不同傅里叶变换红外光谱法研究土壤光谱特征的比较与应用

为了将傅里叶变换红外光谱技术更好地应用于土壤中官能团的定量分析,通过比较3种不同傅里叶变换技术下土壤特征吸收峰的差异,来选取最佳的光谱技术应用于土壤的相关研究。采用透射(T-FTIR)、衰减全反射(ATR-FTIR)和漫反射(DR-FTIR)3种光谱技术分别对有机物(苯甲酸、硬脂酸)和土壤(辽东栎)进行了分析。并将辽东栎和草地土壤样品按不同比例混合,使用T-FTIR和DR-FTIR对混合土样进行光谱测定,用于定量分析研究。结果表明:(1)有机物样品在3种光谱技术中均出现特征吸收峰,苯甲酸在1 600～1 400 cm^-1出现苯环C=C骨架特征峰,硬脂酸在2 900～2 800 cm^-1显现甲基的特征峰。有机物中羧酸-COOH内羰基-C=O在1 720～1 680 cm^-1出现伸缩振动吸收峰,羟基-OH分别在1 430～1 410 cm^-1,940～930 cm^-1附近出现面内和面外弯曲振动吸收峰。有机物在T-FTIR技术中需要用溴化钾(KBr)对其稀释。(2)辽东栎土壤样品在T-FTIR和DR-FTIR技术测试中发现,其土壤谱图中有较多有效特征吸收峰,土壤样品在T-FTIR技术中也需要用KBr进行稀释并使样品均匀的分布在锭片中; 而ATR-FTIR技术测试中仅出现个别有效特征吸收峰,不利于对土壤谱图鉴别与进一步分析。(3)辽东栎和草地土壤样品按不同比例混合的测试结果表明:T-FTIR和DR-FTIR技术测试中质量分数与峰面积比呈正相关,线性拟合分别为R²=0.70和R²=0.88。土壤在3种不同红外技术中,DR-FTIR光谱具有较好的土壤特征吸收峰,对土壤样品可以不用KBr稀释。测试步骤简单易操作,可用于土壤样品定量分析研究。     

辽宁省黄土状母质发育土壤有机质含量高光谱预测模型的构建

  目的  建立辽宁省黄土状母质发育土壤有机质含量的高光谱预测模型,以便快速获取土壤样品的有机质含量。  方法  对省域内黄土状母质发育土壤进行了样品采集,获取样品有机质含量和高光谱数据;选择原始光谱及其一阶微分、二阶微分、倒数对数、倒数对数一阶微分、倒数对数二阶微分6种光谱变换数据作为自变量,与土壤有机质含量进行相关分析,选取特征波段,分别建立多元逐步线性回归（SMLR）、偏最小二乘回归（PLSR）和主成分回归（PCR）3种土壤有机质高光谱线性预测模型,并进行了支持向量机（SVM）方法的非线性模型拟合。  结果  土壤有机质含量与其光谱反射率呈负相关关系,对光谱进行不同的数学变换,可以提高土壤有机质含量与光谱反射率的相关性,其中一阶微分和二阶微分的提升效果最佳;相同光谱数据在不同模型中建模精度存在显著差异,以原始光谱反射率一阶微分为自变量的PLSR模型精度最高,建模集和验证集的决定系数（R2）分别为0.958和0.976;3种线性方法建立的最佳预测模型的检验精度为:PLSR > SMLR > PCR。  结论  PLSR模型是辽宁省黄土状母质发育土壤有机质含量的最佳高光谱预测模型,且基于特征波段的建模效果优于全波段;SVM非线性模型的预测精度较低。     

