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 využití zdrojů, zvýšení zemědělských výnosů a snížení environmentálních rizik je zásadní neustálé monitorování vlastností půdy v reálném čase, jako je teplota půdy a emise hnojiv.Víceparametrový senzor je nezbytný pro chytré nebo přesné zemědělství pro sledování emisí NOX plynů a teploty půdy pro nejlepší hnojení.

James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics na Penn State Huanyu „Larry“ Cheng vedl vývoj víceparametrového senzoru, který úspěšně odděluje signály teploty a dusíku a umožňuje přesné měření každého z nich.

Cheng řekl,„Pro efektivní hnojení je potřeba kontinuální a v reálném čase sledovat stav půdy, konkrétně využití dusíku a teplotu půdy.To je nezbytné pro hodnocení zdraví plodin, snižování znečištění životního prostředí a podporu udržitelného a precizního zemědělství.“

Cílem studie je použít vhodné množství pro nejlepší výnos plodin.Produkce plodiny může být nižší, než může být, pokud se použije více dusíku.Při nadměrné aplikaci hnojiva se plýtvá, rostliny mohou hořet a do prostředí se uvolňují toxické dusíkové výpary.Zemědělci mohou dosáhnout ideální úrovně hnojiva pro růst rostlin pomocí přesné detekce hladiny dusíku.

Spoluautor Li Yang, profesor na School of Artificial Intelligence na čínské Che-pejské technologické univerzitě, řekl:„Růst rostlin ovlivňuje také teplota, která ovlivňuje fyzikální, chemické a mikrobiologické procesy v půdě.Nepřetržité monitorování umožňuje zemědělcům vyvíjet strategie a intervence, když jsou teploty pro jejich plodiny příliš vysoké nebo příliš nízké.“

Podle Chenga jsou mechanismy snímání, které mohou získat měření dusíku a teploty nezávisle na sobě, hlášeny jen zřídka.Jak plyny, tak teplota mohou způsobit odchylky v měření odporu snímače, což znesnadňuje jejich rozlišení.

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

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

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

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

Cheng řekl: "Schopnost současně detekovat ultra nízké koncentrace oxidů dusíku a malé teplotní změny dláždí cestu pro vývoj budoucích multimodálních elektronických zařízení s oddělenými snímacími mechanismy pro přesné zemědělství, monitorování zdraví a další aplikace."

Chengův výzkum financovaly National Institutes of Health, National Science Foundation, Penn State a Chinese National Natural Science Foundation.