[发明专利]一种基于便携式近红外光谱仪的土壤氮素检测的预处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及土壤成分检测技术领域，具体涉及一种基于便携式近红外光谱仪的土壤氮素检测的预处理方法。

背景技术

土壤是农业的基础和重要组成部分，土壤的主要作用是为作物提供养分和水分，同时也是作物根系伸展、固持的介质。农田氮素等养分含量是影响作物生长的重要因素，快速获取土壤氮素等养分信息，对合理适量施肥，指导农业生产非常重要，然而，通过“测土配方施肥项目”的传统化学测试方法获取土壤养分信息，测量周期长，过程复杂，成本高，大大限制了项目推广和社会经济效益。

近红外光谱技术应用于土壤氮素的检测，可以快速获取土壤中的氮素养分等信息，检测过程也可自动实现数据分析、无损、无污染。近年来，国内外很多学者应用近红外光谱技术对土壤中的氮素进行了相关研究。例如，Mouazen等采用可见近红外光谱分析技术估算土壤中多种养分含量，并比较了PLS和BPNN建模方法，发现BPNN方法优于PLS建模方法。AnniaGarcia等研究土壤粒径大小以及土壤含水量的大小对土壤光谱特性的影响，发现土壤粒径过大或过小都会影响近红外光谱预测土壤总氮量的精度，且在土壤含水量较大时近红外预测结果不理想，发现偏最小二乘回归方法和主成分回归方法对经过预处理的土壤总氮进行预测建模得到的模型明显精度高于多元线性回归方法得到的模型。王世芳等探究了土壤水分对近红外光谱检测土壤有机质的影响，将土壤进行不同含水量的预处理，研究结果表明600和1600nm左右表征土壤有机质的波段出现强的自相关峰，但随着含水率的增加，这两个波段逐渐消失，由于受水分的影响，在1951,2200和1480nm均形成了强的自相关峰，说明水分会掩盖表征土壤有机质信息的波段，对土壤有机质检测造成干扰。何勇等人采用近红外光谱技术对土壤氮、磷、钾、有机质和pH值进行了检测，证明土壤的反射率光谱与总氮之间存在显著的相关性，应用可见/近红外光谱可以预测土壤总氮和有机质等养分。李民赞等分别取其表土层(0～30cm)、心土层(30～48cm)以及底土层(48～60cm)3个部位进行取样，分析了不同层次土壤样本的吸收光谱特性，以及土壤水分、氮素不同层次的变化规律。结果表明，该方法在土壤全氮含量预测过程中具有明显的优势，可应用于实际生产。

近红外光谱技术在土壤氮素检测中应用广泛，并且相关学者从特征波段、建模方法、影响因素等各个方面对其进行研究，效果比较显著。但是在实际检测中，受到土壤含水量、土壤颗粒大小、土壤表面粗糙度等因素的影响，氮素在未经预处理的情况下，检测精度并不高。

发明内容

本发明提供了一种基于便携式近红外光谱仪的土壤氮素检测的预处理方法，提高土壤氮素检测的精度。

一种基于便携式近红外光谱仪的土壤氮素检测的预处理方法，包括：

步骤1，对土壤样本进行预处理，预处理方法如下：

将土壤样本在60～70℃下烘干至少12小时，土壤样本温度降至室温后研磨至粒径≤160μm，并压制成长方体样本；

步骤2，利用近红外光谱检测长方体样本，获取光谱信息；

步骤3，将光谱信息输入光谱信号与土壤氮素含量的关系模型中，得到土壤氮素含量。

本发明优选采用纯天然种植沙土样本，无污染、且没有添加任何化学试剂和肥料，经过人工筛选除去结块厚、颗粒大、杂质多的成分，保证砂质细腻。

现有技术中，在进行土壤氮素检测时，没有经过严格的预处理，检测精度有限，本发明通过严格的预处理过程，提高检测精度，为后续的施肥指导以及科学研究建立基础。

所述预处理方法中，通过烘干排除水分对近红外检测氮素的影响，通过研磨排除土壤颗粒大小对近红外检测氮素的影响，通过压片排除土壤表面粗糙度对近红外检测氮素的影响。

作为优选，土壤样本烘干之后在室温下至少放置12h。以保证温度降至室温。

作为优选，所述光谱信号与土壤氮素含量的关系模型依据以下方法建立：

步骤a、配置不同质量分数的尿素水溶液，尿素水溶液的质量分数分别为：0％、2％、4％、6％、8％、10％、12％、14％、16％、18％、20％、22％、24％、26％、28％、30％；

步骤b、各质量分数的尿素水溶液分别与等量土壤样本混合均匀；

步骤c、混合均匀后的土壤样本采用步骤1所述方法制备成长方体样本；

步骤d、利用红近红外光谱检测长方体样本，获取光谱信息；

步骤e、利用无信息变量消除法筛选特征波长，然后以土壤氮素含量为自变量，以光谱信息为因变量，利用PLS方法建立光谱信号与土壤氮素含量的关系模型。