Bài báo cáo môn độ phì và phân bón chủ đề phân tích đất sử dụng quang phổ hồng ngoại và quang phổ cận hồng ngoại

Do thiếu tính cụ thể và thực tế là một phổ bao gồm nhiều bước sóng lân cận có độ tương quan cao, kỹ thuật hiệu chuẩn đa biến thường được sử dụng để tương quan quang phổ với các đặc tính

B GIÁO D C VÀ ĐÀO T O Ộ Ụ Ạ

TR ƯỜ NG Đ I H C NÔNG LÂM TP.HÔỒ CHÍ MINH Ạ Ọ

KHOA NÔNG H C Ọ

Bài báo cáo môn: Độ phì và phân bón

Giảng viên: Lê trọng Hiếu

Chủ đề: PHÂN TÍCH ĐẤT SỬ DỤNG QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI VÀ QUANG PHỔ

CẬN HỒNG NGOẠI

Thủ Đức, tháng 5, năm 2022

Nội dung

Tóm tắt

1 Giới thiệu

2 Vật liệu

2.1 Dụng cụ………

2.2 Tài liệu tham khảo được tiêu chuẩn hóa

3 Phương pháp

3.1 Chuẩn bị mẫu đất

3.2 Phép đo

3.3 Xử lí trước quang phổ

3.4 Phân tích đất tham chiếu

3.5 Hiệu chuẩn và xác suất

3.5.1 Bộ hiệu chuẩn

3.5.2 Thẩm định

3.5.3 Đánh giá mô hình

3.5.4 Phần mềm

4 Ghi chú

5 Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

Quang phổ hồng ngoại và quang phổ cận hồng ngoại phản xạ khuếch tán (vis-NIR) là một kỹ thuật nhanh, thích hợp cho việc phân tích một số thành phần thiết yếu của đất Các thành phần này, chủ yếu là khoáng sét, chất hữu cơ và nước trong đất ảnh hưởng mạnh mẽ đến điều kiện sinh trưởng của cây và ảnh hưởng đến dinh dưỡng của cây Ở đây chúng tôi mô tả quá trình quang phổ vis-NIR có thể được sử dụng để thu thập phổ đất trong phòng thí nghiệm Bởi vì nó là một kỹ thuật gián tiếp, các hiệu chuẩn và xác nhận mô hình tiếp theo là cần thiết, để có được những

dự đoán đáng tin cậy về các đặc tính của đất cần quan tâm cũng được mô tả trong chương

1 Giới thiệu

Mối quan tâm giữa các nhà nghiên cứu trong việc sử dụng tia hồng ngoại nhìn thấy-cận (vis-NIR) quang phổ phản xạ khuếch tán trong khoa học đất tăng trong hai thập kỷ qua (1) vì có nhiều lợi thế với việc sử dụng kỹ thuật Nó không phá hủy, yêu cầu tối thiểu là chuẩn bị mẫu và không liên quan đến bất kỳ hóa chất (nguy hiểm) nào Các phép đo chỉ mất vài giây và một số đặc tính của đất có thể được ước tính từ một lần quét Hơn thế nữa, kỹ thuật này cho phép các cấu hình đo lường linh hoạt tại chỗ cũng như các phép đo dựa trên phòng thí nghiệm (2)

Phổ phản xạ trong vùng khả kiến (400–780 nm) và hồng ngoại gần (780–2500 nm)

là kết quả của sự tương tác giữa năng lượng bức xạ và các liên kết trong phân tử của các thành phần đất Trong vùng khả kiến, năng lượng cao của bức xạ gây ra sự chuyển dịch của các electron giữa các quỹ đạo phân tử với các quỹ đạo khác nhau mức năng lượng (3) Với năng lượng bức xạ thấp hơn, tương ứng với bước sóng dài hơn, sự hấp thụ năng lượng xảy ra do dao động trong các liên kết phân tử

Sự hấp thụ trong vùng NIR là do âm bội và sự kết hợp của các dao động cơ bản trong vùng hồng ngoại giữa Các lượng tử năng lượng được hấp thụ là liên kết cụ thể,

nhưng cũng bị ảnh hưởng bởi ma trận hóa học và các yếu tố môi trường như loại nhóm chức, các phân tử lân cận và liên kết hydro (3)

