“激”发现代农业之“光”—国家杰出青年科学基金获得者董大明研究员与他的农业环境光学传感技术

近日，我刊编委北京市农林科学院智能装备技术研究中心董大明研究员获得国家杰出青年科学基金资助。

国家杰出青年科学基金受资助项目为“用于农机‘车载’的非接触、超快响应、高灵敏土壤传感器”。项目是前期工作的进一步深入，将探索通过激光光谱学的共振理论，研究直接对未经处理土壤成分进行瞬态测量的方法，并研制车载式传感器。在全球农业领域，这是一种全新的探索，具有重要的应用价值和前景，其解决将会给农业发展带来新的机遇。

铸剑为犁

在进入农业领域之前，董大明研究员一直在从事光学传感技术在军事上的应用研究，曾担任我国型号项目核心技术人员。有趣的农业科学吸引了他，光学传感只是一个手段，既然可以用到工业和国防，为什么不用到农业对象的测量上呢。这个目标成了董大明的科学初心，被他一直坚守着。

一直以来，董大明研究员专注于“以红外与激光光谱学为理论，以现代电子学和信息科学为技术，研究农业环境中化学和生物污染的快速传感”，在自己的光学传感与物理实验室里畅快遨游。他的研究不仅停留在如何探测到污染物的成分和浓度，更向纵深探索如何将建立的方法和理论，以高可靠性兼低廉的成本转化于实际农业应用领域。董大明研究员还自己创造并始终秉承“至繁归于至简”的研究特色，将光谱的简易化表达，用最简约的光学结构、最少的光学器件来实现光谱特征提取，作为研究项目实用化的目标。比如，他创造方法来探测原来不能实时检测的污染物和痕量物质；建立新的光学方法来提高污染物检测灵敏度；用诸如激光扫描的方式来实现大范围、全局性监测；研制出更低成本、更高可靠性的小型化传感器以普惠大众。

铸剑为犁

无论学术 告、会议 告还是项目答辩，董大明研究员的演讲片末页背景总是一幅联合国门前“铸剑为犁”的雕塑照片。“激光技术最初主要用于国防和工业，我的想法就是把这样一把工业中的利剑铸造为服务于农业的犁。”

董大明研究员（左一）指导学生开展激光光谱学实验

从火星到农田-给土壤做CT

在过去、今天和未来,主要的农业生产依然离不开土壤,没有充足和肥沃的土壤资源作为支撑,人类很难养活自己。贫瘠的土壤无法生长出足够的粮食，但过剩的肥料同样会造成污染，造成农产品安全隐患。重金属则是人们更为关注的污染物，一旦土壤重金属超标，重金属就有可能随着食品进入人体内。但我们怎样判断土壤的成分呢？一般来说，需要将土壤取样后烘干、粉碎、研磨，再在实验室内进行一系列的理化分析。一直以来，不论任何高端的仪器设备，都不能在田间速测土壤成分，特别是硝态氮等养分。这主要是由于土壤成分非常复杂，有效养分和重金属等含量又极低。土壤氮素的田间测速甚至被列为“世界100大科学技术难题”。

2011年11月，美国宇航局发射的“好奇号”火星探测器发射。这个探测器使用一束强激光激发火星岩石的等离子体光谱，从而现场分析火星岩石的组成。而彼时，董大明研究员刚刚进入农业领域，受火星探测器的启发，在赵春江院士鼓励下，他果断地把土壤成分现场测量作为重要的研究方向。这个创新性的研究工作在当年即获得了国家自然基金重点项目资助，由赵春江院士亲自挂帅，董大明研究员担任光学传感技术负责人。然而，农田不是火星，大气、土壤中的多种杂质都会影响激光测量。更重要的是，农业传感器不能像火星探测器一样不计成本和体积。为了解决这些科学问题，在赵春江院士亲自指导下，董大明研究员带领团队夜以继日地奋战，解决了一个又一个科学技术难题。

历经十年，团队研制的车载式农田土壤现场快速检测系统于2021年问世，这是全球第一台可以在田间对多种土壤成分进行测量的仪器，被命名为SmartSoil，可在田间实现土壤主要养分、重金属、微量元素三大类、34个指标测量，检测时间由实验室标准方法的数天缩短至10分钟以内。仪器具有自主知识产权，受到16项国家发明专利、2项国际专利、1项美国专利保护。SmartSoil，将开拓土壤成分现场快速测量的新纪元。

对农业碳排放“捕风捉影”

农业是一个特殊的生态系统：它既是碳源的制造系统，又是碳汇的吸收系统。农业的碳源主要来自于与人类密切相关的种植业和养殖业。农业、林业和土地利用直接占温室气体排放的18.4%，特别是养殖场排放的甲烷、稻田排放的甲烷、土壤排放的氧化亚氮。但要想降低碳排放，首先要对甲烷、氧化亚氮这些“隐形”的气体进行精确测量。如何能够定量、在线地测量这些气体，并不是一件简单的事。长期以来，人们需要把这些气体用专用收集袋采集起来，再送到实验室进行检测。

光学测量技术为实时“观测”这些气体提供了机遇，欧美等发达国家将光声光谱技术用于测量温室气体，研制了高精度气体分析仪，自本世纪初以来，已经历经了多代更新，在全球温室气体监测中占据主导市场。而我国一直大量购置欧美国家的这类气体分析仪，不仅每年耗费大量外汇，而且，温室气体排放的数据安全很难保障。近年来，一些专家纷纷呼吁，农业温室气体传感器已成为制约碳减排的“卡脖子”问题。

激光光谱传感器正是董大明的“老本行”，但我们要沿袭欧美主流技术的老路吗？董大明不这么认为，“光声光谱技术已经诞生了几十年，在温室气体传感中有局限性，我们不仅要突破发达国家的‘卡点’，还要更胜一筹，甚至反过来‘卡’欧美”。正是基于这一信念，董大明研究员提出了窄带激光器扫频方式的高灵敏传感方法，这一方法迥异于欧美的主流技术路线。董大明研究员带领团队不断探索，研制了新型农业温室气体传感器，灵敏度比欧美主流产品高了3-4个数量级，受到12项国家发明专利保护，具有完全自主知识产权。为了形象表明传感器的灵敏性，董大明研究员将这一系列传感器产品命名为“智嗅”。可以说，“智嗅”系列传感器的诞生不仅打破了发达国家的垄断，而且性能完全超越了发达国家水平。

董大明研究员团队研制的“智嗅”系列

农业源温室气体传感器

专家介绍

董大明， 1983年生，博士、研究员、博士生导师，国家杰出青年科学基金、国家优秀青年科学基金获得者，现任北京市农林科学院智能装备技术研究中心副主任、农业农村部农业传感器重点实验室主任、《智慧农业（中英文）》编委。长期从事红外与激光光谱传感技术研究，精通光电传感理论、光机电一体化设计、高灵敏传感器研制。曾任总装某型号项目核心技术人员，为国家安全做出了重要贡献。2009年以后，开展土壤、水质、气体等农业环境的光学传感方法研究。

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