使用光谱保持土壤为未来的粮食生产可持续发展

大量的当前农业研究的重点是确保足够的食物可供世界不断增长的人口。

农民越来越多地需要使用相同的资源而生产更多粮食占快速变化的气候条件因素,继续增加世界粮食供应的压力。

天气模式改变导致更频繁和严重的干旱和洪水和不可预测的极端的炎热和寒冷的温度。生长季节短,至关重要的资源,比如干净的水和良好的土壤继续带来问题。

科学家们正致力于开发设计的技术和工具来促进农业的未来。

光谱学是一个中央支持技术大量的这些技术和工具。光谱学是无处不在,从创新研究集成到传感器和分析工具。

的光谱分析解决方案世界各地的广泛使用和依赖,提供证明的结果在实验室,实地研究前哨和生产线。

土壤管理

土壤通常是一个复合有机物的混合物,气体,液体,矿物质和许多生物。

超出其至关重要的作用在支持植物的生命形式的作物,土壤也是关键存储、运输和净化的水。土壤也有作用,帮助修改大气和作为重要的栖息地范围大小不一的有机体。

灌溉系统。图片来源:旅行车BV

因此,可持续土地管理是至关重要的确保未来粮食生产和地球上所有生命。

土壤健康仍是一个核心方面的各种规模的农场土地可持续管理。任意数量的土壤健康问题可以影响作物生产和农业可行性,包括侵蚀、污染,生物多样性的丧失或土壤压实

的研究和技术发展的最前沿寻求维护未来的粮食供应,支持大量研究和新技术的设计和实现土壤健康的分析和管理。

水分测量

土壤水分测量历史上涉及张力计——一种设备,它采用一个计和一个多孔空心管上水库的水。设备的管插入前土壤水分进入土壤中杯。这将创建一个真空,一直继续下去,直到达到平衡。

通过测量,可以获得阅读基于真空来确定一个值,这种挑水工式与土壤基质的潜力。

这些信息使农民能够确定灌溉的需要,但它有它的缺点和规模有限的使用。这是因为张力仪是缓慢的,它需要时间的水来达到平衡。

研究人员调查了影响土壤水分的可见光谱早在1978年。随着光谱学技术继续改善,就可以扩展这些调查近、中红外。²

在匈牙利,到2014年,研究人员已经开始从事校准光谱数据为了发展算法能够方便快速、油田规模测量土壤水分含量。³

预计算法有一天将使油田规模部署spectroscopy-based水分测量,但是这个过程开始于数据收集的实验室。

在该地区土壤样本从果园获得不同的土壤特性。这些都是在实验室非烘干,确保干燥水平一致。

水慢慢地重新引入,与光谱收集每2.5毫升,直到完全饱和的样品。研究人员发现,1450 - 1460和1920 - 1930 nm波长是最敏感的土壤水分的量化。

的avaspec nir256 - 2.5 - hsc evo和avaspec——nir256 - 1.7 evo可以提供足够的范围和灵敏度,使这种类型的实验室应用。

未来的紧凑的近红外光谱仪的发展可能使张力计取代手持领域仪器能够促进水分的快速评估。

这些工具也会适合与灌溉系统的集成,以及能够校准和验证(地面实况)机载高光谱成像技术。³

土壤特性

土壤远均匀混合物,通常具有不同的矿物和有机质含量和粒度。这些因素可以改变任意数量的土壤特性。⁴

土壤类型决定了过程和结果从灌溉计划的形式给定土壤作物可能繁荣。美国农业部识别12种不同类型的土壤,从砂粘土。⁵

图片来源:旅行车BV

这些土壤类型特性可预测的特点,比如它的颜色。最常见的方法来确定土壤类型是依赖高度主观的和相对不可靠的个人经验,比较土样对孟塞尔公司提供的一个特别设计的颜色表。²

土壤分类的其他方法包括使用复杂、耗时的化学过程,需要专门的技术,可能会产生负面影响的数据解释。³

光学光谱采样代表一个更可行的选择,因为这需要很少或根本没有样品制备,并且不需要使用严厉的化学物质。也可以从相同的光谱数据分析几个参数使用这种方法。

在哈马丹,伊朗,研究人员探索使用UV / VIS / NIR光谱分析的土壤参数,包括pH值、颜色、导电性,水分含量,总氮,有机碳和可交换阳离子。

他们也用这种方法作为一种识别各种各样的矿物质,包括铁、钛氧化物、镁、钾、钙、钠。³

本研究看到样品被收集,随机和非烘干前地面,已筛和分成校准和验证集。

数据收集全套最优化的验证样本集,平均每个样本24宽带光谱扫描获得的校准设置。

这样做是通过使用分光计的紫外吸收范围从200 - 1100纳米分辨率1纳米,而1000 - 2400 nm范围内促进了在近红外光谱测量。

进行光谱分析校正集,可以执行一系列统计分析操作基于主成分分析(PCA)和至少部分广场回归分析(LPS-R)。他允许研究人员联系他们获得的光谱反射率测量可观测的土壤属性。

