حسگرهای جدید خاک می‌توانند راندمان کوددهی محصولات کشاورزی را بهبود بخشند

کودهای حاوی نیتروژن برای افزایش تولید مواد غذایی استفاده می‌شوند، اما انتشار آنها ممکن است محیط زیست را آلوده کند. برای به حداکثر رساندن استفاده از منابع، افزایش بازده کشاورزی و کاهش خطرات زیست‌محیطی، نظارت مداوم و بلادرنگ بر خواص خاک، مانند دمای خاک و انتشار کود، ضروری است. یک حسگر چند پارامتری برای کشاورزی هوشمند یا دقیق ضروری است تا انتشار گازهای NOX و دمای خاک را برای بهترین کوددهی ردیابی کند.

جیمز ال. هندرسون، دانشیار یادبود جونیور علوم مهندسی و مکانیک در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، هوانیو "لری" چنگ، رهبری توسعه یک حسگر چند پارامتری را بر عهده داشت که با موفقیت سیگنال‌های دما و نیتروژن را از هم جدا می‌کند تا امکان اندازه‌گیری دقیق هر یک را فراهم کند.

چنگ گفت،«برای کوددهی کارآمد، نیاز به نظارت مداوم و بلادرنگ بر شرایط خاک، به ویژه میزان مصرف نیتروژن و دمای خاک وجود دارد. این امر برای ارزیابی سلامت محصول، کاهش آلودگی محیط زیست و ترویج کشاورزی پایدار و دقیق ضروری است.»

هدف این مطالعه، استفاده از مقدار مناسب برای بهترین عملکرد محصول است. تولید محصول ممکن است کمتر از زمانی باشد که نیتروژن بیشتری استفاده شود. وقتی کود بیش از حد استفاده شود، هدر می‌رود، گیاهان می‌توانند بسوزند و بخارات سمی نیتروژن در محیط زیست آزاد می‌شوند. کشاورزان می‌توانند با کمک تشخیص دقیق سطح نیتروژن، به سطوح ایده‌آل کود برای رشد گیاهان برسند.

لی یانگ، استاد دانشکده هوش مصنوعی در دانشگاه فناوری هبی چین و از نویسندگان این مقاله، گفت:«رشد گیاه همچنین تحت تأثیر دما قرار می‌گیرد که بر فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی و میکروبیولوژیکی خاک تأثیر می‌گذارد. نظارت مداوم به کشاورزان این امکان را می‌دهد که وقتی دما برای محصولاتشان خیلی گرم یا خیلی سرد است، استراتژی‌ها و مداخلاتی را توسعه دهند.»

به گفته چنگ، مکانیسم‌های حسگری که بتوانند اندازه‌گیری‌های گاز نیتروژن و دما را مستقل از یکدیگر انجام دهند، به ندرت گزارش شده‌اند. هم گازها و هم دما می‌توانند باعث ایجاد تغییراتی در قرائت مقاومت حسگر شوند و تشخیص بین آنها را دشوار کنند.

تیم چنگ یک حسگر با کارایی بالا ایجاد کرد که می‌تواند اتلاف نیتروژن را مستقل از دمای خاک تشخیص دهد. این حسگر از فوم گرافن القا شده با لیزر و آلاییده شده با اکسید وانادیوم ساخته شده است و کشف شده است که کمپلکس‌های فلزی آلاییده شده در گرافن، جذب گاز و حساسیت تشخیص را بهبود می‌بخشند.

از آنجا که یک غشای نرم از حسگر محافظت می‌کند و از نفوذ گاز نیتروژن جلوگیری می‌کند، حسگر منحصراً به تغییرات دما واکنش نشان می‌دهد. این حسگر همچنین می‌تواند بدون کپسوله‌سازی و در دمای بالاتر مورد استفاده قرار گیرد.

این امر امکان اندازه‌گیری دقیق گاز نیتروژن را با حذف اثرات رطوبت نسبی و دمای خاک فراهم می‌کند. دما و گاز نیتروژن می‌توانند با استفاده از حسگرهای محصور و بدون کپسول، کاملاً و بدون تداخل از هم جدا شوند.

این محقق گفت که جداسازی تغییرات دما و انتشار گاز نیتروژن می‌تواند برای ایجاد و پیاده‌سازی دستگاه‌های چندوجهی با مکانیسم‌های حسگری مجزا برای کشاورزی دقیق در تمام شرایط آب و هوایی مورد استفاده قرار گیرد.

چنگ گفت: «قابلیت تشخیص همزمان غلظت‌های بسیار پایین اکسید نیتروژن و تغییرات دمایی اندک، راه را برای توسعه دستگاه‌های الکترونیکی چندوجهی آینده با مکانیسم‌های حسگری مستقل برای کشاورزی دقیق، نظارت بر سلامت و سایر کاربردها هموار می‌کند.»

تحقیقات چنگ توسط مؤسسات ملی بهداشت، بنیاد ملی علوم، دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا و بنیاد ملی علوم طبیعی چین تأمین مالی شده است.