Печатные датчики почвы могут помочь фермерам повысить урожайность и сократить расходы

Инженеры из Университета Висконсина в Мэдисоне разработали доступные датчики для мониторинга уровня нитратов в почве в режиме реального времени для типов почв, распространенных в Висконсине. Эти печатные электрохимические датчики могут помочь фермерам принимать более взвешенные решения о внесении удобрений, что потенциально позволит им сэкономить деньги.

“Наши датчики позволяют фермерам получить более четкое представление об уровне питательных веществ в почве и о том, сколько нитратов доступно для посевов. Эта информация позволяет им принимать точные решения о необходимом количестве удобрений”, — говорит Джозеф Эндрюс, доцент кафедры машиностроения Университета Висконсина в Мэдисоне и ведущий исследователь. “Сокращение использования удобрений может означать значительную экономию средств, особенно для крупных фермерских хозяйств”.”

Нитраты необходимы для роста сельскохозяйственных культур, но их избыток может просачиваться в грунтовые воды, загрязняя питьевую воду и нанося вред окружающей среде. Эти новые датчики также могут служить инструментами в сельскохозяйственных исследованиях, отслеживая сток нитратов и помогая внедрять более эффективные методы снижения загрязнения.

Традиционные методы мониторинга содержания нитратов в почве трудоемки, дорогостоящи и не дают немедленных результатов. Для решения этой проблемы Эндрюс, эксперт в области печатной электроники, и его команда разработали эти датчики как более простую и экономичную альтернативу.

В рамках этого проекта исследователи использовали метод струйной печати для изготовления потенциометрических датчиков, представляющих собой тонкопленочные датчики, использующие электрохимические реакции. Эти датчики обычно используются для точного измерения уровня нитратов в жидких растворах. Однако они, как правило, плохо работают в почве, поскольку шероховатые частицы почвы могут поцарапать датчики и повлиять на точность показаний.

Эндрюс поясняет: “Наша главная цель заключалась в том, чтобы эти электрохимические датчики эффективно работали в сложных почвенных условиях и точно определяли ионы нитрата”.”

Для решения этой проблемы команда добавила защитный слой на датчик, используя материал под названием поливинилиденфторид. По словам Эндрюса, этот материал обладает двумя важными свойствами. Во-первых, он имеет чрезвычайно мелкие поры, около 400 нанометров, которые пропускают нитратные ионы, но не пропускают частицы почвы. Во-вторых, он гидрофильный, то есть притягивает воду, как губка.

Эндрюс говорит: “Это означает, что любая вода, содержащая нитраты, будет впитываться нашим датчиком, что крайне важно, поскольку почва также впитывает воду. Без этого датчику было бы трудно получить достаточно влаги, но поскольку наш материал соответствует водопоглощающей способности почвы, он помогает притягивать богатую нитратами воду к поверхности датчика для получения точных показаний”.”

Исследователи поделились своими достижениями в статье, опубликованной в марте 2024 года в журнале Advanced Material Technologies.

Команда протестировала свои датчики на двух типах почв, встречающихся в Висконсине: песчаных почвах, характерных для северо-центральной части штата, и суглинистых почвах, распространенных на юго-западе Висконсина. Они обнаружили, что датчики дают точные результаты в обоих типах почв.

Теперь исследователи добавляют свои датчики нитратов в систему, которую они называют “сенсорной наклейкой”. Эта система объединяет три разных датчика — для нитратов, влажности и температуры — на гибком пластиковом листе с клейкой основой на обратной стороне.

Они планируют разместить несколько таких датчиков на стержне на разной высоте, а затем закопать стержень в землю. Такая установка позволит им измерять параметры на разной глубине в почве.

Эндрюс объясняет: “Измеряя содержание нитратов, влажность и температуру на различной глубине почвы, мы теперь можем отслеживать процесс выщелачивания нитратов и наблюдать за их перемещением в почве, чего мы не могли делать раньше”.”

Летом 2024 года исследователи продолжат тестирование своих датчиков, разместив 30 сенсорных стержней в почве на сельскохозяйственных исследовательских станциях Хэнкока и Арлингтона при Университете Висконсина в Мэдисоне.

Команда работает над патентованием этой технологии через Исследовательский фонд выпускников Висконсина.

В число соавторов из Университета Висконсина в Мэдисоне входят Куан-Ю Чен, Аатреша Бисвас, Шуохао Цай и профессор Цзинъи Хуан с кафедры почвоведения.

Данное исследование было профинансировано в рамках Программы фундаментальных исследований в области сельского хозяйства и продовольствия Министерства сельского хозяйства США (проект № WIS04075), гранта Национального научного фонда США «Сигналы в почве» № 2226568 и Инновационного центра молочного животноводства Университета Висконсина в Мэдисоне.