Neue Bodensensoren könnten die Düngeeffizienz von Nutzpflanzen 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 Echtzeitüberwachung von Bodeneigenschaften wie Bodentemperatur und Düngemittelemissionen unerlässlich. Für die intelligente oder Präzisionslandwirtschaft ist ein Multiparametersensor erforderlich, um NOX-Emissionen und Bodentemperatur für eine optimale Düngung zu überwachen.

James L. Henderson, Jr. Memorial, außerordentlicher 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 Signale zu ermöglichen.

Cheng sagte:Für eine effiziente Düngung ist eine kontinuierliche und Echtzeitüberwachung der Bodenbedingungen, insbesondere der Stickstoffverwertung und der Bodentemperatur, erforderlich. Dies ist unerlässlich, um den Gesundheitszustand der Pflanzen zu beurteilen, die Umweltverschmutzung zu reduzieren und eine nachhaltige und präzise Landwirtschaft zu fördern.

Ziel der Studie ist es, die richtige Menge für optimale Ernteerträge einzusetzen. Der Ertrag kann geringer ausfallen als bei erhöhtem Stickstoffeinsatz. Übermäßiger Düngereinsatz führt zu Verschwendung, Pflanzen können verbrennen und giftige Stickstoffdämpfe in die Umwelt freisetzen. Mithilfe einer präzisen Stickstoffmessung können Landwirte die optimale Düngermenge 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 wiederum die physikalischen, chemischen und mikrobiologischen Prozesse im Boden beeinflusst. Durch kontinuierliche Überwachung können Landwirte Strategien und Maßnahmen entwickeln, wenn die Temperaturen für ihre Pflanzen zu heiß oder zu kalt sind.“

Laut Cheng gibt es kaum Berichte über Sensormechanismen, die Stickstoffgas und Temperatur unabhängig voneinander messen können. Sowohl Gase als auch Temperaturen können zu Abweichungen im Widerstandswert des Sensors führen, was eine Unterscheidung erschwert.

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

Dies ermöglicht eine genaue Messung des Stickstoffgases unter Ausschluss der Einflüsse der relativen Luftfeuchtigkeit und der Bodentemperatur. Temperatur und Stickstoffgas können durch die gekapselten und ungekapselten Sensoren vollständig und störungsfrei entkoppelt werden.

Der Forscher sagte, dass die Entkopplung von Temperaturänderungen und Stickstoffgasemissionen genutzt werden könnte, 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 die Präzisionslandwirtschaft, die Gesundheitsüberwachung und andere Anwendungen.“

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