新型土壤传感器助力精准农业：独立测量氮气和温度，提高作物施肥效率

在农业生产中，对土壤条件的连续和实时监测至关重要，特别是氮利用和土壤温度。为此，宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学纪念副教授Huanyu “Larry” Cheng领导的研究团队开发出了一种多参数土壤传感器，可以独立测量氮气和温度，为精准农业提供了有力支持。

这项研究成果最近由Advanced Materials发表。该传感器采用了一种基于掺钒激光诱导石墨烯泡沫的新型设计，能够实现对氮气和温度的独立测量。这一突破性的技术对于实现精准农业、评估作物健康、减少环境污染具有重要意义。

传统的肥料施用方法往往难以掌握最佳的施肥量。当氮肥使用不足时，作物产量可能低于最佳水平；而当使用过多时，则会造成肥料浪费、植物烧伤以及有害的氮气释放到环境中。因此准确检测氮水平，特别是以气体形式损失的氮，对于帮助农民实现最佳施肥水平至关重要。

土壤温度也是影响作物生长的重要因素之一。温度会影响土壤中的物理、化学和微生物过程，因此持续监测土壤温度有助于农民在温度过高或过低时制定策略和干预措施。然而，传统的传感器往往难以区分氮气和温度的变化。Cheng的团队通过设计制造一种高性能传感器，实现了氮损失和土壤温度的完全解耦检测。该传感器采用掺钒氧化物的石墨烯泡沫，能够吸附氮气并与氮气相互作用，同时提高气体吸附和检测灵敏度。

此外，该传感器还采用了特殊的封装技术，可阻挡氮气渗透，使传感器仅对温度变化作出响应。当需要测量氮气时，可以移除封装，使传感器在高温下工作。这样消除了土壤中相对湿度和温度的影响，从而实现了氮气和温度的准确测量。

Cheng表示，这种解耦传感机制可以用于设计和应用多模式设备，以实现精准农业，在所有天气条件下优化作物生长。同时检测超低氮氧化物浓度和小温度变化的能力为开发具有解耦传感机制的多模态电子设备铺平了道路，这些设备可广泛应用于精准农业、健康监测等领域。