الزراعة الذكية المستدامة مع مستشعر رطوبة التربة القابل للتحلل الحيوي

حفّز تزايد محدودية موارد الأراضي والمياه تطوير الزراعة الدقيقة، التي تستخدم تقنية الاستشعار عن بُعد لرصد بيانات بيئة الهواء والتربة آنيًا، مما يُسهم في تحسين إنتاجية المحاصيل. ويُعدّ تعظيم استدامة هذه التقنيات أمرًا بالغ الأهمية لإدارة البيئة بكفاءة وخفض التكاليف.
في دراسة نُشرت مؤخرًا في مجلة "الأنظمة المستدامة المتقدمة"، طوّر باحثون من جامعة أوساكا تقنية لاسلكية لاستشعار رطوبة التربة، وهي قابلة للتحلل البيولوجي إلى حد كبير. يُعدّ هذا العمل إنجازًا هامًا في معالجة العوائق التقنية المتبقية في الزراعة الدقيقة، مثل التخلص الآمن من معدات الاستشعار المستخدمة.
مع استمرار نمو سكان العالم، يُعدّ تحسين الغلات الزراعية وتقليل استخدام الأراضي والمياه أمرًا بالغ الأهمية. وتهدف الزراعة الدقيقة إلى تلبية هذه الاحتياجات المتضاربة باستخدام شبكات الاستشعار لجمع المعلومات البيئية، بما يُمكّن من تخصيص الموارد للأراضي الزراعية بالشكل المناسب عند الحاجة إليها وحيثما كانت.
يمكن للطائرات بدون طيار والأقمار الصناعية جمع معلومات غزيرة، لكنها ليست مثالية لتحديد رطوبة التربة ومستويات رطوبتها. لجمع البيانات على النحو الأمثل، ينبغي تركيب أجهزة قياس الرطوبة على الأرض بكثافة عالية. إذا لم يكن المستشعر قابلاً للتحلل الحيوي، فيجب جمعه في نهاية عمره الافتراضي، وهو أمر قد يتطلب جهدًا كبيرًا وغير عملي. يهدف العمل الحالي إلى تحقيق الأداء الإلكتروني وقابلية التحلل الحيوي باستخدام تقنية واحدة.
يوضح تاكاكي كاسوجا، المؤلف الرئيسي للدراسة: "يتضمن نظامنا أجهزة استشعار متعددة، ومصدر طاقة لاسلكي، وكاميرا تصوير حراري لجمع ونقل بيانات الاستشعار والموقع. مكونات التربة صديقة للبيئة في معظمها، وتتكون من ورق نانوي، وطبقة حماية من الشمع الطبيعي، وسخان كربوني، وسلك موصل من القصدير".
تعتمد هذه التقنية على أن كفاءة نقل الطاقة لاسلكيًا إلى المستشعر تتوافق مع درجة حرارة سخان المستشعر ورطوبة التربة المحيطة. على سبيل المثال، عند تحسين موضع المستشعر وزاويته على تربة ملساء، فإن زيادة رطوبة التربة من 5% إلى 30% تقلل كفاءة النقل من حوالي 46% إلى حوالي 3%. بعد ذلك، تلتقط كاميرا التصوير الحراري صورًا للمنطقة لجمع بيانات رطوبة التربة وموقع المستشعر في آنٍ واحد. في نهاية موسم الحصاد، يمكن دفن المستشعرات في التربة لتتحلل بيولوجيًا.
قال كاسوجا: "نجحنا في تصوير مناطق ذات رطوبة تربة منخفضة باستخدام 12 مستشعرًا في حقل تجريبي بمساحة 0.4 × 0.6 متر. ونتيجةً لذلك، يُمكن لنظامنا التعامل مع الكثافة العالية للمستشعرات اللازمة للزراعة الدقيقة".
يتمتع هذا العمل بالقدرة على تحسين الزراعة الدقيقة في عالمٍ يشهد شحًا متزايدًا في الموارد. إن تعظيم فعالية تقنية الباحثين في ظل ظروف غير مثالية، مثل سوء وضع أجهزة الاستشعار وزوايا الانحدار في التربة الخشنة، وربما مؤشرات أخرى لبيئة التربة تتجاوز مستويات رطوبة التربة، قد يؤدي إلى انتشار استخدام هذه التقنية في المجتمع الزراعي العالمي.