主要从两方面对激光诱导击穿光谱(LIBS)技术进行综述,一是LIBS定性分析方法在元素快速监测方面的优势,以及基于LIBS的高空间分辨能力绘制元素相对含量分布图,全面观察元素在植株器官不同部位的分布情况;二是LIBS技术在土壤、植物中营养元素及重金属定量分析方面的进展及存在的问题。LIBS技术对金属元素的测定敏感度要优于对非金属元素的测定敏感度。测定非金属元素时,需要通入稀有气体来消除大气的影响;测定金属元素时,则需要通过无标定LIBS技术和光学薄LIBS技术解决金属元素自吸收的影响。

基于三维荧光光谱法,以含有不同类型润滑油、机油、柴油、汽油的土壤样品为研究对象,分别提取不同土壤样品的三维荧光光谱,然后计算不同样品的荧光强度均值、标准差、重心横纵坐标、相关系数、长轴斜率、偏度和峰度等7个特征参数,并作为不同油类的识别特征。对7个特征参数进行主成分分析(PCA),前3个主成分累计贡献率为88.79%,但经聚类分析发现5w-40型润滑油和15w-40型润滑油的主成分混叠较强,无法准确实现分类。将经PCA得到的3个主成分作为反向传输人工神经网络的输入量,将石油烃有机物的种类作为输出量,以进行油类识别,综合识别率达到95.6%。实验结果表明,基于三维荧光光谱方法直接从油污土壤中识别污染油可行,该方法为后续研究基于三维荧光光谱识别土壤中油类污染物提供了技术支持,具有较好的应用前景。

石油和石油产品的泄漏可造成严重的土壤污染, 传统的土壤石油烃污染监测方法存在耗时长、 便携性差等问题, 难以满足大面积诊断土壤污染区域和数字化土壤制图的需求。 可见-近红外光谱技术具有快速、 便捷、 低成本和无污染等优势, 是土壤信息快速获取最有潜力的手段, 也是未来研究发展的趋势。 该技术目前在监测土壤性质领域已经取得了一定的成果, 但在监测土壤石油烃污染方面, 国内外的研究仍然处于起步阶段, 石油烃含量反演模型的实际应用仍然是难点, 而且针对现有的成果很少有人对其进行总结。 文章探讨了可见-近红外光谱监测土壤石油烃污染的可行性, 并归纳和总结了污染土壤的光谱敏感波段、 预测模型和光谱数据库三个方面近几年最新的研究进展, 分析了目前研究成果中存在的不足, 并对未来的研究方向进行了展望, 指出今后应加强多种类型土壤石油烃混合物样本、 通用的石油烃预测模型、 野外光谱测量实验和成像光谱技术等四方面研究, 以期为后续进行土壤石油烃污染的深入研究提供借鉴。

氮循环是土壤生态系统元素循环的重要过程, 其中硝化作用对于土壤氮循环有重要影响。 硝化作用的主要完成者是硝化微生物群落, 土壤微生物是湿地生态系统的重要组成部分, 其可以指示湿地生态环境变化, 对正确认识湿地生态系统氮循环和湿地污染净化功能具有重要意义。 尝试从高光谱遥感技术角度, 基于土壤氮素光谱监测机理, 探索湿地土壤硝化微生物群落高光谱估算技术, 进而为估测其时空分布状况提供新技术途径。 研究对硝化作用中两个独立阶段的主要完成者氨氧化细菌和亚硝酸氧化细菌, 采用最大可能数法分别计数, 并以两者计数测量结果的合计, 作为各采样区域土壤硝化微生物的数量值。 采用光谱倒数的对数(LR)、 光谱一阶微分(FD)、 光谱二阶微分(SD)、 包络线去除(CR)和光谱波段深度(BD)光谱变换技术, 以及基于再抽样(bootstrap)技术的多元逐步回归(SMLR)和偏最小二乘回归(PLSR)建模方法, 构建湿地土壤硝化微生物数量和全氮含量估算模型。 研究结果表明: 在采用bootstrap SMLR建模方法时, 湿地土壤硝化微生物数量和全氮含量的估算波段位置存在一定的相似性(尤其对于原光谱实测数据R和SD光谱); 对于湿地土壤硝化微生物数量和全氮含量的估算, bootstrap PLSR相比于bootstrap SMLR建模方法, 具有较高的估算精度; 对湿地土壤硝化微生物数量的估算, 最高估算精度产生于SD光谱变换技术结合bootstrap PLSR建模; 对湿地土壤全氮含量的估算, 最高估算精度产生于CR光谱变换技术结合bootstrap PLSR建模。

利用浙江省36个县市的643个农田耕层土样的可见-近红外反射率数据以及重金属与有机质含量数据,分析了Ni、Cu、As、Hg、Zn、Cr、Cd、Pb含量与有机质含量的相关性,对比了不同重金属元素与有机质敏感波段的位置,并建立了各重金属元素含量的偏最小二乘回归(PLSR)模型.研究结果表明,Ni、Cr与有机质的相关性最优,As最差,相关系数分别为0.54、0.59、0.20,各重金属元素与有机质的相关系数与它在前三个主成份载荷图中与有机质的距离成反比；不同的重金属元素与有机质高光谱敏感波段的重叠度、回归系数的正负一致性具有明显差异,与有机质相关性越高的元素,其重叠度也越高、正负一致性也越好；在所有8种重金属元素的PLSR预测模型中,Ni、Cr的建模与预测效果较好,RPD值分别为1.94、1.80,模型具有一般的定量预测能力,其余6种重金属元素预测模型的RPD值均在1.00和1.40之间,模型只具备区别高值和低值的预测能力.该研究结果为大尺度区域土壤重金属污染的高光谱遥感监测提供了一定的理论依据与参考.

高纯度的粘土矿物样品是粘土矿物学重建古气候的关键, 然而, 土壤中的铁矿物(如针铁矿和赤铁矿等)和有机质的存在导致粘土矿物与非粘土矿物相互包裹, 使富集的粘土矿物样品常含有其他矿物杂质。 土壤沉积物中有机质去除的研究已较为充分, 但铁矿物在土壤沉积物中的赋存状态倍受争议, 制约了高纯度粘土矿物样品的制备。 该研究将以长江中下游九江网纹红土作为研究对象, 通过逐级分离试验对网纹红土中铁矿物与粘土矿物的赋存关系进行研究, 为土壤沉积物中铁矿物的去除提供一定的启示。 试验结果表明, 针铁矿和赤铁矿等铁矿物可能主要呈现被膜状吸附在羟基间层蒙脱石和伊利石的表面, 也有部分被高岭石吸附。

为实现东北苏打盐渍土盐分的定量反演, 利用光谱测量技术, 建立了土壤反射光谱与土壤盐分含量之间的偏最小二乘回归模型; 探讨了利用反射光谱预测土壤盐分含量的可行性; 分析了不同光谱处理方法、 不同重采样间隔条件下建模的精度。 结果表明: 基于反射光谱进行土壤盐分的定量预测是可行的。 平滑后的光谱预测精度比平滑前的预测精度明显提高。 平滑后倒数对数变换能够有效去除噪声影响, 所建立的模型预测精度最高(R2=0.6677, RPD=1.61)。 能够满足盐分预测精度的最大的重采样间隔为8 nm。 为大规模卫星遥感监测盐渍化土壤时空演变提供了科学的参考依据。