CN111141808B - 一种基于电泳分析技术的土壤有效态分析方法及其土壤养分等级评定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电泳分析技术的土壤有效态分析方法及其土壤养分等级评定方法，与现有技术相比尚无根据电泳技术野外检测土壤有效态的缺陷。本发明包括以下步骤：土壤样本的采集；土壤样本的含水量测量；土壤样本的前处理；电泳信号的获得；电泳信号的分析；土壤有效态结果的分析。本发明基于电泳速测法检测土壤有效态从而对田块分级并指导施肥的方法，弥补没有基于水浸提土壤的电泳速测评定大田土壤等级的方法，具有方法准确简单、反应迅速、易操作、易推广的特点。

Description

一种基于电泳分析技术的土壤有效态分析方法及其土壤养分 等级评定方法

技术领域

本发明涉及土壤分析技术领域，具体来说是一种基于电泳分析技术的土壤有效态分析方法及其土壤养分等级评定方法。

背景技术

现有技术中，传统土壤检测方法检测土壤样本周期长，难以实现即时的变量施肥。而目前电泳检测技术已成为物质分析的一种主流分析工具，可以将复杂样品中的无机离子依次分离，从而进行定量检测，具有检测速度快、精度高、耗费样品少等优势，已被广泛应用于环境监测、药物分析、农业生产、食品检疫等众多领域。同时，电泳检测技术也逐步应用于快速检测大田土壤有效态养分，包括速效氮、速效钾、有效磷等指标。

相对于传统检测方法，电泳检测仪一次实验可同时检测几种指标，检测更迅速、成本更低，并且电泳检测仪可使用水浸提法浸提土壤样本，而非传统检测方法使用强酸强碱等，避免对环境及检测人员带来二次污染或伤害。因此，电泳检测技术应用于大田土壤快速检测具有重要意义与实用价值。

然而，如何通过电泳技术测定的土壤有效态(养分)数据，从而能够评定大田养分含量的等级还未有人涉及。因此，迫切需要开发一种新方法，根据测得的土壤养分数据去评估大田养分含量(有效态)，从而去指导变量施肥。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中尚无根据电泳技术野外检测土壤有效态养分的缺陷，提供一种基于电泳分析技术的土壤有效态分析方法及其土壤养分等级评定方法来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于电泳分析技术的土壤有效态分析方法，包括以下步骤：

11)土壤样本的采集：将待测大田划分为若干小田块，以20米-40米边长为一小田块，生成田块划分图，每一小田块采集一份土壤样本；

12)土壤样本的含水量测量：将采集的土壤样本进行含水量快速测试；将采集的土壤样本放入密封袋中保存，利用土壤含水量测试仪插入采集的土壤样本中进行含水量测量，并记录在田块图中，其中含水量测试仪为便携式土壤含水量快速测试仪、头部为三个不锈钢探针；

13)土壤样本的前处理：研磨后的土壤经称量、纯水浸提、滤纸过滤与滤饼过滤的前处理；

14)电泳信号的获得：利用基于非接触式电导检测的仪器进行电泳分析，获得该样品对应的电泳谱图；

15)电泳信号的分析：对该样品对应的电泳谱图进行峰谱识别，得到样品的非接触式电导信号峰谱；

16)土壤有效态结果的分析：将各种离子的峰面积，通过公式换算得到对应离子的浓度含量，再得到对应田块的包括土壤养分、公式的土壤有效态结果。

所述土壤样本的前处理包括以下步骤：

21)称取土壤样本于50mL塑料样品管中，加入超纯水，土液比为1:10，盖紧瓶塞进行浸提操作，在150r/min～180r/min振荡10min；

22)用定量滤纸折成漏斗形状置于小漏斗中，下方放入20mL塑料样品管，将浸提后溶液倒入漏斗内；过滤后的滤液再经一次性注射器推过针头式过滤器，完全过滤后的滤液放入洁净的2mL塑料样品管内，其中，针头式过滤器为有机系、0.45μm滤孔、25mm直径滤膜。

