برآورد مقدار کربن آلی خاک در سطوح مختلف رطوبتی با استفاده از طیف سنجی فروسرخ نزدیک

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 بخش تحقیقات هوشمندسازی کشاورزی، موسسه تحقیقات فنی و مهندسی کشاورزی، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، کرج، ایران.

3 گروه علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

4 شورای ملی تحقیقات ایتالیا، موسسه روش شناسی تجزیه و تحلیل محیطی، پوتنزا، ایتالیا

چکیده

چکیده

سابقه و هدف: تعیین تغییرات مقدار کربن آلی در مزرعه، به دلیل اهمیت و نقش مقدار کربن آلی در خاک از جمله نقش موثر آن در افزایش مقاومت خاک در برابر فرسایش باد و آب از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در این پژوهش، توانایی روش طیف‌سنجی Vis/NIR بازتابی به منظور سنجش و پیش‌بینی مقدار کربن آلی نمونه‌های خاک در 7 تیمار رطوبتی و هم‌چنین اثر پیش-پردازش‌های مختلف طیفی بر دقت مدل‌های چندمتغیره پیش‌بینی‌کننده، مطالعه شد.

مواد و روش‌ها: در این پژوهش، طیف‌گیری از نمونه‌های خاک در 7 تیمار رطوبتی در مد اندازه‌گیری برهم‌کنش و در محدوده‌ طیفی 2500-350 نانومتر و به‌صورت تماسی از 5 ناحیه مختلف انجام شد. داده‌های طیفی به دست آمده از اسپکترومتر، افزون بر اطلاعات نمونه شامل اطلاعات ناخواسته، پس‌زمینه و نویزها نیز هستند. به همین دلیل، برای دستیابی به مدل‌های واسنجی پایدار، دقیق و قابل اعتماد، نیاز به پیش‌پردازش داده‌های طیفی پیش از تدوین مدل‌های رگرسیون است. مدل‌های‌ واسنجی چندمتغیره رگرسیون حداقل مربعات جزئی (PLS) بر پایه‌ اندازه‌گیری‌های مرجع و اطلاعات طیف‌های پیش‌پردازش‌شده با ترکیب روش‌های مختلف هموارسازی (میانگین‌گیری متحرک (MA)، ساویتزکی-گولای(SG))، نرمال‌سازی (تصحیح پخش افزاینده (MSC)، توزیع نرمال استاندارد (SNV)) و افزایش قدرت تفکیک طیفی (مشتق‌های اول و دوم(D1 و D2)) برای سنجش و پیش‌گویی مقدار کربن آلی خاک تدوین شدند.

نتایج و بحث: نتایج نشان داد که از روش طیف‌سنجی می‌توان برای سنجش مقدار کربن آلی خاک بهره‌ برد. مدل PLS بر پایه ترکیب SG+MSC، بهترین پیش‌بینی را در مقدار کربن آلی (OC) نمونه‌های خاک داشت، به گونه‌ای که پیش‌پردازش SG+MSC (81/0R2c =، 239/0RMSEC=، 79/0 R2p =، و 252/0RMSEP =) با دقت مناسبی (17/2SDR=) توانست مقدار OC را پیش‌بینی کند. بررسی نتایج نشان داد که با افزایش رطوبت، مقدار بازتاب کاهش پیدا می‌کند و از توانایی مدل PLS بر پایه روش‌های مختلف پیش‌پردازش در سنجش مقدار کربن آلی نمونه‌ها کاسته می‌شود. هم‌چنین مقادیر شاخص‌های تعیین‌شده و معیارهای اعتبارسنجی نشان داد که مدل PLS بر پایه ترکیب‌های SG+D1+MSC، SG+MSC، SG+MSC، SG+D1+MSC، SG+SNV و SG+SNV بهترین نتایج پیش‌بینی مقدار کربن آلی را به ترتیب برای تیمارهای رطوبتی 6، 12، 18، 24، 30 و 36 درصد دارد.

نتیجه‌گیری: طیف‌سنجی Vis/NIR می‌تواند به عنوان روشی جایگزین برای روش‌های مرسوم آزمایشگاهی در تعیین مقدار کربن آلی خاک مورد استفاده قرار گیرد. نتایج پژوهش‌ها حاکی از آن است که بکارگیری طیف‌سنجی Vis/NIR در تعیین مقدار کربن آلی خاک می‌تواند در مدیریت ناحیه‌ای مزارع مورد توجه قرار گیرد که در نهایت منجر به صرفه‌جویی در نهاده‌ها و کاهش فشار به محیط‌زیست می‌شود.

چکیده

سابقه و هدف: تعیین تغییرات مقدار کربن آلی در مزرعه، به دلیل اهمیت و نقش مقدار کربن آلی در خاک از جمله نقش موثر آن در افزایش مقاومت خاک در برابر فرسایش باد و آب از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در این پژوهش، توانایی روش طیف‌سنجی Vis/NIR بازتابی به منظور سنجش و پیش‌بینی مقدار کربن آلی نمونه‌های خاک در 7 تیمار رطوبتی و هم‌چنین اثر پیش-پردازش‌های مختلف طیفی بر دقت مدل‌های چندمتغیره پیش‌بینی‌کننده، مطالعه شد.

