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, zvýšenie poľnohospodárskych výnosov a zníženie environmentálnych rizík je nevyhnutné nepretržité monitorovanie vlastností pôdy v reálnom čase, ako je teplota pôdy a emisie hnojív. Pre inteligentné alebo presné poľnohospodárstvo je potrebný viacparametrový senzor na sledovanie emisií plynov NOX a teploty pôdy pre čo najlepšie hnojenie.

James L. Henderson, ml., docent inžinierskych vied a mechaniky na Pensylvánskej štátnej univerzite, viedol vývoj viacparametrového senzora Huanyu „Larry“ Cheng, ktorý úspešne oddeľuje signály teploty a dusíka, aby umožnil presné meranie oboch.

Čeng povedal,„Pre efektívne hnojenie je potrebné nepretržité a v reálnom čase monitorovanie pôdnych podmienok, najmä využitia dusíka a teploty pôdy. To je nevyhnutné pre hodnotenie zdravia plodín, znižovanie znečistenia životného prostredia a podporu udržateľného a presného poľnohospodárstva.“

Cieľom štúdie je použiť vhodné množstvo pre dosiahnutie čo najlepšej úrody plodín. Produkcia plodiny môže byť nižšia, ako keby sa použilo viac dusíka. Pri nadmernej aplikácii hnojív sa plytvá, rastliny sa môžu spáliť a do životného prostredia sa uvoľňujú toxické dusíkaté výpary. Poľnohospodári môžu dosiahnuť ideálne úrovne hnojív pre rast rastlín pomocou presnej detekcie hladiny dusíka.

Spoluautor Li Yang, profesor na Fakulte umelej inteligencie na Čínskej technologickej univerzite v Che-pej, povedal:„Rast rastlín je tiež ovplyvnený teplotou, ktorá ovplyvňuje fyzikálne, chemické a mikrobiologické procesy v pôde. Neustále monitorovanie umožňuje poľnohospodárom vyvíjať stratégie a intervencie, keď sú teploty pre ich plodiny príliš vysoké alebo príliš nízke.“

Podľa Chenga sú senzorické mechanizmy, ktoré dokážu nezávisle od seba merať plynný dusík a teplotu, publikované len zriedka. Plyny aj teplota môžu spôsobiť zmeny v údaji o odpore senzora, čo sťažuje ich rozlišovanie.

Chengov tím vytvoril vysokovýkonný senzor, ktorý dokáže detekovať stratu dusíka nezávisle od teploty pôdy. Senzor je vyrobený z laserom indukovanej grafénu dopovaného oxidom vanádu a zistilo sa, že dopujúce kovové komplexy v graféne zlepšujú adsorpciu plynu a citlivosť detekcie.

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

To umožňuje presné meranie dusíkového plynu vylúčením vplyvov relatívnej vlhkosti a teploty pôdy. Teplota a dusík môžu byť úplne a bez rušenia oddelené pomocou priložených a nezapuzdrených senzorov.

Výskumník uviedol, že oddelenie zmien teploty a emisií plynného dusíka by sa mohlo využiť 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 zmeny teploty otvára cestu pre vývoj budúcich multimodálnych elektronických zariadení s oddelenými snímacími mechanizmami pre presné poľnohospodárstvo, monitorovanie zdravia a ďalšie aplikácie.“

Chengov výskum financovali Národné inštitúty zdravia, Národná vedecká nadácia, Pensylvánska štátna univerzita a Čínska národná nadácia pre prírodné vedy.