今天在《自然食品》中描述的這項技術(shù)可以幫助種植者計算出在作物上使用肥料的最佳時間以及需要多少肥料，同時考慮到天氣和土壤狀況等因素。這將減少過度施肥對環(huán)境造成的昂貴和環(huán)境破壞影響，過度施肥會釋放溫室氣體一氧化二氮并污染土壤和水道。

迄今為止，過度施肥已導(dǎo)致全球 12% 的曾經(jīng)可耕地?zé)o法使用，過去 50 年中氮肥的使用量增加了 600%。然而，作物種植者很難精確地調(diào)整他們自己的肥料使用量：太多，他們冒著環(huán)境破壞和金錢浪費的風(fēng)險；太少，他們可能會面臨作物產(chǎn)量低下的風(fēng)險。這種新傳感技術(shù)背后的研究人員表示，它可以為環(huán)境和種植者帶來好處。

這種名為化學(xué)功能化紙基電子氣體傳感器 (chemPEGS) 的傳感器可測量土壤中銨的含量——這種化合物會被土壤細菌轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽。使用一種稱為機器學(xué)習(xí)的人工智能，它將其與天氣數(shù)據(jù)、施肥時間、pH 值和土壤電導(dǎo)率測量值相結(jié)合。它使用這些數(shù)據(jù)來預(yù)測土壤現(xiàn)在的總氮含量以及未來最多 12 天的總氮含量，從而預(yù)測施肥的最佳時間。

這項研究確定了這種新的低成本解決方案如何幫助種植者以最少的施肥量獲得最多的作物，特別是對于小麥等需要肥料的作物。該技術(shù)可以同時減少種植者的費用和氮基肥料（最廣泛使用的肥料類型）對環(huán)境的危害。

在倫敦帝國理工學(xué)院生物工程系共同開發(fā)這項技術(shù)的首席研究員 Max Grell 博士說：“無論從環(huán)境還是經(jīng)濟角度來說，過度施肥的問題都不為過。產(chǎn)量和由此產(chǎn)生的收入逐年下降，種植者不'目前沒有他們需要的工具來解決這個問題。

“我們的技術(shù)可以幫助種植者了解土壤中目前有多少氨和硝酸鹽，并根據(jù)天氣條件預(yù)測未來會有多少，從而幫助解決這個問題。這可以讓他們微調(diào)施肥以適應(yīng)土壤土壤和作物的特殊需求�！�

氮污染

過量的氮肥會將一氧化二氮釋放到空氣中，這是一種比二氧化碳強 300 倍的溫室氣體，會導(dǎo)致氣候危機。多余的肥料也可能被雨水沖刷到水道中，從而剝奪水生生物的氧氣，導(dǎo)致藻類大量繁殖并減少生物多樣性。

然而，仍然難以根據(jù)土壤和作物需求精確調(diào)整施肥水平。測試很少見，目前測量土壤氮的方法包括將土壤樣品送到實驗室——這是一個漫長而昂貴的過程，其結(jié)果在到達種植者手中時用途有限。

這種新的低成本方法可以加快測試土壤的過程。雖然 chemPEGS 僅測量銨，但機器學(xué)習(xí)組件允許它預(yù)測土壤中硝酸鹽的當(dāng)前水平以及未來硝酸鹽和銨的水平。

帝國理工學(xué)院生物工程系的資深作者兼首席研究員 Firat Guder 博士說：“我們的大部分食物來自土壤——一種不可再生的資源，如果我們不照顧它，我們就會失去它。這與來自農(nóng)業(yè)的氮污染給地球帶來了一個難題——我們希望通過精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)幫助解決這個難題。

“我們的傳感技術(shù)可以足夠準(zhǔn)確地測量和預(yù)測土壤氮，以預(yù)測天氣對施肥計劃的影響，并調(diào)整作物需求的時間，我們希望這將有助于減少過度施肥，同時提高作物產(chǎn)量和種植者的利潤�！�

研究人員預(yù)計目前處于原型階段的 chemPEGS 和相關(guān)人工智能技術(shù)將在三到五年內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化，并進行更多的測試和制造標(biāo)準(zhǔn)化。