土壤有效态氮磷钾含量检测方法及装置与流程

本发明涉及农田土壤面源污染检测技术领域，尤其涉及一种土壤有效态氮磷钾含量检测方法及装置。

背景技术：

氮、磷、钾元素是植物生长必须的三大营养元素，而可溶性的硝酸盐、磷酸盐和钾盐是植物能够直接吸收的重要营养物质，而在植物生长过程中施肥次数和施用量都对土壤的养分组成具有显著影响，过量施肥不但会导致资源浪费还会在水循环过程中导致土壤面源污染(如土壤中氮循环过程中的硝化、反硝化作用)，因此，在植物生长过程中特别是追肥时期快速有效地检测土壤中的n、p、k含量对于农业生产具有重要意义。

常规k离子检测方法为原子吸收，而硝酸盐、磷酸盐检测方法包括分光光度、离子色谱、离子选择电极法等。在上述方法中除离子选择电极法外，均需要土壤样本过筛、研磨前处理，化学试剂浸提、过滤操作，检测周期长、人员要求高，且检测设备均属实验室分析仪器。目前，也有大量研究集中在近红外光谱实现土壤养分的快速检测，如全氮、有机质、铵态氮、硝态氮等，但近红外光谱是基于统计学规律的分析方法，结果严重依赖统计学模型，因此也就导致土壤类型、水分含量、温度、ph值甚至粒径都将会对模型的有效性产生影响。因此只有在保证足够大的样本量进行建模时才能保证预测的精度，而土壤作为复杂的基体差异千差万别，很难保证模型的稳定性。

技术实现要素：

本发明提供一种土壤有效态氮磷钾含量检测方法及装置，用以解决现有技术中的土壤有效态氮磷钾含量检测准确度较低缺陷，实现土壤有效态氮磷钾含量检测的自动化。

本发明提供一种土壤有效态氮磷钾含量检测方法，包括：

将预设质量的土壤样本与纯净水按比例混合，配置土壤溶液；

将制备的双极型离子交换膜与所述土壤溶液混合预设时间后，对所述双极型离子交换膜依次进行纯净水清洗和干燥处理；

对干燥处理后的所述双极型离子交换膜阳极上富集的钾离子进行光谱检测，基于光谱检测得到的第一特征光谱强度信息，获取所述土壤样本中有效态钾的含量，以及

对干燥处理后的所述双极型离子交换膜阴极上富集的硝酸根离子和磷酸根离子进行光谱检测，基于光谱检测得到的两个第二特征光谱强度信息，获取所述土壤样本中有效态氮和有效态磷的含量。

根据本发明提供的一种土壤有效态氮磷钾含量检测方法，所述将制备的双极型离子交换膜与所述土壤溶液混合包括：

将所述双极型离子交换膜置于所述土壤溶液中，采用振荡器或搅拌器辅助所述双极型离子交换膜与所述土壤溶液的充分接触混合。

根据本发明提供的一种土壤有效态氮磷钾含量检测方法，所述对干燥处理后的所述双极型离子交换膜阳极上富集的钾离子进行光谱检测包括：

将预设波长的脉冲激光入射至所述双极型离子交换膜的阳极表面，获取经过所述双极型离子交换膜上钾离子发射的原子发射光；

通过光纤光谱仪对所述原子发射光进行光谱检测，获取所述原子发射光在不同波长处的光谱强度；

对所述不同波长处的光谱强度进行预处理，获取所述第一特征光谱强度信息。

根据本发明提供的一种土壤有效态氮磷钾含量检测方法，所述基于光谱检测得到的第一特征光谱强度信息，获取所述土壤样本中有效态钾的含量包括：

将所述第一特征光谱强度信息与预先建立的定标模型相结合，以获取所述土壤样本中有效态钾的含量；

其中，所述定标模型是预先基于与所述土壤样本相应的标准土壤样本而建立的定标曲线，所述定标曲线表征所述标准土壤样本的有效态钾含量与有效态钾在光谱特征位置的光谱强度的相关关系。