不同种类茶叶冲泡前后中红外光谱变化探析

为建立一种快速无损评价茶叶/茶汤化学品质和色泽的方法,本试验选取7种代表性茶叶样本为材料,利用傅里叶变换中红外光谱(FTIR)技术,以开水冲泡方式制备茶汤冻干粉,对茶叶与茶汤共14个样本进行FTIR光谱采集分析。通过聚类分析、光谱曲线拟合、定性分析,并结合常规化学法检测茶多酚、茶多糖、可溶性糖、游离氨基酸、主要儿茶素类和生物碱含量。结果表明,不同茶叶光谱明显不同,由于茶叶加工工艺造成的脂类、儿茶素类、咖啡碱、游离氨基酸及叶绿素含量差异,利用1 800～1 170 cm^-1狭窄区域的光谱特征,可实现茶叶分类。茶叶与对应茶汤的光谱也存在明显差异,体现了茶叶在冲泡过程中的物质变化。主要特征峰区(位)为:2 925/2 855 cm^-1代表脂类饱和烃链-CH₂振动,1 700 cm^-1峰位对应儿茶素类和咖啡碱,1 534 cm^-1对应着叶绿素脱镁过程,1 551/1 556 cm^-1和1 500/1 497 cm^-1为叶绿素中亚甲基桥的伸缩振...     

中红外光谱土壤有机质含量估测研究进展

中红外光谱波段(2.5～25μm)对土壤有机质内部分子振动高度敏感,基于中红外光谱技术的土壤有机质含量估测是土壤学科新兴的研究方向和热点.文章采用文献综述的方法,全面总结了土壤有机质含量中红外光谱估测方法的发展和应用,简述了中红外光谱响应与土壤有机质分子结构的相关性研究,对比分析了室内台式、手持式和机载中红外光谱设备估...     

基于傅里叶红外光谱弃耕地开垦前后土壤有机质结构变化分析

以新疆玛纳斯河流域盐渍化弃耕地为案例,人为开垦(5年)后不同土层土壤为研究对象,以弃耕地土样为对照,采用傅里叶红外光谱(FTIR)对不同土层土壤有机质(SOM)结构进行比较,研究弃耕地开垦前后土壤有机质红外光谱特征,探明开垦对不同土层有机质结构变化的影响,明确有机质结构稳定性变化情况,分析不同深度土层土壤有机质结构稳定性的变化。结果表明:开垦前后土壤红外光谱的特征峰相似,特征峰所代表的官能团主要来源于脂肪族(2925和2854 cm^-1)、芳香族(1623和1432 cm^-1)、糖类(1163、1073、1033和1007 cm^-1)和游离羟基(3620和3421 cm^-1);开垦后农田土壤有机质中脂肪族、芳香族、糖类和游离羟基官能团的峰面积在10~20 cm土层中较弃耕地分别提高1.24、37.64、77.44和27.39;芳香族的相对峰强度增长15.93%,脂肪族的相对峰强度下降9.09%;随着土层深度的增加,弃耕地土壤中来源于糖类和芳香族的峰面积逐渐降低,而开垦后棉田芳香族的官能团峰面积逐渐升高。农田开垦种植后增加了土壤有机质稳定性,尤其在20~40 cm土层表现更为明显。综上所述,弃耕地开垦后土壤有机质结构更为复杂,土壤有机质中芳香族官能团所占比例的提高是土壤有机质结构稳定性提高的重要原因。     

基于傅里叶变换离子回旋共振质谱测定的土壤溶解性有机质研究进展

溶解性有机质(DOM)是土壤溶液中的一种常见组分,对生物地球化学和碳循环过程起着重要作用。然而由于组成复杂且难以分离,多数研究只能提供不同官能团信息以及一些分类数据,对该类化合物的组成研究非常薄弱。电喷雾电离源(ESI)结合傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS)具有超高质量分辨能力,近年来开始应用于土壤DOM分析领域。本文概述了(ESI)FT-ICR-MS高分辨率质谱检测特性,并重点阐述了依托该技术测定的土壤DOM在不同土地利用方式、土层深度和土壤温度下的组成和特征。在此基础上,指出了目前研究中(ESI)FT-ICR-MS技术存在的局限性,并提出了有待于进一步研究的一些问题。     

