智能秋收｜土壤养分的“微侦探”来了

出品；科普中国

作者：陈翔宇（中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所）

监制：中国科普博览

编者按：为展现智能科技动态，科普中国前沿科技项目推出“人工智能”系列文章，一窥人工智能前沿进展，回应种种关切与好奇。让我们共同探究，迎接智能时代。

AI助农小助手名片

**小助手：**集成3D微电极的新型电容耦合非接触电导检测微流控芯片

**三大法宝：**低成本小芯片、便携田间现场检测箱、测齐氮磷钾土壤养分

**三大关键技术：**耦合3D微电极体系的微流控芯片、电容耦合非接触式电导检测技术、微芯片土壤养分电泳分离技术

**能量值：**5颗星

证件照：

（图片来源：参考文献1）

AI助农小助手自我介绍

很高兴认识你，我是集成3D微电极的新型电容耦合非接触电导检测（C4D）微流控芯片，是中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所这个大家庭的成员之一。

我能够实现土壤氮、磷、钾的快速、可靠、同步检测。3D微电极构型被引入到C4D微流控芯片中，能够提高我的灵敏度，可以在十几分钟内对土壤氮、磷、钾养分进行现场定量分析，单次成本仅需几元，从而为实现田块级精准施肥奠定感知基础，提高作物产量和品质，同时减少资源浪费和环境污染。

土壤养分测量为什么重要？

土壤养分是指由土壤提供的植物生长所必需的营养元素，包括大量元素如氮、磷、钾，中量元素如钙、镁、硫，以及微量元素如铁、锰、锌、铜、硼、钼等。这些养分存在于土壤的矿物质、有机质、土壤溶液和土壤空气等不同的组分中，以各种化学形态和物理状态存在。

土壤与植物

（图片来源：veer图库）

充足且平衡的土壤养分供应能够促进农作物根系的生长和发育，增强其对水分和养分的吸收能力，提高植株的抗逆性，从而保证农作物的正常生长和高产优质。

土壤养分还会受气候、作物生长、施肥等诸多因素影响而发生变化。比如丰富的降水会导致土壤中的养分随水流向下淋溶，尤其是氮、钾等易溶性养分，可能会从表层土壤流失到深层土壤，甚至流失到地下水中，从而降低表层土壤的养分含量。在作物生长旺盛期，对氮、磷、钾的需求较大，会大量消耗土壤中的这些养分。

施肥

（图片来源：veer图库）

适量、适时地施肥可以补充土壤中被作物吸收消耗的养分，保持土壤养分的平衡。但如果施肥量过大，超过了作物的吸收能力，多余的养分就可能会在土壤中积累，造成面源污染。

因此，快速准确地了解土壤养分状况，不仅有助于提升农业生产的经济效益，也有助于可持续的农业发展。

为什么要用我检测土壤养分？

传统的土壤养分检测方法存在诸多局限性。首先，这些方法往往耗时长，从样品采集到实验室分析，再到最终得出结果，可能需要数周甚至更长时间，无法及时为农业生产提供指导。其次，检测成本较高，需要昂贵的仪器设备和大量的化学试剂。此外，操作过程复杂，对操作人员的技术要求较高，且容易受到外界环境因素的干扰，导致检测结果的准确性和重复性受到影响。

**与传统检测方法相比，使用我来检测土壤养分，大幅减少了设备体积，提高了检测的灵敏度，同时显著缩短了检测时间，使得现场即时检测成为可能。**同时，我具有成本低、操作简便等优点，无需专业技术人员即可用我完成检测，这些优势使得我在农业精准管理方面具有重要意义。

我为什么可以这么厉害？这要归功于我的核心部件——微流控芯片，它是一种在微米尺度空间对流体进行操控的技术平台，它将生物、化学、医学分析过程中的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微小的芯片上。微流控芯片基于微流体力学原理，通过微通道、微泵、微阀等微结构来控制和操纵微小体积的流体。这些微结构可以精确地控制流体的流动速度、方向、混合程度等，从而实现各种复杂的化学和生物反应。