Hình 1 Quy trình phát triển các mô hình dự báo vis-NIR

Điều này cho phép xác định trong một phạm vi của các phân tử có thể chứa cùng một loại liên kết Phân tử giống nhau có thể tạo ra một số âm bội và các dải kết hợp trên vùng NIR với cường độ giảm dần và tăng lệnh đảo ngược Do đó, vùng NIR được

sử dụng bởi tính năng hấp thụ ít, rộng, chồng chéo Sự phản xạ khuếch tán của đất cũng có nguồn gốc từ các đặc tính vật lý của đất liên quan đến kích thước hạt và cấu trúc bề mặt, cũng như màng nước trên bề mặt đất

Do thiếu tính cụ thể và thực tế là một phổ bao gồm nhiều bước sóng lân cận có độ tương quan cao, kỹ thuật hiệu chuẩn đa biến thường được sử dụng để tương quan quang phổ với các đặc tính của đất được nhắm mục tiêu (4) Để tạo ra các hiệu chuẩn cũng cần các mô hình, mẫu hiệu chuẩn được phân tích bằng các phương pháp phòng thí nghiệm thông thường Khi các mô hình hiệu chuẩn được thành lập, các mẫu mới chỉ cần được phân tích bằng vis-NIR và các mô hình hiệu chuẩn được sử dụng để dự đoán loại các đặc tính đất đã được nhắm mục tiêu Sơ đồ các bước chính trong quy trình từ Chuẩn bị mẫu đất để dự đoán được trình bày trong Hình 1

Vùng vis-NIR chứa thông tin hữu ích về hàm lượng hữu cơ và vô cơ trong đất và

cả khoáng sét và đất chất hữu cơ (SOM), cả hai đều là thành phần thiết yếu của đất, có các đặc điểm hấp thụ được xác định rõ ràng trong khu vực này Nước có ảnh hưởng mạnh đến quang phổ với một số chi phối các dải hấp thụ cụ thể gần 1.400 và 1.900

nm cùng với các dải yếu hơn ở các phần khác của quang phổ (5) Ngoài ra, với một lớp màng nước trên các hạt đất, khả năng phân tán dễ dàng hơn và đất ẩm có vẻ sẫm màu hơn đất khô (6)

Hình 2 Quang phổ được loại bỏ liên tục của các khoáng chất trong đất thông thường được bù đắp bằng 1 đơn vị, từ Stenberg và cộng sự (Đầu tiên)

Phần khoáng chất của đất nói chung chiếm một nửa thể tích đất (7), và có các đặc điểm rõ rệt trong quang phổ vis-NIR, cả về đặc tính bề mặt ảnh hưởng đến mức độ tán

xạ và mức độ hấp thụ Sự hấp thụ trong vùng khả kiến có liên quan ưu việt với các khoáng chất chứa sắt như haematit và goethite thể hiện các dải hấp thụ mạnh trong khoảng từ 400 đến 660 nm (8) (Hình 2) Cả hai khoáng chất cũng cho thấy các dải hấp thụ gần 900 nm (880 và 930 đối với haematit và goethite tương ứng) nhưng hầu như không có đặc điểm hấp thụ ở bước sóng dài hơn (9) Sự hấp thụ của các khoáng sét trong vùng NIR hầu hết liên quan đến nước được hấp thụ và cấu trúc và các liên kết Mg-, Al- và Fe – OH trong mạng tinh thể khoáng vật Các dải hấp thụ trong vùng 2.200–2.500 nm, do dao động kết hợp liên quan đến sự kéo căng O-H và sự uốn cong của kim loại-OH, thể hiện rõ ràng đối với một số khoáng chất có các đỉnh hơi khác nhau tùy thuộc vào kim loại và khoáng vật (Hình 2) Các dải hấp thụ ở 1.400 nm và 1.900 nm cũng rõ ràng ở một số khoáng chất ở mức độ khác nhau và có liên quan đến nước hấp thụ và liên kết cấu trúc Ví dụ, Smectite có dải hấp thụ rất rõ rệt gần 1.900

nm do sự dao động kết hợp của nước liên kết trong các lớp xen kẽ dưới dạng các cation ngậm nước và nước được hấp thụ trên bề mặt hạt (Hình 2) (10) Cacbonat cũng

có một số dải hấp thụ trong vùng NIR, dải hấp thụ mạnh nhất là gần 2.300 nm (9) Chất hữu cơ trong đất có dải hấp thụ rộng nhưng rõ ràng trong vùng khả kiến (Hình 3a) bị chi phối bởi tế bào sắc tố và bóng tối của chất hữu cơ (11) Trong vùng NIR sự hấp thụ là liên quan đến kéo dài và uốn cong của các nhóm NH, CH và CO (11)

