用Arcoptix傅里葉紅外光譜儀估算土壤有機(jī)碳
可見光到近紅外(VIS-NIR)和中紅外(MIR)光譜等光譜技術(shù)被認(rèn)為是確定土壤有機(jī)碳(SOC)的實(shí)驗(yàn)室方法的有效替代方案。需要進(jìn)行研究以探索VIS-NIR和MIR吸光度的融合對于改善SOC預(yù)測的潛力,,因?yàn)槊總€單獨(dú)的光譜范圍可能不包含足夠的信息來產(chǎn)生合理的估計(jì)精度,。在這里,我們研究了兩種在輸入數(shù)據(jù)中不同的數(shù)據(jù)融合策略,,包括全光譜吸光度的直接串聯(lián)和通過波段組合(OBC)算法串聯(lián)所選預(yù)測因子,。
土壤有機(jī)碳(SOC)是一個關(guān)鍵的土壤質(zhì)量指標(biāo),因?yàn)樗苯踊蜷g接地影響土壤的物理,,化學(xué),,生物狀態(tài)和整體肥力。維持和改善SOC對于支持植物生長和作物產(chǎn)量至關(guān)重要,。此外,,SOC與全球碳循環(huán)密切相關(guān),因?yàn)橥寥烙袡C(jī)碳在土地 - 大氣交換中起著核心作用,。因此,,在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和全球變暖的背景下,監(jiān)測SOC至關(guān)重要,。需要創(chuàng)新來建立新的傳感方法,,以便以高采樣分辨率以成本和時(shí)間有效的方式定量估計(jì)SOC。
憑借其易用性和快速測量,,近端土壤傳感(PSS)越來越流行用于表征土壤特性.常用的PSS技術(shù)包括X射線熒光光譜,激光誘導(dǎo)擊穿光譜,,可見光到近紅外(VIS-NIR)和中紅外(MIR)光譜,。在光譜預(yù)處理和多變量建模的幫助下,使用單個傳感器成功估計(jì)了各種土壤特性,,例如SOC,。盡管使用單個傳感器進(jìn)行土壤研究的研究顯示出有希望的結(jié)果,但沒有一個單獨(dú)的傳感器可以充分捕獲土壤的復(fù)雜性,。因此,,每種技術(shù)的單個光譜范圍可能沒有足夠的信息來為特定土壤性質(zhì)提供合理的預(yù)測精度。提高預(yù)測元素準(zhǔn)確性的一種可行方法是合并和整合來自多個傳感器的數(shù)據(jù),這稱為數(shù)據(jù)融合,。VIS-NIR和MIR光譜技術(shù)都顯示出確定SOC的巨大潛力,,VIS-NIR和MIR光譜的數(shù)據(jù)融合在改善SOC估計(jì)方面的潛力值得探索。已經(jīng)提出并探索了不同級別的數(shù)據(jù)融合方法,,包括低(例如,,簡單串聯(lián)),中(例如,,提取的特征的融合)和高(例如,,多個模型輸出的組合)水平.但是,到目前為止,,還沒有一種“一刀切”的數(shù)據(jù)融合方法適合處理所有數(shù)據(jù)集,。因此,研究其他先進(jìn)的數(shù)據(jù)融合解決方案的努力仍在進(jìn)行中,,需要繼續(xù),。
在實(shí)驗(yàn)室的干燥,研磨和細(xì)篩土壤上進(jìn)行光譜測量,。 使用光譜分辨率為1 nm的ARCoptix FT-NIR傅里葉變換可見光-近紅外纖維光譜儀(瑞士東北納沙泰爾的ARCoptix公司)收集了400-2600 nm區(qū)域的漫反射-近紅外反射光譜,。鹵素光源為土壤樣品提供一致的照明,接觸式探頭附件以56°的視角測量反射率,。將每個樣品放入三個培養(yǎng)皿中(每個培養(yǎng)皿的深度為2厘米,,直徑為5厘米)。用刮刀將培養(yǎng)皿中的土壤輕輕地調(diào)平,,形成光滑的土壤表面,,從而保證了最大的光譜信噪比。在光譜采集之前和期間,,儀器由*陶瓷參考面板手動校準(zhǔn),。每個土壤樣品獲得30個光譜,并將其平均成一個光譜,,用于進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析,。獲得原始反射光譜,然后轉(zhuǎn)換為吸光度單位(log10(1 / R),,其中R代表反射率數(shù)據(jù)),。
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,。
在對每個樣品進(jìn)行光譜掃描之前,,使用鍍金參比帽來校準(zhǔn)儀器。記錄了原始吸光度單位,。
在數(shù)據(jù)融合之前,,以波數(shù)(cm–1)通過nm = 10,,000,000 /波數(shù)的方程轉(zhuǎn)換為波長單位(nm)(Knox等人,,2015),。為了排除每個光譜兩個邊緣的噪聲部分,首先將VIS-NIR和MIR吸光度分別修剪為450-2500 nm和2600–12,,600 nm,。可見-近紅外和MIR吸光度均經(jīng)過薩維茨基-戈萊平滑處理(窗口尺寸:11;多項(xiàng)式階數(shù):2),,然后向下采樣到10 nm的間隔,,以減少數(shù)據(jù)冗余并優(yōu)化建模處理時(shí)間。隨后的數(shù)據(jù)分析,,如CWT分解和數(shù)據(jù)融合,,都是在上述預(yù)處理步驟之后進(jìn)行的。
每個SOC類的可見光-NIR和MIR原始吸光度平均值,??傮w而言,VIS–NIR和MIR吸光度與文獻(xiàn)中報(bào)告的典型土壤光譜數(shù)據(jù)相當(dāng),。一般而言,,兩組原始吸光度都表現(xiàn)出一個共同的趨勢,即吸光度隨著SOC的降低而降低,,盡管這種降低對于MIR吸光度不太明顯,。這主要是因?yàn)殡S著SOC含量的降低,土壤變得更亮,,并且光吸收更少,。
ARCoptix公司的傅里葉紅外光譜儀非常緊湊,集成度非常高,。具有體積小,,性能強(qiáng)的優(yōu)勢。大小可以參考下圖:
FT-IR Rocket傅里葉紅外光譜儀具有高靈敏度,、高分辨率,。可選光譜范圍有2-6µm,,1.5-8.5µm,,2-12µm。
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