مواد و روش‌ها: در این پژوهش، طیف‌گیری از نمونه‌های خاک در 7 تیمار رطوبتی در مد اندازه‌گیری برهم‌کنش و در محدوده‌ طیفی 2500-350 نانومتر و به‌صورت تماسی از 5 ناحیه مختلف انجام شد. داده‌های طیفی به دست آمده از اسپکترومتر، افزون بر اطلاعات نمونه شامل اطلاعات ناخواسته، پس‌زمینه و نویزها نیز هستند. به همین دلیل، برای دستیابی به مدل‌های واسنجی پایدار، دقیق و قابل اعتماد، نیاز به پیش‌پردازش داده‌های طیفی پیش از تدوین مدل‌های رگرسیون است. مدل‌های‌ واسنجی چندمتغیره رگرسیون حداقل مربعات جزئی (PLS) بر پایه‌ اندازه‌گیری‌های مرجع و اطلاعات طیف‌های پیش‌پردازش‌شده با ترکیب روش‌های مختلف هموارسازی (میانگین‌گیری متحرک (MA)، ساویتزکی-گولای(SG))، نرمال‌سازی (تصحیح پخش افزاینده (MSC)، توزیع نرمال استاندارد (SNV)) و افزایش قدرت تفکیک طیفی (مشتق‌های اول و دوم(D1 و D2)) برای سنجش و پیش‌گویی مقدار کربن آلی خاک تدوین شدند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Estimation of soil organic carbon content at various moisture levels using visible-near infrared spectroscopy

نویسندگان [English]

  • Mehrdad Aghaei Sadi 1
  • Saeid Minaei 1
  • Bahareh Jamshidi 2
  • HosseinAli Bahrami 3
  • Saham Mirzaei 4
1 Biosystems Engineering Department, Faculty of Agriculture, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran, respectively
2 Smart Agricultural Research Department, Agricultural Engineering Research Institute, Agricultural Research Education and Extension Organization (AREEO), Karaj, Iran
3 Department of Soil Science , Faculty of Agriculture, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
4 Institute of Methodologies for Environmental Analysis, Italian National Research Council, 85050 Potenza, Italy
چکیده [English]

Abstract

Introduction: Determination of variation of organic carbon content in the field is important due to the importance and role of soil organic carbon content, including its effective role in increasing soil resistance against wind and water erosion. In this research, the ability of reflectance visible-near infrared (Vis/NIR) spectrometry for measurement and prediction of soil organic carbon content and the effect of the type of spectral preprocessing on the accuracy of multivariable predictive models was studied.

Material and methods: In this research, spectroscopy of soil samples was performed at 7 moisture levels in the interactance measurement mode in the 350-2500 nm spectral range using a contact probe. Spectrophotometry of 5 different sections of each soil sample was carried out and the data were processed and analyzed using a contact probe. Spectral data obtained from the spectrophotometer included unwanted information, background and noise in addition to the information of the samples. In order to arrive at accurate and reliable analytical models, pre-processing of the spectral data was required prior to regression model simulation. Multivariate calibration models of partial least squares (PLS) were developed based on the reference measurements and the information of the preprocessed spectra using a combination of different methods for assessment and prediction of soil organic carbon content. These included: smoothing (moving average (MA), and Savitzky-Golay (SG)); normalizing (multiplicative scatter correction (MSC), standard normal Variate (SNV)); as well as increasing the spectral resolution (first and second derivatives (D1, D2)).

Results and discussion: Results showed that NIR spectroscopy is a suitable method for measurement of organic carbon content in soil samples. Prediction utilizing the data analyzed using the PLS model based on SG + MSC, produced the best detection results. Thus, SG+MSC preprocessing (Rc2 =0.81, RMSEC = 0.239, Rp2 = 0.79, RMSEP = 0.252) is suitable for predicting the amount of soil OC with high accuracy (SDR= 3.191). Results showed that reflectance rate diminishes with increasing moisture content reducing the ability of the PLS model to predict organic carbon content. This is true across all the preprocessing methods. In addition, the determined index values and validation criteria showed that prediction of organic carbon content with the PLS model using SG+D1+MSC, SG+MSC, SG+MSC, SG+D1+MSC, SG+SNV and SG+SNV combinations gives the best detection results for the following moisture levels, respectively: 6, 12, 18, 24, 30 and 36%.

Conclusion: Vis/NIR spectroscopy can be used as an alternative method for conventional laboratory methods for determination of soil organic carbon content. The research results showed that the use of Vis/NIR spectroscopy for determination of soil organic carbon content can be considered in the site-specific management of fields, which it leads to saving inputs and reducing the pressure on the environment, ultimately.

Results and discussion: Results showed that NIR spectroscopy is a suitable method for measurement of organic carbon content in soil samples. Prediction utilizing the data analyzed using the PLS model based on SG + MSC, produced the best detection results. Thus, SG+MSC preprocessing (Rc2 =0.81, RMSEC = 0.239, Rp2 = 0.79, RMSEP = 0.252) is suitable for predicting the amount of soil OC with high accuracy (SDR= 3.191). Results showed that reflectance rate diminishes with increasing moisture content reducing the ability of the PLS model to predict organic carbon content. This is true across all the preprocessing methods. In addition, the determined index values and validation criteria showed that prediction of organic carbon content with the PLS model using SG+D1+MSC, SG+MSC, SG+MSC, SG+D1+MSC, SG+SNV and SG+SNV combinations gives the best detection results for the following moisture levels, respectively: 6, 12, 18, 24, 30 and 36%.

Conclusion: Vis/NIR spectroscopy can be used as an alternative method for conventional laboratory methods for determination of soil organic carbon content. The research results showed that the use of Vis/NIR spectroscopy for determination of soil organic carbon content can be considered in the site-specific management of fields, which it leads to saving inputs and reducing the pressure on the environment, ultimately.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Spectroscopy
  • Spectral pre-processing
  • Validation
  • Partial least-squares regression
  • Reflective spectroscopy