Az új talajérzékelők javíthatják a terméstrágyázás hatékonyságát

A nitrogéntartalmú műtrágyákat az élelmiszertermelés növelésére használják, de ezek kibocsátása szennyezheti a környezetet.Az erőforrás-felhasználás maximalizálása, a mezőgazdasági hozamok növelése és a környezeti kockázatok csökkentése érdekében elengedhetetlen a talaj tulajdonságainak folyamatos és valós idejű monitorozása, mint például a talaj hőmérséklete és a műtrágya kibocsátás.Többparaméteres érzékelőre van szükség az intelligens vagy precíziós mezőgazdasághoz, hogy nyomon követhesse a NOx gáz kibocsátását és a talaj hőmérsékletét a legjobb műtrágyázás érdekében.

James L. Henderson, a Penn State Huanyu „Larry” Cheng mérnöki tudomány és mechanika mérnöki egyetemi docense, Jr. vezette egy többparaméteres érzékelő kifejlesztését, amely sikeresen választja el egymástól a hőmérséklet- és nitrogénjeleket, hogy lehetővé tegye mindegyik pontos mérését.

Cheng azt mondta:„A hatékony műtrágyázáshoz szükség van a talajviszonyok, ezen belül is a nitrogénhasznosítás és a talajhőmérséklet folyamatos és valós idejű monitorozására.Ez elengedhetetlen a termés egészségének értékeléséhez, a környezetszennyezés csökkentéséhez, valamint a fenntartható és precíziós mezőgazdaság előmozdításához.”

A vizsgálat célja a megfelelő mennyiség alkalmazása a legjobb terméshozam érdekében.A növény termelése alacsonyabb lehet, mint több nitrogén felhasználása esetén.A túlzott mértékű műtrágya kijuttatása elpazarol, a növények megéghetnek, és mérgező nitrogéngőzök kerülnek a környezetbe.A gazdálkodók a pontos nitrogénszint-érzékelés segítségével érhetik el a növények növekedéséhez ideális műtrágyaszintet.

Li Yang társszerző, a kínai Hebei Műszaki Egyetem Mesterséges Intelligencia Iskolájának professzora elmondta:„A növények növekedését a hőmérséklet is befolyásolja, ami befolyásolja a talaj fizikai, kémiai és mikrobiológiai folyamatait.A folyamatos ellenőrzés lehetővé teszi a gazdálkodók számára, hogy stratégiákat és beavatkozásokat dolgozzanak ki, amikor a hőmérséklet túl meleg vagy túl hideg a terményeik számára.”

Cheng szerint ritkán számolnak be olyan érzékelő mechanizmusokról, amelyek képesek egymástól függetlenül nitrogéngáz- és hőmérsékletméréseket elérni.Mind a gázok, mind a hőmérséklet eltéréseket okozhat az érzékelő ellenállásában, ami megnehezíti a különbségtételt.

Cheng csapata olyan nagy teljesítményű érzékelőt hozott létre, amely a talaj hőmérsékletétől függetlenül képes érzékelni a nitrogénveszteséget.Az érzékelő vanádium-oxiddal adalékolt, lézerrel indukált grafénhabból készült, és felfedezték, hogy a grafénben lévő fémkomplexek adalékolása javítja a gáz adszorpcióját és az észlelési érzékenységet.

Mivel egy puha membrán védi az érzékelőt és megakadályozza a nitrogéngáz átszivárgását, az érzékelő kizárólag a hőmérséklet változásaira 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 mellékelt és tokozás nélküli érzékelőkkel.

A kutató szerint a hőmérséklet-változások és a nitrogéngáz-kibocsátás szétválasztása felhasználható multimodális eszközök létrehozására és megvalósítására, amelyek független érzékelő mechanizmusokkal rendelkeznek a precíziós mezőgazdasághoz minden időjárási körülmény között.

Cheng elmondta: "Az ultraalacsony nitrogén-oxid-koncentráció és a kis hőmérséklet-változások egyidejű észlelésének képessége megnyitja az utat a jövőbeni multimodális elektronikus eszközök fejlesztése előtt, amelyek független érzékelőmechanizmusokkal rendelkeznek a precíziós mezőgazdasági, egészségügyi monitorozási és egyéb alkalmazásokhoz."

Cheng kutatását a National Institutes of Health, a National Science Foundation, Penn State és a Kínai Nemzeti Természettudományi Alapítvány finanszírozta.