基于臭氧氧化發(fā)光光譜的土壤養(yǎng)分原位速測方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于臭氧氧化發(fā)光光譜的土壤養(yǎng)分原位速測方法及裝置，方法為：制取臭氧，進(jìn)行干燥、凈化后進(jìn)入反應(yīng)室，與土壤樣品發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生光信號；由聚光器聚光后經(jīng)切光器斬光，形成已知波段的光譜信號，再經(jīng)放大器放大信號及濾波器去除噪聲，獲取較強(qiáng)的光譜信號；放大后的光譜信號經(jīng)濾光片輸出特定波段光譜信號，即土壤養(yǎng)分光譜數(shù)據(jù)，被探測后，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，進(jìn)行預(yù)處理后，經(jīng)預(yù)測模型進(jìn)行光譜解析，獲取土壤養(yǎng)分含量，包括土壤有機(jī)質(zhì)及其組分含量、氮含量，并保存和顯示土壤養(yǎng)分含量。本發(fā)明建立的快速測定土壤養(yǎng)分的方法具有低成本、快速、無污染的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】基于臭氧氧化發(fā)光光譜的土壤養(yǎng)分原位速測方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說，是涉及一種基于臭氧氧化發(fā)光光 譜的土壤養(yǎng)分原位速測方法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，根據(jù)作物在不同生長發(fā)育階段對養(yǎng)分的需求，調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分狀況， 是獲取農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。因此，實(shí)時掌握土壤養(yǎng)分動態(tài)，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科學(xué)施 月巴，不僅有助于農(nóng)作物保收增產(chǎn)，而且有助于改善土壤生態(tài)環(huán)境。
[0003] 傳統(tǒng)測定土壤養(yǎng)分的方法一般為常規(guī)化學(xué)分析方法，化學(xué)分析方法存在如下缺 點(diǎn)：1、分析過程需要大量的前處理過程，耗費(fèi)大量時間，測試效率較低，對于分散的農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)不能及時給予科學(xué)指導(dǎo)；2、消耗大量試劑，產(chǎn)生較重二次污染，違背監(jiān)測初衷。在這種背 景下，土壤養(yǎng)分速測研究成為熱點(diǎn)，并有部分產(chǎn)品問世。其中，近紅外光譜方法應(yīng)用較多，但 對應(yīng)的產(chǎn)品價格過高，限制了其應(yīng)用范圍。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于臭氧氧化發(fā)光光譜的土壤養(yǎng)分原位速測方法，該 方法較紅外光譜方法成本低，能夠置于田間、快速準(zhǔn)確的測定土壤有機(jī)質(zhì)及其組分含量、總 氮含量。而且不需要繁瑣的化學(xué)分析，避免化學(xué)分析中可能導(dǎo)致的環(huán)境污染及對人體造成 的健康危害。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0006] -種基于臭氧氧化發(fā)光光譜的土壤養(yǎng)分原位速測方法，其特征在于，所述方法包 括如下步驟：
[0007] 1)制取臭氧并干燥凈化；
[0008] 2)將臭氧與土壤樣品充分反應(yīng)，產(chǎn)生光信號，將光信號由聚光器匯合后通過切光 器進(jìn)行斬光，形成已知波段的光譜信號，再經(jīng)放大器放大信號及濾波器去除噪聲，獲取較強(qiáng) 的光譜信號；
[0009] 3)對處理后的光譜信號依次經(jīng)過不同土壤養(yǎng)分特定波段的濾光片后，獲取土壤養(yǎng) 分的原始光譜；
[0010] 4) 土壤養(yǎng)分的原始光譜被探測器接收，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，同 時輸出電信號特征；
[0011] 5)將電信號特征輸入預(yù)測模型，輸出土壤養(yǎng)分含量。
[0012] 其中，在步驟5)中的預(yù)測模型為通過標(biāo)準(zhǔn)樣品和空白樣品進(jìn)行繪制，分別測定標(biāo) 準(zhǔn)樣品和空白樣品的臭氧氧化發(fā)光光譜，根據(jù)常規(guī)化學(xué)方法測定標(biāo)準(zhǔn)樣品和空白樣品的土 壤養(yǎng)分含量，建立不同土壤養(yǎng)分含量與對應(yīng)特征光譜的函數(shù)關(guān)系，作為不同土壤養(yǎng)分的預(yù) 測模型。
