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

迄今為止，過(guò)度施肥已導(dǎo)致全球 12% 的曾經(jīng)可耕地?zé)o法使用，過(guò)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(qián)浪費(fèi)的風(fēng)險(xiǎn)；太少，他們可能會(huì)面臨作物產(chǎn)量低下的風(fēng)險(xiǎn)。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(lái)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(cè)量土壤中銨的含量——這種化合物會(huì)被土壤細(xì)菌轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽。使用一種稱(chēng)為機(jī)器學(xué)習(xí)的人工智能，它將其與天氣數(shù)據(jù)、施肥時(shí)間、pH 值和土壤電導(dǎo)率測(cè)量值相結(jié)合。它使用這些數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)土壤現(xiàn)在的總氮含量以及未來(lái)最多 12 天的總氮含量，從而預(yù)測(cè)施肥的最佳時(shí)間。

這項(xiàng)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(duì)于小麥等需要肥料的作物。該技術(shù)可以同時(shí)減少種植者的費(fèi)用和氮基肥料（最廣泛使用的肥料類(lèi)型）對(duì)環(huán)境的危害。

在倫敦帝國(guó)理工學(xué)院生物工程系共同開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)的首席研究員 Max Grell 博士說(shuō)：“無(wú)論從環(huán)境還是經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)，過(guò)度施肥的問(wèn)題都不為過(guò)。產(chǎn)量和由此產(chǎn)生的收入逐年下降，種植者不'目前沒(méi)有他們需要的工具來(lái)解決這個(gè)問(wèn)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(cè)未來(lái)會(huì)有多少，從而幫助解決這個(gè)問(wèn)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(guò)量的氮肥會(huì)將一氧化二氮釋放到空氣中，這是一種比二氧化碳強(qiáng) 300 倍的溫室氣體，會(huì)導(dǎo)致氣候危機(jī)。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(lèi)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(cè)試很少見(jiàn)，目前測(cè)量土壤氮的方法包括將土壤樣品送到實(shí)驗(yàn)室——這是一個(gè)漫長(zhǎng)而昂貴的過(guò)程，其結(jié)果在到達(dá)種植者手中時(shí)用途有限。

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

帝國(guó)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(shuō)：“我們的大部分食物來(lái)自土壤——一種不可再生的資源，如果我們不照顧它，我們就會(huì)失去它。這與來(lái)自農(nóng)業(yè)的氮污染給地球帶來(lái)了一個(gè)難題——我們希望通過(guò)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)幫助解決這個(gè)難題。

“我們的傳感技術(shù)可以足夠準(zhǔn)確地測(cè)量和預(yù)測(cè)土壤氮，以預(yù)測(cè)天氣對(duì)施肥計(jì)劃的影響，并調(diào)整作物需求的時(shí)間，我們希望這將有助于減少過(guò)度施肥，同時(shí)提高作物產(chǎn)量和種植者的利潤(rùn)�！�

研究人員預(yù)計(jì)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(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并進(jìn)行更多的測(cè)試和制造標(biāo)準(zhǔn)化。