所述电泳信号的获得包括以下步骤：

31)仪器准备：利用超纯水、运行液依次清洗毛细管、铂金电极；用运行液进行基线测试，启动高压电源，开启数据采集软件开始采集数据；若基线稳定，准备进样；

32)土壤样品溶液电进样：将样品架上待测样品溶液移入毛细管进样口位置；启动高压电源，进行电进样程序；

33)样品测试：

再次启动高压电源，开启数据采集软件；软件开始记录采集的数据，观察到屏幕上显示出电泳谱线；待K⁺、NH4⁺、Na⁺的电泳峰出现后，约5min，关闭数据采集软件与高压电源，保存电泳谱图。

所述电泳信号的分析为对各土壤样品的非接触式电导信号谱图进行峰谱识别，得到各土壤样品的非接触式电导信号峰谱，其采用导数-高斯曲线拟合法进行峰谱识别，其包括以下步骤：

41)设原始的土壤样品的非接触式电导信号为f，δ为一阶导数f的标准差，对一阶导数取sign(d(t))值记为D；设置土壤样品的非接触式电导信号的斜率变化阈值、幅值阈值、平滑宽度、平滑类型和峰顶部测量点数；

42)对土壤样品的非接触式电导信号f求两点中心差一阶导数d和二阶导数s；

43)根据给定参数，按平滑宽度数值对所有数据进行指定类型平滑；

44)对土壤样品的非接触式电导信号的谱图进行峰顶点判别：当sign(d(t))>sign(d(t+1))，且f(t)>f(t-1)，f(t)>f(t+1)，d(t)-d(t+1)>3δ²，f(t)>3δ²时，判定为峰顶点；

45)以峰顶点处为中心，按给定峰顶部测量点数值取点，并进行高斯拟合，初步确定峰位、峰值和半峰宽，并得到预设边界；

46)对土壤样品的非接触式电导信号的谱图进行峰起始点判别：以峰顶点为中心，在预设边界范围内向负方向移动，当f(t)>f(t-1)，d(t)>3δ²，d(t-1)<3δ²，且s(t)>3δ²，s(t-1)<3δ²时，判定为峰起点；

47)对土壤样品的非接触式电导信号的谱图进行峰谷点判别：以峰顶点为中心，在预设边界范围内向正方向移动，当sign(d(t))<sign(d(t+1))，且s(t)>3δ²时，判定为峰谷点；

48)对土壤样品的非接触式电导信号的谱图进行峰终止点判别：以峰顶点为中心，在预设边界范围内向正方向移动，当f(t)>f(t+1)，d(t)>3δ²，d(t+1)<3δ²，且s(t)>3δ²，s(t+1)<3δ²时，判定为峰终止点；

49)根据判别出的峰顶点、预设边界、峰起始点和峰终止点，得到土壤样品的非接触式电导信号的峰谱；

410)各土壤样品的非接触式电导信号峰谱进行高斯拟合优化，得到更接近原始数据峰谱的各土壤样品的非接触式电导信号的高斯峰参数；所述的“高斯拟合优化”采用L-M算法实现。

所述土壤有效态结果的分析包括以下步骤：

51)将一定量已知浓度的标准溶液加入待测土壤样品中，该土壤样品为风干水浸提的土壤样品，测定加入前后样品的浓度，加入标准溶液后的浓度将比加入前的高，其增加的量应等于加入的标准溶液中所含的待测物质的量；待测样品溶液浓度为Ct(mg/L)，对应的电泳峰面积S1；