[0013] 在步驟3)中的濾光片設(shè)置有5個，所述5個濾光片的波段及其對應(yīng)的土壤養(yǎng)分分 別為：680nm，有機(jī)質(zhì)組分-脂類；610nm，土壤氮；560nm，有機(jī)質(zhì)組分-粗木質(zhì)素；550nm，土 壤有機(jī)質(zhì)；420nm，有機(jī)質(zhì)組分-粗纖維素。
[0014] 基于上述基于臭氧氧化發(fā)光光譜的土壤養(yǎng)分原位速測方法的設(shè)計(jì)，本發(fā)明還提出 了一種裝置，包括臭氧氧化發(fā)光信號采集裝置、光信號強(qiáng)化放大裝置、土壤養(yǎng)分光譜采集裝 置、光譜解析及數(shù)據(jù)處理裝置；
[0015] 臭氧氧化發(fā)光信號采集裝置包括反應(yīng)室和聚光器，土壤樣品與臭氧在反應(yīng)室反應(yīng) 產(chǎn)生光信號，并由聚光器采集土壤樣品與臭氧反應(yīng)產(chǎn)生的光信號；
[0016] 光信號強(qiáng)化放大裝置包括切光器、放大器和濾波器，對采集的光信號進(jìn)行斬光、放 大處理，即經(jīng)切光器進(jìn)行斬光，形成已知波段的光譜信號，再經(jīng)放大器放大信號及濾波器去 除噪聲，獲取較強(qiáng)的的光譜信號；
[0017] 土壤養(yǎng)分光譜采集裝置包括濾光片、探測器和光電轉(zhuǎn)換器，光信號強(qiáng)化放大裝置 處理后的光信號依次經(jīng)過不同土壤養(yǎng)分特定波段的濾光片后，獲取土壤養(yǎng)分的原始光譜， 土壤養(yǎng)分的原始光譜被探測器接收，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，同時輸出電信 號特征；
[0018] 光譜解析及數(shù)據(jù)處理裝置將電信號特征輸入預(yù)測模型，輸出土壤養(yǎng)分含量。
[0019] 裝置還進(jìn)一步包括臭氧發(fā)生裝置，臭氧發(fā)生裝置包括臭氧發(fā)生器、干燥皿和分子 篩，臭氧發(fā)生器制取臭氧，經(jīng)過干燥皿和分子篩進(jìn)行干燥凈化處理。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：本發(fā)明確定土壤養(yǎng)分的臭氧氧化 發(fā)光光譜的特定波段，建立土壤養(yǎng)分含量與光譜特征的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)通過臭氧氧化發(fā)光 光譜快速檢測土壤養(yǎng)分的目的。本發(fā)明建立的快速測定土壤養(yǎng)分的方法具有低成本、快速、 無污染的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明檢測裝置搭建成本低，〈1萬元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于紅外光譜檢測裝置的成本， 但是測量精度很高，誤差小于5% ;本發(fā)明測定速度快，能夠在〈0. 5h的時間內(nèi)測定土壤有 機(jī)質(zhì)及其組分含量和氮含量，遠(yuǎn)小于常規(guī)化學(xué)的測定時間（有機(jī)質(zhì)組分含量測定至少3d); 測試過程不需要化學(xué)試劑，所用的臭氧濃度較低（〈5% )，未參與反應(yīng)的臭氧在空氣中會迅 速分解，對環(huán)境和人體健康均不構(gòu)成危害。本發(fā)明建立的快速測定土壤養(yǎng)分的方法可以極 大的促進(jìn)土壤學(xué)和生態(tài)學(xué)的發(fā)展，并有助于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展，具有廣泛的 應(yīng)用空間。
[0021] 結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明實(shí)施方式的詳細(xì)描述后，本發(fā)明的其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更 加清楚。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明具體實(shí)施例的流程圖。
[0023] 圖2為本發(fā)明具體實(shí)施例的原理框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)地描述。
[0025] 本實(shí)施例利用臭氧氧化發(fā)光光譜測定土壤養(yǎng)分的含量，臭氧氧化土壤時產(chǎn)生光信 號，經(jīng)光信號強(qiáng)化放大處理，由濾光片提取不同土壤養(yǎng)分的光譜波段信號，根據(jù)光譜信號特 征和對應(yīng)的預(yù)測模型輸出不同土壤養(yǎng)分的含量。
