果園土壤養(yǎng)分智能監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

賀利青

（山西省忻州市原平農(nóng)業(yè)學(xué)校 山西原平 034199）

土壤為植株提供生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素供其生長(zhǎng)發(fā)育即是土壤營(yíng)養(yǎng)。土壤中普遍存在經(jīng)轉(zhuǎn)化后被植株根系吸收的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素。一般情況下，含有氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、鐵、硼、鉬、鋅、錳、銅和氯等13種元素。氮、磷、鉀等均為土壤中最主要的營(yíng)養(yǎng)元素，也是衡量土地肥沃狀況的最主要元素。適當(dāng)?shù)牡?、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量對(duì)于促進(jìn)植株生長(zhǎng)發(fā)育、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸送，以及增強(qiáng)植株耐旱、抗寒能力等都具有深遠(yuǎn)的影響。作物是否可以順利茁壯成長(zhǎng)在極大程度上取決于其所生長(zhǎng)的環(huán)境條件，其中很大部分由土壤所含的養(yǎng)分決定。對(duì)于作物生長(zhǎng)發(fā)育而言，土壤養(yǎng)分含量過(guò)多或過(guò)少都會(huì)對(duì)植株產(chǎn)生一定的影響，這會(huì)加劇植物體內(nèi)各元素之間的拮抗作用，從而誘發(fā)多種不利于作物生長(zhǎng)的病癥。土壤養(yǎng)分含量過(guò)低會(huì)影響作物的生長(zhǎng)，施肥過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致養(yǎng)分過(guò)剩、造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。如果能夠?qū)崟r(shí)、高效地監(jiān)測(cè)目標(biāo)土壤中氮、磷、鉀等元素的含量，就能實(shí)現(xiàn)促進(jìn)生態(tài)環(huán)境平衡與確保作物健康生長(zhǎng)的雙贏，同時(shí)在肥料施用和管理以及對(duì)土壤污染的防治等方面具有劃時(shí)代的影響[1]。

如今通常采用化學(xué)方法對(duì)土壤氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量進(jìn)行測(cè)定，這種手段不僅需要對(duì)目標(biāo)養(yǎng)分的含量一一測(cè)定，并且針對(duì)不同的營(yíng)養(yǎng)元素也需要采用不同的檢測(cè)手段，這無(wú)形之中增加了檢測(cè)成本，并且使用這種方法的操作步驟繁瑣復(fù)雜，同時(shí)周期長(zhǎng)導(dǎo)致參考價(jià)值不大。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，涌現(xiàn)了各種檢測(cè)土壤養(yǎng)分狀況的智能方法。筆者通過(guò)查閱文獻(xiàn)、走訪(fǎng)調(diào)查，分析總結(jié)了以下三種較為系統(tǒng)、有效、快速的土壤養(yǎng)分智能監(jiān)測(cè)技術(shù)，從這三種方法的原理、操作以及存在的問(wèn)題出發(fā)，分析了三種方法的優(yōu)劣勢(shì)和適用情況，為果園土壤養(yǎng)分的監(jiān)測(cè)提供一定的技術(shù)方法和選擇依據(jù)。

1 近紅外光譜監(jiān)測(cè)土壤養(yǎng)分

現(xiàn)如今，在分析化學(xué)領(lǐng)域中得到急速發(fā)展的高新分析技術(shù)是現(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù)（NIRS）。尤其是在最近的幾年里，現(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù)在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中皆有用武之地，尤其在土壤學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用更是博人眼球，同時(shí)在預(yù)測(cè)土壤水分、有機(jī)質(zhì)和總氮含量等方面取得了良好的效果，展現(xiàn)出其不可或缺的作用和獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)地位。

1.1 近紅外光譜技術(shù)監(jiān)測(cè)原理與特點(diǎn)