Hình 3 (a) Phổ của đất vis-NIR 400–2.500 nm và (b) vùng 1.100–2.500 nm cho thấy phổ của ba loại đất: đất nông nghiệp hữu cơ với 40% SOC và hai với 1% SOC, trong

đó một loại có 87% cát và 4% đất sét, còn lại 12% cát và 44% đất sét Các vạch thả ở (b) biểu thị bước sóng đặc trưng của chất hữu cơ (theo tham chiếu 1).

Một số dải hấp thụ trong vùng 1.100–2.400 nm có được xác định là quan trọng đối với hiệu chuẩn SOM và tổng N, tuy nhiên chúng thường yếu và có thể không dễ nhận thấy mắt thường Viscarra Rossel và Behrens (12) trình bày tóm tắt về sự hấp thụ cơ

bản quan trọng và sự xuất hiện của chúng trong vis-NIR và một số ví dụ về ảnh hưởng của SOM đối với NIR phổ cho các loại đất khác nhau được trình bày trong Hình 3 Stenberg (13) đã xác định một số trong số này là đặc biệt quan trọng

Cả đất sét và hàm lượng SOM đều quan trọng đối với cấu trúc của đất và do đó khả năng thông khí và giữ nước của đất là các yếu tố ảnh hưởng mạnh đến sinh trưởng của thực vật Chúng ảnh hưởng đến dinh dưỡng thực vật thông qua khả năng hấp thụ các cation và tham gia vào chuyển hóa các chất dinh dưỡng sang các dạng sẵn

có của thực vật thông qua thời tiết và thông qua các ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp đến vi sinh vật hệ động vật đất Tuy nhiên, bản thân muối dinh dưỡng thực vật không phải là dự kiến sẽ hấp thụ trong vùng vis-NIR và các mối tương quan được tìm thấy với vis-NIR thường yếu (1) Tuy nhiên, các mối tương quan tốt có thể đôi khi đạt được (ví dụ: (14–17)), có thể thông qua địa phương, đồng biến thể với các đặc tính hấp thụ trong vis-NIR

Trong chương này, chúng tôi mô tả quá trình mà NIR quang phổ được sử dụng để thu thập quang phổ của đất trong phòng thí nghiệm(Hình 1) Ngoài các phép đo thực

tế, đó là đơn giản và nhanh chóng, chúng tôi cũng thảo luận về đánh giá chất lượng và chuẩn hóa quang phổ Hơn nữa, chúng tôi thảo luận về các bước liên quan đến tạo và đánh giá mô hình hiệu chuẩn (Hình 1), đòi hỏi hầu hết các công việc và nỗ lực để đảm bảo các dự đoán có liên quan và đáng tin cậy về các đặc tính của đất được quan tâm Như đã đề cập trong đầu tiên, quang phổ vis-NIR cho phép thực hiện các phép đo tại chỗ, và nghiên cứu và phát triển đang tiếp tục tạo điều kiện cho các phép đo tại hiện trường, do đó giảm thiểu nhu cầu lấy mẫu đất (18–21) Mặc dù chương này mô tả các quy trình đối với các phép đo trong phòng thí nghiệm, nhưng nhiều khía cạnh cũng sẽ

có liên quan đến các phép đo ngoài trời

2 Vật liệu

2.1 Dụng cụ

Ngày nay có nhiều loại máy quang phổ vis-NIR từ một số nhà sản xuất, và những máy này cung cấp số lượng các giải pháp khác nhau cho sự phân tán ánh sáng, bộ phát hiện và cấu hình trình bày mẫu Công cụ để chọn phần lớn phụ thuộc vào ứng dụng và về cơ bản có một sự đánh đổi giữa giá cả và hiệu suất

• Độ phân giải và tiếng ồn

Đối với các mục đích khoa học, một thiết bị có độ phân giải cao, 10 nm hoặc tốt hơn, tuy nhiên có một sự đánh đổi trực tiếp giữa độ phân giải và tiếng ồn (Xem chú thích 1)

