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. Pour optimiser l'utilisation des ressources, augmenter les rendements agricoles et réduire les risques environnementaux, une surveillance continue et en temps réel des propriétés du sol, telles que sa température et ses 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 afin d'optimiser la fertilisation.

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

Cheng a dit,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.

L'étude vise à utiliser la quantité appropriée pour un rendement optimal. La production pourrait être inférieure à celle obtenue avec une utilisation accrue d'azote. Un apport excessif d'engrais entraîne un gaspillage, des risques de brûlures et des vapeurs d'azote toxiques dans l'environnement. Grâce à une détection précise des niveaux d'azote, les agriculteurs peuvent atteindre les niveaux d'engrais idéaux pour la croissance des plantes.

Li Yang, co-auteur 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 influence les processus physiques, chimiques et microbiologiques du sol. Une surveillance continue permet aux agriculteurs d'élaborer des stratégies et des interventions lorsque les températures sont trop élevées ou trop basses pour leurs cultures.

Selon Cheng, les mécanismes de détection permettant d'obtenir des mesures d'azote et de température indépendamment l'une de l'autre sont rarement décrits. Ces deux gaz et cette température peuvent entraîner des variations dans la mesure 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 fabriqué à partir de mousse de graphène dopée à l'oxyde de vanadium et induite par laser. Il a été découvert que les complexes métalliques dopants du graphène améliorent l'adsorption des gaz et la sensibilité de détection.

Grâce à une membrane souple protégeant le capteur et empêchant la pénétration de l'azote gazeux, le capteur réagit uniquement aux variations de température. Il peut également être utilisé sans encapsulation et à une température plus élevée.

Cela permet une mesure précise de l'azote gazeux en excluant les effets de l'humidité relative et de la température du sol. La température et l'azote gazeux peuvent être découplés entièrement et sans interférence grâce aux capteurs encapsulés et non encapsulés.

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

Cheng a déclaré : « La capacité à détecter simultanément des concentrations d'oxyde d'azote ultra-faibles et de faibles changements de température ouvre la voie au développement de futurs appareils 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 Chinese National Natural Science Foundation.