基于LIBS的土壤-农作物重金属快速检测与迁移机理研究

Crop heavy metal pollution has serious harm to people's health. Real-time monitoring of soil-crop heavy metal content and exploring the law of migration and accumulation of heavy metals in soil and crops is an effective way of prevention and repair of heavy metal pollution. Based on the characteristics of effectively reflect the heavy metal element content of LIBS, the project focus on the soil-crop system which is stressed by heavy metal. Research on the regularity of spectral characteristics response to heavy metal content of soil, root and stem, establishing the heavy metal rapid detection method aiming at soil, root and stem under the crops growth cycle time series based on LIBS. Explore the regulation of heavy metal elements migration and accumulation in soil, root and stem, and establishing heavy metal elements migration and accumulation model. Study on the interference of the external environment factors on the LIBS spectrum of soil, root and stem, and establishing the method to eliminate external interference. The research of the study will offer data support for exploring the influence regulation and mechanism of heavy metal on crops growth, and provide decision support for crop adversity control, repair and precise management.

农作物重金属污染已严重危害人类健康。早期监测土壤-农作物系统重金属元素，探究重金属在土壤-根系-茎叶中的迁移与累积机理，能够更好地从种植源头控制农作物的重金属污染。本项目基于LIBS光谱能有效反映物质内重金属元素含量的特性，以重金属胁迫下的土壤-农作物系统为研究对象，研究LIBS光谱特征对土壤、根系、茎叶重金属含量变化的响应规律，建立农作物全生长周期中土壤、根系、茎叶重金属元素的时间序列和空间结构的快速检测方法；探究重金属元素在“土壤—根系—茎叶”过程中的迁移路径与分布规律，揭示土壤—农作物系统一体化的重金属迁移与累积机理；研究外部环境因素对土壤、根系、茎叶LIBS光谱测定准确度的干扰，建立消除外部环境干扰的方法。本项目的研究将为探明重金属对农作物生长的影响规律和机理提供数据支撑，为早期农作物重金属污染防治、修复和精准化管理提供决策支持。

项目组以时空序列中的土壤-农作物重金属胁迫检测为主线，从理论上研究基于机器学习和人工智能的激光诱导击穿光谱数据抽象特征提取、迁移元素实时监测建模方法。主要从三方面开展研究：（1）构建农作物-土壤重金属元素快速监测系统，研究水分效应去除方法，研究水分对信号强度、信号稳定性和等离子体参数（电子密度和等离子体温度）的影响，确定了水分效应影响关键因素，并提出补偿方案减少水分对样本的影响和点与点之间的波动；（2）结合化学计量学方法和多元分析方法，研究元素标志谱线与全谱段信息的特征提取和压缩算法，确定适合土壤特定重金属元素标志谱线，建立基于LIBS光谱的土壤重金属元素定量反演模型；（3）研究农作物茎叶重金属元素快速测定方法，研究不同参数配置下LIBS光谱数据对茎叶重金属元素含量变化的敏感度，确定适合茎叶特定重金属元素的标志谱线，建立茎叶LIBS光谱特征指数与重金属元素含量间的动态反演模型。