Nieuwe bodemsensoren kunnen de efficiëntie van de gewasbemesting verbeteren

Meststoffen die stikstof bevatten worden gebruikt om de voedselproductie te verhogen, maar de uitstoot ervan kan het milieu vervuilen.Voor het maximaliseren van het gebruik van hulpbronnen, het verhogen van de landbouwopbrengsten en het verlagen van milieurisico's is continue en realtime monitoring van bodemeigenschappen, zoals bodemtemperatuur en kunstmestuitstoot, essentieel.Voor slimme of precisielandbouw is een multiparametersensor nodig om de NOX-gasemissies en de bodemtemperatuur te volgen voor de beste bemesting.

James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics aan Penn State Huanyu “Larry” Cheng leidde de ontwikkeling van een multiparametersensor die met succes temperatuur- en stikstofsignalen scheidt om een ​​nauwkeurige meting van elk mogelijk te maken.

Cheng zei:“Voor een efficiënte bemesting is er behoefte aan continue en realtime monitoring van de bodemgesteldheid, met name het stikstofgebruik en de bodemtemperatuur.Dit is essentieel voor het evalueren van de gezondheid van gewassen, het verminderen van milieuvervuiling en het bevorderen van duurzame precisielandbouw.”

Het onderzoek heeft tot doel de juiste hoeveelheid te gebruiken voor de beste gewasopbrengst.De productie van het gewas kan lager zijn dan bij gebruik van meer stikstof.Als er te veel kunstmest wordt toegepast, gaat het verloren, kunnen planten verbranden en komen giftige stikstofdampen in het milieu terecht.Boeren kunnen de ideale hoeveelheid kunstmest voor de groei van planten bereiken met behulp van nauwkeurige detectie van het stikstofniveau.

Co-auteur Li Yang, een professor aan de School of Artificial Intelligence aan de Chinese Hebei University of Technology, zei:“Plantengroei wordt ook beïnvloed door de temperatuur, die de fysische, chemische en microbiologische processen in de bodem beïnvloedt.Door voortdurende monitoring kunnen boeren strategieën en interventies ontwikkelen als de temperatuur te hoog of te koud is voor hun gewassen.”

Volgens Cheng worden er zelden melding gemaakt van detectiemechanismen die onafhankelijk van elkaar stikstofgas- en temperatuurmetingen kunnen verkrijgen.Zowel gassen als temperatuur kunnen variaties in de weerstandsmeting van de sensor veroorzaken, waardoor het moeilijk wordt om ze van elkaar te onderscheiden.

Het team van Cheng creëerde een krachtige sensor die stikstofverlies onafhankelijk van de bodemtemperatuur kan detecteren.De sensor is gemaakt van met vanadiumoxide gedoteerd, lasergeïnduceerd grafeenschuim en er is ontdekt dat doteringsmetaalcomplexen in grafeen de gasadsorptie en detectiegevoeligheid verbeteren.

Omdat een zacht membraan de sensor beschermt en het binnendringen van stikstofgas voorkomt, reageert de sensor uitsluitend op temperatuurveranderingen.De sensor kan ook zonder inkapseling en bij een hogere temperatuur worden gebruikt.

Dit maakt een nauwkeurige meting van het stikstofgas mogelijk door de effecten van relatieve vochtigheid en bodemtemperatuur uit te sluiten.Met behulp van de meegeleverde en niet-ingekapselde sensoren kunnen temperatuur en stikstofgas geheel en storingsvrij worden ontkoppeld.

De onderzoeker zei dat het ontkoppelen van temperatuurveranderingen en stikstofgasemissies kan worden gebruikt om multimodale apparaten met ontkoppelde detectiemechanismen te creëren en te implementeren voor precisielandbouw onder alle weersomstandigheden.

Cheng zei: “Het vermogen om tegelijkertijd ultralage stikstofoxideconcentraties en kleine temperatuurveranderingen te detecteren, maakt de weg vrij voor de ontwikkeling van toekomstige multimodale elektronische apparaten met ontkoppelde detectiemechanismen voor precisielandbouw, gezondheidsmonitoring en andere toepassingen.”

Chengs onderzoek werd gefinancierd door de National Institutes of Health, de National Science Foundation, Penn State en de Chinese National Natural Science Foundation.