Nové pôdne senzory by mohli zlepšiť účinnosť hnojenia plodín

Hnojivá obsahujúce dusík sa používajú na zvýšenie produkcie potravín, ale ich emisie môžu znečisťovať životné prostredie.Pre maximalizáciu využívania zdrojov, zvyšovanie poľnohospodárskych výnosov a znižovanie environmentálnych rizík je nevyhnutné neustále monitorovanie vlastností pôdy v reálnom čase, ako je teplota pôdy a emisie hnojív.Viacparametrový snímač je nevyhnutný pre inteligentné alebo presné poľnohospodárstvo na sledovanie emisií NOX plynov a teploty pôdy pre najlepšie hnojenie.

James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics v Penn State Huanyu „Larry“ Cheng viedol vývoj viacparametrového senzora, ktorý úspešne oddeľuje signály teploty a dusíka, aby umožnil presné meranie každého z nich.

Cheng povedal,„Pre efektívne hnojenie je potrebné neustále a v reálnom čase sledovať stav pôdy, konkrétne využitie dusíka a teplotu pôdy.Je to nevyhnutné pre hodnotenie zdravia plodín, znižovanie znečistenia životného prostredia a podporu udržateľného a presného poľnohospodárstva.“

Cieľom štúdie je použiť vhodné množstvo pre najlepší výnos plodín.Produkcia plodín môže byť nižšia, ako môže byť, ak sa použije viac dusíka.Pri nadmernej aplikácii hnojiva sa plytvá, rastliny môžu horieť a do prostredia sa uvoľňujú toxické dusíkové výpary.Poľnohospodári môžu dosiahnuť ideálne hladiny hnojív pre rast rastlín pomocou presnej detekcie hladiny dusíka.

Spoluautor Li Yang, profesor na Škole umelej inteligencie na čínskej technologickej univerzite Hebei, povedal:„Rast rastlín ovplyvňuje aj teplota, ktorá ovplyvňuje fyzikálne, chemické a mikrobiologické procesy v pôde.Nepretržité monitorovanie umožňuje farmárom rozvíjať stratégie a zásahy, keď sú teploty pre ich plodiny príliš vysoké alebo príliš nízke.“

Podľa Chenga sa zriedkavo zaznamenávajú mechanizmy snímania, ktoré dokážu nezávisle od seba získať dusíkový plyn a meranie teploty.Plyny aj teplota môžu spôsobiť odchýlky v hodnote odporu snímača, čo sťažuje ich rozlíšenie.

Chengov tím vytvoril vysoko výkonný senzor, ktorý dokáže detekovať straty dusíka nezávisle od teploty pôdy.Senzor je vyrobený z laserom indukovanej grafénovej peny dopovanej oxidom vanádu a zistilo sa, že dopované kovové komplexy v graféne zlepšujú adsorpciu plynu a citlivosť detekcie.

Pretože mäkká membrána chráni senzor a zabraňuje prenikaniu dusíka, senzor reaguje výlučne na zmeny teploty.Senzor je možné použiť aj bez zapuzdrenia a pri vyššej teplote.

To umožňuje presné meranie plynného dusíka vylúčením vplyvov relatívnej vlhkosti a teploty pôdy.Teplotu a plynný dusík je možné úplne a bez rušenia oddeliť pomocou priložených a nezapuzdrených snímačov.

Výskumník uviedol, že oddelenie zmien teploty a emisií dusíka by sa mohlo použiť na vytvorenie a implementáciu multimodálnych zariadení s oddelenými snímacími mechanizmami pre presné poľnohospodárstvo za všetkých poveternostných podmienok.

Cheng povedal: "Schopnosť súčasne detegovať ultranízke koncentrácie oxidov dusíka a malé teplotné zmeny otvára cestu pre vývoj budúcich multimodálnych elektronických zariadení s oddelenými snímacími mechanizmami pre presné poľnohospodárstvo, monitorovanie zdravia a ďalšie aplikácie."

Chengov výskum financovali National Institutes of Health, National Science Foundation, Penn State a Chinese National Natural Science Foundation.