一种土壤总含钾量检测装置以及方法

摘要

本发明公开了一种土壤总含钾量检测装置，包括：用于放置土壤样品的暗箱；用于向暗箱中的土壤样品发射检测光的光照模块；用于接收土壤样品反射光的光谱采集模块；用于接收并处理来自所述光谱采集模块的信号的光谱处理模块。本发明还公开了一种利用所述土壤总含钾量检测装置检测土壤总含钾量的方法。本发明土壤总含钾量检测装置结构简单，可以根据需要选择不同的特定波长的滤光片，利用多元线性回归建立模型，用于测量土壤样品的不同指标，检测过程简便快捷、检测结果准确可靠、检测成本低、无污染。

说明书

技术领域

本发明涉及土壤检测领域，具体涉及一种土壤总含钾量检测装置以及 方法。

背景技术

钾是植物生长发育所必需的营养元素，土壤总含钾量是鉴别土壤肥力 的重要指标。

植物以离子态(K⁺)从土壤中吸收钾，钾为植物生长所必需，但其在 植物中的确切功能尚不清楚，与氮和磷不同，钾在植物中并不形成有机化 合物，其主要功能与植物新陈代谢有关。

钾对光合作用和呼吸作用十分重要，缺钾使光合作用减弱，植物的呼 吸强度逐渐增高，这两种缺钾造成的影响使光合减弱，呼吸增加，进而使 植物的碳水化合物供应减少。钾的其它功能包括：钾是蛋白质合成所必须 的；钾对碳水化合物的分解过程很重要，该过程提供植物生长的能源；钾 帮助控制离子平衡；钾在重金属转移(如铁)中起重要作用；钾帮助植物 克服病害的影响；钾在果实形成中很重要；钾改善耐寒性；钾参与激活60 多种调节主要植物生长反应速率的酶系统。

土壤中的钾主要可分为以下几种类型：

1)矿物结构钾：这是土壤中钾的主要存在形态，其含量占土壤总含 钾量的98％左右，主要存在于铝硅酸盐，如长石、云母等矿物中，这些钾 一般不溶于水，也不能被溶液中的阳离子所代替，作物不能直接吸收利用， 所以又叫无效钾。

2)非交换态钾(难交换态钾)：主要指层状硅酸盐矿物层间和颗粒边 缘的那一部分钾，它是速效钾的贮备，能逐渐转化为被植物吸收利用的速 效钾，所以叫缓效钾。这种钾一般用1mol/LHNO₃提取(或0.5mol/LHCl)， 提取的钾量与作物的吸钾量有良好的相关性。由于易转变为速效钾，所以 常把缓效钾作为土壤钾素供应潜力的指标。

3)水溶性及交换性钾：这两种形态的钾统称速效钾，其中水溶性钾 很少，交换性钾可占速效钾总量的95％以上。

申请号为200910058851.0的发明公开了一种石灰性土壤缓效钾含量检 测浸提方法，包括如下步骤：1.称取通过1mm筛孔的风干土样2.5g于大试 管中；2.向大试管中滴入一滴植物油，再加入1mol·L^-1HNO₃25mL；3.将 大试管同时置于铁丝笼中，放入160℃油浴锅内加热煮沸11min，趁热过滤 于100mL容量瓶中，用HNO₃溶液洗涤土壤和试管4次，每次用15mL，冷却 后定容；4.在原子分光光度计直接测定。

测量土壤的总钾含量是了解土壤肥力的重要途径，获取土壤总钾含量 信息对于农业和环境等方面的研究很有意义。现有技术中测量总含钾量方 法采用以火焰光度计测定钾，测量过程费时、费力、耗材成本高，且中间 过程容易产生化学污染。

因此，需要提供一种能够快速、准确地检测土壤中总钾含量的方法。

发明内容

本发明提供了一种土壤总含钾量检测方法，操作简单，能够快速准确 地实现土壤样品中总含钾量的检测。

一种土壤总含钾量检测装置，包括：

用于放置土壤样品的暗箱；

用于向暗箱中的土壤样品发射检测光的光照模块；

用于接收土壤样品反射光的光谱采集模块；

用于接收并处理来自所述光谱采集模块的信号的光谱处理模块；

所述光照模块包括在光路上依次布置的LED点光源阵列、反射盖、第 一聚焦透镜、第二聚焦透镜以及输出光纤，所述LED点光源阵列包括 460nm、540nm、600nm、620nm、700nm、740nm、900nm和1050nm的LED 点光源各一盏，所有LED点光源呈圆环形排列且均匀分布。

土壤样品置于所述暗箱中，所述光照模块向暗箱中的土壤样品发射特 定波长的检测光，所述光谱采集模块采集不同波长处土壤样品的反射光， 所述光谱处理模块接收所述的反射光，提取不同波长的反射光的反射率， 利用式Y＝6183X₁-11890X₂+8714X₃-1743X₄+210X₅-1282X₆+469.8X₇-407.1 X₈+96.5计算得到土壤样品总含钾量。

