本發(fā)明涉及土壤重金屬的研究方法，具體涉及一種利用可見及近紅外反射光譜技術(shù)對土壤重金屬進(jìn)行研究的方法。

背景技術(shù)：

土壤是人類賴以生存和發(fā)展的重要自然資源之一，也是人類生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，大量污染物進(jìn)入土壤環(huán)境，其中重金屬是重要的污染物之一，且土壤中的重金屬易于積累，蓄積到一定程度會通過食物鏈等途徑對人體健康造成威脅。

傳統(tǒng)土壤重金屬檢測多采用化學(xué)分析法，雖然該方法精度高、檢出限低，但分析周期長、成本高、費(fèi)時費(fèi)力。土壤的反射光譜包含有豐富的土壤信息，是土壤性狀的綜合反映(文獻(xiàn)1)。隨著可見-近紅外反射光譜技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，應(yīng)用此技術(shù)對土壤中的成分進(jìn)行快速檢測已成為科學(xué)研究關(guān)注的問題之一。目前研究發(fā)現(xiàn)，重金屬含量與土壤中具有明顯光譜特征的有機(jī)質(zhì)、碳酸鹽、鐵氧化物、粘土礦物等組分有關(guān)，通過這些組分的光譜信息，可以間接反演土壤中重金屬含量(文獻(xiàn)2)。然而，土壤中重金屬含量極低，其光譜特征有可能會被土壤主要組分的光譜特征所掩蔽，使用現(xiàn)有技術(shù)直接獲取土壤重金屬的光譜信息非常困難，一般是通過野外采集土壤樣品后使用化學(xué)分析方法獲取實(shí)際的重金屬元素含量、有機(jī)質(zhì)或者有機(jī)碳等土壤主要組分含量，然后通過實(shí)際的土壤組分含量與土壤光譜數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在相關(guān)關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型分析預(yù)測該地區(qū)重金屬元素含量與分布信息。如liu等(文獻(xiàn)3)利用可見光近紅外光譜估算了樂安江泛濫平原土壤中cu元素含量。楊亞娜等(文獻(xiàn)4)利用近紅外光譜結(jié)合偏最小二乘回歸成功預(yù)測了珠三角農(nóng)田土壤中zn含量。吳明珠等(文獻(xiàn)5)利用近紅外光譜技術(shù)得到了亞熱帶地區(qū)土壤總鉻-高光譜反演的優(yōu)化模型，該模型可以用于福州地區(qū)土壤全鉻(cr)的光譜快速監(jiān)測?？梢?近紅外反射光譜技術(shù)雖已逐漸應(yīng)用于土壤重金屬含量的研究，但其定量反演機(jī)理和建模方法仍處于探索階段。

參考文獻(xiàn)：

[文獻(xiàn)1]徐彬彬.土壤剖面的反射光譜研究[j].土壤,2000,32(6):281-287.

[文獻(xiàn)2]賀軍亮,張淑媛,查勇,等.高光譜遙感反演土壤重金屬含量研究進(jìn)展[j].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2015,30(3):407-412.

[文獻(xiàn)3]yaolinliu,yiyunchen.feasibilityofestimatingcucontaminationinfloodplainsoilsusingvnirspectroscopy—acasestudyinthele’anriverfloodplain,china[j].2012,21(8):951.

[文獻(xiàn)4]楊亞娜,潘濤,李敏妙,等.近紅外光譜用于土壤鋅的快速分析及其穩(wěn)定性[j].科學(xué)技術(shù)與工程,2014,14(4):150.

[文獻(xiàn)5]吳明珠，李小梅，沙晉明.亞熱帶土壤鉻元素的高光譜響應(yīng)和反演模型[j].光譜學(xué)與光譜分析,2014,34(6):1660.

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于從研究土壤重金屬自身反射光譜角度出發(fā)，結(jié)合晶體場理論分析重金屬的特征反射峰出現(xiàn)的波段位置和原因，然后通過向土壤樣品中人為設(shè)計(jì)添加不同種類不同濃度重金屬化合物，研究重金屬的類型和濃度對土壤樣品反射光譜的影響，為土壤重金屬的定性和定量反射光譜分析提供理論支撐。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種土壤重金屬可見及近紅外反射光譜特征診斷方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：測量重金屬化合物的可見-近紅外反射光譜；

