土壤成分近紅外光譜檢測的重點和難點

摘 要：近紅外光譜技術（NIRS）是一種快速的檢測分析方法，在土壤科學領域內具有廣闊的應用前景。該文主要介紹了土壤成分近紅外光譜檢測的重點和難點，并對發展動向進行了展望。

關鍵詞：近紅外光譜技術 土壤成分 檢測 發展動向

中圖分類號：O657 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（b）-0-01

在農業中，土壤成分的含量直接影響農作物的生長和豐收。但是，由于土壤污染、農藥化肥違規使用，其中營養元素（如氮、磷、鉀等）的流失或過剩已成為當前農業生產中不可忽視的問題。對土壤成分的檢測，便于農民了解土地的肥力，進行科學施肥，適當增加或減少微量元素與有機肥用量，提高農產品的質量和單位面積產量，改善土壤肥力，提高農業資源的利用率和現代農業精準作業水平具有重要意義。

傳統的土壤成分含量的檢測主要在化學實驗室進行。這種方法不僅費時費力，需要專門的工作人員進行化驗，而且檢測速度慢、實時性差，無法適應現代農業精準施肥快速檢測化的要求。而近紅外光光譜技術是一種無損、高效、快速、準確的檢測技術，已經成功在多個領域獲得應用，包括農業、食品、醫藥、煙草等行業。在近紅外光譜區域，一般有機物的吸收主要是由含某些官能團如C-H、O-H、N-H等的伸縮、振動、彎曲等一起的倍頻和合頻吸收譜帶的吸收。通過樣品的光譜吸收特性和樣品的組成結構之間的關系，測得有機物的組成成分。

1 土壤成分NIRS檢測的重點

1.1 建立樣品庫

采集一定量具有代表性的土壤樣品，風干、磨碎，制成需要分析檢測的樣品。首先采用常規化學分析方法測定樣品的有機質、氮、磷、鉀等含量，為預測提供標準數據；然后根據化學檢驗結果，盡可能獲取大量可靠數據，豐富和補充建模樣品庫中的數量，建立土壤成分NIRS預測的建模樣品庫。

1.2 建立NIRS數據庫

在同一實驗條件下測定土壤成分樣品庫中樣品的近紅外光譜，建立土壤成分含量預測的近紅外光譜庫。不同的近紅外光譜檢測儀器的精度不同，其光譜也有所差別。

1.3 建立數學模型

近紅外光譜分析技術是一種間接的分析技術，要想實現對未知樣品的定性或定量分析，首先要對樣品通過標定的方法建立校正模型。利用主成分分析的方法得到主要成分，利用聚類分析的方法得到光譜的類型，在模型建立過程中，通過主成分和光譜類型之間的關系，建立起光譜數據與化學值的相關關系，利用多元回歸的方法，建立基于近紅外光譜的有機質測量模型。

1.4 光譜預處理技術

為了建立穩定定標模型，得到可靠、準確的特征波長，去除掉有各種干擾噪聲。如散射干擾、儀器噪聲等、其他組分吸收對待測組分吸收造成的干擾等，這些干擾噪聲的存在必然會影響光譜數據的分析及定標模型的分析精度和穩定性，以便降噪、減少各種干擾。因此，對采集的土壤樣品進行多元散射校正有利于光譜預處理和定標模型的建立。

2 土壤成分NIRS檢測的難點

2.1 樣品庫的準確性

在近紅外光譜分析中，由于光譜數據中的異常光譜嚴重影響定標模型的質量。因此還需要剔除異常樣品，保證定標模型的穩定性。樣品的基體（如含水量）的影響，雖然經過處理后，基體情況基本一致，但不能排除個別樣品基體不同的情況；樣品顆粒大小及均勻度對光的漫反射強度的影響；由于裝樣時樣品量的多少，裝樣的厚度，樣品表面的平整性及密實程度都對入射光在樣品表面有一定的影響，進而影響所測得的光譜。

2.2 溫度的影響

溫度的穩定性是保證測量系統分析精度及重復性的重要環節。因此要采用信噪比與溫度成反比的探測器，并對其進行致冷控溫。近紅外分析法對儀器和樣品的溫度十分敏感，溫度變化在10～20 ℃就可以使得吸光度發生變化，而且溫度影響不呈規律性。所以分析測試前要求室溫相對穩定，儀器要預熱一段時間，樣品也須置于儀器同一環境下放置一段時間，以達到與室溫、儀器相接近的溫度。

2.3 儀器的分辨率

近紅外光譜儀的工作狀態和掃描時各種參數的設置，特別是儀器的分辨率會嚴重影響近紅外光譜的質量，對測量過程和分析結果產生很大影響。分辨率越高，近紅外光譜就越粗糙，光譜所含噪聲越多，吸光度也越大。

要減少預測引起的誤差，除了要避免以上幾種情況外，還必須保證定標樣品能充分代表所分析對象的總體，其收集范圍應包括將來測定未知樣品可能出現的待測成份含量水平和不同產地的情況，使各不同水平的定標樣品數目盡可能均勻分布。

3 結語

從近年近紅外光譜技術在土壤領域應用研究的進展看，它既可以分析農業及土壤方面的有機成分樣品，還可以分析土壤礦質成分，預測土壤質地、土壤酸堿度等。因此近紅外光譜技術作為土壤測試技術具有巨大潛力。其關鍵問題在于定標樣品集的選擇、光譜處理、定標模型的建立與所測成分標準方法關聯度的好與壞。在配以判別軟件和分類軟件的前提下，還可以進行土壤類型的

分類。

近紅外光譜技術是一種快速方便的無損檢測技術，通過近紅外光譜技術對土壤成分檢測的研究開發具有較高的可行性。通過這項技術，能夠及時了解土壤成分含量在不同地段的分布，間接了解農作物生長狀況，指導農民合理使用化肥，提高土地利用率。

當前，NIRS在土壤成分檢測方面的儀器設備還處于開發階段，便攜式的、可在田間應用的還不多，相應的軟件還不成熟，需要解決的難點還很多，距離推廣還有很多的路要走。總之，近紅外光譜技術在土壤學研究、土壤測試、精準農業及數字土壤等方面具有極大的發展前景，今后應該加強這一領域的研究。

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