根据本发明提供的一种土壤有效态氮磷钾含量检测方法，所述对干燥处理后的所述双极型离子交换膜阴极上富集的硝酸根离子和磷酸根离子进行光谱检测包括：

将预设波长的连续激光入射至所述双极型离子交换膜的阴极表面，获取经过所述双极型离子交换膜上硝酸根离子和磷酸根离子散射的散射光；

通过raman光谱检测模块对所述散射光进行光谱检测，分别获取与硝酸根离子和磷酸根离子相对应的在不同光谱位移处的raman光谱强度；

对所述不同光谱位移处的raman光谱强度进行预处理，获取所述第二特征光谱强度信息。

根据本发明提供的一种土壤有效态氮磷钾含量检测方法，所述基于光谱检测得到的第二特征光谱强度信息，获取所述土壤样本中有效态氮和有效态磷的含量包括：

将两个所述第二特征光谱强度信息与预先建立的定标模型相结合，以获取所述土壤样本中有效态氮和有效态磷的含量；

其中，所述定标模型是预先基于与所述土壤样本相应的标准土壤样本而建立的两个定标曲线，一个所述定标曲线表征所述标准土壤样本的有效态氮含量与有效态氮在raman光谱特征位置的光谱强度的相关关系，另一个所述定标曲线表征所述标准土壤样本的有效态磷含量与有效态磷在raman光谱特征位置的光谱强度的相关关系。

本发明还提供一种土壤有效态氮磷钾含量检测装置，包括：土壤样品混合组件、双极型离子交换膜、集成光谱检测模块以及处理模块；

所述土壤样品混合组件用于盛装由土壤样品配置而成的土壤溶液；

在所述双极型离子交换膜位于所述土壤样品混合组件内部的情况下，所述双极型离子交换膜用于与所述土壤溶液中的钾离子、硝酸根离子和磷酸根离子进行离子交换；

所述集成光谱检测模块对所述双极型离子交换膜阳极上富集的钾离子进行脉冲激光激发，以输出原子发射光，对所述原子发射光进行光谱检测，获取所述原子发射光在不同波长处的光谱强度，得到第一特征光谱强度信息，以及

对所述双极型离子交换膜阴极上富集的硝酸根离子和磷酸根离子进行连续激光激发，以输出散射光，对所述散射光进行光谱检测，获取硝酸根离子和磷酸根离子在不同光谱位移处的光谱强度，得到两个第二特征光谱强度信息；

所述处理模块用于基于所述第一特征光谱强度信息计算所述土壤样本中有效态钾的含量，以及

基于两个所述第二特征光谱强度信息计算所述土壤样本中有效态氮和有效态磷的含量。

根据本发明提供的一种土壤有效态氮磷钾含量检测装置，所述双极型离子交换膜配置有膜固定架，所述膜固定架包括第一压片与第二压片，所述第一压片与所述第二压片上开设有相对应的窗口，所述双极型离子交换膜夹装于所述第一压片与所述第二压片之间。

根据本发明提供的一种土壤有效态氮磷钾含量检测装置，所述土壤样品混合组件包括容器，所述膜固定架可通过卡槽或者导轨与所述容器的内壁滑动连接，所述膜固定架沿所述容器的高度方向滑动。

根据本发明提供的一种土壤有效态氮磷钾含量检测装置，所述容器配置有搅拌装置或振荡器；

在所述容器配置有所述搅拌装置的情况下，所述搅拌装置的搅拌端伸入至所述容器内；

在所述容器配置有所述振荡器的情况下，所述振荡器上用于放置所述容器。

本发明提供的土壤有效态氮磷钾含量检测方法及装置，通过将预设份量的土壤样本与纯净水按比例混合，可配置得到土壤溶液，通过将制备的双极型离子交换膜与土壤溶液混合，可使得双极型离子交换膜与土壤溶液中的硝酸根离子、钾离子以及磷酸根离子发生交换反应，在经过预设时间后，可达到对土壤样本中有效态氮、有效态钾以及有效态磷提取的目的，从而在对交换反应后的双极型离子交换膜依次进行纯净水清洗和干燥处理后，制备得到双极型离子交换膜样本，进而可对双极型离子交换膜样本上富集的有效态氮、有效态钾以及有效态磷进行光谱检测，基于获取的特征光谱强度信息与土壤中有效态氮、有效态钾以及有效态磷含量的相关关系，可较为便捷地获取土壤样本中有效态氮、有效态钾以及有效态磷的含量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的土壤有效态氮磷钾含量检测方法的流程图；

