用Arcoptix傅里葉紅外光譜儀估算土壤有機(jī)碳

可見(jiàn)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(duì)于改善SOC預(yù)測(cè)的潛力，因?yàn)槊總€(gè)單獨(dú)的光譜范圍可能不包含足夠的信息來(lái)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(guò)波段組合（OBC）算法串聯(lián)所選預(yù)測(cè)因子。

土壤有機(jī)碳（SOC）是一個(gè)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(duì)于支持植物生長(zhǎng)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(cè)SOC至關(guān)重要。需要?jiǎng)?chuàng)新來(lái)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(cè)量，近端土壤傳感（PSS）越來(lái)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(jiàn)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(gè)傳感器成功估計(jì)了各種土壤特性，例如SOC。盡管使用單個(gè)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(méi)有一個(gè)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(gè)光譜范圍可能沒(méi)有足夠的信息來(lái)為特定土壤性質(zhì)提供合理的預(yù)測(cè)精度。提高預(yù)測(cè)元素準(zhǔn)確性的一種可行方法是合并和整合來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，這稱(chēng)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(jí)別的數(shù)據(jù)融合方法，包括低（例如，簡(jiǎn)單串聯(lián)），中（例如，提取的特征的融合）和高（例如，多個(gè)模型輸出的組合）水平.但是，到目前為止，還沒(méi)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(cè)量。 使用光譜分辨率為1 nm的ARCoptix FT-NIR傅里葉變換可見(jiàn)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(cè)量反射率。將每個(gè)樣品放入三個(gè)培養(yǎng)皿中（每個(gè)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(dòng)校準(zhǔn)。每個(gè)土壤樣品獲得30個(gè)光譜，并將其平均成一個(gè)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(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行光譜掃描之前，使用鍍金參比帽來(lái)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(guò)nm = 10，000，000 /波數(shù)的方程轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)單位（nm）（Knox等人，2015）。為了排除每個(gè)光譜兩個(gè)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(jiàn)-近紅外和MIR吸光度均經(jīng)過(guò)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(gè)SOC類(lèi)的可見(jiàn)光-NIR和MIR原始吸光度平均值。總體而言，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(gè)共同的趨勢(shì)，即吸光度隨著SOC的降低而降低，盡管這種降低對(duì)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(shì)。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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