用(yong)Arcoptix傅里葉紅(hong)外光譜儀估算土壤有機碳

可見光(guang)(guang)到近紅外(wai)（VIS-NIR）和(he)(he)中(zhong)(zhong)紅外(wai)（MIR）光(guang)(guang)譜(pu)等光(guang)(guang)譜(pu)技(ji)術被認為是(shi)確(que)定土壤有機碳（SOC）的實驗室方法(fa)的有效替(ti)代方案。需要(yao)進行研(yan)究以探索VIS-NIR和(he)(he)MIR吸(xi)光(guang)(guang)度的融(rong)合(he)對于(yu)改善(shan)SOC預測(ce)的潛力，因為每個(ge)單獨的光(guang)(guang)譜(pu)范圍可能不包含(han)足夠的信息來產(chan)生合(he)理(li)的估計精度。在這里，我們研(yan)究了兩種在輸入數(shu)據中(zhong)(zhong)不同的數(shu)據融(rong)合(he)策(ce)略(lve)，包括全光(guang)(guang)譜(pu)吸(xi)光(guang)(guang)度的直接串聯和(he)(he)通過波段組(zu)合(he)（OBC）算(suan)法(fa)串聯所選預測(ce)因子(zi)。

土壤(rang)有(you)機碳（SOC）是一個關(guan)鍵的土壤(rang)質量指標，因為它直接或間接地影響土壤(rang)的物理，化學，生(sheng)物狀態和(he)整體肥力(li)。維持和(he)改善(shan)SOC對(dui)于支持植物生(sheng)長和(he)作物產量至關(guan)重要。此外，SOC與全球碳循(xun)環(huan)密切相關(guan)，因為土壤(rang)有(you)機碳在(zai)土地 - 大(da)氣交換中(zhong)起著(zhu)核心作用。因此，在(zai)精(jing)準農業(ye)和(he)全球變(bian)暖的背景下，監測(ce)SOC至關(guan)重要。需(xu)要創新來建立新的傳(chuan)感方(fang)法，以便以高(gao)采樣(yang)分(fen)辨率以成本(ben)和(he)時間有(you)效的方(fang)式定量估計SOC。

