随着现代传感技术的发展，基于土壤水分的墒情原位监测进阶为基于土壤有效态养分的肥情原位监测是农田大数据监测发展的必然趋势。基于田间布设土壤原位态养分监测传感器的方式实现土壤原位态养分的精准测量，可有效弥补实验室土壤采样检测方法的致命缺陷。

巍图科技在前人大量理论研究的基础上，自主构建了土壤原位态养分监测体系，该项技术的面世和推广，将打破国际土壤水盐养原位同测的技术壁垒，在测土培肥、耕地质量保护、土壤生态等领域发挥重要作用。

一、体系架构

WITU自主研发的原位态养分监测体系构成包括三个层次：

1、数据采集层，由基于介电谱原理的第三代物联网全栈传感器和数据源采集装置组成，感知层，类似人类的手脚；

2、传输层，在云端（即客户使用端）与底层（即数据采集层）之间完成信息互传，巍图选择目前主流的4G\5G或LoRa等传输技术，传输协议标准化并预留数据包更新接口，通讯层类似于血管、神经；

3、云端，云端的土壤原位态养分大数据算法，是整个系统的大脑，对接收数据进行分析、解译和结果输出。

客户通过智能手机、PC电脑与云端的通讯，实现长期、定点、连续监测试验田内的水分、养分数据，并以此来量化和控制肥情。

图1 土壤原位监测体系

二、监测理论构建

巍图研发团队从土壤学、介电物理学、数学建模等多学科理论出发，从专业角度、数学物理角度、宏观与微观相结合的角度，对原位态有效养分测量这一复杂问题，进行合理的简化与假设，并构建监测理论，其重点如下：

1、在土壤学中，纯水、土壤结构体、配制的溶液等都是极化体；

2、每一种养分离子的介电常数都不同，因此他们的介电行为也不一样，即宏观表现为极化体和频率场之间可量化的关系；

3、可溶性养分盐在水中会以离子氛的形式存在，而且是均匀分布的，把养分离子组合加入变频场后，微观世界会表现为离子氛内部和外部的弹性变化；

4、真正导电的不是纯水，是离子，所以EC值最高时为水溶液饱和态，EC值为0时为纯水；

5、在研究养分位过程中，需要关心溶液强度（I）和浓度（C），实验中需要定水定盐控温；

6、实验中所加的养分盐的EC、I、C是已知，真实土壤原液的EC也可以通过测量已知，因此EC可以建立两者之间的联系；

7、石英砂中不具有胶粒结构，所以测定次标准物质石英砂中水溶性养分时可以将胶粒效应忽略不计；

8、由背景离子组成的养分盐分子，假设有25种，那么这25种养分盐是可以通过按一定比例配制成土壤原液，虽然真实的土壤中除了养分盐还会有其它物质多达几百种，但是大多数物质的含量都很少。

三、定位土壤中不同盐离子敏感频段

盐离子在低频下会因微波场而产生可捕捉的旋转，而高频下盐离子的转向极化和中心位移极化会达到平衡。这就是目前为什么用低频测养分，而用高频测水分。

图2 WITU养分传感器电场模型图

第三代物联网全栈土壤原位态养分传感器将低频段频率（f）由低到高先划分为1000多段。在实际测量时，发射一个频率场，养分盐会给出相应的反应。根据介电谱原理，我们假设不同盐离子的最优频率段不同，再通过实验找到该频率段并验证。

在过去的五年中，巍图研发团队通过物理原理和数学描述，构建和验证了多种定位盐离子敏感频段的公式，主要有三种：

1、DSIC

在确定单个养分盐不同电导率EC下的频率段的时候，会用到色散差索引特征DSIC（Dispersion Scaled Index Characteristics）。一种水溶性养分盐的介电色散扣除纯水的介电色散即为该盐分的介电色散。而DSIC也有自己的缺点，就是会出现频率段不敏感的情况，因此建立VSIC。

2、VSIC

体积盐度索引指数VSIC（Volumetric Salinity Index Characteristics），这是WITU水盐监测的理论与经验的总结。在研究养分时同样适用，该结果是均一化的数值。

3、FSIC

当然VSIC有它的弊端，就是分母为固定值，若某个养分盐所在频率段是一无所知的时候，则需要分段取样，即用频率尺度索引特征FSIC（Frequency Scaled Index Characteristics）来计算，它的优点是相对高频和低频可调，把边界条件动态化了，是单纯的以频率为基础，而不再以离子为基础，它吸收的是介电谱包含的极化体的所有信息，该结果属于相对值。

综上，我们在合理的简化和假设基础上根据物理原理、专业知识和数学计算推导出了土壤中不同盐离子对应低频敏感频段的算法，该算法的意义体现在将土壤原液中未知的离子种类、浓度和有效性用已知的数学公式来表征。

四、田间终端：实验验证

基于理论体系和合理假设，我们对养分离子的介电行为展开研究。在量化目标离子前要先清楚背景离子的关系。以“6+6”种土壤中主要含有的背景离子为基础，可以初步定位到25种水溶性养分盐分子。

以KCl为例，配制不同EC梯度的KCl，以不同含水量梯度混入石英砂柱中，恒温下用养分传感器测试。图3为其中一个频率段得到的数据生成的曲线图。该结果显示含水量在0.02%~20%区间，EC从0~5dS/m，VSIC随之增大，相关性均在0.7以上。初步验证了VSIC的理论成立，也间接验证了我们的合理化假设是可行的。

图3 石英砂柱在同一频率下不同含水量不同灌溉浓度的VSIC对比 

该结果还可进一步将含水量分段处理，根据水分的不同相和田间生产实际意义细分，即通过微分积分进行分段线性化，最终会得到VSIC的线性关系。它的意义在于将不可见的微观世界以宏观的形式展示出来。

五、研究成果与计划

WITU目前在相关领域已获专利28项。同时WITU在土壤水盐养原位监测领域，已获得两项发明专利，分别为：“一种基于土壤质地的非接触水盐传感器及其测试方法”和“一种基于介电谱的土壤原位养分速测方法”。

WITU会在水溶性养分监测和交换性养分监测上继续前行，完成土壤水、盐、养原位监测三步走。小编也会持续报道该项体系的研究进展，欢迎感兴趣的你一起交流，互相学习。