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利用SciAps手持LIBS扩大全球土壤管理

日期:

2020-05-10

文章来源:

莱雷科技

利用SciAps手持LIBS扩大全球土壤管理

这是未来LIBS传感器平台的原型。由BONARES/I4S提供

LIBS是一种测量土壤中元素的新工具

在过去的四年里,来自德国波茨坦大学的丹尼尔·里贝博士一直在一个远离物理化学背景的科学领域工作。Riebe是政府资助的一个长期项目的其中一个,该项目将有助于塑造食品和农业的未来:与LIBS合作,分析可持续性资源——土壤的情况。

传统的土壤分析方法是农民从他们的田地的不同地方采集土壤样本,混合在一起,然后每一块田地得到一个实验结果。然而,在同一块土地上,土壤的元素组成不同是很常见的。Riebe项目的独特之处在于,它可以测量农田各个位置营养物质的不均匀分布,包括具有挑战性的关键指标碳和磷。

利用SciAps手持LIBS扩大全球土壤管理

手持LIBS可以对每平方米的土壤进行现场和实时分析。由BONARES/I4S提供

这一新方法的关键是将激光诱导击穿光谱技术从实验室转移到工作现场。他们首选的仪器是SciAps-LIBS,这是唯一一款激光功率足以从土壤中产生全光谱的手持LIBS。

创建这个土壤管理系统并非易事,但Riebe的团队正在朝着最终目标前进,他们的最终目标是建立一个带有传感器的平台,该平台可以连接到一台拖拉机,该拖拉机可以在现场实时分析土壤。


土壤作为一种可持续资源

BonaRes是德国联邦教育和研究部资助的一项倡议,旨在扩大对土壤生态系统的科学认识,提高土壤和其他土壤功能的生产力,同时制定可持续利用和管理土壤的新战略。

Riebe是十个BonaRes项目之一,与特定场地土壤肥力管理综合系统(I4S)合作。他的团队的重点是土壤传感,他们希望设计一个系统,用于推荐肥料和改善几乎每平方米土壤的土壤功能。这个系统一旦开发出来,不仅可以改进土壤管理系统,而且还能节约资源。农民将节省肥料,同时也保护附近的地下水免受过量氮污染和其他径流的影响。

利用SciAps手持LIBS扩大全球土壤管理

手持LIBS采样

I4S小组的第一步是分析田间土壤。激光诱导击穿光谱可以测量每一种元素,是土壤测量工作的关键。里贝说:“我们特别挑选了SciAps LIBS,因为它拥有最高的激光能量。使用其他手持lib,我们无法从土壤样本中获得光谱。它们严格来说是用于检测金属合金的”。        手持分析仪在田野中行走改变了游戏规则。到目前为止,已经在该地区采集了许多标准样本,然后将它们带到实验室,用电感耦合等离子体发射光谱CP-OES进行验证。样品制备本身需要一到两个小时才能将土壤溶解在酸中。

Riebe说:“与LIBS相比,CP-OE一天只能测这么多样品,它确实很慢。而libs可以在几乎没有样品制备的情况下测试土壤”。

I4S团队利用LIBS能力测量非元素参数,如pH值和腐殖质含量。腐殖质含量是土壤中所有的有机物质,过去是植物的一切,土壤中的微生物已经转化的物质。有机碳是植物可以从土壤中获取的碳。无机碳是植物不能从土壤中获取的碳。两者合起来就是总碳。

对植物来说,总碳是无关紧要的。植物取决于有机碳和腐殖质含量。

Riebe说:“我们能够测量有机碳的唯一原因是机器学习算法。LIBS光谱包含了关于样品的整个元素组成的信息,这个信息库,可以用于很多事情”。包括轻元素在内的所有元素都可以通过LIBS获得,比如植物生长所必需的元素:磷。

“因为峰值很小,所以磷含量是LIBS最难测量的元素之一;但是在我们的研究中,测量植物有效磷的准确性比总磷的高,而通常情况恰恰相反。这是一个成功,我们可以测量磷,并找到了两者之间的相关性,这是农民继氮之后最关注的元素。”Riebe说。


全球土壤管理的未来

到目前为止,里贝的发现让他对土壤的重要性有了一个全球视角。“土壤不是真正的有机体,而是一个充满复杂过程的生态系统。我一直知道土壤中有微生物,但我不知道植物和土壤之间的相互作用对植物生长有多重要。

田间试验将解决土壤管理者面临的几个紧迫问题。一是氮超载。“这对植物很重要,但对地下水和其他生态系统来说是个大问题。欧盟正在对农民用于农田施肥的氮肥数量制定更严格的规定。如果裁决变得更加严格,农民在某些时候将被迫限制化肥的使用。参考这个项目,I4S团队将帮助他们分析他们的田地,使他们只在必要时施肥。

另一个好处是LIBS测量微量营养素的潜力。“微量营养素今天没有带到田里。不是因为田地不需要,而是因为很难说是否需要。这些元素所缺少的信息是它们对植物有多重要。这是未知的,因为没有关于特定土壤中微量元素的数据。然而,LIBS可以测量所有元素。在未来,我们可以了解更多关于其他营养素的知识,这可以帮助我们创造更多特定的肥料,以改善农业生产过程。

展望未来,里贝认为这个项目不仅对农民,而且对我们所有人都将产生影响。在全球环境讨论中,碳是关键因素。I4S团队的项目可能是未来研究的关键。

“土壤中储存了太多的碳。这可能是解决一些全球变暖问题的办法。如果我们要避免进一步的全球变暖,就必须以某种方式进行碳捕获。土壤是我们实现这一目标的最大机会之一。

SciAps-LIBS分析仪测量土壤中碳的能力提高了我们的机会。


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