果园土壤养分智能监测技术研究

贺利青

（山西省忻州市原平农业学校 山西原平 034199）

土壤为植株提供生长所必需的营养元素供其生长发育即是土壤营养。土壤中普遍存在经转化后被植株根系吸收的矿质营养元素。一般情况下，含有氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁、硼、钼、锌、锰、铜和氯等13种元素。氮、磷、钾等均为土壤中最主要的营养元素，也是衡量土地肥沃状况的最主要元素。适当的氮、磷、钾等营养物质含量对于促进植株生长发育、营养物质的输送，以及增强植株耐旱、抗寒能力等都具有深远的影响。作物是否可以顺利茁壮成长在极大程度上取决于其所生长的环境条件，其中很大部分由土壤所含的养分决定。对于作物生长发育而言，土壤养分含量过多或过少都会对植株产生一定的影响，这会加剧植物体内各元素之间的拮抗作用，从而诱发多种不利于作物生长的病症。土壤养分含量过低会影响作物的生长，施肥过多则会导致养分过剩、造成环境污染和资源浪费。如果能够实时、高效地监测目标土壤中氮、磷、钾等元素的含量，就能实现促进生态环境平衡与确保作物健康生长的双赢，同时在肥料施用和管理以及对土壤污染的防治等方面具有划时代的影响[1]。

如今通常采用化学方法对土壤氮、磷、钾等养分含量进行测定，这种手段不仅需要对目标养分的含量一一测定，并且针对不同的营养元素也需要采用不同的检测手段，这无形之中增加了检测成本，并且使用这种方法的操作步骤繁琐复杂，同时周期长导致参考价值不大。随着科学技术的迅速发展、物联网技术的兴起，涌现了各种检测土壤养分状况的智能方法。笔者通过查阅文献、走访调查，分析总结了以下三种较为系统、有效、快速的土壤养分智能监测技术，从这三种方法的原理、操作以及存在的问题出发，分析了三种方法的优劣势和适用情况，为果园土壤养分的监测提供一定的技术方法和选择依据。

1 近红外光谱监测土壤养分

现如今，在分析化学领域中得到急速发展的高新分析技术是现代近红外光谱分析技术（NIRS）。尤其是在最近的几年里，现代近红外光谱分析技术在众多应用领域中皆有用武之地，尤其在土壤学研究领域的应用更是博人眼球，同时在预测土壤水分、有机质和总氮含量等方面取得了良好的效果，展现出其不可或缺的作用和独特的优势地位。

1.1 近红外光谱技术监测原理与特点

可见光至近红外光谱波段分为可见光波段与近红外光波段。美国材料检测协会将其定义为：可见光波长范围为350～780 纳米，近红外光的波长范围为780～2560 纳米。近红外漫反射光谱可以对固体样品的粉末直接进行测量。当入射光照射到固体粉末样品表面的时候，其中一大部分的光在表层发生了镜面反射，剩余部分的光通过折射进入固体粉末样品，经过吸收后在内部再次发生反射和折射，这个过程会多次重复，最后通过样品表层反射出来，这称为漫反射[2]。红外光谱法是通过观察原子晶格内存在的光原子间的相对振动频率以及光原子的旋转速度等物理状态变化而来判断出物质分子结构变化，以及来识别其他物质分子结构的一种分析方法。把红外分子吸收红外线能量的变化情况用红外仪表记录下来，可得出红外线光谱图像。红外光谱图通常用波长或波数为横坐标，表示吸收峰的位置，用透光率或者吸光度为纵坐标，表示吸收强度。

当一束具有连续波长的红外光通过物质、物质分子中某个特定基团的振动频率或转动频率与红外光的振荡频率一致时，物质分子就会吸收特定的能量，从原来的基态跃迁到能级较高的激发态，分子吸收红外光发生受激辐射后伴随着发生振动和转动能级的跃迁，该特定波长的光就被物质分子吸收。不同的官能团如O‐H、N‐H、C‐H、C=C、C=O 和C=C 等都有其特定的红外吸收特征[3]。物质分子的近红外光谱蕴含着分子的结构、组成状态等信息，信息量极为丰富，这就为光谱技术定量分析样品的物理性质以及化学成分提供了理论基础。一般通过该方法测试时只需将探头压入到样品盒里，连接红外光谱检测仪，测得5 次光谱反射率，求出平均值，再经过建模计算，即可得到土壤养分的状况（图1）。

图1 土壤调查

1.2 近红外测试技术监测的优劣势

近红外测试技术是通过红外光谱分析土壤中各个元素的含量，从而直观地获得果园土壤养分含量的测定结果，有利于选择性地管理土壤，因地制宜，保证目标树木的茁壮成长。在采用这种方法检测的过程中，土壤不需要预先经过处理，操作较为简单，并且检测速度较快，人为操作对其检测结果的影响较小。此外，测得的红外光谱图中可读取的信息量相当丰富，碳、氮、磷、氧等元素组分含量指标都可以通过近红外光谱进行分析。近红外的能量较低，在测试过程中不容易穿透样品，对样品造成损伤，对人体伤害较小，通常几秒就可以完成一个样品的检测，迅速高效，成本低廉[4]。

2 基于GPRS技术的土壤养分监测

2.1 GPRS 技术监测的原理

GPRS（General Packet Radio Service）技术是一种基于GSM 系统的无线分组交换技术，这项技术可以提供端到端、广域的无线IP 连接。GPRS 具有高速的数据处理能力，用户可以通过“分组”的形式从技术终端得到所需要的资料，这就使得这项技术在数据传输处理方面具有不可替代的优势。利用GPRS 技术进行土壤养分监测需要利用单片机为主要的控制器，以GPRS 无线通信为传输手段，通过在农田土壤中合理安装土壤氮、磷、钾传感器进行数据的采集，传感器采集到的数据经过模数转换后，由GPRS 无线通信将单片机处理后的数据上传到智能终端，从而实现数据的远程监测[5]。

