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)方法對土壤進(jìn)行分析是準(zhǔn)確的，但是需要很多的時間和人工，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)的測定方法。近紅外反射光譜(NIR)是一種可能的備選方式，它同時節(jié)約了時間和人工勞力，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的一個長期項(xiàng)目中，正在研究不同作物輪作對土壤肥力的影響。作為對各種不同農(nóng)作物常規(guī)的研究的補(bǔ)充，從1985年開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，目標(biāo)是開發(fā)可以預(yù)測諸如總有機(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Po Valley的一個長期試驗(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(lolium multiflorum Lam.) + 青貯玉米(zea mays L.)；(2) 3年輪作，意大利黑麥草 + 青貯玉米-大麥(hordeum vulgare L.) + 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)(trifolium repens L. + festuca arundinacea Schreb.)；(4) *牧草的單作；(5) 糧用玉米的連續(xù)單作。

　　每一個輪作從屬于2個作物管理實(shí)踐，包括不同的營養(yǎng)水平、雜草控制和土壤耕種方法。在1985年實(shí)驗(yàn)開始，在1997年又重新開始，在總共72塊土地的每一塊隨機(jī)鉆取5個土樣(0-30cm深)。

　　化學(xué)和NIR分析 所有樣品風(fēng)干后充分研磨去測定總氮、總有機(jī)碳、可交換鉀和有效磷，并進(jìn)行NIR掃描?？偟涂偺加啥篷R斯燃燒法來測定，使用CE Instruments公司的NA1500元素分析儀。有效磷含量用0.5mg NaHCO3(pH 8.5)溶液萃取后以抗壞血酸法測定?？山粨Q鉀用1mg醋酸銨萃取后以電感耦合等離子發(fā)射光譜測定。

　　土壤的光譜范圍是1100-2500nm。

　　開發(fā)NIR定標(biāo) 初始的定標(biāo)數(shù)據(jù)是142個土壤樣品，對每一個成分都分別使用了Step-up，Stepwise和改進(jìn)的偏zui小二乘法MPLS，用所有數(shù)據(jù)建立回歸模型。另外通過計算將光譜馬氏距離>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預(yù)測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)開發(fā) 獲得的定標(biāo)方程對總氮、總有機(jī)碳、可交換鉀和有效磷含量的預(yù)測統(tǒng)計數(shù)據(jù)列于表1。

　　表1：定標(biāo)方程開發(fā)交互驗(yàn)證過程中對總氮、總有機(jī)碳、可交換鉀和有效磷含量預(yù)測的統(tǒng)計數(shù)據(jù)

　　* 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)是其中的，總氮的略差一些。可交換鉀和有效磷的結(jié)果相比于氮和碳要遜色。總之，交互驗(yàn)證的結(jié)果顯示了近紅外預(yù)測土壤中總氮和總有機(jī)碳的可行性。

　　近紅外預(yù)測 用上面獲得的定標(biāo)對于1985和1997年土壤樣品的進(jìn)行預(yù)測的結(jié)果統(tǒng)計數(shù)據(jù)列于表2。

　　表2：所有預(yù)測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

　　* 所有樣品的化學(xué)分析結(jié)果平均值和近紅外預(yù)測結(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個成分上，1985年樣品的結(jié)果要好于1997年的結(jié)果。這2個成分zui成功的預(yù)測是對1985年樣品，以MPLS方法回歸得到的模型。這2個成分的結(jié)果表明近紅外光譜可以做為測定它們的方式。對于可交換鉀，以r2和SEP作為其預(yù)測效果是相當(dāng)不錯的，盡管與其它模型相比沒有那么成功?？山粨Q鉀也可以用近紅外進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果的準(zhǔn)確性至少可以區(qū)分不同類型的土壤樣品。zui后討論一下有效磷，近紅外的預(yù)測結(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

　　通過我們的研究證明了，近紅外反射光譜可以用來測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。對于可交換鉀的結(jié)果稍遜，可以用于提供可靠的樣品分類。對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。一個利用同一長期試驗(yàn)的新系列的6年輪作土壤樣品對近紅外可靠性的驗(yàn)證工作正在進(jìn)行中。