面向精准农业的农田土壤成分实时测定研究进展

分类：论文范文 发表时间：2020-04-11 09:27

　　摘要：为了开发土壤成分田间实时测定仪，在分析土壤养分实时测定需求的基础上，归纳了土壤主要成分测试项目及常规化学分析法、基于光电分色和电化学传感器测定法、土壤电导率间接测定法，重点对近红外光谱分析法测定土壤成分的基本原理、实验室研究、仪器原型开发和田间试验结果等进行论述。所阐述的方法、仪器原型和提出尚需解决的几个科学问题，对研究、开发土壤成分实时测定仪具有一定的指导作用和参考价值。

　　关键词：土壤;测定;设备;近红外光谱;精准农业;研究进展

　　0引言

　　农田土壤为农作物生长提供各种营养物质和水分，为了补充土壤养分以提高农作物产量，中国农业生产多年来一直盲目、大量施用各种化学肥料和有机肥料，既浪费生产资料，增加生产成本，且过量肥料投入使水环境受到严重污染（1.精准农业（precisionfarmingorprecisionagriculture）根据土壤肥力和作物生长状况的空间差异，调节对作物的投入，在对耕地和作物长势进行实时定量诊断，充分了解大田生产力空间变异的基础上，以平衡地力、提高产量为目标，实施定位、定量的精准田间管理，实现高效利用各类农业资源和改善环境这一可持续发展目标（2精准农业中，根据土壤特性测试结果绘制土壤分层图，并据此进行变量施肥、变量撒施石灰以及其他土壤改良作业，也可制定各种作物的丰产种植计划"，通常，土壤综合质量包括土壤养分及土壤重金属等指标，土壤养分包括：有机质、碱解氮、全氮、速效磷、全磷、速效钾、全钾等指标"。此外，还涉及影响作物生长的土壤质地（沙子、淤泥、粘土比例）、土壤坚实度、水分等特性。因此，实时、准确地测定有机质含量、全氮量、全磷量等土壤成分，以及土壤水分、土壤坚实度等参数，并据此制作土壤养分图是精准农业最重要的基础工作之一。

　　1土壤成分测定方法

　　土壤成分含量测试项目主要有：pH值、有机质含量、全氮和无机氮含量、硝态氮（NO-N）、全磷和有效磷、全钾和有效钾，以及土壤电导率（EC，electricalconductivity）、水分和土壤微量元素等。测定方法有化学分析方法、基于光电分色方法、土壤电导率间接测定方法及近红外光谱分析方法等。

　　1.1常规化学分析法

　　代表土壤肥力的土壤成分含量及测试方法主要有：有机质含量（络酸氧还滴定法）、全氮（半微量开氏法）、无机氮含量（旋酚蓝比色法）、硝态氮（校正因数法）、全磷（消煮-钼锦抗比色法）、有效磷（Olsen法）、全钾（火焰光度计）、有效钾（OAc法），pH值则用电位法测定。有时还需要测定土壤的微量元素含量、阳离子交换量（ECE，cationexchangecapacity）等1-10，化学分析方法测定精度高，但存在化学浸提剂提取元素单一，分析过程繁琐、速度慢，费时费工等不足。

　　土壤养分状况系统研究法（ASI，agroservicesinternational）通过采用联合浸提剂和系列配套设施，实现高效、快速、准确的分析和推荐施肥服务11-12）但仍然需要采集大量土样在实验室进行分析。

　　1.2基于光电分色和电化学传感器方法

　　光电分色方法测量土壤养分是基于朗伯一比尔定律。当一束平行单色光通过均匀的有色溶液时，溶液的吸光度与吸光物质浓度及液层厚度的乘积成正比。首先使用相应的浸提剂浸提土壤、肥料或作物植株，使有效成分进入溶液，并与特定的显色剂发生反应，生成某种有色结合物，溶液颜色的深浅则反映了溶液有效成分的含量。如河南农业大学开发的便携式YN型土壤养分速测仪，相对误差为5%~10%，每个项目测试所需时间为40~50min，较化学分析法速度提高了20倍。

　　2光谱分析土壤成分测定方法

　　2.1土壤成分测定原理

　　光谱分析技术测定土壤成分原理如下11；卤素灯等光源发出的可见光、近红外或中红外光线照射到土壤样品上，则在土壤成分相应的特定波长下吸收照射光线之后再进行反射，对反射光进行分光并读入计算机，借助化学计量学方法用全部波长点和土壤成分含量进行多元关联，建立光谱与待测量间关系的数学模型，依靠数学模型由光谱计算便可获得土壤样品的成分含量。

　　2.2光谱分析土壤成分测定研究进展

　　2.2.1基础研究

　　从20世纪70年代开始，国外学者便研究土壤物质含量与土壤多光谱辐射特征之间的相互关系。Hunt等研究发现，土壤中一些矿物质在NIR区具有清晰的光谱纹迹1211，Bowers和Hanks，Al-Abbas等分别研究发现土壤有机质在NIR区具有与有机化合物几种官能团相关的特征纹迹（如经基、竣基和胺）[22），Stoner等研究表明，土壤有机质含量和可见光及近红外反射率具有相关性。

　　2.2.2土壤有机质含量测定

　　Dalal等用NIRS法预测了澳大利亚土壤的水分、有机碳和总氮，土壤有机质含量在0-2.6%范围时具有较高测定精度，而在有机质含量较低或较高的情况下，NIRS法预测值存在较大误差[2），Viscarra等研究表明，NIRS法可以预测粘土比例和含水率，但不能预测有机质含量20Krishnan和Stoner等研究了土壤有机质含量和近红外频谱之间的关系，结果表明，土壤有机质含量与可见光/近红外反射光谱有相关关系。

　　3土壤成分田间实时测定仪器开发进展

　　大量研究表明，利用可见近红外光谱分析可以较高精度测定土壤特性和养分，但这些研究多借用常规近红外分光光度计对田间采集的土壤样品进行实验室测试分析，虽然大大缩短了测定时间，但仍需人工采集样品，费时费力，且采样点密度难以达到精准农业变量播施最佳小区要求。迫切需要研究、开发机载土壤成分实时测定分析仪。Shibusawa等研发了世界上第一台土壤成分实时测定仪器原型，VIS-NIR土壤特性实时测定仪是全球第一款商业产品，下面分别介绍。

　　3.1东京农业大学土壤成分实时测定仪器原型

　　Shibusawa等测定了农田硝态氮空间变异，据此确定采样间隔为1m左右；在实验室研究的基础上，开发了土壤成分实时测定仪（50。如图1所示，主要由检测部分、光源分光部分和测控部分组成。在位置测量中，辅以从动轮转子式编码器，以解决GPS信号不良时的定位。

　　3.2VIS-NIR土壤特性实时测定仪

　　VIS-NIR近红外土壤属性测定仪157是为了满足变量播施和采样分析需要在毫秒或数分钟内完成的应用需求而研发的。如图2所示，安装开沟器的机架3点悬挂在拖拉机后方，测定装置通过安装在开沟器铲柄下方的测定窗口测量。测定窗口在近红外波段透光率约为90%，且具有很好的耐磨性，卤素灯通过光纤照射土壤，反射光线被光检测器检测通过光纤传输到光谱仪（920-1718nm，分辨率6.35m）.光栅被控制以3~5min间隔获取暗光和参考光谱。光谱仪记录的数据通过USB总线传输并存储到计算机。

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