Nya jordsensorer kan förbättra gödslingseffektiviteten

Gödsel som innehåller kväve används för att öka livsmedelsproduktionen, men deras utsläpp kan förorena miljön.För att maximera resursanvändningen, höja jordbrukets avkastning och sänka miljörisker är kontinuerlig och realtidsövervakning av markegenskaper, såsom marktemperatur och utsläpp av gödningsmedel, avgörande.En sensor med flera parametrar är nödvändig för smart eller precisionsjordbruk för att spåra NOX-gasutsläpp och marktemperatur för bästa gödsling.

James L. Henderson, Jr. Memorial Docent i ingenjörsvetenskap och mekanik vid Penn State Huanyu "Larry" Cheng ledde utvecklingen av en sensor med flera parametrar som framgångsrikt separerar temperatur- och kvävesignaler för att möjliggöra noggrann mätning av var och en.

Cheng sa,”För effektiv gödsling behövs kontinuerlig och realtidsövervakning av markförhållandena, speciellt kväveutnyttjande och marktemperatur.Detta är viktigt för att utvärdera grödors hälsa, minska miljöföroreningarna och främja hållbart och precisionsjordbruk."

Studien syftar till att använda lämplig kvantitet för bästa skörd.Grödans produktion kan bli lägre än den kan bli om mer kväve används.När gödselmedel appliceras för mycket går det till spillo, växter kan brinna och giftiga kväveångor släpps ut i miljön.Jordbrukare kan nå de idealiska nivåerna av gödningsmedel för tillväxt av växter med hjälp av noggrann detektering av kvävenivåer.

Medförfattaren Li Yang, professor vid School of Artificiell Intelligens vid Kinas Hebei University of Technology, sa:"Växttillväxt påverkas också av temperatur, vilket påverkar de fysiska, kemiska och mikrobiologiska processerna i marken.Kontinuerlig övervakning gör det möjligt för jordbrukare att utveckla strategier och insatser när temperaturen är för varm eller för kall för deras grödor.”

Enligt Cheng rapporteras sällan avkänningsmekanismer som kan erhålla kvävgas och temperaturmätningar oberoende av varandra.Både gaser och temperatur kan orsaka variationer i sensorns motståndsavläsning, vilket gör det svårt att skilja mellan dem.

Chengs team skapade en högpresterande sensor som kan upptäcka kväveförlust oberoende av marktemperaturen.Sensorn är gjord av vanadinoxiddopat, laserinducerat grafenskum, och man har upptäckt att dopning av metallkomplex i grafen förbättrar gasadsorption och detektionskänslighet.

Eftersom ett mjukt membran skyddar sensorn och förhindrar genomträngning av kvävgas, reagerar sensorn enbart på temperaturförändringar.Givaren kan även användas utan inkapsling och vid högre temperatur.

Detta möjliggör noggrann mätning av kvävgasen genom att utesluta effekterna av relativ fuktighet och marktemperatur.Temperatur- och kvävgas kan frikopplas helt och störningsfritt med hjälp av de medföljande och oinkapslade sensorerna.

Forskaren sa att frikoppling av temperaturförändringar och kvävgasutsläpp skulle kunna användas för att skapa och implementera multimodala enheter med frikopplade avkänningsmekanismer för precisionsjordbruk i alla väderförhållanden.

Cheng sa: "Förmågan att samtidigt upptäcka ultralåga kväveoxidkoncentrationer och små temperaturförändringar banar väg för utvecklingen av framtida multimodala elektroniska enheter med frikopplade avkänningsmekanismer för precisionsjordbruk, hälsoövervakning och andra tillämpningar."

Chengs forskning finansierades av National Institutes of Health, National Science Foundation, Penn State och Chinese National Natural Science Foundation.