基于近红外反射光谱的土壤污染物种类识别研究

基于近红外反射光谱的土壤污染物种类识别研究

作者：刘思卓

来源：《世界家苑·学术》2018年第02期

摘 要：在当今社会的发展过程中，土壤对于生活的重要性与日俱增。种植庄稼和种植花草树木已经成为人类社会生活中不可缺少的一部分。土壤是绿色植物生长的源泉，无论是耕作还是种植。此外，受污染的土壤是在感知范围内生长的。我们需要检测土壤是由什么污染的，是由重金属或生活污水？这个问题是至关重要的。如果在种植绿色植物之前不能检测土壤质量或污染的状况，我们就不能将不同性状的植物移植到相应土质的土壤中，从而不能更好地治理被污染的土壤。在建立的实验中，可以在可见光波段测量污染土壤的相应反射率。如果实验成功的话，我们就可以利用这些实验结果作为已知的条件，以便将来的研究人员进行相关的测量。这具有重要的科学价值和意义。为了识别污染土壤中的污染物，需要人工实验来污染土壤。由于土壤中不同污染物的光谱反射率不同，因此本文采用土壤光谱技术对土壤污染物进行分类。

现代科学技术的迅速发展促进了各种产品的生产。随着人口的不断增长，人们对于生活产品需求量的不断增加，产生的生活垃圾物和对土壤的污染程度也日益加剧。生活中的洗漱用水、食品残渣、废旧电池和其他生活垃圾都进入到了土壤中。这些废弃物对土壤造成的危害无法预计，而对于未来土壤的开发利用也造成了很大的限制。这是一个值得我们所有人关注的问题。对于环境的影响因素相互关联，无论哪一部分出现了问题，对于生活的影响都是巨大的。土壤是生命之源，也是我们种植作物和生活中必不可少的基本前提。因此，我们必须采取行动，对土壤进行测试和鉴定，来进一步分析土壤，保护土壤。通过光谱来进行分析，可以准确检测到土壤中的不同物质，方便快捷，省时省力。因此，我们将使用近红外反射光谱技术对于不同类型的污染土壤进行模拟比较，分析实验结果和数据，以进一步识别污染土壤和土壤。研究结果为今后科研人员对于土壤不同污染物的研究提供依据，具有重要的意义。 1发展现状

土壤类型和污染物的识别是土壤改良的前提。因此，国内外都开展了对于土壤分析方法的研究。

由于科学技术和农业的快速发展，土壤也受到了不同程度的污染。由于我国土壤污染相对严重，有些地区土壤被剧烈污染，土壤污染引发的食品质量安全问题也逐渐增加，严重危害到了日常生活。因此，采用不同的方法检测土壤中的主要污染成分也成为了当今社会的一个主要研究方向。

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土壤的光谱反射率不同主要是由光合色素和结构上的差异以及污染土壤的物质不同导致的，因此，不同污染物的污染具有光谱特征。为了测定和鉴别不同物质种类中所含的不同元素，国内外都开始使用光谱仪技术来进行研究。所使用的技术包含：测定土壤中镉和锌等重金属通常的方法包括火焰原子吸收光谱法（FAAS），电热原子吸收光谱法（ETAAS），电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-OES）和电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）。 到目前为止，光谱分析技术在土壤重金属检测中进行应用已被应用于原子吸收分光光度法。但是，除了重金属外，其他方面的用途也不多。 2实验仪器的分析与设计

本次实验所选用的仪器为HR4000光纤光谱仪。范围在450nm-1100nm范围的可见光谱段测量，光学分辨率可达0.02nm（FWHM）。

使用HR4000光纤光谱仪相关的软件spectrasuite来进行实验数据的收集。 3土壤样本的采集与处理

为了最大限度地提高试验的准确性和可靠性，在保证植物正常生长的前提下，研究了从土壤中采集的新鲜优良的生长植物。

本试验所使用的污染物主要有三种，即高脂肪酸的水、食品残渣（含油类）和废电池。这些污染物是人为模拟自然环境，并最大限度的模拟真实的自然环境。实验材料的准备包括八个相同体积的土块，两个废电池，200ml高脂肪酸的水，200ml食物残渣、光谱仪、容器、钨灯、100℃纯净水200ml、25℃纯净水200ml。 4实验数据的整理与分析

本文的实验数据整理与分析摘自整体实验的部分数据进行说明。 4.1不同污染物种类对土壤反射率的影响

由图4-1可得，在可见光谱范围内，图像的反射率随着波长的增加整体呈现上升趋势。加入了高脂肪酸的水和食物残渣的样品在610nm之前反射率相近，在610nm之后有一点不同，高脂肪酸的水相比食物残渣较高。整体来看，加入污染物的土壤样品反射率大概增加了3%。 实验测量在钨灯的情况下，土壤的反射率增加是由于污染物的加入。 4.2不同污染物浓度对土壤反射率的影响

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由图像4-2可以看出来，整体的趋势没有大的改变。在污染物的加入后，土壤样品的反射率也相应增加。反射率的增加由加入的浓度大小来决定。污染物浓度较低时，增加了2%左右。浓度较高时，增加了4%左右。

实验证明，当钨灯为光源时，土壤的反射率增加是由于加入了污染物。增加的越多，浓度越高。

4.3不同污染物温度对土壤反射率的影响

由图4-3可以看出，整体趋势无大的改变，随着波长的增加，土壤的反射率也相对增加。当污染物加入之后，反射率也增加。当温度较低时，反射率增加较低，为2%左右。当温度较高时，反射率增加了约8%左右。

实验结果证明，在光源为钨灯时，在不同的温度下加入污染物，会使反射率增加。当温度高时，反射率增加较大。 5.结论

不同种类污染物对土壤反射率的影响表现为：在钨灯为光源时，加入污染物会使土壤的反射率增加。

不同污染物浓度对土壤反射率的影响：当钨灯为光源时，加入污染物是会使土壤的反射率增加。污染物浓度越高，增加程度多。

不同污染物温度对土壤反射率的影响：在钨灯为光源时，加入的污染物在不同的温度下，会使反射率增加。当温度高时，反射率增加较大。

由上可得：将近红外光谱法在分析污染土壤的程度时进行应用是可行的，其污染物可分为不同的类别，但污染物的具体类型有待进一步研究和分析。经过更多的实验，我们可以尝试绘制一个分类标准。

同时，该实验为解决土壤污染问题提供了可能的解决方案。利用光谱特征对土壤污染进行分类和改善是非常有益处的。

同时，我们发现在单个波段添加污染物可以略微增强这些波段的反射率，如550nm和610nm处，经过分析可得出以下可能性结论：

1.土壤样品本身的原因，即土壤成分或土壤中的某些元素，对污染物的反射率有很大的影响。这一假说可能与土壤类型或区域土壤性质有关。 2.污染物增加后，土壤发生了变化。

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3.钨丝灯（光源）的原因。光源会对土壤样品产生影响。 参考文献

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