不同改良材料对黄河三角洲耕层土壤理化性质及微生物多样性的影响

为提高黄河三角洲滨海低产田耕层有机质含量,探究施用不同材料对研究区域土壤改良效果,设置WM(木本泥炭+腐熟秸秆)、BS(生物炭+腐熟秸秆)、OS(有机肥+腐熟秸秆)、S(腐熟秸秆)、CK(常规施肥)5种不同类型改良材料处理进行田间试验,改良材料用量均为30 t hm~(-2),腐熟秸秆用量为14 t hm~(-2)。经过两茬玉米种植后,采集土壤样品,分析了土壤微生物及养分变化。研究结果表明,木本泥炭材料+腐熟秸秆处理的Chao1、Simpson指数、Shannon指数提高,土壤微生物多样性增加。各处理中土壤细菌类群主要有Proteobacteria(变形菌门)、Acidobacteria(酸杆菌门)、Actinobacteria(放线菌门)、Chloroflexi(绿弯菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门),其合计量的相对丰度在5种处理WM、BS、OS、S、CK中分别为26%、16%、15%、15%、9%。在5种处理中相对占比较高的六种优势菌属为Exiguobacterium(微小杆菌属)、Citrobacter(柠檬酸菌属)、Pseudomonas(假单胞杆菌属)、Acinetobacter(不动杆菌属)、Kaistobacter、Pontibacter。冗余分析发现与有机质、可溶性有机碳等指标相关性最好的浮霉菌门(Planctomycetes)、疣微菌门(Verrucomicrobia)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)微生物在腐熟秸秆处理中OTU指数最高。在施加不同改良材料处理中,木本泥炭材料+腐熟秸秆提高碱解氮、有机质含量效果显著,有机肥+腐熟秸秆处理提高土壤溶解性有机碳效果显著。     

畜禽粪便热解气体的红外光谱分析

为了解畜禽粪便热解过程析出气体的主要成分以及气体析出规律,该文在30℃/min的升温速率条件下进行了猪粪、牛粪、羊粪和鸡粪的热解试验,利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术对热解过程中气体产物的排放特性进行了分析。试验结果表明,畜禽粪便气体产物主要在250～500℃析出,其主要成分为H2O,CO,CO2和CH4等,其中H2O、CO和CO2的析出峰为双峰,H2O和CO2均在350℃附近形成最大析出峰,H2O约在150℃形成第1个析出峰,CO2约在710℃附近形成的第2个析出峰,CO在350℃处形成第一个析出峰,其最大析出峰形成于710℃处左右,CH4析出特性为一单峰,在530℃附近形成最大峰值。该文研究结果为热解反应器的设计和优化提供参考。     

基于高光谱特征指数的土壤有机质含量建模

以江苏中部的水稻土和潮土为研究对象,采集178个表层土壤(0～20 cm)样品,并测定了土壤有机质含量(Soil Organic Matter,SOM).运用ASD FieldSpec 3光谱仪测量了土壤的高光谱曲线,首先对原始光谱进行倒数对数和去包络线变换,分析了不同SOM含量梯度和土壤类型的高光谱特征.其次,基于原...     

南亚热带不同母质发育土壤团聚体特征及其稳定性

团聚体是土壤的基本结构单位,其稳定性是评价土壤质量的重要指标.以南亚热带地区不同母质(石灰岩、第四纪红黏土、砂页岩)发育的土壤作为研究对象,采用湿筛法和LB法测定不同母质发育土壤团聚体稳定性特征.结果表明:(1)随着土层深度的增加,土壤容重呈上升趋势,而孔隙度、有机质和游离氧化铁含量呈下降趋势.砂页岩母质发育的土壤有机...     

