Sensor tanah baru dapat meningkatkan efisiensi pemupukan tanaman

Pupuk yang mengandung nitrogen digunakan untuk meningkatkan produksi pangan, tetapi emisinya dapat mencemari lingkungan. Untuk memaksimalkan pemanfaatan sumber daya, meningkatkan hasil pertanian, dan mengurangi risiko lingkungan, pemantauan sifat-sifat tanah secara berkelanjutan dan waktu nyata (real-time), seperti suhu tanah dan emisi pupuk, sangat penting. Sensor multiparameter diperlukan untuk pertanian cerdas atau presisi guna melacak emisi gas NOX dan suhu tanah demi pemupukan terbaik.

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

Cheng mengatakan,"Untuk pemupukan yang efisien, diperlukan pemantauan kondisi tanah secara berkelanjutan dan real-time, khususnya pemanfaatan nitrogen dan suhu tanah. Hal ini penting untuk mengevaluasi kesehatan tanaman, mengurangi polusi lingkungan, dan mendorong pertanian berkelanjutan dan presisi."

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

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

Menurut Cheng, mekanisme penginderaan yang dapat mengukur gas nitrogen dan suhu secara independen jarang dilaporkan. Baik gas maupun suhu dapat menyebabkan variasi pada pembacaan resistansi sensor, sehingga sulit untuk membedakannya.

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

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

Hal ini memungkinkan pengukuran gas nitrogen yang akurat dengan meniadakan pengaruh kelembapan relatif dan suhu tanah. Suhu dan gas nitrogen dapat dipisahkan sepenuhnya tanpa gangguan menggunakan sensor tertutup dan tidak terbungkus.

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

Cheng berkata, “Kemampuan untuk mendeteksi konsentrasi nitrogen oksida yang sangat rendah dan perubahan suhu kecil secara bersamaan 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 Institut Kesehatan Nasional, Yayasan Sains Nasional, Penn State, dan Yayasan Sains Alam Nasional Tiongkok.