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所必需的營養(yǎng)元素供其生長發(fā)育即是土壤營養(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、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)含量對于促進植株生長發(fā)育、營養(yǎng)物質(zhì)的輸送，以及增強植株耐旱、抗寒能力等都具有深遠的影響。作物是否可以順利茁壯成長在極大程度上取決于其所生長的環(huán)境條件，其中很大部分由土壤所含的養(yǎng)分決定。對于作物生長發(fā)育而言，土壤養(yǎng)分含量過多或過少都會對植株產(chǎn)生一定的影響，這會加劇植物體內(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的病癥。土壤養(yǎng)分含量過低會影響作物的生長，施肥過多則會導(dǎo)致養(yǎng)分過剩、造成環(huán)境污染和資源浪費。如果能夠?qū)崟r、高效地監(jiān)測目標(biāo)土壤中氮、磷、鉀等元素的含量，就能實現(xiàn)促進生態(tài)環(huán)境平衡與確保作物健康生長的雙贏，同時在肥料施用和管理以及對土壤污染的防治等方面具有劃時代的影響[1]。

如今通常采用化學(xué)方法對土壤氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量進行測定，這種手段不僅需要對目標(biāo)養(yǎng)分的含量一一測定，并且針對不同的營養(yǎng)元素也需要采用不同的檢測手段，這無形之中增加了檢測成本，并且使用這種方法的操作步驟繁瑣復(fù)雜，同時周期長導(dǎo)致參考價值不大。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)了各種檢測土壤養(yǎng)分狀況的智能方法。筆者通過查閱文獻、走訪調(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)測技術(shù)，從這三種方法的原理、操作以及存在的問題出發(fā)，分析了三種方法的優(yōu)劣勢和適用情況，為果園土壤養(yǎng)分的監(jiān)測提供一定的技術(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，同時在預(yù)測土壤水分、有機質(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特的優(yōu)勢地位。

1.1 近紅外光譜技術(shù)監(jiān)測原理與特點

可見光至近紅外光譜波段分為可見光波段與近紅外光波段。美國材料檢測協(xié)會將其定義為：可見光波長范圍為350～780 納米，近紅外光的波長范圍為780～2560 納米。近紅外漫反射光譜可以對固體樣品的粉末直接進行測量。當(dāng)入射光照射到固體粉末樣品表面的時候，其中一大部分的光在表層發(fā)生了鏡面反射，剩余部分的光通過折射進入固體粉末樣品，經(jīng)過吸收后在內(nèi)部再次發(fā)生反射和折射，這個過程會多次重復(fù)，最后通過樣品表層反射出來，這稱為漫反射[2]。紅外光譜法是通過觀察原子晶格內(nèi)存在的光原子間的相對振動頻率以及光原子的旋轉(zhuǎn)速度等物理狀態(tài)變化而來判斷出物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)變化，以及來識別其他物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的一種分析方法。把紅外分子吸收紅外線能量的變化情況用紅外儀表記錄下來，可得出紅外線光譜圖像。紅外光譜圖通常用波長或波數(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)，表示吸收強度。

當(dāng)一束具有連續(xù)波長的紅外光通過物質(zhì)、物質(zhì)分子中某個特定基團的振動頻率或轉(zhuǎn)動頻率與紅外光的振蕩頻率一致時，物質(zhì)分子就會吸收特定的能量，從原來的基態(tài)躍遷到能級較高的激發(fā)態(tài)，分子吸收紅外光發(fā)生受激輻射后伴隨著發(fā)生振動和轉(zhuǎn)動能級的躍遷，該特定波長的光就被物質(zhì)分子吸收。不同的官能團如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)。一般通過該方法測試時只需將探頭壓入到樣品盒里，連接紅外光譜檢測儀，測得5 次光譜反射率，求出平均值，再經(jīng)過建模計算，即可得到土壤養(yǎng)分的狀況（圖1）。

圖1 土壤調(diào)查

1.2 近紅外測試技術(shù)監(jiān)測的優(yōu)劣勢

近紅外測試技術(shù)是通過紅外光譜分析土壤中各個元素的含量，從而直觀地獲得果園土壤養(yǎng)分含量的測定結(jié)果，有利于選擇性地管理土壤，因地制宜，保證目標(biāo)樹木的茁壯成長。在采用這種方法檢測的過程中，土壤不需要預(yù)先經(jīng)過處理，操作較為簡單，并且檢測速度較快，人為操作對其檢測結(jié)果的影響較小。此外，測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)都可以通過近紅外光譜進行分析。近紅外的能量較低，在測試過程中不容易穿透樣品，對樣品造成損傷，對人體傷害較小，通常幾秒就可以完成一個樣品的檢測，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

