土壤成分近红外光谱检测的重点和难点

摘 要：近红外光谱技术（NIRS）是一种快速的检测分析方法，在土壤科学领域内具有广阔的应用前景。该文主要介绍了土壤成分近红外光谱检测的重点和难点，并对发展动向进行了展望。

关键词：近红外光谱技术 土壤成分 检测 发展动向

中图分类号：O657 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（b）-0-01

在农业中，土壤成分的含量直接影响农作物的生长和丰收。但是，由于土壤污染、农药化肥违规使用，其中营养元素（如氮、磷、钾等）的流失或过剩已成为当前农业生产中不可忽视的问题。对土壤成分的检测，便于农民了解土地的肥力，进行科学施肥，适当增加或减少微量元素与有机肥用量，提高农产品的质量和单位面积产量，改善土壤肥力，提高农业资源的利用率和现代农业精准作业水平具有重要意义。

传统的土壤成分含量的检测主要在化学实验室进行。这种方法不仅费时费力，需要专门的工作人员进行化验，而且检测速度慢、实时性差，无法适应现代农业精准施肥快速检测化的要求。而近红外光光谱技术是一种无损、高效、快速、准确的检测技术，已经成功在多个领域获得应用，包括农业、食品、医药、烟草等行业。在近红外光谱区域，一般有机物的吸收主要是由含某些官能团如C-H、O-H、N-H等的伸缩、振动、弯曲等一起的倍频和合频吸收谱带的吸收。通过样品的光谱吸收特性和样品的组成结构之间的关系，测得有机物的组成成分。

1 土壤成分NIRS检测的重点

1.1 建立样品库

采集一定量具有代表性的土壤样品，风干、磨碎，制成需要分析检测的样品。首先采用常规化学分析方法测定样品的有机质、氮、磷、钾等含量，为预测提供标准数据；然后根据化学检验结果，尽可能获取大量可靠数据，丰富和补充建模样品库中的数量，建立土壤成分NIRS预测的建模样品库。

1.2 建立NIRS数据库

在同一实验条件下测定土壤成分样品库中样品的近红外光谱，建立土壤成分含量预测的近红外光谱库。不同的近红外光谱检测仪器的精度不同，其光谱也有所差别。

1.3 建立数学模型

近红外光谱分析技术是一种间接的分析技术，要想实现对未知样品的定性或定量分析，首先要对样品通过标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，利用聚类分析的方法得到光谱的类型，在模型建立过程中，通过主成分和光谱类型之间的关系，建立起光谱数据与化学值的相关关系，利用多元回归的方法，建立基于近红外光谱的有机质测量模型。

1.4 光谱预处理技术

为了建立稳定定标模型，得到可靠、准确的特征波长，去除掉有各种干扰噪声。如散射干扰、仪器噪声等、其他组分吸收对待测组分吸收造成的干扰等，这些干扰噪声的存在必然会影响光谱数据的分析及定标模型的分析精度和稳定性，以便降噪、减少各种干扰。因此，对采集的土壤样品进行多元散射校正有利于光谱预处理和定标模型的建立。

2 土壤成分NIRS检测的难点

2.1 样品库的准确性

在近红外光谱分析中，由于光谱数据中的异常光谱严重影响定标模型的质量。因此还需要剔除异常样品，保证定标模型的稳定性。样品的基体（如含水量）的影响，虽然经过处理后，基体情况基本一致，但不能排除个别样品基体不同的情况；样品颗粒大小及均匀度对光的漫反射强度的影响；由于装样时样品量的多少，装样的厚度，样品表面的平整性及密实程度都对入射光在样品表面有一定的影响，进而影响所测得的光谱。

2.2 温度的影响

温度的稳定性是保证测量系统分析精度及重复性的重要环节。因此要采用信噪比与温度成反比的探测器，并对其进行致冷控温。近红外分析法对仪器和样品的温度十分敏感，温度变化在10～20 ℃就可以使得吸光度发生变化，而且温度影响不呈规律性。所以分析测试前要求室温相对稳定，仪器要预热一段时间，样品也须置于仪器同一环境下放置一段时间，以达到与室温、仪器相接近的温度。

2.3 仪器的分辨率

近红外光谱仪的工作状态和扫描时各种参数的设置，特别是仪器的分辨率会严重影响近红外光谱的质量，对测量过程和分析结果产生很大影响。分辨率越高，近红外光谱就越粗糙，光谱所含噪声越多，吸光度也越大。

要减少预测引起的误差，除了要避免以上几种情况外，还必须保证定标样品能充分代表所分析对象的总体，其收集范围应包括将来测定未知样品可能出现的待测成份含量水平和不同产地的情况，使各不同水平的定标样品数目尽可能均匀分布。

3 结语

从近年近红外光谱技术在土壤领域应用研究的进展看，它既可以分析农业及土壤方面的有机成分样品，还可以分析土壤矿质成分，预测土壤质地、土壤酸碱度等。因此近红外光谱技术作为土壤测试技术具有巨大潜力。其关键问题在于定标样品集的选择、光谱处理、定标模型的建立与所测成分标准方法关联度的好与坏。在配以判别软件和分类软件的前提下，还可以进行土壤类型的

分类。

近红外光谱技术是一种快速方便的无损检测技术，通过近红外光谱技术对土壤成分检测的研究开发具有较高的可行性。通过这项技术，能够及时了解土壤成分含量在不同地段的分布，间接了解农作物生长状况，指导农民合理使用化肥，提高土地利用率。

当前，NIRS在土壤成分检测方面的仪器设备还处于开发阶段，便携式的、可在田间应用的还不多，相应的软件还不成熟，需要解决的难点还很多，距离推广还有很多的路要走。总之，近红外光谱技术在土壤学研究、土壤测试、精准农业及数字土壤等方面具有极大的发展前景，今后应该加强这一领域的研究。

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