近红外漫反射光谱检测土壤有机质和速效N的研究

利用近红外漫反射光谱检测技术对土壤有机质和速效N含量进行了相关研究。通过自行设计的NIR光谱系统测定了150个土壤样品有机质和速效N。126个土壤样品用来建立校正集模型,其余24个用来验证模型的性能。采集完整土壤样品的近红外漫反射光谱,原始光谱经移动窗口平滑处理、SNV和一阶微分预处理后,分别采用最小二乘支持向量机(LS-SVM)和偏最小二乘法(PLS),建立土壤有机质和速效N含量的定量预测数学模型。结果表明采用一阶微分结合最小二乘支持向量机(LS-SVM)所建模型的预测效果较好,土壤有机质和速效N含量定量预测数学模型的决定系数分别为0.8255和0.8015,均方根误差分别为2.84和16.80。近红外漫反射光谱作为一种检测方法,可用于评价土壤有机质和速效N含量。     

基于MC—UVE的土壤碱解氮和速效钾近红外光谱检测

应用可见/短波近红外光谱分析测量土壤碱解氮和速效钾含量.为了提高该分析方法的预测精度,消除无信息建模变量对模型稳定性的影响,原始光谱平滑后采用蒙特卡罗无信息变量消除方法(MC-UVE)对土壤碱解氮和速效钾的建模变量进行筛选,应用偏最小二乘方法(PLS)建立校正模型.对于碱解氮模型,采用MC-UVE PLS方法,建模变量减少为210,相关系数和预测均方差分别为0.84和17.1 mg/kg.对于速效钾的预测模型,采用MC-UVE方法后,建模变量减少为150,模型的预测相关系数为0.76,预测均方根误差为15.4 mg/kg.     

土壤组成与性质对近红外光谱检测土壤含水量的影响

以湖北地区的红壤、黄棕壤和潮土为供试土壤,研究了外源添加黏土矿物(高岭石、水云母、针铁矿、蒙脱石、蛭石)含量、有机质含量和模拟土壤颗粒大小、土壤水稳性团聚体大小对近红外光谱检测土壤含水量的影响,并分别建立了相关模式方程.结果表明,土壤的光谱特性是土壤中多因子作用的综合结果,土壤组成与性质明显地影响着近红外光谱检测土壤水分时土壤光谱反射率的变化.在土壤中添加这些黏土矿物和有机质,其光谱反射率下降;在沙土、粉沙土范围内,土壤颗粒直径由大变小,其光谱反射率增大,但至<0.002 mm黏粒时,其反射率减小;土壤水稳性团聚体由大变小,其光谱反射率增大.     

基于调制近红外反射光谱的土壤养分近场遥测方法研究

土壤养分作为农业生产的重要指标,含量过少会降低农作物产量,过多则会造成环境污染。因此,快速、准确检测土壤养分对于精准施肥和提高作物产量具有重要意义。基于取样和化学分析的传统方法能够全面准确地检测土壤养分,但检测过程中土壤的取样及预处理过程繁琐、操作复杂、费时费力,不能实现土壤养分的原位快速检测。本研究基于调制近红外光谱,提出了一种土壤养分主动式近场遥测方法,可有效避免土壤反射自然光的干扰。该方法使用波长范围1260~1610 nm的8通道窄带激光二极管作为近红外光源,通过测量8通道激光光束的土壤反射率,建立土壤养分中氮（N）关于土壤反射率的计量模型,实现了N的快速检测。在74组已知N含量的土壤样品中,选取54组作为训练集,20组作为预测集。基于一般线性模型,对训练集中土壤N含量与土壤反射率的定量化参数进行训练,筛选显著波段后的计量模型R²达到0.97。基于建立的计量模型,预测集中土壤N含量预测值与参考值的决定系数R²达到0.9,结果表明该方法具有土壤养分现场快速检测的能力。     

北京典型耕作土壤养分的近红外光谱分析研究

以北京郊区试验田采集的72个土壤样品为实验材料,应用傅里叶变换近红外光谱技术,分析了土样的全氮、全钾、有机质和pH值养分含量。采用偏最小二乘法(PLS)对光谱数据与土壤养分实测值进行回归分析,建立预测模型,以模型决定系数(R2)、校正标准差(RMSECV)、预测标准差(RMSEP)和相对分析误差(RPD)作为模型精度的评价指标。分析结果:土壤的全氮模型R2为95.44%,RMSECV为0.014 1,RMSEP为0.016 8,RPD为4.68;有机质模型R2为89.63%,RMSECV为0.37,RMSEP为0.47,RPD为3.11;全钾模型R2为85.62%,RM-SECV为0.173,RMSEP为0.204,RPD为2.64;pH值模型R2为87.33%,RMSECV为0.031,RMSEP为0.053,RPD为2.81。     

