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土壤的光譜特征及其有機(jī)質(zhì)含量預(yù)測(cè)

土壤的光譜特征及其有機(jī)質(zhì)含量預(yù)測(cè)

　　利用5 種不同類(lèi)型土壤樣本的光譜特征曲線(xiàn)和有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)，分析680～2 500 nm 范圍內(nèi)而成的光譜指數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)含量的關(guān)系，構(gòu)建適合于這5 種不同類(lèi)型土壤有機(jī)質(zhì)含量的定量模型。以期為土壤有機(jī)質(zhì)含量的快速監(jiān)測(cè)提供技術(shù)依據(jù).

　　1 材料與方法

　　1.1 土樣采集與處理

　　5種不同的土壤，每種土壤取10個(gè)樣本。所有樣品為基于梅花法5 點(diǎn)采集的混合樣本，經(jīng)自然風(fēng)干后，用木棒壓磨后粗略去除砂礫及植物殘?bào)w，然后過(guò)20 目篩子混合均勻，供光譜測(cè)試和化學(xué)分析用。

　　1.2 土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定

　　采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法分析有機(jī)質(zhì)含量。不同采樣地點(diǎn)獲取的土壤樣品的有機(jī)質(zhì)含量特征，不同地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量差異較大。從整體樣本來(lái)看，有機(jī)質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為10.60，表明整體樣本覆蓋的土壤類(lèi)型較廣泛、有機(jī)質(zhì)變異較大，有利于分析建模。

　　1.3 光譜測(cè)量

　　運(yùn)用近紅外光譜儀測(cè)量土壤樣品的反射光譜數(shù)據(jù)，其波長(zhǎng)范圍為680～2 500 nm，采樣間隔為1 nm。光源為儀器配套的功率為5W 的鹵素?zé)簟２僮鳝h(huán)境為實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采樣方式為樣品杯頂窗旋轉(zhuǎn)漫反射采樣。把適量經(jīng)過(guò)篩處理的土壤樣品倒入樣品杯中，樣品杯蓋自然壓實(shí)，使其底面盡量平整，厚度在樣品杯的1/3-1/2之間(約2cm)。每次掃描為24張光譜的平均光譜，共掃描3次。共得150張樣品光譜。

　　1.4 土壤光譜的預(yù)處理

　　為消除背景噪音的影響，變非線(xiàn)性關(guān)系為線(xiàn)性關(guān)系，常對(duì)原始反射率作倒數(shù)、平方根、對(duì)數(shù)、倒數(shù)的對(duì)數(shù)、一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)的變換。比較而言，一階導(dǎo)數(shù)可以迅速確定光譜的拐點(diǎn)及最大、最小反射率的波長(zhǎng)位置。光譜經(jīng)過(guò)低階導(dǎo)數(shù)處理以后，對(duì)噪聲影響的敏感性有所降低，因而在實(shí)際應(yīng)用中較為有效。因此，本文在建立模型前采用Savitzky-Golay 平滑(SG 平滑)[19]及Norris 平滑濾波[20]兩種方式對(duì)一階導(dǎo)數(shù)光譜進(jìn)行預(yù)處理。

　　1.5 數(shù)據(jù)分析方法

　　將150個(gè)混合樣本隨機(jī)分成兩組，一組用于建立回歸預(yù)測(cè)模型(建模樣本，共120 個(gè))，另一組用于驗(yàn)證模型的可靠性(檢驗(yàn)樣本，共30 個(gè))，為了估測(cè)和反演土壤有機(jī)質(zhì)含量，分析譜圖與土壤有機(jī)質(zhì)含量的關(guān)系，以篩選最佳的估測(cè)土壤有機(jī)質(zhì)含量的光譜參數(shù)。本文首先采用PCA方法選擇建模較好的樣本，再使用PLS計(jì)算矯正模型。

　　土壤有機(jī)質(zhì)估測(cè)模型的預(yù)測(cè)精度采用預(yù)測(cè)值和實(shí)際值的決定系數(shù)R2、均方根誤差RMSE 和相對(duì)分析誤差RPD(檢驗(yàn)樣本標(biāo)準(zhǔn)差SD與預(yù)測(cè)均方根誤差RMSE的比值)來(lái)衡量。R2 越大，RMSE 越小說(shuō)明模型的精度越高。另外，當(dāng)RPD>2 時(shí)表明模型具有極好的預(yù)測(cè)能力，當(dāng)1.4

　　2 結(jié)果與分析

　　2.1 不同類(lèi)型土壤光譜變化特征

　　從680～2 500 nm 波段范圍的光譜反射率來(lái)看，土壤光譜曲線(xiàn)除在1 400、1 900 和2 200 nm 處存在明顯的水分吸收峰，整體光譜曲線(xiàn)表現(xiàn)平緩，土壤有機(jī)質(zhì)在光譜曲線(xiàn)上無(wú)明顯譜峰。光譜的吸收不同土壤類(lèi)型具有的不同顏色所致，如砂漿黑土顏色較深，吸收多而反射率較低。

　　2.2 土壤有機(jī)質(zhì)模型的檢驗(yàn)

　　為了對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的預(yù)測(cè)能力，本文利用獨(dú)立于建模樣本外的樣品對(duì)上述模型進(jìn)行了測(cè)試和檢驗(yàn)。結(jié)果顯示，預(yù)測(cè)決定系數(shù)為0.84，均方根誤差RMSE 為3.64，RPD 為2.60。

　　3 討論

　　土壤反射光譜特性是土壤的基本特征之一，它與土壤的物理性質(zhì)有著密切的關(guān)系。不同類(lèi)型的土壤，由于理化性質(zhì)不同，其光譜特征也不同。土壤有機(jī)質(zhì)通過(guò)影響土壤理化特性和生物特性來(lái)影響土壤肥力，是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一。本文利用PLS計(jì)算方法建立預(yù)測(cè)模型，其預(yù)測(cè)精度是可以滿(mǎn)足土壤有機(jī)質(zhì)監(jiān)測(cè)的需要，本實(shí)驗(yàn)的樣品均經(jīng)過(guò)風(fēng)干、研磨等處理，當(dāng)用到田間預(yù)測(cè)時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)參數(shù)及其估算模型還需進(jìn)一步檢驗(yàn)和完善。

　　4 結(jié)論

　　本文基于5 種不同類(lèi)型土壤樣本，用PLS化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立土壤中有機(jī)質(zhì)的預(yù)測(cè)模型，通過(guò)模型外樣本進(jìn)行驗(yàn)證，得出很好的預(yù)測(cè)結(jié)果。說(shuō)明近紅外光譜技術(shù)檢測(cè)土壤中有機(jī)質(zhì)含量是可行的。