[0026] 參見圖1，對本實(shí)施例提出的基于臭氧氧化發(fā)光光譜的土壤養(yǎng)分原位速測方法具 體說明如下：
[0027] S1、空氣被硅膠干燥后，經(jīng)過臭氧發(fā)生器制取臭氧，制取的臭氧經(jīng)硅膠干燥皿、分 子篩（5A分子篩，青島海洋分子篩有限公司）進(jìn)行干燥、除雜凈化處理，獲取純度較高的臭 氧。
[0028] S2、凈化后的臭氧進(jìn)入反應(yīng)室，與土壤樣品充分反應(yīng)，產(chǎn)生光信號。
[0029] S3、土壤樣品發(fā)出的光由聚光器匯合，對光信號進(jìn)行米集。
[0030] S4、采集的光信號經(jīng)過反應(yīng)室的小窗傳遞到切光器進(jìn)行斬光，斬光后，獲取的光信 號依次經(jīng)過放大器、濾波器進(jìn)行光信號的強(qiáng)化放大處理。其中，斬光器為北京中西遠(yuǎn)大科技 有限公司的M45965斬光器；放大器為AD公司的AD547放大器；濾波器為BB公司的UAF42 濾波器。
[0031] S5、對處理后的光信號依次經(jīng)過5個不同土壤養(yǎng)分特定波段的濾光片后選擇土壤 有機(jī)質(zhì)及其組分、氮含量的原始光譜。
[0032] 每種土壤養(yǎng)分分別對應(yīng)不同的特征光譜波段，這些特征光譜波段的獲取方法如 下：通過常規(guī)化學(xué)分析測定大量土壤樣品的土壤有機(jī)質(zhì)及其組分含量、氮含量；本實(shí)施例 測定土壤樣品的數(shù)量為42份，通過檢測系統(tǒng)獲取42份土壤樣品的光譜波段，通過多元散射 校正消除基線漂移，通過穩(wěn)健主成分分析剔除異常值，通過Kennard-Stone算法進(jìn)行分類， 選出有代表性的定標(biāo)集和檢驗(yàn)集；采用相關(guān)系數(shù)譜得到與土壤養(yǎng)分相關(guān)性較強(qiáng)的區(qū)域，減 少光譜范圍；利用連續(xù)投影算法列舉土壤養(yǎng)分對應(yīng)波長，根據(jù)相關(guān)系數(shù)及誤差，優(yōu)選出土壤 養(yǎng)分對應(yīng)的特征波長。
[0033] 本實(shí)施例中，5個濾光片的波段及其對應(yīng)的土壤養(yǎng)分分別為：680nm，有機(jī)質(zhì)組 分-脂類；610nm，土壤氮；560nm，有機(jī)質(zhì)組分-粗木質(zhì)素；550nm，土壤有機(jī)質(zhì)；420nm，有機(jī) 質(zhì)組分-粗纖維素。
[0034] S6、土壤養(yǎng)分原始光譜被探測器接收后，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，同 時輸出電信號特征。
[0035] S7、土壤養(yǎng)分原始數(shù)據(jù)經(jīng)平滑、標(biāo)準(zhǔn)化、中心化、導(dǎo)數(shù)、多元散射校正和標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變 量等光譜預(yù)處理后，獲取特征光譜強(qiáng)度、面積等參數(shù)，輸入各土壤養(yǎng)分的預(yù)測模型，輸出土 壤養(yǎng)分含量，并保存和顯示。其中，光譜預(yù)處理為現(xiàn)有常用的處理方法，不進(jìn)行具體說明；土 壤有機(jī)質(zhì)與氮含量分別與對應(yīng)特征光譜的強(qiáng)度線性相關(guān)、土壤有機(jī)質(zhì)組分含量與對應(yīng)特征 光譜的強(qiáng)度/面積線性相關(guān)。
[0036] 本實(shí)施例的土壤養(yǎng)分預(yù)測模型通過標(biāo)準(zhǔn)樣品（湖北水稻土 GBW07415a)和空白樣 品（青島六浴砂土，磨細(xì)至80目，500°C焙燒2小時）進(jìn)行繪制，分別測定標(biāo)準(zhǔn)樣品和空白 樣品的臭氧氧化發(fā)光光譜，根據(jù)常規(guī)化學(xué)方法測定標(biāo)準(zhǔn)樣品和空白樣品的土壤養(yǎng)分含量， 建立不同土壤養(yǎng)分含量與對應(yīng)特征光譜的函數(shù)關(guān)系，作為不同土壤養(yǎng)分的預(yù)測模型。
[0037] 下面通過本實(shí)施例與常規(guī)化學(xué)分析方法進(jìn)行土壤養(yǎng)分含量檢測的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行 對比。
