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氮磷钾营养元素不仅是土壤重要组成成分,而且为作物生长提供必需的养分。而土壤中所含的氮磷钾营养元素含量并不能满足作物生长需求,施用含氮、磷、钾元素的化肥可以提高作物的产量和改善土壤的肥力。但是,不合理的施肥时间和方式不仅严重影响肥料的利用效率,还引起营养元素过量堆积,造成土壤流失,土壤结构恶化,抑制作物生长,降低农产品产量等问题。而秸秆还田技术作为一种独特的耕作方式,可以改善土壤结构,提高作物对营养物质的吸收率,增加土壤有机质含量,避免连作障碍等,不仅降低作物种植成本,同时也降低环境污染的概率。现代精准农业的发展,更需要根据土壤肥力水平、作物所含营养元素含量进行精确施肥,快速原位实时检测土壤及作物不同生理部位(叶、穗、茎等)营养元素含量成为精确施肥最重要措施之一。与传统检测营养元素含量方法相比,激光诱导击穿光谱分析技术(Laser induced breakdown spectroscopy,LIBS)具有检测快速、多元素同时在线检测、样品制作简单等优点,因此非常适用于农业生产中营养元素含量及成分的快速实时检测。LIBS是将激光作用于被检测样品,与样品所含物质发生物理化学反应,产生等离子体,通过捕获等离子体形成及衰退过程释放出的光谱能量,实现对样品所含元素成分及含量快速分析技术。本研究采用LIBS技术针对土壤钾元素含量及不同耕作施肥方式种植水稻的叶、穗及茎样品中营养元素(氮、钾)进行检测分析。在实验过程中,受到土壤及水稻样品结构复杂对等离子体形成的抑制,基体效应的出现,及氮钾元素发射谱线强度重现率低等因素的影响,造成实验结果准确度降低。为了较好实现该技术在农业检测中的应用,首先对LIBS实验参数进行优化,使获得光谱信号信噪比高、相对标准差较小、重复性尽可能高,以减少实验结果误差。实验研究表明,LIBS具有快速检测土壤钾元素含量的能力,能够根据氮钾元素发射谱线强度评价不同施肥和耕作方式对水稻生长和产量的影响。本论文研究内容如下:(1)采用激光诱导击穿光谱分析技术与火焰光度法对5种不同施肥方式农田土壤钾元素进行定量分析。5种不同施肥方式土壤所含钾元素含量在9 μg·g-1～35 μg·-1内,利用火焰光度法测量钾元素含量相对标准偏差分别为0.075%、0.081%、0.096%、0.134%和0.47%。通过对KI 766.49nm、KI 769.90nm发射光谱进行洛伦兹拟合,并计算比较两者信噪比,KI 766.49nm高于KI 769.90nm。因此,选取土壤中KI 766.49nm作为定量分析的特征元素。对光谱数据进行离差标准化和统计权重矩阵预处理,并与土壤钾元素浓度建立定标曲线,与原始光谱数据相比,5种定标曲线线性相关性提高10～20%,分别为0.913、0.917、0.88、0.914和0.866。实验结果表明,该技术为土壤中钾营养元素含量实时检测提供了理论基础。(2)对5种耕作施肥方式种植的幼穗分化期水稻叶、穗、茎三个部位进行LIBS实验,并以670.88,742.36,744.23,746.83,824.24,856.77,862.92,868.03nm 的氮(N)元素谱线和 766.49,769.90nm的钾(K)元素谱线作为水稻的特征元素发射谱线。通过对光谱数据进行均值及距离标准化方法处理,减小了最大观测值与最小观测值之间的距离,降低了异常点出现率。为了减少光谱信息重复性较差、基体效应及实验环境等因素引起的误差,排除冗余光谱信息,采用主成分分析(PCA)方法对预处理后的光谱数据进行分析,叶、穗、茎的特征元素光谱数据的前两主成分能够解释总体光谱信息程度分别为91.62%、92.37%和92.85%,并作为分析对象。利用K-means及Fisher判别式分析方法分别对施肥方式进行三分类,以及耕作施肥方式五分类,当误差椭圆置信区间为81.96%时,三分类结果优于五分类。结果表明,LIBS能够根据不同耕作与施肥方式对作物生长和产量影响的评价提供一种潜在的理论依据。