新しい土壌センサーは作物の施肥効率を向上させる可能性がある

窒素を含む肥料は食料生産量の増加に利用されますが、その排出物は環境汚染を引き起こす可能性があります。資源利用の最大化、農業収量の向上、環境リスクの低減のためには、土壌温度や肥料排出量などの土壌特性を継続的かつリアルタイムで監視することが不可欠です。最適な施肥を行うためには、NOxガス排出量と土壌温度を追跡するマルチパラメータセンサーを備えたスマート農業や精密農業が必要となります。

ペンシルベニア州立大学の工学科学・力学分野のジェームズ・L・ヘンダーソン・ジュニア記念准教授であるフアンユ・「ラリー」・チェン氏は、温度と窒素の信号を分離し、それぞれを正確に測定できるマルチパラメータセンサーの開発を主導した。

チェン氏はこう言った。「効率的な施肥のためには、土壌の状態、特に窒素利用率と土壌温度を継続的かつリアルタイムで監視する必要があります。これは、作物の健全性を評価し、環境汚染を軽減し、持続可能で精密な農業を促進するために不可欠です。」

この研究は、作物の収量を最大限に高めるために適切な量の肥料を使用することを目的としている。窒素を過剰に使用した場合、作物の生産量は本来得られるはずの量よりも少なくなる可能性がある。肥料を過剰に施用すると、無駄になるだけでなく、植物が焼けてしまい、有毒な窒素ガスが環境に放出される。農家は、正確な窒素レベル測定の助けを借りて、植物の生育に最適な肥料レベルに到達することができる。

共著者である中国河北工業大学人工知能学部教授の李陽氏は、「植物の生育は気温にも影響され、気温は土壌中の物理的、化学的、微生物学的プロセスに影響を与えます。継続的なモニタリングによって、農家は作物の生育にとって気温が高すぎたり低すぎたりした場合に、適切な対策や介入策を講じることができます。」

Cheng氏によると、窒素ガスと温度を互いに独立して測定できるセンシング機構はほとんど報告されていない。ガスと温度の両方がセンサーの抵抗値に変化をもたらすため、両者を区別することが難しい。

チェン氏のチームは、土壌温度に左右されずに窒素損失を検出できる高性能センサーを開発した。このセンサーは、酸化バナジウムをドープしたレーザー誘起グラフェンフォームでできており、グラフェンに金属錯体をドープすることでガス吸着と検出感度が向上することが発見された。

柔らかい膜がセンサーを保護し、窒素ガスの透過を防ぐため、センサーは温度変化のみに反応します。また、このセンサーは封止せずに、より高温環境下でも使用できます。

これにより、相対湿度や土壌温度の影響を排除し、窒素ガスの正確な測定が可能になります。密閉型センサーと非密閉型センサーを使用することで、温度と窒素ガスを完全に、かつ干渉なく分離できます。

研究者によると、気温変化と窒素ガス排出量を切り離すことで、あらゆる気象条件下で精密農業を行うための、独立したセンシング機構を備えたマルチモーダルデバイスを開発・実装できる可能性があるという。

チェン氏は、「超低濃度の窒素酸化物とわずかな温度変化を同時に検出できる能力は、精密農業、健康モニタリング、その他の用途向けに、分離型センシング機構を備えた将来のマルチモーダル電子機器の開発への道を開くものです」と述べた。

チェン氏の研究は、米国国立衛生研究所、米国国立科学財団、ペンシルベニア州立大学、および中国国家自然科学基金の資金援助を受けて行われた。