基于近红外光谱的土壤氮含量模型及生物炭对土壤光谱的影响

采集添加生物炭的土壤（标记为ABS）和不添加生物炭的土壤（标记为CS）,获取其近红外光谱,通过预处理算法和偏最小二乘法（partial least squares,PLS）建立两种土壤氮含量预测模型。试验结果显示,CS和ABS分别经过Baseline和Smoothing预处理的预测模型效果最好,定向系数（determination coefficient,R2）分别为0.913和0.753,预测均方根误差（root mean square error of prediction,RMSEP）分别为0.093和0.753,利用近红外光谱可对两种土壤氮含量建模预测。研究了生物炭对土壤光谱及建模的影响,结果表明,添加生物炭会改变土壤成分含量,使近红外光谱和建模不同于普通土壤,而联合建模可减小差异的影响,取得较好的预测效果,联合建模结果显示,经过Smoothing预处理的预测效果最好,R2为0.907,RMSEP为0.086。     

近红外光谱技术在土壤成分检测中的研究进展

近红外光谱技术是一种快速的例行分析方法,在土壤科学领域内具有广阔的应用前景。评述近红外光谱分析技术在检测土壤成分(有机质、总氮、水分、矿质组分、质地、pH)中的应用现状,并指出了其在土壤领域内的发展方向。     

基于EMD的土壤有机质含量近红外光谱检测

以检测土壤有机质含量为例,探讨经验模态分解在土壤近红外光谱检测中的应用,提出了应用的原理和步骤.用处理后的光谱计算了土壤中的有机质含量,并与九点平滑和小波变换方法的处理结果进行了对比分析.结果表明:与传统的九点平滑处理结果相比,SNR从3 dB左右提高到10 dB左右,原始信号与消噪信号之间的标准差由2.972降到0.901;预测集的决定系数r2由0.9410提高到0.9803,预测均方根误差RMSEP由0.6702降为0.301 1.证明了经验模态分解方法在光谱处理过程中的可靠性,提高了土壤有机质含量近红外光谱的定量分析精度.     

基于近红外光谱信息的土壤电导率预测模型研究

利用土壤含水率与近红外光谱土壤反射率和土壤电导率三者之间的关系,以土壤含水率为中间变量,间接表达土壤光谱反射率和土壤电导率之间的关系。土壤含水率与土壤光谱反射率存在指数关系,土壤含水率与土壤电导率存在线性关系,消除中间变量（土壤含水率）,得到土壤光谱反射率和土壤电导率之间的关系。以土壤水分敏感波段1450nm作为研究对象,研究土壤电导率的预测模型,分别建立指数预测模型和对数预测模型,并分别对两种模型进行验证。本文实验建模集样本72个,验证集样本48个,土壤电导率对数预测模型R2达0.80,土壤电导率指数预测模型R2达0.85,预测效果均可满足农田电导率估算,但对数模型在土壤电导率较低区间预测效果不理想,因此土壤电导率指数预测模型预测效果优于对数模型的预测效果。研究结果表明,土壤光谱反射率预测土壤电导率的方案可行,并为光谱信息预测土壤电导率提供了新思路。     

基于近红外光谱技术的叶面药液浓度检测

提出了一种应用近红外光谱技术快速检测叶面药液浓度的方法。采用漫反射测量方式获取了叶面药液的近红外光谱。选用标准偏差归一化、三点滑动平均滤波和一阶导数为最优组合预处理。通过7种波段方案的对比,得出最优波段为350～1 900 nm。采用偏最小二乘法建立了叶面药液质量浓度与光谱反射率的定量分析模型。其预测集相关系数为0.994,预测均方根误差为0.039。结果表明,利用近红外光谱技术检测叶面药液浓度具有实际指导意义。     

春小麦调亏灌溉对土壤钾素养分的影响

对河西绿洲灌区春小麦调亏灌溉2年后的土壤速效钾和全钾的变化进行了研究,并用配对样本t检验(双尾检验)对小麦收获时土壤钾素养分指标年际间的差异、土壤全钾与速效钾及其与全生育期调亏供水量间的关系进行了分析。结果发现,春小麦调亏灌溉对土壤钾素养分有明显影响,2004年小麦收获时0~20、20~40、0~40cm土层全钾、速效钾均显著低于2003年。回归分析发现,调亏灌溉春小麦收获时0~20 cm土层全钾和速效钾与小麦全生育期供水量呈线性正相关,0~20 cm和0~40 cm土层速效钾也随着全钾的增加呈显著线性增加的趋势。     

