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

Les engrais contenant de l'azote sont utilisés pour augmenter la production alimentaire, mais leurs émissions peuvent polluer l'environnement.Pour maximiser 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 la température du sol et les émissions d’engrais, est essentielle.Un capteur multiparamètres est nécessaire pour une agriculture intelligente ou de précision afin de suivre les émissions de gaz NOX et la température du sol pour une fertilisation optimale.

James L. Henderson, professeur agrégé Jr. Memorial de sciences de l'ingénierie et de mécanique à Penn State Huanyu « Larry » Cheng a dirigé le développement d'un capteur multiparamétrique 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 les conditions du sol, en particulier l'utilisation de l'azote et la température du sol.Ceci est essentiel pour évaluer la santé des cultures, réduire la pollution de l’environnement et promouvoir une agriculture durable et de précision.

L'étude vise à utiliser la quantité appropriée pour obtenir le meilleur rendement des cultures.La production de la culture peut être inférieure à ce qu'elle pourrait être si davantage d'azote est utilisé.Lorsque l’engrais est appliqué de manière excessive, il est gaspillé, les plantes peuvent brûler et des vapeurs d’azote toxiques sont rejetées dans l’environnement.Les agriculteurs peuvent atteindre les niveaux d’engrais idéaux pour la croissance des plantes grâce à une détection précise du niveau d’azote.

Le co-auteur Li Yang, 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 de développer des stratégies et des interventions lorsque les températures sont trop chaudes ou trop froides pour leurs cultures.

Selon Cheng, les mécanismes de détection capables d’obtenir des mesures d’azote et de température indépendantes les unes des autres sont rarement signalés.Les gaz et la température peuvent provoquer des variations dans la lecture de la résistance du capteur, ce qui rend difficile leur distinction.

L'équipe de Cheng a créé un capteur haute performance capable de détecter la perte d'azote indépendamment de la température du sol.Le capteur est constitué de mousse de graphène induite par laser, dopée à l'oxyde de vanadium, et il a été découvert que les complexes métalliques dopants dans le graphène améliorent l'adsorption des gaz et la sensibilité de détection.

Étant donné qu'une membrane souple protège le capteur et empêche la perméation de l'azote gazeux, le capteur réagit uniquement aux changements de température.Le capteur 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 entièrement et sans interférence découplés à l'aide des capteurs fermés et non encapsulés.

Le chercheur a déclaré que le découplage des changements de température et des émissions d’azote gazeux 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 de détecter simultanément des concentrations ultra-faibles d’oxyde d’azote et de petits changements 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 Chinese National Natural Science Foundation.