[發(fā)明專利]一種含水土壤的總氮含量紅外光譜分析方法

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• 申請日: 2021-08-27
• 公開（公告）號: CN113916822A
• 公開（公告）日: 2022-01-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 冷庚;劉哲;許文波;賈海濤;羅欣;常樂
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)長三角研究院（湖州）
• 主分類號: G01N21/3563
• 分類號: G01N21/3563;G01N21/01
• 代理公司: 成都高遠(yuǎn)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 51222
• 代理人: 張娟;鄭勇力

本發(fā)明屬于土壤總氮含量分析技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種含水土壤的總氮含量紅外光譜分析方法。本發(fā)明的方法包括如下步驟：步驟1，采集土壤樣品的近紅外光譜，得到近紅外光譜原始數(shù)據(jù)；步驟2，采用直接光譜轉(zhuǎn)換算法，將步驟1得到的近紅外光譜原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為干燥土壤的近紅外光譜數(shù)據(jù)；步驟3，根據(jù)步驟2所得干燥土壤的近紅外光譜數(shù)據(jù)預(yù)測所述土壤樣本的總氮含量結(jié)果。本發(fā)明能夠更加準(zhǔn)確地預(yù)測含水土壤中的總氮含量，能夠減少人力和資源的消耗，具有高效率和低成本的優(yōu)勢，因而本發(fā)明的方法在農(nóng)業(yè)、環(huán)保和生物研究等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于土壤總氮含量分析技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種含水土壤的總氮 含量紅外光譜分析方法。

背景技術(shù)

土壤中營養(yǎng)元素的含量不僅影響植被和農(nóng)作物的生長，同時(shí)還會影響區(qū) 域生態(tài)質(zhì)量以及動植物種群的分布。因此，對土壤中營養(yǎng)元素的測定已成為 現(xiàn)代環(huán)境科學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)以及生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域的迫切需求。

氮是許多生物進(jìn)行生化反應(yīng)所需要的基本元素，是構(gòu)成DNA、RNA等 生物分子的四種基本元素之一，同時(shí)其也是蛋白質(zhì)的組成元素之一。氮元素 還在植物的光合作用中起作用，它在相關(guān)化學(xué)反應(yīng)中用來制造葉綠素分子。 土壤氮(總氮)可以促進(jìn)農(nóng)作物葉、根和莖的生長發(fā)育，因此總氮能夠影響 農(nóng)作物生長的品質(zhì)。因此，土壤的總氮含量的測定對農(nóng)作物生長、相關(guān)科學(xué) 研究和環(huán)境監(jiān)控等是非常重要的。

目前，普遍用于土壤中總氮分析的國家標(biāo)準(zhǔn)方法(HJ 717-2014)為一種 基于實(shí)驗(yàn)室分析的化學(xué)方法，該方法雖然能夠準(zhǔn)確分析土壤中的總氮含量， 但是卻存在分析速度慢、操作復(fù)雜、分析成本高、容易造成二次污染，并且 很難應(yīng)用于野外現(xiàn)場分析。

因此，人們開始開發(fā)其他的土壤總氮分析技術(shù)。近紅外光譜法是一種基 于光譜技術(shù)的物理分析法，具有分析速度快、低成本、無試劑消耗、以及能 實(shí)現(xiàn)多組分同時(shí)測定，并且儀器小巧輕便，可適用于野外分析等優(yōu)點(diǎn)受到人 們的廣泛關(guān)注。中國發(fā)明專利申請“CN108982406A一種基于算法融合的土 壤氮素近紅外光譜特征波段選取方法”公開了一種利用近紅外光譜數(shù)據(jù)分析 土壤總氮含量的方法，該方法中利用向后區(qū)間偏最小二乘法BIPLS與競爭自 適應(yīng)權(quán)重采樣法CARS融合的方式，分別選擇出土壤的近紅外光譜特征區(qū)間與特征變量，對兩種算法的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化融合后確定該土壤的近紅外光譜特 征區(qū)間；再次用PLS算法建立特征波段光譜與土壤氮素含量之間的預(yù)測模型。

然而，土壤中通常含有水分，且隨著時(shí)間、地域等因素的不同，土壤的 含水量變化也較大。根據(jù)本領(lǐng)域的相關(guān)研究結(jié)果可知，水在土壤樣本中的存 在可能對其紅外光譜產(chǎn)生如下影響：(1)土壤水分可通過影響土壤化學(xué)性質(zhì)， 從而能改變近紅外光譜數(shù)值；(2)水分含量的上升會導(dǎo)致土壤的反射率降低， 從而使得采集到的紅外光譜數(shù)據(jù)的強(qiáng)度發(fā)生變化。然而，現(xiàn)有的土壤含氮量 預(yù)測模型并沒有考慮含水量對紅外光譜的影響。因此，利用現(xiàn)有的預(yù)測模型 預(yù)測土壤的含氮量時(shí)，對于含水量偏離建模樣本較大的土壤樣品，其預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性必然受到不利的影響。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種含水土壤的總氮含量紅外光譜分 析方法，目的在于對含水土壤的總氮含量進(jìn)行準(zhǔn)確的分析。

一種含水土壤的總氮含量紅外光譜分析方法，包括如下步驟：

步驟1，采集土壤樣品的近紅外光譜，得到近紅外光譜原始數(shù)據(jù)；

步驟2，采用直接光譜轉(zhuǎn)換算法，將步驟1得到的近紅外光譜原始數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換為干燥土壤的近紅外光譜數(shù)據(jù)；

步驟3，根據(jù)步驟2所得干燥土壤的近紅外光譜數(shù)據(jù)預(yù)測所述土壤樣本 的總氮含量結(jié)果。

優(yōu)選的，所述土壤樣品的含水率為5％-35％，和/或，所述土壤樣品采集 自成都平原。

優(yōu)選的，步驟2中，所述直接光譜轉(zhuǎn)換算法中，所述近紅外光譜原始數(shù) 據(jù)與所述干燥土壤的近紅外光譜數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：