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沈陽生態(tài)所在土壤硝態(tài)氮原位監(jiān)測(cè)研究方面取得重要突破
硝態(tài)氮是作物生長所需的關(guān)鍵養(yǎng)分，其含量精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)對(duì)科學(xué)施肥、提高作物產(chǎn)量具有重要意義。傳統(tǒng)土壤速效養(yǎng)分監(jiān)測(cè)方法依賴實(shí)驗(yàn)室處理，存在時(shí)效性差、難以克服田間基質(zhì)干擾等問題，而現(xiàn)有的土壤氮素監(jiān)測(cè)技術(shù)在實(shí)時(shí)性、原位監(jiān)測(cè)能力以及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面存在顯著不足，難以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)高頻次、大規(guī)模動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的需求。
為破解這一技術(shù)瓶頸，中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所聯(lián)合沈陽巍圖農(nóng)業(yè)科技有限公司共同研發(fā)了硝態(tài)氮原位監(jiān)測(cè)傳感器。傳感器基于沈陽巍圖農(nóng)業(yè)科技有限公司創(chuàng)立的介電譜微域介導(dǎo)分析與組分響應(yīng)算法構(gòu)建理論(Dielectric Spectroscopy Micro Domain Mediation Analysis and Component Response Algorithm Construction Theory, DIS·M·A·R·T)實(shí)現(xiàn)。該傳感器通過雙頻段協(xié)同工作機(jī)制排除干擾、精準(zhǔn)捕捉信號(hào)：在1-50 MHz低頻帶，通過穩(wěn)定的阻抗匹配有效隔離水分和鹽度干擾;在100-500 MHz高頻帶，通過增強(qiáng)電磁耦合實(shí)現(xiàn)硝態(tài)氮弛豫信號(hào)的精準(zhǔn)捕捉。為驗(yàn)證傳感器性能，科研團(tuán)隊(duì)在棕色、黑色、紅色、鹽堿、黃土五種不同類型土壤上開展了田間試驗(yàn)。結(jié)果顯示，該傳感器監(jiān)測(cè)精度優(yōu)異，決定系數(shù)介于0.943-0.987之間，平均絕對(duì)誤差≤0.75 mg/kg，均方根誤差≤0.92 mg/kg;響應(yīng)速度達(dá)到毫秒級(jí)，較傳統(tǒng)方法檢測(cè)效率提升上千倍。即便在-5℃低溫、90%高相對(duì)濕度的極端環(huán)境下，信號(hào)漂移仍保持在0.25 mg/kg以內(nèi)，穩(wěn)定性突出;在施肥前后、降水等典型農(nóng)業(yè)場(chǎng)景中，監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值的皮爾遜相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.995-0.999，完全滿足田間動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)需求。該技術(shù)的成功研發(fā)，不僅縮短了監(jiān)測(cè)時(shí)間，更實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤硝態(tài)氮的原位、實(shí)時(shí)、高精度監(jiān)測(cè)。在未來發(fā)展中，可與智能灌溉、施肥系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，為動(dòng)態(tài)氮管理提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支撐，對(duì)推動(dòng)智能農(nóng)業(yè)發(fā)展、提升農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展水平具有重要意義。
成果以“In Situ Rapid Detection of Soil Nitrate Nitrogen via Dielectric Spectroscopy Using a Dual-Band Frequency-Splitting Coupled Sensor”為題發(fā)表于美國化學(xué)學(xué)會(huì)期刊ACS Sensors。聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生劉泳圻、碩士研究生李航為共同第一作者，谷健副研究員和沈陽巍圖農(nóng)業(yè)科技有限公司農(nóng)藝師王爽為聯(lián)合通訊作者。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)A類項(xiàng)目等項(xiàng)目資助。
圖1 原位檢測(cè)傳感器內(nèi)部構(gòu)造及原理
圖2 收獲期前后出傳感器檢測(cè)值與實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)值間的關(guān)系
圖3 傳感器長期監(jiān)測(cè)條件下檢測(cè)值(PN)和實(shí)測(cè)值(EN)間的關(guān)系
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