Nye jordsensorer kan forbedre effektiviteten af ​​gødskning af afgrøder

Gødning, der indeholder nitrogen, bruges til at øge fødevareproduktionen, men deres emissioner kan forurene miljøet.For at maksimere ressourceforbruget, øge landbrugets udbytte og sænke miljørisici er kontinuerlig og realtidsovervågning af jordens egenskaber, såsom jordtemperatur og gødningsemission, afgørende.En sensor med flere parametre er nødvendig for smart eller præcisionslandbrug for at spore NOX-gasemissioner og jordtemperatur for den bedste gødning.

James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics ved Penn State Huanyu "Larry" Cheng ledede udviklingen af ​​en multi-parameter sensor, der med succes adskiller temperatur- og nitrogensignaler for at muliggøre nøjagtig måling af hver.

Cheng sagde,”For en effektiv gødskning er der behov for kontinuerlig og realtidsovervågning af jordbundsforhold, specifikt kvælstofudnyttelse og jordtemperatur.Dette er afgørende for at evaluere afgrødes sundhed, reducere miljøforurening og fremme bæredygtigt og præcisionslandbrug."

Undersøgelsen sigter mod at anvende den passende mængde for det bedste afgrødeudbytte.Afgrødens produktion kan være lavere, end den kan være, hvis der bruges mere kvælstof.Når gødning tilføres for meget, går det til spilde, planter kan brænde, og giftige kvælstofdampe frigives til miljøet.Landmænd kan nå de ideelle niveauer af gødning til vækst af planter ved hjælp af nøjagtig detektion af nitrogenniveau.

Medforfatter Li Yang, professor ved School of Artificial Intelligence ved 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 indgreb, når temperaturerne er for varme eller for kolde til deres afgrøder."

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

Chengs team skabte en højtydende sensor, der kan registrere nitrogentab uafhængigt af jordtemperaturen.Sensoren er lavet af vanadiumoxid-doteret, laser-induceret grafenskum, og det er blevet opdaget, at doping af metalkomplekser i grafen forbedrer gasadsorption og detektionsfølsomhed.

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

Dette giver mulighed for nøjagtig måling af nitrogengassen ved at udelukke virkningerne af relativ fugtighed og jordtemperatur.Temperatur- og nitrogengas kan afkobles fuldstændigt og interferensfrit ved hjælp af de medfølgende og ikke-indkapslede sensorer.

Forskeren sagde, at afkobling af temperaturændringer og nitrogengasemissioner kunne bruges til at skabe og implementere multimodale enheder med afkoblede følemekanismer til præcisionslandbrug under alle vejrforhold.

Cheng sagde: "Evnen til 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 applikationer."

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