Новите почвени сензори биха могли да подобрят ефективността на торенето на културите

Торове, съдържащи азот, се използват за увеличаване на производството на храни, но техните емисии могат да замърсят околната среда. За максимално използване на ресурсите, повишаване на селскостопанските добиви и намаляване на екологичните рискове е от съществено значение непрекъснатото наблюдение в реално време на свойствата на почвата, като например температурата на почвата и емисиите на торове. За интелигентно или прецизно земеделие е необходим многопараметричен сензор, който да проследява емисиите на NOX газове и температурата на почвата за най-добро торене.

Джеймс Л. Хендерсън-младши, доцент по инженерни науки и механика в Penn State, ръководи разработването на многопараметричен сензор, който успешно разделя температурните и азотните сигнали, за да позволи точно измерване на всеки от тях.

Ченг каза,„За ефикасно торене е необходимо непрекъснато наблюдение в реално време на почвените условия, по-специално на усвояването на азот и температурата на почвата. Това е от съществено значение за оценка на здравето на културите, намаляване на замърсяването на околната среда и насърчаване на устойчиво и прецизно земеделие.“

Проучването има за цел да използва подходящото количество за най-добър добив. Производството на реколтата може да е по-ниско, отколкото ако се използва повече азот. Когато торът се прилага прекомерно, той се разхищава, растенията могат да изгорят и в околната среда се отделят токсични азотни изпарения. Земеделските производители могат да достигнат идеалните нива на тор за растежа на растенията с помощта на точното откриване на нивото на азот.

Съавторът Ли Ян, професор в Училището по изкуствен интелект в Китайския технологичен университет Хебей, каза:„Растежът на растенията се влияе и от температурата, която влияе на физичните, химичните и микробиологичните процеси в почвата. Непрекъснатото наблюдение позволява на земеделските производители да разработват стратегии и интервенции, когато температурите са твърде високи или твърде ниски за техните култури.“

Според Ченг, рядко се съобщава за сензорни механизми, които могат да получават измервания на азотен газ и температура независимо един от друг. Както газовете, така и температурата могат да причинят вариации в показанията на съпротивлението на сензора, което затруднява разграничаването им.

Екипът на Ченг създаде високопроизводителен сензор, който може да открива загуба на азот независимо от температурата на почвата. Сензорът е изработен от лазерно индуцирана графенова пяна, легирана с ванадиев оксид, и е установено, че легиращите метални комплекси в графена подобряват адсорбцията на газ и чувствителността на откриване.

Тъй като мека мембрана предпазва сензора и предотвратява проникването на азотен газ, той реагира единствено на промени в температурата. Сензорът може да се използва и без капсулиране и при по-висока температура.

Това позволява точно измерване на азотния газ, като се изключват ефектите от относителната влажност и температурата на почвата. Температурата и азотният газ могат да бъдат напълно и без смущения отделени, използвайки вградените и некапсулирани сензори.

Изследователят каза, че разделянето на температурните промени и емисиите на азотен газ може да се използва за създаване и внедряване на мултимодални устройства с отделени сензорни механизми за прецизно земеделие при всякакви метеорологични условия.

Ченг каза: „Способността за едновременно откриване на ултраниски концентрации на азотен оксид и малки температурни промени проправя пътя за разработването на бъдещи мултимодални електронни устройства с отделени сензорни механизми за прецизно земеделие, мониторинг на здравето и други приложения.“

Изследването на Ченг е финансирано от Националните здравни институти, Националната научна фондация, Penn State и Китайската национална фондация за природни науки.