Expansión de la gestión global de suelos con SciAps Handheld LIBS

Un prototipo de la plataforma que integrará el sensor LIBS en el futuro. Cortesía BonaRes/I4S

LIBS portátil hace posible analizar cada metro cuadrado de suelo, en el lugar y en tiempo real. Cortesía BonaRes/I4S

LIBS surge como una nueva herramienta para medir parámetros del suelo

Durante los últimos cuatro años, el Dr. Daniel Riebe de la Universidad de Potsdam, Alemania, ha estado trabajando en un campo científico alejado de su formación en química física. Riebe es parte de un proyecto a largo plazo financiado por el gobierno que ayudará a dar forma al futuro de la alimentación y la agricultura: trabajar con LIBS para analizar el suelo como un recurso sostenible para la bioeconomía. El análisis de suelo tradicional consiste en que los agricultores tomen muestras de suelo de diferentes partes de sus campos, las mezclen y luego obtengan un resultado de laboratorio por campo. Sin embargo, es común que el suelo tenga diferentes composiciones elementales en el mismo campo. El proyecto de Riebe es único porque tiene como objetivo medir la distribución heterogénea de nutrientes en el sitio, en cada parte del campo, incluidos indicadores clave desafiantes como el carbono y el fósforo.

La clave de este nuevo enfoque es trasladar la espectroscopia de descomposición inducida por láser fuera del laboratorio al lugar de trabajo. Su primera elección de instrumento fue el SciAps LIBS, que es el único LIBS portátil con suficiente potencia láser para producir un espectro completo del suelo.

“No tenemos que usar un sistema tan pequeño, pero usar una computadora de mano fue una idea interesante para mí”, dice Riebe. Podía caminar a través de un campo que transportaba el analizador y las áreas de prueba con relativamente poco trabajo de preparación. La creación de este sistema de gestión del suelo no ha sido fácil, pero el equipo de Riebe está logrando un progreso significativo hacia su objetivo final de construir una plataforma con sensores que puedan conectarse a un tractor que atraviesa un campo, analizando el suelo en el lugar y en tiempo real.

BonaRes: El suelo como recurso sostenible

BonaRes es una iniciativa financiada por el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania, para extender la comprensión científica de los ecosistemas del suelo y mejorar la productividad de los suelos y otras funciones del suelo, mientras se desarrollan nuevas estrategias para un uso y manejo sostenible de los suelos.

Riebe trabaja con uno de los diez proyectos de BonaRes, Sistema Integrado para la Gestión de la Fertilidad del Suelo en Sitios Específicos (I4S). El enfoque de su equipo es la detección del suelo, y esperan diseñar un sistema para las recomendaciones de fertilizantes y la mejora de las funciones del suelo con respecto a casi cada metro cuadrado de suelo.

El desarrollo de un procedimiento que evalúe los campos individuales con mayor precisión y en tiempo real conservará los recursos y creará un sistema mejorado de gestión del suelo. Los agricultores ahorrarán en fertilizantes, al mismo tiempo que protegerán las aguas subterráneas cercanas del exceso de contaminación por nitrógeno y otras escorrentías.

Muestreo con LIBS de mano

Uno de los primeros pasos del equipo de I4S fue analizar el suelo en el campo. La prueba con LIBS era imprescindible porque la espectroscopia de ruptura inducida por láser puede medir cada elemento. Pero encontrar un LIBS portátil y de mano que pudiera hacer el trabajo en el suelo era clave. “Elegimos específicamente SciAps LIBS porque tenía la energía láser más alta. Con otros LIBS portátiles, no obtendríamos un espectro de una muestra de suelo. Son estrictamente para aleaciones de metal”, dice Riebe. Caminar por el campo con un analizador portátil fue un cambio de juego. Hasta ahora, el estándar ha estado tomando muchas muestras en el campo y luego llevándolas al laboratorio para verificar con ICP-OES. La preparación de la muestra en sí toma una o dos horas solo para disolver el suelo en el ácido.

“Solo puedes hacer tantas muestras en un día. Es realmente lento en comparación con LIBS porque podemos analizar el suelo casi sin preparación de muestras”, dice Riebe. El equipo de I4S hizo uso de la capacidad LIBS para medir parámetros no elementales como el pH y el contenido de humus. El contenido de humus es todo el material orgánico en los suelos, todo lo que solían ser plantas y el material que los microbios en el suelo ya han transformado. El carbono orgánico es el carbono al que las plantas pueden acceder desde el suelo. El carbono inorgánico es el carbono al que las plantas no pueden acceder desde los suelos. Los dos juntos es el carbono total.