基于太赫兹光谱的土壤重金属铅含量检测初步研究

探索应用太赫兹时域光谱用于农田土壤重金属含量检测的机理和可行性,尝试发展一种新的检测方法和手段。研究了样品制备测量方法,确定了最佳的制备参数为：聚乙烯样品盒尺寸为35mm×3.5mm×35mm,中间空隙1.5mm;压片法样品质量220mg,2.5t压力;分别制作一定浓度梯度（30~900mg/kg）的含铅土壤样品30组,使用Z-2型太赫兹时域光谱仪采集相应的土壤样品太赫兹透射光谱数据,对光谱数据进行预处理,包括平滑处理、多元散射校正、基线校正,采用全谱-偏最小二乘法、区间-偏最小二乘法和遗传算法-偏最小二乘法建立土壤样品中重金属元素铅含量的定标模型并对预测集样本进行预测。实验结果表明,采用样品盒法制作土壤样品并且基于遗传算法进行特征波段选择、结合偏最小二乘法的建模效果最佳,含重金属铅的土壤样本模型的标定集和预测集的相关系数分别为0.86和0.81,标定均方根误差和预测均方根误差分别为23.55mg/kg和39.52mg/kg。本研究通过分析土壤样品的太赫兹透射光谱吸收系数与重金属元素铅含量的相关关系,建立了较好的预测模型。     

便携式土壤全氮测定仪性能研究

为研究土壤全氮含量,自主开发了基于近红外光谱技术的便携式土壤全氮测定仪.以中国农业大学上庄实验站采集的60个土壤样本作为实验材料,分别对土壤全氮测定仪的稳定性、准确性和预测模型精度进行了测试.使用模型的测定系数(RC)、验证系数(RV)、校正均方根误差(RMSEC)、预测均方根误差(RMSEP)和相对分析误差(RPD)作为模型精度的评价指标.实验结果显示,本测定仪在波长940、1 050、1 100、1 200、1 300、1 450和1 550 nm处的吸光度重复性误差分别为1.57％、1.80％、1.59％、0.94％、0.61％、0.64％和3.13％,平均误差1.80％;测定仪吸光度和傅里叶光谱分析仪吸光度相关系数分别达到0.971、0.948、0.928、0.873、0.920、0.901和0.913,平均值为0.922;使用测定仪平均吸光度数据,通过BP神经网络建立的土壤全氮预测模型Rc、RV、RMSEC、RMSEP和RPD分别达到0.81、0.80、0.029、0.019和3.44.使用该预测模型建立的土壤全氮分布图和实际土壤全氮分布图具有高度的一致性.实验结果表明,便携式土壤全氮测定仪工作稳定,使用平均吸光度数据建立的土壤全氮预测模型具有较好的预测能力和较强的鲁棒性,可以在土壤全氮含量实时检测中应用.     

不同水肥条件下土壤N、P、K分布规律研究

通过田间试验对不同水肥条件下土壤NO3--N、速效磷、速效钾、盐分分布进行研究,结果表明：在滴灌施肥条件下,土壤剖面NO3--N分布主要集中在湿润体边缘,速效磷主要分布在0～30cm范围,速效钾主要分布在0～40cm范围;合理水肥比例可提高红枣对养分的吸收和减少养分在土壤中的积累且影响土壤盐分分布。试验结果为盐渍化土壤水肥一体化管理提供参考。     

基于改进粒子群的土壤水分特征曲线参数优化研究

土壤水分特征曲线是研究土壤水分运动的重要参数,Van Genuchten方程是目前广泛应用的土壤水分特征曲线方程。由于该方程参数较多,人工调节参数繁琐复杂,应用优化算法实现参数自动调节成为首选。分别采用遗传算法(GA)、粒子群算法(PSO)和改进粒子群算法(CMOPSO)对方程进行参数寻优,对比3种算法的收敛速度、所需迭代次数和算法稳定性。结果表明:3种算法的参数模拟精度均较好;改进粒子群算法的全局搜索能力和收敛速度优于遗传算法与粒子群算法,且所需迭代次数最少,适合VG方程的参数寻优。     

