Nye jordsensorer kan forbedre effektiviteten af afgrødegødskning

Gødning, der indeholder nitrogen, bruges til at øge fødevareproduktionen, men dens udledning kan forurene miljøet. For at maksimere ressourceudnyttelsen, øge landbrugsudbyttet og mindske miljørisici er kontinuerlig og realtidsovervågning af jordegenskaber, såsom jordtemperatur og gødningsemission, afgørende. En multiparametersensor er nødvendig for intelligent eller præcisionslandbrug for at spore NOX-gasemissioner og jordtemperatur for at opnå den bedste gødskning.

James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor i ingeniørvidenskab og mekanik ved Penn State. Huanyu “Larry” Cheng ledte udviklingen af en multiparametersensor, der med succes adskiller temperatur- og nitrogensignaler for at muliggøre nøjagtig måling af hver enkelt.

Cheng sagde,"For effektiv gødskning er der behov for kontinuerlig og realtidsovervågning af jordforholdene, især kvælstofudnyttelse og jordtemperatur. Dette er afgørende for at evaluere afgrødernes sundhed, reducere miljøforurening og fremme bæredygtigt og præcisionslandbrug."

Undersøgelsen sigter mod at anvende den passende mængde for at opnå det bedste afgrødeudbytte. Afgrødens produktion kan være lavere, end den kan være, hvis der anvendes mere kvælstof. Når der anvendes for meget gødning, går den til spilde, planterne kan forbrændes, og giftige kvælstofdampe frigives til miljøet. Landmænd kan nå de ideelle gødningsniveauer for planters vækst ved hjælp af præcis kvælstofniveaumåling.

Medforfatter Li Yang, professor ved School of Artificial Intelligence på Kinas Hebei University of Technology, sagde:"Plantevækst påvirkes også af temperatur, som påvirker de fysiske, kemiske og mikrobiologiske processer i jorden. Kontinuerlig overvågning gør det muligt for landmænd at udvikle strategier og interventioner, når temperaturerne er for varme eller for kolde til deres afgrøder."

Ifølge Cheng rapporteres der sjældent om sensormekanismer, der kan opnå målinger af nitrogengas og temperatur uafhængigt af hinanden. Både gasser og temperatur kan forårsage variationer i sensorens modstandsaflæsning, hvilket gør det vanskeligt at skelne mellem dem.

Chengs team har skabt en højtydende sensor, der kan detektere nitrogentab uafhængigt af jordtemperaturen. Sensoren er lavet af vanadiumoxid-dopet, laserinduceret grafenskum, og det er blevet opdaget, at dotering af metalkomplekser i grafen forbedrer gasadsorption og detektionsfølsomhed.

Fordi en blød membran beskytter sensoren og forhindrer nitrogengasgennemtrængning, reagerer sensoren udelukkende på temperaturændringer. Sensoren kan også bruges uden indkapsling og ved en højere temperatur.

Dette muliggør nøjagtig måling af nitrogengassen ved at udelukke virkningerne af relativ luftfugtighed og jordtemperatur. Temperatur og nitrogengas kan adskilles fuldstændigt og interferensfrit ved hjælp af de medfølgende og ikke-medfølgende sensorer.

Forskeren sagde, at afkoblingen af temperaturændringer og kvælstofgasemissioner kunne bruges til at skabe og implementere multimodale enheder med afkoblede sensormekanismer til præcisionslandbrug under alle vejrforhold.

Cheng sagde: "Muligheden for samtidig at detektere ultralave nitrogenoxidkoncentrationer og små temperaturændringer baner vejen for udviklingen af fremtidige multimodale elektroniske enheder med afkoblede sensormekanismer til præcisionslandbrug, sundhedsovervågning og andre anvendelser."

Chengs forskning blev finansieret af National Institutes of Health, National Science Foundation, Penn State og Chinese National Natural Science Foundation.