介紹
　　
　　傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化由于采用了施化肥、控制雜草、土壤耕作新方法以及選擇高產(chǎn)品種等手段已經(jīng)大幅提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量。農(nóng)藝技術(shù)可以可觀的影響土壤的肥力。如果精確農(nóng)業(yè)中的農(nóng)作物生產(chǎn)是持續(xù)和有成本效益的，就需要更多的有關(guān)土壤成分的信息。使用化學(xué)方法對(duì)土壤進(jìn)行分析是準(zhǔn)確的，但是需要很多的時(shí)間和人工，而且成本高，并且產(chǎn)生有害污染物影響環(huán)境，這些使得化學(xué)方法不適合作為常規(guī)的測(cè)定方法。近紅外反射光譜（NIR）是一種可能的備選方式，它同時(shí)節(jié)約了時(shí)間和人工勞力，并減少了化學(xué)試劑的成本。NIR已經(jīng)被不同程度地成功的應(yīng)用在一系列土壤成分的分析上。
　　
　　在ISCF的一個(gè)長(zhǎng)期項(xiàng)目中，正在研究不同作物輪作對(duì)土壤肥力的影響。作為對(duì)各種不同農(nóng)作物常規(guī)的研究的補(bǔ)充，從1985年開(kāi)始定期地收集土壤樣品，目前的收集周期是3年。主要目的是確定在土壤肥力尤其是土壤組成上的精細(xì)作物管理實(shí)施對(duì)多種農(nóng)作物輪作的主要及次要影響。
　　
　　此項(xiàng)目中近紅外（NIR）反射光譜用于土壤非破壞性特性分析的可能性研究已經(jīng)展開(kāi)，目標(biāo)是開(kāi)發(fā)可以預(yù)測(cè)諸如總有機(jī)碳、總氮、可交換鉀及有效磷等土壤中成分的穩(wěn)定定標(biāo)方程，用于田間試驗(yàn)中的監(jiān)控。
　　
　　材料和方法
　　
　　土壤樣品樣品從Lodi附近的PoValley的一個(gè)長(zhǎng)期試驗(yàn)田中收集，pH為6.2的砂質(zhì)土壤。比較了5種不同的輪作方式，分別代表了不同的作物強(qiáng)化程度的飼用作物體系：
　　
　�。�1）1年連續(xù)的雙作物輪作，意大利黑麥草（loliummultiflorumLam.） 青貯玉米（zeamaysL.）；（2）3年輪作，意大利黑麥草 青貯玉米-大麥（hordeumvulgareL.） 青貯玉米-糧用玉米；（3）6年輪作，意大利黑麥草 青貯玉米（3年）-輪作牧草（3年）（trifoliumrepensL. festucaarundinaceaSchreb.）；（4）永久牧草的單作；（5）糧用玉米的連續(xù)單作。
　　
　　每一個(gè)輪作從屬于2個(gè)作物管理實(shí)踐，包括不同的營(yíng)養(yǎng)水平、雜草控制和土壤耕種方法。在1985年實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，在1997年又重新開(kāi)始，在總共72塊土地的每一塊隨機(jī)鉆取5個(gè)土樣（0-30cm深）。
　　
　　化學(xué)和NIR分析所有樣品風(fēng)干后充分研磨去測(cè)定總氮、總有機(jī)碳、可交換鉀和有效磷，并進(jìn)行NIR掃描。總氮和總碳由杜馬斯燃燒法來(lái)測(cè)定，使用CEInstruments公司的NA1500元素分析儀。有效磷含量用0.5mgNaHCO3（pH8.5）溶液萃取后以抗壞血酸法測(cè)定。可交換鉀用1mg醋酸銨萃取后以電感耦合等離子發(fā)射光譜測(cè)定。
　　
　　土壤的光譜范圍是1100-2500nm。
　　
　　開(kāi)發(fā)NIR定標(biāo)初始的定標(biāo)數(shù)據(jù)是142個(gè)土壤樣品，對(duì)每一個(gè)成分都分別使用了Step-up，Stepwise和改進(jìn)的偏最小二乘法MPLS，用所有數(shù)據(jù)建立回歸模型。另外通過(guò)計(jì)算將光譜馬氏距離>3的反常樣品去除，或者手工排除那些難以很好解釋的樣品，再使用MPLS方法生成定標(biāo)方程。所有的模型都被用來(lái)預(yù)測(cè)1985年和1997年采集樣品的總氮、總有機(jī)碳、可交換鉀和有效磷含量。
　　
　　結(jié)果
　　
　　NIR定標(biāo)開(kāi)發(fā)獲得的定標(biāo)方程對(duì)總氮、總有機(jī)碳、可交換鉀和有效磷含量的預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)列于表1。
　　
　　表1：定標(biāo)方程開(kāi)發(fā)交互驗(yàn)證過(guò)程中對(duì)總氮、總有機(jī)碳、可交換鉀和有效磷含量預(yù)測(cè)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)
　　
標(biāo)回歸算法總氮總有機(jī)碳鉀磷
