Новая интеллектуальная платформа, разработанная исследователями из Университета Пердью, США, для беспроводного мониторинга состояния подпочвы, решает насущную проблему сельского хозяйства: эффективное использование воды, удобрений и пестицидов. Из-за изменчивости почвенных условий на больших полях применение одинаковых объемов этих ресурсов может привести к значительным потерям, увеличению затрат для фермеров и нанесению вреда окружающей среде, если агрохимические вещества попадают в водные системы в результате стока.
«Наша технология позволяет осуществлять широкомасштабный мониторинг состояния подпочвы, помогая фермерам вносить необходимое количество удобрений и средств защиты растений там и тогда, когда это действительно необходимо. Это не только снижает воздействие на окружающую среду, но и повышает урожайность и снижает эксплуатационные расходы, в конечном итоге делая производство продуктов питания более устойчивым и доступным», — сказал Рахим Рахими, доцент Школы материаловедения Университета Пердью, возглавлявший разработку системы.
Изобретение, получившее название HARVEST — гибридная антенна для измерения объемного содержания воды с помощью радиочастотного усиления и отслеживания грунта на основе электропроводности — представляет собой беспроводную платформу, исключающую необходимость в бортовой электронике. В системе используются датчики в форме гвоздей, которые «физически и электрически соединены с тройной кольцевой антенной, расположенной над землей, что уменьшает потери сигнала, сохраняя при этом чувствительность к изменениям в подповерхностном слое», — написали Рахими и его соавторы в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.
Благодаря возможности беспроводного, пассивного и распределенного мониторинга ключевых параметров в подпочве, датчик «умный гвоздь» преодолевает традиционные ограничения и предлагает новый способ оценки состояния почвы.
Система позволяет получить более глубокое пространственное и временное представление о состоянии подпочвы, поддерживая сельскохозяйственное управление на основе данных и одновременно снижая воздействие на окружающую среду. Подпочва — это глубина почвы, на которой корни получают доступ к воде и питательным веществам, то есть ниже верхних 15-20 см.
«Мониторинг этой зоны крайне важен, поскольку изменения влажности и солености здесь часто определяют состояние и стресс растений задолго до появления симптомов над землей. Понимание этих условий позволяет своевременно принимать меры, предотвращая потери урожая и улучшая охрану окружающей среды», — сказал Рахими.
Большинство существующих подходов к мониторингу сельского хозяйства основаны на поверхностном зондировании, таком как съемка посевов с помощью дронов или периодический отбор проб почвы.
«Хотя эти методы и ценны, они либо медленны, либо имеют ограниченную пространственную область применения, либо не позволяют в реальном времени в больших масштабах фиксировать состояние грунта в подповерхностном слое», — сказал Рахими.
Проект HARVEST был вдохновлен многолетним сотрудничеством с учеными-аграриями и фермерами.
«Мы неоднократно слышали одну и ту же проблему: существующие инструменты для измерения параметров почвы либо слишком дороги, либо имеют слишком ограниченный охват. Будучи командой материаловедов и инженеров, мы увидели возможность применить передовые технологии зондирования и беспроводной связи новым способом, который мог бы решить эту нерешенную проблему», — сказал Рахими.
Технология HARVEST, которая была протестирована на экспериментальном кукурузном поле в Центре агрономических исследований и образования Университета Пердью в течение всего вегетационного периода, разработана таким образом, чтобы быть масштабируемой и экономически эффективной, что делает ее доступной как для мелких независимых фермеров, так и для крупных коммерческих предприятий.
«Благодаря использованию доступных на рынке материалов и недорогих беспилотных летательных аппаратов, система может быть развернута в самых разных условиях без необходимости в дорогостоящей инфраструктуре или специализированном персонале», — сказал Рахими.
Кроме того, Рахими отметил, что эта работа представляет собой яркий пример междисциплинарного сотрудничества в области материаловедения, электротехники и сельскохозяйственных наук, подчеркивая, как исследователи из Университета Пердью разрабатывают технологии, которые формируют будущее сельского хозяйства.
«Мы надеемся увидеть масштабное внедрение датчиков HARVEST — для различных типов культур и систем земледелия — в тандеме с интеллектуальными тракторами, системами орошения и программным обеспечением для поддержки принятия решений», — сказал Рахими, добавив, что члены команды воодушевлены потенциалом партнерства с производителями сельскохозяйственной техники и поставщиками услуг, которое позволит превратить этот университетский прототип в революционный инструмент в точном земледелии.
«В конечном итоге, — заключил исследователь, — мы видим, что HARVEST сыграет ключевую роль в сокращении ненужного использования ресурсов, снижении затрат, защите экосистем и повышении продовольственной безопасности во всем мире».
Источник: Purdue University. На фото вы видите тестирование системы на кукурузном поле в Вест-Лафайетте. Источник фото: Университет Пердью.