Para las plantas, el carbono total es irrelevante. Las plantas dependen del carbono orgánico y del contenido de humus. “La única razón por la que pudimos medir el carbono orgánico es por los algoritmos de aprendizaje automático. Los espectros LIBS contienen información sobre la composición elemental completa de las muestras, que es mucha información, por lo que puede usarse para muchas cosas”, dice Riebe. LIBS puede acceder a toda la gama de elementos, incluidos los elementos ligeros, como el fósforo, un elemento esencial para el crecimiento de las plantas.

“El contenido de fósforo es uno de los elementos más difíciles de medir con LIBS porque los picos son realmente pequeños, pero en nuestro estudio pudimos medir el fósforo disponible para las plantas con mayor precisión que el fósforo total. Por lo general, lo contrario es cierto. Fue un éxito que pudiéramos medir el fósforo, que es el elemento más importante después del nitrógeno para los agricultores, y encontrar la correlación para eso”, dice Riebe.

El futuro de la gestión global del suelo, en una computadora de mano

Los descubrimientos de Riebe hasta ahora le han dado una perspectiva global sobre la importancia del suelo. “El suelo no es realmente un organismo sino un ecosistema que está vivo con procesos complejos. Siempre supe que había microbios viviendo en el suelo, pero no era consciente de lo importante que era la interacción entre las plantas y el suelo para que las plantas crecieran”, dice Riebe.

Las pruebas en el campo resolverían varios problemas apremiantes para los administradores de suelos. Una es la sobrecarga de nitrógeno. “Es importante para las plantas, pero un gran problema para las aguas subterráneas y otros ecosistemas. La UE está estableciendo normas más estrictas sobre la cantidad de nitrógeno que utilizan los agricultores para fertilizar sus campos”, dice Riebe. Si las normas se vuelven más estrictas, los agricultores, en algún momento, se verán obligados a limitar el uso de fertilizantes. Gracias a este proyecto, el equipo de I4S dispondrá de un método para ayudarlos a analizar sus campos, lo que les permitirá fertilizar solo donde sea necesario.

Otro beneficio es el potencial de LIBS para medir trazas de nutrientes. “Hoy no se llevan trazas de nutrientes a los campos. No es porque los campos no lo necesiten, sino porque es difícil decir si se necesita o no. La información que falta sobre estos elementos es la importancia que tienen para las plantas. Se desconoce porque no hay datos sobre oligoelementos en suelos específicos. Sin embargo, LIBS puede medir todos los elementos. En el futuro podríamos aprender más sobre otros nutrientes, lo que podría ayudarnos a crear fertilizantes más específicos para mejorar los procesos agrícolas”, dice Riebe.

Mirando hacia el futuro, Riebe ve la diferencia que hará este proyecto, no solo para los agricultores, sino para todos nosotros. En la discusión ambiental global, el carbono es el elemento clave. El proyecto del equipo I4S puede ser una investigación fundamental para proyectos futuros. “Hay tanto carbono almacenado en el suelo. Esto podría ser una solución a algunos de los problemas del calentamiento global. La captura de carbono tiene que hacerse de alguna manera si vamos a evitar un mayor calentamiento global. El suelo es una de las mayores oportunidades que tenemos para que esto suceda”, dice Riebe.

Para obtener más información sobre las aplicaciones del suelo, consulte Detección de nutrientes del suelo para agricultura de precisión mediante espectroscopia de descomposición inducida por láser portátil (LIBS) y métodos de regresión multivariados (PLSR, Lasso y GPR) en la revista Sensores, publicado el 11 de enero de 2020. A continuación, consulte SciAps ApNote sobre la medición rápida del carbono total en el suelo con SciAps Z-300.

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Contáctenos (academic@sciaps.com) con una breve descripción de lo que desea medir. A medida que avanza su trabajo, agradeceríamos actualizaciones continuas. No te preocupes, entendemos que no puedes comprometer una publicación futura. Le entregaremos el analizador, lo capacitaremos en un horario programado regularmente (a menudo a través de GoTo Meeting o Skype, pero también funciona en persona). El objetivo es crear conciencia sobre el increíble mundo de las aplicaciones disponibles para LIBS y XRF portátiles. [Tenga en cuenta que en este momento debemos limitar el programa de préstamo a investigadores que trabajen en instituciones estadounidenses y canadienses. Sin embargo, los investigadores de estos países pueden viajar por todo el mundo con el analizador.]