土壤中氮檢測技術(shù)研究進(jìn)展

魯 珊，毛彩云，肖荷霞，陸建章，岳金生

(滄州市農(nóng)林科學(xué)院，河北滄州 061001)

目前，土壤是作物氮素營養(yǎng)的主要來源。土壤中的氮素包括無機(jī)態(tài)氮和有機(jī)態(tài)氮兩大類，其中95%以上為有機(jī)態(tài)氮，主要包括腐殖質(zhì)、蛋白質(zhì)、氨基酸等。小分子的氨基酸可直接被植物吸收。有機(jī)態(tài)氮必須經(jīng)過礦化作用轉(zhuǎn)化為銨，才能被作物吸收，屬于緩效氮［1］。傳統(tǒng)的土壤成分含量檢測以化學(xué)方法為主，主要有凱氏定氮法、化學(xué)發(fā)光法、雙波長法以及最近幾年研究的ASI法。但是，這些傳統(tǒng)的方法存在檢測速度慢、實(shí)時(shí)性差、有污染等缺點(diǎn)［2］。

近紅外技術(shù)(NIRS)是20世紀(jì)60年代興起的一種快速分析技術(shù)［3］，具有簡便、快速、低成本、非破壞和多組分同時(shí)測定等優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)監(jiān)測等領(lǐng)域［4－6］。利用近紅外分析，預(yù)測某種物質(zhì)中某種成分含量和特征的基本過程是首先選擇適宜的樣本集，進(jìn)行光譜掃描，建立物質(zhì)組分和性質(zhì)的定標(biāo)模型，也就是建立近紅外數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)分析測定的樣品成分(或性質(zhì))數(shù)值的相關(guān)回歸方程，然后根據(jù)待測樣品的光譜特征利用相應(yīng)的定標(biāo)模型對樣品成分(或性質(zhì))進(jìn)行預(yù)測。

1 測氮的基本方法

1.1 開氏法 近百年來，許多科學(xué)工作者對全氮的測定方法進(jìn)行不斷改進(jìn)，提出了許多新方法，主要有重鉻酸鉀—硫酸消化法、高氯酸—硫酸消化法、硒粉—硫酸銅—硫酸消化法。但是，開氏法目前仍作為一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)方法。該方法容易被掌握，測定結(jié)果穩(wěn)定，準(zhǔn)確率較高。但是，該方法操作繁瑣，測定一個(gè)樣品大約需要60 min，不適合大批量樣品分析，也不適合處理固定態(tài)氮和硝態(tài)氮含量較高的土壤［7－8］。

1.2 化學(xué)發(fā)光法 劉炎超等［9］建立了一種快速、簡便的測定土壤中銨態(tài)氮的方法。土壤中的有效氮加堿蒸餾，用硫酸吸收，全部轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，NH4+在堿性溶液中能還原ClO－，該反應(yīng)和化學(xué)發(fā)光反應(yīng)ClO－Luminol相耦合，通過測定剩余的ClO－來達(dá)到間接測定NH4+的目的。

該方法的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性均能滿足測定土壤中有效氮含量的要求，測定周期比堿解擴(kuò)散法大為縮短，是測定土壤中有效氮的理想方法。方法中采用了結(jié)構(gòu)簡單、便攜的化學(xué)發(fā)光儀，也適合在基層推廣使用。

1.3 雙波長法 涂長青等［10］用雙波長法測定出的土壤硝態(tài)氮含量范圍寬，靈敏度高;雙波長法測定土壤硝態(tài)氮與流動(dòng)分析法和反射儀法測定的結(jié)果高度相關(guān);雙波長法測定土壤硝態(tài)氮與流動(dòng)分析法和反射儀法測定的結(jié)果之間沒有顯著差異。

1.4 ASI法 ASI方法是在多年來國際上土壤測試和推薦施肥的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展形成的一套高效、快速、精確地用于土壤養(yǎng)分測試和推薦施肥的完整方法。ASI法又稱土壤養(yǎng)分狀況系統(tǒng)研究法，是一套用于土壤養(yǎng)分測試和推薦施肥的完整方法。ASI法適合于中性、酸性、堿性和石灰性土壤。目前，國內(nèi)有許多學(xué)者［11－13］都研究過采取這種方法測定土壤中氮的含量。

