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糧生産量の増加に使用されますが、その排出物は環境を汚染する可能性があります。資源利用の最大化、農業生産量の向上、そして環境リスクの低減のためには、土壌温度や肥料の排出といった土壌特性を継続的かつリアルタイムにモニタリングすることが不可欠です。スマート農業や精密農業では、NOXガス排出量と土壌温度を追跡し、最適な施肥を行うために、マルチパラメータセンサーが不可欠です。

ペンシルベニア州立大学の工学科学および機械工学のジェームズ・L・ヘンダーソン・ジュニア記念准教授である Huanyu “Larry” Cheng 氏は、温度と窒素の信号をうまく分離して、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ました。

チェン氏はこう語った。「効率的な施肥には、土壌の状態、特に窒素の利用率と土壌温度を継続的かつリアルタイムにモニタリング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、持続可能な精密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窒素施肥を行うことを目指しています。窒素を過剰に施用した場合、作物の収量は本来よりも低くなる可能性があります。肥料を過剰に施用すると、肥料が無駄になり、植物が焼け、有毒な窒素ガスが環境に放出されます。農家は、正確な窒素レベル検出の助けを借りて、植物の成長に最適な肥料レベルに到達することができます。

共著者の一人である中国の河北理工大学人工知能学部の教授、リー・ヤン氏は次のように述べた。「植物の成長は温度にも影響され、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り、農家は作物にとって気温が高すぎる場合や低すぎる場合に、適切な戦略と介入策を講じることができます。」

チェン氏によると、窒素ガスと温度をそれぞれ独立して測定できるセンシングメカニズムはほとんど報告されていない。ガスと温度はどちらもセンサーの抵抗値に変動を引き起こす可能性があり、両者を区別することが困難である。

チェン氏のチームは、土壌温度に依存せずに窒素損失を検知できる高性能センサーを開発しました。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作られており、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知感度が向上することが発見されました。

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にのみ反応します。また、カプセル化せずに高温環境下でも使用できます。

これにより、相対湿度と土壌温度の影響を排除し、窒素ガスを正確に測定できます。密閉型センサーと非密閉型センサーを使用することで、温度と窒素ガスは完全に干渉なく分離できます。

研究者は、温度変化と窒素ガス排出を切り離すことで、あらゆる気象条件下での精密農業に使用できる分離された感知機構を備えたマルチモーダルデバイスを作成し、実装できる可能性があると述べた。

チェン氏は、「超低濃度の窒素酸化物と小さ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されたセンシングメカニズムを備えた将来のマルチモーダル電子デバイスの開発への道を開く」と述べた。

チェン氏の研究は、国立衛生研究所、国立科学財団、ペンシルベニア州立大学、中国国家自然科学基金によって資金提供された。