Датчик создан на основе жесткой печатной платы и технологии трафаретной печати углеродом и ализарином. Это делает его производство крайне дешёвым и доступным для массового применения на фермах. В испытаниях он подтвердил способность непрерывно отслеживать pH почвы в течение нескольких месяцев на различных типах почв без необходимости постоянной калибровки.
На первый взгляд, фермерское поле не кажется таким уж сложным. Это всего лишь земля и посевы. Но среди ландшафта скрывается одна из самых сложных экосистем Земли — сеть микробов, питательных веществ, корней и химических реакций, которые незаметно управляют здоровьем каждого урожая.
На протяжении многих лет понимание того, что происходит под поверхностью, было одной из самых больших проблем сельского хозяйства. Важные показатели состояния почвы и растений, такие как pH, микробная активность и физиология растений, постоянно меняются, но отслеживать их в режиме реального времени крайне сложно.
Теперь группа исследователей из кафедры машиностроения им. Пола М. Рэди в Университете Колорадо в Боулдере разработала недорогой электронный датчик, способный непрерывно отслеживать pH почвы. Они считают, что это шаг к будущему, в котором фермы смогут постоянно отслеживать состояние своей почвы, помогая производителям быстрее выявлять изменения и принимать более обоснованные решения.
«Во многих случаях к тому времени, когда фермеры обнаруживают, что с их почвой или растениями что-то не так, окно возможностей для эффективного лечения может уже упущено. Постоянный мониторинг этих факторов поможет нам лучше управлять сельскохозяйственными землями и обеспечить производство продуктов питания», — сказал Грегори Уайтинг, профессор и руководитель Боулдерской экспериментальной лаборатории электроники и производства (BEEM Lab).
Исследование, проведенное под руководством аспиранта Хуана Сиснероса Барбы, опубликовано в журнале Scientific Reports. Это знаменует собой очередной прорыв в плодотворном году для Уайтинга и его команды, чьи открытия помогают фермерам прислушиваться к почве, отслеживать состояние живых растений и позволяют фермам собирать важную информацию.
Главная переменная
В сельском хозяйстве мало что имеет такое большое значение, как pH почвы. Часто называемый «главной переменной», он влияет практически на все процессы, от доступности питательных веществ до роста растений. Но, несмотря на свою важность, Уайтинг говорит, что отслеживание pH сопряжено с трудностями.
«Традиционные датчики pH часто не очень хорошо подходят для измерения pH почвы. Представьте себе маленькую стеклянную колбу, которая хрупка и требует частой калибровки. Показатели, которые они обеспечивают, со временем изменяются и зависят от условий окружающей среды. Это требует частой ручной калибровки, что может быть обременительно», — сказал Уайтинг, который также связан с программой материаловедения и инженерии.
В связи с этим группа переключилась на новый тип электронного датчика, использующего чувствительный к pH краситель ализарин для получения более надежных показаний.
Само устройство не является принципиально новым. Ученые по всему миру, включая Уайтинга и его команду, изучают эту технологию уже много лет. Они показали, что простые датчики работают и могут быть напечатаны с низкими затратами.
Однако оставался важный вопрос: смогут ли они надежно отслеживать состояние реальной почвы вне лаборатории в течение недель или даже месяцев?
Чтобы это выяснить, исследователи закопали ряд электрохимических датчиков в различные типы почвы. Некоторые почвы содержали больше органических веществ, другие были более песчаными или илистыми, а также включали как уплотненные, так и неуплотненные почвы, чтобы имитировать меняющиеся условия окружающей среды, с которыми они столкнутся в полевых условиях.
Они также усовершенствовали первоначальный датчик, перейдя к конструкции на основе печатной платы, которая была проще в производстве. Благодаря сочетанию с недорогой, развертываемой в полевых условиях системой считывания, технология стала более практичной для распространения и использования на открытом воздухе.
Результаты превзошли ожидания команды. На различных типах почвы модернизированный датчик обеспечивал надежные и непрерывные измерения pH в течение нескольких месяцев, а многомесячное тестирование на открытом воздухе показало стабильную работу без необходимости постоянной перекалибровки.
Для Уайтинга это стало самым убедительным доказательством того, что эти недорогие печатные электронные устройства с батарейным питанием могут выйти за пределы лаборатории и быть внедрены в реальные сельскохозяйственные условия.
«Речь идет исключительно об удобстве использования. Эти устройства практически ничего не стоят в производстве, работают с минимальными усилиями человека и могут использоваться на различных типах почв, что позволяет применять эту технологию на фермах», — сказал Уайтинг.
Источник: University of Colorado at Boulder. Автор: Александр Сервантес.
В заключение напомним, что знание уровня кислотности (pH) почвы имеет решающее значение для любого садовода, фермера или ландшафтного дизайнера. Этот показатель напрямую определяет, насколько успешно будут развиваться растения и какой урожай они принесут.
Вот главные причины, почему уровень pH почвы так важен.
1. Доступность питательных веществ
Даже если почва богата органикой и удобрениями, растения не смогут их усвоить, если pH находится в неоптимальном диапазоне.
В кислой почве (pH < 5.5) блокируется усвоение фосфора, калия, кальция и магния. При этом резко возрастает растворимость алюминия и марганца, что становится токсичным для корней.
В щелочной почве (pH > 7.5) для растений становятся недоступными железо, марганец, бор, цинк и медь. Это часто приводит к хлорозу (пожелтению листьев).
2. Жизнедеятельность полезных микроорганизмов
Почвенная микрофлора (бактерии и грибы) перерабатывает органику в доступную для растений форму.
Большинство полезных бактерий, включая азотфиксирующие, активно работают только при нейтральном или слабокислом pH (6.0–7.0).В слишком кислой среде полезные бактерии угнетаются, зато начинают активно развиваться патогенные грибы.
3. Экономия на удобрениях
Внесение удобрений в «неправильную» почву — это пустая трата денег. Если pH не скорректирован, большая часть азота, фосфора и калия просто вымывается дождями или переходит в нерастворимую, бесполезную для корней форму.
4. Индивидуальные потребности растений
Разные культуры эволюционировали в разных условиях, поэтому универсального pH для всех не существует:
Ацидофилы (любят кислую почву, pH 4.5–5.5): голубика, гортензия, клюква, рододендроны, хвойные растения.
Нейтралы (pH 6.0–7.0): большинство овощей (томаты, огурцы, перцы), газонные травы, розы, плодовые деревья.
Кальцефилы (любят слабощелочную почву, pH 7.0–8.0): лаванда, клематисы, капуста, виноград.