土壤养分检测多采用近红外光谱仪器

来源:华文易迅 时间:2022-09-01 09:00:00

泥土中所含的养分是植物生长的关键。氮在农田土壤中起着非常重要的作用，也是肥料的主要营养成分之一。由于N在形成新的细胞和结构中是有机化合物的必要元素，因此N对农产品质量有很大影响。农田和自然环境中，土壤N含量随空间分布而变化。作物在土壤中缺氮后，往往会改变其自身的形态和养分利用方式，从而限制作物的生长[1]。在降雨和灌水期间，如果土壤中氮素过多，未被植物吸收的氮素就会大量进入地表和地下水，严重影响饮用水质量，造成环境污染。要提高作物产量，必须认识土壤氮含量及其空间分布。所以，准确地检测土壤N素，并根据测定结果调整土壤养分，对保证作物生长和增产有重要意义[2]。

在土壤养分测定中，传统的方法是采用随机网格采样技术，利用昂贵的实验仪器和附加的萃取剂，对土壤进行进一步的化学分析，如凯氏定氮法、杜马斯燃烧法和气相色谱-质谱法[3]。虽然实验室化学分析方法准确度高，但时间长、取样费用高、复杂多变的农田地形等因素，使得这些方法不能在实时、连续地分析农田土壤养分。由于精确农业的发展，与传统的实验室分析方法相比，现场检测法、快速、精确的土壤养分检测方法和仪器的需求越来越迫切[4]。

近红外线反射谱是一种快速.简便且无损伤的分析技术[5-7]，不需要使用化学物质，利用近红外辐射与土壤样品的相互作用，以土壤吸光度或近红外线反射率为基础对土壤特性进行表征[8-10]。最近几年有关近红外土壤检测的论文数以指数形式增加，这一技术可用于土壤矿物和有机成分评价，用于土壤监测.土壤质量和功能推断，以及对其分布的解释[11,12]。

现有的土壤养分检测多采用近红外光谱仪器，需配备专门的分析软件和操作人员，体积大.成本高，常用于实验室分析，不适合现场快速检测[13]。为简化近红外土壤探测系统，提出了基于单波LED或激光光源的土壤氮探测系统。调查显示，近红外地区的土壤N值为859和844nm波段可用于土壤氮预报[14-16]。根据这两个波长选择窄带LED或激光光源，可以开发便携式土壤氮检测装置，如An等[17]使用1550.1300.1200.1100.1050和940nm波段，在此基础上，建立了土壤氮总量估算模型，开发了6波段土壤总氮检测装置，用于现场快速测定土壤氮总量。但是，这些多波段土壤养分探测设备为避免阳光的干扰，常采用遮光装置或深埋土内检测，不易操作。

为此，本文以近红外调制与锁相放大技术为基础，提出一种8波段近红外光谱便携式土壤养分近场遥测方案，采用8通道近红外激光光源对土壤反射率的测定方法，建立了土壤N和光谱反射率的定量计量模型，实现了土壤N的近场快速近场遥测。避开自然光线干扰。

2系统设计

图1中所示的近红外线土壤养分近场遥测方案主要包括电源系统.光源驱动电路.光路系统.光电探测电路.AD转换电路.数据采集与传输电路，及智能手机采集系统等，利用近距离距离(20~50cm)，远距离测量由土壤表面反射的8个波段的近红外光谱反射率，建立不同波段内土壤养分(如N.P.K等)的定量模式，完成了土壤养分测定。