قد تُحسّن أجهزة استشعار التربة الجديدة من كفاءة تسميد المحاصيل

تُستخدم الأسمدة النيتروجينية لزيادة الإنتاج الغذائي، إلا أن انبعاثاتها قد تُلوث البيئة. ولتحقيق الاستخدام الأمثل للموارد، ورفع الإنتاجية الزراعية، وتقليل المخاطر البيئية، يُعدّ الرصد المستمر والفوري لخصائص التربة، مثل درجة حرارتها وانبعاثات الأسمدة، أمرًا بالغ الأهمية. ويُعدّ استخدام مستشعر متعدد المعايير ضروريًا للزراعة الذكية أو الدقيقة لتتبع انبعاثات غازات أكاسيد النيتروجين ودرجة حرارة التربة لتحقيق أفضل تسميد.

قاد الأستاذ المشارك جيمس إل. هندرسون جونيور التذكاري لعلوم الهندسة والميكانيكا في جامعة ولاية بنسلفانيا، هوانيو "لاري" تشنغ، تطوير جهاز استشعار متعدد المعلمات يفصل بنجاح إشارات درجة الحرارة والنيتروجين للسماح بالقياس الدقيق لكل منهما.

قال تشنغ:"لتحقيق التسميد الفعال، ثمة حاجة إلى مراقبة مستمرة وفورية لحالة التربة، وتحديداً استخدام النيتروجين ودرجة حرارة التربة. وهذا أمر ضروري لتقييم صحة المحاصيل، والحد من التلوث البيئي، وتعزيز الزراعة المستدامة والدقيقة."

تهدف هذه الدراسة إلى استخدام الكمية المناسبة من الأسمدة لتحقيق أفضل إنتاجية للمحاصيل. قد ينخفض ​​إنتاج المحصول في حال استخدام كميات زائدة من النيتروجين. عند الإفراط في استخدام الأسمدة، تُهدر، وقد تحترق النباتات، وتُطلق أبخرة نيتروجينية سامة في البيئة. يستطيع المزارعون تحديد المستويات المثالية من الأسمدة لنمو النباتات من خلال الكشف الدقيق عن مستوى النيتروجين.

قال لي يانغ، الأستاذ المشارك في كلية الذكاء الاصطناعي بجامعة خبي للتكنولوجيا في الصين:"يتأثر نمو النباتات أيضاً بدرجة الحرارة، التي تؤثر على العمليات الفيزيائية والكيميائية والميكروبيولوجية في التربة. ويتيح الرصد المستمر للمزارعين وضع استراتيجيات وتدخلات عندما تكون درجات الحرارة مرتفعة جداً أو منخفضة جداً بالنسبة لمحاصيلهم."

بحسب تشنغ، نادراً ما يتم الإبلاغ عن آليات استشعار قادرة على قياس غاز النيتروجين ودرجة الحرارة بشكل مستقل عن بعضهما البعض. إذ يمكن لكل من الغازات ودرجة الحرارة أن تُحدث تغيرات في قراءة مقاومة المستشعر، مما يجعل التمييز بينهما صعباً.

ابتكر فريق تشنغ مستشعرًا عالي الأداء قادرًا على رصد فقدان النيتروجين بغض النظر عن درجة حرارة التربة. يتكون المستشعر من رغوة غرافين مُطعّمة بأكسيد الفاناديوم ومُشكّلة بالليزر، وقد تبيّن أن تطعيم الغرافين بمركبات معدنية يُحسّن امتصاص الغاز وحساسية الكشف.

بفضل الغشاء الرقيق الذي يحمي المستشعر ويمنع تسرب غاز النيتروجين، يستجيب المستشعر فقط لتغيرات درجة الحرارة. ويمكن استخدامه أيضاً بدون تغليف وفي درجات حرارة أعلى.

يُتيح ذلك قياسًا دقيقًا لغاز النيتروجين باستبعاد تأثيرات الرطوبة النسبية ودرجة حرارة التربة. ويمكن فصل درجة الحرارة وغاز النيتروجين تمامًا وبدون أي تداخل باستخدام أجهزة الاستشعار المغلقة وغير المغلفة.

وقال الباحث إنه يمكن استخدام فصل تغيرات درجة الحرارة وانبعاثات غاز النيتروجين لإنشاء وتنفيذ أجهزة متعددة الوسائط بآليات استشعار منفصلة للزراعة الدقيقة في جميع الظروف الجوية.

قال تشنغ: "إن القدرة على الكشف في وقت واحد عن تركيزات أكسيد النيتروجين المنخفضة للغاية والتغيرات الطفيفة في درجة 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، وجامعة ولاية بنسلفانيا، والمؤسسة الوطنية الصينية للعلوم الطبيعية.