Erweiterung des globalen Bodenmanagements mit SciAps Handheld LIBS

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Ein Prototyp der Plattform, die künftig den LIBS-Sensor integrieren wird. Mit freundlicher Genehmigung von BonaRes/I4S

Handheld LIBS ermöglicht es, jeden Quadratmeter Boden vor Ort und in Echtzeit zu analysieren. Mit freundlicher Genehmigung von BonaRes/I4S

LIBS entsteht als neues Werkzeug zur Messung von Bodenparametern

In den letzten vier Jahren hat Dr. Daniel Riebe von der Universität Potsdam in einem wissenschaftlichen Bereich gearbeitet, der weit von seinem Hintergrund in der physikalischen Chemie entfernt ist. Riebe ist Teil eines langfristigen, staatlich geförderten Projekts, das die Zukunft von Ernährung und Landwirtschaft mitgestalten wird: Er arbeitet mit LIBS zusammen, um den Boden als nachhaltige Ressource für die Bioökonomie zu analysieren. Bei der herkömmlichen Bodenanalyse nehmen Landwirte Bodenproben von verschiedenen Teilen ihrer Felder, mischen sie und erhalten dann ein Laborergebnis pro Feld. Es kommt jedoch häufig vor, dass der Boden auf demselben Feld unterschiedliche Elementzusammensetzungen aufweist. Riebes Projekt ist insofern einzigartig, als es darauf abzielt, die heterogene Verteilung von Nährstoffen vor Ort in jedem Teil des Feldes zu messen, einschließlich anspruchsvoller Schlüsselindikatoren wie Kohlenstoff und Phosphor.

Der Schlüssel zu diesem neuen Ansatz liegt darin, die laserinduzierte Durchbruchspektroskopie aus dem Labor an den Arbeitsplatz zu verlagern. Ihre erste Wahl für das Instrument war das SciAps LIBS, das einzige tragbare LIBS mit ausreichend Laserleistung, um ein vollständiges Spektrum aus dem Boden zu erzeugen.

„Wir müssen kein so kleines System verwenden, aber die Verwendung eines Handhelds war für mich eine interessante Idee“, sagt Riebe. Er konnte mit dem Analysegerät und den Testbereichen ohne große Vorbereitungsarbeiten durch ein Feld gehen. Die Entwicklung dieses Bodenmanagementsystems war nicht einfach, aber Riebes Team kommt seinem endgültigen Ziel, eine Plattform mit Sensoren zu bauen, die an einen Traktor angeschlossen werden kann, der über ein Feld fährt und den Boden vor Ort und in Echtzeit analysiert, erhebliche Fortschritte.

Es gibt einen Teil der ...BonaRes: Boden als nachhaltige Ressource

Es gibt einen Teil der ...BonaRes ist eine vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Initiative mit dem Ziel, das wissenschaftliche Verständnis von Bodenökosystemen zu erweitern, die Produktivität von Böden und anderen Bodenfunktionen zu verbessern und gleichzeitig neue Strategien für eine nachhaltige Nutzung und Bewirtschaftung von Böden zu entwickeln.

Riebe arbeitet an einem von zehn BonaRes-Projekten, dem Integrierten System für standortspezifisches Bodenfruchtbarkeitsmanagement (I4S). Sein Team konzentriert sich auf die Bodenerkennung und hofft, ein System für Düngemittelempfehlungen und die Verbesserung der Bodenfunktionen für nahezu jeden Quadratmeter Boden entwickeln zu können.

Durch die Entwicklung eines Verfahrens, das einzelne Felder genauer und in Echtzeit bewertet, werden Ressourcen geschont und ein verbessertes Bodenmanagementsystem geschaffen. Die Landwirte sparen Düngemittel und schützen gleichzeitig das Grundwasser in der Nähe vor übermäßiger Stickstoffverschmutzung und anderen Abflüssen.

Es gibt einen Teil der ...Probenahme mit tragbaren LIBS

Es gibt einen Teil der ...Einer der ersten Schritte des I4S-Teams bestand darin, den Boden vor Ort zu analysieren. Tests mit LIBS waren ein Muss, da mit der laserinduzierten Durchbruchspektroskopie jedes Element gemessen werden kann. Entscheidend war jedoch, ein tragbares, handgehaltenes LIBS zu finden, das diese Aufgabe im Boden erledigen kann. „Wir haben uns speziell für SciAps LIBS entschieden, weil es die höchste Laserenergie hatte. Mit anderen tragbaren LIBS könnten wir kein Spektrum aus einer Bodenprobe erhalten. Sie gelten ausschließlich für Metalllegierungen“, sagt Riebe. Der Einsatz eines tragbaren Analysegeräts über das Feld war ein Wendepunkt. Bisher hat der Standard viele Proben vor Ort genommen und sie dann zur Überprüfung mit ICP-OES ins Labor gebracht. Die Probenvorbereitung selbst dauert ein bis zwei Stunden, allein um den Boden in der Säure aufzulösen.

„Man kann pro Tag nur eine begrenzte Anzahl Proben nehmen. Im Vergleich zu LIBS ist es sehr langsam, da wir den Boden fast ohne Probenvorbereitung testen können“, sagt Riebe. Das I4S-Team nutzte die LIBS-Funktion, um nichtelementare Parameter wie pH-Wert und Humusgehalt zu messen. Der Humusgehalt umfasst das gesamte organische Material im Boden – alles, was früher Pflanzen waren, und das Material, das die Mikroben im Boden bereits umgewandelt haben. Organischer Kohlenstoff ist der Kohlenstoff, auf den Pflanzen aus dem Boden zugreifen können. Anorganischer Kohlenstoff ist der Kohlenstoff, auf den Pflanzen aus dem Boden keinen Zugriff haben. Beides zusammen ergibt den Gesamtkohlenstoff.