图2是本发明实施例所示的不同有效态氮和有效态磷含量的土壤样本分别在位移1040cm^-1和1340cm^-1的raman光谱强度分布图；

图3是本发明实施例所示的不同有效态钾含量的土壤样本在位移766.9cm^-1的光谱强度分布图；

图4是本发明提供的土壤有效态氮磷钾含量检测装置的结构示意图；

图5是本发明提供的土壤样品混合组件的结构示意图；

图6是本发明提供的双极型离子交换膜的安装结构示意图。

附图标记：

1：脉冲激光器；2：连续激光器；3：准直透镜；

4：三棱镜；5：样本台；6：双极型离子交换膜样本；

61：双极型离子交换膜；62：膜固定架；7：散射光；

8：原子发射光；9：光纤；10：陷波器；

11：反射镜；12：光栅光谱仪；13：光纤光谱仪；

14：容器；15：搅拌装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1至图3描述本发明的土壤有效态氮磷钾含量检测方法。

参见图1，本发明实施例提供了土壤有效态氮磷钾含量检测方法，包括：

s100，将预设质量的土壤样本与纯净水按比例混合，配置土壤溶液；

s200，将制备的双极型离子交换膜与土壤溶液混合预设时间后，对双极型离子交换膜依次进行纯净水清洗和干燥处理；

s300，对干燥处理后的双极型离子交换膜阳极上富集的钾离子进行光谱检测，基于光谱检测得到的第一特征光谱强度信息，获取土壤样本中有效态钾的含量，以及

对干燥处理后的双极型离子交换膜阴极上富集的硝酸根离子和磷酸根离子进行光谱检测，基于光谱检测得到的两个第二特征光谱强度信息，获取土壤样本中有效态氮和有效态磷的含量。

具体的，本发明实施例所示的检测方法，通过将预设份量的土壤样本与纯净水按比例混合，可配置得到土壤溶液，通过将制备的双极型离子交换膜与土壤溶液混合，可使得双极型离子交换膜与土壤溶液中的硝酸根离子、钾离子以及磷酸根离子发生交换反应，在经过预设时间后，可达到对土壤样本中有效态氮、有效态钾以及有效态磷提取的目的，从而在对交换反应后的双极型离子交换膜依次进行纯净水清洗和干燥处理后，制备得到双极型离子交换膜样本，进而可对双极型离子交换膜样本上富集的有效态氮、有效态钾以及有效态磷进行光谱检测，基于获取的特征光谱强度信息与土壤中有效态氮、有效态钾以及有效态磷含量的相关关系，可较为便捷地获取土壤样本中有效态氮、有效态钾以及有效态磷的含量。

由上可知，本发明实施例所示的检测方法操作便捷，在进行土壤样本中有效态氮、有效态钾以及有效态磷提取后，即可在现场通过光谱检测的方式，准确且快速地获取土壤样本中有效态氮、有效态钾以及有效态磷的含量，整个测试操作过程集成度高，对测试流程和技术人员的专业性均没有过高的要求，并且无需化学试剂参与测试中目标物的提取，从而有效地解决了检测中存在化学试剂二次污染的隐患，可实现现场快速检测，对于大田土壤养分的及时监测及过量施肥可能导致的土壤面源污染快速响应均具有重要意义。

在此应指出的是，由于本发明实施例是基于双极型离子交换膜对土壤样本中有效态氮、有效态钾以及有效态磷提取后，再进行光谱检测，以获取土壤样本中有效态氮、有效态钾以及有效态磷的含量，本实施例所示的光谱检测不仅可采用如下实施例所示的拉曼光谱检测，而且还可采用本领域所公知的红外光谱检测，可确保采用红外光谱检测获取检测数据的准确性，并简化数据处理过程。

在现有的专利文件中，无论是公布号为cn106770058a的“基于红外光谱的土壤硝态氮的快速专用装置及其使用方法”，还是专利号为us10345283b1的“一种基于ftir-atr的车载土壤硝态氮在线式检测方法”，都是在将土壤样本与atr附件相应的晶体表面紧密接触，再采用红外光谱检测，以获取土壤硝态氮的含量。在此，需要严格控制土壤样本的土、水混合比，以使得土壤样本呈现为泥浆状态，否则，土壤样本难以与atr附件相应的晶体进行充分良好地接触，同时，无论是泥浆态的土壤样本，还是原始土壤样本，在土壤中均含有可溶性或不可溶性的碳酸盐，尤其是对于不可溶的碳酸盐而言，其红外谱峰对硝酸盐的红外特征谱峰存在交叉覆盖干扰，严重时会把硝酸盐的特征峰全部覆盖。相反，本发明实施例所示的方案在通过双极型离子交换膜提取有效态氮、有效态钾以及有效态磷的基础上再进行红外光谱检测，可较好地规避该问题。

