农田土壤氮素信息现场快速获取方法与实现技术

土壤是作物重要的生长环境，准确把握土壤养分信息是农业科学施肥的前提。传统基于化学原理的土壤养分检测方法测试时间长、成本高，难以实现快速、动态和连续检测。本项目瞄准国际传感探测科学技术发展前沿，针对农田土壤氮素信息快速获取这一具有重大应用价值的世界性难题，开展基于物理学原理的土壤不同形态氮素信息快速获取机理、方法及实现技术研究。重点研究离子选择性电极快速测量土壤硝态氮方法，土壤硝态氮、氨态氮、全氮的激光诱导击穿光谱检测方法，土壤全氮的近红外光谱检测方法，建立不同传感器物理检测量的土壤氮素解析模型，在土壤氮素化学过程的物理表征机理上实现重要突破。研究土壤氮素含量信息获取过程中主要噪声源和噪声特性，提出土壤氮素探测感知过程中噪声的消减方法，提高检测精度。研究土壤氮素信息低成本快速获取实现技术，研制农田土壤氮素现场监测原理样机和田间验证原型系统。

土壤氮素的实时、原位、连续检测是一项世界级难题。土壤氮素作为一个化学参量一般在实验室用化学过程和化学计量方法获取，很难实现快速、原位、连续测量。北京市农林科学院赵春江研究员团队联合中国农业大学、浙江大学，针对这一具有重大应用价值的世界性难题开展科学研究。课题组历经5年，在土壤氮素化学过程的物理表征机理上、化学计量转为物理计量的方法上，以及快速低成本的实现技术上实现了重要突破。.在土壤氮素的近红外光谱测量方法方面：明确了土壤氮素相关官能团的转动、振动、跃迁等近红外物理特性；使用特征波段补偿等方法消除了土壤水分和粒度对近红外光谱检测土壤全氮的影响；采用连续投影算法、蒙特卡罗无信息变量消除法、自适应重加权抽样法等方法从光谱中提取出全氮的特征波段，建立了基于特征波段的计量模型。在土壤氮素的激光诱导击穿光谱（LIBS）测量方法方面：明确了土壤激光诱导击穿过程的物理机制，建立了激光参数和土壤物理性质的关联模型；针对土壤中氮素含量较低、常规LIBS方法难以检出的问题，提出了空间约束、磁约束、纳米增强等新型传感机理和方法；建立了针对土壤中水分、温度、氧原子等干扰因素的噪声消减方法。在土壤硝态氮的离子选择性电极测量方法方面：开展了掺杂聚吡咯的离子选择膜材料合成条件及全固态电极制备参数优化研究，提出了基于恒电位及恒电流电聚合方法的电极优化制备方案；对影响电极性能的土壤预处理参数进行了析因分析，确定了静置时间、土壤粒度及浸提溶液等主要干扰因子，构建了基于响应面建模法的逼近函数影响模型。.在上述机理研究基础上，研究了相应三种测量原理的低成本、小型化实现技术方法，研制出了基于土壤氮素近红外光谱传感、激光诱导击穿光谱传感和离子选择性电极的现场测量原理样机，经田间实验验证，测量误差在8%以内。