一种利用近红外光谱探究检测土壤氮素的土壤最佳含水率的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用近红外光谱探究检测土壤氮素的土壤最佳含水率的方法，包括：将土壤样本混合不同梯度的氮浓度溶液后，压成薄片并分割成方块，另取一份等量土壤样本与蒸馏水混合后搅拌均匀，压成相同大小的薄片，并称重记录；设定烘干时间，每个烘干时间结束后称重记录土壤薄片的重量；利用近红外光谱采集每个烘干时间结束后土壤样品块的光谱信息；建立光谱数据与土壤氮素含量的预测模型，根据建模效果确定利用近红外光谱检测土壤氮素的土壤最佳含水率。本发明专利技术既节约时间成本，又能达到土壤氮素检测较高预测精度的土壤最佳含水率，更贴近在实际环境中实时、在线检测土壤氮素含量的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种利用近红外光谱探究检测土壤氮素的土壤最佳含水率的方法
本专利技术涉及土壤成分检测
，具体涉及一种利用近红外光谱探究检测土壤氮素的土壤最佳含水率的方法。
技术介绍
土壤是大部分作物供应养分来源的基质，是重要的物质与能量交换场所。氮元素含量是衡量土壤肥力的重要指标，土壤的氮素水平直接影响作物的生长发育情况。因此，快速、准确地获取土壤中的氮元素含量对了解土壤养分信息、实时调控施肥量都具有重要的指导意义。传统上利用化学手段如杜马斯燃烧法检测土壤中氮元素含量的方法检测结果较为精确，但整个检测过程复杂，检测时间长并且普遍需要破坏样本，经济效益低。利用近红外传感器检测土壤总氮含量以其无损、快速、便携的优势受到广泛重视，满足精准农业快速、准确和实时的要求。利用近红外光谱技术能够快速检测土壤中的氮元素含量，检测过程快速、准确、无污染。近年来，国内外研究学者的研究表明利用近红外光谱技术检测土壤氮含量的准确性很大程度上仍受到土壤含水率的影响。曾静等人利用MPA傅里叶近红外传感器对不同含水量的紫色土壤进行近红外光谱采集，表明在同一有机质含量水平下，含水量增加，土壤吸光度呈非线性上升趋势，且在较高水分条件下，模型预测精度低。Liu等人比较了4种光谱转移策略的性能以降低土壤水分对总氮预测的影响，表明正交信号校正和广义最小二乘加权这两种光谱转移策略能够更好地消除土壤水分的影响。AnniaGarcia等人研究发现，土壤粒径及含水量的大小对土壤光谱特性影响较大。而当土壤含水量较大时，会影响近红外光谱预测土壤全氮含量的精度。Kuang等人为了探究土壤含水率对检测有机碳和总氮的影响，对土壤进行实时、自然状态和烘干24小时3种方案下的监测，结果表明实时检测土壤氮素的效果最差，自然状态下的检测效果次之，经过烘干的检测效果最好。尽管一些研究学者已经提出在土壤含水率较高时土壤氮含量的预测模型效果较差，大多数研究局限于水分对近红外光谱的影响，并且在特定水分下建立的预测模型难以满足不同含水率下的预测需求。因此，探究一个既节约时间成本，又能达到较高预测精度的土壤最佳含水率，更贴近在实际环境中实时、在线检测土壤氮素含量的需求，对应用近红外光谱分析技术精确实现土壤氮素等养分的快速检测以研发快速检测装置具有重大的价值。
技术实现思路
