新型土壤传感器可提高作物施肥效率

测量土壤中的温度和氮含量对于农业系统很重要，但很难将它们分开检测。 Huanyu “Larry” Cheng，James L. Henderson, Jr. Memorial 宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学副教授，带领研究人员开发了一种多参数传感器，该传感器可以有效地解耦温度和氮信号，从而可以测量每一个信号准确。该结果最近由Advanced Materials发表。

“为了有效施肥，需要持续实时监测土壤状况，特别是氮素利用和土壤温度，”Cheng 说。“这对于评估作物健康、减少环境污染和促进可持续精准农业至关重要。”

使用氮作为肥料是农业中的常见做法，目标是使用理想的量来获得最佳的作物产量。当氮肥用量过少时，作物的产量可能达不到最佳水平。使用过多会浪费肥料，植物会燃烧，有害的氮气会释放到环境中。准确检测氮水平——特别是氮以气体形式流失——可以帮助农民实现植物生长所需的最佳施肥水平。

“植物生长也受到温度的影响，温度会影响土壤中的物理、化学和微生物过程，”合著者、中国河北工业大学人工智能学院教授李阳说。“持续监测使农民能够在温度对他们的作物来说太热或太冷时制定策略和干预措施。”

不幸的是，气体和温度以及相对湿度的变化都会导致传感器的电阻读数发生变化，因此传感器无法区分它们。Cheng 表示，很少有报道能够独立获得氮气和温度测量值的传感机制。

Cheng 的团队设计并制造了一种高性能传感器，以完全分离氮流失和土壤温度的检测。多参数传感器基于掺杂氧化钒的激光诱导石墨烯泡沫。氧化钒可以吸附氮气并与之相互作用，在石墨烯中掺杂金属络合物也被发现可以提高气体吸附和检测灵敏度。

传感器由软膜封装，可阻止氮气渗透，因此传感器仅对温度变化作出响应。此外，可以移除封装并且传感器在升高的温度下运行。这样做可以消除土壤中相对湿度和温度的影响，以便准确测量氮气。封装传感器和未封装传感器的组合可以完全解耦温度和氮气而不受干扰。

Cheng 表示，可以利用解耦温度变化和氮气排放来设计和应用具有解耦传感机制的多式联运设备，用于全天候条件下的精准农业。

“同时检测超低氮氧化物浓度和微小温度变化的能力为未来开发具有解耦传感机制的精准农业、健康监测和其他应用的多模式电子设备铺平了道路，”Cheng 说。

Cheng 的工作得到了国立卫生研究院、国家科学基金会和宾夕法尼亚州立大学的部分支持。国家自然科学基金、河北省重点研发计划和中国博士后科学基金也给予支持。

合著者包括宾夕法尼亚州立大学生物医学工程博士生 Ankan Dutta;Li Yang、Xue Chen、Shuaijie Du、Shiji Guo、Chuizhou Meng、Guangyu Niu、Ya Wang、Ye Xue 和 Jaiya Yan，均来自中国河北工业大学;Cheng Zhang，闽江大学，中国;和 Peng Zhou，中国天津天中易迈科技发展有限公司。

Cheng 还隶属于宾夕法尼亚州立大学能源与环境研究所;材料研究所;计算和数据科学研究所;工程、能源和环境研究所;可持续发展研究所;和宾夕法尼亚州立大学的其他中心。