2 新技術(shù)的應(yīng)用

土壤樣品具有獨(dú)特的近紅外漫反射光譜圖。在3 600～7 600 cm譜區(qū)內(nèi)，土壤樣品有獨(dú)特的吸收特征。光譜反映出的信息主要是樣品中的C－H、N－H、O－H、S－H的倍頻和合頻信息。采用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法對得到的近紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立穩(wěn)定的數(shù)學(xué)模型，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)快速、準(zhǔn)確地定量測定植煙土壤樣品中的全氮和有機(jī)質(zhì)含量的目的。

潘瑜春［14］研究了以小麥追肥前后相隔14 d的2個(gè)時(shí)相高光譜遙感航空影像提取小麥長勢，結(jié)合小麥種植前后的土壤采樣數(shù)據(jù)，研究均一施氮地塊內(nèi)NDVI與土壤堿解氮增量之間的關(guān)系，以便通過小麥長勢監(jiān)測實(shí)現(xiàn)均一施肥條件下農(nóng)田地塊內(nèi)部氮素累積監(jiān)測評價(jià)，進(jìn)而為農(nóng)田肥力監(jiān)測、農(nóng)田面源污染遙感監(jiān)測提供依據(jù)。

Bernard等［15］用近紅外光譜法分析了大部分土壤中的氮含量，發(fā)現(xiàn)用這種方法能夠精確地預(yù)測土壤分布的氮濃度。Ben-Dor等［16］研究了土壤的形成、退化以及土壤的污染，測定了土壤的成分，并利用光譜的特性預(yù)測了土壤中各成分的組成。畢衛(wèi)紅等［17］用近紅外光譜對秦皇島市昌黎地區(qū)土壤中的全氮含量進(jìn)行了分析。對土壤光譜進(jìn)行一階微分，然后采用多元線性回歸，確定最佳維數(shù)，建立校正模型，利用校正模型對土壤中全氮含量進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果表明，近紅外光譜分析技術(shù)與化學(xué)分析方法相關(guān)性很高。徐永明等［18］利用土壤光譜各吸收帶的特征參數(shù)與總氮含量進(jìn)行逐步回歸運(yùn)算，確定與氮元素關(guān)系比較密切的幾個(gè)吸收帶，計(jì)算出這幾個(gè)特征吸收帶內(nèi)土壤反射率的變化形式。結(jié)果表明，土壤的反射率光譜與氮元素含量之間存在比較明顯的相關(guān)性，可見光/近紅外反射光譜具有快速估算土壤中氮元素含量的潛力。程彬等［19］利用航天遙感影像，分析了影像光譜值與土壤總氮含量之間的關(guān)系。利用多元統(tǒng)計(jì)方法，建立了總氮含量預(yù)測模型，并且制作了總氮含量分布圖。李鑫等［20］探討了利用近紅外光譜法測定水稻土全氮含量的可行性，利用Nicolet公司生產(chǎn)的傅里葉變換近紅外透射光譜儀測定129個(gè)水稻土樣品的近紅外光譜值，通過幾種不同的光譜前處理，采用偏最小二乘回歸(PLSR)法把測得的水稻土光譜值與實(shí)驗(yàn)室法測得的全氮數(shù)值擬合建立定標(biāo)模型，經(jīng)分析得出利用標(biāo)準(zhǔn)化處理的光譜數(shù)據(jù)與全氮含量之間建立的模型穩(wěn)定性最好。結(jié)果表明，近紅外法測定結(jié)果與常規(guī)方法具有很好的相關(guān)性，可以快速、無損、準(zhǔn)確地測定水稻土全氮含量。

3 發(fā)展趨勢

中國傳統(tǒng)的田間管理方式是單一的管理方式，目前國內(nèi)利用航天遙感影像進(jìn)行土壤屬性定量預(yù)測的研究較少。近紅外、遙感技術(shù)憑借其高光譜分辨率，具備定量獲取土壤化學(xué)組分的潛力，對利用土壤反射光譜估算土壤氮元素含量具有重要意義。與傳統(tǒng)方法相比，該方法準(zhǔn)確，可以用于土壤總氮含量制圖、化肥施用量調(diào)查以及農(nóng)業(yè)環(huán)境評價(jià)等方面。基于以上的優(yōu)點(diǎn)，在未來的發(fā)展空間中，該方法有著廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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