土壤中氮檢測技術研究進展

魯 珊，毛彩云，肖荷霞，陸建章，岳金生

(滄州市農林科學院，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態(tài)氮和有機態(tài)氮兩大類，其中95%以上為有機態(tài)氮，主要包括腐殖質、蛋白質、氨基酸等。小分子的氨基酸可直接被植物吸收。有機態(tài)氮必須經過礦化作用轉化為銨，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方法為主，主要有凱氏定氮法、化學發(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、實時性差、有污染等缺點［2］。

近紅外技術(NIRS)是20世紀60年代興起的一種快速分析技術［3］，具有簡便、快速、低成本、非破壞和多組分同時測定等優(yōu)點，目前已被廣泛應用于醫(yī)藥、化工、農產品品質監(jiān)測等領域［4－6］。利用近紅外分析，預測某種物質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，進行光譜掃描，建立物質組分和性質的定標模型，也就是建立近紅外數(shù)據(jù)與實驗室標準分析測定的樣品成分(或性質)數(shù)值的相關回歸方程，然后根據(jù)待測樣品的光譜特征利用相應的定標模型對樣品成分(或性質)進行預測。

1 測氮的基本方法

1.1 開氏法 近百年來，許多科學工作者對全氮的測定方法進行不斷改進，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統(tǒng)一的標準方法。該方法容易被掌握，測定結果穩(wěn)定，準確率較高。但是，該方法操作繁瑣，測定一個樣品大約需要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，全部轉化為銨態(tài)氮，NH4+在堿性溶液中能還原ClO－，該反應和化學發(fā)光反應ClO－Luminol相耦合，通過測定剩余的ClO－來達到間接測定NH4+的目的。

該方法的穩(wěn)定性和準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。方法中采用了結構簡單、便攜的化學發(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)氮與流動分析法和反射儀法測定的結果高度相關;雙波長法測定土壤硝態(tài)氮與流動分析法和反射儀法測定的結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，國內有許多學者［11－13］都研究過采取這種方法測定土壤中氮的含量。

2 新技術的應用

土壤樣品具有獨特的近紅外漫反射光譜圖。在3 600～7 600 cm譜區(qū)內，土壤樣品有獨特的吸收特征。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。采用化學計量學方法對得到的近紅外光譜數(shù)據(jù)進行處理，建立穩(wěn)定的數(shù)學模型，可以實現(xiàn)應用近紅外光譜技術快速、準確地定量測定植煙土壤樣品中的全氮和有機質含量的目的。

潘瑜春［14］研究了以小麥追肥前后相隔14 d的2個時相高光譜遙感航空影像提取小麥長勢，結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NDVI與土壤堿解氮增量之間的關系，以便通過小麥長勢監(jiān)測實現(xiàn)均一施肥條件下農田地塊內部氮素累積監(jiān)測評價，進而為農田肥力監(jiān)測、農田面源污染遙感監(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行了分析。對土壤光譜進行一階微分，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行預測。結果表明，近紅外光譜分析技術與化學分析方法相關性很高。徐永明等［18］利用土壤光譜各吸收帶的特征參數(shù)與總氮含量進行逐步回歸運算，確定與氮元素關系比較密切的幾個吸收帶，計算出這幾個特征吸收帶內土壤反射率的變化形式。結果表明，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系。利用多元統(tǒng)計方法，建立了總氮含量預測模型，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公司生產的傅里葉變換近紅外透射光譜儀測定129個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驗室法測得的全氮數(shù)值擬合建立定標模型，經分析得出利用標準化處理的光譜數(shù)據(jù)與全氮含量之間建立的模型穩(wěn)定性最好。結果表明，近紅外法測定結果與常規(guī)方法具有很好的相關性，可以快速、無損、準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，目前國內利用航天遙感影像進行土壤屬性定量預測的研究較少。近紅外、遙感技術憑借其高光譜分辨率，具備定量獲取土壤化學組分的潛力，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，該方法準確，可以用于土壤總氮含量制圖、化肥施用量調查以及農業(yè)環(huán)境評價等方面?；谝陨系膬?yōu)點，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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