硝态氮是作物生长所需的关键养分，其含量精准监测对科学施肥、提高作物产量具有重要意义。传统土壤速效养分监测方法依赖实验室处理，存在时效性差、难以克服田间基质干扰等问题，而现有的土壤氮素监测技术在实时性、原位监测能力以及动态监测方面存在显著不足，难以满足现代农业对高频次、大规模动态监测的需求。

为破解这一技术瓶颈，中国科学院沈阳应用生态研究所联合沈阳巍图农业科技有限公司共同研发了硝态氮原位监测传感器。传感器基于沈阳巍图农业科技有限公司创立的介电谱微域介导分析与组分响应算法构建理论（Dielectric Spectroscopy Micro Domain Mediation Analysis and Component Response Algorithm Construction Theory, DIS·M·A·R·T）实现。该传感器通过双频段协同工作机制排除干扰、精准捕捉信号：在1-50 MHz低频带，通过稳定的阻抗匹配有效隔离水分和盐度干扰；在100-500 MHz高频带，通过增强电磁耦合实现硝态氮弛豫信号的精准捕捉。为验证传感器性能，科研团队在棕色、黑色、红色、盐碱、黄土五种不同类型土壤上开展了田间试验。结果显示，该传感器监测精度优异，决定系数介于0.943-0.987之间，平均绝对误差≤0.75 mg/kg，均方根误差≤0.92 mg/kg；响应速度达到毫秒级，较传统方法检测效率提升上千倍。即便在-5℃低温、90%高相对湿度的极端环境下，信号漂移仍保持在0.25 mg/kg以内，稳定性突出；在施肥前后、降水等典型农业场景中，监测结果与实际值的皮尔逊相关系数高达0.995-0.999，完全满足田间动态监测需求。该技术的成功研发，不仅缩短了监测时间，更实现了对土壤硝态氮的原位、实时、高精度监测。在未来发展中，可与智能灌溉、施肥系统联动，为动态氮管理提供精准数据支撑，对推动智能农业发展、提升农业可持续发展水平具有重要意义。

成果以“In Situ Rapid Detection of Soil Nitrate Nitrogen via Dielectric Spectroscopy Using a Dual-Band Frequency-Splitting Coupled Sensor”为题发表于美国化学学会期刊ACS Sensors。联合培养博士研究生刘泳圻、硕士研究生李航为共同第一作者，谷健副研究员和沈阳巍图农业科技有限公司农艺师王爽为联合通讯作者。该研究得到国家重点研发计划和中国科学院战略先导A类项目等项目资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.5c03028

图1 原位检测传感器内部构造及原理

图2 收获期前后出传感器检测值与实验室实测值间的关系

图3 传感器长期监测条件下检测值（PN）和实测值（EN）间的关系