加标后溶液中所含目标例子浓度为

对应的电泳峰面积S2；根据土壤样品中训练样本的非接触式电导信号的高斯峰参数，采用以下公式求得电泳峰面积S1和S2：

其中，t表示峰位t，h表示峰高，ω表示半峰宽，S表示电泳峰面积；

52)设定检测土壤样品离子含量依次为Ximg/L，样品浸提时称量土壤样品Yg，加入ZmL超纯水，则土壤样品离子含量换算成C_i(mg/kg)，其公式如下：

C_i(mg/kg)＝[X(mg/L)×Z(ml)×10^-3]/Y(g)×10^-3；

53)依据不同的土壤类型进行预测模型训练，根据土壤样品中训练样本的非接触式电导信号的高斯峰参数和土壤养分离子含量，构建土壤养分离子含量预测模型，土壤养分离子含量预测模型是偏最小二乘回归模型，其将土壤样品中训练样本的高斯峰特征参数看作四维特征自变量组，将训练样本高斯峰对应的土壤养分离子含量作为一维因变量组；

54)将高斯拟合优化各个离子峰的特征参数带入土壤离子含量预测模型，其表达式如下：

C_t＝A_i*p+B_i*h+C_i*w+D_i*s，

其中A_i、B_i、C_i、D_i分别为该离子峰峰位p、峰高h、半峰宽w、峰面积s特征参数的系数，求出土壤样品溶液电泳信号谱图中各离子的浓度；

55)设定检测土壤样品离子含量依次为Ximg/L，样品浸提时称量土壤样品Yg，加入ZmL超纯水，土壤样本含水量为w％，则土壤样品离子含量换算成C'_i(mg/kg)，其公式如下：

C'_i(mg/kg)＝[X(mg/L)×Z(ml)×(1+w％)10^-3]/[Y(g)×(1-w％)×10^-3]。

一种基于电泳分析技术的土壤有效态分析方法的土壤养分等级评定方法，包括以下步骤：

61)将得到的土壤有效态结果按指标依次标注在田块图中，生成养分柱状图；

62)按照整块田块各个指标的含量范围，分为高中低五档，将各个小田块依次归类到五档中，生成五档养分分布图；

63)根据建议施肥量，依次计算每个档所需的施肥量，生成该地块的施肥处方图。

有益效果

本发明的一种基于电泳分析技术的土壤有效态分析方法及其土壤养分等级评定方法，与现有技术相比基于电泳速测法检测土壤有效态从而对田块分级并指导施肥的方法，弥补没有基于水浸提土壤的电泳速测评定大田土壤等级的方法，具有方法准确简单、反应迅速、易操作、易推广的特点。

附图说明

图1为本发明的方法顺序图。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

如图1所示，本发明所述的一种基于电泳分析技术的土壤有效态分析方法，通过电泳电导检测技术(电泳对土壤浸提液中的离子进行电迁移分离，再通过非接触式电导检测技术进行检测，电泳通道的形式可以是毛细管或者微流体通道)进行快速有效分析。其包括以下步骤：

第一步，土壤样本的采集：将待测大田划分为若干小田块，以20米-40米边长为一小田块，生成田块划分图，每一小田块采集一份土壤样本。

第二步，土壤样本的含水量测量：将采集的土壤样本进行含水量快速测试；将采集的土壤样本放入密封袋中保存，利用土壤含水量测试仪插入采集的土壤样本中进行含水量测量，并记录在田块图中，其中含水量测试仪为便携式土壤含水量快速测试仪、头部为三个不锈钢探针。

第三步，土壤样本的前处理：研磨后的土壤经称量、纯水浸提、滤纸过滤与滤饼过滤的前处理。其具体步骤如下：

(1)称取土壤样本于50mL塑料样品管中，加入超纯水，土液比为1:10，盖紧瓶塞进行浸提操作，在150r/min～180r/min振荡10min。

(2)用定量滤纸折成漏斗形状置于小漏斗中，下方放入20mL塑料样品管，将浸提后溶液倒入漏斗内；过滤后的滤液再经一次性注射器推过针头式过滤器，完全过滤后的滤液放入洁净的2mL塑料样品管内，其中，针头式过滤器为有机系、0.45μm滤孔、25mm直径滤膜。

第四步，电泳信号的获得：利用基于非接触式电导检测的仪器进行电泳分析，获得该样品对应的电泳谱图。

本发明用到的非接触式电导信号是采用公开号为CN 206515289U中提到的用于检测土壤养分离子的毛细管电泳检测器来获取的，也可以现有技术中其他诸如此类的非接触式电导检测法来获取土壤样品的非接触式电导信号。其具体步骤如下：