基于PLS-BPNN算法的土壤速效磷高光谱回归预测方法

土壤速效磷是影响作物生长发育的重要养分指标。光谱分析技术对速效磷的定量预测具有较好的应用前景,高光谱带宽窄、分辨率高,但存在数据冗余和共线性等问题。本文针对皖北砂姜黑土145个样本开展研究,提出了利用偏最小二乘回归算法(PLS-R)对土壤可见近红外高光谱数据(400~1 000 nm)进行数据降维和特征提取,根据交叉验证和变量投影重要性分别得到潜在变量和特征波长;再分别输入BP神经网络(BPNN)进行训练,得到回归分析模型对速效磷进行定量预测。结果表明:与利用全部波长数据建模的预测结果(校正集和验证集的相对分析误差M_(RPD)分别为10.27和2.09)相比,利用9个特征波长建立的回归模型校正集M_(RPD)为2.66,预测精度明显降低,而验证集M_(RPD)为2.05,近似达到利用全部波长数据建模的预测效果;利用5个潜在变量建立回归模型,校正集和验证集的M_(RPD)分别为3.10和2.29,其中验证集相对于全部波长建模的预测精度提高了9.6%。因此,基于PLS-BPNN算法进行回归建模可以有效降低高光谱数据冗余和共线性的影响,提高模型的泛化能力,且利用潜在变量进行回归建模能提高模型预测精度。     

聚丙烯酰胺(PAM)对不同土壤坡地水分养分迁移过程的影响

采用室内人工降雨模拟试验,分析了小降雨强度下聚丙烯酰胺(PAM)对塿土和砂黄土坡面土壤水分养分迁移过程的影响。试验结果表明,与对照相比较,PAM处理降低坡地入渗速率,增大了地表径流量,砂黄土表现更显著,其径流系数提高了约113%;PAM对土壤硝态氮流失过程影响甚微,但对径流磷和钾的流失特征影响显著;施加PAM分别增加塿土坡地径流磷和径流钾流失量近55%和100%,分别提高了砂黄土坡地径流磷和径流钾流失量1.4倍和4.8倍。因此,水蚀环境不严重的黄土坡地,采用地表施加PAM方式来降低土壤养分流失的途径是不适宜的。     

辽宁省耕地质量演变趋势研究

在辽宁省主要土样类型建立43个耕地质量监测点,采集86个土壤样品,对耕层厚度、容重、有机质、土壤pH、全氮、有效磷、速效钾等7项监测指标进行监测分析。结果表明:辽宁省耕层厚度和容重变化不大,土壤pH值和全氮含量基本稳定,有机质、有效磷和速效钾含量有所提高;化肥使用率有所降低,有机肥投入有所增加。     

宽甸县耕地土壤养分指标体系研究及施肥建议

宽甸县推广测土配方施肥以来,取得了良好效果。为进一步推进测土配方施肥工作,宽甸县对全县耕地土壤养分含量进行测量。测量结果表明：宽甸县耕地土壤有机质、碱解N和有效P含量上升;速效K含量虽然上升,但未达到1980年水平;耕地土壤pH值呈现中性化趋势。根据耕地土壤养分含量,通过拟合土壤养分与产量的方程,建立宽甸县耕地养分指标体系,找出土壤养分与作物产量之间的关系,并提出合理的施肥建议。     

基于SPH/FEM耦合算法的土壤切削仿真与研究

ANSYS/LS-DYNA仿真软件,采用SPH/FEM耦合算法模拟旋转刀具切削土壤作业过程。在Solid Works中建立刀具—土壤模型,用ANSYS/LS-DYNA进行前处理,修改K文件建立耦合模型,在LS-PREPOST中查看LS-DYNA9 7 1求解结果 ,对数据进行二次处理,分析作业过程能耗变化及应力分布,为后期优化刀具提供依据。文中土壤本构模型采用MAT_147(MAT_FHWA_SOIL)材料,对材料屈服准则进行详细阐述,相比标准MohrCoulomb屈服准则,修改后的Mohr-Coulomb屈服准则引入了修正系数Ahyp,分析了Ahyp取值对屈服面的影响,得出Ahyp与土壤内聚力和内摩擦角关系;阐述SPH算法和SPH/FEM耦合算法,分别用FEM算法、SPH算法和SPH/FEM耦合算法模拟土壤切削过程。结果表明:在土壤切削前期,网格没有发生畸变时,3种方法模拟结果相近,随着有限元网格发生畸变,FEM算法产生了误差,验证了SPH/FEM耦合算法在土壤切削仿真过程中的可行性与准确性。