利用SciAps手持LIBS擴(kuò)大全球土壤管理 發(fā)布日期：2020-04-17 10:22:28 文章來(lái)源：萊雷科技
這是未來(lái)LIBS傳感器平臺(tái)的原型。由BONARES/I4S提供
LIBS是一種測(cè)量土壤中元素的新工具
在過(guò)去的四年里，來(lái)自德國(guó)波茨坦大學(xué)的丹尼爾·里貝博士一直在一個(gè)遠(yuǎn)離物理化學(xué)背景的科學(xué)領(lǐng)域工作。Riebe是政府資助的一個(gè)長(zhǎng)期項(xiàng)目的其中一個(gè)，該項(xiàng)目將有助于塑造食品和農(nóng)業(yè)的未來(lái)：與LIBS合作，分析可持續(xù)性資源——土壤的情況。
傳統(tǒng)的土壤分析方法是農(nóng)民從他們的田地的不同地方采集土壤樣本，混合在一起，然后每一塊田地得到一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。然而，在同一塊土地上，土壤的元素組成不同是很常見(jiàn)的。Riebe項(xiàng)目的獨(dú)特之處在于，它可以測(cè)量農(nóng)田各個(gè)位置營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的不均勻分布，包括具有挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵指標(biāo)碳和磷。
手持LIBS可以對(duì)每平方米的土壤進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)時(shí)分析。由BONARES/I4S提供
這一新方法的關(guān)鍵是將激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到工作現(xiàn)場(chǎng)。他們首選的儀器是SciAps-LIBS，這是唯一一款激光功率足以從土壤中產(chǎn)生全光譜的手持LIBS。
創(chuàng)建這個(gè)土壤管理系統(tǒng)并非易事，但Riebe的團(tuán)隊(duì)正在朝著最終目標(biāo)前進(jìn)，他們的最終目標(biāo)是建立一個(gè)帶有傳感器的平臺(tái)，該平臺(tái)可以連接到一臺(tái)拖拉機(jī)，該拖拉機(jī)可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)分析土壤。
土壤作為一種可持續(xù)資源
BonaRes是德國(guó)聯(lián)邦教育和研究部資助的一項(xiàng)倡議，旨在擴(kuò)大對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)認(rèn)識(shí)，提高土壤和其他土壤功能的生產(chǎn)力，同時(shí)制定可持續(xù)利用和管理土壤的新戰(zhàn)略。
Riebe是十個(gè)BonaRes項(xiàng)目之一，與特定場(chǎng)地土壤肥力管理綜合系統(tǒng)（I4S）合作。他的團(tuán)隊(duì)的重點(diǎn)是土壤傳感，他們希望設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，用于推薦肥料和改善幾乎每平方米土壤的土壤功能。這個(gè)系統(tǒng)一旦開(kāi)發(fā)出來(lái)，不僅可以改進(jìn)土壤管理系統(tǒng)，而且還能節(jié)約資源。農(nóng)民將節(jié)省肥料，同時(shí)也保護(hù)附近的地下水免受過(guò)量氮污染和其他徑流的影響。
手持LIBS采樣
I4S小組的第一步是分析田間土壤。激光誘導(dǎo)擊穿光譜可以測(cè)量每一種元素，是土壤測(cè)量工作的關(guān)鍵。里貝說(shuō)：“我們特別挑選了SciAps LIBS，因?yàn)樗鼡碛凶罡叩募す饽芰?。使用其他手持lib，我們無(wú)法從土壤樣本中獲得光譜。它們嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是用于檢測(cè)金屬合金的”。 手持分析儀在田野中行走改變了游戲規(guī)則。到目前為止，已經(jīng)在該地區(qū)采集了許多標(biāo)準(zhǔn)樣本，然后將它們帶到實(shí)驗(yàn)室，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜CP-OES進(jìn)行驗(yàn)證。樣品制備本身需要一到兩個(gè)小時(shí)才能將土壤溶解在酸中。