通过这些结果,研究者确定他们可以自信地验证土壤分类与可用的变量的一个小子集。

体积密度和土壤压实

土壤压实是指压缩土壤颗粒之间的空间。欧洲杯猜球平台这些空间通常保持空气和水,和土壤压实导致根发育不良等问题和缺氧,最终降低作物产量和质量。

压实可以自然或人造流程的结果,但它仍然是一个严重的环境和农业问题在这两种情况下。¹

土壤压实的常见原因包括大型动物种群的存在,持续使用重型机械,或重复耕作到统一的深度。

土壤压实的影响。图片来源:旅行车BV

至关重要的是,可持续农业系统有效地管理土壤压实。关键参数的测量与土壤压实是这个管理的一个重要部分。

大部分土壤密度(BD)的比例是体积重量(Θv)内容水分(ω)。这是表示为BD =Θv /ω。这个参数与土壤压实呈正相关,这意味着更高的土壤密度导致更大程度的压实。¹

透度计是行业标准技术测量土壤压实。这个乐器没有进化超越指出坚持设计模仿植物根生长。硬度计有一个压力表的传动轴,毕业与更广泛的30度倾斜不锈钢锥。

农业研究发表在《计算机和电子杂志在2018年展示了一个原型测量系统,它结合了传统的透度计和光纤耦合近红外线传感器。¹

原位系统设计功能,利用土壤贯入阻力测量,使用频域反射计分析体积含水率,和近红外漫反射率的测量重量含水率。

这些测量方便的计算体积密度(BD)使用一个单一的,易于管理调查系统。¹其小说探针设计包括设计的贯入仪来测量土壤贯入阻力。

这有一个空心轴住房光纤一端连接一个蓝宝石窗口在轴体,与20瓦卤素灯的输入。纤维也有关avaspec nir256 - 2.5 - hsc evo光谱仪使近红外光谱反射数据输出和捕获。

时域反射计测量提供了一种量化体积含水率(Θv)。这是通过将一个电极集成到探测器的轴的形式被绝缘的铜环从探头的身体。

使用这种方法,可以完成数以百计的测量。这些被用来训练一个人工神经网络(ANN)模型的融合数据,生产有前景的结果可以应用到未来的体积密度快速结果领域应用的解决方案。¹

旅行车的贡献

有很多的挑战在寻求满足需要负担得起的,有效的和可靠的数据。可用的系统通常不适合现场部署或操作错误或不一致可能会影响数据收集。

很大一部分的重点在于消除不一致和用户错误的机会,主要在设计一体化spectroscopy-based解决方案。²

近红外光谱法在实验室。图片来源:旅行车BV

与有经验的光谱学密切合作伙伴可以支持解决方案来满足这些领域的发现和开发部署的挑战。

的拥有25年的工作经验与研究人员和设备制造商设计和开发系统能够满足和自信地超过测量要求。2020欧洲杯下注官网

引用

1. Al-Asadi,雷德。,阿卜杜勒·m·Mouazen。一个原型测量系统的土壤容重与频域反射计和可见光和近红外光谱。的电脑和电子在农业。爱思唯尔,2018年6月30日。网络,2019年11月19日。https://www.欧洲杯线上买球sciencedirect.com/science/article/pii/S0168169917316277
2. 汉族,Pengcheng et al。分享服务土壤颜色传感器:土壤类型分类。“电脑和电子产品在农业、123卷,2016年,页232 - 241。,doi: 10.1016 / j.compag.2016.02.024。https://www.欧洲杯线上买球sciencedirect.com/science/article/pii/S0168169916300618
3. Monavar, Hosna Mohamdi。第34食品和农业工程国际会议。‘Ires,基于紫外测定几种土壤特性,可见,近红外反射光谱技术,2016年3月12日,https://www.researchgate.net/publication/297322303_Determination_of_several_soil_properties_based_on_ultra-violet_visible_and_near-znfrared_reflectance_spectroscopy的土壤。en.wikipedia.org/wiki/Soil,维基百科,维基媒体基金会。
4. 的土壤。维基百科,维基媒体基金会,https://en.wikipedia.org/wiki/Soil。
5. 美国农业部的自然资源保护服务。土壤的颜色| nrc土壤,美国农业部https://www.nrcs.usda.gov/wps/portal/nrcs/detail/soils/edu/?cid=nrcs142p2_054286

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