利用SciAps手持LIBS擴大全球土壤管理 發布日期：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的丹尼爾·里貝博士一直在一個遠離物理化學背景的科學領域工作。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業的未來：與LIBS合作，分析可持續性資源——土壤的情況。
傳統的土壤分析方法是農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，它可以測量農田各個位置營養物質的不均勻分布，包括具有挑戰性的關鍵指標碳和磷。
手持LIBS可以對每平方米的土壤進行現場和實時分析。由BONARES/I4S提供
這一新方法的關鍵是將激光誘導擊穿光譜技術從實驗室轉移到工作現場。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生全光譜的手持LIBS。
創建這個土壤管理系統并非易事，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，該拖拉機可以在現場實時分析土壤。
土壤作為一種可持續資源
BonaRes是德國聯邦教育和研究部資助的一項倡議，旨在擴大對土壤生態系統的科學認識，提高土壤和其他土壤功能的生產力，同時制定可持續利用和管理土壤的新戰略。
Riebe是十個BonaRes項目之一，與特定場地土壤肥力管理綜合系統（I4S）合作。他的團隊的重點是土壤傳感，他們希望設計一個系統，用于推薦肥料和改善幾乎每平方米土壤的土壤功能。這個系統一旦開發出來，不僅可以改進土壤管理系統，而且還能節約資源。農民將節省肥料，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。激光誘導擊穿光譜可以測量每一種元素，是土壤測量工作的關鍵。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則。到目前為止，已經在該地區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，如pH值和腐殖質含量。腐殖質含量是土壤中所有的有機物質，過去是植物的一切，土壤中的微生物已經轉化的物質。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，總碳是無關緊要的。植物取決于有機碳和腐殖質含量。
Riebe說：“我們能夠測量有機碳的唯一原因是機器學習算法。LIBS光譜包含了關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性，這是農民繼氮之后最關注的元素。”Riebe說。
全球土壤管理的未來
到目前為止，里貝的發現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，而是一個充滿復雜過程的生態系統。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系統來說是個大問題。歐盟正在對農民用于農田施肥的氮肥數量制定更嚴格的規定。如果裁決變得更加嚴格，農民在某些時候將被迫限制化肥的使用。參考這個項目，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測量微量營養素的潛力。“微量營養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，因為沒有關于特定土壤中微量元素的數據。然而，LIBS可以測量所有元素。在未來，我們可以了解更多關于其他營養素的知識，這可以幫助我們創造更多特定的肥料，以改善農業生產過程。
展望未來，里貝認為這個項目不僅對農民，而且對我們所有人都將產生影響。在全球環境討論中，碳是關鍵因素。I4S團隊的項目可能是未來研究的關鍵。
“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。
