Les agriculteurs pourraient bientôt bénéficier d’une technologie novatrice pour optimiser la gestion des nutriments dans leurs sols. Des ingénieurs américains ont mis au point des capteurs à faible coût permettant une surveillance continue et en temps réel des nitrates dans les types de sols courants du Wisconsin. Cette innovation pourrait avoir des répercussions significatives sur l’agriculture et l’environnement.
Les nouveaux capteurs électrochimiques imprimés offrent aux agriculteurs la possibilité de prendre des décisions plus éclairées concernant la gestion des nutriments.
Joseph Andrews, professeur adjoint de génie mécanique et de génie électrique et informatique à l’UW-Madison, qui a dirigé les recherches, indique : «Nos capteurs pourraient donner aux agriculteurs une meilleure compréhension du profil nutritionnel de leur sol et de la quantité de nitrates disponibles pour les plantes, les aidant ainsi à prendre des décisions plus précises sur la quantité d’engrais dont ils ont réellement besoin.»
L’impact économique potentiel de cette technologie est considérable, notamment pour les exploitations de grande envergure. En permettant une utilisation plus ciblée des engrais, les agriculteurs pourraient réaliser des économies substantielles sur leurs achats d’intrants.
Un outil de surveillance environnementale
Au-delà de l’aspect économique, les capteurs développés par l’équipe du professeur Andrews présentent un intérêt environnemental majeur. Bien que les nitrates soient essentiels à la croissance des cultures, leur excès peut entraîner une pollution des eaux souterraines, avec des conséquences néfastes pour la santé humaine et l’écosystème.
Les nouveaux capteurs pourraient être utilisés comme outil de recherche agricole pour surveiller le lessivage des nitrates et contribuer à l’élaboration de meilleures pratiques visant à atténuer ses effets nocifs. Cette approche s’inscrit dans une démarche plus large de gestion durable des ressources agricoles.
Une innovation technique face aux défis du terrain
L’équipe de recherche a dû surmonter plusieurs obstacles techniques pour développer des capteurs adaptés à l’environnement difficile du sol. La solution retenue consiste à utiliser un procédé d’impression par jet d’encre pour fabriquer des capteurs potentiométriques, un type de capteur électrochimique à couche mince.
Une couche de fluorure de polyvinylidène a été ajoutée pour protéger le capteur. Ce matériau présente deux caractéristiques clés : des pores minuscules qui laissent passer les ions nitrate tout en bloquant les particules de sol, et une nature hydrophile qui absorbe l’eau comme une éponge.
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Le professeur Andrews ajoute : «Toute eau chargée en nitrates est préférentiellement absorbée par notre capteur, ce qui est vraiment important car le sol agit également comme une éponge, et vous auriez une bataille perdue d’avance pour que l’humidité vienne à votre capteur si vous ne pouviez pas égaler le potentiel d’absorption d’eau du sol.»
Des tests concluants et des perspectives d’avenir
Les chercheurs ont testé leurs capteurs dans deux types de sols pertinents pour le Wisconsin : un sol sablonneux, courant dans la partie nord-centrale de l’État, et un sol limoneux, fréquent dans le sud-ouest du Wisconsin. Les résultats obtenus se sont révélés précis et fiables.
L’équipe travaille actuellement sur l’intégration de leurs capteurs de nitrates dans un système de détection multifonctionnel qu’ils appellent «autocollant de détection». Ce dispositif comprend trois types de capteurs différents montés sur un substrat plastique flexible avec un adhésif au dos, incluant également des capteurs d’humidité et de température.
Des tests à plus grande échelle sont prévus pour l’été 2024, avec le déploiement de 30 tiges de détection dans le sol des stations de recherche agricole de Hancock et d’Arlington de l’UW-Madison.
Une technologie brevetée et soutenue
La technologie développée par les chercheurs de l’UW-Madison fait l’objet d’une demande de brevet par l’intermédiaire de la Wisconsin Alumni Research Foundation. Les co-auteurs de l’université comprennent Kuan-Yu Chen, Aatresha Biswas, Shuohao Cai et Jingyi Huang, professeur de science du sol.
Ces recherches ont bénéficié du soutien financier du programme USDA Agriculture and Food Research Initiative Foundational, de la subvention Signals in the Soil de la National Science Foundation, et du Dairy Innovation Hub de l’Université du Wisconsin-Madison.