步驟2：將重金屬反射光譜與重金屬元素的核外電子排布式聯(lián)系起來，觀察重金屬的反射光譜特征；

步驟3：結(jié)合晶體場理論分析重金屬的特征反射峰出現(xiàn)的波段位置和原因；

步驟4：采集土壤樣本，向土壤樣品中添加不同濃度梯度的重金屬化合物，研磨混合均勻后測量其可見-近紅外反射光譜數(shù)據(jù)；

步驟5：對樣本反射光譜進(jìn)行不同光譜預(yù)處理；

步驟6：作不同光譜預(yù)處理過的重金屬土壤樣品的皮爾遜相關(guān)系數(shù)曲線。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提出了一種土壤重金屬可見-近紅外反射光譜特征診斷的方法，該研究方法與以往傳統(tǒng)的土壤重金屬的研究方法相比較，傳統(tǒng)的可見-近紅外反射光譜技術(shù)應(yīng)用于土壤重金屬的實(shí)驗(yàn)研究一般是將野外采集的土壤樣品經(jīng)化學(xué)分析方法獲取實(shí)際的重金屬元素含量、有機(jī)質(zhì)或者有機(jī)碳等土壤主要組分含量，然后通過實(shí)際的土壤組分含量與土壤光譜數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在相關(guān)關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型來分析預(yù)測該地區(qū)重金屬元素含量與分布信息。為了對土壤重金屬進(jìn)行低成本、有效的研究，本發(fā)明將可見-近紅外反射光譜技術(shù)應(yīng)用到土壤重金屬的基礎(chǔ)研究中來，并且設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，探索土壤重金屬化合物反射光譜響應(yīng)特征及機(jī)理，探索可見-近紅外光譜技術(shù)對土壤中重金屬的類型識別和含量估算的實(shí)用性和內(nèi)在機(jī)制，為土壤重金屬的定性和定量反射光譜分析提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)參考，為土壤重金屬污染監(jiān)測和防控研究提供借鑒和指導(dǎo)意義。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施中重金屬化合物crcl3、cucl2、zncl2的可見-近紅外反射光譜曲線；

圖2a是本發(fā)明實(shí)施中crcl3粉末的反射光譜與不同濃度的crcl3土壤樣品的反射光譜曲線；

圖2b是本發(fā)明實(shí)施中土壤反射率與crcl3濃度的皮爾遜相關(guān)系數(shù)曲線；

圖3a是本發(fā)明實(shí)施中cucl2粉末的反射光譜與不同濃度的cucl2土壤樣品的反射光譜曲線；

圖3b是本發(fā)明實(shí)施中土壤反射率與cucl2濃度的皮爾遜相關(guān)系數(shù)曲線；

圖4a是本發(fā)明實(shí)施中zncl2粉末的反射光譜與不同濃度的zncl2土壤樣品的反射光譜曲線；

圖4b是本發(fā)明實(shí)施中土壤反射率與zncl2濃度的皮爾遜相關(guān)系數(shù)曲線；

圖5是本發(fā)明實(shí)施中不同光譜預(yù)處理過的crcl3土壤樣品的皮爾遜相關(guān)系數(shù)曲線；

圖6是本發(fā)明實(shí)施中不同光譜預(yù)處理過的cucl2土壤樣品的皮爾遜相關(guān)系數(shù)曲線；

圖7是本發(fā)明實(shí)施中不同光譜預(yù)處理過的zncl2土壤樣品的皮爾遜相關(guān)系數(shù)曲線。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實(shí)施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實(shí)施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提供的一種土壤重金屬可見及近紅外反射光譜特征診斷方法，包括以下步驟：

步驟1：測量重金屬化合物crcl3、cucl2、zncl2的可見-近紅外反射光譜，如圖1所示；

重金屬化合物，由于金屬元素光譜特征與其配位離子類型有關(guān)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，為避免配位離子對光譜特征產(chǎn)生干擾，本實(shí)施例選用氯化物類重金屬為研究對象。

對樣品的可見-近紅外反射光譜測量的具體方法是：

采用美國asd公司生產(chǎn)的fieldspec3型地物波譜儀在暗室內(nèi)以50w鹵素?zé)魹槲ㄒ还庠催M(jìn)行土壤光譜測定(350～2500nm波段)。采樣間隔為1nm，光源入射角45°，距土樣表面30cm，探頭位于土樣表面垂直上方12cm處，視場角10°，土樣覆蓋面積約44cm²，土樣平均厚度近1cm。測定前先用白板校正，每個樣本采集10條光譜曲線，去除350～399nm和2451～2500nm邊緣波段，保留400～2400nm波段，進(jìn)行算術(shù)平均后得到各土樣的實(shí)際反射光譜數(shù)據(jù)。

