Els nous sensors de sòl podrien millorar l'eficiència de la fertilització dels cultius

Els fertilitzants que contenen nitrogen s'utilitzen per augmentar la producció d'aliments, però les seves emissions poden contaminar el medi ambient. Per maximitzar l'ús dels recursos, augmentar el rendiment agrícola i reduir els riscos ambientals, és essencial el seguiment continu i en temps real de les propietats del sòl, com ara la temperatura del sòl i l'emissió de fertilitzants. Un sensor multiparàmetre és necessari per a l'agricultura intel·ligent o de precisió per fer un seguiment de les emissions de gasos NOX i la temperatura del sòl per obtenir la millor fertilització.

James L. Henderson, Jr., professor associat de Ciències de l'Enginyeria i Mecànica a Penn State, Huanyu "Larry" Cheng, va liderar el desenvolupament d'un sensor multiparàmetre que separa amb èxit els senyals de temperatura i nitrogen per permetre una mesura precisa de cadascun.

Cheng va dir,«Per a una fertilització eficient, cal un seguiment continu i en temps real de les condicions del sòl, en concret de l'ús del nitrogen i la temperatura del sòl. Això és essencial per avaluar la salut dels cultius, reduir la contaminació ambiental i promoure una agricultura sostenible i de precisió.»

L'estudi té com a objectiu utilitzar la quantitat adequada per obtenir el millor rendiment del cultiu. La producció del cultiu pot ser inferior a la que podria ser si s'utilitza més nitrogen. Quan s'aplica un fertilitzant en excés, es malgasta, les plantes es poden cremar i s'alliberen fums tòxics de nitrogen al medi ambient. Els agricultors poden assolir els nivells ideals de fertilitzant per al creixement de les plantes amb l'ajuda d'una detecció precisa del nivell de nitrogen.

El coautor Li Yang, professor de l'Escola d'Intel·ligència Artificial de la Universitat Tecnològica de Hebei de la Xina, va dir:«El creixement de les plantes també es veu afectat per la temperatura, que influeix en els processos físics, químics i microbiològics del sòl. El seguiment continu permet als agricultors desenvolupar estratègies i intervencions quan les temperatures són massa altes o massa fredes per als seus cultius.»

Segons Cheng, rarament es reporten mecanismes de detecció que puguin obtenir mesures de nitrogen gasós i temperatura independentment entre si. Tant els gasos com la temperatura poden causar variacions en la lectura de resistència del sensor, cosa que dificulta la distinció entre ells.

L'equip de Cheng va crear un sensor d'alt rendiment que pot detectar la pèrdua de nitrogen independentment de la temperatura del sòl. El sensor està fet d'escuma de grafè induïda per làser i dopada amb òxid de vanadi, i s'ha descobert que els complexos metàl·lics dopants del grafè milloren l'adsorció de gasos i la sensibilitat de detecció.

Com que una membrana tova protegeix el sensor i evita la permeació del nitrogen, el sensor només reacciona als canvis de temperatura. El sensor també es pot utilitzar sense encapsular i a una temperatura més alta.

Això permet una mesura precisa del nitrogen gasós excloent els efectes de la humitat relativa i la temperatura del sòl. La temperatura i el nitrogen gasós es poden desacoblar completament i sense interferències mitjançant els sensors inclosos i no encapsulats.

L'investigador va dir que el desacoblament dels canvis de temperatura i les emissions de gas nitrogenat es podria utilitzar per crear i implementar dispositius multimodals amb mecanismes de detecció desacoblats per a l'agricultura de precisió en totes les condicions meteorològiques.

Cheng va dir: "La capacitat de detectar simultàniament concentracions ultrabaixes d'òxid de nitrogen i petits canvis de temperatura obre el camí al desenvolupament de futurs dispositius electrònics multimodals amb mecanismes de detecció desacoblats per a l'agricultura de precisió, la monitorització de la salut i altres aplicacions".

La recerca de Cheng va ser finançada pels Instituts Nacionals de Salut, la Fundació Nacional de Ciències, Penn State i la Fundació Nacional de Ciències Naturals de la Xina.