أجهزة استشعار التربة الجديدة قد تعمل على تحسين كفاءة تسميد المحاصيل

تُستخدم الأسمدة المحتوية على النيتروجين لزيادة إنتاج الغذاء، إلا أن انبعاثاتها قد تُلوث البيئة. لتحقيق أقصى استفادة من الموارد، وزيادة الغلات الزراعية، وتقليل المخاطر البيئية، يُعدّ الرصد المستمر واللحظي لخصائص التربة، مثل درجة حرارتها وانبعاثات الأسمدة، أمرًا بالغ الأهمية. ويُعدُّ وجود مستشعر متعدد المعايير ضروريًا للزراعة الذكية أو الدقيقة لتتبع انبعاثات غازات أكاسيد النيتروجين ودرجة حرارة التربة لضمان أفضل تسميد.

قاد هوانيو "لاري" تشنغ تطوير مستشعر متعدد المعلمات يفصل بنجاح بين إشارات درجة الحرارة والنيتروجين للسماح بقياس دقيق لكل منهما.

وقال تشنغ،لضمان فعالية التسميد، لا بد من مراقبة حالة التربة باستمرار وبشكل آني، وخاصةً استخدام النيتروجين ودرجة حرارتها. وهذا ضروري لتقييم صحة المحاصيل، والحد من التلوث البيئي، وتعزيز الزراعة المستدامة والدقيقة.

تهدف الدراسة إلى استخدام الكمية المناسبة لتحقيق أفضل إنتاجية للمحصول. قد يكون إنتاج المحصول أقل مما هو عليه في حال استخدام كمية أكبر من النيتروجين. عند الإفراط في استخدام الأسمدة، يُهدر السماد، وقد تحترق النباتات، وتنطلق أبخرة النيتروجين السامة في البيئة. يمكن للمزارعين الوصول إلى المستويات المثالية من الأسمدة لنمو النباتات بمساعدة الكشف الدقيق عن مستويات النيتروجين.

قال المؤلف المشارك لي يانغ، أستاذ في كلية الذكاء الاصطناعي بجامعة خبي للتكنولوجيا في الصين،يتأثر نمو النبات أيضًا بدرجة الحرارة، التي تؤثر بدورها على العمليات الفيزيائية والكيميائية والميكروبيولوجية في التربة. تُمكّن المراقبة المستمرة المزارعين من وضع استراتيجيات وتدخلات عندما تكون درجات الحرارة مرتفعة جدًا أو منخفضة جدًا بالنسبة لمحاصيلهم.

وفقًا لتشنغ، نادرًا ما يُبلّغ عن آليات استشعار قادرة على الحصول على قياسات غاز النيتروجين ودرجة الحرارة بشكل مستقل. قد يُسبب كلٌّ من الغازات ودرجة الحرارة اختلافات في قراءة مقاومة المستشعر، مما يُصعّب التمييز بينهما.

ابتكر فريق تشنغ مستشعرًا عالي الأداء يمكنه اكتشاف فقدان النيتروجين بغض النظر عن درجة حرارة التربة. صُنع المستشعر من رغوة الجرافين المُشَوَّبة بأكسيد الفاناديوم والمُستحثة بالليزر، وقد اكتُشِف أن مُركَّبات المعادن المُشَوَّبة في الجرافين تُحسِّن امتصاص الغازات وحساسية الكشف.

لأن الغشاء الناعم يحمي المستشعر ويمنع نفاذ غاز النيتروجين، فإنه يتفاعل فقط مع تغيرات درجة الحرارة. كما يمكن استخدامه بدون تغليف وفي درجات حرارة أعلى.

يتيح هذا قياسًا دقيقًا لغاز النيتروجين باستبعاد تأثيرات الرطوبة النسبية ودرجة حرارة التربة. ويمكن فصل درجة الحرارة وغاز النيتروجين تمامًا ودون أي تداخل باستخدام أجهزة استشعار مغلقة وغير مغلفة.

وقال الباحث إن فصل التغيرات في درجات الحرارة وانبعاثات غاز النيتروجين يمكن أن يستخدم لإنشاء وتنفيذ أجهزة متعددة الوسائط مع آليات استشعار منفصلة للزراعة الدقيقة في جميع الظروف الجوية.

وقال تشنغ: "إن القدرة على اكتشاف تركيزات منخفضة للغاية من أكسيد النيتروجين وتغيرات صغيرة في درجات الحرارة في وقت واحد تمهد الطريق لتطوير أجهزة إلكترونية متعددة الوسائط في المستقبل مع آليات استشعار منفصلة للزراعة الدقيقة ومراقبة الصحة وتطبيقات أخرى".

تم تمويل أبحاث تشنغ من قبل المعاهد الوطنية للصحة، والمؤسسة الوطنية للعلوم، وجامعة ولاية بنسلفانيا، والمؤسسة الوطنية الصينية للعلوم الطبيعية.