(1)仪器准备：利用超纯水、运行液依次清洗毛细管、铂金电极；用运行液进行基线测试，启动高压电源，开启数据采集软件开始采集数据；若基线稳定，准备进样。

(2)土壤样品溶液电进样：将样品架上待测样品溶液移入毛细管进样口位置；启动高压电源，进行电进样程序。

(3)样品测试：

再次启动高压电源，开启数据采集软件；软件开始记录采集的数据，观察到屏幕上显示出电泳谱线；待K+、NH4+、Na+的电泳峰出现后，约5min，关闭数据采集软件与高压电源，保存电泳谱图。

第五步，电泳信号的分析：对电泳谱图进行预处理后寻找峰值，自动计算出每种离子对应的峰面积。

在此电泳信号的分析为对各土壤样品的非接触式电导信号谱图进行峰谱识别，得到各土壤样品的非接触式电导信号峰谱，其采用导数-高斯曲线拟合法进行峰谱识别，其包括以下步骤：

(1)设原始的土壤样品的非接触式电导信号为f，δ为一阶导数f的标准差，对一阶导数取sign(d(t))值记为D；设置土壤样品的非接触式电导信号的斜率变化阈值、幅值阈值、平滑宽度、平滑类型和峰顶部测量点数。

(2)对土壤样品的非接触式电导信号f求两点中心差一阶导数d和二阶导数s。

(3)根据给定参数，按平滑宽度数值对所有数据进行指定类型平滑。

由于非接触式电导信号中存在噪声和基线漂移，为减少被干扰，本发明引入零斜率区[-T，T]，即在该区间内被认为是基线处斜率。通常认为随机噪声与基线漂移的斜率变化服从正态分布且具有零均值特性。一般情况下，当n>100时，T＝3δ²可以保证97.3％的基线斜率落在该区间内。

(4)对土壤样品的非接触式电导信号的谱图进行峰顶点判别：当sign(d(t))>sign(d(t+1))，且f(t)>f(t-1)，f(t)>f(t+1)，d(t)-d(t+1)>3δ²，f(t)>3δ²时，判定为峰顶点。

(5)以峰顶点处为中心，按给定峰顶部测量点数值取点，并进行高斯拟合，初步确定峰位、峰值和半峰宽，并得到预设边界。

(6)对土壤样品的非接触式电导信号的谱图进行峰起始点判别：以峰顶点为中心，在预设边界范围内向负方向移动，当f(t)>f(t-1)，d(t)>3δ²，d(t-1)<3δ²，且s(t)>3δ²，s(t-1)<3δ²时，判定为峰起点。

(7)对土壤样品的非接触式电导信号的谱图进行峰谷点判别：以峰顶点为中心，在预设边界范围内向正方向移动，当sign(d(t))<sign(d(t+1))，且s(t)>3δ²时，判定为峰谷点。

(8)对土壤样品的非接触式电导信号的谱图进行峰终止点判别：以峰顶点为中心，在预设边界范围内向正方向移动，当f(t)>f(t+1)，d(t)>3δ²，d(t+1)<3δ²，且s(t)>3δ²，s(t+1)<3δ²时，判定为峰终止点。

(9)根据判别出的峰顶点、预设边界、峰起始点和峰终止点，得到土壤样品的非接触式电导信号的峰谱。

(10)各土壤样品的非接触式电导信号峰谱进行高斯拟合优化，得到更接近原始数据峰谱的各土壤样品的非接触式电导信号的高斯峰参数；所述的“高斯拟合优化”采用L-M算法实现。

经上述处理方法后，可以实现特征点识别，从而达到初步的峰谱识别。

导数法中，一阶导数反映了峰谱曲线在一点的附近的变化率，而二阶导数则显示了峰谱曲线的凹凸性。将两者结合可以快速识别峰谱，但导数法易受噪声的影响。为提高准确性，在导数法确定峰位后，以峰位为中心，按峰顶部测量点数数值取点，并进行高斯拟合，确定参数，并得到预设边界。

