摘要: 土壤養分作為農業生產的重要指標，含量過少會降低農作物產量，過多則會造成環境污染。因此，快速、準確檢測土壤養分對于精準施肥和提高作物產量具有重要意義。基于取樣和化學分析的傳統方法能夠全面準確地檢測土壤養分，但檢測過程中土壤的取樣及預處理過程繁瑣、操作復雜、費時費力，不能實現土壤養分的原位快速檢測。本研究基于調制近紅外光譜，提出了一種土壤養分主動式近場遙測方法，可有效避免土壤反射自然光的干擾。該方法使用波長范圍1260~1610 nm的8通道窄帶激光二極管作為近紅外光源，通過測量8通道激光光束的土壤反射率，建立土壤養分中氮（N）關于土壤反射率的計量模型，實現了N的快速檢測。在74組已知N含量的土壤樣品中，選取54組作為訓練集，20組作為預測集。基于一般線性模型，對訓練集中土壤N含量與土壤反射率的定量化參數進行訓練，篩選顯著波段后的計量模型R2達到0.97。基于建立的計量模型，預測集中土壤N含量預測值與參考值的決定系數R2達到0.9，結果表明該方法具有土壤養分現場快速檢測的能力。

　　關鍵詞: 土壤氮素；近紅外光譜；近場遙測；鎖相放大；光電探測

　　1 引 言

　　土壤含有的營養成分對植物生長至關重要。氮素（N）是農田土壤中最重要的元素之一，也是化肥主要養分之一。因為N是形成新細胞和結構中有機化合物所必需的元素,所以N對農產品品質的影響非常大。無論在農場還是自然環境中，土壤中N含量隨著空間分布而不同。當土壤中缺少N時，作物往往改變其利用養分的方式和自身形態，從而限制了作物的生長[1]。當土壤中N過剩時，在降雨和灌溉過程中，那些不被植物消耗的大量N被淋溶到地表和地下水中，嚴重影響飲用水的品質，造成環境污染。為了提高作物的生產力，了解土壤中N含量及其空間分布至關重要。因此，準確探測土壤中N素含量，根據測量結果調整土壤養分，對于保障農作物健康生長及提高產量具有重要的意義[2]。

　　2 系統設計

　　近紅外土壤養分近場遙測方案如圖1所示，主要包括電源系統、光源驅動電路、光路系統、光電探測電路、AD轉換電路、數據采集和傳輸電路，以及智能手機采集系統等，通過近場（20~50 cm）遙測土壤表面反射的8個波段的近紅外光譜反射率，建立土壤養分（比如N、磷、鉀等）關于不同波段反射率的定量化模型，實現土壤養分含量檢測。

　　3 測試分析

　　3.1　系統組裝與測試

　　按照硬件電路設計的原理圖以及光路系統的結構尺寸，繪制數據采集傳輸硬件系統、光源驅動硬件系統、光電轉換硬件系統、鎖相放大及信號調理硬件系統對應的特定形狀印制電路板(Printed Circuit Board，PCB)，檢測繪制PCB板的電氣安全，通過后進行PCB板印制。依據器件焊接要求，焊接硬件各個模塊所需的電子元器件，并對焊接效果進行電氣檢查和測試。在確保焊接電路板電氣安全情況下，接通電源，通過高精度示波器對電源系統產生的各個電源電壓的紋波噪聲、幅度進行檢測，調整濾波電路器件參數，直至滿足系統所需電源紋波要求。8個波段的激光二極管分別固定在光學機械探頭的固定孔中，然后使用信號線引出正負引腳，接到光源驅動接口。聚焦透鏡放入固定孔中，旋轉螺絲轉環進行固定。紅外光電探測器放入光學探頭限位孔，利用機械卡環固定在透鏡焦距位置處，并用屏蔽線引出光電流輸出引腳到光電轉換電路板接口。焊接完成的電路板按照需求固定在光學機械探頭上。焊接及調試完成單片機采集/控制/傳輸系統、激光光源驅動系統、光電轉換/鎖相放大/信號調理系統及整機組裝實物圖如圖2所示。

　　3.2　土壤N含量檢測

　　為了驗證近場遙測設備檢測土壤養分的可行性，使用完成電氣測試的儀器對74組已知N含量的土壤樣本（北京市農林科學院內實驗田土壤樣本）的反射率進行測試。其中54組作為訓練集，20組作為預測集。檢測過程中，儀器被固定在距離土壤樣品一定距離的支架上，照射放置在距離30 cm的土壤樣品表面，使用智能手機通過藍牙控制近紅外遙測儀，分別驅動激光光源并采集8個波段激光光束的土壤反射率，用于定量化模型分析。測試過程如圖5所示。

　　參考文獻：

　　[1] SCHACHTMAN D P, SHIN R. Nutrient sensing and signaling: NPKS[J]. Annual Review of Plant Biology, 2007, 58(1): 47-69.

　　[2] CHEN Y, CAMPS-ARBESTAIN M, SHEN Q, et al. The long-term role of organic amendments in building soil nutrient fertility: A meta-analysis and review[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2018, 111(2): 103-125.

　　[3] BURTONLAMAR, JAYACHANDRAN K, BHANSALI S. Review—The “real-time” revolution for in situ Soil nutrient sensing[J]. Journal of The Electrochemical Society, 2020, 167: ID 037569.

　　作者矯雷子 , 董大明 *, 趙賢德 , 田宏武

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