氮元素是自然界最豐富的元素之一，主要參與生物圈的氮循環(huán)。但是這一元素進(jìn)入植物體后會(huì)在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)化成為各種含氮的有機(jī)物。氮元素可以說是有機(jī)物的代表。隨著科技的發(fā)展和人們的日益增長的物質(zhì)需求，人類對(duì)氮元素的循環(huán)影響也越來越明顯。隨著以氮元素為主的化肥的使用，對(duì)農(nóng)作物也有較大的作用，人們還需要更全面的了解氮元素及其相關(guān)產(chǎn)品以及在土壤中存在的形式和含量。
碳元素是植物必須的六種大量元素之首，是生命元素。具有非常重要的意義。如果土壤不能有效地向作物供給碳元素，農(nóng)作物就會(huì)長期處于碳饑渴的病態(tài)。如果提高碳元素的含量可以使土壤中的微生物獲得良好的繁殖條件。土壤中微生物的大量繁殖會(huì)進(jìn)一步提高土壤的生物肥力和物理肥力，從而提高土壤中N,P,K等礦質(zhì)營養(yǎng)元素的利用率，形成良性循環(huán)。由此可見，碳元素，磷元素是植物生長過程中必須的營養(yǎng)元素。更好的研究和測量它們的含量，以及測量手段的有效性就至關(guān)重要了。
現(xiàn)在我們可以利用激光光譜法測量C,N,P元素。這種方法具有無需樣品前處理，測量速度快等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。當(dāng)激光作用于樣品表面時(shí)，在極短時(shí)間內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生含有樣品物質(zhì)的等離子體，等離子體產(chǎn)生的過程中，發(fā)射出帶有樣品元素信息的發(fā)射光譜，通過檢測這些發(fā)射光譜，得到樣品的元素信息。這種技術(shù)被稱為激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)LIBS（Laser Induced Breakdown Spectroscopy），俗稱激光光譜元素分析技術(shù)，檢測限可達(dá)ppm級(jí)；隨著等離子的冷卻，凝結(jié)的樣品顆?？奢斔偷絀CP-MS，可測量樣品中的微量、痕量元素或同位素，檢測限可達(dá)ppb級(jí)。 測量的元素可覆蓋元素周期表中的大部分元素，高達(dá)100多種。
美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室地球與環(huán)境分部，針對(duì)土壤進(jìn)行了C，N,P元素的測量。采用土壤取樣器，取剖面的土壤樣品，均勻混合后壓片。采用LIBS系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及測量。實(shí)驗(yàn)采用1064nm激光，頻率10Hz，最大能量100mJ，實(shí)驗(yàn)過程采用100%能量輸出。根據(jù)不同的測量元素和實(shí)驗(yàn)區(qū)域，進(jìn)行100-200個(gè)激光脈沖。
上圖顯示土壤采樣的過程
上圖顯示為碳元素的特征強(qiáng)峰位置以及C/(Al Si)的標(biāo)準(zhǔn)曲線
上圖顯示為C/Si的比值結(jié)果，實(shí)驗(yàn)在1mm2區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，200個(gè)激光脈沖
上圖是氮元素特征強(qiáng)峰的位置以及沙土粘土混合物的校正曲線，氮元素含量在0.3-6%之間。氮元素的最強(qiáng)特征峰出現(xiàn)在746.83nm。實(shí)驗(yàn)時(shí)在樣品上采樣5次，每次100個(gè)激光脈沖。檢測限可達(dá)0.3-0.8%。如果通入適當(dāng)?shù)臍鍤?，可以將檢測限降低至0.1-0.3%。
上圖是磷元素的特征強(qiáng)峰位置以及其校正曲線，樣品中磷元素的含量大約在300-4300ppm。實(shí)驗(yàn)時(shí)在樣品上采樣5次，每次200個(gè)激光脈沖。磷元素的最強(qiáng)特征峰出現(xiàn)在255.32nm。通過實(shí)驗(yàn)磷元素的檢測限大約在300-1000ppm。
上圖為氦氣和氬氣對(duì)實(shí)驗(yàn)的輔助作用
通過如上的實(shí)驗(yàn)建立了土壤非金屬元素的測量方法，且快速有效。非金屬元素的檢測限略高于金屬元素，但在實(shí)驗(yàn)中依然可以很好的測量。碳元素的最強(qiáng)特征峰出現(xiàn)在247.856nm，也可以使用193.091nm，這里無其他元素的干擾。氮元素的最強(qiáng)特征峰出現(xiàn)在746.83nm。磷元素的最強(qiáng)特征峰出現(xiàn)在255.32nm。另外，通入一些氣體對(duì)實(shí)驗(yàn)有更好的幫助，例如通入氬氣有增敏的作用，可以將氮元素的檢測限降低至0.1-0.3%。在測量碳元素和磷元素時(shí)可以通入氦氣起到降噪的作用。為了更好的測量到這些非金屬元素，可以適當(dāng)增大采樣量，例如采用慢速線性掃描的實(shí)驗(yàn)方式，通常在這種情況下平臺(tái)移動(dòng)速度設(shè)置為0.2-0.5mm/s，這樣實(shí)驗(yàn)方法有兩種好處，一是可以在樣品表面獲得更多的脈沖點(diǎn)數(shù)，數(shù)據(jù)累加后有效的增加了強(qiáng)度值，另外也避免了只在某一個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)一直作用下可能導(dǎo)致的一些負(fù)面影響。