非接触式电导检测实际采样过程中得到的是离散数据，但由于两次采样的时间间隔非常短(0.0004s)，所以可以使用相邻两数据点的差值作为一阶导数值。同理，可求得非接触式电导信号的二阶导数。

采用上述峰谱识别方法对非接触式电导信号仿真单峰谱图，在信噪比为15dB、20dB、30dB和40dB下进行峰谱识别，在信噪比为15dB时已为较嘈杂的信号谱图，峰位和半峰宽识别误差仍达到0.01数量级；当信噪比提升至40dB时，峰位和半峰宽识别误差达到0.001数量级。具有很高的检测精度。

在实际检测土壤样品的非接触式电导信号峰谱时，存在不同的离子出峰位置比较接近，从而形成重叠峰的情况，影响非接触式电导信号峰谱模型的建立。有效峰包括单峰和重叠峰，基于L-M的高斯拟合，主要作用体现在重叠峰。

经过峰谱识别和峰值过滤后，获取了土壤样品的非接触式电导信号中峰谱的数量N以及每个峰对应高斯函数表达式的峰高hi、峰位ti和半峰宽wi；利用这些参数，使用L-M算法进行参数优化，从而获得更接近原始数据峰谱的高斯峰参数。

Levenberg–Marquardt(L-M)算法属于二阶算法，是Gauss-Newton(GN)算法的改进。通过引入参数μ_k，将GN算法与最速梯度法结合起来。当μ_k较小时，所拟合的数据远离收敛点，L-M算法类似于最速梯度法，具有较强适应性；当μ_k较大时，所拟合数据接近收敛点，L-M算法近似于GN法，具有快速收敛性。因此，L-M算法被广泛用于数据拟合优化中。

L-M算法的优化目标可表示为：

式中：Y_i为预期高斯函数输出数值，

为实际测量的非接触式电导信号数值，

为当前误差。

L-M算法的迭代公式如下：

式中：x_k为第k次迭代的拟合高斯峰特征值变量；J_k为x的Jacobi矩阵；H_k为Hessian矩阵；I_k为单位矩阵；J_k ^TY_k可记为迭代步长h_lm；μ_k为阻尼因子，它可以同时影响搜索方向和步长。

L-M算法的具体实现过程如下：

(1)计算初始土壤样品的非接触式电导信号的参数峰高h₀、峰位p₀和半峰宽w₀。

(2)计算拟合函数y(x)。

(3)给定允许误差ε和最大迭代次数k_max，初始化权值向量x，k＝0，同时初始化阻尼因子u_k和v_k。

(4)计算拟合函数及J、H矩阵，然后得到迭代步长h_lm。

(5)计算更新后权值向量与旧权值向量之间的误差，若小于ε退出程序，否则进入步骤(36)。

(6)计算误差向量下降量ΔE_k＝E(x_k)-E(x_k-1)，根据ΔE_k值更新μ_k。

(7)判断当前迭代次数是否大于最大迭代次数k_max，若大于k_max退出程序，否则返回步骤(4)。

在获得非接触式电导信号的高斯峰参数后，还可以对各土壤样品的非接触式电导信号峰谱进行峰值过滤，消除其中的伪峰”，其具体包括以下步骤：

A1)计算原始的土壤样品的非接触式电导信号的峰谱与拟合高斯峰信号峰谱的残差error表示，当残差标准差超过2时，则判定该峰为伪峰，将该峰删除；其中error＝原始信号数据点-拟合信号数据点；

A2)计算土壤样品的非接触电导信号峰谱的峰区域内一阶导数绝对值大于阈值T的次数n1和二阶导数越过零线的次数n2，当n1小于5或n2大于8时，则判定该峰为伪峰，将该峰删除；