憑借其易(yi)用性(xing)和(he)快速測量，近(jin)(jin)端(duan)土(tu)壤(rang)(rang)傳(chuan)感（PSS）越來越流行(xing)用于表征土(tu)壤(rang)(rang)特(te)性(xing).常用的(de)(de)(de)(de)PSS技術包括X射線熒光(guang)(guang)光(guang)(guang)譜(pu)，激(ji)光(guang)(guang)誘導(dao)擊穿光(guang)(guang)譜(pu)，可(ke)見光(guang)(guang)到近(jin)(jin)紅外(wai)（VIS-NIR）和(he)中(zhong)紅外(wai)（MIR）光(guang)(guang)譜(pu)。在光(guang)(guang)譜(pu)預(yu)(yu)處理和(he)多(duo)變(bian)量建模(mo)(mo)的(de)(de)(de)(de)幫(bang)助下，使用單個(ge)傳(chuan)感器成功估計了(le)各種(zhong)土(tu)壤(rang)(rang)特(te)性(xing)，例(li)如(ru)SOC。盡管使用單個(ge)傳(chuan)感器進行(xing)土(tu)壤(rang)(rang)研(yan)究的(de)(de)(de)(de)研(yan)究顯示(shi)出有希望的(de)(de)(de)(de)結果，但沒有一個(ge)單獨的(de)(de)(de)(de)傳(chuan)感器可(ke)以充(chong)分捕獲(huo)土(tu)壤(rang)(rang)的(de)(de)(de)(de)復雜性(xing)。因此(ci)(ci)，每(mei)種(zhong)技術的(de)(de)(de)(de)單個(ge)光(guang)(guang)譜(pu)范圍(wei)可(ke)能沒有足夠的(de)(de)(de)(de)信息(xi)來為特(te)定土(tu)壤(rang)(rang)性(xing)質提(ti)供合(he)(he)(he)(he)理的(de)(de)(de)(de)預(yu)(yu)測精度。提(ti)高預(yu)(yu)測元素準確性(xing)的(de)(de)(de)(de)一種(zhong)可(ke)行(xing)方(fang)法(fa)是合(he)(he)(he)(he)并和(he)整合(he)(he)(he)(he)來自多(duo)個(ge)傳(chuan)感器的(de)(de)(de)(de)數(shu)(shu)據，這稱為數(shu)(shu)據融(rong)合(he)(he)(he)(he)。VIS-NIR和(he)MIR光(guang)(guang)譜(pu)技術都顯示(shi)出確定SOC的(de)(de)(de)(de)巨大潛力(li)，VIS-NIR和(he)MIR光(guang)(guang)譜(pu)的(de)(de)(de)(de)數(shu)(shu)據融(rong)合(he)(he)(he)(he)在改善SOC估計方(fang)面(mian)的(de)(de)(de)(de)潛力(li)值得探(tan)索(suo)。已(yi)經提(ti)出并探(tan)索(suo)了(le)不(bu)同級別(bie)的(de)(de)(de)(de)數(shu)(shu)據融(rong)合(he)(he)(he)(he)方(fang)法(fa)，包括低（例(li)如(ru)，簡單串聯），中(zhong)（例(li)如(ru)，提(ti)取的(de)(de)(de)(de)特(te)征的(de)(de)(de)(de)融(rong)合(he)(he)(he)(he)）和(he)高（例(li)如(ru)，多(duo)個(ge)模(mo)(mo)型輸出的(de)(de)(de)(de)組合(he)(he)(he)(he)）水平.但是，到目前(qian)為止(zhi)，還沒有一種(zhong)“一刀(dao)切”的(de)(de)(de)(de)數(shu)(shu)據融(rong)合(he)(he)(he)(he)方(fang)法(fa)適合(he)(he)(he)(he)處理所有數(shu)(shu)據集。因此(ci)(ci)，研(yan)究其他(ta)先進的(de)(de)(de)(de)數(shu)(shu)據融(rong)合(he)(he)(he)(he)解決方(fang)案的(de)(de)(de)(de)努力(li)仍在進行(xing)中(zhong)，需要(yao)繼(ji)續。

在實驗(yan)室的(de)(de)干燥，研磨和(he)細篩土壤上進(jin)行光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)測量。 使用(yong)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)分辨率(lv)為1 nm的(de)(de)ARCoptix FT-NIR傅(fu)里葉變換可(ke)見(jian)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)-近(jin)紅外纖維光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)儀(yi)（瑞士東(dong)北納沙泰爾的(de)(de)ARCoptix公(gong)司）收集(ji)了400-2600 nm區域的(de)(de)漫反射-近(jin)紅外反射光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)。鹵素(su)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源為土壤樣(yang)品提供一致的(de)(de)照明(ming)，接(jie)觸式探頭附件(jian)以56°的(de)(de)視(shi)角(jiao)測量反射率(lv)。將每個(ge)樣(yang)品放入三個(ge)培(pei)養皿(min)中（每個(ge)培(pei)養皿(min)的(de)(de)深度為2厘(li)米，直徑為5厘(li)米）。用(yong)刮刀(dao)將培(pei)養皿(min)中的(de)(de)土壤輕輕地調平，形成光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)滑(hua)的(de)(de)土壤表面，從而保證了最大的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)信噪比。在光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)采集(ji)之前和(he)期間，儀(yi)器由*陶(tao)瓷參考面板手動校準。每個(ge)土壤樣(yang)品獲得30個(ge)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)，并將其(qi)平均成一個(ge)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)，用(yong)于(yu)進(jin)一步(bu)的(de)(de)數據(ju)分析。獲得原(yuan)始反射光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)，然后轉換為吸光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)度單位（log10（1 / R），其(qi)中R代表反射率(lv)數據(ju)）。