2.1 GPRS 技術(shù)監(jiān)測的原理

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

簡而言之，首先需要在果園土壤中安裝一個土壤氮、磷、鉀傳感器，對目標(biāo)土地進行各種元素的監(jiān)測，得到各含量的數(shù)據(jù)，再將所得到的數(shù)據(jù)信號傳輸給單片機終端，單片機對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和整合，隨后通過GPRS 衛(wèi)星將所得的數(shù)據(jù)傳送到終端，通過坐標(biāo)即可定位到具體位置，用戶即可在線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)，針對所得數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進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值的數(shù)據(jù)信號實時傳輸?shù)浇K端服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，便于用戶實時掌握目標(biāo)地點的環(huán)境狀況，需要確定網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，用于編譯單片機系統(tǒng)和終端聯(lián)系。同時在網(wǎng)絡(luò)上新建一個云平臺，從而可以及時處理所得信號數(shù)據(jù)。在設(shè)備供電方面，可以采用太陽能和電傳輸共同搭配，以減少能耗。

2.2 GPRS 技術(shù)監(jiān)測的優(yōu)劣勢

基于移動互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)平臺上的數(shù)據(jù)分組交換的技術(shù)，進一步發(fā)展完善了移動GPRS 技術(shù)。通過高速分組和交互數(shù)據(jù)的多種業(yè)務(wù)方式給系統(tǒng)工作帶來了高效支持。同時，還應(yīng)具備相對較高網(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)定性和及時性，還能實現(xiàn)骨干網(wǎng)絡(luò)和實體機制之間的有效連接。利用GPRS 技術(shù)，結(jié)合單片機為主要控制器，進行土壤中養(yǎng)分的監(jiān)測，可以實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確、實時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)，更好地進行針對性的施肥。GPRS 系統(tǒng)與單片機、傳感器等系統(tǒng)串聯(lián)，互相制約，結(jié)合組成的遠程監(jiān)測系統(tǒng)保證數(shù)據(jù)信號的準(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)詳細且準(zhǔn)確。此外，該系統(tǒng)信息處理的能力強大，可以快速處理大量的數(shù)據(jù)，節(jié)省人力，節(jié)約時間，且覆蓋率較為廣泛、能耗較低、反應(yīng)迅速，還可以實現(xiàn)精準(zhǔn)控制，有效地解決傳統(tǒng)檢測方式存在的各種問題。但該系統(tǒng)可能對控制編程的要求較高，需專業(yè)人員進行安裝測試。

3 土壤養(yǎng)分遙感監(jiān)測

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遠距離物體輻射和反射的信號處理，應(yīng)用這種綜合技術(shù)的目的在于對目標(biāo)物質(zhì)進行探測和識別。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)在長距感知、無損檢測、周期短等方面展現(xiàn)了獨特的魅力，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)情動態(tài)監(jiān)測中的原因之一。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)展趨勢預(yù)測監(jiān)測、作物產(chǎn)量和品質(zhì)的預(yù)估、病蟲害預(yù)防與防治、自然災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警等方面已經(jīng)占據(jù)了不可替代的優(yōu)勢地位，不僅提高了農(nóng)作物產(chǎn)值，也促進了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向著機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)，同一光譜對于不同物體的反應(yīng)狀況不同，同一物體對于不同光譜的感應(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，對物體進行甄別和判斷。將遙感技術(shù)用于果園土壤養(yǎng)分的監(jiān)測，一般可采用直接法和間接法。直接法是通過直接分析土壤中養(yǎng)分含量和對應(yīng)光譜的關(guān)系，再采用多元線性回歸模型進行分析；間接法是通過分析果樹的生長狀況和各項指標(biāo)來推算土壤中養(yǎng)分的含量狀況。而對于土壤養(yǎng)分中全氮、全磷、全鉀含量的測定，主要通過可見光近紅外波段光譜信息，可采用高光譜遙感技術(shù)來進行實時監(jiān)測。高光譜具有更高的光譜分辨率，可以提供非常精細的光譜信息，在土壤的養(yǎng)分監(jiān)測方面效果較好。喬路等[7]采用高光譜遙感技術(shù)，利用多元線性回歸和偏最小二乘法進行數(shù)據(jù)的處理，采用多光譜MODIS 影像數(shù)據(jù)進行土壤全氮、全磷、全鉀含量的專項制圖，利用PLSR 模型推演檢驗，對土壤的全氮、全磷、全鉀含量進行測算。

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

遙感技術(shù)不僅可以精確、實時地監(jiān)測果園土壤的養(yǎng)分狀況，還可以通過各種算法實時快速監(jiān)測大面積土壤環(huán)境變化情況、預(yù)測土壤信息變化趨勢、預(yù)警生態(tài)災(zāi)難，對果園土壤狀況的實時監(jiān)測和果樹的健康生長有很大的作用。傳統(tǒng)的遙感探測會采用雷達作為接收傳送裝置，其具有全天監(jiān)視、穿透土壤等特點，如今無人機的興起為遙感監(jiān)測提供了一個更加專業(yè)的技術(shù)支撐。采用無人機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，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)測土壤養(yǎng)分的能力也有待加強（圖2）。

圖2 遙感監(jiān)測設(shè)備

4 結(jié) 語

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