面向精准农业的农田土壤成分实时测定技术
面向精准农业的农田土壤成分实时测定技术
植保资讯
2018-08-21 12:38
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2018-08-21 12:38
面向精准农业的农田土壤成分实时测定技术


我们知道,精准农业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。

 

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。今天,我就为大家介绍一下土壤成分测定方法方面的知识和技术。

 

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、速效磷、全磷、速效钾、全钾、碱解氮、全氮等指标。此外,还涉及影响作物生长的土壤质地(沙子、淤泥、粘土比例)、土壤压实度、水分等特性。


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。

 

 

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(NO3-N)、全磷和有效磷、全钾和有效钾,以及土壤电导率(EC,Electrical Conductivity)、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,以及近年来成为研究热点,并在发达国家初步得到应用的近红外光谱分析方法等。

 


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: pH值 (电位法)、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(靛酚蓝比色法)、硝态氮(校正因数法)、全磷(消煮-钼锑抗比色法)、有效磷(Olsen法)、全钾(火焰光度计)、有效钾(OAc法)。有时还需要测定土壤的微量元素含量、阳离子交换量(ECE,Cation Exchange Capacity)等。

 

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。


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-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,溶液颜色的深浅就反映了溶液有效成分的含量。

 

比如,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 40-50 min,较化学分析法速度提高了 20 倍。另外,基于离子敏感场效应晶体管(ISFET,Ion-Selective Field Effect Transistor)集成元件电化学传感器也已取得初步进展。

 

土壤电导率间接测定法


土壤中的盐分、水分、有机质含量、土壤压实度、质地结构等,均不同程度影响土壤电导率变化。通过测定土壤电导率,可为分析产量、评价土壤生产能力、制定精准施肥处方提供重要依据。

 

电导率传感器具有响应快、成本低、耐久性好等特点,已成为实时获取土壤分布图的一种重要技术。然而,电导率测定仪获得的数据和多个土壤参数关联,不能定量测定土壤成分含量。鉴于上述,国内外学者研究利用可见-近红外光谱分析技术连续、实时测定土壤养分的方法。

 

近红外光谱分析法


近红外光谱分析是将近红外谱区(780 nm-2526 nm)的光谱测量技术、化学计量学技术、计算机技术与基础测试技术交叉结合的现代分析技术,主要用于复杂样品的直接快速分析。它已广泛应用于石油化工、医药、生物化学、烟草、 纺织品、农产品等领域,成为质量控制、品质分析和在线分析等快速、无损分析的主要手段。

 

国外实验室研究和田间试验结果表明, 用近红外光谱分析法在田间实时预测的土壤总碳、总氮、速效氮、pH值、电导率以及钙含量、锰含量,和实验室测定值之间以较高的决定系数表现出高度的相关性;预测有机质、磷、钾含量决定系数相对较低,但田间测定值和实验室分析值之间仍呈现出很好的相关性,基本达到田间实际测定土壤养分的精度要求,为准确分析土壤肥力提供了有效技术支持。

 

近年来,国内外许多学者研究利用 NIRS 通过土壤反射光谱特性测定农田土壤养分的方法,并开发了用于田间实时测定土壤养分的仪器,也有商业化产品上市。

 


光谱分析土壤成分测定方法


光谱分析技术测定土壤成分原理如下:卤素灯等光源发出的可视光、近红外或中红外光线照射到土壤样品上,则与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,将反射后的扩散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。

 

广谱分析土壤成分测定方面的研究,包括基础研究、土壤有机质含量测定、土壤养分含量等,近些年来都取得了较大的发展,在此不展开论述。

 

土壤成分田间实时测定研究


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。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。因此,我们迫切需要研究、开发机载土壤成分实时测定分析仪。

 

下面为大家展示几种土壤养分实时测定系统的示意图以及分析仪

 

 

农田土壤成分实时、准确测定是一个世界性难题,尽管国内外在测定方法、仪器开发等方面的研究卓有成效,但以下问题还有待进一步解决:一是高信噪比、高精度、低成本光谱仪的研究与开发;二是田间测定部件结构及参数优化设计;三是具有鲁棒性的在线数学模型构建方法的研究。

 

国内土壤养分近红外光谱分析预测研究多为在实验室可控条件下进行的基础研究。为了满足我国精准农业和测土配方施肥的应用需求,尚需协同攻克高精度、低成本光谱仪,田间测定部件优化,在线数学模型构建方法,以及多传感器融合方法等关键科学问题,开发适于我国土壤类型的低成本、高精度机载实时近红外土壤成分测定系统。