้วด้วยวธิเีปียกสลับแหง้ แบบต่อเน่ืองด้วยวธิกีารถ่ายภาพด้วยเครื่องสแกนเนอร ์

หลักการ วธิกีาร ขัน้ตอนการทำางาน และผลการทดสอบการทำางานของสิง่ประดิษฐแ์ละนวตักรรม

ได้ทำาการทดสอบวธิศึีกษาจากการปลกูขา้วด้วยวธิเีปียกสลับแหง้ (Alternate wetting and drying หรอื AWD) ท่ีมกีารควบคมุระดับนำ้าเพื่อเป็นการศึกษารากขา้วที่ตอบสนองต่อปัจจยัทางด้านนำ้า ขัน้ตอนการเตรยีมปลกูขา้วพนัธุ ์กข 41 ด้วยวธิเีปียกสลับแหง้ โดยควบคมุระดับนำ้าไว ้3 กรณี โดยแบบท่ี 1 ปล่อยใหน้ำ้าท่วมขงัตลอดการเพาะปลกู (CF) แบบท่ี 2 ขงันำ้าไวใ้นนาที่ 5 ซม และใหล้ดลงที่ระดับ 15 ซม (AWD1) และแบบท่ี 3 ขงันำ้าไวใ้นนาที่ 10 ซม และใหล้ดลงที่ระดับ 15 ซม (AWD1) ทัง้น้ีได้ออกแบบกล่องสแตนเลสเพื่อฝ่ังไวใ้ต้ดินบรเิวณที่ทำาการเก็บตัวอยา่งใหแ้นวดิ่งทำามุมกับพื้นดิน 45 องศา มฝีาปิดเพื่อป้องกันนำ้าและสิง่สกปรก การวดัการเจรญิเติบโตของรากด้วยการถ่ายภาพจากเครื่องสแกน

Page 6 of 10

เนอรท์กุสปัดาหต์ลอด 110 วนั หลังจากทำาการหวา่นเมล็ด จากนัน้นำาภาพถ่ายท่ีได้มาวเิคราะหก์ารแผ่กระจายของรากในแต่ละสปัดาห ์ทำาการวาดเสน้ท่ีมกีารเจรญิเติบโตและการตายของรากโดยใชโ้ปรแกรมสำาเรจ็รูป Gimp 2.6 (Free Software) จากนัน้นำาขอ้มูลมาวเิคราะหค์วามยาวและนำ้าหนักด้วยโปรแกรม WinRHIZO (Regent Instruments INC, Canada) พบวา่การพฒันารูปแบบการศึกษาพลวติัของรากขา้วภายใต้การปลกูขา้วด้วยวธิเีปียกสลับแหง้ แบบต่อเน่ืองด้วยวธิกีารถ่ายภาพด้วยเครื่องสแกนเนอรม์คีวามแมน่ยำามากขึ้นอีกทัง้เป็นการลดระยะเวลาในการทำางานในแปลงทดลอง

ประโยชน์และคณุค่าของผลงานสิง่ประดิษฐแ์ละนวตักรรมการพฒันาวธิกีารศึกษาการตอบสนองของรากขา้วแบบต่อเน่ืองจาก

การถ่ายภาพด้วยเครื่องสแกนเนอรภ์ายใต้การปลกูขา้วด้วยวธิเีปียกสลับแหง้ เป็นวธิกีารศึกษาการตอบสนองของรากขา้วภายใต้การเปล่ียนแปลงจากสิง่แวดล้อม โดยการศึกษาวจิยัเกี่ยวกับรากเป็นเรื่องท่ีค่อนขา้งจำากัดเน่ืองจากวธิกีารและรูปแบบการศึกษาแต่มคีวามสำาคัญเพื่ออธบิายกลไกของตอบสนองของพชืทัง้การเจรญิเติบโตและปรมิาณผลผลิต โดยวธิดัีงกล่าวเป็นการลดขอ้จำากัดจากวธิใีนอดีตสามารถอธบิายถึงพลวติัและการตอบสนองของรากอยา่งต่อเน่ืองและมคีวามแมน่ยำาสงู ทัง้การเจรญิเติบโตของราก การแผ่กระจาย ความหนาแน่นของรากต่อพื้นที่ การตายของราก ระยะเวลาในการยอ่ยสลาย ซึ่งจะสามารถอธบิายการเปล่ียนแปลงของรากได้อยา่งถกูต้องและแมน่ยำาเพื่อใชเ้ป็นขอ้มูลสำาคัญในการอธบิายถึงกลไลการตอบสนองของขา้วภายใต้การปลกูด้วยวธิแีบบเปียกสลับแหง้และสามารถนำาไปประยุกต์ใชใ้นการศึกษาวจิยัในรากพชืเกษตรชนิดอ่ืนในอนาคตต่อไป

วสัดอุุปกรณ์

Page 7 of 10

การประดิษฐเ์ครื่องมอืการศึกษาการตอบสนองของรากพชื ประกอบด้วย:

1. กล่องสแตนเลสขนาด กวา้ง x ยาว x หนา เท่ากับ 40 x 100 x 10 ซม

2. เครื่องสแกนเนอรแ์บบถอดฝาได้ 3. โปรแกรม WinRhizo (Regent Instruments INC,

Canada) 4. โปรแกรม Gimp (Free software) ไมม่ค่ีาใชจ้า่ย

ตัวอยา่งภาพท่ีได้จากการศึกษาราก 10 - 52 วนัหลังการเพาะปลกู

10 วนั

17 วนั

24 วนั

Page 8 of 10

32 วนั

38 วนั

46 วนั

Page 9 of 10

52 วนั

Page 10 of 10