Nanosatellitter forbedrer detektion af majs-nitrogen-stress i den tidlige sæson

For majsdyrkere, beslutningen om, hvornår og hvor meget kvælstofgødning, der skal udbringes, er en flerårig udfordring. Forskere ved University of Illinois har vist, at nanosatellitter kendt som CubeSats kan detektere nitrogenstress tidligt på sæsonen, potentielt give landmændene en chance for at planlægge kvælstofgødning i sæsonen og afhjælpe næringsstress for afgrøder.

"Ved at bruge denne teknologi, vi kan muligvis se nitrogenstresset tidligt, før du kvaster. Det betyder, at landmændene ikke behøver at vente til slutningen af ​​sæsonen for at se virkningen af ​​deres beslutninger om nitrogenanvendelse. " siger Kaiyu Guan, assisterende professor ved Institut for Naturressourcer og Miljøvidenskab ved University of Illinois, og Blue Waters professor ved National Center for Supercomputing Applications. Han er også hovedforsker på en ny undersøgelse offentliggjort i IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing .

At kunne detektere og håndtere ændringer i afgrødens næringsstofstatus i realtid er af afgørende betydning for at undgå skader i kritiske perioder og optimere udbyttet. Generelt, eksisterende satellitteknologi kan ikke opnå både høj rumlig opløsning og høj genbesøgsfrekvens (hvor ofte en given satellit vender tilbage til det samme sted over Jorden). Alternativt droner kan registrere næringsstofstatus i realtid, men de kan normalt kun dække lokale områder; dermed, deres nytte er begrænset i omfang.

CubeSats bygger bro mellem eksisterende satellitteknologi og droner. Med mere end 100 af de relativt små satellitter, der i øjeblikket er i kredsløb, Guan siger, "CubeSats fra Planet kommer ned til en opløsning på 3 meter og besøger det samme sted igen med få dages mellemrum. Så, lige nu kan vi overvåge afgrødens nitrogenstatus i realtid for et meget bredere område end droner."

Guan og hans samarbejdspartnere testede evnerne af både droner og CubeSats for at opdage ændringer i majs klorofylindhold, en proxy for anlæggets nitrogenstatus. Forskerne fokuserede på et forsøgsfelt i det centrale Illinois i feltsæsonen 2017. Majs i marken var nitrogenstresset i varierende grad på grund af flere nitrogenpåføringsmængder og tidspunkter, inklusive alt kvælstof anvendt ved plantning, og opdele applikationer på flere udviklingsstadier.

Det analyserede felt var et af flere i en større undersøgelse, der kiggede på nitrogenhastigheder og timing, sat op af Emerson Nafziger, professor emeritus i Department of Crop Sciences i Illinois og medforfatter på undersøgelsen.

"Idéen var at se, hvor stor effekt timing og form for kvælstofgødning ville have på udbyttet. Denne undersøgelse giver mulighed for en evaluering af, hvor godt billeddannelsen kunne fange udbytteresponser på nitrogen anvendt ved forskellige hastigheder og tidspunkter, " siger Nafziger.

Forskerne sammenlignede billeder fra droner og CubeSats, og deres signaler matchede godt med vævsnitrogenmålinger taget fra blade i marken på en ugentlig basis. Begge teknologier var i stand til at detektere ændringer i klorofylindholdet med en tilsvarende grad af nøjagtighed og på samme tidspunkt i sæsonen.

"Denne information genererer rettidige og handlingsrettede indsigter relateret til nitrogenstress, og så kunne give vejledning til yderligere nitrogenpåføring, hvor det er nødvendigt, " siger Guan.

Implikationerne rækker ud over at optimere udbyttet.

"De lave omkostninger til kvælstofgødning og høje majsudbyttepotentiale motiverer landmændene til at anvende ekstra kvælstof som 'forsikring' mod kvælstofmangel, der sænker udbyttet. Men at tilføre mere kvælstof, end afgrøden kræver, er både en økonomisk og miljømæssig risiko, " siger Yaping Cai, kandidatstuderende i Guans forskningsgruppe og hovedstuderende forfatter på papiret.

Guan tilføjer, "Et bedre værktøj til gødningsbrug, aktiveret gennem ny satellitteknologi og økosystemmodellering, i sidste ende kunne hjælpe landmændene med at reducere omkostningerne, øge udbyttet, og i mellemtiden reducere det miljømæssige fodaftryk for et bæredygtigt landbrugslandskab."

Artiklen, "Detektering af nitrogen-stress fra majs i sæsonen til markforsøg ved hjælp af UAV- og CubeSat-baseret multispektral sensing, " er udgivet i IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing.