Jak działają czujniki azotu?

Tak naprawdę, czujniki o których mowa, nie wykrywają azotu. Wszystkie systemy czujników optycznych korzystają z tego, że lepiej odżywione rośliny są bardziej zielone niż inne, ale sposób ich działania różni się szczegółami.



Dlaczego rośliny są zielone?

Otóż, lepiej pochłaniają światło o długościach fal odpowiadających barwie czerwonej i niebieskiej niż długości fal światła zielonego. Odcień zieleni roślin zależy od dostępności azotu, ponieważ jest on niezbędnym budulcem do tworzenia pigmentów chlorofilowych w tkankach roślin.
W zależności od odżywienia roślin, niektóre długości fal światła widzialnego są odbijane bardziej niż inne. Zatem wystarczy określić precyzyjnie kolor rośliny za pomocą czujnika światłoczułego. To prawda, ale takie stwierdzenie zbytnio upraszcza zasadę działania czujników, które na bieżąco mają określać rzeczywiste zapotrzebowanie na azot.

Czujnik azotu, jak to działa?

Określenie czujnik azotu jest nadmiernym uproszczeniem, ponieważ żaden czujnik nie mierzy rzeczywistej zawartości azotu. Stosuje się raczej wskaźniki wegetacyjne, które nie tylko pozwalają określić obsadę roślin, ale także stopień ich odżywienia azotem. Naukowcy dostrzegli ten związek w trakcie wieloletnich doświadczeń.

Kluczowe parametry są obliczane na podstawie wyników pomiaru długości fali światła odbitego. Rośliny dobrze zaopatrzone w azot pochłaniają widzialne światło czerwone, a odbijają światło bliskiej podczerwieni, czyli w zakresie niewidzialnym. Z kolei rośliny słabo odżywione odbijają światło czerwone, a pochłaniają te w bliskiej podczerwieni. Tak więc czujniki azotu są w rzeczywistości czujnikami światła, które mierzą natężenie światła odbitego przez rośliny.

Fotodetektorami mogą być różne elementy elektroniczne. W większości czujników (Crop Circle, Greenseeker, Yara N-Sensor ALS, Isaria) montowanych jest kilka fotodiod. Inne rozwiązania to fotopowielacz (MiniVeg N) lub spektrometr (Yara N-Sensor).

Fotodiody przetwarzają światło na ładunki elektryczne. W zależności od zastosowanego materiału półprzewodnikowego, diody są czułe na różne długości fal świetlnych. Wytwarzane napięcie jest proporcjonalne do natężenia światła padającego na fotodiody.

W porównaniu z fotodiodami fotopowielacze są bardziej złożonymi elementami elektronicznymi. Dzięki lampie próżniowej wzmacniającej słabe sygnały wykrywają nawet pojedyncze fotoelektrony.

W spektrometrze zintegrowane są m.in. elementy optyczne, które rozszczepiają światło na poszczególne barwy (długości fal). Dlatego rejestrują i analizują całe spektrum długości fal światła. W spektrometr wyposażony jest np. czujnik Yara N-Sensor, więc może rejestrować cały zakres długości fali światła widzialnego – od niebieskiego do czerwonego, a także niewidzialnego (dla ludzkiego oka) – w zakresie bliskiej podczerwieni. Do określenia stopnia odżywienia roślin azotem istotne są tylko dwa zakresy długości fali, dlatego czujnik Yara N-Sensor wybiera z całego widma tylko te dwa.

Czujnik wykorzystujący promieniowanie słoneczne jako źródło światła, ma pewną niedogodność: jego działanie zależy od nasłonecznienia. Jego intensywność jest oczywiście mierzona i normalizowana, ale czujnik nie działa w ciemności. Ten problem rozwiązują czujniki aktywne, które oświetlają rośliny sztucznym światem. Istotne są reakcje roślin w zakresie długości fal światła czerwonego i bliskiej podczerwieni, dlatego czujniki azotu oświetlają je głównie światłem czerwonym i mierzą natężenie promieni odbitych.


Na podstawie danych z czujników określających zaopatrzenie roślin w azot, system reguluje dawkę wysiewu nawozu w rozsiewaczach. Trzeba jednak pamiętać, że żaden czujnik światła nie rozpozna, czy rośliny są mniej zielone przez brak azotu, czy przyczyną jest stres spowodowany suszą, niedoborem magnezu, chorobami lub zachwaszczeniem.



Wskaźniki wegetacyjne

NDVI

Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) jest powszechnie uznanym wskaźnikiem opisującym wzrost biomasy. Oblicza się go, mierząc odbicie światła o dwóch długościach fal (światła czerwonego i bliskiej podczerwieni). Określany jest również wskaźnik biomasy, np. za pomocą teledetekcji satelitarnej. Wartość ta przede wszystkim określa bujność szaty roślinnej danego obszaru. Jej przydatność do oceny dostępności azotu może budzić wątpliwości, ponieważ gęsty i dobrze odżywiony łan jest w pewien sposób nasycony, co utrudnia, a nawet uniemożliwia określenie różnic.

Fluorescencja chlorofilu

Światło pobudza chlorofil w roślinach do świecenia, czyli tzw. fluorescencji. Można to uzyskać, naświetlając liście roślin, np. światłem lasera o niskiej mocy. Chlorofil, pochłaniając światło wzbudzające o określonej długości fali i energii, emituje światło o większej długości fali, ale mniejszej energii. Ponieważ chlorofil reaguje na światło laserowe w bardzo charakterystyczny sposób, fluorescencja chlorofilu wywołana laserem pozwala na bardzo dokładne określenie aktywności fotosyntetycznej, a co za tym idzie – zawartości azotu. Ze względów bezpieczeństwa i oddziaływania na rośliny siła lasera w czujniku azotu jest ograniczona, więc elementy robocze muszą być prowadzone bardzo blisko łanu.

Autor: Artur Jakubek