A3)通过步骤(A1)和(A2)将土壤样品的非接触式电导信号峰谱中的伪峰删除后，土壤样品的非接触式电导信号峰谱中只包含有效峰。

第六步，土壤有效态结果的分析：

(1)将一定量已知浓度的标准溶液加入待测土壤样品中，该土壤样品为风干水浸提的土壤样品(之所以训练用风干的也是为了跟国标的测试结果对比，国标没法在野外直接测带水，这样训练完的结果才可靠)，测定加入前后样品的浓度，加入标准溶液后的浓度将比加入前的高，其增加的量应等于加入的标准溶液中所含的待测物质的量；待测样品溶液浓度为Ct(mg/L)，对应的电泳峰面积S1；

加标后溶液中所含目标例子浓度为

对应的电泳峰面积S2；根据土壤样品中训练样本的非接触式电导信号的高斯峰参数，采用以下公式求得电泳峰面积S1和S2：

其中，t表示峰位t，h表示峰高，ω表示半峰宽，S表示电泳峰面积。

(2)设定检测土壤样品离子含量依次为Ximg/L，样品浸提时称量土壤样品Yg，加入ZmL超纯水，则土壤样品离子含量换算成C_i(mg/kg)，其公式如下：

C_i(mg/kg)＝[X(mg/L)×Z(ml)×10^-3]/Y(g)×10^-3。

(3)依据不同的土壤类型进行预测模型训练，根据土壤样品中训练样本的非接触式电导信号的高斯峰参数和土壤养分离子含量，构建土壤养分离子含量预测模型，土壤养分离子含量预测模型是偏最小二乘回归模型，其将土壤样品中训练样本的高斯峰特征参数看作四维特征自变量组，将训练样本高斯峰对应的土壤养分离子含量作为一维因变量组。

(4)将高斯拟合优化各个离子峰的特征参数带入土壤离子含量预测模型，其表达式如下：

C_t＝A_i*p+B_i*h+C_i*w+D_i*s，

其中A_i、B_i、C_i、D_i分别为该离子峰峰位p、峰高h、半峰宽w、峰面积s特征参数的系数，求出土壤样品溶液电泳信号谱图中各离子的浓度。

(5)设定检测土壤样品离子含量依次为Ximg/L，样品浸提时称量土壤样品Yg，加入ZmL超纯水，土壤样本含水量为w％，则土壤样品离子含量换算成C'_img/kg，其公式如下：

C'_i(mg/kg)＝[X(mg/L)×Z(ml)×(1+w％)10^-3]/[Y(g)×(1-w％)×10^-3]。

偏最小二乘回归(PLS)分析模型是在化学计量学中广泛应用的建模方法。相比于传统多元线性回归，偏最小二乘法不但能同时分解非接触式电导信号信息矩阵和土壤离子含量矩阵，而且能很好地消除噪声干扰，因而具有很强的预测能力。通过峰谱识别和基于L-M的高斯拟合优化后，得到高斯峰特征参数(峰位、峰高、半峰宽、峰面积)；通过加标法获取土壤养分离子的浓度。将土壤样品按4:1划分为训练样本和测试样本。

将土壤样品中训练样本的高斯峰特征参数看作四维特征自变量组，将训练样本高斯峰对应的土壤养分离子含量作为一维因变量组，将训练集的高斯峰特征参数和土壤养分离子含量输入，构建土壤样品非接触式电导信号的偏最小二乘的回归建模。将土壤样品中的预测样本的高斯峰特征参数输入构造的预测模型，完成对测试样本土壤养分离子含量的分析预测。分析预测：将测试土壤样本采用样本获取中的方法获取高斯峰参数，变成四维特征，输入训练好的偏最小二乘预测模型进行土壤养分离子含量的分析预测。

在此还提供一种基于电泳分析技术的土壤有效态分析方法的土壤养分等级评定方法，包括以下步骤：

第一步，将得到的土壤有效态结果按指标依次标注在田块图中，生成养分柱状图；

第二步，按照整块田块各个指标的含量范围，分为高中低五档，将各个小田块依次归类到五档中，生成五档养分分布图；

第三步，根据建议施肥量，依次计算每个档所需的施肥量，生成该地块的施肥处方图。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种基于电泳分析技术的土壤有效态分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