• Dải quang phổ

Tương tự, dải bước sóng bao phủ cả vùng khả kiến (400–780 nm) và toàn bộ vùng NIR(780-2500 nm) được khuyến nghị cho các mục đích khoa học, để đảm bảo rằng phần lớn các dải bước sóng quan trọng nhất có thể được đưa vào

Tuy nhiên, nếu thiết bị được sử dụng cho một mục đích rất cụ thể, thì cần phải có đầy đủ vis-NIRquang phổ có thể không cần thiết

• Tính dẻo

o Khả năng thực hiện các phép đo bên ngoài phòng thí nghiệm

Các yêu cầu khác nhau về độ bền và khả năng xử lý được áp dụng tùy thuộc vào việc thiết bị chỉ được sử dụng trong phòng thí nghiệm hoặc nếu nó có thể được sử dụng cho các phép đo ngoài trời

o Yêu cầu đặc biệt liên quan đến bản trình bày mẫu

Dụng cụ có được sử dụng cho một số loại mẫu rất khác nhau không?

Đối với các phép đo ngoài cửa hoặc trực tuyến, tính linh hoạt trong việc trình bày mẫu thường được ưu tiên và cáp quang để thu thập phổ được ưu tiên Đối với những trường hợp này, nên sử dụng thiết bị tán sắc sau vì việc che chắn ánh sáng

đi lạc xung quanh không phải là điều quan trọng.(xem chú thích 2)

2.2 Tài liệu tham khảo được tiêu chuẩn hóa

Hầu hết các dụng cụ bao gồm tất cả các phụ kiện cần thiết, nhưng tùy thuộc vào loại mà chúng có thể cụ thể cho phù hợp công cụ cụ thể đó hoặc chúng có thể nói chung hơn.Trong mọi trường hợp, hãy đảm bảo rằng bạn có tiếp theo:

• Chất tham chiếu màu trắng được tiêu chuẩn hóa, ví dụ Spectralon®, trơ, ổn định và có phản xạ khuếch tán cao trong vùng hồng ngoại nhìn thấy và gần: Một số thiết bị có màu trắng tích hợp tài liệu tham khảo, những người khác cần một tài liệu bên ngoài

• Hiệu chỉnh dòng điện tối / tham chiếu tối được thực hiện mà không cần nguồn sáng phát ra, đại diện cho

• Độ phản xạ 0 để hiệu chỉnh nhiễu điện tử nền từ máy quang phổ Điều này thường được thực hiện bằng cách sử dụng màn trập, nhưng đối với một số cấu hình mẫu thiết bị, vùng tối bên ngoài tài liệu tham khảo có thể cần thiết.(xem Chú thích 3)

3 Phương pháp

3.1 Chuẩn bị mẫu đất

• Sử dụng đất được làm khô bằng không khí hoặc tủ sấy (xem Chú thích 4)

• Xay đất đến cỡ hạt <2 mm (xem Chú thích 5)

3.2 Phép đo

Mỗi dụng cụ thường có thiết lập trình bày mẫu riêng và các hộp đựng mẫu tương thích.Nghĩa là, khuyến nghị chung là làm theo hướng dẫn cho các công cụ cụ thể Tuy nhiên, phần trình bày dưới đây là một số khía cạnh chung cần xem xét

• Trình bày và xử lý mẫu

- Đất không đồng nhất - do đó, điều rất quan trọng là phải đo một phần đại diện của mẫu đất và cấu hình cho phép phần lớn mẫu được đo là hợp lý Nếu khu vực được lấy mẫu rất nhỏ, việc sử dụng lấy mẫu phổ lặp lại được khuyến khích

- Đảm bảo rằng mẫu được trộn kỹ trong hộp đựng mẫu Không lắc mẫu để có

bề mặt đồng đều vì điều này sẽ làm mẫu bị phân tầng, các hạt nhỏ hơn sẽ di

chuyển xuống đáy vật chứa Nếu cần bề mặt phẳng, thay vào đó hãy sử dụng một công cụ để làm phẳng bề mặt mẫu một cách cẩn thận

- Đóng gói các vật chứa theo cùng một cách cho tất cả các mẫu Cố gắng sử dụng cùng một thể tích đất và sử dụng cùng một lượng áp suất (Williams và Norris, 2001)

- Nếu cùng một vật chứa được sử dụng cho nhiều mẫu, điều quan trọng là phải làm sạch nó giữa các mẫu, tuy nhiên, tránh sử dụng nước hoặc cồn / dung môi hữu cơ

