土壤含水率对近红外光谱检测土壤氮含量的影响研究

材料与方法

1.1 土样制备

实验以有效态成分分析标准物质GBW07412a（辽宁棕壤）为基础土样，取110g此标准土样，将其按质量均等分为22份，通过计算称量给每份土样添加不同质量的尿素（CO（NH2）2）粉末，同时加入去离子水使其达到饱和，待充分混合后静置12小时再完全烘干，配制成土壤氮含量分别为0.08%、0.10%、…、0.50%的22份土壤样品。将每份配制好的土壤样品适度研磨，分别用刻度喷雾式喷壶对土壤进行喷水作业使其质量含水率分别达到0%、5%、10%、15%、20%、25%从而得到每种含氮量各6种不同含水率的土壤，共132个待测土样。

1.2 近红外光谱预处理方法

1.2.1 基线校正法

不管是用透射法测得的红外光谱，还是用红外附件测得的光谱，其吸光度的基线不可能处在0基线上，或透射率光谱的基线不可能处在100%基线上。同时由于仪器、样品背景、噪声等其它因素影响，近红外光谱分析中经常出现谱图的偏移或漂移现象，如不加以处理，同样会影响校正模型建立的质量和未知样品预测结果的准确性[5-7]。基线校正的运用，可有效地消除上述影响。其中，解决基线的偏移可采用一阶微分，解决基线的漂移可采用二阶微分。本实验采用一阶微分进行数据处理。

1.2.2 归一化处理法

光谱的归一化处理是将光谱的纵坐标进行归一化，是解决测量光程变化比较理想的方法之一，主要用于消除光程变化或样品浓度等变化对光谱产生的影响。常用光谱归一化方法主要有：矢量归一化、最大/最小归一化、回零校正。

2 结果与分析

2.1 不同含水率土壤样品的光谱特征

实验采用美国Perkin Elmer公司的Frontier近红外光谱仪，利用积分球附件采集土壤漫反射光谱数据。仪器扫描范围设为10000-4000cm-1，分辨率为4cm-1。

土壤氮含量为0.08%时，不同含水率的样品采集的光谱数据曲线自下向上分别表示含水率为0%、5%、10%、15%、20%、25%的土样测得的光谱数据。从中可以看出，相同氮含量，不同含水率的土壤吸光度存在明显差异，吸光度随土壤含水率的增加而增加。

2.2 土壤氮含量预测模型的建立

为研究不同含水率土壤光谱特征与土壤氮含量预测的相关性，以同一含水率、不同氮含量土样为样品建立预测模型，并比较预测精度。在PLS分析中，主因子数（Factor）的选取直接关系到模型预测能力的好坏，文章采用归一化、基线校正处理后的全波段光谱数据建模，用最小交叉验证均方根误差RMSECV确定最佳主因子数。实验中将132份土壤样品，按含水率不同分为6组，每组都具有氮含量各不相同的22个待测样品，其中任选14个样品为校正集，8个样品为验证集，进行建模分析。实验结果如表1所示，其中RMSEP为预测均方根误差，R2为决定系数，RMSEP越小，R2越大表明模型的预测精度越高。

通过表1可以看出，相同系列氮含量的土壤样品，在含水率不同条件下的建模结果有明显差异。总体上，土壤含水率低的R2较大，RMSEP较小，显示含水率越低，预测模型优度越好。

3 实验结果分析

根据6种不同含水率土样的建模结果，得到不同水分含量下土壤氮含量预测值和实际值的相关性曲线。

随着土壤含水率的上升，土壤氮含量的预测值和真实值之间的相关性明显成减弱趋势，含水率在5%以下其预测结果误差较小，当含水率大于5%时其预测误差明显增大。

4 结论

文章利用PLS法分别建立不同含水率土壤氮含量检测的预测模型，实验结果显示：在不同含水率下所建立的土壤氮含量预测模型有明显差异，呈现随含水率增大而预测误差变大的趋势；通过含氮量预测值与实际值相关性的比较，可以看出含水率低于5%的土壤预测能力明显优于含水率高于5%的土样，证明了土壤含水率不同对于建模预测有显著影响，为后期研究消除水分影响的校正方法提供了依据。

参考文献

[1]于飞建，闵顺耕，巨小棠，等.近红外光谱法分析土壤中的有机质和氮素[J].分析实验室，2002，21（3）：49-51.

[2]宋海燕，程旭.水分对土壤近红外光谱检测影响的二维相关光谱解析[J].光谱学与光谱分析，2014（5）：1240-1243.

[3]安晓飞，李民赞，郑立华，等.土壤水分对近红外光谱实时检测土壤全氮的影响研究[J].光谱学和光谱分析，2013（3）：667-681.

[4]Baumgardner M F， Silva， I F， et al. Advances in Agronomy， 1985，38：1.

[5]鲍一丹，何勇，方慧，等.土壤的光谱特征及氮含量的预测研究[J].光谱学与光谱分析，2007，27（1）：62-65.

[6]隋世江，叶鑫，隽英华.近红外光谱技术在土壤成分检测中的研究进展[J].农业科技与装备，2012（1）：14-19.

[7]郑咏梅，张铁强，张军，等.平滑、导数、基线校正对近红外光谱PLS定量分析的影响研究[J].光谱学与光谱分析，2004，24（12）：1546-

1548.

作者简介：朱琦（1991-），男，山西大同人，本科在读，主要从事光谱检测技术与应用研究。

*通讯作者：董桂梅（1978-），女，天津人，讲师，博士，主要从事光谱检测技术与应用研究。

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