可見(jiàn)光至近紅外光譜波段分為可見(jiàn)光波段與近紅外光波段。美國(guó)材料檢測(cè)協(xié)會(huì)將其定義為：可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍為350～780 納米，近紅外光的波長(zhǎng)范圍為780～2560 納米。近紅外漫反射光譜可以對(duì)固體樣品的粉末直接進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)入射光照射到固體粉末樣品表面的時(shí)候，其中一大部分的光在表層發(fā)生了鏡面反射，剩余部分的光通過(guò)折射進(jìn)入固體粉末樣品，經(jīng)過(guò)吸收后在內(nèi)部再次發(fā)生反射和折射，這個(gè)過(guò)程會(huì)多次重復(fù)，最后通過(guò)樣品表層反射出來(lái)，這稱(chēng)為漫反射[2]。紅外光譜法是通過(guò)觀察原子晶格內(nèi)存在的光原子間的相對(duì)振動(dòng)頻率以及光原子的旋轉(zhuǎn)速度等物理狀態(tài)變化而來(lái)判斷出物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)變化，以及來(lái)識(shí)別其他物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的一種分析方法。把紅外分子吸收紅外線(xiàn)能量的變化情況用紅外儀表記錄下來(lái)，可得出紅外線(xiàn)光譜圖像。紅外光譜圖通常用波長(zhǎng)或波數(shù)為橫坐標(biāo)，表示吸收峰的位置，用透光率或者吸光度為縱坐標(biāo)，表示吸收強(qiáng)度。

當(dāng)一束具有連續(xù)波長(zhǎng)的紅外光通過(guò)物質(zhì)、物質(zhì)分子中某個(gè)特定基團(tuán)的振動(dòng)頻率或轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與紅外光的振蕩頻率一致時(shí)，物質(zhì)分子就會(huì)吸收特定的能量，從原來(lái)的基態(tài)躍遷到能級(jí)較高的激發(fā)態(tài)，分子吸收紅外光發(fā)生受激輻射后伴隨著發(fā)生振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷，該特定波長(zhǎng)的光就被物質(zhì)分子吸收。不同的官能團(tuán)如O‐H、N‐H、C‐H、C=C、C=O 和C=C 等都有其特定的紅外吸收特征[3]。物質(zhì)分子的近紅外光譜蘊(yùn)含著分子的結(jié)構(gòu)、組成狀態(tài)等信息，信息量極為豐富，這就為光譜技術(shù)定量分析樣品的物理性質(zhì)以及化學(xué)成分提供了理論基礎(chǔ)。一般通過(guò)該方法測(cè)試時(shí)只需將探頭壓入到樣品盒里，連接紅外光譜檢測(cè)儀，測(cè)得5 次光譜反射率，求出平均值，再經(jīng)過(guò)建模計(jì)算，即可得到土壤養(yǎng)分的狀況（圖1）。

圖1 土壤調(diào)查

1.2 近紅外測(cè)試技術(shù)監(jiān)測(cè)的優(yōu)劣勢(shì)

近紅外測(cè)試技術(shù)是通過(guò)紅外光譜分析土壤中各個(gè)元素的含量，從而直觀地獲得果園土壤養(yǎng)分含量的測(cè)定結(jié)果，有利于選擇性地管理土壤，因地制宜，保證目標(biāo)樹(shù)木的茁壯成長(zhǎng)。在采用這種方法檢測(cè)的過(guò)程中，土壤不需要預(yù)先經(jīng)過(guò)處理，操作較為簡(jiǎn)單，并且檢測(cè)速度較快，人為操作對(duì)其檢測(cè)結(jié)果的影響較小。此外，測(cè)得的紅外光譜圖中可讀取的信息量相當(dāng)豐富，碳、氮、磷、氧等元素組分含量指標(biāo)都可以通過(guò)近紅外光譜進(jìn)行分析。近紅外的能量較低，在測(cè)試過(guò)程中不容易穿透樣品，對(duì)樣品造成損傷，對(duì)人體傷害較小，通常幾秒就可以完成一個(gè)樣品的檢測(cè)，迅速高效，成本低廉[4]。

2 基于GPRS技術(shù)的土壤養(yǎng)分監(jiān)測(cè)

2.1 GPRS 技術(shù)監(jiān)測(cè)的原理

GPRS（General Packet Radio Service）技術(shù)是一種基于GSM 系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)分組交換技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)可以提供端到端、廣域的無(wú)線(xiàn)IP 連接。GPRS 具有高速的數(shù)據(jù)處理能力，用戶(hù)可以通過(guò)“分組”的形式從技術(shù)終端得到所需要的資料，這就使得這項(xiàng)技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸處理方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。利用GPRS 技術(shù)進(jìn)行土壤養(yǎng)分監(jiān)測(cè)需要利用單片機(jī)為主要的控制器，以GPRS 無(wú)線(xiàn)通信為傳輸手段，通過(guò)在農(nóng)田土壤中合理安裝土壤氮、磷、鉀傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，由GPRS 無(wú)線(xiàn)通信將單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)上傳到智能終端，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)[5]。

