画期的な土壌センサーが収穫量向上と肥料コスト削減を実現する可能性

Tokyoウィスコンシン大学マディソン校のエンジニアたちは、土壌中の硝酸塩レベルを継続的に監視する手頃な価格のセンサーを開発しました。このセンサーは、農家が肥料の使用についてより良い判断を行うのを助けることができます。研究を指導している機械工学の助教、ジョセフ・アンドリューズ氏は、土壌の栄養レベルを知ることにより、農家は適切な量の肥料を使用でき、大規模農家にとっては特に多くのコストを節約できると述べています。

従来の硝酸塩レベルの測定方法は、時間がかかり、費用も高く、すぐに結果を確認できないという問題があります。これを解決するために、アンドリュース氏とそのチームは、インクジェット印刷技術を利用して、低コストかつ効率的な新しい方法を開発しました。この技術で作られたポテンショメトリックセンサーは、液体中の硝酸塩を正確に測定できます。しかし、これらのセンサーは土壌には適しておらず、粗い土壌粒子がセンサーを傷つけ、測定結果の正確さに影響を与えることがあります。

研究者たちはこの問題を解決するために、センサーにポリフッ化ビニリデン（PVDF）の層を施しました。PVDFには2つの重要な特性があります。

• 400ナノメートルの微細な孔は硝酸イオンを通過させ、土壌の粒子を遮断します。
• 親水性の特性により水を引き寄せ、硝酸を含んだ水分を吸収します。

水に含まれる硝酸塩は、土壌よりも容易にセンサーに吸収されます。これは、センサーが土壌と水分を競うことができるため重要です。これらの特性により、センサーは硝酸塩を含む水を正確に測定することができると、アンドリュース氏は述べています。

チームは2024年3月にAdvanced Material Technologies誌に研究成果を発表しました。彼らはウィスコンシン州の2種類の土壌でセンサーをテストしました。1つは州の北中央部から採取された砂質土壌、もう1つは南西部のシルト壌です。どちらの試験においても正確な結果を得ることができました。

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研究者たちは、新しいシステムである「センサーシール」に硝酸センサーを追加しています。このシールには、硝酸、湿度、温度を測定するための3つのセンサーが組み込まれており、柔軟性があり、裏面が接着剤でできています。研究者たちは、このシールをラッドに異なる高さで複数貼り付け、土の中に埋める予定です。この方法により、異なる深さからデータを取得することが可能になります。

このシステムにより、研究者は硝酸塩がどれだけ漏れ出し移動しているかを測定できます。「土壌の異なる深さで硝酸塩、湿度、温度を確認することで、これまでできなかった硝酸塩の移動過程を明らかにできるようになりました」とアンドリュースは述べています。

2024年の夏、研究者たちはUW-Madisonのハンコックおよびアーリントン農業研究ステーションで30本のセンサーを土壌に設置して検証を行う予定です。この技術に関して、ウィスコンシン同窓生研究基金が特許を申請中です。

研究チームには、陳冠瑜、アートゥレシャ・ビスワス、蔡碩浩、そして土壌科学の専門家である黄静宜教授が参加しています。この研究は、米国農務省の農業・食糧研究イニシアチブ、国立科学財団の土壌信号プログラム、およびウィスコンシン大学マディソン校の乳製品イノベーションハブからの資金提供を受けています。