Az új talajérzékelők javíthatják a növények trágyázási hatékonyságát

A nitrogéntartalmú műtrágyákat az élelmiszertermelés növelésére használják, de kibocsátásuk szennyezheti a környezetet. Az erőforrás-felhasználás maximalizálása, a mezőgazdasági hozamok növelése és a környezeti kockázatok csökkentése érdekében elengedhetetlen a talajtulajdonságok, például a talajhőmérséklet és a műtrágya-kibocsátás folyamatos és valós idejű monitorozása. Az intelligens vagy precíziós mezőgazdasághoz többparaméteres érzékelőre van szükség a NOX-gázok kibocsátásának és a talajhőmérsékletnek a nyomon követéséhez a legjobb trágyázás érdekében.

James L. Henderson, Jr. Memorial, a Penn State Huanyu „Larry” Cheng mérnöki tudományok és mechanika docense vezette egy többparaméteres érzékelő fejlesztését, amely sikeresen elválasztja a hőmérséklet- és a nitrogénjeleket, lehetővé téve mindkettő pontos mérését.

Cheng azt mondta,„A hatékony trágyázáshoz folyamatos és valós idejű talajállapot-monitorozásra van szükség, különös tekintettel a nitrogénhasznosításra és a talajhőmérsékletre. Ez elengedhetetlen a növények egészségének értékeléséhez, a környezetszennyezés csökkentéséhez, valamint a fenntartható és precíziós mezőgazdaság előmozdításához.”

A tanulmány célja a megfelelő mennyiség alkalmazása a legjobb terméshozam eléréséhez. A növény hozama alacsonyabb lehet, mint amennyit akkor elérhetne, ha több nitrogént használnának. Ha a műtrágyát túlzottan alkalmazzák, az kárba vész, a növények eléghetnek, és mérgező nitrogéngőzök jutnak a környezetbe. A gazdálkodók a pontos nitrogénszint-érzékelés segítségével elérhetik a növények növekedéséhez ideális műtrágyaszintet.

Li Yang, a tanulmány társszerzője, a kínai Hebei Műszaki Egyetem Mesterséges Intelligencia Tanszékének professzora elmondta:„A növények növekedését a hőmérséklet is befolyásolja, amely befolyásolja a talajban zajló fizikai, kémiai és mikrobiológiai folyamatokat. A folyamatos monitorozás lehetővé teszi a gazdálkodók számára, hogy stratégiákat és beavatkozásokat dolgozzanak ki, amikor a hőmérséklet túl magas vagy túl alacsony a növényeik számára.”

Cheng szerint ritkán számolnak be olyan érzékelő mechanizmusokról, amelyek egymástól függetlenül képesek nitrogéngáz- és hőmérséklet-méréseket végezni. Mind a gázok, mind a hőmérséklet eltéréseket okozhatnak az érzékelő ellenállás-leolvasásában, ami megnehezíti a megkülönböztetésüket.

Cheng csapata egy nagy teljesítményű érzékelőt fejlesztett ki, amely a talajhőmérséklettől függetlenül képes érzékelni a nitrogénveszteséget. Az érzékelő vanádium-oxiddal adalékolt, lézerrel indukált grafénhabból készül, és felfedezték, hogy a grafénben lévő fémkomplexek adalékolása javítja a gázadszorpciót és az érzékelési érzékenységet.

Mivel a puha membrán védi az érzékelőt és megakadályozza a nitrogéngáz bejutását, az érzékelő kizárólag a hőmérsékletváltozásokra reagál. Az érzékelő tokozás nélkül és magasabb hőmérsékleten is használható.

Ez lehetővé teszi a nitrogéngáz pontos mérését a relatív páratartalom és a talajhőmérséklet hatásainak kizárásával. A hőmérséklet és a nitrogéngáz teljesen és interferenciamentesen leválasztható a tokozott és tokozás nélküli érzékelők segítségével.

A kutató szerint a hőmérséklet-változások és a nitrogéngáz-kibocsátás szétválasztása felhasználható multimodális eszközök létrehozására és megvalósítására, szétválasztott érzékelő mechanizmusokkal a precíziós mezőgazdaság számára minden időjárási körülmény között.

Cheng azt mondta: „Az ultra-alacsony nitrogén-oxid-koncentrációk és a kis hőmérséklet-változások egyidejű érzékelésének képessége utat nyit a jövőbeli multimodális elektronikus eszközök fejlesztése előtt, amelyek leválasztott érzékelő mechanizmusokkal rendelkeznek a precíziós mezőgazdaság, az egészségügyi monitorozás és más alkalmazások számára.”

Cheng kutatását a Nemzeti Egészségügyi Intézetek, a Nemzeti Tudományos Alapítvány, a Penn State és a Kínai Nemzeti Természettudományi Alapítvány finanszírozta.