Nye jordsensorer kan forbedre effektiviteten til gjødsling av avlinger

Gjødsel som inneholder nitrogen brukes til å øke matproduksjonen, men utslippene kan forurense miljøet.For å maksimere ressursbruken, øke jordbruksavlingene og redusere miljørisikoen, er kontinuerlig og sanntidsovervåking av jordegenskaper, som jordtemperatur og gjødselutslipp, avgjørende.En sensor med flere parametere er nødvendig for smart eller presisjonslandbruk for å spore NOX-gassutslipp og jordtemperatur for best gjødsling.

James L. Henderson, Jr. Memorial førsteamanuensis i ingeniørvitenskap og mekanikk ved Penn State Huanyu "Larry" Cheng ledet utviklingen av en multiparametersensor som med suksess skiller temperatur- og nitrogensignaler for å tillate nøyaktig måling av hver.

Cheng sa,«For effektiv gjødsling er det behov for kontinuerlig og sanntidsovervåking av jordforhold, spesielt nitrogenutnyttelse og jordtemperatur.Dette er avgjørende for å evaluere avlingshelse, redusere miljøforurensning og fremme bærekraftig og presisjonslandbruk.»

Studien tar sikte på å bruke riktig mengde for best avling.Avlingens produksjon kan bli lavere enn den kan være dersom det brukes mer nitrogen.Når gjødsel påføres for mye, går det til spille, planter kan brenne, og giftige nitrogengasser slippes ut i miljøet.Bønder kan nå de ideelle nivåene av gjødsel for vekst av planter ved hjelp av nøyaktig deteksjon av nitrogennivå.

Medforfatter Li Yang, professor ved School of Artificial Intelligence ved Kinas Hebei University of Technology, sa:"Plantevekst påvirkes også av temperatur, som påvirker de fysiske, kjemiske og mikrobiologiske prosessene i jord.Kontinuerlig overvåking gjør det mulig for bøndene å utvikle strategier og intervensjoner når temperaturene er for varme eller for kalde for avlingene deres.»

I følge Cheng er det sjelden rapportert om sensormekanismer som kan oppnå nitrogengass og temperaturmålinger uavhengig av hverandre.Både gasser og temperatur kan forårsake variasjoner i sensorens motstandsavlesning, noe som gjør det vanskelig å skille mellom dem.

Chengs team laget en høyytelsessensor som kan oppdage nitrogentap uavhengig av jordtemperaturen.Sensoren er laget av vanadiumoksid-dopet, laserindusert grafenskum, og det har blitt oppdaget at doping av metallkomplekser i grafen forbedrer gassadsorpsjon og deteksjonsfølsomhet.

Fordi en myk membran beskytter sensoren og forhindrer nitrogengassgjennomtrengning, reagerer sensoren utelukkende på endringer i temperaturen.Sensoren kan også brukes uten innkapsling og ved høyere temperatur.

Dette muliggjør nøyaktig måling av nitrogengassen ved å ekskludere effekten av relativ fuktighet og jordtemperatur.Temperatur- og nitrogengass kan kobles helt og støyfri fra ved hjelp av de medfølgende og ikke-innkapslede sensorene.

Forskeren sa at frakobling av temperaturendringer og utslipp av nitrogengasser kan brukes til å lage og implementere multimodale enheter med avkoblede sensormekanismer for presisjonslandbruk i alle værforhold.

Cheng sa: "Muligheten til samtidig å oppdage ultralave nitrogenoksidkonsentrasjoner og små temperaturendringer baner vei for utviklingen av fremtidige multimodale elektroniske enheter med avkoblede sensormekanismer for presisjonslandbruk, helseovervåking og andre applikasjoner."

Chengs forskning ble finansiert av National Institutes of Health, National Science Foundation, Penn State og Chinese National Natural Science Foundation.