不同母质发育旱地土壤反硝化功能差异及其关键影响因素

农田土壤反硝化作用强度具有较高的空间异质性,不同类型土壤反硝化作用活性的影响机制可能存在差异。本研究通过大规模样带调查,系统采集了3种不同母质发育的旱地农田土壤,对比分析了土壤反硝化能力的差异及其与土壤环境因子的关系。结果发现:土壤反硝化势在3个类型土壤间有显著差异,其中河流冲积物发育的潮土(AS)反硝化势(以单位时间单位质量土壤的N2O释放量表示)显著高于其他两个类型土壤22.22～579.09μg/(kg·h),平均高达213.34μg/(kg·h),黑土(BS)的反硝化势平均为136.38μg/(kg·h),略高于第四纪红色黏土发育的红壤(QRCS)(96.17μg/(kg·h)),但两者无显著差异。相关性分析表明,土壤pH与反硝化势极显著正相关,说明在本研究所测定的土壤性质中,pH可能是影响不同类型土壤反硝化势差异的关键因素,另外,有机质含量对3个类型土壤反硝化势也有一定影响。同一母质发育的土壤,反硝化能力在不同采样地点也存在差异,而且调控不同类型土壤内部反硝化势的关键土壤环境因素不尽相同,其中对第四纪红色黏土发育的红壤、潮土和黑土影响最为显著的因素分别为土壤有机质、pH和黏粒含量。     

南方红壤区典型母质发育土壤硒素特征及影响因素

为探究南方红壤区不同母质土壤硒素特征及理化性质对硒有效性的影响,以广西典型红壤区不同母质土壤为研究对象,通过测定硒形态特征及理化性质,并利用AMOS路径分析模型及土壤培养试验,量化了不同因子对不同母质土壤有效硒的影响。结果表明：南方红壤区不同母质土壤总硒含量均高于0.4 mg/kg,其中以花岗岩母质土壤总硒含量最高,以砂页岩母质土壤有效硒含量最高,且变幅最大。土壤硒形态主要以残渣态和有机结合态为主,不同形态硒含量由高到低均表现为：残渣态硒>有机结合态硒>铁锰氧化物结合态硒>交换态硒>可溶态硒。AMOS路径分析模型结果表明,影响不同母质土壤硒形态分配贡献的主要因素是全磷、有机质和pH,第四纪红色黏土母质土壤中的全氮及砂页岩母质土壤中的速效氮的影响也值得关注。利用贡献较大的理化因子开展土壤培养试验,外源理化因子添加后均在一定的时间及剂量条件下出现土壤有效硒含量最大值,且不同母质土壤获得的最佳因子条件不同。因此,不同土壤母质因土壤理化性质的不同,其硒形态特征存在较大差异,不同理化因子作用于土壤后,土壤硒会因土壤环境的变化而重新分配。     

湘东第四纪红色黏土发育的典型土壤在中国土壤 系统分类中的归属

选取湖南省东部地区12个由第四纪红色黏土发育的典型土壤剖面,在对其成土环境、剖面形态特征及其理化性质进行研究的基础上,按照中国土壤系统分类方案,检索出了其诊断层和诊断特性,据此确定了其在中国土壤系统分类中的归属。结果表明,供试土壤剖面包含了淡薄表层、暗瘠表层、低活性富铁层、黏化层、聚铁网纹层等10个诊断层和诊断特性,其在中国系统分类体系中的位置分别为:淋溶土、富铁土和雏形土3个土纲;湿润淋溶土、湿润富铁土和湿润雏形土3个亚纲;简育湿润富铁土、铝质湿润淋溶土和铝质湿润雏形土3个土类;暗红简育湿润富铁土、表蚀简育湿润富铁土、网纹简育湿润富铁土等6个亚类;按照土族和土系划分标准,建立了黏质高岭石型酸性热性-普通铝质湿润淋溶土等9个土族和燕塘系(43-LY01)等12个土系。研究发现:受亚热带气候影响,许多土壤剖面发生了富铁铝化过程,且由于淋溶强烈,形成了聚铁网纹层,而现行的《中国土壤系统分类检索(第三版)》还不能给出一个合适的位置,因此建议在铝质湿润淋溶土亚类中增设一个可以反映相关特性的网纹铝质湿润淋溶土亚类。     

