土壤是陸地生態系統物質循環的核心載體，養分遷移、礦物風化、碳-鈣耦合轉化、氮素周轉等眾多關鍵生態過程均發生在微米尺度的微小環境之內。土壤團聚體、土-根界面、微孔隙之間存在空間異質性，元素總量與礦物分子形態往往呈現高度的空間分異。

長期以來，土壤元素庫與礦物分子庫的解析通常依靠兩套獨立設備分開測定：利用 ICP、LIBS 等手段獲取鈣、氮、鎂、鉀等元素總量信息；再借助拉曼光譜、X?射線衍射等技術識別碳酸鈣等固相礦物。分別測量會導致元素?礦物耦合關系的解讀出現偏差。以土壤中的鈣庫為例，LIBS 測得的總鈣是一個混合結果，包含多種存在形態。僅僅依靠鈣元素信號，無法判斷鈣究竟來自長期穩定的碳酸鹽固相庫，還是流動性較強的可溶性鹽庫；反過來，僅通過拉曼檢出碳酸鈣，也無法獲知土壤整體鈣庫的規模以及活性鈣的占比情況。土壤有效鈣是植物能夠直接吸收利用的鈣形態。碳酸鈣屬于土壤碳酸鹽礦物，無法直接被植物吸收，但作為土壤鈣儲備庫，可隨土壤酸化緩慢溶解釋放鈣離子。同步獲取元素鈣與碳酸鈣礦物信息，可區分碳酸鹽鈣與非碳酸鹽鈣組分，完整解析土壤鈣庫形態轉化，評估生態系統鈣供給潛力。

針對土壤微區分析中目前存在的不足，我司自主研發的EcoChem Pro 激光元素分子分析系統，將 LIBS 激光誘導擊穿光譜與拉曼光譜兩大檢測技術集成于同一平臺，實現同一微區測點同步采集元素光譜與分子光譜信息。無需繁瑣的樣品消解、分離與滴定等前處理。快速測量，同時也提高了元素信息與礦物信息的匹配度。

碳酸鈣與硝酸鈣代表了兩類性質截然不同的鈣庫，在生態循環過程中扮演著不同的角色。碳酸鈣屬于穩定固相礦物，是干旱 — 半干旱區、喀斯特地區土壤無機碳的主要儲存載體，參與長期土壤發育、鈣沉積過程與陸地碳封存。而硝酸鈣大多以離子形態溶解于土壤水溶液，屬于活性可溶性鈣庫。二者鈣元素同源但生態功能不同，若無法在同一測點區分固相礦物鈣與可溶性活性鈣，就很難精準厘清鈣-碳固存過程與氮素周轉之間的耦合關系。因此同步測定土壤的鈣元素和有機質分子可以很好、很全面的表達土壤的特性，具有重要意義。

土壤中鈣元素及其他微量元素的LIBS光譜         不同硝酸鹽含量的土壤拉曼光譜

碳酸鈣的拉曼光譜

通過上述實測，系統可以很好的識別土壤中的鈣元素及其他微量元素，同時可以測出碳酸鈣與硝酸鹽等分子信息。

在陸地生態研究中，EcoChem Pro雙光譜同步檢測技術擁有廣闊的應用空間。系統同步觀測鈣元素與碳酸鈣礦物的空間分布特征。在根際微域研究中，可以對土-根界面開展二維mapping掃描成像，以展示碳酸鈣沉淀熱點區域與鈣元素的共定位關系，揭示根系活動驅動的鈣?碳?氮交互過程。在礦區與退化土地生態修復方向，能夠追蹤修復進程中次生碳酸鹽礦物的生成演化，評估土壤固碳潛力。

上圖為土壤團聚體二維mapping掃描熱圖（總鈣分布圖 + 碳酸鈣分布圖），可以協助我們識別土壤團聚體內部的鈣庫熱點與碳酸鹽分布的差異。

文中實驗采用北京澳作生態儀器有限公司自主研發的EcoChem Pro激光光譜元素分析系統。該系統采用激光誘導擊穿光譜(LIBS)技術和拉曼散射技術(Raman)，分別用于元素和分子信息的測量。LIBS激光能量200mJ@1064nm，能量輸出0-100%可調；光斑大小50-300μm連續可調。拉曼激光波長785nm，功率≥500mW，波長范圍：250-2700cm-1，可有效的避免熒光的干擾。系統內置高精度全自動三維工作臺；樣品室可通入氦氣或氬氣，排除空氣的干擾、提高實驗效果。

通過本文，我們了解了LIBS與拉曼復合系統的特殊優勢。相對于傳統分開檢測的方案，EcoChem Pro 同源同步檢測模式，為土壤元素?礦物耦合過程提供了更加可靠的微尺度觀測手段。雙光譜協同觀測的模式突破單一元素檢測或單一礦物識別的局限，為陸地生態系統碳匯、養分循環、土壤演化等前沿方向拓展出全新的研究維度。LIBS與拉曼技術的結合作為一種新興的、快速的分析模式，有著傳統儀器所不具備的更多功能。隨著這一技術的發展，它必將在元素和分子同步分析領域發揮越來越重要的作用。