Design and performance evaluation of a sensor-based device for monitoring soil properties

方法

在四种土壤质地和四个深度共80个观测点上，用混合效应模型与Bland-Altma

发现

装置成本仅134美元，校准R²达0.86-0.9996，能显著区分土壤质地与深度差异。

机会点

可扩展至多区域外部验证、长期田间部署与无线组网，并与施肥决策模型耦合。

摘要：精准农业中使用的传感器可支持快速、无损且经济的土壤评估，为田间决策提供依据。本研究开发并评估了一种低成本多参数传感器融合装置（134美元），用于在对比田间条件下测量土壤特性。田间试验覆盖四种受评土壤基质（黏土、黏壤土、壤土和砂土）和四个深度剖面（15、30、45和60 cm），每种基质设置五个独立田间剖面，共获得80个深度特异性观测值。为评估内部预测性能，数据集按田间剖面水平采用分层70：30内部留出方案进行划分。十四个田间剖面（56个深度特异性观测值）用于校准，六个独立田间剖面（24个深度特异性观测值）保留用于内部验证。该程序评估了在所研究土壤基质和采样区内先前未见剖面的预测性能；其不构成外部验证。基于剖面的混合效应分析表明，对于氮（N）、磷（P）、钾（K）和含水量（MC），受评土壤基质、采样深度及其交互作用均存在统计学显著差异（P < 0.01）。校准关系显示决定系数范围为R² = 0.8594至0.9996，而相应的传感器—实验室测量显示正Pearson相关性范围为0.652至1.000。在15 cm深度处，观测到的N、P和K最高值出现在黏土、黏壤土和壤土基质中（黏土：80.0、29.0和383.3 mg kg⁻¹；黏壤土：61.6、21.0和300.0 mg kg⁻¹；壤土：46.5、14.5和136.3 mg kg⁻¹），而受评砂土剖面为（19.5、9.3和82.0 mg kg⁻¹）。土壤pH范围为6.4至7.2，60 cm深度处含水量较高。Bland–Altman分析显示平均差异为0.130 mg kg⁻¹，一致性界限为−0.001至0.261 mg kg⁻¹。该图在受评范围内未显示测量差异的明显视觉趋势，支持了所研究数据集中传感器—实验室一致性。所提出的平台为在所研究条件下进行定点土壤监测和快速田间筛查提供了一种经济可行的选择。