Sensor tanah baharu boleh meningkatkan kecekapan pembajaan tanaman

Baja yang mengandungi nitrogen digunakan untuk meningkatkan pengeluaran makanan, tetapi pelepasannya mungkin mencemarkan alam sekitar. Untuk memaksimumkan penggunaan sumber, meningkatkan hasil pertanian dan mengurangkan risiko alam sekitar, pemantauan berterusan dan masa nyata terhadap sifat tanah, seperti suhu tanah dan pelepasan baja, adalah penting. Sensor berbilang parameter diperlukan untuk pertanian pintar atau jitu bagi menjejaki pelepasan gas NOX dan suhu tanah untuk persenyawaan terbaik.

Profesor Madya Sains dan Mekanik Kejuruteraan dan Mekanik Memorial James L. Henderson, Jr. di Penn State Huanyu “Larry” Cheng telah menerajui pembangunan sensor berbilang parameter yang berjaya memisahkan isyarat suhu dan nitrogen bagi membolehkan pengukuran yang tepat bagi setiap satu.

Cheng berkata,"Untuk pembajaan yang cekap, terdapat keperluan untuk pemantauan berterusan dan masa nyata terhadap keadaan tanah, khususnya penggunaan nitrogen dan suhu tanah. Ini penting untuk menilai kesihatan tanaman, mengurangkan pencemaran alam sekitar dan menggalakkan pertanian yang mampan dan tepat."

Kajian ini bertujuan untuk menggunakan kuantiti yang sesuai untuk hasil tanaman yang terbaik. Pengeluaran tanaman mungkin lebih rendah berbanding jika lebih banyak nitrogen digunakan. Apabila baja digunakan secara berlebihan, ia akan terbuang, tumbuhan boleh terbakar, dan asap nitrogen toksik dilepaskan ke alam sekitar. Petani boleh mencapai tahap baja yang ideal untuk pertumbuhan tumbuhan dengan bantuan pengesanan tahap nitrogen yang tepat.

Penulis bersama Li Yang, seorang profesor di Sekolah Kecerdasan Buatan di Universiti Teknologi Hebei China, berkata,"Pertumbuhan tumbuhan juga dipengaruhi oleh suhu, yang mempengaruhi proses fizikal, kimia dan mikrobiologi dalam tanah. Pemantauan berterusan membolehkan petani membangunkan strategi dan intervensi apabila suhu terlalu panas atau terlalu sejuk untuk tanaman mereka."

Menurut Cheng, mekanisme penderiaan yang boleh mendapatkan gas nitrogen dan ukuran suhu secara bebas antara satu sama lain jarang dilaporkan. Kedua-dua gas dan suhu boleh menyebabkan variasi dalam bacaan rintangan sensor, menjadikannya sukar untuk membezakan antara keduanya.

Pasukan Cheng telah mencipta sensor berprestasi tinggi yang boleh mengesan kehilangan nitrogen secara bebas daripada suhu tanah. Sensor ini diperbuat daripada buih grafena yang diaruh laser dan didop vanadium oksida, dan telah didapati bahawa pendopan kompleks logam dalam grafena meningkatkan penjerapan gas dan kepekaan pengesanan.

Oleh kerana membran lembut melindungi sensor dan menghalang penyerapan gas nitrogen, sensor bertindak balas sepenuhnya terhadap perubahan suhu. Sensor juga boleh digunakan tanpa enkapsulasi dan pada suhu yang lebih tinggi.

Ini membolehkan pengukuran gas nitrogen yang tepat dengan mengecualikan kesan kelembapan relatif dan suhu tanah. Suhu dan gas nitrogen boleh diasingkan sepenuhnya dan bebas gangguan menggunakan sensor yang tertutup dan tidak dienkapsulasi.

Penyelidik itu berkata penyahgandingan perubahan suhu dan pelepasan gas nitrogen boleh digunakan untuk mencipta dan melaksanakan peranti multimodal dengan mekanisme penderiaan yang diasingkan untuk pertanian jitu dalam semua keadaan cuaca.

Cheng berkata, “Keupayaan untuk mengesan kepekatan nitrogen oksida ultra rendah dan perubahan suhu kecil secara serentak membuka jalan untuk pembangunan peranti elektronik multimodal masa hadapan dengan mekanisme penderiaan terputus untuk pertanian jitu, pemantauan kesihatan dan aplikasi lain.”

Penyelidikan Cheng dibiayai oleh Institut Kesihatan Kebangsaan, Yayasan Sains Kebangsaan, Penn State, dan Yayasan Sains Semula Jadi Kebangsaan China.