近日，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院閆銀發(fā)教授團(tuán)隊(duì)在《Soil & Tillage Research》上發(fā)表題為“Multi-spectral evaluation of total nitrogen, phosphorus and potassium content in soil using Vis-NIR spectroscopy based on a modified support vector machine with whale optimization algorithm”的最新研究成果。機(jī)電學(xué)院劉莫塵副教授為第一作者，楊慶璐副教授、鹿瑤副教授為共同通訊作者，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)為第一通訊單位。

土壤中的營養(yǎng)元素如氮、磷、鉀，對作物生長至關(guān)重要。土壤養(yǎng)分均衡不僅能有效提升作物產(chǎn)量，而且能促進(jìn)早期植物根系的形成和生長，提高植物適應(yīng)外界環(huán)境條件的能力。長期以來的過度施肥等不合理施肥方法導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平及效率低下、肥料資源浪費(fèi)嚴(yán)重，制約綠色循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。因此，準(zhǔn)確獲取土壤養(yǎng)分含量對于指導(dǎo)合理施肥、提升產(chǎn)量和實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)具有重要意義。目前，傳統(tǒng)的化學(xué)檢測方法雖精確，但耗時、檢測周期長且操作復(fù)雜，無法提供土壤中養(yǎng)分的時空分布特征信息，難以滿足快速、非破壞性檢測的需求。

圖1 基于WOA-SVM算法的土壤中氮、磷、鉀含量多光譜預(yù)測評估

針對以上技術(shù)難題，研究團(tuán)隊(duì)采用可見-近紅外光譜（Vis-NIR，350–2500 nm）檢測手段，開發(fā)一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的快速、低成本、高精度的土壤營養(yǎng)成分檢測方法，特別針對總氮（TN）、總磷（TP）和總鉀（TK）的精準(zhǔn)測定，助力現(xiàn)代化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。具體的，本研究采用融合徑向基核函數(shù)（RBF）與多項(xiàng)式核函數(shù)（Poly）的RBF-Poly混合核函數(shù)，聯(lián)合支持向量機(jī)（SVM）定量預(yù)測算法，構(gòu)建土壤中總氮、總磷、總鉀等養(yǎng)分的定量預(yù)測模型。引入鯨魚優(yōu)化算法（WOA）優(yōu)化模型中g(shù)（核函數(shù)參數(shù)）、c（懲罰因子）和γ（權(quán)重系數(shù)）參數(shù)，優(yōu)化模型預(yù)測結(jié)果。研究結(jié)果表明，對于TN、TP和TK的最優(yōu)模型驗(yàn)證集預(yù)測結(jié)果分別為0.902、0.937和0.904，模型剩余預(yù)測偏差分別達(dá)到3.206、3.939和2.608，為準(zhǔn)確、無損檢測土壤養(yǎng)分提供了穩(wěn)定可靠的預(yù)測模型。該研究成果在農(nóng)業(yè)與環(huán)境管理實(shí)踐中具有重要應(yīng)用價值，有助于實(shí)現(xiàn)更高效、更準(zhǔn)確的土壤養(yǎng)分監(jiān)測與管理。

圖2 基于SPA的土壤中氮（a）、磷（b）、鉀（c）特征提取結(jié)果

圖3 鯨魚優(yōu)化算法（WOA）參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目以及山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。

編      輯：萬    千 

審      核：賈    波