广东不同母质水稻土供钾特性的评价

应用生物耗竭法并结合模拟试验综合评价了广东5种主要母质发育水稻土的供钾特性。研究结果表明:(1)2mol/L冷HNO3法提取的有效钾与水稻吸钾量间的相关性最好,建议用2mol/L冷HNO3法提取的钾来评价土壤的供钾状况。(2)1mol/L沸HNO3法提取的非交换性钾含量在耗竭后高于耗竭前的水平,与水稻吸钾量相关性很小或呈负相关,不适宜用来评价耗竭土壤。(3)广东5种主要母质发育的水稻土供钾能力大小顺序为:三角洲沉积物发育水稻土>花岗岩发育水稻土>砂页岩发育水稻土>石灰岩发育水稻土>玄武岩发育水稻土。该试验结果可供水稻合理施用钾肥作参考。     

湘北地区典型水稻土的发生特性及其在中国土壤系统分类中的归属

选取湘北地区7个发育于2种母质的水稻土剖面样点,通过对其成土环境、剖面形态特征以及土壤理化性质进行野外观测和室内分析,按中国土壤系统分类方案,检索出诊断层和诊断特性,确定其在中国土壤系统分类中的归属,并评述土系的生产性能。结果表明:供试水稻土归属于水耕人为土亚纲下的简育和铁聚水耕人为土2个土类,底潜简育水耕人为土、普通简育水耕人为土、普通铁聚水耕人为土、漂白铁聚水耕人为土4个亚类;进一步按照土族和土系划分标准,划分出7个土族和7个土系。在相同成土环境下,同种母质发育的水耕人为土,土壤系统分类比土壤发生分类具有更强的划分能力。其划分的基层土壤单元(土族和土系),对农业生产、土地资源利用更具有指导意义。     

稻作制度对红壤性水稻土有机质特征的影响

采用长期定位试验,比较3种稻作制度对红壤性水稻土有机质总量、有机无机复合状况、腐殖质结合形态、腐殖质组成、胡敏酸光学性质和总酸度等的影响。结果表明:冬泡制度比水旱轮作有助于增加土壤有机质总量、重组有机质含量、胡敏酸含量和胡敏酸/富啡酸,而水旱轮作比冬泡制度有利于提高土壤松结合态腐殖质、松结合态腐殖质/紧结合态腐殖质、胡敏酸E4值和总酸度。由此说明,冬泡制度有利于土壤有机质总量和胡敏酸的累积,但不利于胡敏酸分子的增长,腐殖质品质较差。而水旱轮作条件下土壤有机质活性增加,胡敏酸分子结构趋于复杂,其氧化度和芳香度增加。因此,通过周期性的水旱轮作换茬,可使土壤有机质的腐殖化和矿质化过程比例协调,从而提高土壤有机质的质量。     

重庆市全新统冲积物发育土壤的系统分类研究

为明确重庆市第四系全新统(Qh)冲积物发育土壤在中国土壤系统分类中的归属,本文以该成土母质发育的土壤为研究对象,挖掘9个典型土壤剖面,通过野外观测、分层取样及理化性质分析等,依据现行中国土壤系统分类检索,对其进行分类和命名,并与发生分类进行参比。结果表明:9个供试土壤剖面分别归属于雏形土和新成土2个土纲,5个亚类,其中5个为石灰淡色潮湿雏形土,1个为铁质简育常湿雏形土,1个为斑纹简育湿润雏形土,1个为潜育潮湿冲积新成土,1个为石灰潮湿冲积新成土;隶属于发生学分类潮土土类的6个供试剖面分别归为系统分类中淡色潮湿雏形土、简育常湿雏形土和简育湿润雏形土3个土类,而隶属于发生学分类新积土土类的3个供试剖面则分别归为系统分类中淡色潮湿雏形土和潮湿冲积新成土2个土类。结合成土环境分析可知,地形、气候和母质是影响重庆市第四系全新统冲积物发育土壤系统分类的重要因素。     

