红外光谱在土壤学中的应用

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1、万方数据土壤(Soils)，2008，40(6)：872-877红外光谱在土壤学中的应用①邓晶，杜昌文+。周健民，王火焰，陈小琴(土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京210008)摘要：红外光谱技术在土壤学中已得到较广泛的应用，它能够综合地反映土壤体系的物质组成及其相互作用，为研究土壤中物质循环及其作用过程提供了新的手段。本文回顾了近年来红外光谱技术在土壤学中的应用，包括透射光谱在土壤定性分析中的应用，并重点介绍红外反射光谱与化学计量学相结合的光谱建模技术发展情况及其在土壤定量分析中的应用。同时本文探讨了基于光声效应的红外光声光谱技术

2、，红外光声光谱非常适合用于土壤这种复杂、非透明体系的研究，能够克服传统透射和反射光谱中存在的缺陷，测定快速方便，并具有较高的灵敏度和测量精确度，具有很大的应用潜力。关键词：土壤学；红外光谱：光声光谱；化学计量学中图分类号：S132红外光谱分析是通过测量分子对红外光吸收从而得到分子结构信息的一种检测方法，当照射分子的红外辐射频率与分子振动频率相同时，分子从基态振动能级跃迁到激发态的振动能级，产生红外吸收fI】。土壤是一种有机物和无机物共存的复合体，不同的土壤因其组成的不同而具有不同的红外吸收。从最早的腐殖质成分分析到近年的遥感、农田养分研究，人们不断追求新技术、新思维

3、在实践中的应用。近20年，红外光谱分析技术与化学计量学的结合为土壤学的研究提供了新的手段。在早期的研究工作中，红外光谱主要用作土壤组分的定性分析，主要使用透射光谱。随着反射光谱技术的进步，镜面反射、漫反射(diffusedreflectance)和衰变全反射(attenuatedtotalreflectance)逐渐得到广泛的应用。同时，随着分析仪器精密度的大幅度提高，配合先进的波谱解析和数据处理方法，红外光谱已经能够用于土壤的定量分析，并且取得较好的结果。1红外光谱的定量分析方法红外光谱的定量分析主要依靠化学计量学手段，利用计算机强大的运算能力。多元线性回归(mu

4、lti．1inearregression，MLR)、主成分分析(principlecomponentanalysis，PCA)、主成分回归(principlecomponentregression，PCR)、逐步回归分析(stepwisemultipleregression，SMR)、偏最小二乘回归法(partialleastsquareregression。PLSR)、推进式回归树模型(boostedregressiontree。BRT)都可用于光谱的定量建模，这些方法能够很好地处理线性相关问题。MLR和SMR法只用一些特征波长的光谱信息，丢失了其他波长的信息，易

5、产生模型过拟合(over-fitting)问题。PCR和PLSR可以取舍参与定标的光谱数据，消除了MLR丢失光谱信息的问题，用交互检验(cross．validation)消除模型过拟合，比MLR和SMR预测精度高【2】；它将光谱首先分解为一系列特征向量和评价因子，再分别根据土壤属性进行回归分析，偏最小二乘法能够实现分离和提取光谱中的土壤信息【I】，并能将光谱特征向量与土壤性质参数建立直接联系131。然而，因为土壤成分的复杂性，在定量分析中线性回归方法有时并不能达到满意的分析效果，所以非线性回归方法越来越受到重视，如人工神经网络(artificialneuralnet

6、work，ANN)就是非常重要的非线性定量方法，常用的是反向传递人工神经网络(BP．ANN)，它能无限逼近任何非线性函数。2红外光谱在土壤学中的应用2．1红外透射光谱在土壤学中的应用红外透射光谱作为最早发展的光谱技术，在各学科各领域中都有广泛应用，也是最常用的光谱分析手段。它直接测量样品产生的红外吸收，由于红外透射光谱的技术特点，测量的样品需要进行预处理和制片分析时间较长，而且其本上只用于定性分析。①基金项目：国家商新技术计划“863”项目((2006AAl0A301)和国家自然科学基金项目(40871113)资助。’通讯作者(chwdu@issas．ac．on)作

7、者简介：邓晶(1984-～)．男。江苏盱眙人，硕士研究生，主要从事土壤肥力研究。E-mail：jdeng@issas．ac．cn万方数据第6期邓晶等：红外光谱在土壤学中的应用土壤学引入红外透射光谱技术最早是在腐殖质的研究中，近年来的腐殖质等土壤组分的研究仍然以透射光谱技术为主，同时引入其他分析技术。如Dai等14l利用傅里叶变换红外光谱、液相氘代核磁共振仪和交叉极化魔角旋转”C核磁共振仪研究不同方法提取的富啡酸性质，并确定最佳的提取方案。所提取的富啡酸含较少羧基而烷基含量更高，有助于研究有机质与PAHs的相互作用。张齐春和王光火哺’依据FTIR及1H．NMR技术