MIR光譜收集在4000-650 cm–1光譜范圍，光譜分辨率和采樣間隔為 4 cm–1和 2 cm–1。

在(zai)對每個樣品進行光譜掃(sao)描(miao)之前，使用鍍金(jin)參比帽來校準儀(yi)器(qi)。記錄了原始(shi)吸光度單(dan)位。

在數據融合之前，以波數（cm–1）通(tong)過(guo)nm = 10，000，000 /波數(shu)(shu)(shu)的方程(cheng)轉換(huan)為(wei)波長單位（nm）（Knox等人，2015）。為(wei)了排除每個光譜兩個邊緣的噪(zao)聲部分(fen)(fen)(fen)(fen)，首先將VIS-NIR和MIR吸光度(du)分(fen)(fen)(fen)(fen)別修剪為(wei)450-2500 nm和2600–12，600 nm。可見-近紅外(wai)和MIR吸光度(du)均經過(guo)薩維(wei)茨基-戈萊平(ping)滑(hua)處理(li)（窗口尺寸(cun)：11;多項式階數(shu)(shu)(shu)：2），然(ran)后向下采樣到10 nm的間隔，以減(jian)少數(shu)(shu)(shu)據冗余并優化建模處理(li)時間。隨后的數(shu)(shu)(shu)據分(fen)(fen)(fen)(fen)析，如CWT分(fen)(fen)(fen)(fen)解(jie)和數(shu)(shu)(shu)據融(rong)合，都是在上述預處理(li)步驟之后進(jin)行的。

每個SOC類的(de)可(ke)見光(guang)(guang)(guang)-NIR和MIR原(yuan)始吸(xi)光(guang)(guang)(guang)度(du)平均值。總體而言，VIS–NIR和MIR吸(xi)光(guang)(guang)(guang)度(du)與文(wen)獻(xian)中報告的(de)典型土壤光(guang)(guang)(guang)譜數據相當。一般而言，兩組原(yuan)始吸(xi)光(guang)(guang)(guang)度(du)都表現出(chu)一個共同的(de)趨(qu)勢，即吸(xi)光(guang)(guang)(guang)度(du)隨(sui)著SOC的(de)降(jiang)低(di)而降(jiang)低(di)，盡(jin)管(guan)這種(zhong)降(jiang)低(di)對于MIR吸(xi)光(guang)(guang)(guang)度(du)不太(tai)明顯。這主要(yao)是因為(wei)隨(sui)著SOC含量的(de)降(jiang)低(di)，土壤變得更亮，并(bing)且(qie)光(guang)(guang)(guang)吸(xi)收(shou)更少。

ARCoptix公司的傅里葉紅外(wai)光譜(pu)儀非常(chang)(chang)緊湊，集(ji)成度非常(chang)(chang)高。具(ju)有體積(ji)小(xiao)，性能強的優勢(shi)。大小(xiao)可以參考下(xia)圖(tu):

FT-IR Rocket傅里葉紅(hong)外光譜(pu)儀具有高靈敏度(du)、高分(fen)辨率(lv)。可選光譜(pu)范圍有2-6µm，1.5-8.5µm，2-12µm。

更多詳情請聯系(xi)昊量(liang)光(guang)電/歡迎直接聯系(xi)昊量(liang)光(guang)電

關于(yu)昊量光電：

上海昊(hao)量(liang)光電設(she)備(bei)有限公(gong)司是光電產品(pin)專業代(dai)理商，產品(pin)包括各類激光器(qi)(qi)、光電調(diao)制器(qi)(qi)、光學測量(liang)設(she)備(bei)、光學元件等，涉及(ji)應用涵蓋了材料加(jia)工(gong)、光通(tong)訊、生(sheng)物醫療、科(ke)學研究、國防、量(liang)子(zi)光學、生(sheng)物顯(xian)微、物聯傳(chuan)感、激光制造等；可為(wei)客戶提供完整的設(she)備(bei)安裝，培(pei)訓，硬件開發，軟件開發，系統集成等服(fu)務(wu)。

您可以通過我們昊(hao)量光電(dian)的網(wang)站了(le)解(jie)更(geng)多的產品(pin)信息，或直(zhi)接咨詢(xun)。