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农业土壤传感器研究进展

来源：花匠小妙招时间：2025-09-17 03:28

本文节选自：

王儒敬. 农业传感器：研究进展、挑战与展望[J]. 智慧农业(中英文), 2024, 6(1): 1-17.

WANG Rujing. Agricultural Sensor: Research Progress, Challenges and Perspectives[J]. Smart Agriculture, 2024, 6(1): 1-17.

农业土壤传感器研究进展

耕地土壤质量是粮食生产和保障粮食安全的根基和载体，是农业生产最重要的要素和可持续发展的核心基础。只有实施耕地土壤质量监测，不断提升耕地土壤质量，确保耕地资源的可持续利用，才能保障粮食产量和粮食安全。用来监测耕地土壤质量的土壤传感器在农业生产中发挥着重要作用，土壤传感器通过感知与作物生长相关的土壤属性，如土壤温度、水分、pH、养分、重金属、污染物、昆虫和微生物等一系列物理、化学和生物信息，收集和评估用于决策和管理耕地的关键数据，为优化作物生长环境、抵御生物和非生物胁迫、提高作物产量提供关键信息。依据具体感知信息的指标，土壤传感器可具体分为土壤水分（湿度）传感器、土壤温度传感器、土壤pH传感器、土壤养分传感器、土壤微生物传感器、土壤病虫害传感器和土壤污染物传感器等多种类型。

土壤含水量显著影响土壤的理化性质，进而影响盐分的溶解、植物对水分和离子的吸收，以及微生物的活动。土壤水分传感器用于感知土壤中的含水量，为生产者提供客观的水分信息用以调节灌溉时间和灌溉量，以满足作物对水的生长需求。土壤水分传感器通常由三部分组成：埋在土壤中用于提供偏置和读出信息的探针电极、传输电路和用于信号处理的电学组件或仪器。土壤水分传感器根据其工作机理主要包括以下四类：基于电容的水分传感器、基于电磁感应的水分传感器、基于超声波的水分传感器和基于光学的水分传感器。Xiao等研发了一种基于频域理论的水田无线土壤水分和水深传感器，该传感器能够同时测量土壤含水量和水深，并将采集到的数据无线传输到远程数据管理中心，适用于稻田水分的监测和管理。Habibullah等基于时域反射法，提出了电磁波通过土壤时发生的压降与电导率之间的理论公式，从而获取土壤含水率信息。Vellidis等开发了一个用于测量土壤水分和土壤温度的实时智能传感器阵列，通过安装大量的土壤湿度传感器，监测田间存在的固有土壤变异性，并用于棉花灌溉。Xu等利用脉冲声波方法测量土壤含水量，通过土壤声参数采集系统数据的拟合分析，建立了脉冲声速、衰减系数和双声参数与土壤体积含水量的标定模型，实现了三种土壤0~0.5 cm3/cm3体积含水量的标定模型。Zheng等结合光学和雷达数据，探索了一种同时评估土壤表层水分和表层粗糙度特性的方法，减弱了地表粗糙度对表层土壤水分反演结果的影响，雷达背散射和光学反射模型具有良好的反演精度。

土壤温度对土壤物理过程具有显著影响，它直接关系到作物对土壤养分的吸收以及土壤水分保持。因此，对土壤温度进行实时监测并深入了解其变化规律，对农业生产实践和科学研究具有重要意义。土壤温度传感器由将温度变化转换为电信号的温度探头、信号处理电路和显示器件组成。Jackson等基于无线纳米技术的设备进行土壤温度和湿度的现场测量，开发的温度和湿度微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）传感器由微机械MEMS悬臂梁组成，悬臂梁配备了水敏纳米聚合物和片上压阻式温度传感器。该传感器基于剪切应力原理，微型传感器芯片结合了专有的聚合物传感元件和惠斯通电桥压阻电路，以提供与土壤湿度和温度成线性比例的两个直流输出电压。