本专利技术提供了一种利用近红外光谱探究检测土壤氮素的土壤最佳含水率的方法，提高土壤氮素检测的精度。一种利用近红外光谱检测土壤氮素的土壤最佳含水率，包括：步骤1，制备土壤样品，方法如下：步骤1-1、取若干份土壤样本与不同氮浓度梯度的尿素水溶液溶液混合均匀，压成均匀薄片并切分成块；步骤1-2、另取一份等量土壤样本与蒸馏水混合后搅拌均匀，压成相同大小的薄片，并称重记录；步骤2，设定烘干参数，将烘干时间设定为1小时，2小时，3小时，4小时，5小时，6小时，7小时，8小时和24小时，烘箱温度为80℃，每个烘干时间结束后称重记录步骤1-2中的土壤薄片的重量；步骤3，根据烘干前和每个烘干时间后土壤薄片的重量，计算每个烘干时间下对应的土壤含水率；步骤4，每个烘干时间结束后取出各氮浓度下的若干块，利用近红外光谱采集样品块的光谱信息；步骤5，将光谱信息输入光谱信号与土壤氮素含量的关系模型中，根据建模效果确定利用近红外光谱检测土壤氮素的土壤最佳含水率。本专利技术优选采用浙江庆元县的红土样本，土壤类型为红土，呈酸性红色，天然采挖无污染。现有技术中，在进行土壤氮素检测时，受土壤含水率的影响，检测精度较低，且现有研究中普遍采用烘干24小时的做法来排除土壤含水率对检测效果的影响，然而在实际应用中所需时间成本太高，检测效率低。本专利技术通过探究利用近红外光谱检测土壤氮素的土壤最佳含水率，提高检测精度的同时提高检测效率，以最低的时间成本获取最佳的检测精度，为后续开发精度更高的便携式仪器提供理论支持。作为优选，步骤1-1中的尿素水溶液由不同氮元素浓度由尿素颗粒配制而成，溶液浓度分别为：0g/kg、0.1g/kg、0.15g/kg、0.2g/kg、0.25g/kg、0.3g/kg、0.35g/kg、0.4g/kg、0.45g/kg。步骤1-1中，尿素水溶液与土壤样本的用量为15mL：100g。步骤1-1中，尿素水溶液与土壤样本需充分混合均匀，保证氮素在土壤样本中的均匀分布，以利于后续光谱采集结果的准确性。作为优选，土壤含水率根据以下方法测定：步骤Ⅰ、取100g土壤样本与15ml蒸馏水混合后搅拌均匀，同样用压泥板压成相同大小的薄片，并称重记录；步骤Ⅱ、每个烘干时间结束后将步骤Ⅰ中的土壤薄片取出并称重，计算每个烘干时间下的土壤含水率。作为优选，土壤含水率的计算方法见公式其中，WC为含水率，Wfresh为当前烘干时间结束后土壤的重量，Wdry为土壤最终的干重。作为优选，步骤4中，近红外光谱采集波段范围为900nm-1700nm，可以采集到光的强度，反射度和吸收度，设置每条近红外光谱采集400个点，平均每扫描3次得到一个光谱图像。步骤4中，为了减少实验环境光和日光灯对光谱信息采集的影响，光谱采集在黑暗的环境下进行。步骤4中，实验测定时选取土壤样品块光滑的一面，共测定810个土壤样品块。作为优选，步骤5所述输入光谱信号与土壤氮素含量的关系模型，以土壤氮素含量为自变量，以光谱信息为因变量，利用偏最小二乘回归和无信息变量消除法分别建立土壤氮素预测模型。本专利技术提供的一种利用近红外光谱探究检测土壤氮素的土壤最佳含水率的方法，定量探究土壤含水率与近红外光谱检测土壤氮素的精度的相关性，寻求一个既节约时间成本，又能达到较高精度的土壤含水率，并且用烘干时间来标定土壤的含水率，更贴近在实际环境中实时、在线检测土壤氮素含量的需求，为研发土壤氮素快速检测装置提供一定的理论支持。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)样本制备简单，不需要对样品进行复杂的研磨、过筛和压片处理；(2)定量探究土壤含水率与近红外光谱检测土壤氮素精度的相关性，提出更节约时间成本的检测方案；(3)仪器操作简单，可以实现对土壤氮元素的快速检测。