Новые датчики почвы могут повысить эффективность внесения удобрений в сельскохозяйственные культуры.

Удобрения, содержащие азот, используются для увеличения производства продуктов питания, но их выбросы могут загрязнять окружающую среду. Для максимального использования ресурсов, повышения урожайности сельскохозяйственных культур 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, позволяющий отслеживать выбросы оксидов азота и температуру почвы для оптимального внесения удобрений.

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

Чэн сказал:«Для эффективного внесения удобрений необходим непрерывный мониторинг состояния почвы в режиме реального времени, в частности, использования азота и температуры почвы. Это крайне важно для оценки состояния урожая, снижения загрязнения окружающей среды и содействия устойчивому и точному земледелию».

Цель исследования — определить оптимальное количество удобрений для достижения наилучшего урожая. При избыточном использовании азота урожайность может быть ниже, чем при его чрезмерном применении. Избыточное внесение удобрений приводит к их растрате, возможны ожоги растений и выбросу токсичных азотных паров в окружающую среду. С помощью точного определения уровня азота фермеры могут достичь оптимального уровня удобрений для роста растений.

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

По словам Ченга, механизмы, позволяющие получать измерения концентрации азота и температуры независимо друг от друга, встречаются крайне редко. И газы, и температура могут вызывать колебания показаний сопротивления датчика, что затрудняет их различение.

Команда Чэна создала высокоэффективный датчик, способный обнаруживать потери азота независимо от температуры почвы. Датчик изготовлен из легированной оксидом ванадия графеновой пены, полученной лазерным методом, и 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 можно использовать без герметизации и при более высокой температуре.

Это позволяет точно измерять концентрацию газообразного азота, исключая влияние относительной влажности и температуры почвы. Температура и концентрация газообразного азота могут быть полностью и без помех разделены с помощью герметичных и негерметичных датчиков.

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

Ченг сказал: «Возможность одновременно обнаруживать сверхнизкие концентрации оксидов азота и небольшие изменения температуры открывает путь к разработке будущих многомодальных электронных устройств с развязанными механизмами измерения для точного земледелия, мониторинга здоровья и других применений».

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