11)土壤样本的采集：将待测大田划分为若干小田块，以20米-40米边长为一小田块，生成田块划分图，每一小田块采集一份土壤样本；

12)土壤样本的含水量测量：将采集的土壤样本进行含水量快速测试；将采集的土壤样本放入密封袋中保存，利用土壤含水量测试仪插入采集的土壤样本中进行含水量测量，并记录在田块图中，其中含水量测试仪为便携式土壤含水量快速测试仪、头部为三个不锈钢探针；

13)土壤样本的前处理：研磨后的土壤经称量、纯水浸提、滤纸过滤与滤饼过滤的前处理；

14)电泳信号的获得：利用基于非接触式电导检测的仪器进行电泳分析，获得该样品对应的电泳谱图；

15)电泳信号的分析：对该样品对应的电泳谱图进行峰谱识别，得到样品的非接触式电导信号峰谱；所述电泳信号的分析为对各土壤样品的非接触式电导信号谱图进行峰谱识别，得到各土壤样品的非接触式电导信号峰谱，其采用导数-高斯曲线拟合法进行峰谱识别，其包括以下步骤：

151)设原始的土壤样品的非接触式电导信号为f，δ为一阶导数f的标准差，对一阶导数取sign(d(t))值记为D；设置土壤样品的非接触式电导信号的斜率变化阈值、幅值阈值、平滑宽度、平滑类型和峰顶部测量点数；

152)对土壤样品的非接触式电导信号f求两点中心差一阶导数d和二阶导数s；

153)根据给定参数，按平滑宽度数值对所有数据进行指定类型平滑；

154)对土壤样品的非接触式电导信号的谱图进行峰顶点判别：当sign(d(t))>sign(d(t+1))，且f(t)>f(t-1)，f(t)>f(t+1)，d(t)-d(t+1)>3δ²，f(t)>3δ²时，判定为峰顶点；

155)以峰顶点处为中心，按给定峰顶部测量点数值取点，并进行高斯拟合，初步确定峰位、峰值和半峰宽，并得到预设边界；

156)对土壤样品的非接触式电导信号的谱图进行峰起始点判别：以峰顶点为中心，在预设边界范围内向负方向移动，当f(t)>f(t-1)，d(t)>3δ²，d(t-1)<3δ²，且s(t)>3δ²，s(t-1)<3δ²时，判定为峰起点；

157)对土壤样品的非接触式电导信号的谱图进行峰谷点判别：以峰顶点为中心，在预设边界范围内向正方向移动，当sign(d(t))<sign(d(t+1))，且s(t)>3δ²时，判定为峰谷点；

158)对土壤样品的非接触式电导信号的谱图进行峰终止点判别：以峰顶点为中心，在预设边界范围内向正方向移动，当f(t)>f(t+1)，d(t)>3δ²，d(t+1)<3δ²，且s(t)>3δ²，s(t+1)<3δ²时，判定为峰终止点；

159)根据判别出的峰顶点、预设边界、峰起始点和峰终止点，得到土壤样品的非接触式电导信号的峰谱；

1510)各土壤样品的非接触式电导信号峰谱进行高斯拟合优化，得到更接近原始数据峰谱的各土壤样品的非接触式电导信号的高斯峰参数；所述的“高斯拟合优化”采用L-M算法实现；

16)土壤有效态结果的分析：将各种离子的峰面积，通过公式换算得到对应离子的浓度含量，再得到对应田块的包括土壤养分、公式的土壤有效态结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于电泳分析技术的土壤有效态分析方法，其特征在于，所述土壤样本的前处理包括以下步骤：