步驟2：將重金屬反射光譜與重金屬元素的核外電子排布式聯(lián)系起來，觀察重金屬的反射光譜特征；

重金屬元素的核外電子排布式，主要指重金屬中心離子的(n-1)d軌道上的電子填充狀態(tài)(n為能量量子數(shù)，d為軌道類型，d軌道最多能容納10個電子)。

步驟3：結(jié)合晶體場理論分析重金屬的特征反射峰出現(xiàn)的波段位置及其原因；

重金屬化合物的特征反射峰為重金屬在可見光區(qū)的反射率形成的曲線，呈“峰狀”。

重金屬的特征反射峰由重金屬化合物的中心離子(n-1)d軌道上的電子填充狀態(tài)決定，當(dāng)(n-1)d軌道未被電子填滿時，(n-1)d軌道上的電子獲得光能后，在晶體場的作用下發(fā)生能級分裂，產(chǎn)生從低能d軌道向高能d軌道的電子躍遷(d-d躍遷)，重金屬選擇性地吸收可見光區(qū)這一波段的光，剩下的未被吸收的光線則反射回來，形成反射峰；當(dāng)(n-1)d軌道被電子填滿時，吸收光能后不會發(fā)生軌道能級分裂，亦不會發(fā)生d-d躍遷，在可見光區(qū)不會出現(xiàn)特征反射峰。其中，

步驟4：采集土壤樣本，向土壤樣品中添加不同濃度梯度的重金屬化合物，研磨混合均勻后測量可見-近紅外反射光譜數(shù)據(jù)；

采樣時，在采樣點(diǎn)處將植物殘留物、碎屑和石塊等剔除后，在約10m²的范圍內(nèi)采集0-20cm的表層土壤10份約1.5kg的土壤，然后均勻混合在一起，取不少于500g的土壤樣本裝入自封袋后帶回實(shí)驗(yàn)室，土樣在自然條件下經(jīng)風(fēng)干、研磨、過2mm孔篩。將某一采樣點(diǎn)的土壤平均分成24份，每份10g，用于重金屬的添加和光譜量測。

向土壤樣品中添加不同濃度梯度的重金屬化合物，其具體步驟如下：

步驟4.1：采集土壤樣本，進(jìn)行一定處理，將該土壤樣品按采樣點(diǎn)的不同平均分成若干份，每一采樣點(diǎn)的土樣分為一大組，均用于重金屬化合物的添加；

步驟4.2：向土壤樣本中分別添加8個濃度梯度的重金屬化合物，研磨混合均勻，并設(shè)置空白對照組；

向24份土壤樣品中分別添加8個濃度梯度的crcl3、cucl2、zncl2(詳見表1)，測量其可見-近紅外反射光譜(如圖2、3、4所示)，研究不同種類不同濃度的重金屬對土壤的反射光譜的影響；

表1重金屬濃度設(shè)計(jì)

步驟4.3：測量分別添加了重金屬化合物的土壤樣品的可見-近紅外反射光譜。

步驟5：對樣本反射光譜進(jìn)行不同光譜預(yù)處理；

預(yù)處理方法為：

吸光度轉(zhuǎn)化(transmissiontoabsorbancelog(1/t))、savitzky-golay卷積平滑法、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換(standardnomalvariatetransformation,snv)、多元散射校正(multiplicativescattercorrection，msc)、savitzky-golay卷積求導(dǎo)法，求導(dǎo)模式為2次多項(xiàng)式類型，15平滑點(diǎn)數(shù)，1階導(dǎo)數(shù)(1stderivative,fd)平滑、2階導(dǎo)數(shù)(2ndderivative,sd)平滑。

(1)吸光度轉(zhuǎn)化；

吸光度轉(zhuǎn)化(transmissiontoabsorbancelog(1/t))是基于kubelka-munk(k-m)函數(shù)與樣品濃度的關(guān)系，當(dāng)樣品濃度不高時，吸收系數(shù)與樣品濃度成正比，其表達(dá)式如下：

式中，r∞為實(shí)際測定的相對漫反射率；k為漫反射吸收系數(shù)，取決于漫發(fā)射體的化學(xué)組成；s為散射系數(shù)，取決于漫反射體的物理特性；b為光程；c為樣品濃度。

(2)savitzky-golay卷積平滑法；

savitzky-golay卷積平滑法(s-g平滑)又稱多項(xiàng)式平滑，是通過多項(xiàng)式來對移動窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式最小二乘擬合，其實(shí)質(zhì)是一種加權(quán)平均法，更強(qiáng)調(diào)中心點(diǎn)的中心作用。波長k處經(jīng)平滑后的平均值為：

