Sensor tanah baru dapat meningkatkan efisiensi pemupukan tanaman

Pupuk yang mengandung nitrogen digunakan untuk meningkatkan produksi pangan, namun emisinya dapat mencemari lingkungan.Untuk memaksimalkan penggunaan sumber daya, meningkatkan hasil pertanian, dan menurunkan risiko lingkungan, pemantauan properti tanah secara terus menerus dan real-time, seperti suhu tanah dan emisi pupuk, sangatlah penting.Sensor multi-parameter diperlukan untuk pertanian cerdas atau presisi guna melacak emisi gas NOX dan suhu tanah untuk pemupukan terbaik.

James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics di Penn State Huanyu “Larry” Cheng memimpin pengembangan sensor multi-parameter yang berhasil memisahkan sinyal suhu dan nitrogen untuk memungkinkan pengukuran akurat masing-masing sensor.

Cheng berkata,“Untuk pemupukan yang efisien, diperlukan pemantauan kondisi tanah secara terus menerus dan real-time, khususnya pemanfaatan nitrogen dan suhu tanah.Hal ini penting untuk mengevaluasi kesehatan tanaman, mengurangi pencemaran lingkungan, dan mendorong pertanian berkelanjutan dan presisi.”

Penelitian ini bertujuan untuk menggunakan jumlah yang tepat untuk hasil panen terbaik.Produksi tanaman mungkin lebih rendah dibandingkan jika lebih banyak nitrogen yang digunakan.Jika pupuk diberikan secara berlebihan, maka pupuk akan terbuang sia-sia, tanaman dapat terbakar, dan asap nitrogen beracun akan terlepas ke lingkungan.Petani dapat mencapai tingkat pupuk yang ideal untuk pertumbuhan tanaman dengan bantuan deteksi tingkat nitrogen yang akurat.

Rekan penulis Li Yang, seorang profesor di Sekolah Kecerdasan Buatan di Universitas Teknologi Hebei Tiongkok, berkata,“Pertumbuhan tanaman juga dipengaruhi oleh suhu yang mempengaruhi proses fisik, kimia, dan mikrobiologi di dalam tanah.Pemantauan berkelanjutan memungkinkan petani mengembangkan strategi dan intervensi ketika suhu terlalu panas atau terlalu dingin untuk tanaman mereka.”

Menurut Cheng, mekanisme penginderaan yang dapat memperoleh gas nitrogen dan pengukuran suhu secara independen jarang dilaporkan.Baik gas maupun suhu dapat menyebabkan variasi dalam pembacaan resistansi sensor, sehingga sulit untuk membedakan keduanya.

Tim Cheng menciptakan sensor berkinerja tinggi yang dapat mendeteksi hilangnya nitrogen secara independen dan tidak bergantung pada suhu tanah.Sensor ini terbuat dari busa graphene yang diinduksi laser dengan doping vanadium oksida, dan telah ditemukan bahwa kompleks logam doping dalam graphene meningkatkan adsorpsi gas dan sensitivitas deteksi.

Karena membran lunak melindungi sensor dan mencegah perembesan gas nitrogen, sensor hanya bereaksi terhadap perubahan suhu.Sensor juga dapat digunakan tanpa enkapsulasi dan pada suhu yang lebih tinggi.

Hal ini memungkinkan pengukuran gas nitrogen secara akurat dengan mengecualikan pengaruh kelembaban relatif dan suhu tanah.Suhu dan gas nitrogen dapat dipisahkan seluruhnya dan bebas gangguan menggunakan sensor tertutup dan tidak berkapsul.

Peneliti mengatakan pemisahan perubahan suhu dan emisi gas nitrogen dapat digunakan untuk membuat dan menerapkan perangkat multimoda dengan mekanisme penginderaan terpisah untuk pertanian presisi di segala kondisi cuaca.

Cheng mengatakan, “Kemampuan untuk secara bersamaan mendeteksi konsentrasi nitrogen oksida yang sangat rendah dan perubahan suhu yang kecil membuka jalan bagi pengembangan perangkat elektronik multimoda di masa depan dengan mekanisme penginderaan terpisah untuk pertanian presisi, pemantauan kesehatan, dan aplikasi lainnya.”

Penelitian Cheng didanai oleh National Institutes of Health, National Science Foundation, Penn State, dan Chinese National Natural Science Foundation.