优选地，本发明实施例所示的s100中，在获取土壤样本时，采用的具体操作包括：在预设位置的预设深度挖取原位土壤，可采用人工筛选或筛网筛选的方式剔除原位土壤中的大颗粒物与杂草，可采取晾晒或自然空气对流的方式对原位土壤进行干燥处理，以防止原位土壤中的含水量对土、水混合的比例造成误差，将干燥处理后的原位土壤作为土壤样本。其中，本发明实施例所示的大颗粒物是指在粒度上明显大于原位土壤中大多数土壤粉末粒度的颗粒物，这种大颗粒物可以为原位土壤中常见的石块、土壤聚合物、土壤与石块的聚合物等。

优选地，本实施例所示的将预设份量的土壤样本与纯净水按比例混合，可以理解为，将土壤样本与纯净水按照一定的质量比进行混合，例如：可采用电子秤称取5g的土壤样本，按照1:5的比例，将5g的土壤样本与25ml的纯净水相混合，以配置得到土壤溶液。

另外，本发明实施例所示的双极型离子交换膜的交换基团包括oh^-、cl^-、na⁺或h⁺。如此，在双极型离子交换膜与土壤溶液相混合时，可通过双极型离子交换膜上的oh^-或cl^-与土壤溶液中no3^-发生交换，实现no3^-从土壤中到双极型离子交换膜的阴极表面的转移和富集。

可通过双极型离子交换膜上的na⁺或h⁺与土壤溶液中k⁺发生交换，实现k⁺从土壤中到双极型离子交换膜的阳极表面的转移和富集。

在此应指出的是，在实际应用中，不同厂家的双极型离子交换膜可能具有不同的交换容量，即单位质量的双极型离子交换膜可交换的离子容量，一般用交换当量meq/g表示。例如，可交换的离子总量可由交换容量/阴离子价态来表征，如:在双极型离子交换膜的交换容量为2meq/g时，则表明每1g双极型离子交换膜可交换的1价阴离子(no3^-)的总量为2mol，可交换的2价阴离子(so4^2-)的总量相应地为1mol。因而，双极型离子交换膜的用量需要结合其离子交换容量进行调整，以适应不同的土壤样本，并根据不同的双极型离子交换膜而建立对应的模型。

优选地，本发明实施例所示的s200中，将制备的双极型离子交换膜与土壤溶液混合，进一步包括：将双极型离子交换膜置于土壤溶液中，采用振荡器或搅拌器辅助双极型离子交换膜与土壤溶液的充分接触混合，如此可确保在短时间内双极型离子交换膜表面的各个区域均土壤溶液相接触，以进行膜交换反应，可有效提高膜交换的效率，从而大大缩减了整体测试工序的时间。

优选地，本发明实施例中s300中对双极型离子交换膜阴极上富集的硝酸根离子和磷酸根离子进行光谱检测的方法相同。以下以硝酸根离子进行光谱检测为例进行说明。

对干燥处理后的双极型离子交换膜阴极上富集的有效态氮进行光谱检测，包括：将预设波长的连续激光入射至双极型离子交换膜阴极的表面，获取经过双极型离子交换膜上有效态氮散射的散射光；

通过raman光谱检测模块对散射光进行光谱检测，获取散射光在不同光谱位移处的raman光谱强度；

对不同光谱位移处的raman光谱强度进行预处理，获取有效态氮在raman光谱特征位置的光谱强度。

具体的，对双极型离子交换膜入射的激光为连续激发激光，该连续激发激光所选取的预设波长可以为532nm、633nm、785nm，且该预设波长具体根据实际所采用的土壤样本进行适应性选择。

与此同时，对不同光谱位移处的raman光谱强度进行预处理，包括：采用处理模块进行多次采样平均、去噪、平滑等光谱预处理，以获得no3^-基团在位移1040cm^-1处的raman光谱强度。

如图2所示，在raman光谱强度(也称之为拉曼光谱强度)分布图中，横坐标所示的位移为1040cm^-1处的位置表征为硝态氮在raman光谱的特征位置，图2所示的横坐标为波数，表征raman光谱的位移，单位为cm^-1，纵坐标归一化raman光谱强度。

如图2所示，横坐标所示的位移为1340cm^-1处的位置表征为有效态磷在raman光谱的特征位置，图2所示的横坐标为波数，表征raman光谱的位移，单位为cm^-1，纵坐标归一化raman光谱强度。

