用Arcoptix傅里葉紅外光譜儀估算土壤有機碳

可見光到近紅外（VIS-NIR）和中紅外（MIR）光譜等光譜技術(shù)被認(rèn)為是確定土壤有機碳（SOC）的實驗室方法的有效替代方案。需要進(jìn)行研究以探索VIS-NIR和MIR吸光度的融合對于改善SOC預(yù)測的潛力，因為每個單獨的光譜范圍可能不包含足夠的信息來產(chǎn)生合理的估計精度。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)和通過波段組合（OBC）算法串聯(lián)所選預(yù)測因子。

土壤有機碳（SOC）是一個關(guān)鍵的土壤質(zhì)量指標(biāo)，因為它直接或間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對于支持植物生長和作物產(chǎn)量至關(guān)重要。此外，SOC與全球碳循環(huán)密切相關(guān)，因為土壤有機碳在土地 - 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SOC至關(guān)重要。需要創(chuàng)新來建立新的傳感方法，以便以高采樣分辨率以成本和時間有效的方式定量估計SOC。

憑借其易用性和快速測量，近端土壤傳感（PSS）越來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，使用單個傳感器成功估計了各種土壤特性，例如SOC。盡管使用單個傳感器進(jìn)行土壤研究的研究顯示出有希望的結(jié)果，但沒有一個單獨的傳感器可以充分捕獲土壤的復(fù)雜性。因此，每種技術(shù)的單個光譜范圍可能沒有足夠的信息來為特定土壤性質(zhì)提供合理的預(yù)測精度。提高預(yù)測元素準(zhǔn)確性的一種可行方法是合并和整合來自多個傳感器的數(shù)據(jù)，這稱為數(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估計方面的潛力值得探索。已經(jīng)提出并探索了不同級別的數(shù)據(jù)融合方法，包括低（例如，簡單串聯(lián)），中（例如，提取的特征的融合）和高（例如，多個模型輸出的組合）水平.但是，到目前為止，還沒有一種“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)。

在實驗室的干燥，研磨和細(xì)篩土壤上進(jìn)行光譜測量。 使用光譜分辨率為1 nm的ARCoptix FT-NIR傅里葉變換可見光-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°的視角測量反射率。將每個樣品放入三個培養(yǎng)皿中（每個培養(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*陶瓷參考面板手動校準(zhǔn)。每個土壤樣品獲得30個光譜，并將其平均成一個光譜，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。

在對每個樣品進(jìn)行光譜掃描之前，使用鍍金參比帽來校準(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nm = 10，000，000 /波數(shù)的方程轉(zhuǎn)換為波長單位（nm）（Knox等人，2015）。為了排除每個光譜兩個邊緣的噪聲部分，首先將VIS-NIR和MIR吸光度分別修剪為450-2500 nm和2600–12，600 nm?？梢?近紅外和MIR吸光度均經(jīng)過薩維茨基-戈萊平滑處理（窗口尺寸：11;多項式階數(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SOC類的可見光-NIR和MIR原始吸光度平均值?？傮w而言，VIS–NIR和MIR吸光度與文獻(xiàn)中報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)出一個共同的趨勢，即吸光度隨著SOC的降低而降低，盡管這種降低對于MIR吸光度不太明顯。這主要是因為隨著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，性能強的優(yōu)勢。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?？蛇x光譜范圍有2-6µm，1.5-8.5µm，2-12µm。

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