利用SciAps手持LIBS擴大全球土壤管理 發(fā)布日期：2020-04-17 10:22:28 文章來源：萊雷科技
這是未來LIBS傳感器平臺的原型。由BONARES/I4S提供
LIBS是一種測量土壤中元素的新工具
在過去的四年里，來自德國波茨坦大學(xué)的丹尼爾·里貝博士一直在一個遠離物理化學(xué)背景的科學(xué)領(lǐng)域工作。Riebe是政府資助的一個長期項目的其中一個，該項目將有助于塑造食品和農(nóng)業(yè)的未來：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實驗結(jié)果。然而，在同一塊土地上，土壤的元素組成不同是很常見的。Riebe項目的獨特之處在于，它可以測量農(nóng)田各個位置營養(yǎng)物質(zhì)的不均勻分布，包括具有挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵指標碳和磷。
手持LIBS可以對每平方米的土壤進行現(xiàn)場和實時分析。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)從實驗室轉(zhuǎn)移到工作現(xiàn)場。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)建這個土壤管理系統(tǒng)并非易事，但Riebe的團隊正在朝著最終目標前進，他們的最終目標是建立一個帶有傳感器的平臺，該平臺可以連接到一臺拖拉機，該拖拉機可以在現(xiàn)場實時分析土壤。
土壤作為一種可持續(xù)資源
BonaRes是德國聯(lián)邦教育和研究部資助的一項倡議，旨在擴大對土壤生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)認識，提高土壤和其他土壤功能的生產(chǎn)力，同時制定可持續(xù)利用和管理土壤的新戰(zhàn)略。
Riebe是十個BonaRes項目之一，與特定場地土壤肥力管理綜合系統(tǒng)（I4S）合作。他的團隊的重點是土壤傳感，他們希望設(shè)計一個系統(tǒng)，用于推薦肥料和改善幾乎每平方米土壤的土壤功能。這個系統(tǒng)一旦開發(fā)出來，不僅可以改進土壤管理系統(tǒng)，而且還能節(jié)約資源。農(nóng)民將節(jié)省肥料，同時也保護附近的地下水免受過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)擊穿光譜可以測量每一種元素，是土壤測量工作的關(guān)鍵。里貝說：“我們特別挑選了SciAps LIBS，因為它擁有最高的激光能量。使用其他手持lib，我們無法從土壤樣本中獲得光譜。它們嚴格來說是用于檢測金屬合金的”。 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)采集了許多標準樣本，然后將它們帶到實驗室，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜CP-OES進行驗證。樣品制備本身需要一到兩個小時才能將土壤溶解在酸中。
Riebe說：“與LIBS相比，CP-OE一天只能測這么多樣品，它確實很慢。而libs可以在幾乎沒有樣品制備的情況下測試土壤”。
I4S團隊利用LIBS能力測量非元素參數(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物質(zhì)，過去是植物的一切，土壤中的微生物已經(jīng)轉(zhuǎn)化的物質(zhì)。有機碳是植物可以從土壤中獲取的碳。無機碳是植物不能從土壤中獲取的碳。兩者合起來就是總碳。
對植物來說，總碳是無關(guān)緊要的。植物取決于有機碳和腐殖質(zhì)含量。
Riebe說：“我們能夠測量有機碳的唯一原因是機器學(xué)習(xí)算法。LIBS光譜包含了關(guān)于樣品的整個元素組成的信息，這個信息庫，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LIBS獲得，比如植物生長所必需的元素：磷。
“因為峰值很小，所以磷含量是LIBS最難測量的元素之一；但是在我們的研究中，測量植物有效磷的準確性比總磷的高，而通常情況恰恰相反。這是一個成功，我們可以測量磷，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。”Riebe說。
全球土壤管理的未來
到目前為止，里貝的發(fā)現(xiàn)讓他對土壤的重要性有了一個全球視角。“土壤不是真正的有機體，而是一個充滿復(fù)雜過程的生態(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植物生長有多重要。
田間試驗將解決土壤管理者面臨的幾個緊迫問題。一是氮超載。“這對植物很重要，但對地下水和其他生態(tài)系統(tǒng)來說是個大問題。歐盟正在對農(nóng)民用于農(nóng)田施肥的氮肥數(shù)量制定更嚴格的規(guī)定。如果裁決變得更加嚴格，農(nóng)民在某些時候?qū)⒈黄认拗苹实氖褂谩⒖歼@個項目，I4S團隊將幫助他們分析他們的田地，使他們只在必要時施肥。
另一個好處是LIBS測量微量營養(yǎng)素的潛力。“微量營養(yǎng)素今天沒有帶到田里。不是因為田地不需要，而是因為很難說是否需要。這些元素所缺少的信息是它們對植物有多重要。這是未知的，因為沒有關(guān)于特定土壤中微量元素的數(shù)據(jù)。然而，LIBS可以測量所有元素。在未來，我們可以了解更多關(guān)于其他營養(yǎng)素的知識，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)過程。
展望未來，里貝認為這個項目不僅對農(nóng)民，而且對我們所有人都將產(chǎn)生影響。在全球環(huán)境討論中，碳是關(guān)鍵因素。I4S團隊的項目可能是未來研究的關(guān)鍵。
“土壤中儲存了太多的碳。這可能是解決一些全球變暖問題的辦法。如果我們要避免進一步的全球變暖，就必須以某種方式進行碳捕獲。土壤是我們實現(xiàn)這一目標的最大機會之一。
SciAps-LIBS分析儀測量土壤中碳的能力提高了我們的機會。