对干燥处理后的双极型离子交换膜阳极上富集的有效态钾进行光谱检测，包括：将预设波长的脉冲激光入射至双极型离子交换膜的表面，获取经过双极型离子交换膜上有效态钾发射的原子发射光；

通过光纤光谱仪对原子发射光进行光谱检测，获取原子发射光在不同波长处的光谱强度；

对不同波长处的光谱强度进行预处理，获取有效态钾在光谱特征位置的光谱强度。

具体的，对双极型离子交换膜入射的激光为脉冲激光，该脉冲激光所选取的预设波长可以为532nm、1064nm，且该预设波长具体根据实际所采用的土壤样本进行适应性选择。

与此同时，对不同光谱位移处的光谱强度进行预处理，包括：采用处理模块进行多次采样平均、去噪、平滑等光谱预处理，以获得k⁺基团在位移766.9cm^-1处的光谱强度。

如图3所示，横坐标所示的位移为766.9cm^-1处的位置表征为有效态钾在原子发射光谱的特征位置，图2所示的横坐标为波数，表征原子发射光谱的位移，单位为cm^-1，纵坐标为光谱强度。

需要说明的是，对于双极型离子交换膜阴极上富集的有效态磷进行光谱检测的方法可以和双极型离子交换膜阳极上富集的有效态钾进行光谱检测的方法相同。

由此，在通过光谱强度获取土壤样本中有效态氮、有效态磷以及有效态钾的含量时，以下以有效态氮为例进行说明。

具体地，可预先建立定标模型，该定标模型是预先基于与土壤样本相应的标准土壤样本而建立的定标曲线，定标曲线表征标准土壤样本的有效态氮含量与有效态氮在raman光谱特征位置的光谱强度的相关关系，从而在获取有效态氮在raman光谱特征位置的光谱强度后，可将该特征光谱强度信息与预先建立的定标模型相结合，以获取土壤样本中有效态氮的含量。

在此应指出的是，在实际检测中，针对不同有效态氮、有效态磷以及有效态钾含量的土壤样本，可以通过调整土壤样本用量和膜用量，来适应不同的量程范围，以避免实际未知土壤样本有效态氮、有效态磷以及有效态钾含量超出相应的定量检测范围。

如图4、图5和图6所示，本发明实施例还提供一种如上所述的土壤有效态氮磷钾含量检测方法的土壤有效态氮磷钾含量检测装置，该土壤有效态氮磷钾含量检测装置，包括：土壤样品混合组件、双极型离子交换膜61、集成光谱检测模块以及处理模块；

土壤样品混合组件用于盛装由土壤样品配置而成的土壤溶液；

在双极型离子交换膜61位于土壤样品混合组件内部的情况下，双极型离子交换膜61用于与土壤溶液中的钾离子、硝酸根离子和磷酸根离子进行离子交换；

集成光谱检测模块对双极型离子交换膜61阳极上富集的钾离子进行激光激发，以输出原子发射光，对原子发射光进行光谱检测，获取原子发射光在不同波长处的光谱强度，得到第一特征光谱强度信息，以及

对双极型离子交换膜61阴极上富集的硝酸根离子和磷酸根离子进行激光激发，以输出散射光，对散射光进行光谱检测，获取硝酸根离子和磷酸根离子在不同光谱位移处的光谱强度，得到两个第二特征光谱强度信息；

处理模块用于基于第一特征光谱强度信息计算土壤样本中有效态钾的含量，以及

基于两个第二特征光谱强度信息计算土壤样本中有效态氮和有效态磷的含量。

下面结合其中一个具体实施例，对本发明实施例所示的检测装置的操作流程进行如下说明：

取样，在田间的预定位置和预定深度，挖取一定量的原位土壤，通过8目的筛网筛除原位土壤中的大颗粒和杂草等杂质，对原位土壤进行干燥处理，以获取土壤样本，并使用小型电子秤称取5g的土壤样本；

混合，根据土壤样本的用量，按照1∶5比例，计量25ml纯净水，在土壤样品混合组件内配置得到所需的土壤溶液，并将双极型离子交换膜61加入至土壤样品混合组件内，使其与土壤溶液充分接触混合，以便双极型离子交换膜61与土壤溶液中的有效态氮、有效态磷以及有效态钾进行离子交换，使得土壤溶液中的硝酸根离子、磷酸根离子以及钾离子在双极型离子交换膜61表面的转移和富集；

