Новые почвенные датчики могут повысить эффективность удобрения сельскохозяйственных культур

Азотсодержащие удобрения используются для увеличения производства продовольствия, но их выбросы могут загрязнять окружающую среду. Для максимального использования ресурсов, повышения урожайности в сельском хозяйстве и снижения экологических рисков необходим непрерывный мониторинг свойств почвы в режиме реального времени, таких как температура почвы и выбросы удобрений. Для интеллектуального или точного земледелия необходим многопараметрический датчик, отслеживающий выбросы оксидов азота (NOx) и температуру почвы для оптимального внесения удобрений.

Мемориальный доцент кафедры инженерных наук и механики Университета штата Пенсильвания имени Джеймса Л. Хендерсона-младшего Хуанью «Ларри» Ченг руководил разработкой многопараметрического датчика, который успешно разделяет сигналы температуры и азота, что позволяет точно измерять каждый из них.

Чэн сказал:«Для эффективного удобрения необходим непрерывный мониторинг состояния почвы в режиме реального времени, в частности, усвоения азота и её температуры. Это крайне важно для оценки состояния сельскохозяйственных культур, снижения загрязнения окружающей среды и содействия устойчивому и точному земледелию».

Целью исследования является определение оптимального количества удобрений для достижения максимальной урожайности. Урожайность может быть ниже, чем при использовании большего количества азота. При чрезмерном внесении удобрений они расходуются впустую, растения могут сгореть, а токсичные пары азота выбрасываются в окружающую среду. Благодаря точному измерению уровня азота фермеры могут достичь оптимального уровня удобрений для роста растений.

Соавтор Ли Ян, профессор Школы искусственного интеллекта Хэбэйского технологического университета в Китае, сказал:«На рост растений также влияет температура, которая влияет на физические, химические и микробиологические процессы в почве. Постоянный мониторинг позволяет фермерам разрабатывать стратегии и меры вмешательства, когда температура слишком высокая или слишком низкая для их культур».

По словам Чэна, о сенсорных механизмах, способных получать независимые друг от друга измерения азота и температуры, сообщается редко. Как газы, так и температура могут вызывать вариации в показаниях сопротивления датчика, что затрудняет их различение.

Команда Чэна создала высокопроизводительный датчик, способный обнаруживать потерю азота независимо от температуры почвы. Датчик изготовлен из графеновой пены, легированной оксидом ванадия и индуцированной лазером. Было обнаружено, что легирование графена комплексами металлов улучшает адсорбцию газа и чувствительность обнаружения.

Благодаря мягкой мембране, защищающей датчик и предотвращающей проникновение азота, датчик реагирует исключительно на изменения температуры. Датчик также может использоваться без герметизации и при более высоких температурах.

Это позволяет точно измерять концентрацию азота, исключая влияние относительной влажности и температуры почвы. Температуру и концентрацию азота можно полностью и без помех разделить с помощью закрытых и открытых датчиков.

Исследователь заявил, что разделение изменений температуры и выбросов азота может быть использовано для создания и внедрения мультимодальных устройств с разделенными механизмами датчиков для точного земледелия в любых погодных условиях.

Чэн сказал: «Возможность одновременно обнаруживать сверхнизкие концентрации оксида азота и небольшие изменения температуры открывает путь к разработке будущих мультимодальных электронных устройств с разделенными механизмами датчиков для точного земледелия, мониторинга состояния здоровья и других применений».

Исследование Чэна финансировалось Национальными институтами здравоохранения, Национальным научным фондом, Университетом штата Пенсильвания и Китайским национальным фондом естественных наук.