《Computers and Electronics in Agriculture》：In-situ decomposition sensor output correlates with soil health indicators
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本研究的创新性在于开发基于可降解复合导体的低成本印刷传感器，通过电化学阻抗变化实时监测土壤微生物分解活动。在长期草地恢复实验场部署31个传感器，与实验室测定的微生物生物量、有机碳及酶活性数据对比，发现传感器信号与微生物生物量和有机碳存在显著相关性，为土壤健康动态监测提供了新工具。
泰勒·J·夏普（Taylor J. Sharpe）| 马杜尔·阿特雷亚（Madhur Atreya）| 刘尚石（Shangshi Liu）| 龙美仪（Mengyi Gong）| 尼科尔·卢娜（Nicole Luna）| 诺亚·斯莫克（Noah Smock）| 杰西卡·戴维斯（Jessica Davies）| 约翰·N·昆顿（John N. Quinton）| 理查德·D·巴德盖特（Richard D. Bardgett）| 杰森·C·内夫（Jason C. Neff）| 丽贝卡·基利克（Rebecca Killick）| 格雷戈里·L·惠廷（Gregory L. Whiting）
科罗拉多大学博尔德分校莫滕森全球工程中心（Mortenson Center in Global Engineering），地址：4001 Discovery Drive, 608 UCB, Boulder, CO 80303, 美国
摘要
监测土壤微生物过程可以为改善土壤健康和农业生产力提供依据。目前，现场实时进行生物土壤健康测量较为困难，通常需要手动采样和实验室分析。这种方法成本高昂、耗时且资源密集，无法在高时间和空间分辨率下测量变化，从而限制了及时做出明智的土地管理决策的能力。利用打印技术制造的低成本土壤传感器为解决这些问题提供了潜在的可行方案。在这里，我们测试了新型传感器在代理评估土壤微生物过程方面的应用，假设传感器的降解速率可能与手动土壤采样测量结果相关。这是首次在多地块田间部署此类传感器，这些传感器使用可生物降解的复合导体将微生物对底物的降解转化为电阻变化，从而提供时间序列的降解速率数据。传感器在长期草地实验的44个实验地块中安装了50天，这些地块具有不同的历史处理方式，并且土壤微生物活性存在显著差异。由于早期故障和某些底物不响应，最终使用的传感器数量减少到31个。常用的土壤健康指标（包括微生物生物量和与养分循环相关的酶活性）是通过标准实验室方法测定的，并与传感器响应进行了比较。三种统计方法发现传感器信号与实验室测定的微生物生物量碳和土壤有机碳之间存在正相关关系，而一些方法则发现与酶活性的相关性较弱。尽管这项实验的范围仅限于一个实验田和一个季节，但这些初步发现表明，使用低成本、可扩展的打印传感器可以实现现场代理测量土壤微生物过程的目标。
引言
为了准确管理土壤资源，需要高空间和时间分辨率的土壤监测（Robinson等人，2014年），但目前我们在这一方面的能力有限，主要限于监测土壤水分、温度和一些化学参数。
土壤健康是指与土壤提供生态系统服务能力相关的一系列指标和方法（Wiesmeier等人，2019年）。土壤健康指标通常分为三类：物理、化学和生物（Veum等人，2017年；Arias，2005年），但在土壤健康评估中，生物指标受到的关注相对较少（Lehmann等人，2020年；Powlson，2020年）。部分原因是测量和将生物参数整合到土壤健康模型中的难度较大（Steinberger等人，2022年）。普遍认为，更全面的土壤健康模型应更重视生物测量（Griffiths等人，2018年；Doran和Zeiss，2000年）。传统的实验室方法用于评估对土壤健康至关重要的生物特性（表1），通常是在从田间采集的样本上进行的。