土壤样品置于所述暗箱内，隔离外界光线，避免外界光线对土壤样品 反射光的采集形成干扰，提高土壤样品总含钾量检测结果的准确性。

所述LED点光源发出特定波长的光，经反射盖反射后，由第一聚焦透 镜变为平行光，该平行光经第二聚焦透镜聚焦后，进入输出光纤，由输出 光纤传递至暗箱中所述土壤样品的上方。

作为优选，每盏LED点光源的光轴沿光路方向与所述圆环形的轴线成 45度夹角。

所述每盏LED点光源的光轴与所述圆环形的轴线成45度夹角，所述每 盏LED点光源发出的光经所述反射盖反射后进入第一聚焦透镜，变为平行 光。

作为优选，所述光谱采集模块包括接收样品反射光的接收光纤以及接 收该接收光纤所传送信号的光敏传感器。

所述光敏传感器相对应不同波长的检测光设置，即相对应波长460nm、 540nm、600nm、620nm、700nm、740nm、900nm和1050nm分别设有光敏 传感器，所述光敏传感器接收来自土壤样品的不同波长的反射光。

作为优选，所述输出光纤的发射端以及接收光纤的采集端均位于所述 暗箱内。

所述光照模块的输出光纤将LED点光源阵列发出的光传递至输出光 纤位于暗箱内的发射端，向土壤样品发射不同波长的检测光，检测光经土 壤样品反射后得到反射光，反射光由所述接收光纤的采集端采集后，由接 收光纤传输至光谱处理模块，由光谱处理模块处理得到土壤样品总钾含 量。

作为优选，设有调节输出光纤以及第二聚焦透镜间距的伸缩机构。

所述伸缩机构可以调节所述输出光纤与第二聚焦透镜间的距离，即调 节输出光纤接受到的第二聚焦透镜输出的检测光光强大小，经过土壤样品 反射后，得到合适的反射光光强，用于计算土壤样品总钾含量。

作为优选，设有与所述暗箱固定连接的光纤支架，该光纤支架上设有 由暗箱顶部插入暗箱内的光纤套管，所述输出光纤以及接收光纤沿所述光 纤套管延伸入暗箱内。所述光纤套管可以对输出光纤以及接收光纤起到一 定的保护作用。

为了调整所述输出光纤以及接收光纤与土壤样品的距离，优选地，所 述光纤支架上设有紧固夹，所述光纤套管竖直的夹持在紧固夹中。

本发明还公开了一种利用所述的土壤总含钾量检测装置检测土壤含 钾量的方法，包括如下步骤：

(1)将土壤样品放入所述暗箱中，利用光照模块向土壤样品发射波 长为460nm、540nm、600nm、620nm、700nm、740nm、900nm和1050nm 的检测光；

(2)利用光谱采集模块采集土壤样品的反射光，利用光谱处理模块 提取土壤样品在不同波长处的反射率；

(3)利用光谱处理模块将所得反射率依据方程Y＝6183X₁-11890X₂+8 714X₃-1743X₄+210X₅-1282X₆+469.8X₇-407.1X₈+96.5计算得到土壤样品总 含钾量；

其中，Y为土壤样品总含钾量；

X₁～X₈分别为土壤样品在波长460nm、540nm、600nm、620nm、700nm、 740nm、900nm和1050nm处检测光的反射率。

通过向土壤样品发射不同波长的光，采集土壤样品的反射光信息，提 取不同波长处土壤样品的反射率，计算得到土壤中总含钾量。

本发明所选定的特征波长仅针对土壤总含钾量的检测，不适用于土壤 其他指标的检测，如果需要检测土壤样品的其他指标，需重新选定特征波 长，通过多元线性回归建立模型，得到相应的计算公式。

本发明土壤总含钾量检测装置结构简单，可以根据需要选择不同的特 定波长的滤光片，利用多元线性回归建立模型，用于测量土壤样品的不同 指标，检测过程简便快捷、检测结果准确可靠、检测成本低、无污染。

附图说明

图1为本发明一种土壤总含钾量检测装置示意图；

图2为本发明一种土壤总含钾量检测装置光照模块示意图；

图3为图2的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明一种土壤总含钾量检测装置做详细描述。

一种土壤总含钾量检测装置，包括：用于放置土壤样品的暗箱、用于 向暗箱中的土壤样品发射检测光的光照模块2、用于接收土壤样品反射光 的光谱采集模块、用于接收并处理来自所述光谱采集模块的信号的光谱处 理模块3。

暗箱设有推拉门，土壤样品放入暗箱后，关闭推拉门，防止外界光线 对光谱采集模块采集土壤样品反射光的干扰。

光照模块2包括在光路上依次布置的LED点光源20阵列、反射盖24、 第一聚焦透镜21、第二聚焦透镜16以及输出光纤，LED点光源20阵列包 括460nm、540nm、600nm、620nm、700nm、740nm、900nm和1050nm的 LED点光源各一盏，所有LED点光源呈圆环形排列且均匀分布，每盏LED 点光源的光轴沿光路方向与圆环形的轴线成45度夹角。