Riebe說(shuō)：“與LIBS相比，CP-OE一天只能測(cè)這么多樣品，它確實(shí)很慢。而libs可以在幾乎沒(méi)有樣品制備的情況下測(cè)試土壤”。
I4S團(tuán)隊(duì)利用LIBS能力測(cè)量非元素參數(shù)，如pH值和腐殖質(zhì)含量。腐殖質(zhì)含量是土壤中所有的有機(jī)物質(zhì)，過(guò)去是植物的一切，土壤中的微生物已經(jīng)轉(zhuǎn)化的物質(zhì)。有機(jī)碳是植物可以從土壤中獲取的碳。無(wú)機(jī)碳是植物不能從土壤中獲取的碳。兩者合起來(lái)就是總碳。
對(duì)植物來(lái)說(shuō)，總碳是無(wú)關(guān)緊要的。植物取決于有機(jī)碳和腐殖質(zhì)含量。
Riebe說(shuō)：“我們能夠測(cè)量有機(jī)碳的唯一原因是機(jī)器學(xué)習(xí)算法。LIBS光譜包含了關(guān)于樣品的整個(gè)元素組成的信息，這個(gè)信息庫(kù)，可以用于很多事情”。包括輕元素在內(nèi)的所有元素都可以通過(guò)LIBS獲得，比如植物生長(zhǎng)所必需的元素：磷。
“因?yàn)榉逯岛苄。粤缀渴荓IBS最難測(cè)量的元素之一；但是在我們的研究中，測(cè)量植物有效磷的準(zhǔn)確性比總磷的高，而通常情況恰恰相反。這是一個(gè)成功，我們可以測(cè)量磷，并找到了兩者之間的相關(guān)性，這是農(nóng)民繼氮之后最關(guān)注的元素?！盧iebe說(shuō)。
全球土壤管理的未來(lái)
到目前為止，里貝的發(fā)現(xiàn)讓他對(duì)土壤的重要性有了一個(gè)全球視角?！巴寥啦皇钦嬲挠袡C(jī)體，而是一個(gè)充滿復(fù)雜過(guò)程的生態(tài)系統(tǒng)。我一直知道土壤中有微生物，但我不知道植物和土壤之間的相互作用對(duì)植物生長(zhǎng)有多重要。
田間試驗(yàn)將解決土壤管理者面臨的幾個(gè)緊迫問(wèn)題。一是氮超載。“這對(duì)植物很重要，但對(duì)地下水和其他生態(tài)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是個(gè)大問(wèn)題。歐盟正在對(duì)農(nóng)民用于農(nóng)田施肥的氮肥數(shù)量制定更嚴(yán)格的規(guī)定。如果裁決變得更加嚴(yán)格，農(nóng)民在某些時(shí)候?qū)⒈黄认拗苹实氖褂?。參考這個(gè)項(xiàng)目，I4S團(tuán)隊(duì)將幫助他們分析他們的田地，使他們只在必要時(shí)施肥。
另一個(gè)好處是LIBS測(cè)量微量營(yíng)養(yǎng)素的潛力?！拔⒘繝I(yíng)養(yǎng)素今天沒(méi)有帶到田里。不是因?yàn)樘锏夭恍枰且驗(yàn)楹茈y說(shuō)是否需要。這些元素所缺少的信息是它們對(duì)植物有多重要。這是未知的，因?yàn)闆](méi)有關(guān)于特定土壤中微量元素的數(shù)據(jù)。然而，LIBS可以測(cè)量所有元素。在未來(lái)，我們可以了解更多關(guān)于其他營(yíng)養(yǎng)素的知識(shí)，這可以幫助我們創(chuàng)造更多特定的肥料，以改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程。
展望未來(lái)，里貝認(rèn)為這個(gè)項(xiàng)目不僅對(duì)農(nóng)民，而且對(duì)我們所有人都將產(chǎn)生影響。在全球環(huán)境討論中，碳是關(guān)鍵因素。I4S團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目可能是未來(lái)研究的關(guān)鍵。
“土壤中儲(chǔ)存了太多的碳。這可能是解決一些全球變暖問(wèn)題的辦法。如果我們要避免進(jìn)一步的全球變暖，就必須以某種方式進(jìn)行碳捕獲。土壤是我們實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最大機(jī)會(huì)之一。
SciAps-LIBS分析儀測(cè)量土壤中碳的能力提高了我們的機(jī)會(huì)。