簡(jiǎn)而言之，首先需要在果園土壤中安裝一個(gè)土壤氮、磷、鉀傳感器，對(duì)目標(biāo)土地進(jìn)行各種元素的監(jiān)測(cè)，得到各含量的數(shù)據(jù)，再將所得到的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸給單片機(jī)終端，單片機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和整合，隨后通過(guò)GPRS 衛(wèi)星將所得的數(shù)據(jù)傳送到終端，通過(guò)坐標(biāo)即可定位到具體位置，用戶(hù)即可在線(xiàn)獲得土壤肥力的狀況。其次，還可以輸入土壤中氮、磷、鉀標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，得到含量標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)所得數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤狀況智能分析，給出施肥建議。此外，為了能高效地將具有參考價(jià)值的數(shù)據(jù)信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)浇K端服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于用戶(hù)實(shí)時(shí)掌握目標(biāo)地點(diǎn)的環(huán)境狀況，需要確定網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，用于編譯單片機(jī)系統(tǒng)和終端聯(lián)系。同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上新建一個(gè)云平臺(tái)，從而可以及時(shí)處理所得信號(hào)數(shù)據(jù)。在設(shè)備供電方面，可以采用太陽(yáng)能和電傳輸共同搭配，以減少能耗。

2.2 GPRS 技術(shù)監(jiān)測(cè)的優(yōu)劣勢(shì)

基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)平臺(tái)上的數(shù)據(jù)分組交換的技術(shù)，進(jìn)一步發(fā)展完善了移動(dòng)GPRS 技術(shù)。通過(guò)高速分組和交互數(shù)據(jù)的多種業(yè)務(wù)方式給系統(tǒng)工作帶來(lái)了高效支持。同時(shí)，還應(yīng)具備相對(duì)較高網(wǎng)絡(luò)的高覆蓋率和高安全性，以及高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)較高可控制率和較低功耗，提高了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通道傳輸?shù)姆€(wěn)定性和及時(shí)性，還能實(shí)現(xiàn)骨干網(wǎng)絡(luò)和實(shí)體機(jī)制之間的有效連接。利用GPRS 技術(shù)，結(jié)合單片機(jī)為主要控制器，進(jìn)行土壤中養(yǎng)分的監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地獲得土壤狀況的數(shù)據(jù)，為果園土壤養(yǎng)分管理提供一定的依據(jù)，更好地進(jìn)行針對(duì)性的施肥。GPRS 系統(tǒng)與單片機(jī)、傳感器等系統(tǒng)串聯(lián)，互相制約，結(jié)合組成的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)保證數(shù)據(jù)信號(hào)的準(zhǔn)確性和匹配性，也可以防止數(shù)據(jù)丟失和遺漏，獲得的數(shù)據(jù)詳細(xì)且準(zhǔn)確。此外，該系統(tǒng)信息處理的能力強(qiáng)大，可以快速處理大量的數(shù)據(jù)，節(jié)省人力，節(jié)約時(shí)間，且覆蓋率較為廣泛、能耗較低、反應(yīng)迅速，還可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，有效地解決傳統(tǒng)檢測(cè)方式存在的各種問(wèn)題。但該系統(tǒng)可能對(duì)控制編程的要求較高，需專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行安裝測(cè)試。

3 土壤養(yǎng)分遙感監(jiān)測(cè)

3.1 遙感技術(shù)的原理與特征

根據(jù)電磁波理論，遙感技術(shù)主要應(yīng)用于各式各樣的傳感儀器對(duì)遠(yuǎn)距離物體輻射和反射的信號(hào)處理，應(yīng)用這種綜合技術(shù)的目的在于對(duì)目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別。遙感技術(shù)的作用主要是為了在不同電磁波段內(nèi)有規(guī)律、重復(fù)性地收集目標(biāo)的表面信息，遙感技術(shù)在長(zhǎng)距感知、無(wú)損檢測(cè)、周期短等方面展現(xiàn)了獨(dú)特的魅力，這也是為什么遙感技術(shù)能被人們廣泛地應(yīng)用在智慧農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)收集和農(nóng)情動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的原因之一。遙感技術(shù)的快速發(fā)展也潛移默化地促進(jìn)了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的改革發(fā)展。其中，在農(nóng)業(yè)種物甄別、植被發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)、作物產(chǎn)量和品質(zhì)的預(yù)估、病蟲(chóng)害預(yù)防與防治、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警等方面已經(jīng)占據(jù)了不可替代的優(yōu)勢(shì)地位，不僅提高了農(nóng)作物產(chǎn)值，也促進(jìn)了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向著機(jī)械化智能化的方向發(fā)展[6]。

