Neue Bodensensoren könnten die Effizienz der Pflanzendüngung verbessern

Stickstoffhaltige Düngemittel werden zur Steigerung der Nahrungsmittelproduktion eingesetzt, ihre Emissionen können jedoch die Umwelt belasten. Um Ressourcen optimal zu nutzen, landwirtschaftliche Erträge zu steigern und Umweltrisiken zu minimieren, ist die kontinuierliche und Echtzeit-Überwachung von Bodeneigenschaften wie Bodentemperatur und Düngemittelemissionen unerlässlich. Für eine intelligente oder präzise Landwirtschaft ist ein Multiparametersensor notwendig, um Stickoxidemissionen und Bodentemperatur zu erfassen und so eine optimale Düngung zu gewährleisten.

James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics at Penn State Huanyu “Larry” Cheng leitete die Entwicklung eines Multiparametersensors, der erfolgreich Temperatur- und Stickstoffsignale trennt, um eine genaue Messung beider zu ermöglichen.

Cheng sagte:„Für eine effiziente Düngung ist eine kontinuierliche und Echtzeit-Überwachung der Bodenbedingungen, insbesondere der Stickstoffnutzung und der Bodentemperatur, erforderlich. Dies ist unerlässlich für die Beurteilung der Pflanzengesundheit, die Reduzierung der Umweltbelastung und die Förderung einer nachhaltigen und präzisen Landwirtschaft.“

Ziel der Studie ist es, die optimale Stickstoffmenge für einen maximalen Ernteertrag zu ermitteln. Eine Überdüngung kann zu geringeren Erträgen führen. Wird zu viel Dünger verwendet, ist dieser verschwendet, die Pflanzen können verbrennen und giftige Stickstoffdämpfe gelangen in die Umwelt. Mithilfe präziser Stickstoffgehaltsmessungen können Landwirte die ideale Düngermenge für optimales Pflanzenwachstum erreichen.

Mitautor Li Yang, Professor an der Fakultät für Künstliche Intelligenz der Technischen Universität Hebei in China, sagte:„Das Pflanzenwachstum wird auch von der Temperatur beeinflusst, die wiederum die physikalischen, chemischen und mikrobiologischen Prozesse im Boden beeinflusst. Die kontinuierliche Überwachung ermöglicht es den Landwirten, Strategien und Maßnahmen zu entwickeln und einzugreifen, wenn die Temperaturen für ihre Nutzpflanzen zu hoch oder zu niedrig sind.“

Laut Cheng werden Sensormechanismen, die Stickstoffgas und Temperatur unabhängig voneinander messen können, selten beschrieben. Sowohl Gase als auch Temperatur können Schwankungen im Widerstandswert des Sensors verursachen, was eine Unterscheidung zwischen ihnen erschwert.

Chengs Team entwickelte einen Hochleistungssensor, der Stickstoffverluste unabhängig von der Bodentemperatur messen kann. Der Sensor besteht aus mit Vanadiumoxid dotiertem, laserinduziertem Graphenschaum. Es wurde festgestellt, dass die Dotierung von Graphen mit Metallkomplexen 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 Verkapselung und bei höheren Temperaturen eingesetzt werden.

Dies ermöglicht eine präzise Messung des Stickstoffgases, da die Einflüsse von relativer Luftfeuchtigkeit und Bodentemperatur ausgeschlossen werden. Temperatur und Stickstoffgas können mithilfe der geschlossenen und nicht gekapselten Sensoren vollständig und störungsfrei voneinander getrennt werden.

Der Forscher sagte, dass die Entkopplung von Temperaturänderungen und Stickstoffgasemissionen genutzt werden könnte, um multimodale Geräte mit entkoppelten Sensormechanismen für die Präzisionslandwirtschaft unter allen Wetterbedingungen zu entwickeln und einzusetzen.

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

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