简而言之，首先需要在果园土壤中安装一个土壤氮、磷、钾传感器，对目标土地进行各种元素的监测，得到各含量的数据，再将所得到的数据信号传输给单片机终端，单片机对采集到的数据进行处理和整合，随后通过GPRS 卫星将所得的数据传送到终端，通过坐标即可定位到具体位置，用户即可在线获得土壤肥力的状况。其次，还可以输入土壤中氮、磷、钾标准数据，得到含量标准，针对所得数据和标准数据进行土壤状况智能分析，给出施肥建议。此外，为了能高效地将具有参考价值的数据信号实时传输到终端服务器的数据库中，便于用户实时掌握目标地点的环境状况，需要确定网络通信协议，用于编译单片机系统和终端联系。同时在网络上新建一个云平台，从而可以及时处理所得信号数据。在设备供电方面，可以采用太阳能和电传输共同搭配，以减少能耗。

2.2 GPRS 技术监测的优劣势

基于移动互联网基础平台上的数据分组交换的技术，进一步发展完善了移动GPRS 技术。通过高速分组和交互数据的多种业务方式给系统工作带来了高效支持。同时，还应具备相对较高网络的高覆盖率和高安全性，以及高速数据网络传输数据时较高可控制率和较低功耗，提高了网络数据通道传输的稳定性和及时性，还能实现骨干网络和实体机制之间的有效连接。利用GPRS 技术，结合单片机为主要控制器，进行土壤中养分的监测，可以实现高效、准确、实时地获得土壤状况的数据，为果园土壤养分管理提供一定的依据，更好地进行针对性的施肥。GPRS 系统与单片机、传感器等系统串联，互相制约，结合组成的远程监测系统保证数据信号的准确性和匹配性，也可以防止数据丢失和遗漏，获得的数据详细且准确。此外，该系统信息处理的能力强大，可以快速处理大量的数据，节省人力，节约时间，且覆盖率较为广泛、能耗较低、反应迅速，还可以实现精准控制，有效地解决传统检测方式存在的各种问题。但该系统可能对控制编程的要求较高，需专业人员进行安装测试。

3 土壤养分遥感监测

3.1 遥感技术的原理与特征

根据电磁波理论，遥感技术主要应用于各式各样的传感仪器对远距离物体辐射和反射的信号处理，应用这种综合技术的目的在于对目标物质进行探测和识别。遥感技术的作用主要是为了在不同电磁波段内有规律、重复性地收集目标的表面信息，遥感技术在长距感知、无损检测、周期短等方面展现了独特的魅力，这也是为什么遥感技术能被人们广泛地应用在智慧农业数据收集和农情动态监测中的原因之一。遥感技术的快速发展也潜移默化地促进了传统农业的改革发展。其中，在农业种物甄别、植被发展趋势预测监测、作物产量和品质的预估、病虫害预防与防治、自然灾害监测与预警等方面已经占据了不可替代的优势地位，不仅提高了农作物产值，也促进了现代化农业生产向着机械化智能化的方向发展[6]。

一切物体都具有光谱特性，也都具有吸收、反射电磁波的性质，同一光谱对于不同物体的反应状况不同，同一物体对于不同光谱的感应也不同，形态、物质组成发生改变也会引起物体所发射电磁波的不同。遥感技术就是基于这一原理，根据物体电磁波的吸收、反射光谱不同，对物体进行甄别和判断。将遥感技术用于果园土壤养分的监测，一般可采用直接法和间接法。直接法是通过直接分析土壤中养分含量和对应光谱的关系，再采用多元线性回归模型进行分析；间接法是通过分析果树的生长状况和各项指标来推算土壤中养分的含量状况。而对于土壤养分中全氮、全磷、全钾含量的测定，主要通过可见光近红外波段光谱信息，可采用高光谱遥感技术来进行实时监测。高光谱具有更高的光谱分辨率，可以提供非常精细的光谱信息，在土壤的养分监测方面效果较好。乔路等[7]采用高光谱遥感技术，利用多元线性回归和偏最小二乘法进行数据的处理，采用多光谱MODIS 影像数据进行土壤全氮、全磷、全钾含量的专项制图，利用PLSR 模型推演检验，对土壤的全氮、全磷、全钾含量进行测算。

3.2 遥感技术监测土壤养分含量的优劣势

遥感技术不仅可以精确、实时地监测果园土壤的养分状况，还可以通过各种算法实时快速监测大面积土壤环境变化情况、预测土壤信息变化趋势、预警生态灾难，对果园土壤状况的实时监测和果树的健康生长有很大的作用。传统的遥感探测会采用雷达作为接收传送装置，其具有全天监视、穿透土壤等特点，如今无人机的兴起为遥感监测提供了一个更加专业的技术支撑。采用无人机遥感能快速高效地获取高分辨率的影像，并且操作灵活，更为便捷准确。但同时，遥感技术受天气影响较大，且遥感资源的利用率不太高，预测土壤养分的能力也有待加强（图2）。

图2 遥感监测设备

4 结 语

随着科技和信息技术的飞速发展，将智能技术运用于智慧农业极大地促进了农业的发展，不仅精确实时地获得了数据，还节省了大量的人力和资源。笔者通过查阅大量资料，走访调查，结合所发现的问题，总结分析了红外光谱监测、基于GPRS 技术监测以及遥感监测3 种较为系统、高效、操作性强的果园土壤养分监测的方法，并针对其原理和特征进行了阐述。3种方法各有优势，供读者进行了解和选择。