一切物體都具有光譜特性，也都具有吸收、反射電磁波的性質(zhì)，同一光譜對(duì)于不同物體的反應(yīng)狀況不同，同一物體對(duì)于不同光譜的感應(yīng)也不同，形態(tài)、物質(zhì)組成發(fā)生改變也會(huì)引起物體所發(fā)射電磁波的不同。遙感技術(shù)就是基于這一原理，根據(jù)物體電磁波的吸收、反射光譜不同，對(duì)物體進(jìn)行甄別和判斷。將遙感技術(shù)用于果園土壤養(yǎng)分的監(jiān)測(cè)，一般可采用直接法和間接法。直接法是通過(guò)直接分析土壤中養(yǎng)分含量和對(duì)應(yīng)光譜的關(guān)系，再采用多元線(xiàn)性回歸模型進(jìn)行分析；間接法是通過(guò)分析果樹(shù)的生長(zhǎng)狀況和各項(xiàng)指標(biāo)來(lái)推算土壤中養(yǎng)分的含量狀況。而對(duì)于土壤養(yǎng)分中全氮、全磷、全鉀含量的測(cè)定，主要通過(guò)可見(jiàn)光近紅外波段光譜信息，可采用高光譜遙感技術(shù)來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。高光譜具有更高的光譜分辨率，可以提供非常精細(xì)的光譜信息，在土壤的養(yǎng)分監(jiān)測(cè)方面效果較好。喬路等[7]采用高光譜遙感技術(shù)，利用多元線(xiàn)性回歸和偏最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，采用多光譜MODIS 影像數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤全氮、全磷、全鉀含量的專(zhuān)項(xiàng)制圖，利用PLSR 模型推演檢驗(yàn)，對(duì)土壤的全氮、全磷、全鉀含量進(jìn)行測(cè)算。

3.2 遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)土壤養(yǎng)分含量的優(yōu)劣勢(shì)

遙感技術(shù)不僅可以精確、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)果園土壤的養(yǎng)分狀況，還可以通過(guò)各種算法實(shí)時(shí)快速監(jiān)測(cè)大面積土壤環(huán)境變化情況、預(yù)測(cè)土壤信息變化趨勢(shì)、預(yù)警生態(tài)災(zāi)難，對(duì)果園土壤狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和果樹(shù)的健康生長(zhǎng)有很大的作用。傳統(tǒng)的遙感探測(cè)會(huì)采用雷達(dá)作為接收傳送裝置，其具有全天監(jiān)視、穿透土壤等特點(diǎn)，如今無(wú)人機(jī)的興起為遙感監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)更加專(zhuān)業(yè)的技術(shù)支撐。采用無(wú)人機(jī)遙感能快速高效地獲取高分辨率的影像，并且操作靈活，更為便捷準(zhǔn)確。但同時(shí)，遙感技術(shù)受天氣影響較大，且遙感資源的利用率不太高，預(yù)測(cè)土壤養(yǎng)分的能力也有待加強(qiáng)（圖2）。

圖2 遙感監(jiān)測(cè)設(shè)備

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著科技和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，將智能技術(shù)運(yùn)用于智慧農(nóng)業(yè)極大地促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的發(fā)展，不僅精確實(shí)時(shí)地獲得了數(shù)據(jù)，還節(jié)省了大量的人力和資源。筆者通過(guò)查閱大量資料，走訪(fǎng)調(diào)查，結(jié)合所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，總結(jié)分析了紅外光譜監(jiān)測(cè)、基于GPRS 技術(shù)監(jiān)測(cè)以及遙感監(jiān)測(cè)3 種較為系統(tǒng)、高效、操作性強(qiáng)的果園土壤養(yǎng)分監(jiān)測(cè)的方法，并針對(duì)其原理和特征進(jìn)行了闡述。3種方法各有優(yōu)勢(shì)，供讀者進(jìn)行了解和選擇。