Công nghệ cảm biến thông minh chi phí thấp giúp nông dân sử dụng phân bón hiệu quả và góp phần giảm thiểu tác hại môi trường
Lượt xem: 3253
Nghiên cứu mới gần đây của các nhà khoa học đến từ Trường Đại học Hoàng gia Luân Đôn (ICL) giúp nông dân sử dụng phân bón hiệu quả hơn và giảm thiểu tác hại đến môi trường. Cụ thể, cảm biến thông minh có thể giúp người trồng tìm ra thời điểm tốt nhất để sử dụng phân bón cho cây trồng của họ và lượng phân bón cần thiết, có tính đến các yếu tố như thời tiết và điều kiện của đất. Điều này sẽ làm giảm các tác động gây hại đến môi trường và tốn kém của việc sử dụng quá nhiều đất, giải phóng khí nhà kính nitơ oxit và có thể gây ô nhiễm đất và đường nước.

Cho đến nay, 12% diện tích đất canh tác một lần trên toàn thế giới không thể sử dụng được và việc sử dụng phân bón làm từ nitơ đã tăng 600% trong 50 năm qua. Tuy nhiên, người trồng cây trồng rất khó để điều chỉnh chính xác việc sử dụng phân bón của riêng họ: quá nhiều sẽ có nguy cơ hủy hoại môi trường và lãng phí tiền bạc, quá ít sẽ có nguy cơ năng suất cây trồng kém. Các nhà nghiên cứu đằng sau công nghệ cảm biến mới này cho biết nó có thể mang lại lợi ích cho cả môi trường và người trồng.

Giải pháp cảm biến thông minh

Cảm biến, được đặt tên là cảm biến khí điện dựa trên giấy có chức năng hóa học (chemPEGS), đo mức độ amoni trong đất - hợp chất được vi khuẩn đất chuyển thành nitrit và nitrat. Sử dụng một loại trí tuệ nhân tạo kết hợp dữ liệu này với dữ liệu thời tiết, thời gian kể từ khi bón phân, độ pH và các phép đo độ dẫn điện của đất. Nó sử dụng những dữ liệu này để dự đoán tổng lượng nitơ mà đất có hiện tại và số liệu trong vòng 12 ngày tới, để dự đoán thời gian bón phân tối ưu.

Nghiên cứu xác định làm thế nào giải pháp chi phí thấp mới này có thể giúp người trồng trọt đạt năng suất tối đa với lượng bón phân tối thiểu, đặc biệt là đối với các loại cây trồng khát phân bón như lúa mì. Công nghệ này đồng thời có thể giảm chi phí của người trồng và tác hại đến môi trường do phân bón gốc nitơ - loại phân bón được sử dụng rộng rãi nhất.

Trưởng nhóm nghiên cứu, Tiến sĩ Max Grell, người đồng phát triển công nghệ tại Khoa Kỹ thuật sinh học - ICL, cho biết: “Rất khó để nhấn mạnh vấn đề của việc lạm dụng hóa quá mức cả về môi trường và kinh tế. Năng suất và kết quả là thu nhập giảm qua từng năm và người trồng trọt hiện có các công cụ họ cần để chống lại điều này”.

“Công nghệ của chúng tôi có thể giúp giải quyết vấn đề này bằng cách cho phép người trồng trọt biết được lượng amoniac và nitrat hiện có trong đất và dự đoán lượng amoniac và nitrat sẽ có trong tương lai dựa trên điều kiện thời tiết. Điều này có thể cho phép họ điều chỉnh việc bón phân cho phù hợp nhu cầu cụ thể của đất và cây trồng”.

Ô nhiễm nitơ

Phân đạm dư thừa giải phóng oxit nitơ vào không khí, một loại khí nhà kính mạnh gấp 300 lần so với khí cacbonic và góp phần gây ra khủng hoảng khí hậu. Phân bón dư thừa cũng có thể bị mưa cuốn trôi vào các đường nước, nơi nó làm mất oxy của các loài thủy sinh, dẫn đến tảo nở hoa và giảm đa dạng sinh học.

Tuy nhiên, vẫn còn khó khăn trong việc điều chỉnh chính xác mức độ bón phân phù hợp với nhu cầu đất và cây trồng. Việc thử nghiệm khó tìm cách hiện tại để đo nitơ trong đất liên quan đến việc gửi các mẫu đất đến phòng thí nghiệm - một quá trình kéo dài và tốn kém mà kết quả chỉ được sử dụng hạn chế vào thời điểm đến tay người trồng.

Cách tiếp cận mới với chi phí thấp này có thể đẩy nhanh quá trình thử nghiệm đất. Trong khi chemPEGS chỉ đo amoni và cho phép dự đoán mức nitrat hiện tại và mức nitrat và amoni trong đất trong tương lai.

Tác giả và điều tra viên chính, Tiến sĩ Firat Guder, từ Khoa Kỹ thuật sinh học của ICL, cho biết: “Phần lớn thực phẩm của chúng ta đến từ đất - một nguồn tài nguyên không thể tái tạo mà chúng ta sẽ mất nếu chúng ta không chăm sóc nó. Điều này, kết hợp với ô nhiễm nitơ từ nông nghiệp, đặt ra một bài toán khó cho hành tinh - một bài toán mà chúng tôi hy vọng sẽ giúp giải quyết vấn đề nông nghiệp chính xác”.

“Công nghệ cảm biến của chúng tôi có thể đo lường và dự đoán lượng nitơ trong đất với đủ độ chính xác để dự báo tác động của thời tiết đến việc lập kế hoạch bón phân và điều chỉnh thời gian cho các yêu cầu của cây trồng, mà chúng tôi hy vọng sẽ giúp giảm tình trạng bón quá mức đồng thời cải thiện năng suất và lợi nhuận của cây trồng cho người trồng”.

Các nhà nghiên cứu hy vọng chemPEGS và công nghệ AI liên quan, hiện đang ở giai đoạn nguyên mẫu, sẽ có sẵn để thương mại hóa sau 3-5 năm với nhiều thử nghiệm và tiêu chuẩn hóa sản xuất hơn.

Nghiên cứu này được xuất bản trên tạp chí Nature Food và được tài trợ bởi EPSRC, Innovate UK và Cytiva. 

Nguồn tham khảo: Max Grell, Giandrin Barandun, Tarek Asfour, Michael Kasimatis, Alex Silva Pinto Collins, Jieni Wang, Firat Güder. Point-of-use sensors and machine learning enable low-cost determination of soil nitrogen. Nature Food, 2021; DOI: 10.1038/s43016-021-00416-4.


Thống kê truy cập
  • Đang online: 15
  • Hôm nay: 195
  • Trong tuần: 18 235
  • Tất cả: 4387821