基于調(diào)制近紅外反射光譜的土壤養(yǎng)分近場遙測方法研究

　　摘要: 土壤養(yǎng)分作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要指標(biāo)，含量過少會降低農(nóng)作物產(chǎn)量，過多則會造成環(huán)境污染。因此，快速、準(zhǔn)確檢測土壤養(yǎng)分對于精準(zhǔn)施肥和提高作物產(chǎn)量具有重要意義?；谌雍突瘜W(xué)分析的傳統(tǒng)方法能夠全面準(zhǔn)確地檢測土壤養(yǎng)分，但檢測過程中土壤的取樣及預(yù)處理過程繁瑣、操作復(fù)雜、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不能實(shí)現(xiàn)土壤養(yǎng)分的原位快速檢測。本研究基于調(diào)制近紅外光譜，提出了一種土壤養(yǎng)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(yǎng)分中氮（N）關(guān)于土壤反射率的計(jì)量模型，實(shí)現(xiàn)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(xùn)練集，20組作為預(yù)測集?；谝话憔€性模型，對訓(xùn)練集中土壤N含量與土壤反射率的定量化參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練，篩選顯著波段后的計(jì)量模型R2達(dá)到0.97?；诮⒌挠?jì)量模型，預(yù)測集中土壤N含量預(yù)測值與參考值的決定系數(shù)R2達(dá)到0.9，結(jié)果表明該方法具有土壤養(yǎng)分現(xiàn)場快速檢測的能力。

　　關(guān)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(yǎng)成分對植物生長至關(guān)重要。氮素（N）是農(nóng)田土壤中最重要的元素之一，也是化肥主要養(yǎng)分之一。因?yàn)镹是形成新細(xì)胞和結(jié)構(gòu)中有機(jī)化合物所必需的元素,所以N對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的影響非常大。無論在農(nóng)場還是自然環(huán)境中，土壤中N含量隨著空間分布而不同。當(dāng)土壤中缺少N時(shí)，作物往往改變其利用養(yǎng)分的方式和自身形態(tài)，從而限制了作物的生長[1]。當(dāng)土壤中N過剩時(shí)，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(yán)重影響飲用水的品質(zhì)，造成環(huán)境污染。為了提高作物的生產(chǎn)力，了解土壤中N含量及其空間分布至關(guān)重要。因此，準(zhǔn)確探測土壤中N素含量，根據(jù)測量結(jié)果調(diào)整土壤養(yǎng)分，對于保障農(nóng)作物健康生長及提高產(chǎn)量具有重要的意義[2]。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　近紅外土壤養(yǎng)分近場遙測方案如圖1所示，主要包括電源系統(tǒng)、光源驅(qū)動電路、光路系統(tǒng)、光電探測電路、AD轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)采集和傳輸電路，以及智能手機(jī)采集系統(tǒng)等，通過近場（20~50 cm）遙測土壤表面反射的8個(gè)波段的近紅外光譜反射率，建立土壤養(yǎng)分（比如N、磷、鉀等）關(guān)于不同波段反射率的定量化模型，實(shí)現(xiàn)土壤養(yǎng)分含量檢測。

　　3 測試分析

　　3.1　系統(tǒng)組裝與測試

　　按照硬件電路設(shè)計(jì)的原理圖以及光路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸，繪制數(shù)據(jù)采集傳輸硬件系統(tǒng)、光源驅(qū)動硬件系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換硬件系統(tǒng)、鎖相放大及信號調(diào)理硬件系統(tǒng)對應(yīng)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(jìn)行PCB板印制。依據(jù)器件焊接要求，焊接硬件各個(gè)模塊所需的電子元器件，并對焊接效果進(jìn)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(tǒng)產(chǎn)生的各個(gè)電源電壓的紋波噪聲、幅度進(jìn)行檢測，調(diào)整濾波電路器件參數(shù)，直至滿足系統(tǒng)所需電源紋波要求。8個(gè)波段的激光二極管分別固定在光學(xué)機(jī)械探頭的固定孔中，然后使用信號線引出正負(fù)引腳，接到光源驅(qū)動接口。聚焦透鏡放入固定孔中，旋轉(zhuǎn)螺絲轉(zhuǎn)環(huán)進(jìn)行固定。紅外光電探測器放入光學(xué)探頭限位孔，利用機(jī)械卡環(huán)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(zhuǎn)換電路板接口。焊接完成的電路板按照需求固定在光學(xué)機(jī)械探頭上。焊接及調(diào)試完成單片機(jī)采集/控制/傳輸系統(tǒng)、激光光源驅(qū)動系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換/鎖相放大/信號調(diào)理系統(tǒng)及整機(jī)組裝實(shí)物圖如圖2所示。

　　3.2　土壤N含量檢測

　　為了驗(yàn)證近場遙測設(shè)備檢測土壤養(yǎng)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(nóng)林科學(xué)院內(nèi)實(shí)驗(yàn)田土壤樣本）的反射率進(jìn)行測試。其中54組作為訓(xùn)練集，20組作為預(yù)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(jī)通過藍(lán)牙控制近紅外遙測儀，分別驅(qū)動激光光源并采集8個(gè)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(xiàn)：

　　[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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