土壤pH影响土壤的物理、化学和生物特性，影响植物生长，是作物生产力的关键参数，因此应充分探究土壤pH、时间和空间变化问题，从而实现农业精准管理。传统基于玻璃电极的pH传感器由于参比电极需储存在饱和电解质盐溶液中，难以实现土壤pH的原位测量。用于原位测量土壤pH的传感器在逐步发展成固态电极、复合基质电极和水凝胶电极。Merl等采用光学原位检测技术研究pH传感器，通过配制土壤悬浮液评估土壤pH，结果表明，该技术具有在较大土壤含水量范围内检测土壤pH的潜力。Nair等报告了一种全固态电极原位土壤pH传感器，使用锑作为传感电极，通过在AgCl涂层电极表面涂覆KCl饱和Araldite制成新型固体参比电极。传感器在3~8的pH范围内表现出线性响应，灵敏度为-38.2 mV/pH。Eldeeb等展示了一种电化学传感器，采用茜素和Nafion的复合基质作为传感器涂层，该传感器能够以时间动态方式测量土壤pH，误差率小于10%。Hammarling等使用激光加工和涂层技术研发了一种由pH敏感水凝胶涂层的叉指电容组成的pH传感器，可在3 min内达到其最终值的95%，并在4 min后保持稳定。

土壤养分传感器可以测量土壤中作物所需的养分等信息，不仅能帮助用户了解土壤肥力状况，还可以根据作物类型、目标产量、肥料种类等帮助用户实现精准合理施肥。土壤养分传感器根据其工作原理可分为比色法、光谱法和电化学法等。基于比色法的养分传感器核心是通过试剂与样品溶液中的特定营养素反应生成颜色或浊度梯度，从颜色梯度或浊度梯度中反演出营养素浓度。Adesanwo等通过比色法和电感耦合等离子体法测定土壤提取物中的磷，结果表明，两种测定方法对所有萃取溶液均呈线性相关关系。随着智能终端技术发展，出现了基于色度与Android系统的集成应用软件，方便了显色的捕获，提升了现场检测的便携性。Moonrungsee等开发了一种基于智能手机的现场部署比色分析仪，用于测定土壤中速效磷含量，具有良好的准确度和精密度。Agarwal等提出了一个基于比色法的土壤肥力测量系统，首先通过化学试剂与养分反应进行溶液显色，然后颜色传感器输出颜色数据与标准值校准，最后使用朴素贝叶斯分类算法将颜色强度值分成三类，显著提升土壤肥力检测效率。基于光谱的土壤养分传感器是利用每种养分都具有独特的特征光谱进行识别和量化。Qiao和Zhang利用54个土壤样品的近红外漫反射光谱，采用主成分分析和最小二乘支持向量机（Least Squares Support Vector Machines, LS-SVM）分别建立了土壤有机质、速效氮（N）、速效磷（P）、钾（K）有效预测模型。Peng等将反向传播神经网络与遗传算法优化相结合，利用可见光和近红外反射光谱实现预测土壤养分含量。He等比较了单脉冲和共线双脉冲（Double Pulses, DP）激光诱导击穿光谱对土壤养分元素的检测能力，采用单因素法、偏最小二乘回归和LS-SVM等化学计量方法建立了元素定量分析的标定准确可靠模型。因其体积小、响应速度快且能够直接测量分析物，基于检测电极的电化学土壤养分传感器是一种很有前景的方法，主要有电化学传感器和离子选择电极两种。Garland等利用激光诱导石墨烯（Laser-Induced Graphene, LIG）作为电极对土壤样品中的植物可利用氮（即NH4+和NO3-）进行电化学离子选择性传感，在聚氯乙烯基膜中用NH4+（无活菌素）或NO3-（三十二烷基甲基硝酸铵）特异性的离子载体对LIG电极进行功能化，分别创建了两种离子传感的固体接触离子选择性电极。Tang等将丝网印刷电化学电极与微流控芯片结合，开发了一种便携式且易于操作的集成试剂反应的电化学微流控系统，用于土壤磷酸盐的现场连续监测，实现了5~100 μM的线性磷酸盐浓度范围，检测限为4.2 μM。Kim等用37份土壤样品评估了三种离子选择电极（Ion-selective electrodes, ISEs）对土壤硝态氮（NO3-N）、速效钾和速效磷的检测效果，这三种ISEs的修饰材料分别为四十二烷铵硝酸盐-硝基苯辛醚（Tetradodecylammonium Nitrate-nitrophenyl octyl ether, TDDA-NPOE）、缬氨霉素-二（2-乙基己基）癸二酸酯和钴，结果显示，检测的土壤NO3-N浓度与标准实验室方法相似，速效钾和速效磷的检测结果低于实验室方法。

