Nieuwe bodemsensoren kunnen de efficiëntie van gewasbemesting verbeteren

Stikstofhoudende meststoffen worden gebruikt om de voedselproductie te verhogen, maar de uitstoot ervan kan het milieu vervuilen. Om het gebruik van hulpbronnen te maximaliseren, de landbouwopbrengsten te verhogen en milieurisico's te verlagen, is continue en realtime monitoring van bodemeigenschappen, zoals bodemtemperatuur en meststofuitstoot, essentieel. Een multiparametersensor is noodzakelijk voor slimme landbouw of precisielandbouw om de NOx-uitstoot en bodemtemperatuur te volgen voor optimale bemesting.

James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics aan Penn State Huanyu “Larry” Cheng leidde de ontwikkeling van een multi-parameter sensor die temperatuur- en stikstofsignalen succesvol scheidt om nauwkeurige meting van beide mogelijk te maken.

Cheng zei:Voor efficiënte bemesting is continue en realtime monitoring van de bodemcondities nodig, met name stikstofbenutting en bodemtemperatuur. Dit is essentieel voor het evalueren van de gewasgezondheid, het verminderen van milieuvervuiling en het bevorderen van duurzame en precisielandbouw.

Het onderzoek is gericht op het gebruik van de juiste hoeveelheid meststof voor de beste gewasopbrengst. De opbrengst van het gewas kan lager uitvallen dan bij gebruik van meer stikstof. Wanneer er te veel meststof wordt gebruikt, gaat het verloren, kunnen planten verbranden en komen er giftige stikstofdampen in het milieu terecht. Boeren kunnen de ideale hoeveelheid meststof voor de plantengroei bereiken met behulp van nauwkeurige stikstofniveaubepaling.

Medeauteur Li Yang, hoogleraar aan de School of Artificial Intelligence van de Chinese Hebei University of Technology, zei:De plantengroei wordt ook beïnvloed door de temperatuur, die de fysieke, chemische en microbiologische processen in de bodem beïnvloedt. Continue monitoring stelt boeren in staat strategieën en interventies te ontwikkelen wanneer de temperaturen te hoog of te laag zijn voor hun gewassen.

Volgens Cheng worden er zelden sensormechanismen gerapporteerd die onafhankelijk van elkaar stikstofgas- en temperatuurmetingen kunnen uitvoeren. Zowel gassen als temperatuur kunnen variaties in de weerstandsmeting van de sensor veroorzaken, waardoor het moeilijk is om ze van elkaar te onderscheiden.

Chengs team ontwikkelde een hoogwaardige sensor die stikstofverlies kan detecteren, onafhankelijk van de bodemtemperatuur. De sensor is gemaakt van met vanadiumoxide gedoteerd, lasergeïnduceerd grafeenschuim, en er is ontdekt dat het doteren van metaalcomplexen in grafeen de gasadsorptie en detectiegevoeligheid verbetert.

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 stikstofgas mogelijk door de effecten van relatieve vochtigheid en bodemtemperatuur uit te sluiten. Temperatuur en stikstofgas kunnen volledig en storingsvrij worden ontkoppeld met behulp van de meegeleverde en niet-ingekapselde sensoren.

Volgens de onderzoeker kan het ontkoppelen van temperatuurveranderingen en stikstofgasemissies worden gebruikt om multimodale apparaten te ontwikkelen en te implementeren met ontkoppelde sensormechanismen voor precisielandbouw onder alle weersomstandigheden.

Cheng zei: "Het vermogen om gelijktijdig extreem lage stikstofoxideconcentraties en kleine temperatuurveranderingen te detecteren, maakt de weg vrij voor de ontwikkeling van toekomstige multimodale elektronische apparaten met ontkoppelde sensormechanismen 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.