这意味着样本的条件可能不再反映田间的实际情况。此外，实验室分析可能成本高昂且耗时，无法实现连续的现场监测（Fan等人，2022年），特别是在微生物生物量碳（MBC）和基因测序方面，无法区分当前活跃的微生物和来自微生物残体的物质（Fierer，2017年）。诸如垃圾袋、木条或茶包等有机物质埋藏技术因其简单性以及能够代表现场有机物质降解速率而具有优势（Robertson，1999年）。然而，这些技术需要回收、干燥和称重，这限制了它们在识别短期降解速率或关键变化点方面的实用性。同样，氮矿化技术可以通过将土壤埋在透气容器中来捕捉现场效应（Hanselman等人，2004年），但也需要回收和实验室分析。因此，需要更好的方法来大规模评估土壤健康的生物成分，包括实施连续监测以评估变化趋势。
土壤微生物活动的连续监测主要局限于测量土壤CO2通量（Tang等人，2003年）、手动测量埋藏过程中茶包、棉条或木材的降解情况（Robertson，1999年）、受控的实验室分析，或小型原型传感器的应用（Atreya等人，2023年）。精细尺度的CO2通量测量依赖于定期到田间采集气体样本或使用昂贵的自动化腔室系统；这两种方法都无法区分根系和土壤的呼吸作用，也无法提供真正的连续测量。实时监测土壤生物活动将有助于精确和可持续地管理这一关键土壤组成部分。鉴于土壤微生物组对维持土壤健康和生态系统功能的基本重要性，这一点尤为重要（Dubey等人，2019年；Orwin等人，2015年）。这些关键的土壤功能包括养分循环、分解、植物生长以及由于呼吸作用和固存而产生的土壤碳通量调节（Delgado-Baquerizo等人，2020年；Bhattacharyya等人，2022年；Sáez-Sandino，2023年）。土壤中的微生物影响着地球上最大陆地碳库中碳的命运和运输（Sokol等人，2022年）。此外，它们还参与提供食物和安全饮用水等关键生态系统服务，以及调节病原体（Brevik等人，2018年）。
新兴技术在支持恢复土壤健康的项目中显示出潜力，包括遥感、移动应用和现场传感器（Herrick等人，xxxx）。然而，监测系统仍面临一些挑战，如能源效率限制、成本、响应时间、准确性和易用性（Kumar等人，2013年）。由于土壤的异质性，如果没有高空间覆盖范围，很难对其进行有意义的监测，土壤微生物群落和土壤性质表现出较高的空间和时间变异性（Fierer，2017年；Xu等人，2013年）。基于打印的电子设备制造方法为解决这些限制提供了潜在方案，因为低成本制造允许大规模部署大量传感器，从而实现高空间和时间分辨率的土壤监测。其他人已经展示了各种打印电子传感器在连续监测土壤物理和化学性质方面的实用性，包括湿度（Shirahama等人，2015年；Sui等人，2021年；Atreya等人，2020年）、相对湿度（Ait-Mammar等人，2020年）、pH值（Singh等人，2020年；Aliyana等人，2022年；Galdino等人，2015年）、硝酸盐（Artigas等人，2003年；Garland等人，2018年；Baumbauer等人，2022年；Ali等人，2019年）和氯化物（Cranny等人，2011年；Cranny等人，2014年）。我们之前已经展示了将微生物降解活动转化为电阻变化的打印电子传感器，这些传感器利用土壤微生物降解聚（羟基丁酸-己酸）（PHBV）/碳复合导体（Atreya等人，2023年）。在这种方法中，PHBV生物聚合物（在有氧和厌氧条件下都会降解（Meereboer等人，2020年）与碳片混合制成可打印的墨水。通过模板印刷工艺，将墨水沉积在表面上并干燥，形成对微生物活动有响应的电阻器。随着电阻器在土壤中的降解，它会更有效地膨胀，导致电阻随时间增加，这种变化动态反映了微生物活动的水平。对比活跃和灭菌堆肥茶中的传感器响应的受控实验表明，只有在非灭菌情况下才出现传感器响应。在相对无菌的环境中，如高压灭菌的沙子或去离子水中，电阻随时间的变化可以忽略不计，进一步表明微生物活动是传感器响应的主要贡献因素。传感器提供的电阻变化使用传统的低成本电子设备即可轻松测量，从而支持高密度部署，并且仪器成本相对较低。
