一种利用近红外光谱检测土壤的有机组分的方法技术

本发明专利技术提供了一种利用近红外光谱检测土壤的有机组分的方法，所述方法包括如下步骤：1)测得多个定标土壤样品的有机质化学组成；2)采集定标土壤样品的近红外波段的漫反射谱图，得到原始谱图；3)将原始谱图进行平滑预处理，得到处理后谱图；4)采用向量机法建立定标土壤样品的处理后谱图与有机质化学组成间的定量关系模型；5)采集待测土壤样品的近红外波段的漫反射谱图，根据定量关系模型计算待测土壤样品的有机质化学组成。本发明专利技术提供的方法可以利用近红外光谱快速准确检测土壤的有机质化学组成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及生态学领域，具体地涉及一种检测土壤有机质化学组成的方法。
技术介绍
土壤有机质(Soilorganicmatter，SOM)在维持土壤微生物、动植物正常生命活动，保持土壤肥力和缓冲性，调节环境气候方面具有重要意义，而研究SOM的关键在于深入了解其化学组成和结构。采用化学方法、热解质谱法、固态碳13核磁共振法等可以研究SOM结构。其中，交叉极化和自旋魔角的13C固体核磁共振光谱法(Solid-state13CNuclearMagneticResonancewithcross-polarizationandmagicanglespinning,CP-MAS13CNMR)，因其无需用化学或其他方法提取有机物质、能够较全面地提供土壤样品有机质成分信息，在SOM结构研究中发挥着越来越重要的作用。利用CP-MAS13CNMR研究SOM化学组成的基本思路为：①先用氢氟酸溶液对土壤样品进行预处理，除去其中的一些顺磁性矿物并浓缩有机质。②将氢氟酸处理好的土壤样品进行13C固体核磁共振分析。③在核磁谱图上不同的化学位移对应不同的功能基团碳，例如0-50ppm中的谱峰可归属于SOM中的烷基碳，50-110ppm中的谱峰归属于烷氧基碳，110-160ppm中的谱峰归属于芳香碳，160-200ppm中的谱峰归属于羧基碳和羰基碳。通过相位校正、基线校正等谱图处理后，对不同波段积分，再用归一化法就可得到SOM中不同碳的相对比例，从而获得SOM化学组成的信息。其中，烷基碳/烷氧碳比(A/O比)已成为公认的评价SOM稳定性和分解程度的重要指标，在生态学中有重要意义。虽然有以上提到的诸多优点，利用核磁共振分析SOM结构也存在着一些缺点：如仪器价格昂贵、样品处理耗时、测试周期长、需专人操作、测试成本高、不易大规模推广等。例如，用交叉极化和自旋魔角的13C固体核磁共振光谱法(CP-MAS13CNMR)研究土壤有机质结构就具有以下不足：1、仪器昂贵，测试成本高；2、技术要求高、不易操作；3、测试时间长(一个样品往往需要24h以上)；4、前处理耗时(处理一个样品需要经过多次氢氟酸处理、水洗，加上最后的样品冻干，往往需要数天的时间)；5、不易推广。红外光谱技术在土壤分析中的应用兴起于上世纪八十年代。目前利用近红外光谱(NIR)和中红外光谱(MIR)技术，结合化学计量学手段，已广泛用于土壤各种理化性质的分析，结果令人满意。如：总碳含量、总氮含量、全磷含量、水分含量、土壤质地、钾(K)、钙(Ga)、铁(Fe)、锰(Mn)、镁(Mg)等金属的含量、微生物碳等。NIR、MIR光谱分析方法是一种间接分析方法，需要先以参考方法对大量代表性土壤样品的理化特性进行测定，通过关联样品光谱和其理化特性构建校正模型；然后运用校正模型预测未知土壤样品的组成和性质。因此，被测的土壤样品要尽可能包括所预测土壤样品的类型和理化特性的范围，并对其每一组分的理化特性进行准确测定。近红外(NIR)光谱区域是指波长在780～2500nm范围内的电磁波，其光谱信息来源于分子内部振动的倍频与合频，并且主要反映分子中含氢基团(如C-H，N-H，O-H，S-H等)的倍频与合频振动吸收。许多有机物在该光谱区域有特征性吸收，并且不同波段的吸收强度与该物质的分子结构及浓度存在对应关系。中红外(MIR)光谱区域是波长在2500～25000nm范围内的电磁波，物质在此范围的吸收峰为基频、倍频与合频吸收。不同化合物有其特异的红外吸收光谱，其谱带的强度、位置、形状及数目均与化合物及其状态有关。MIR与NIR光谱的区别在于，近红外光谱是物质分子内部振动的倍频与合频的吸收，不同组分和官能团的谱带较易重叠且信息强度较弱，导致谱图解析相对困难，所建模型易受外界因素的影响，稳定性差；而中红外光谱是分子内部振动的基频吸收，其信息强度较强，信息提取相对容易。漫反射是一种常用的近红外采集方法，其基本原理为：当光照射到疏松的固态样品的表面时，除有一部分被样品表面立即反射出来(称为镜反射光)之外，其余的入射光在样品表面产生漫发射，或在样品微粒之间辗转反射逐渐衰减，或为穿入内层后再折回的散射。这些接触样品微粒表面后被漫反射或散射出来的光具有吸收－衰减特性，这就是漫反射产生光谱的基本原因。漫反射装置的作用就是最大强度地把这些漫射、散射出来的光能收聚起来送入检测器，使得到具有良好信噪比的光谱信号。漫反射光谱技术是近20年来迅速发展的一种检测方法，该方法操作简便、快速，能非破坏地对各种样品进行快速、精确的分析，加之分析仪器的数字化和化学计量学方法的发展，运用化学计量学方法已能很好地解决光谱信息的提取及背景干扰方面的影响，使得其在许多领域中发挥出重要作用，并取得了较好的社会和经济效益。无论是NIR还是MIR光谱，在采集到的光谱信息中，包含一些会对谱图信号产生干扰的信息，从而影响模型的建立和预测，因此需要进行光谱预处理。常用的光谱预处理方法有数据平滑、基线校正、中心化、多元散射校正、标准化、导数、傅立叶变换以及以上几种方法的联合使用等。另外，谱图压缩及信息提取可提高分析信号中的有效信息率，其主要方法有主成分分析(PCA)、小波分析、模拟退火算法(SAA)、遗传算法(GA)、移动窗口(MWPLS)等。NIR和MIR光谱分析的核心技术之一是在光谱信息和组分理化特性之间建立函数关系，即建立校正模型。光谱回归分析常用的分析方法有:多元线性回归(MLR)、主成分回归(PCR)、偏最小二乘法回归(PLSR)、人工神经网络(ANN)、支持向量机(SVM)等。MLR、PCR和PLSR多用于解决线性校正问题，ANN和SVM多用于解决非线性校正问题。由于光谱仪的状态、测量环境等因素对光谱的影响大多属于非线性，还有一些质量参数和光谱的关系也是非线性。支持向量机(SVM)作为非线性回归下的多元校正方法，能避免其他方法存在的过拟合及局部极小等问题，近年来也得到了广泛应用。支持向量机(SVM)最初由Vapnik于20世纪90年代提出，是一种由统计学习理论发展起来的一种新型的建模方法，它以结构风险最小化原理为理论基础，具有较强的学习泛化能力，较好地解决了非线性、高维数、小样本等问题，开始成为解决“过学习”等传统困难的一种较好的途径，在模式识别、信号处理等领域得到了成功的应用。支持向量机的基本原理是通过内积函数定义的非线性变换将输入空间变换到一个高维空间，在这个高维空间中寻找输入变量和输出变量之间的一种关系。目前，国内外已有一些利用红外光谱结合化学计量学研究土壤有机质的报道，但主要集中在对SO本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用近红外光谱检测土壤的有机组分的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：1)测得多个定标土壤样品的有机质化学组成；2)采集定标土壤样品的近红外波段的漫反射谱图，得到原始谱图；3)将原始谱图进行平滑预处理，得到处理后谱图；4)采用向量机法建立定标土壤样品的处理后谱图与有机质化学组成间的定量关系模型；5)采集待测土壤样品的近红外波段的漫反射谱图，根据定量关系模型计算待测土壤样品的有机质化学组成。

