Neue Bodensensoren könnten die Effizienz der Pflanzendüngung verbessern

Stickstoffhaltige Düngemittel werden zur Steigerung der Nahrungsmittelproduktion eingesetzt, ihre Emissionen können jedoch die Umwelt belasten.Um die Ressourcennutzung zu maximieren, landwirtschaftliche Erträge zu steigern und Umweltrisiken zu senken, ist eine kontinuierliche und Echtzeitüberwachung der Bodeneigenschaften, wie z. B. Bodentemperatur und Düngemittelemissionen, unerlässlich.Für eine intelligente oder Präzisionslandwirtschaft ist ein Multiparameter-Sensor erforderlich, um die NOX-Gasemissionen und die Bodentemperatur für die beste Düngung zu verfolgen.

James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik an der Penn State Huanyu „Larry“ Cheng leitete die Entwicklung eines Multiparametersensors, der Temperatur- und Stickstoffsignale erfolgreich trennt, um eine genaue Messung beider zu ermöglichen.

Cheng sagte:„Für eine effiziente Düngung ist eine kontinuierliche und Echtzeitüberwachung der Bodenbedingungen erforderlich, insbesondere der Stickstoffnutzung und der Bodentemperatur.Dies ist von entscheidender Bedeutung für die Bewertung der Pflanzengesundheit, die Reduzierung der Umweltverschmutzung und die Förderung einer nachhaltigen und präzisen Landwirtschaft.“

Ziel der Studie ist es, die richtige Menge für den besten Ernteertrag einzusetzen.Die Ernteerträge können geringer ausfallen, als wenn mehr Stickstoff verwendet wird.Wenn übermäßig viel Dünger ausgebracht wird, wird dieser verschwendet, Pflanzen können verbrennen und giftige Stickstoffdämpfe werden in die Umwelt freigesetzt.Mithilfe der genauen Stickstoffgehaltserkennung können Landwirte den idealen Düngergehalt für das Pflanzenwachstum erreichen.

Co-Autor Li Yang, Professor an der School of Artificial Intelligence der chinesischen Hebei University of Technology, sagte:„Das Pflanzenwachstum wird auch von der Temperatur beeinflusst, die die physikalischen, chemischen und mikrobiologischen Prozesse im Boden beeinflusst.Durch die kontinuierliche Überwachung können Landwirte Strategien und Interventionen entwickeln, wenn die Temperaturen für ihre Pflanzen zu heiß oder zu kalt sind.“

Laut Cheng wird selten über Sensormechanismen berichtet, die unabhängig voneinander Stickstoffgas- und Temperaturmessungen durchführen können.Sowohl Gase als auch die Temperatur können zu Schwankungen im Widerstandswert des Sensors führen, was die Unterscheidung erschwert.

Chengs Team hat einen Hochleistungssensor entwickelt, der Stickstoffverluste unabhängig von der Bodentemperatur erkennen kann.Der Sensor besteht aus mit Vanadiumoxid dotiertem, laserinduziertem Graphenschaum, und es wurde entdeckt, dass die Dotierung von Metallkomplexen in Graphen die Gasadsorption und die Nachweisempfindlichkeit verbessert.

Da eine weiche Membran den Sensor schützt und das Eindringen von Stickstoffgas verhindert, reagiert der Sensor ausschließlich auf Temperaturänderungen.Der Sensor kann auch ohne Kapselung und bei höherer Temperatur eingesetzt werden.

Dies ermöglicht eine genaue Messung des Stickstoffgases, indem die Auswirkungen der relativen Luftfeuchtigkeit und der Bodentemperatur ausgeschlossen werden.Durch die gekapselten und ungekapselten Sensoren können Temperatur und Stickstoffgas vollständig und störungsfrei entkoppelt werden.

Der Forscher sagte, die Entkopplung von Temperaturänderungen und Stickstoffgasemissionen könne genutzt werden, um multimodale Geräte mit entkoppelten Sensormechanismen für die Präzisionslandwirtschaft bei allen Wetterbedingungen zu entwickeln und zu implementieren.

Cheng sagte: „Die Fähigkeit, gleichzeitig extrem niedrige Stickoxidkonzentrationen und kleine Temperaturänderungen zu erkennen, ebnet den Weg für die Entwicklung zukünftiger multimodaler elektronischer Geräte mit entkoppelten Sensormechanismen für Präzisionslandwirtschaft, Gesundheitsüberwachung und andere Anwendungen.“

Chengs Forschung wurde von den National Institutes of Health, der National Science Foundation, der Penn State und der Chinese National Natural Science Foundation finanziert.