本工作的目标是确定PHBV/碳降解传感器的信号是否能够反映来自不同土壤地块的更传统测量结果。在这里，我们在英格兰北部一个长期草地生物多样性恢复实验中首次在多地块田间部署了这些传感器，并评估了它们的性能以及使用和分析方法。该地点包括不同的农业管理措施，这些措施导致了土壤性质和植物生产力的显著差异。我们在2023年夏季的50天内比较了44个实验地块中传感器的信号，并将其与标准土壤微生物生物量和功能测量结果进行了关联。此前在该地点进行的研究已经表明，微生物群落及其生物量和对管理措施的响应发生了显著变化（Smith等人，2008年）。因此，这项实验为研究这些新型传感器的功能及其与传统实验室土壤测量结果之间的关系提供了良好的基础。
这种新的传感方式提供了关于可生物降解底物降解速率的实时信息。这一过程受土壤温度、湿度和pH值等多种分解驱动因素的影响。这些传感器直接测量底物的降解情况，而不是分别考虑这些干扰因素。我们假设这些降解传感器可能与本研究中相关的土壤健康实验室测量结果相关，从而在单一历史现场站点的情况下实现有用的土壤生物测量代理。与现有的生物土壤健康指标的相关性可能表明该技术未来的潜在用途。
传感器制造
所部署的传感器是根据之前的报告（Atreya等人，2023年）制造的。一个单环微生物响应电阻器（宽度3毫米，长度75毫米）由PHBV/碳片复合材料制成，使用激光切割的胶带模板打印在玻璃基板上。然后使用导电环氧树脂（MG Chemicals 8331D）连接两端的引线，并浸入耐候胶粘剂（FlexSeal）中以防水。这样，大部分导电聚合物
土壤指标
正如预期的那样，由于历史管理措施的不同组合导致的土壤条件差异，实验室测量的土壤参数在各个实验地块之间显示出广泛的范围。这些指标目前用于土壤健康测量（Lehmann等人，2020年；Alkorta等人，2003年；Zhou和Ding，2007年；Sparling，1997年），并且通常被认为是控制土壤有机质降解速率的关键因素。SOC是最广泛使用的土壤健康指标之一
结论
本报告描述了首次在田间部署的一种新型土壤传感器，该传感器通过基于可生物降解电阻器的独特转换机制来确定微生物降解活动。这些低成本传感器使用易于获得的材料通过打印方法制造，并可通过简单的电子设备进行操作，为收集与生物土壤健康相关的参数的空间密集数据迈出了一步。本研究分析了31个传感器在50天内的信号
CRediT作者贡献声明
泰勒·J·夏普（Taylor J. Sharpe）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。马杜尔·阿特雷亚（Madhur Atreya）：撰写 – 审稿与编辑，方法论，正式分析，概念化。刘尚石（Shangshi Liu）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，调查，正式分析。龙美仪（Mengyi Gong）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法论，
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：格雷戈里·惠廷（Gregory Whiting）报告称获得了美国国家科学基金会的财务支持。约翰·昆顿（John Quinton）报告称获得了英国研究与创新自然环境研究委员会的财务支持。格雷戈里·惠廷拥有由科罗拉多大学博尔德分校持有的专利#12,270,066（授权给Biosensor Solutions）。如果有其他作者，他们也会进行声明
致谢
本工作得到了美国农业部（USDA NIFA）的资助（奖项编号：2019–05291），以及英国自然环境研究委员会（NERC）的资助（奖项编号：NE/T012307/1）。
