基于可见-近红外光谱技术的广东典型地区耕地土壤养分含量预测模型评估

摘要

【目的】可见-近红外光谱（Visible-near infrared spectroscopy,VNIRS）可以利用少量土壤样品建立预测模型，从而无损快速地预测土壤养分含量。然而，至今鲜见广东省土壤养分的VNIRS预测模型的报道。本研究旨在通过传统化学分析方法和VNIRS技术对广东典型地区的耕地土壤进行分析，构建土壤全量及速效养分含量的VNIRS预测模型，并评估利用光谱分析土壤全量和速效养分含量的可行性，为广东省土壤养分的快速检测及质量评估提供科学参考。【方法】本研究采集了粤东（梅州）、粤西（湛江）、粤北（韶关）、粤西北（肇庆）和珠三角（惠州和珠海） 5个地区共514份耕地土壤样品，测量样品有机质、全氮、可溶性有机碳、碱解氮和速效磷含量，同时利用VNIRS在400～2 490 nm波长范围内探明其全光谱特征，筛选定标样品，结合偏最小二乘法和主成分分析，建立预测模型，并在此基础上进行反向验证，评估模型的可行性。【结果】各地区土壤有机质、全氮、可溶性有机碳、碱解氮和速效磷含量及光谱特征均存在显著差异。有机质和全氮的定标预测模型效果较好，其中，粤西北地区的有机质定标相关系数达到0.831 1，珠三角地区的全氮定标相关系数达到0.789 8；可溶性有机碳、碱解氮和速效磷的预测模型效果在地区间差异较大，粤西北和珠三角地区碱解氮和速效磷的定标效果远优于其他地区。反向验证结果表明，有机质和全氮的预测值与实测值具有较好的相关性，决定系数（R²）最高分别达到0.69和0.65；粤西北和珠三角地区碱解氮的反向验证结果也较好，R²达到0.63和0.62；而可溶性有机碳和速效磷的反向验证结果总体较差。【结论】VNIRS技术能够区分省域内不同地区的土壤来源，可以作为未来土壤分类和土壤质量调查的重要评价指标。VNIRS技术能够较好地直接预测耕地土壤有机质和全氮含量，对可溶性有机碳、碱解氮、速效磷含量的预测存在明显元素差别和地区差异，今后需进一步筛选光谱范围或采用更优方式构建模型。

关键词

可见-近红外光谱 / 广东 / 耕地土壤 / 土壤养分 / 偏最小二乘法