微流控芯片在现代分析科学中的应用也是非常广泛的，比如可以用于环境监测中的污染物检测、土壤养分检测，还能快速检测食品中的农药残留、重金属等。它具有微型化、集成化、便携性等多方面的优点。具体来说就是它的体积小，所需样品和试剂少，降低了成本；其次它可以将多个操作单元集成在一块芯片上，减少了操作步骤和人为误差；同时便于携带，可实现现场检测。

微流控芯片的发展可以追溯到20世纪80年代，随着微加工技术的不断进步，其逐渐从概念走向实际应用。早期主要应用于科研领域，近年来在临床诊断、环境监测等实际应用中取得了显著进展。

我的法宝

我身体内的微电极采用了3D环绕结构，3D微电极能够提高检测的灵敏度，解决了其他微流控芯片难以检测土壤磷的难题。我也借助电泳将土壤样品里复杂多样的离子进行依次分离，再利用微电极的电导变化来检测这些离子。

通过把3D微电极构型引入到C4D微流控中，有效提高检测仪器灵敏度，还可以对土壤氮、磷、钾养分进行现场定量分析，有效控制土壤施肥。

在农田里生长的玉米幼苗

（图片来源：veer图库）

我有什么重要作用？

首先，我能帮助农民了解土壤的肥力状况，从而制定合理的施肥方案，避免浪费肥料和资金。例如，如果检测发现土壤中钾元素含量充足，就可以减少钾肥的施用量，节省成本。

其次，通过定期检测，可以及时发现土壤养分的变化趋势，采取相应的措施来维持土壤肥力。比如，连续多年种植同一种作物可能导致某些养分的过度消耗，检测能提醒农民进行针对性地补充。

再者，使用我有助于保护环境。过量施肥会导致养分流失进入水体，造成水体富营养化等环境污染问题。准确检测可以控制施肥量，减少对环境的负面影响，未来，田块级的精准施肥为大幅降低肥料使用、提升作物产量提供新的可能。

机器人通过编程来喷洒化学药品、化肥或提高效率、种种子、收割、缩短时间

（图片来源：veer图库）

此外，我对于研究土壤生态系统和农业可持续发展也具有重要意义。通过长期的养分检测数据，可以评估不同农业管理措施对土壤质量的影响，为制定可持续的农业发展策略提供依据。

小助手寄语

我通过集成先进的3D微电极和电容耦合非接触电导检测（C4D）技术，能够在极短的时间内提供高精度的土壤营养信息，使农民能够更及时地获取土壤养分状况，进行科学决策。

此外，我的低成本制造和批量生产能力，使我具备广泛应用的潜力。无论是大型农场还是小规模家庭农场，都能够负担得起我的费用，有效降低农业生产成本，增加农民的收入。

在全球人口持续增长和气候变化加剧的背景下，我为实现农业可持续发展提供了关键技术支持，农业领域的技术创新将为解决全球粮食安全问题提供新途径。我们呼吁各级政府、科研机构、企业和社会各界共同关注和支持智慧农业科技创新的推广与应用，通过政策引导、资金支持和市场推广等多种方式，加速创新技术在农业生产中的转化应用。

拖拉机喷大豆田

（图片来源：veer图库)

参考文献：

[1]Yan Hong, Le Wang, Jingming Su, Rujing Wang, Junqing Zhang, Yang Liu, Hongyan Guo, Mengya Li, Qinwen Lu, Yongjia Chang, Jiabao Zhang, Xiangyu Chen, A novel capacitively coupled contactless conductivity detection (C4D) microfluidic chip integrated 3D microelectrodes for on-site determination of soil nutrients, Computers and Electronics in Agriculture, Volume 219, 2024, 108829, ISSN 0168-1699

注：本项工作受到国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目的支持