[发明专利]基于红外光谱的土壤硝态氮的快速专用装置及其使用方法

说明书

技术领域

本发明属农业土壤检测方法领域，具体涉及一种基于红外光谱的土壤硝态氮的快速专用装备及其使用方法。

背景技术

氮素是作物生长发育的重要元素，也是调节陆地生态系统生产量、结构和功能的关键元素，土壤中的氮素循环主要包括固氮作用、氨化作用、硝化反硝化作用与生物固持作用等。近年来氮肥施用量的增加，强化了各个途径中的氮素循环，不仅造成氮素损失，并且加剧了大气污染、土壤酸化、生物多样性丧失及水生生态系统退化。

土壤硝态氮是土壤中氮素的一种重要存在形态，也是作物吸收氮素的主要形态，其含量高低是衡量土壤肥力的重要指标之一,也是评价地下水环境的潜在污染指标。土壤中硝酸盐浓度测定通常采用比色法、紫外分光光度法、离子色谱法、和离子专用电极法。其中酚二磺酸比色法过去被广泛应用，但此法分析时间长，且受有机质、亚硝酸盐和氯离子干扰无法实现大批量样本的快速检测；紫外分光光度法同样存在有机物质、亚硝酸盐、碳酸盐及颗粒物干扰；离子色谱法仪器价格昂贵，普及上缺乏可操作性；离子专用电极法电极表面形成生物膜降低稳定性和可操作性。除此之外，以上方法样品前处理步骤繁琐、使用化学试剂、测定时间长、人工成本高。因此，实现对土壤硝态氮含量进行快速、无损的测定具有重要意义

中红外傅里叶变换衰减全反射光谱以光辐射两种介质的界面发生全内反射为基础。其原理是通过内部反射现象，一束红外光以一定角度入射到衰减全反射晶体后，进入到待测样本界面，样本产生吸收特征后又返回减全反射晶体，反射光在减全反射晶体内部再次发生反射计入样本界面，光路通过多次反射后进入检测器，得到傅里叶变换衰减全反射光谱。但是市售中红外傅里叶变换衰减全反射光谱仪的波长范围在4000-400cm^-1范围，采集的土壤光谱信息极为复杂，且由于缺少相应的化学计量学模型对光谱信息进行提取和分析，不能直接对硝态氮含量进行定性定量分析，更无法直接显示土壤硝态氮在土壤中的含量，无法直接推广到农业的基层部门使用。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明的目的是提供一种基于硝态氮特征吸收的红外光谱的土壤硝态氮的快速专用装置，以及使用这种装置进行土壤硝态氮快速、无损的测定的方法。本发明提供一种利用基于硝态氮的氮氧键在特定波长的红外全反射光谱中具有特征吸收，通过设定特定波长的激发光源和获取硝态氮光谱信息并通过建模和模型优化，实现对待测土壤中硝态氮含量现场快速、无损的检测的仪器，并提供一种利用所述的土壤硝态氮检测仪检测土壤硝态氮含量的方法，测定方法简便快速、易于维护，有效提高土壤硝态氮的检测效率，在农业中显示出很好的应用潜力。

完成上述第一个发明任务的技术方案如下：

一种基于红外光谱的土壤硝态氮的快速专用装置，所述装置包括：土壤样品池模块、激发光源模块、反射镜和ATR晶体模块、检测器模块、建模系统模块、结果显示窗口模块和四个操作按钮模块；其中，

所述土壤样品池模块用于放置土壤糊状样品，需要专门制作，样品池上标有土壤体积的标准线和加水体积的标准线，可供保持分别加入土壤样品与水的水土比例；

所述激发光源模块发射特定波段范围的中红外光信号，所述激发光源需另外专门购置中外点激光器；

所述反射镜模块和反射镜用于调节光路方向，需另外专门购置；

所述ATR晶体模块用于光路的多次反射，需另外专门购置；

所述检测器模块用于将光学信号转化为数字信号，需另外专门购置；

所述建模系统模块用于接受并处理来自检测器模块的光谱数据信息，将采集的样品光谱信息数字信号和硝态氮浓度标准曲线，通过建模和模型参数进行优化；

所述结果输出窗口模块用于将所得硝态氮含量进行数字显示；

所述按钮模块Ⅰ用于扫描样品标样的衰减全反射光谱；

所述按钮模块Ⅱ用于保存样品标样的最优模型算法；

所述按钮模块Ⅲ用于扫描未知硝态氮浓度的土壤样品标样的衰减全反射光谱；

所述按钮模块Ⅵ用于计算最优模型算法计算硝态氮含量并显示结果。