式中，x為樣品光譜(樣品數(shù)n×波長點(diǎn)數(shù)m)，hi為平滑系數(shù)，w為波長點(diǎn)數(shù)，i表示第i個平滑窗口，xk+i表示第i個窗口的中心波長點(diǎn)自左至右依次移動k處的光譜，h為歸一化因子，每一測量值乘以平滑系數(shù)hi的目的是盡可能減小平滑對有用信息的影響；hi/h可基于最小二乘原理，用多項(xiàng)式擬合求得。

(3)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換法；

標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換(standardnomalvariatetransformation，snv)主要是用來消除固體顆粒大小、表面散射以及光程變化對nir漫反射光譜的影響。對需snv變換的光譜計(jì)算式如下：

其中，樣品光譜x(樣品數(shù)n×波長點(diǎn)數(shù)m)，樣本的平均光譜xk表示波長點(diǎn)k處的光譜，m為波長點(diǎn)數(shù)，k＝1,2,3,···m。

(4)多元散射校正；

多元散射校正(multiplicativescattercorrection,msc)的目的與snv基本相同，主要是消除顆粒分布不均勻及顆粒大小產(chǎn)生的散射影響。

(5)savitzky-golay卷積求導(dǎo)法；

光譜的一階(1^stderivative，fd)和二階導(dǎo)數(shù)(2^nd，derivativesd)是光譜分析中常用的基線校正和光譜分辨預(yù)處理方法。

本實(shí)施例運(yùn)用matlab中的pls_toolbox對得到的樣本反射光譜進(jìn)行吸光度轉(zhuǎn)化(transmissiontoabsorbancelog(1/t))、savitzky-golay卷積平滑法、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換(standardnomalvariatetransformation,snv)、多元散射校正(multiplicativescattercorrection，msc)、savitzky-golay卷積求導(dǎo)法，求導(dǎo)模式為2次多項(xiàng)式類型，15平滑點(diǎn)數(shù)，1階導(dǎo)數(shù)(1stderivative，fd)平滑、2階導(dǎo)數(shù)(2ndderivative，sd)平滑等不同光譜預(yù)處理；

步驟6：對預(yù)處理后的樣品反射光譜作皮爾遜相關(guān)系數(shù)曲線(如圖5、6、7所示)，探究重金屬濃度與土壤反射光譜之間的線性相關(guān)關(guān)系及顯著相關(guān)(p<0.05)波段出現(xiàn)的位置和潛在機(jī)理。

步驟6中，在進(jìn)行皮爾遜相關(guān)系數(shù)計(jì)算時，由于原始土壤樣品中重金屬元素含量的土壤背景值相比于加入的重金屬化合物的濃度1000mg/kg～20000mg/kg，二者相差甚遠(yuǎn)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響很小，可忽略不計(jì)。表2為大冶地區(qū)土壤重金屬背景值；

表2大冶地區(qū)土壤重金屬背景值*mg·kg^-1

表2數(shù)據(jù)來源于參考文獻(xiàn)：胡學(xué)玉,孫宏發(fā),陳德林.大冶礦區(qū)土壤重金屬積累對土壤酶活性的影響[j].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2007,16(5):1421-1423。

本發(fā)明涉及了一種土壤重金屬可見-近紅外反射光譜特征診斷的方法，即從研究重金屬自身反射光譜特征出發(fā)，設(shè)計(jì)不同類型不同濃度梯度的重金屬污染土壤的實(shí)驗(yàn)，提取特征波段，探索重金屬污染土壤的潛在機(jī)理，低成本、可靠地進(jìn)行土壤重金屬的反射光譜研究，本發(fā)明為土壤重金屬的定性和定量反射光譜分析提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)參考，具有重要意義。

上述具體實(shí)施方式用來解釋本發(fā)明，本發(fā)明涉及的是利用可見-近紅外反射光譜技術(shù)對土壤重金屬進(jìn)行研究的一種具體方法，而不是說可見-近紅外反射光譜技術(shù)對土壤重金屬進(jìn)行研究只限于此方法，也不是說本發(fā)明的所有實(shí)驗(yàn)參數(shù)固定不變，本發(fā)明的重要意義在于對在土壤重金屬的反射光譜研究提供了一種新思路，即從重金屬化合物本身和向土壤樣品中人為設(shè)計(jì)添加重金屬來研究，為可見-近紅外反射光譜技術(shù)用于土壤中重金屬的類型識別和含量估算提供實(shí)驗(yàn)參考和啟發(fā)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本說明書未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對較佳實(shí)施例的描述較為詳細(xì)，并不能因此而認(rèn)為是對本發(fā)明專利保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā)明的請求保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。