青海省东部山区旱作农田土壤团聚体特征研究

比较了青海省东部山区垂直梯度分布的三种旱作农田土壤(黑钙土、栗钙土、灰钙土),在0~60 cm土层的不同粒级土壤风干团聚体和水稳性团聚体含量间的差异,并结合其它土壤质量指标(有机质、粘粒)对不同土壤结构和抗侵蚀能力进行了综合评价。结果表明,>0.25mm风干团聚体、>0.25mm水稳性团聚体含量和土壤有机质含量与土壤类型间有密切关系。均表现为黑钙土>栗钙土>灰钙土。黑钙土和栗钙土的土壤有机质含量与>0.25mm水稳性团聚体间存在显著正相关关系(P<0.05),灰钙土则无明显相关性;三种土壤粘粒含量与>0.25mm风干团聚体和0.25mm水稳性团聚体含量间无明显相关性。各项指标综合比较,三种土壤抗侵蚀能力大小为:黑钙土>栗钙土>灰钙土。     

Characteristics of organic matter in soil surface horizons derived from calcareous and metamorphic rocks and different vegetation types from the Mediterranean high-mountains in SE Spain

A study was carried out on some basic characteristics of the organic matter in the surface horizons of soils from the two different geological (calcareous and acid metamorphic rocks) and ecological systems under a Mediterranean climate in Southeast Spain. The results show some noticeable differences in soil organic matter composition. This is likely due to typical Mediterranean climate and well adapted vegetation. There is a tendency towards a greater stability for the soil humus formed under slightly alkaline soil in comparison to the slightly acidic environment. The samples taken from the latter environment have a higher content in free organic matter, a lower content in total extractable humin and a greater relative proportion of aliphatic chains and lignin in the humic acids. The results also suggest some differences caused by the type of vegetation (forest and scrubland ecosystems) in the soil humus chemistry, with a more obvious negative effect under reforestations with species of Pinus in an acidic soil environment (a higher content in free organic matter, lesser presence of fungal-derived perylenequinonic pigments in the humic acids, and a higher content in little evolved forms of nitrogen and lignin in the humic acids). In general the organic matter under scrubland and Quercus vegetation is more decomposed and the humus is more evolved than under Pinus vegetation.     

海拔与岩性变异对石灰岩发育土壤黏土矿物组成的影响

用X射线衍射法研究了中亚热带区海拔、岩性变异对石灰岩发育土壤黏土矿物组成的影响。结果表明:在海拔约2 000 m的重庆金佛山山顶区,灰黑色钙质页岩石灰岩发育的黑色石灰土,矿物组成复杂,除伊利石为主外,还有少量蛭石、绿泥石、高岭石和蒙脱石,有一定量的母质残留矿物(滑石和滑间皂石);由砂页岩和灰岩互层母质发育的山地黄棕壤,以蛭石为主,伊利石和高岭石其次,有三水铝石和弱结晶针铁矿。在金佛山中下部(600~1 200 m),石灰岩发育的黄色石灰土以蛭石或伊利石为主,有一定量的高岭石,普遍出现针铁矿。湖南怀化盆地海拔200多米,纯灰岩发育的红色石灰土为伊利石、蛭石和高岭石(含埃洛石)组合型,有结晶好的针铁矿和少量赤铁矿。海拔显著影响高岭石含量、针铁矿结晶度,海拔降低时高岭石含量增加,针铁矿结晶度提高。在金佛山山顶区,石灰岩母质岩性和微地形变异对土壤成土过程和黏土矿物组成影响显著。