附图说明图1为本专利技术一种利用近红外光谱探究检测土壤氮素的土壤最佳含水率的方法的流程图；图2为本专利技术的土壤含水率与烘干时间的关系图；图3为本专利技术中最佳含水率对应的近红外光谱图；图4为本专利技术中最佳含水率对应的PLS预测集分布图；图5为本专利技术中最佳含水率对应的UVE预测集分布图；图6为本专利技术中的PLS模型建立效果图；图7为本专利技术中的UVE模型建立效果图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术一种利用近红外光谱探究检测土壤氮素的土壤最佳含水率的方法做详细描述。一种利用近红外光谱探究检测土壤氮素的土壤最佳含水率的方法，如图1所示，包括以下步骤：(1)样本制备本实施例采用的土壤样本来自于浙江庆元县的红土样本，土壤类型为红土，呈酸性红色，天然采挖无污染。样本制备的方法，包括以下步骤：首先，使用尿素(CO(NH2)2)颗粒分别配制氮元素浓度为0g/kg、0.1g/kg、0.15g/kg、0.2g/kg、0.25g/kg、0.3g/kg、0.35g/kg、0.4g/kg和0.45g/kg的尿素水溶液，每份溶液30ml，共9份样本溶液；其次，取每100g土壤样本分别与15mL不同氮浓度的样本溶液充分的搅拌本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用近红外光谱探究检测土壤氮素的土壤最佳含水率的方法，其特征在于，包括：步骤1，制备土壤样品，方法如下：步骤1‑1、取若干份土壤样本与不同氮浓度梯度的尿素水溶液溶液混合均匀，压成均匀薄片并切分成块；步骤1‑2、另取一份等量土壤样本与蒸馏水混合后搅拌均匀，压成相同大小的薄片，并称重记录；步骤2，设定烘干参数，将烘干时间设定为1小时，2小时，3小时，4小时，5小时，6小时，7小时，8小时和24小时，烘箱温度为80℃，每个烘干时间结束后称重记录步骤1‑2中的土壤薄片的重量；步骤3，根据烘干前和每个烘干时间后土壤薄片的重量，计算每个烘干时间下对应的土壤含水率；步骤4，每个烘干时间结束后取出各氮浓度下的若干块，利用近红外光谱采集样品块的光谱信息；步骤5，将光谱信息输入光谱信号与土壤氮素含量的关系模型中，根据建模效果确定利用近红外光谱检测土壤氮素的土壤最佳含水率。

【技术特征摘要】
1.一种利用近红外光谱探究检测土壤氮素的土壤最佳含水率的方法，其特征在于，包括：步骤1，制备土壤样品，方法如下：步骤1-1、取若干份土壤样本与不同氮浓度梯度的尿素水溶液溶液混合均匀，压成均匀薄片并切分成块；步骤1-2、另取一份等量土壤样本与蒸馏水混合后搅拌均匀，压成相同大小的薄片，并称重记录；步骤2，设定烘干参数，将烘干时间设定为1小时，2小时，3小时，4小时，5小时，6小时，7小时，8小时和24小时，烘箱温度为80℃，每个烘干时间结束后称重记录步骤1-2中的土壤薄片的重量；步骤3，根据烘干前和每个烘干时间后土壤薄片的重量，计算每个烘干时间下对应的土壤含水率；步骤4，每个烘干时间结束后取出各氮浓度下的若干块，利用近红外光谱采集样品块的光谱信息；步骤5，将光谱信息输入光谱信号与土壤氮素含量的关系模型中，根据建模效果确定利用近红外光谱检测土壤氮素的土壤最佳含水率。2.如权利要求1所述的利用近红外光谱探究检测土壤氮素的土壤最佳含水率的方法，其特征在于，步骤1-1中，不同氮元素浓度由尿素颗粒配制而成，溶液浓度分别为：0g/kg、0.1g/kg、0.15g/kg、0.2g/kg、0.25g/kg、0.3g/kg、0.35g/kg、0.4g...

【专利技术属性】
技术研发人员：何勇，肖舒裴，董涛，聂鹏程，瞿芳芳，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33