Sensores de solo podem ajudar os agricultores a reduzir o uso de fertilizantes

A tecnologia de sensoriamento inteligente para ajudar os agricultores a usar fertilizantes de forma mais eficaz e reduzir os danos ambientais foi criada por bioengenheiros imperiais.

A tecnologia, descrita na Nature Food, pode ajudar os produtores a definirem a melhor época para usar o fertilizante nas suas explorações e a quantidade necessária, considerando fatores como clima e condição do solo. Isso reduziria os efeitos caros e prejudiciais ao meio ambiente da superfertilização do solo, que libera o gás de efeito estufa óxido nitroso e pode poluir o solo e os cursos d’água.

A nossa tecnologia poderia permitir aos agricultores saber quanto amoníaco e nitrato se encontram actualmente no solo, e prever quanto haverá no futuro com base nas condições meteorológicas.
Dr. Max Grell
Departamento de Bioengenharia

A sobrefertilização tornou até agora 12% das terras outrora utilizáveis a nível mundial inutilizáveis e a utilização de fertilizantes à base de azoto aumentou em 600% nos últimos 50 anos.No entanto, é difícil para os produtores agrícolas adaptar com precisão a sua própria utilização de fertilizantes: demasiado e arriscam-se a danos ambientais e desperdício de dinheiro; demasiado pouco e arriscam-se a um fraco rendimento das culturas.

Os investigadores por detrás desta nova tecnologia de detecção dizem que ela poderia trazer benefícios tanto para o ambiente como para os agricultores.

O sensor, denominado sensor de gás elétrico baseado em papel quimicamente funcionalizado (chemPEGS), mede os níveis de amónio no solo – o composto que é convertido em nitritos e nitratos pelas bactérias do solo. Usando um tipo de IA chamado aprendizado de máquina, ele combina isso com dados meteorológicos, tempo desde a fertilização, pH e medições de condutividade do solo. Ele usa esses dados para prever quanto nitrogénio total o solo tem agora e quanto terá até 12 dias no futuro, para prever o momento ideal para a fertilização.

O estudo identifica como os quimiPEGS podem ajudar os produtores a produzir o máximo de colheitas com fertilização mínima

O estudo identifica como esta nova solução de baixo custo pode ajudar os produtores a produzirem colheitas máximas com fertilização mínima, especialmente para colheitas que precisam de fertilizantes, como o trigo. A tecnologia pode reduzir simultaneamente as despesas dos produtores e os danos ambientais de fertilizantes à base de nitrogénio – o tipo de fertilizante mais amplamente utilizado.

O investigador líder, Dr. Max Grell, que co-desenvolveu a tecnologia no Departamento de Bioengenharia do Imperial College London, disse: “É difícil exagerar o problema da superfertilização tanto ambiental quanto economicamente. Os rendimentos e a receita resultante diminuem ano a ano, e os produtores não têm atualmente as ferramentas de que precisam para combater isso.

“Nossa tecnologia pode ajudar a resolver esse problema, capacitando os produtores a saber quanto nitrato de amónio estão atualmente no solo e prever quanto haverá no futuro com base nas condições climáticas. Isso poderia permitir que eles ajustassem a fertilização de acordo com as necessidades específicas do solo e das colheitas ”.

Poluição de nitrogénio

Grande parte da nossa comida vem do solo – um recurso não renovável que perderemos se não cuidarmos dele. Isso, combinado com a poluição de nitrogénio da agricultura, apresenta um enigma para o planeta – que esperamos ajudar a resolver com a agricultura de precisão.
Dr. Firat Guder
Departamento de Bioengenharia

O excesso de fertilizantes de nitrogénio libera óxido nitroso no ar, um gás de efeito estufa 300 vezes mais potente do que o dióxido de carbono que contribui para a crise climática. O excesso de fertilizantes também pode ser levado pela chuva para os cursos d’água, onde priva a vida aquática de oxigénio, levando à proliferação de algas e redução da biodiversidade.

No entanto, continua difícil ajustar com precisão os níveis de fertilização às necessidades do solo e da cultura. Os testes são raros e as formas atuais de medir o nitrogénio do solo envolvem o envio de amostras de solo a laboratórios – um processo demorado e caro, cujos resultados são de uso limitado no momento em que chegam ao produtor.

Esta nova abordagem de baixo custo pode acelerar o processo de teste do solo. Enquanto o chemPEGS mede apenas amónio, o componente de aprendizado de máquina permite que ele preveja os níveis atuais de nitrato e os níveis futuros de nitrato e amónio no solo.

O autor sénior e investigador principal, Dr. Firat Guder, do Departamento de Bioengenharia do Imperial, disse: “Muito da nossa comida vem do solo – um recurso não renovável que perderemos se não cuidarmos dele. Isso, combinado com a poluição por nitrogénio da agricultura, apresenta um enigma para o planeta – que esperamos ajudar a resolver com a agricultura de precisão.

“Nossa tecnologia de detecção pode medir e prever o nitrogénio do solo com precisão suficiente para prever o impacto do clima no planejamento da fertilização e ajustar o tempo para as necessidades da colheita, que esperamos que ajude a reduzir a superfertilização enquanto melhora os rendimentos das colheitas e os lucros para os produtores.”

Os investigadores esperam que o chemPEGS e a tecnologia de IA associada, que atualmente estão em estágio de protótipo, estejam disponíveis para comercialização em três a cinco anos, com mais testes e padronização de fabricação.

Este trabalho foi financiado pela EPSRC, Innovate UK e Cytiva.

“Sensores de ponto de uso e aprendizado de máquina permitem a determinação de baixo custo de nitrogénio do solo” por Max Grell, Giandrin Barandun, Tarek Asfour, Michael Kasimatis, Alex Silva Pinto Collins, Jieni Wang e Firat Güder.

Publicado em 13 de dezembro de 2021 na Nature Food. Autoria: Caroline Brogan

Imagens e vídeo: Tarek Asfour / Phil Coatsworth / Firat Guder.