Smart Agriculture ›› 2024, Vol. 6 ›› Issue (3): 17-33.doi: 10.12133/j.smartag.SA202404003
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QI Jiangtao1,2, CHENG Panting1,2, GAO Fangfang1,2, GUO Li1,2, ZHANG Ruirui3()
Received:
2024-03-31
Online:
2024-05-30
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QI Jiangtao, CHENG Panting, GAO Fangfang, GUO Li, ZHANG Ruirui. Research Advances and Prospects on Rapid Acquisition Technology of Farmland Soil Physical and Chemical Parameters[J]. Smart Agriculture, 2024, 6(3): 17-33.
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Table 1
Common electrochemical analysis methods in soil detection
电化学分析方法 | 工作原理 | 主要应用 | 优点 | 局限 |
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伏安法 | 基于测量电流与电势之间的关系,通过改变电势来观察电流的变化,从而得到样品中化学物质的信息[ | 土壤重金属 | 抗干扰能力强、灵敏度高、可靠性强 | 仅限于可溶性物质的测定,对电极的制备、电解液的选择和控制等要求较高 |
电极法 | 利用电极与离子反应产生的电势差来测量离子的活度或浓度[ | 土壤氮、磷、钾 | 操作简单、精度高、实时监测 | 前期处理工艺复杂,电极表面的污染、氧化等因素也会影响测量结果,需要及时对电极表面进行处理和校正 |
Table 2
Common used methods of spectral analysis in soil detection
光谱分析方法 | 工作原理 | 主要应用 | 优点 | 局限 |
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近红外光谱(Visible-Infrared Spectroscopy, NIR) | 当近红外光照射到样品上时,样品中的分子会吸收特定波长的光,通过测量样品在不同波长下的吸收强度,获取样品中化学键和分子的振动或转动信息,从而获得样品的理化信息[ | 应用广泛,包括土壤有机质、重金属、氮磷钾、有机碳、pH、质地、含水率等 | 多组分分析、非破坏性、分析速度快、适应性强和无需特殊样本制备等 | 波峰易重叠、数据处理复杂、仪器设备维护需要专业人士进行操作、需通过较复杂的模型来提高检测精度 |
激光诱导击穿光谱(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS) | 利用激光脉冲的高能量密度使样品表面产生等离子体,形成高温高压的微观区域,在等离子体形成和衰减的过程中,样品中的原子和离子会发生电子激发、跃迁和辐射,产生特征光谱信号。通过分析该光谱信号,可以确定样品中的元素组成和浓度[ | 土壤重金属 | 制样简单、实时检测、非接触性、无需样品预处理、灵敏度高 | 设备昂贵、分析深度有限、土壤产生的基体效应和光谱干扰会对测定结果产生影响、检测仪器昂贵、数据处理复杂 |
荧光光谱(Fluorescence Spectroscopy, FS) | 通过激发样品中的分子或原子,使其产生荧光发射,然后通过分光仪检测荧光发射的波长和强度,从而分析样品的成分和性质[ | 土壤重金属、微量元素 | 灵敏度高、非破坏性、响应快、实时监测 | 荧光强度易受干扰、设备昂贵 |
原子吸收光谱(Atomic Absorption Spectroscopy, AAS) | 通过将待测样品中的金属元素转化为气态原子,并使用特定波长的光源进行光吸收测量,吸收光强度与待测金属元素的浓度成正比。通过测量光源发射光束进入和离开样品后的光强度差异,可以确定待测金属元素的浓度[ | 微量金属元素 | 选择性和灵敏度高 | 需要较复杂的光学系统,样品预处理和仪器校准复杂,并需要一定的实验操作和专业知识,单元素分析 |
Table 3
Common soil detection sensors
传感器 | 主要应用 | 优点 | 局限 |
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电磁感应传感器 (Electromagnetic Induction Sensor) | 土壤电导率、含水率、 含盐率、质地等 | 快速高效、非破坏性、频率范围广泛 | 易受外界电磁干扰、成本较高 |
探地雷达 (Ground Penetrating Radar,GPR) | 土壤含水率 | 非侵入性、实时性、快速精准 | 探测深度有限、数据解释复杂、 设备昂贵 |
多光谱 (Multispectral) | 土壤含水率、含盐率 | 可获取较大范围的遥感数据,数据量较小,处理和分析相对简单 | 光谱信息较少,空间分辨率相对较低,无法提供较精细的地物定位和描述 |
高光谱 (Hyperspectral) | 土壤有机质、土壤含水率、含盐率等 | 提供大量的连续光谱信息、 空间分辨率较高 | 数据量大、数据处理复杂、 成本较高 |
热红外 (Infrared thermal) | 土壤含水率、重金属 | 对温度和热量的变化较为敏感,不受天气或光照影响 | 空间分辨率较低、价格高昂 |
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