Für die Pflanzen ist der Gesamtkohlenstoff irrelevant. Pflanzen sind auf den organischen Kohlenstoff und den Humusgehalt angewiesen. „Der einzige Grund, warum wir organischen Kohlenstoff messen konnten, sind die Algorithmen des maschinellen Lernens. „Die LIBS-Spektren enthalten Informationen über die gesamte Elementzusammensetzung der Proben, das sind viele Informationen und können daher für viele Zwecke genutzt werden“, sagt Riebe. Die gesamte Palette der Elemente, einschließlich der leichten Elemente, ist durch LIBS zugänglich – wie Phosphor, ein wesentliches Element für das Pflanzenwachstum.

„Der Phosphorgehalt ist eines der am schwierigsten mit LIBS zu messenden Elemente, da die Peaks wirklich klein sind, aber in unserer Studie konnten wir den pflanzenverfügbaren Phosphor mit besserer Genauigkeit messen als den Gesamtphosphor. Normalerweise ist das Gegenteil der Fall. Es war ein Erfolg, dass wir Phosphor, das für die Landwirte nach Stickstoff das wichtigste Element ist, messen und die Korrelation dafür finden konnten“, sagt Riebe.

Es gibt einen Teil der ...Die Zukunft des globalen Bodenmanagements in einem Handheld

Es gibt einen Teil der ...Riebes bisherige Entdeckungen haben ihm eine globale Perspektive auf die Bedeutung des Bodens gegeben. „Der Boden ist kein wirklicher Organismus, sondern ein Ökosystem, in dem komplexe Prozesse ablaufen. Ich wusste immer, dass im Boden Mikroben leben, aber mir war nicht bewusst, wie wichtig die Interaktion zwischen Pflanzen und Boden für das Pflanzenwachstum ist“, sagt Riebe.

Feldversuche würden mehrere drängende Probleme für Bodenbewirtschafter lösen. Einer ist Stickstoffüberladung. „Es ist wichtig für Pflanzen, aber ein großes Problem für das Grundwasser und andere Ökosysteme. Die EU macht strengere Regeln für die Menge an Stickstoff, mit der Landwirte ihre Felder düngen“, sagt Riebe. Wenn die Vorschriften strenger werden, werden die Landwirte irgendwann gezwungen sein, ihren Düngemitteleinsatz einzuschränken. Aufgrund dieses Projekts verfügt das I4S-Team über eine Methode zur Analyse ihrer Felder, die es ihnen ermöglicht, nur dort zu düngen, wo es notwendig ist.

Ein weiterer Vorteil ist das Potenzial von LIBS zur Messung von Spurennährstoffen. „Spurennährstoffe werden heute nicht mehr auf die Felder gebracht. Das liegt nicht daran, dass die Felder es nicht brauchen, sondern weil es schwer zu sagen ist, ob es gebraucht wird oder nicht. Die Information, die über diese Elemente fehlt, ist, wie wichtig sie für die Pflanzen sind. Sie ist unbekannt, weil es keine Daten über Spurenelemente in bestimmten Böden gibt. LIBS kann jedoch alle Elemente messen. In Zukunft könnten wir mehr über andere Nährstoffe erfahren, was uns helfen könnte, spezifischere Düngemittel zur Verbesserung der landwirtschaftlichen Prozesse herzustellen“, sagt Riebe.

Mit Blick auf die Zukunft sieht Riebe den Unterschied, den dieses Projekt nicht nur für die Landwirte, sondern für uns alle machen wird. In der globalen Umweltdiskussion ist Kohlenstoff das Schlüsselelement. Das Projekt des I4S-Teams könnte eine entscheidende Forschung für zukünftige Unternehmungen sein. „Im Boden ist so viel Kohlenstoff gespeichert. Dies könnte eine Lösung für einige der Probleme der globalen Erwärmung sein. Wenn wir eine weitere globale Erwärmung verhindern wollen, muss die Kohlenstoffabscheidung auf irgendeine Weise erfolgen. Der Boden ist eine der größten Chancen, die wir haben, um dies zu erreichen“, sagt Riebe.

Weitere Informationen zu Bodenanwendungen finden Sie in der Zeitschrift unter „Soil Nutrient Detection for Precision Agriculture Using Handheld Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) and Multivariate Regression Methods (PLSR, Lasso und GPR)“. Sensoren, veröffentlicht am 11. Januar 2020. Unten finden Sie die SciAps ApNote zur schnellen Messung des Gesamtkohlenstoffs im Boden mit SciAps Z-300.

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Kontaktiere uns (academic@sciaps.com) mit einer kurzen Beschreibung dessen, was Sie messen möchten. Während Ihre Arbeit fortschreitet, würden wir uns über weitere Updates freuen. Keine Sorge, wir verstehen, dass Sie eine zukünftige Veröffentlichung nicht gefährden können. Wir besorgen Ihnen den Analysator und schulen Sie zu einem regelmäßig festgelegten Zeitpunkt (häufig über GoTo Meeting oder Skype, aber persönlich funktioniert auch). Ziel ist es, das Bewusstsein für die erstaunliche Welt der Anwendungen zu schärfen, die für Handheld-LIBS und XRF verfügbar sind. [Bitte beachten Sie, dass wir das Leihprogramm derzeit auf Forscher beschränken müssen, die an US-amerikanischen und kanadischen Institutionen arbeiten. Forscher aus diesen Ländern können jedoch mit dem Analysator weltweit reisen.]

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