光谱采集模块包括接收样品反射光的接收光纤以及接收该接收光纤 所传送信号的光敏传感器，光敏传感器相对应LED点光源20不同波长的检 测光设置，即相对应波长460nm、540nm、600nm、620nm、700nm、740nm、 900nm和1050nm分别设有光敏传感器，光敏传感器接收来自土壤样品的不 同波长的反射光。

输出光纤的发射端以及接收光纤的采集端均位于暗箱内，光照模块2 的输出光纤将LED点光源20阵列发出的光传递至输出光纤位于暗箱内的 发射端，向土壤样品发射不同波长的检测光，检测光经土壤样品反射后得 到反射光，反射光由接收光纤的采集端采集后，由接收光纤传输至光谱处 理模块3，由光谱处理模块3处理得到土壤样品总钾含量。

设有调节输出光纤以及第二聚焦透镜16间距的伸缩机构15，伸缩机构 15可以调节输出光纤与第二聚焦透镜16间的距离，即调节输出光纤接受到 的第二聚焦透镜16输出的检测光光强大小，经过土壤样品反射后，得到合 适的反射光光强，用于计算土壤样品总钾含量。

设有放置光照模块2，光谱采集模块以及光谱处理模块3的支架1，支 架1上还设有显示光谱处理模块3处理结果的显示屏4、光谱采集模块开关6 以及电源开关5。

设有与暗箱10固定连接的光纤支架12，该光纤支架12上设有由暗箱10 顶部插入暗箱10内的光纤套管13，输出光纤以及接收光纤沿光纤套管13延 伸入暗箱10内，光纤支架12上设有紧固夹，光纤套管13竖直的夹持在紧固 夹中，通过调节紧固夹的夹持位置，可以调节光纤套管13深入暗箱10中的 长度，从而使输出光纤的发射端以及接收光纤的采集端与土壤样品9紧密 接触。

本发明所述的光照模块2、光谱采集模块以及光谱处理模块3均为用电 部件，为了保证光照模块2、光谱采集模块以及光谱处理模块3的正常工作， 在没有特殊说明的前提下应当理解为光照模块2、光谱采集模块以及光谱 处理模块3均连接有相匹配的电源，光照模块2、光谱采集模块以及光谱处 理模块3可以采用同一总电源，也可以根据实际需要单独设置电源，或者 是通过光照模块2、光谱采集模块以及光谱处理模块3之间的电路实现电源 信号的传递。各用电部件之间的空间位置关系没有严格限制，但为了便于 加工和安装尽可能的采用集成度较高的电路布置。

本发明土壤含钾量检测装置工作时，将土壤样品9放入暗箱10内，关 闭推拉门8，通过光纤支架12紧固夹，调节光纤套管13插入暗箱10的高度， 使输出光纤14的发射端以及接收光纤的采集端紧贴土壤样品9，打开电源 开关5，光照模块22发出460nm、540nm、600nm、620nm、700nm、740nm、 900nm和1050nm波长的光，经输出光纤14的发射端照射至土壤样品9，打 开光谱采集模块开关6，土壤样反射后，经接收光纤的采集端采集，传递 至光谱处理模块3，经光谱处理模块3处理后，将土壤样品9总钾含量显示 在显示屏4上。土壤钾含量单位为mg/kg。

利用所述的土壤总含钾量检测装置检测土壤总含钾量的方法，包括如 下步骤：

(1)将土壤样品放入所述暗箱中，利用光照模块向土壤样品发射波 长为460nm、540nm、600nm、620nm、700nm、740nm、900nm和1050nm 的检测光；

(2)利用光谱采集模块采集土壤样品的反射光，利用光谱处理模块 提取土壤样品在不同波长处的反射率；

(3)利用光谱处理模块将所得反射率依据方程Y＝6183X₁-11890X₂+8 714X₃-1743X₄+210X₅-1282X₆+469.8X₇-407.1X₈+96.5计算得到土壤样品总 含钾量；

其中，Y为土壤样品总含钾量；

X₁～X₈分别为土壤样品在波长460nm、540nm、600nm、620nm、700nm、 740nm、900nm和1050nm处检测光的反射率。

本发明所选定的特征波长(其中有一个作为参照波长，其余7个参与 计算)仅针对土壤总钾含量的快速检测，如果需要测量土壤的其他指标， 需要重新选定特定波长，通过多元线性回归，建立模型，计算得到相应的 指标值。

利用本发明提供的方法建立模型的相关指标见表1，其中，建模集表 示建立模型时，利用土壤样品的反射率以及现有方法测试得到的总含钾量 拟合得到模型方程，预测集表示，建立完模型后，使用土壤样品依据模型 方程得到的总含钾量拟合得到标准曲线。

表1

实施例1～10

利用本发明提供的装置和方法对土壤样品总含钾量进行测试，测试 结果见表2。

表2

由表2数据，可以看出，利用本发明方法测得的土壤总含钾量与现有 方法测试得到的数据接近，利用本发明可以快速测定土壤中总含钾量，结 果可靠。