[0038] 常規(guī)化學(xué)分析方法測定有機(jī)質(zhì)含量的步驟如下：稱取300±10mg風(fēng)干樣品于試 管中，加入0. lg硫酸銀、10. OOmL重鉻酸鉀-硫酸標(biāo)液，勿使樣品結(jié)塊；放上漏斗，防止加 熱時樣品濺出；空白樣（待測土壤磨細(xì)至80目，500°C焙燒2小時）試管與實(shí)驗(yàn)樣試管至 于185-190°C的油浴鍋中，待試管沸騰5min后，取出，將油液擦凈；將試管內(nèi)所有樣品倒入 250mL燒杯中，加入5mL磷酸溶液，用硫酸亞鐵標(biāo)液滴定至大部分黃色褪去時，加入2-3滴 苯基代鄰氨基苯甲酸指示劑，繼續(xù)滴至溶液由紫色突變成綠色為止。土壤有機(jī)質(zhì)的含量計(jì) 算公式如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于臭氧氧化發(fā)光光譜的土壤養(yǎng)分原位速測方法，其特征在于，所述方法包括 如下步驟： 1) 制取臭氧并干燥凈化； 2) 將臭氧與土壤樣品充分反應(yīng)，產(chǎn)生光信號，將光信號由聚光器匯合后通過切光器進(jìn) 行斬光，形成已知波段的光譜信號，再經(jīng)放大器進(jìn)行信號放大、濾波器過濾噪聲，獲取較強(qiáng) 的光譜信號； 3) 對處理后的光譜信號依次經(jīng)過不同土壤養(yǎng)分特定波段的濾光片后，獲取土壤養(yǎng)分的 原始光譜； 4) 土壤養(yǎng)分的原始光譜被探測器接收，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，同時輸 出電信號特征； 5) 將電信號特征輸入預(yù)測模型，輸出土壤養(yǎng)分含量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于臭氧氧化發(fā)光光譜的土壤養(yǎng)分原位速測方法，其特征在 于，所述步驟5)中的預(yù)測模型為通過標(biāo)準(zhǔn)樣品和空白樣品進(jìn)行繪制，分別測定標(biāo)準(zhǔn)樣品和 空白樣品的臭氧氧化發(fā)光光譜，根據(jù)常規(guī)化學(xué)方法測定標(biāo)準(zhǔn)樣品和空白樣品的土壤養(yǎng)分含 量，建立不同土壤養(yǎng)分含量與對應(yīng)特征光譜的函數(shù)關(guān)系，作為不同土壤養(yǎng)分的預(yù)測模型。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于臭氧氧化發(fā)光光譜的土壤養(yǎng)分原位速測方法，其特 征在于，所述步驟3)中的濾光片設(shè)置有5個，所述5個濾光片的波段及其對應(yīng)的土壤養(yǎng)分 分別為：680 nm，有機(jī)質(zhì)組分-脂類；610 nm，土壤氮；560 nm，有機(jī)質(zhì)組分-粗木質(zhì)素；550 nm，土壤有機(jī)質(zhì)；420 nm，有機(jī)質(zhì)組分-粗纖維素。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于臭氧氧化發(fā)光光譜的土壤養(yǎng)分原位速測裝置，其特征在 于，所述裝置包括臭氧氧化發(fā)光信號采集裝置、光信號強(qiáng)化放大裝置、土壤養(yǎng)分光譜采集裝 置、光譜解析及數(shù)據(jù)處理裝置； 所述臭氧氧化發(fā)光信號采集裝置包括反應(yīng)室和聚光器，所述土壤樣品與臭氧在反應(yīng)室 反應(yīng)產(chǎn)生光信號，并由聚光器采集土壤樣品與臭氧反應(yīng)產(chǎn)生的光信號； 所述光信號強(qiáng)化放大裝置包括切光器、放大器和濾波器，經(jīng)斬光器進(jìn)行斬光，形成已知 波段的光譜信號，再經(jīng)放大器放大信號及濾波器去除噪聲，獲取較強(qiáng)的光譜信號； 所述土壤養(yǎng)分光譜采集裝置包括濾光片、探測器和光電轉(zhuǎn)換器，光信號強(qiáng)化放大裝置 處理后的光信號依次經(jīng)過不同土壤養(yǎng)分特定波段的濾光片后，獲取土壤養(yǎng)分的原始光譜， 土壤養(yǎng)分的原始光譜被探測器接收，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，同時輸出電信 號特征； 所述光譜解析及數(shù)據(jù)處理裝置將電信號特征輸入預(yù)測模型，輸出土壤養(yǎng)分含量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于臭氧氧化發(fā)光光譜的土壤養(yǎng)分原位速測裝置，其特征在 于，所述裝置包括臭氧發(fā)生裝置，所述臭氧發(fā)生裝置包括臭氧發(fā)生器、干燥皿和分子篩，所 述臭氧發(fā)生器制取臭氧，經(jīng)過干燥皿和分子篩進(jìn)行干燥凈化處理。
【文檔編號】G01N21/62GK104089932SQ201410305351
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】范萍萍, 侯廣利, 張述偉, 吳炳偉, 郭翠蓮, 張穎, 褚東志, 吳寧, 程巖, 馬然, 石小梅, 王茜, 劉東彥, 孔祥峰, 劉巖, 尤小華, 高楊, 張穎穎, 曹煊, 曹璐, 張婷, 王昭玉, 呂婧, 鄒妍, 張國華 申請人:山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所