Nové půdní senzory by mohly zlepšit účinnost hnojení plodin

Hnojiva obsahující dusík se používají ke zvýšení produkce potravin, ale jejich emise mohou znečišťovat životní prostředí. Pro maximalizaci využívání zdrojů, zvýšení zemědělských výnosů a snížení environmentálních rizik je nezbytné nepřetržité sledování vlastností půdy v reálném čase, jako je teplota půdy a emise hnojiv. Pro inteligentní nebo precizní zemědělství je nezbytný víceparametrový senzor, který sleduje emise plynů NOX a teplotu půdy pro dosažení nejlepšího hnojení.

James L. Henderson, Jr., docent inženýrských věd a mechaniky na Penn State University, vedl vývoj víceparametrového senzoru Huanyu „Larry“ Cheng, který úspěšně odděluje signály teploty a dusíku, aby umožnil přesné měření každého z nich.

Čeng řekl,„Pro efektivní hnojení je nutné nepřetržité a v reálném čase monitorovat půdní podmínky, konkrétně využití dusíku a teplotu půdy. To je nezbytné pro hodnocení zdraví plodin, snižování znečištění životního prostředí a podporu udržitelného a precizního zemědělství.“

Studie si klade za cíl použít vhodné množství pro dosažení nejlepšího výnosu plodiny. Produkce plodiny může být nižší, pokud se použije více dusíku. Pokud se hnojivo aplikuje nadměrně, dochází k jeho plýtvání, rostliny se mohou spálit a do životního prostředí se uvolňují toxické dusíkaté výpary. Zemědělci mohou dosáhnout ideální úrovně hnojiva pro růst rostlin pomocí přesné detekce hladiny dusíku.

Spoluautor Li Yang, profesor na Fakultě umělé inteligence na čínské Technické univerzitě v Che-pej, uvedl:„Růst rostlin je také ovlivněn teplotou, která ovlivňuje fyzikální, chemické a mikrobiologické procesy v půdě. Neustálé monitorování umožňuje zemědělcům vyvíjet strategie a intervence, když jsou teploty pro jejich plodiny příliš vysoké nebo příliš nízké.“

Podle Chenga jsou senzorické mechanismy, které dokáží nezávisle na sobě měřit plynný dusík a teplotu, hlášeny jen zřídka. Jak plyny, tak teplota mohou způsobovat odchylky v údaji odporu senzoru, což ztěžuje jejich rozlišení.

Chengův tým vytvořil vysoce výkonný senzor, který dokáže detekovat úbytek dusíku nezávisle na teplotě půdy. Senzor je vyroben z laserem indukované grafenové pěny dopované oxidem vanadu a bylo zjištěno, že dopující kovové komplexy v grafenu zlepšují adsorpci plynu a citlivost detekce.

Protože měkká membrána chrání senzor a zabraňuje pronikání plynného dusíku, reaguje senzor pouze na změny teploty. Senzor lze použít i bez zapouzdření a při vyšší teplotě.

To umožňuje přesné měření dusíku bez vlivu relativní vlhkosti a teploty půdy. Teplotu a dusík lze zcela a bez rušení oddělit pomocí přiložených a nezapouzdřených senzorů.

Výzkumník uvedl, že oddělení teplotních změn a emisí plynného dusíku by mohlo být využito k vytvoření a implementaci multimodálních zařízení s oddělenými snímacími mechanismy pro precizní zemědělství za všech povětrnostních podmínek.

Cheng řekl: „Schopnost současně detekovat ultranízké koncentrace oxidů dusíku a malé změny teploty otevírá cestu pro vývoj budoucích multimodálních elektronických zařízení s oddělenými snímacími mechanismy pro precizní zemědělství, monitorování zdraví a další aplikace.“

Chengův výzkum byl financován Národními instituty zdraví, Národní vědeckou nadací, Pensylvánskou státní univerzitou a Čínskou národní nadací pro přírodní vědy.