威斯康星大学麦迪逊分校的工程师们创造了可负担的传感器，可以持续监测威斯康星州常见土壤类型中的硝酸盐水平。这些创新的印刷传感器可以帮助农民更好地做出关于管理养分的决策，从而提高作物产量并节省成本。
“我们的传感器为农民提供了关于土壤养分水平和植物硝酸盐可用性的重要信息，使他们能够优化施肥使用，”威斯康星大学麦迪逊分校机械工程助理教授约瑟夫·安德鲁斯解释道。“减少化肥使用可以为大型农场带来显著的节省。”
虽然硝酸盐对作物生长至关重要，但过量的硝酸盐可能会污染地下水，给人类健康和环境带来风险。研究人员开发的新传感器还可以作为研究硝酸盐淋洗及促进最小化其负面影响的实践的工具。
目前用于监测土壤中硝酸盐水平的方法成本高昂、劳动密集，并且缺乏实时数据。这激发了安德鲁斯和他的团队创造一种更高效和经济的解决方案。
研究人员采用喷墨打印工艺制造了电位测量传感器，这是一种常用于测量液体溶液中硝酸盐的薄膜电化学传感器。然而，这些传感器最初并未设计用于土壤环境，因为土壤颗粒可能会造成干扰。
为了应对这一挑战，团队在传感器上引入了一层聚偏二氟乙烯材料。这种材料具有微小的孔隙，允许硝酸盐离子进入，同时阻挡土壤颗粒。此外，它是亲水的，有助于吸收水分，从而创造出有利于准确测量硝酸盐的环境。
研究人员在2024年3月在《先进材料技术》期刊上发表了他们的研究成果。
这些传感器在威斯康星州发现的两种不同土壤类型——沙土和粉壤土中成功测试，证明其结果准确。该团队现在将这些硝酸盐传感器集成到一个“传感贴纸”系统中，该系统还包括湿度和温度传感器。
通过使用附着在埋入土壤不同深度的杆上的传感贴纸，研究人员可以追踪硝酸盐、湿度和温度水平。这种方法允许全面了解硝酸盐淋洗过程及其在土壤中的移动。
在2024年夏季，研究人员计划在威斯康星大学麦迪逊分校的汉考克农业研究站和阿灵顿农业研究站部署30根传感杆进行进一步测试。该团队还希望通过威斯康星州校友研究基金会申请专利。
来自威斯康星大学麦迪逊分校的共同作者包括陈冠宇、阿特雷沙·比斯瓦斯、蔡烁豪，以及土壤科学教授黄静怡。
这项研究得到了美国农业部农业和食品研究倡议基础项目（项目编号：WIS04075）、国家科学基金会土壤中的信号资助（2226568），以及威斯康星大学麦迪逊分校乳制品创新中心的支持。