清洗、干燥，使用纯净水将双极型离子交换膜61的表面附着的土壤泥浆冲洗干净，然后，自然干燥2-5分钟；

检测，对干燥处理后的双极型离子交换膜61阴极上富集的有效态氮进行连续激光激发，以输出散射光，然后，对散射光进行光谱检测，获取硝酸根离子和磷酸根离子在不同光谱位移处的raman光谱强度，对不同光谱位移处的raman光谱强度进行预处理，分别获取有效态氮和有效态磷在raman光谱特征位置的光谱强度，结合通过标准土壤样本而预先建立的定标模型，分别计算获取实际的土壤样本中效态氮和有效态磷的含量，以及

对干燥处理后的双极型离子交换膜61阳极上富集的有效态钾进行脉冲激光激发，以输出原子发射光，然后，对原子发射光进行光谱检测，获取原子发射光在不同波长处的光谱强度，对不同波长的光谱强度进行预处理，获取有效态钾在光谱特征位置的光谱强度，结合通过标准土壤样本而预先建立的定标模型，计算获取实际的土壤样本中效态钾的含量。

优选地，如图5所示，本实施例中土壤样品混合组件包括容器14，容器14配置有搅拌装置15和/或振荡器，其中，搅拌装置15的搅拌端伸入至容器14内，可将容器14放置于振荡器上。如此，基于搅拌装置15的搅拌作用或振荡器的振荡作用，可加速双极型离子交换膜61与土壤溶液的充分接触混合的过程。在此，本发明实施例所示的容器14可以为本领域所公知的离心管、烧瓶或定制容器等。

与此同时，如图6所示，本实施例所示的双极型离子交换膜61配置有膜固定架62，膜固定架62包括第一压片与第二压片，第一压片与第二压片上开设有相对应的窗口，双极型离子交换膜61夹装于第一压片与第二压片之间，从而双极型离子交换膜61两侧的表面从窗口显露出来，可通过控制窗口的面积大小，调节进行离子交换的双极型离子交换膜61的面积，从而控制双极型离子交换膜61的交换容量，进而控制有效态氮、有效态磷以及有效态钾含量的量程。

进一步的，如图4所示，本实施例可在容器14内设置与膜固定架62相匹配的卡槽或者导轨。例如，在使用时，可直接将夹装有双极型离子交换膜61的膜固定架62直接便捷地安装在导轨上，以在进行双极型离子交换膜61与土壤溶液的接触混合时，防止搅拌装置15的搅拌过程或振荡器产生的振动对双极型离子交换膜61带来直接的损伤，同时，在混合操作的过程中，还可避免操作人员的手与双极型离子交换膜61接触而引入其他离子干扰。

如图4所示，本发明实施例的集成光谱检测模块，包括：脉冲激光器1、连续激光器2、两个准直透镜3、两个三棱镜4、样本台5、双极型离子交换膜样本6、光纤9、陷波器10、反射镜11、光栅光谱仪12以及光纤光谱仪13。

在对有效态钾进行检测的时候，脉冲激光器1发射特定波长和能量的脉冲激光依次经过第一个准直透镜3和第一个三棱镜4聚焦到双极型离子交换膜样本6的阳极表面对目标物进行烧蚀产生k元素的原子发射光谱，原子发射光8经过聚焦透镜耦合至光纤9中最终进入光纤光谱仪13，光纤光谱仪13对k元素产生的766.9nm特征光谱进行提取和处理，并可通过上述实施例所示的处理模块，计算获取土壤样本中有效态钾的含量。

对有效态氮和有效态磷的检测方法相同，且同时进行，以下以对有效态氮进行检测进行说明。

连续激光器2发射特定波长和功率的连续激光经过第二个准直透镜3和第二个三棱镜4聚焦到双极型离子交换膜样本6的阴极表面对目标物进行烧蚀产生no3^-的散射光谱，散射光7依次经过反射镜11和陷波器10将激光器发出的激发光滤除，再依次经过另一个反射镜11和聚焦透镜进入光栅光谱仪12，光栅光谱仪12光谱仪对no3^-(1040cm^-1)产生的特征光谱位移进行提取和处理，并可通过上述实施例所示的处理模块，计算获取土壤样本中有效态氮的含量。

综上所示，本发明实施例所示的方案相对于现有技术的优势主要体现在：(1)双极型离子交换膜实现三种营养元素(氮、磷、钾)同步提取；(2)原子发射与散射光谱结合实现三种主要营养元素同步快速检测；(3)利用目标物基体转移，有效规避土壤样本直接检测中土壤基体理化性质对检测的干扰，显著提升模型的适用性和检测能力。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。