21)称取土壤样本于50mL塑料样品管中，加入超纯水，土液比为1:10，盖紧瓶塞进行浸提操作，在150r/min～180r/min振荡10min；

22)用定量滤纸折成漏斗形状置于小漏斗中，下方放入20mL塑料样品管，将浸提后溶液倒入漏斗内；过滤后的滤液再经一次性注射器推过针头式过滤器，完全过滤后的滤液放入洁净的2mL塑料样品管内，其中，针头式过滤器为有机系、0.45μm滤孔、25mm直径滤膜。

3.根据权利要求1所述的一种基于电泳分析技术的土壤有效态分析方法，其特征在于，所述电泳信号的获得包括以下步骤：

31)仪器准备：利用超纯水、运行液依次清洗毛细管、铂金电极；用运行液进行基线测试，启动高压电源，开启数据采集软件开始采集数据；若基线稳定，准备进样；

32)土壤样品溶液电进样：将样品架上待测样品溶液移入毛细管进样口位置；启动高压电源，进行电进样程序；

33)样品测试：

再次启动高压电源，开启数据采集软件；软件开始记录采集的数据，观察到屏幕上显示出电泳谱线；待K⁺、NH4⁺、Na⁺的电泳峰出现后，约5min，关闭数据采集软件与高压电源，保存电泳谱图。

4.根据权利要求1所述的一种基于电泳分析技术的土壤有效态分析方法，其特征在于，所述土壤有效态结果的分析包括以下步骤：

41)将一定量已知浓度的标准溶液加入待测土壤样品中，该土壤样品为风干水浸提的土壤样品，测定加入前后样品的浓度，加入标准溶液后的浓度将比加入前的高，其增加的量应等于加入的标准溶液中所含的待测物质的量；待测样品溶液浓度为Ct(mg/L)，对应的电泳峰面积S1；

加标后溶液中所含目标例子浓度为

对应的电泳峰面积S2；根据土壤样品中训练样本的非接触式电导信号的高斯峰参数，采用以下公式求得电泳峰面积S1和S2：

其中，t表示峰位t，h表示峰高，ω表示半峰宽，S表示电泳峰面积；

42)设定检测土壤样品离子含量依次为Ximg/L，样品浸提时称量土壤样品Yg，加入ZmL超纯水，则土壤样品离子含量换算成C_i(mg/kg)，其公式如下：

C_i(mg/kg)＝[X(mg/L)×Z(ml)×10^-3]/Y(g)×10^-3；

43)依据不同的土壤类型进行预测模型训练，根据土壤样品中训练样本的非接触式电导信号的高斯峰参数和土壤养分离子含量，构建土壤养分离子含量预测模型，土壤养分离子含量预测模型是偏最小二乘回归模型，其将土壤样品中训练样本的高斯峰特征参数看作四维特征自变量组，将训练样本高斯峰对应的土壤养分离子含量作为一维因变量组；

44)将高斯拟合优化各个离子峰的特征参数带入土壤离子含量预测模型，其表达式如下：

C_t＝A_i*p+B_i*h+C_i*w+D_i*s，

其中A_i、B_i、C_i、D_i分别为该离子峰峰位p、峰高h、半峰宽w、峰面积s特征参数的系数，求出土壤样品溶液电泳信号谱图中各离子的浓度；

45)设定检测土壤样品离子含量依次为Ximg/L，样品浸提时称量土壤样品Yg，加入ZmL超纯水，土壤样本含水量为w％，则土壤样品离子含量换算成C'_i(mg/kg)，其公式如下：

C'_i(mg/kg)＝[X(mg/L)×Z(ml)×(1+w％)10^-3]/[Y(g)×(1-w％)×10^-3]。

5.根据权利要求1所述的一种基于电泳分析技术的土壤有效态分析方法的土壤养分等级评定方法，其特征在于，包括以下步骤：

51)将得到的土壤有效态结果按指标依次标注在田块图中，生成养分柱状图；

52)按照整块田块各个指标的含量范围，分为高中低五档，将各个小田块依次归类到五档中，生成五档养分分布图；

53)根据建议施肥量，依次计算每个档所需的施肥量，生成该地块的施肥处方图。

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