土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分，对土壤质量和健康状态具有重要影响。通过开发微生物传感器可以实时监测土壤中微生物的种类和数量，帮助农户和研究人员了解土壤健康状况，及时采取措施维护土壤生态平衡，优化农业生产。土壤微生物的测定方法有光学法、电化学法和微纳技术检测法等。Acharya等研制了一种集成短肽配体的用于检测炭疽芽孢杆菌（Bacillus anthracis）孢子的光学生物传感器，检测限达到34个孢子。Yaghoubi等提出了一种基于凝集素偶联多孔硅的生物传感器，用于通过反射干涉傅立叶变换光谱对大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）进行无标记实时检测，检测限达到103cells/mL。Jin等设计了一种微生物电化学技术设备，测量的电势（电阻负载上的电压降）与土壤CO2排放和微生物活性水平相关，可作为测量土壤微生物活性的替代工具，并验证了其在黏土中检测的有效性。

土壤病虫害是农业生产中常见的问题，造成土壤质量恶化，导致农作物减产和质量下降。Potamitis等提出了一种基于菲涅尔透镜的新型双峰光电传感器和立体声记录设备，该设备将昆虫在飞行中的翼跳事件记录为反向散射和消光，并嵌入到果蝇的电子诱捕器中，可以实时报告田间害虫种群水平。Mankin等采用压电盘式声学系统检测土壤和植物内部结构中隐藏的虫害，将声学预测的虫害与在记录地点采集的土壤样本的含量进行比较。在实验室或理想的野外条件下，识别活动昆虫可靠性近100%。Rustia等使用集成摄像头模块和嵌入式系统作为无线传感器网络中的传感器节点获取图像，采用图像处理算法自动检测和计数捕虫器上的害虫，平均检测准确率为93%。

农业土壤污染会影响土壤功能，导致作物品质下降，危害公众健康或者破坏生态环境。污染物主要是重金属及农药。Rattanarat等开发了用于电化学传感的微流控纸基分析装置，利用被动毛细管力将采样流体通过图案化的纸通道运输到包含有特定电化学分析试剂的检测区域，表现出高达0.12 μg（Cr）和0.25 ng（Cd和Pb）的极高灵敏度。Chen等使用离子选择性高电子迁移率晶体管传感器检测重金属离子，Pb2+的检测限低至10-10M，Hg2+ 的检测限低至10-11M，并且检测特性不受干扰离子的影响。Das和Sharma合成双金属氧化物修饰氧化石墨烯（Bi2O3/Fe2O3 @GO）用作镉（Cd2+）电化学传感器，该传感器表现出6.2~1 160.2 ng/L的宽线性范围和1.85 ng/L的检测限，适用于水、水果、土壤和生物样品中。针对除草剂污染的检测，Prasad等制备了一种快速、选择性强和灵敏的电化学传感器，电极由双压印聚合物纳米膜改性铅笔石墨构成，可同时分析土壤和人血清样品中的含磷氨基酸型除草剂（草甘膦和草铵膦），电极表现出较宽的线性范围，分别为3.98~176.23和0.54~3.96 ng/mL；检测限较低，分别0.35和0.19 ng/mL。Vignesh等开发了一种非酶半导体单壁碳纳米管（Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes, s-SWCNT），这种晶体管由银锌氧化物复合材料和s-SWCNT修饰薄膜改性，用于选择性检测甲基对硫磷，该传感器表现出1×10-16~1×10-4 M的线性范围和0.27×10-16 M的检测限。

土壤传感器是农业传感器领域内发展相对受重视的一类传感器，是现代农业技术中不可或缺的部分，发展也较迅速和成熟。然而，在发展中还存在一些问题。一是精度和稳定性问题。耕地土壤种类与种植作物繁多、场景环境复杂多变，使用中漂移和失真导致传感器稳定性不足，因此要求传感器具有环境适应性、高精度和良好的稳定性，同时要提高传感器寿命和长期观测能力。二是传感器集成与兼容性研发不足。土壤传感器更多关注温湿度感知，在土壤有机质等养分原位监测、重金属农残等污染物监测、土壤微生物原位监测以及多参数共同感知等方面的发展仍存在不足，需要科研人员下大力气攻关更多参数，并进行产业化。三是成本制约大规模布置各种类型土壤传感器，如何降低成本的同时保证传感器的性能成为新的产业瓶颈。四是传感器设计要与农机兼容适配。无人化农机作业需要为土壤传感器的安置预留空间，避免破坏土壤传感器，这需要建立新的标准化作业规范，同时土壤传感器也需要向微型化发展。针对上述问题，未来的研究需要集中在提高传感器的性能、降低成本，以及提高传感器的耐用性和兼容性等方面，还应推动传感器研制标准以及规范化问题，以推动农业土壤传感器的技术创新和应用普及，进而支持现代农业的可持续发展。

（转自：智慧农业期刊）