Uudet maaperäanturit voisivat parantaa satojen lannoitustehokkuutta

Typpilannoitteita käytetään ruoantuotannon lisäämiseen, mutta niiden päästöt voivat saastuttaa ympäristöä. Resurssien käytön maksimoimiseksi, maatalouden satojen nostamiseksi ja ympäristöriskien vähentämiseksi on välttämätöntä seurata maaperän ominaisuuksia, kuten maaperän lämpötilaa ja lannoitepäästöjä, jatkuvasti ja reaaliajassa. Älykkäässä tai täsmäviljelyssä tarvitaan moniparametrinen anturi NOX-kaasupäästöjen ja maaperän lämpötilan seuraamiseksi parhaan lannoituksen saavuttamiseksi.

James L. Henderson, Jr. Memorial, tekniikan ja mekaniikan apulaisprofessori Penn Staten yliopistossa, Huanyu ”Larry” Cheng johti moniparametrianturin kehitystä, joka erottaa onnistuneesti lämpötila- ja typpisignaalit, jotta kumpaakin voidaan mitata tarkasti.

Cheng sanoi,”Tehokkaan lannoituksen varmistamiseksi tarvitaan jatkuvaa ja reaaliaikaista maaperän olosuhteiden seurantaa, erityisesti typen hyväksikäyttöä ja maaperän lämpötilaa. Tämä on olennaista sadon terveyden arvioimiseksi, ympäristön saastumisen vähentämiseksi ja kestävän ja täsmäviljelyn edistämiseksi.”

Tutkimuksen tavoitteena on käyttää sopivaa määrää parhaan sadon saavuttamiseksi. Sadon tuotanto voi olla alhaisempi kuin jos typpeä käytetään enemmän. Kun lannoitetta käytetään liikaa, se menee hukkaan, kasvit voivat palaa ja myrkyllisiä typpihöyryjä vapautuu ympäristöön. Viljelijät voivat saavuttaa ihanteelliset lannoitetasot kasvien kasvulle tarkan typpipitoisuuden mittauksen avulla.

Yhteiskirjoittaja, Kiinan Hebein teknillisen yliopiston tekoälyn laitoksen professori Li Yang, sanoi:”Kasvien kasvuun vaikuttaa myös lämpötila, joka puolestaan vaikuttaa maaperän fysikaalisiin, kemiallisiin ja mikrobiologisiin prosesseihin. Jatkuva seuranta antaa viljelijöille mahdollisuuden kehittää strategioita ja toimenpiteitä, kun lämpötilat ovat liian korkeita tai liian kylmiä heidän viljelykasveilleen.”

Chengin mukaan harvoin raportoidaan anturimekanismeista, jotka pystyvät mittaamaan typpikaasua ja lämpötilaa toisistaan riippumatta. Sekä kaasut että lämpötila voivat aiheuttaa vaihteluita anturin resistanssilukemassa, mikä vaikeuttaa niiden erottamista toisistaan.

Chengin tiimi loi tehokkaan anturin, joka pystyy havaitsemaan typpihävikin maaperän lämpötilasta riippumatta. Anturi on valmistettu vanadiumoksidilla seostetusta, laserilla indusoidusta grafeenivaahdosta, ja on havaittu, että grafeeniin lisätyt metallikompleksit parantavat kaasun adsorptiota ja havaitsemisherkkyyttä.

Koska pehmeä kalvo suojaa anturia ja estää typpikaasun läpäisyn, anturi reagoi ainoastaan lämpötilan muutoksiin. Anturia voidaan käyttää myös ilman kapselointia ja korkeammassa lämpötilassa.

Tämä mahdollistaa typpikaasun tarkan mittauksen sulkemalla pois suhteellisen kosteuden ja maaperän lämpötilan vaikutukset. Lämpötila ja typpikaasu voidaan irrottaa kokonaan ja häiriöttömästi koteloitujen ja kapseloimattomien antureiden avulla.

Tutkijan mukaan lämpötilan muutosten ja typpikaasupäästöjen irtikytkentää voitaisiin käyttää sellaisten multimodaalisten laitteiden luomiseen ja toteuttamiseen, joissa on irrotetut tunnistusmekanismit täsmäviljelyä varten kaikissa sääolosuhteissa.

Cheng sanoi: ”Kyky havaita samanaikaisesti erittäin alhaiset typpioksidipitoisuudet ja pienet lämpötilan muutokset tasoittaa tietä tulevaisuuden multimodaalisten elektronisten laitteiden kehittämiselle, joissa on irrotetut tunnistusmekanismit täsmäviljelyyn, terveyden seurantaan ja muihin sovelluksiin.”

Chengin tutkimusta rahoittivat Yhdysvaltain kansalliset terveysinstituutit (NIH), Yhdysvaltain kansallinen tiedesäätiö (National Institutes of Health), Penn State ja Kiinan kansallinen luonnontieteellinen säätiö.