【技术特征摘要】
1.一种利用近红外光谱检测土壤的有机组分的方法，其特征在于，所述方法包括如下
步骤：
1)测得多个定标土壤样品的有机质化学组成；
2)采集定标土壤样品的近红外波段的漫反射谱图，得到原始谱图；
3)将原始谱图进行平滑预处理，得到处理后谱图；
4)采用向量机法建立定标土壤样品的处理后谱图与有机质化学组成间的定量关系模
型；
5)采集待测土壤样品的近红外波段的漫反射谱图，根据定量关系模型计算待测土壤样
品的有机质化学组成。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1)中，测得定标土壤样品的有机
质化学组成的方法为核磁共振光谱法。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1)中，制备定标土壤样品的具体
步骤包括：将土样除水后，磨细，过60目筛。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1)中，所述的测得多个定标土壤
样品的有机质化学组成的测定指标包括烷基碳、烷氧基碳、芳香碳和羧/基碳的含量以及A/
O比。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤3)中，将原始谱图进行平滑预处
理的具体步骤包括：大气背景抑制，吸光度转换，自动基线校正和Norris一阶导数滤波平滑
处理。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤4)中，建立定量关系模型的具体
步骤包括：用SPXY法分别将光谱信息和有机...

【专利技术属性】
技术研发人员：喻文娟，王瑞斌，康宏樟，刘星，吴节莉，代傅娜，吴玉森，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31