Nowe czujniki gleby mogą poprawić skuteczność nawożenia upraw

Nawozy zawierające azot wykorzystywane są w celu zwiększenia produkcji żywności, jednak ich emisja może powodować zanieczyszczenie środowiska.Aby zmaksymalizować wykorzystanie zasobów, zwiększyć plony rolne i zmniejszyć ryzyko dla środowiska, niezbędne jest ciągłe monitorowanie w czasie rzeczywistym właściwości gleby, takich jak temperatura gleby i emisja nawozów.Czujnik wieloparametrowy jest niezbędny w inteligentnym lub precyzyjnym rolnictwie do śledzenia emisji gazów NOX i temperatury gleby w celu uzyskania najlepszego nawożenia.

James L. Henderson, Jr. Memorial Professor nauk technicznych i mechaniki w Penn State Huanyu „Larry” Cheng kierował rozwojem czujnika wieloparametrowego, który skutecznie oddziela sygnały temperatury i azotu, umożliwiając dokładny pomiar każdego z nich.

Cheng powiedział:„Aby nawozić skutecznie, konieczne jest ciągłe monitorowanie w czasie rzeczywistym warunków glebowych, w szczególności wykorzystania azotu i temperatury gleby.Jest to niezbędne do oceny stanu upraw, ograniczenia zanieczyszczenia środowiska oraz promowania zrównoważonego i precyzyjnego rolnictwa”.

Badanie ma na celu zastosowanie odpowiedniej ilości, aby uzyskać najlepszy plon.Produkcja roślin może być niższa niż w przypadku użycia większej ilości azotu.Nawozy stosowane w nadmiernych ilościach ulegają marnowaniu, rośliny mogą się palić, a do środowiska uwalniane są toksyczne opary azotu.Rolnicy mogą osiągnąć idealny poziom nawozu dla wzrostu roślin dzięki dokładnemu wykrywaniu poziomu azotu.

Współautor Li Yang, profesor w Szkole Sztucznej Inteligencji na chińskim Uniwersytecie Technologicznym w Hebei, powiedział:„Na wzrost roślin wpływa również temperatura, która wpływa na procesy fizyczne, chemiczne i mikrobiologiczne zachodzące w glebie.Ciągłe monitorowanie umożliwia rolnikom opracowywanie strategii i interwencji, gdy temperatury są zbyt wysokie lub zbyt niskie dla ich upraw”.

Według Chenga rzadko opisuje się mechanizmy wykrywające, które umożliwiają niezależne od siebie pomiary azotu i temperatury.Zarówno gazy, jak i temperatura mogą powodować różnice w odczycie rezystancji czujnika, co utrudnia ich rozróżnienie.

Zespół Chenga stworzył czujnik o wysokiej wydajności, który może wykryć utratę azotu niezależnie od temperatury gleby.Czujnik jest wykonany z indukowanej laserowo pianki grafenowej domieszkowanej tlenkiem wanadu. Odkryto, że domieszkowane kompleksy metali w grafenie poprawiają adsorpcję gazu i czułość wykrywania.

Ponieważ miękka membrana chroni czujnik i zapobiega przenikaniu azotu, czujnik reaguje wyłącznie na zmiany temperatury.Czujnik może być również stosowany bez hermetyzacji i w podwyższonej temperaturze.

Pozwala to na dokładny pomiar zawartości azotu, wykluczając wpływ wilgotności względnej i temperatury gleby.Za pomocą dołączonych i nieobudowanych czujników można całkowicie i bez zakłóceń oddzielić temperaturę od azotu.

Naukowiec stwierdził, że oddzielenie zmian temperatury i emisji azotu można wykorzystać do stworzenia i wdrożenia urządzeń multimodalnych z oddzielonymi mechanizmami czujnikowymi dla rolnictwa precyzyjnego w każdych warunkach pogodowych.

Cheng powiedział: „Możliwość jednoczesnego wykrywania bardzo niskich stężeń tlenku azotu i niewielkich zmian temperatury toruje drogę do rozwoju przyszłych multimodalnych urządzeń elektronicznych z oddzielonymi mechanizmami czujnikowymi do zastosowań w rolnictwie precyzyjnym, monitorowaniu zdrowia i innych zastosowaniach”.

Badania Chenga zostały sfinansowane przez Narodowy Instytut Zdrowia, Narodową Fundację Nauki stanu Penn i Chińską Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych.