يمكن لأجهزة استشعار التربة الجديدة تحسين كفاءة تسميد المحاصيل

وتستخدم الأسمدة المحتوية على النيتروجين لزيادة إنتاج الغذاء، ولكن انبعاثاتها قد تلوث البيئة.ولتعظيم استخدام الموارد، وزيادة الغلات الزراعية، وخفض المخاطر البيئية، يعد الرصد المستمر وفي الوقت الحقيقي لخصائص التربة، مثل درجة حرارة التربة وانبعاثات الأسمدة، أمرا ضروريا.يعد المستشعر متعدد المعلمات ضروريًا للزراعة الذكية أو الدقيقة لتتبع انبعاثات غاز أكاسيد النيتروجين ودرجة حرارة التربة للحصول على أفضل تسميد.

قاد جيمس إل. هندرسون جونيور، الأستاذ المشارك في علوم الهندسة والميكانيكا في جامعة بنسلفانيا، هوانيو "لاري" تشينج، عملية تطوير جهاز استشعار متعدد المعلمات يفصل بنجاح إشارات درجة الحرارة والنيتروجين للسماح بقياس دقيق لكل منهما.

وقال تشنغ"من أجل التسميد الفعال، هناك حاجة إلى مراقبة مستمرة وفي الوقت الحقيقي لظروف التربة، وخاصة استخدام النيتروجين ودرجة حرارة التربة.وهذا أمر ضروري لتقييم صحة المحاصيل، والحد من التلوث البيئي، وتعزيز الزراعة المستدامة والدقيقة.

تهدف الدراسة إلى توظيف الكمية المناسبة للحصول على أفضل إنتاجية للمحصول.قد يكون إنتاج المحصول أقل مما قد يكون عليه إذا تم استخدام المزيد من النيتروجين.عندما يتم استخدام الأسمدة بشكل مفرط، يتم إهدارها، ويمكن أن تحترق النباتات، وتنطلق أبخرة النيتروجين السامة في البيئة.يمكن للمزارعين الوصول إلى المستويات المثالية من الأسمدة لنمو النباتات بمساعدة الكشف الدقيق عن مستوى النيتروجين.

وقال المؤلف المشارك لي يانغ، الأستاذ في كلية الذكاء الاصطناعي بجامعة خبي للتكنولوجيا الصينية:"يتأثر نمو النبات أيضًا بدرجة الحرارة، مما يؤثر على العمليات الفيزيائية والكيميائية والميكروبيولوجية في التربة.إن المراقبة المستمرة تمكن المزارعين من تطوير الاستراتيجيات والتدخلات عندما تكون درجات الحرارة شديدة الحرارة أو شديدة البرودة بالنسبة لمحاصيلهم.

وفقًا لتشنغ، نادرًا ما يتم الإبلاغ عن آليات الاستشعار التي يمكنها الحصول على غاز النيتروجين وقياسات درجة الحرارة بشكل مستقل عن بعضها البعض.يمكن أن يتسبب كل من الغازات ودرجة الحرارة في حدوث اختلافات في قراءة مقاومة المستشعر، مما يجعل من الصعب التمييز بينهما.

ابتكر فريق تشينغ جهاز استشعار عالي الأداء يمكنه اكتشاف فقدان النيتروجين بشكل مستقل عن درجة حرارة التربة.يتكون المستشعر من رغوة الجرافين المشبعة بأكسيد الفاناديوم والمستحثة بالليزر، وقد تم اكتشاف أن تطعيم المجمعات المعدنية في الجرافين يعمل على تحسين امتصاص الغاز وحساسية الكشف.

نظرًا لأن الغشاء الناعم يحمي المستشعر ويمنع تغلغل غاز النيتروجين، فإن المستشعر يتفاعل فقط مع التغيرات في درجة الحرارة.يمكن أيضًا استخدام المستشعر بدون تغليف وفي درجة حرارة أعلى.

وهذا يسمح بقياس دقيق لغاز النيتروجين عن طريق استبعاد تأثيرات الرطوبة النسبية ودرجة حرارة التربة.يمكن فصل درجة الحرارة وغاز النيتروجين بشكل كامل وبدون تداخل باستخدام أجهزة الاستشعار المغلقة وغير المغلفة.

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

وقال تشنغ: "إن القدرة على الكشف المتزامن عن تركيزات أكسيد النيتروجين المنخفضة للغاية والتغيرات الصغيرة في درجات الحرارة تمهد الطريق لتطوير أجهزة إلكترونية متعددة الوسائط في المستقبل مع آليات استشعار منفصلة للزراعة الدقيقة ومراقبة الصحة وغيرها من التطبيقات".

تم تمويل بحث تشنغ من قبل المعاهد الوطنية للصحة، والمؤسسة الوطنية للعلوم، وولاية بنسلفانيا، والمؤسسة الوطنية الصينية للعلوم الطبيعية.