Cảm biến đất giá rẻ giúp nông dân tiết giảm phân bón

Ngoài ra, công nghệ mới áp dụng trí tuệ nhân tạo (AI) còn làm giảm các tác động gây hại đến môi trường cũng như chi phí tốn kém của việc bón phân quá nhiều trên đất, hoạt động gây giải phóng khí nhà kính nitơ oxit và có thể gây ô nhiễm đất và nguồn nước.

Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc bón phân quá mức cho đồng ruộng đã khiến 12% diện tích đất canh tác trên toàn thế giới bị thoái hóa, không thể sử dụng được và việc sử dụng phân bón có gốc từ nitơ đã gia tăng 600% trong 50 năm qua.

Tuy nhiên, vấn đề là hiện nông dân vẫn rất khó để điều chỉnh chính xác việc sử dụng phân bón cho mùa màng của họ. Việc lạm dụng phân bón vừa góp phần hủy hoại môi trường và vừa lãng phí tiền bạc, trong khi nếu bón phân ít quá thì nông dân đối diện với nguy cơ năng suất cây trồng kém.

Các nhà nghiên cứu ra loại công nghệ cảm biến đất ứng dụng AI cho biết, công cụ mới mẻ này có thể mang lại lợi ích cho cả môi trường và nông dân.

Cảm biến được đặt tên là cảm biến khí điện dựa trên một loại giấy có chức năng hóa học (chemPEGS) để đo hàm lượng amoni trong đất- hợp chất được vi khuẩn trong đất chuyển thành nitrit và nitrat. Một loại trí tuệ nhân tạo được gọi là học máy (machine learning), kết hợp dữ liệu này với dữ liệu thời tiết, độ ẩm của đất, thời điểm bón phân, độ pH và các phép đo bức xạ, ánh sáng, độ dẫn điện của đất. Sau đó nó đồng bộ tất cả bộ dữ liệu này để dự đoán tổng lượng nitơ mà đất đang có và tính toán được lượng sẽ có trong vòng 12 ngày tới, để dự đoán thời gian bón phân tối ưu.

Nghiên cứu xác định làm thế nào để giải pháp chi phí thấp mới này có thể giúp người trồng trọt đạt năng suất tối đa, trong khi chỉ bỏ ra một lượng bón phân tối thiểu, đặc biệt là đối với các loại cây trồng khát phân bón như lúa mì. Công nghệ này đồng thời có thể giảm chi phí của người nông dân và tác hại đến môi trường do phân bón gốc nitơ - loại phân bón được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay.

Trưởng nhóm nghiên cứu, tiến sĩ Max Grell, người đồng phát triển công nghệ tại Khoa Kỹ thuật Sinh học của Đại học Imperial College London, cho biết: "Thật khó khăn để nói về vấn đề sử dụng quá mức phân bón ảnh hưởng đến cả môi trường và kinh tế. Năng suất và kết quả là thu nhập giảm theo từng năm, và người trồng trọt hiện không có các công cụ cần thiết để chống lại điều này”.

Theo tiến sĩ Max Grell, công nghệ của chúng tôi có thể giúp giải quyết vấn đề này bằng cách cho phép người trồng trọt biết được lượng amoniac và nitrat hiện có trong đất và dự đoán lượng amoniac và nitrat sẽ có trong tương lai dựa trên điều kiện thời tiết. Điều này có thể cho phép họ điều chỉnh việc bón phân cho phù hợp nhu cầu cụ thể của đất và từng loại cây trồng.

Giải pháp này hứa hẹn khắc phục lượng phân đạm dư thừa giải phóng oxit nitơ vào không khí, tạo ra một loại khí nhà kính cao gấp 300 lần so với khí cacbonic và góp phần gây ra khủng hoảng khí hậu. Phân bón dư thừa cũng có thể bị mưa cuốn trôi vào các đường thoát nước, làm tước mất oxy của các loài thủy sinh, dẫn đến hiện tượng tảo nở hoa và giảm đa dạng sinh học.

Theo đánh giá của các chuyên gia, cách tiếp cận mới với chi phí thấp này có thể đẩy nhanh quá trình thử nghiệm đất. Trong khi chemPEGS chỉ đo amoni, thành phần học máy cho phép nó dự đoán mức nitrat hiện tại và mức nitrat và amoni trong đất trong tương lai.

Tác giả kiêm điều tra viên chính, tiến sĩ Firat Guder, thuộc Khoa Kỹ thuật Sinh học của Đại học Imperial, cho biết: "Phần lớn thực phẩm của chúng ta đều đến từ đất - một nguồn tài nguyên không thể tái tạo mà chúng ta sẽ có thể đánh mất một khi chúng ta không quan tâm đến nó. Điều này, kết hợp với ô nhiễm nitơ từ hoạt động sản xuất nông nghiệp, đang đặt ra một bài toán hóc búa cho hành tinh - một bài toán mà chúng tôi hy vọng sẽ giúp giải quyết được vấn đề bằng nông nghiệp chính xác”.

Nông nghiệp chính xác, còn được gọi là nông nghiệp thông minh là phương pháp cho phép nông dân giảm thiểu chi phí đầu vào trong khi tối đa hóa sản lượng bằng cách sử dụng các nguồn tài nguyên tối thiểu như phân bón, nước, hạt giống… Việc lập bản đồ đồng ruộng và triển khai các cảm biến cho phép nông dân hiểu rõ được cây trồng của họ ở quy mô vi mô, sau đó giảm tác động đến môi trường và qua đó góp phần bảo tồn tài nguyên.

Các nhà nghiên cứu hy vọng chemPEGS và công nghệ AI liên quan, hiện đang ở giai đoạn tiên phong, sẽ có sẵn để thương mại hóa sau 3-5 năm nữa với nhiều thử nghiệm và tiêu chuẩn hóa sản xuất hơn.