De nouveaux capteurs de sol pourraient améliorer l'efficacité de la fertilisation des cultures

Les engrais azotés sont utilisés pour accroître la production alimentaire, mais leurs émissions peuvent polluer l'environnement. Afin d'optimiser l'utilisation des ressources, d'augmenter les rendements agricoles et de réduire les risques environnementaux, une surveillance continue et en temps réel des propriétés du sol, telles que sa température et les émissions d'engrais, est essentielle. Un capteur multiparamètres est nécessaire à l'agriculture intelligente ou de précision pour suivre les émissions de NOx et la température du sol et ainsi optimiser la fertilisation.

Huanyu « Larry » Cheng, professeur agrégé de génie mécanique et de sciences de l'ingénieur à Penn State, a dirigé le développement d'un capteur multiparamètre qui sépare avec succès les signaux de température et d'azote pour permettre une mesure précise de chacun.

Cheng a déclaré,« Pour une fertilisation efficace, il est nécessaire de surveiller en continu et en temps réel l’état du sol, notamment l’utilisation de l’azote et la température du sol. Ceci est essentiel pour évaluer la santé des cultures, réduire la pollution environnementale et promouvoir une agriculture durable et de précision. »

Cette étude vise à déterminer la quantité optimale d'engrais pour obtenir un rendement maximal. Un apport excessif d'azote peut réduire la production. En effet, un excès d'engrais entraîne un gaspillage, des brûlures des plantes et le rejet de vapeurs azotées toxiques dans l'environnement. Grâce à une mesure précise du taux d'azote, les agriculteurs peuvent atteindre les doses idéales d'engrais pour la croissance de leurs plantes.

Li Yang, co-auteur de l'étude et professeur à l'École d'intelligence artificielle de l'Université de technologie du Hebei en Chine, a déclaré :« La croissance des plantes est également influencée par la température, qui a un impact sur les processus physiques, chimiques et microbiologiques du sol. Un suivi continu permet aux agriculteurs d'élaborer des stratégies et d'intervenir lorsque les températures sont trop élevées ou trop basses pour leurs cultures. »

D'après Cheng, les mécanismes de détection capables de mesurer indépendamment la concentration d'azote et la température sont rarement décrits. En effet, la présence de gaz et de température peut entraîner des variations de la résistance du capteur, rendant leur distinction difficile.

L'équipe de Cheng a créé un capteur haute performance capable de détecter les pertes d'azote indépendamment de la température du sol. Ce capteur est composé de mousse de graphène dopée à l'oxyde de vanadium et obtenue par laser. Il a été découvert que le dopage du graphène par des complexes métalliques améliore l'adsorption des gaz et la sensibilité de détection.

Grâce à une membrane souple qui protège le capteur et empêche la perméation d'azote, ce dernier ne réagit qu'aux variations de température. Il peut également être utilisé sans encapsulation et à des températures plus élevées.

Cela permet une mesure précise de l'azote gazeux en s'affranchissant des effets de l'humidité relative et de la température du sol. La température et l'azote gazeux peuvent être totalement et sans interférence découplés grâce à l'utilisation de capteurs encapsulés et non encapsulés.

Le chercheur a indiqué que le découplage des variations de température et des émissions de gaz azote pourrait être utilisé pour créer et mettre en œuvre des dispositifs multimodaux dotés de mécanismes de détection découplés pour une agriculture de précision dans toutes les conditions météorologiques.

Cheng a déclaré : « La capacité à détecter simultanément des concentrations ultra-faibles d'oxyde d'azote et de faibles variations de température ouvre la voie au développement de futurs dispositifs électroniques multimodaux dotés de mécanismes de détection découplés pour l'agriculture de précision, la surveillance de la santé et d'autres applications. »

Les recherches de Cheng ont été financées par les National Institutes of Health, la National Science Foundation, Penn State et la Fondation nationale chinoise des sciences naturelles.