n*r2SECVn*r2SECVn*r2SECVn*r2SECV
Step-up1420.830.0101420.830.0714220.437.831420.706.92
Stepwise1420.850.0101420.870.061420.576.831420.726.66
MPLS1420.770.0071420.810.071420.497.511420.716.84
MPLS（手工挑選樣品）1290.870.0051380.810.071270.705.811280.834.89
MPLS（軟件挑選樣品）1340.770.0071320.810.071290.497.511310.716.84
　　
　　*在定標(biāo)運(yùn)算中使用的樣品數(shù)量
　　
　　從表中可以看出不同回歸算法得到的模型結(jié)果之間的差異�？傆袡C(jī)碳的定標(biāo)是其中最好的，總氮的略差一些�？山粨Q鉀和有效磷的結(jié)果相比于氮和碳要遜色�？傊�，交互驗(yàn)證的結(jié)果顯示了近紅外預(yù)測(cè)土壤中總氮和總有機(jī)碳的可行性。
　　
　　近紅外預(yù)測(cè)用上面獲得的定標(biāo)對(duì)于1985和1997年土壤樣品的進(jìn)行預(yù)測(cè)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)列于表2。
　　
　　表2：所有預(yù)測(cè)1985和1997土壤樣品中總氮、總有機(jī)碳、可交換鉀和有效磷含量的定標(biāo)模型準(zhǔn)確度
　　
標(biāo)回歸算法總氮總有機(jī)碳鉀磷
r2SEPBias*r2SEPBiasr2SEPBiasr2SEPBias
1985 預(yù)測(cè)
Step-up0.930.0040.0000.840.0540.0030.507.1140.3810.255.441-0.797
Stepwise0.930.0040.0000.860.051-0.0030.596.4110.2760.295.306-0.203
MPLS0.930.0040.0000.880.049-0.0010.695.589-0.0550.504.491-0.123
MPLS（手工挑選樣品）0.930.0040.0000.880.049-0.0010.636.233-0.1020.564.162-0.114
MPLS（軟件挑選樣品）0.940.0040.0000.890.0470.0020.665.8550.7570.574.083-0.127
1997預(yù)測(cè)
Step-up0.760.0080.0000.780.071-0.0030.507.507-0.3700.237.5560.775
Stepwise0.800.0070.0000.830.0610.0030.656.261-0.2680.257.1240.198
MPLS0.730.0080.0000.770.0740.0010.824.5580.0540.456.1300.119
MPLS（手工挑選樣品）0.680.0090.0000.740.0770.0000.765.2110.3030.237.3810.957
MPLS（軟件挑選樣品）0.670.0090.0010.720.0800.0010.488.208-0.2080.237.265-0.793
　　
　　*所有樣品的化學(xué)分析結(jié)果平均值和近紅外預(yù)測(cè)結(jié)果平均值之間的差異
　　
　　比較有意思的是，在總氮和總有機(jī)碳這2個(gè)成分上，1985年樣品的結(jié)果要好于1997年的結(jié)果。這2個(gè)成分最成功的預(yù)測(cè)是對(duì)1985年樣品，以MPLS方法回歸得到的模型。這2個(gè)成分的結(jié)果表明近紅外光譜可以做為測(cè)定它們的方式。對(duì)于可交換鉀，以r2和SEP作為其預(yù)測(cè)效果是相當(dāng)不錯(cuò)的，盡管與其它模型相比沒(méi)有那么成功。可交換鉀也可以用近紅外進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果的準(zhǔn)確性至少可以區(qū)分不同類(lèi)型的土壤樣品。最后討論一下有效磷，近紅外的預(yù)測(cè)結(jié)果似乎不是很成功，用于判斷磷含量高或低還是可靠的。
　　
　　結(jié)論
　　
　　通過(guò)我們的研究證明了，近紅外反射光譜可以用來(lái)測(cè)定土壤的總氮和總有機(jī)碳并有很好的準(zhǔn)確性，所以可以作為一種分析土壤樣品這些成分的常規(guī)的、快速的并且是非破壞性的方法。對(duì)于可交換鉀的結(jié)果稍遜，可以用于提供可靠的樣品分類(lèi)。對(duì)其它成分例如有效磷，至少在我們的研究中近紅外反射光譜似乎可用于大致的粗測(cè)。一個(gè)利用同一長(zhǎng)期試驗(yàn)的新系列的6年輪作土壤樣品對(duì)近紅外可靠性的驗(yàn)證工作正在進(jìn)行中。