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Expansión de la gestión global del suelo con LIBS portátil SciAps

LIBS surge como una nueva herramienta para medir los 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 lejos de su experiencia 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 toman muestras de suelo de diferentes partes de sus campos, las mezclan y luego obtienen 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 en el sentido de que 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 ruptura inducida por láser fuera del laboratorio y 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 por un campo llevando el analizador y las áreas de prueba con relativamente ningún 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 ampliar el conocimiento científico 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 gestión sostenible de los suelos.

Riebe trabaja con uno de los diez proyectos de BonaRes, el 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 recomendaciones de fertilizantes y mejora de las funciones del suelo con respecto a casi cada metro cuadrado de suelo.

Desarrollar un procedimiento que evalúe los campos individuales con mayor precisión y en tiempo real conservará los recursos y creará un sistema mejorado de manejo del suelo. Los agricultores ahorrarán en fertilizantes y, al mismo tiempo, protegerán el agua subterránea cercana 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. Las pruebas con LIBS eran imprescindibles porque la espectroscopia de ruptura inducida por láser puede medir todos los elementos . Pero encontrar un LIBS portátil y de mano que pudiera hacer el trabajo en el suelo fue clave.

“Elegimos específicamente el 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 metálicas ”, dice Riebe.

Caminar por el campo con un analizador de mano cambió las reglas del juego. Hasta ahora, el estándar ha estado tomando muchas muestras en todo 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 la tierra en el ácido.

“Solo se pueden 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 del suelo, todo lo que solía ser plantas y el material que los microbios del suelo ya se han transformado. El carbono orgánico es el carbono al que las plantas pueden acceder desde el suelo. El carbono inorgánico es el carbono 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 se puede utilizar 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 en las plantas con mayor precisión que el fósforo total. Por lo general, ocurre lo contrario. 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 sabía 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 urgentes para los administradores de suelos. Uno es la sobrecarga de nitrógeno. “Es importante para las plantas pero un gran problema para el agua subterránea y otros ecosistemas. La UE está imponiendo normas más estrictas sobre la cantidad de nitrógeno que utilizan los agricultores para fertilizar sus campos ”, dice Riebe. Si las reglas se vuelven más estrictas, los agricultores, en algún momento, se verán obligados a limitar el uso de fertilizantes. Debido a este proyecto, el equipo de I4S tendría un método para ayudarlos a analizar sus campos, lo que les permitirá fertilizar solo cuando sea necesario.

Otro beneficio es el potencial de LIBS para medir trazas de nutrientes. “Hoy en día, los oligoelementos no llegan a los campos. No es porque los campos no lo necesiten, sino porque es difícil decir si es necesario 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.

De cara al futuro, Riebe ve la diferencia que marcará 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 de I4S puede ser una investigación fundamental para futuros esfuerzos.

“Hay mucho carbono almacenado en el suelo. Esta podría ser una solución a algunos de los problemas del calentamiento global. La captura de carbono debe hacerse de alguna manera si queremos evitar un mayor calentamiento global. El suelo es una de las mayores oportunidades que tenemos para que esto suceda ”, dice Riebe.

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