- Nếu cửa sổ đo tiếp xúc trực tiếp với đất, điều quan trọng là phải làm sạch phần này giữa các mẫu Một lần nữa, tránh sử dụng nước hoặc cồn / dung môi hữu cơ nhưng hãy lau sạch bằng khăn giấy khô không có bụi

• Tham chiếu màu trắng và tối

Tùy thuộc vào thiết bị, điều này có thể được thực hiện tự động, tuy nhiên đối với một số thiết bị, nó cần được thực hiện thủ công Đây là một bước rất quan trọng,

và để đảm bảo chất lượng tốt cho quang phổ thì việc này cần được thực hiện một cách kỹ lưỡng và thường xuyên

- Phần tham chiếu màu trắng và tối nên được thực hiện 10 phút một lần Trong nhiều thiết bị, tham chiếu tối được lấy tự động khi lấy tham chiếu màu trắng

- Nếu cấu hình sử dụng tham chiếu màu trắng (và tối) bên ngoài thì điều quan trọng là cấu hình đó phải giống cấu hình được sử dụng cho các phép đo mẫu

- Nếu có thể theo dõi phổ của chất chuẩn màu trắng, phổ này phải thể hiện sự phản xạ 100% ở tất cả các bước sóng trong phạm vi 400-25000 nm

• Nếu các phép đo được thực hiện theo cách mà các nguồn sáng khác ngoài nguồn liên quan đến phép đo có thể ảnh hưởng đến kết quả, hãy giảm thiểu hoặc chuẩn hóa tất cả các nguồn sáng khác trong quá trình đo - ví dụ: ánh sáng huỳnh quang, ánh sáng xung quanh

từ cửa sổ, v.v

3.3 Xử lý trước quang phổ

• Phổ trung bình của các lần quét vis-NIR lặp lại trên cùng một mẫu đất để tránh sử dụng các bản sao sai trong các phân tích tiếp theo Điều này cũng sẽ làm tăng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

• Biến đổi độ phản xạ đo được thành độ hấp thụ biểu kiến thông qua log (1 / độ phản xạ)

để nâng cao độ tuyến tính giữa độ hấp thụ đo được và nồng độ của hóa chất quan tâm (xem Chú thích 6)

• Để tăng cường các đỉnh liên quan nhiều hơn về mặt hóa học và giảm các hiệu ứng như dịch chuyển đường nền và độ cong tổng thể, người ta thường khuyến nghị sử dụng thêm một số phép biến sơ chế xử lý bổ sung của quang phổ Nhiều kỹ thuật tồn tại và hầu hết các phần mềm chuyên dụng về quang phổ đều có một bộ sưu tập để lựa chọn (ví dụ: Viscarra Rossel, 2008) Thật không may, không thể đề xuất một phương pháp xử lý đơn

lẻ hoặc kết hợp nào có hiệu quả tốt nhất cho tất cả các bộ dữ liệu đất (Stenberg và cộng

sự, 2010) và lợi ích của việc sử dụng bất kỳ phương pháp nào là dành riêng cho từng dự

án Do đó, nên thử nghiệm một số phép biến đổi khác nhau trên bộ hiệu chuẩn đại diện (xem Chú thích 7 và 8)

3.4 Phân tích đất tham chiếu

• Số liệu thống kê hiệu chuẩn không bao giờ có thể tốt hơn chất lượng của các phân tích tham chiếu hóa học Nghĩa là, các lỗi liên quan đến phân tích hóa học truyền thống mà các phổ có tương quan với nhau sẽ được đưa vào mô hình hiệu chuẩn

• Thực hiện phân tích thống kê dữ liệu đất trước khi sử dụng để hiệu chuẩn

o Kiểm tra các bất thường, các lỗi phân tích có thể xảy ra và / hoặc các giá trị ngoại lệ Điều này phải được thực hiện cho cả dữ liệu tham chiếu và dữ liệu phổ Tuy nhiên, việc phát hiện ngoại lệ và loại bỏ các ngoại lệ phải được thực hiện rất hạn chế

o Lập biểu đồ phân bố dữ liệu là một cách tốt để kiểm tra dữ liệu

3.5 Hiệu chuẩn và xác suất

Có nhiều thuật toán khác nhau có thể được sử dụng để hiệu chỉnh phổ vis-NIR của đất để

dự đoán tính chất đất Chúng bao gồm hồi quy tuyến tính (MLR), hồi quy thành phần