För majsodlare, beslutet om när och hur mycket kvävegödsel som ska spridas är en ständig utmaning. Forskare vid University of Illinois har visat att nanosatelliter kända som CubeSats kan upptäcka kvävestress tidigt på säsongen, potentiellt ge bönder en chans att planera säsongsapplicering av kvävegödselmedel och lindra näringsstress för grödor.

"Med den här tekniken, vi kan möjligen se kvävestressen tidigt, före tofsning. Det betyder att bönder inte behöver vänta till slutet av säsongen för att se effekten av deras beslut om kväveanvändning, "säger Kaiyu Guan, biträdande professor vid Institutionen för naturresurser och miljövetenskap vid University of Illinois, och Blue Waters professor vid National Center for Supercomputing Applications. Han är också huvudforskare i en ny studie publicerad i IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing .

Att kunna upptäcka och hantera förändringar i grödans näringsstatus i realtid är mycket viktigt för att undvika skador under kritiska perioder och optimera skörden. I allmänhet, befintlig satellitteknik kan inte uppnå både hög rumslig upplösning och hög återbesöksfrekvens (hur ofta en given satellit kommer tillbaka till samma plats ovanför jorden). Alternativt, drönare kan upptäcka näringsstatus i realtid, men de kan vanligtvis bara täcka lokala områden; Således, deras användbarhet är begränsad i skala.

CubeSats överbryggar klyftan mellan befintlig satellitteknik och drönare. Med mer än 100 av de relativt små satelliterna som för närvarande är i omloppsbana, Guan säger, "CubeSats från Planet kommer ner till en 3-meters upplösning och besöker samma plats med några dagars mellanrum. Så, just nu kan vi övervaka grödans kvävestatus i realtid för ett mycket bredare område än drönare."

Guan och hans medarbetare testade kapaciteten hos både drönare och CubeSats för att upptäcka förändringar i majs klorofyllinnehåll, en proxy för anläggningens kvävestatus. Forskarna fokuserade på ett experimentfält i centrala Illinois under fältsäsongen 2017. Majs i fältet var kvävebelastat i varierande grad på grund av flera kvävepåföringshastigheter och tidpunkter, inklusive allt kväve som appliceras vid plantering, och dela applikationer i flera utvecklingsstadier.

Det analyserade fältet var ett av flera i en större studie som tittade på kvävehastigheter och timing, inrättad av Emerson Nafziger, professor emeritus vid Institutionen för växtvetenskaper i Illinois och medförfattare till studien.

"Tanken var att se hur mycket effekt timing och form av kvävegödselmedel skulle ha på avkastningen. Denna studie möjliggör en utvärdering av hur väl avbildningen kunde fånga avkastningssvar på kväve som appliceras vid olika hastigheter och tider, säger Nafziger.

Forskarna jämförde bilder från drönare och CubeSats, och deras signaler matchade väl med vävnadskvävemätningar tagna från löv på fältet på veckobasis. Båda teknikerna kunde upptäcka förändringar i klorofyllhalten med samma grad av noggrannhet och vid samma tidpunkt under säsongen.

"Denna information genererar aktuella och handlingsbara insikter relaterade till kvävestress, och så skulle kunna ge vägledning för ytterligare kvävetillförsel där det behövs, säger Guan.

Konsekvenserna går utöver att optimera avkastningen.

"Den låga kostnaden för kvävegödsel och den höga avkastningspotentialen för majs motiverar bönder att använda extra kväve som "försäkring" mot kvävebrist som sänker skörden. Men att tillföra mer kväve än vad grödan kräver är både en ekonomisk och miljömässig risk, " säger Yaping Cai, doktorand i Guans forskargrupp och huvudstudentförfattare på tidningen.

Guan tillägger, "Ett bättre verktyg för användning av gödningsmedel, möjliggörs genom ny satellitteknik och ekosystemmodellering, i slutändan kan hjälpa jordbrukare att minska kostnaderna, öka avkastningen, och samtidigt minska det miljömässiga fotavtrycket för ett hållbart jordbrukslandskap."

Artikeln, "Upptäcker sädesgrödans kvävespänning av majs för fältförsök med UAV- och CubeSat-baserad multispektral avkänning, " publiceras i IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing.