Nowe czujniki glebowe mogą poprawić efektywność nawożenia upraw

Nawozy zawierające azot są stosowane w celu zwiększenia produkcji żywności, ale ich emisja może zanieczyszczać środowisko. Aby zmaksymalizować wykorzystanie zasobów, zwiększyć plony rolne i zmniejszyć zagrożenia dla środowiska, niezbędne jest ciągłe monitorowanie w czasie rzeczywistym właściwości gleby, takich jak jej temperatura i emisja nawozów. W rolnictwie inteligentnym lub precyzyjnym niezbędny jest czujnik wieloparametrowy do śledzenia emisji NOX i temperatury gleby w celu zapewnienia optymalnego nawożenia.

Huanyu „Larry” Cheng, profesor nadzwyczajny inżynierii i mechaniki im. Jamesa L. Hendersona Jr. na Penn State University, kierował pracami nad wieloparametrowym czujnikiem, który skutecznie oddziela sygnały temperatury i azotu, umożliwiając dokładny pomiar każdego z nich.

Cheng powiedział,„Aby zapewnić efektywne nawożenie, konieczne jest ciągłe i bieżące monitorowanie warunków glebowych, a w szczególności wykorzystania azotu i temperatury gleby. Jest to niezbędne do oceny kondycji upraw, ograniczenia zanieczyszczenia środowiska oraz promowania zrównoważonego i precyzyjnego rolnictwa”.

Celem badania jest dobranie odpowiedniej ilości nawozu, aby uzyskać najlepsze plony. Produkcja roślinna może być niższa, jeśli zastosuje się więcej azotu. Nadmierne stosowanie nawozu prowadzi do jego marnotrawstwa, spalenia roślin i uwolnienia toksycznych oparów azotu do środowiska. Rolnicy mogą osiągnąć optymalny poziom nawozu dla wzrostu roślin dzięki precyzyjnemu pomiarowi 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 w glebie. Ciągły monitoring umożliwia rolnikom opracowywanie strategii i interwencji w przypadku, gdy temperatury są zbyt wysokie lub zbyt niskie dla ich upraw”.

Według Chenga, rzadko zgłaszane są mechanizmy detekcji, które umożliwiają niezależne pomiary azotu i temperatury. Zarówno gazy, jak i temperatura mogą powodować wahania w odczytach rezystancji czujnika, utrudniając ich rozróżnienie.

Zespół Chenga stworzył wysokowydajny czujnik, który może wykrywać utratę azotu niezależnie od temperatury gleby. Czujnik wykonany jest z pianki grafenowej domieszkowanej tlenkiem wanadu, indukowanej laserowo. Odkryto, że domieszkowanie kompleksów metalicznych w grafenie poprawia adsorpcję gazu i czułość wykrywania.

Ponieważ miękka membrana chroni czujnik i zapobiega przenikaniu azotu, czujnik reaguje wyłącznie na zmiany temperatury. Czujnik może być również używany bez obudowy i w wyższej temperaturze.

Pozwala to na dokładny pomiar stężenia azotu poprzez wyeliminowanie wpływu wilgotności względnej i temperatury gleby. Czujniki zamknięte i nieobudowane umożliwiają całkowite i bezzakłóceniowe oddzielenie temperatury i stężenia azotu.

Naukowcy twierdzą, że rozdzielenie zmian temperatury i emisji azotu można wykorzystać do tworzenia i wdrażania urządzeń multimodalnych z rozdzielonymi mechanizmami wykrywania na potrzeby rolnictwa precyzyjnego w każdych warunkach pogodowych.

Cheng powiedział: „Możliwość jednoczesnego wykrywania bardzo niskich stężeń tlenku azotu i niewielkich zmian temperatury otwiera drogę do rozwoju przyszłych multimodalnych urządzeń elektronicznych z niezależnymi mechanizmami wykrywania na potrzeby rolnictwa precyzyjnego, monitorowania stanu zdrowia i innych zastosowań”.

Badania Chenga były finansowane przez Narodowe Instytuty Zdrowia, Narodową Fundację Nauki, Pennsylvania State i Chińską Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych.