[发明专利]基于臭氧氧化发光光谱的土壤养分原位速测方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于生态环境监测技术领域，具体地说，是涉及一种基于臭氧氧化发光光谱的土壤养分原位速测方法及装置。

背景技术

在农业生产中，根据作物在不同生长发育阶段对养分的需求，调节土壤养分状况，是获取农作物优质高产的重要环节。因此，实时掌握土壤养分动态，指导农业生产科学施肥，不仅有助于农作物保收增产，而且有助于改善土壤生态环境。

传统测定土壤养分的方法一般为常规化学分析方法，化学分析方法存在如下缺点：1、分析过程需要大量的前处理过程，耗费大量时间，测试效率较低，对于分散的农业生产不能及时给予科学指导；2、消耗大量试剂，产生较重二次污染，违背监测初衷。在这种背景下，土壤养分速测研究成为热点，并有部分产品问世。其中，近红外光谱方法应用较多，但对应的产品价格过高，限制了其应用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于臭氧氧化发光光谱的土壤养分原位速测方法，该方法较红外光谱方法成本低，能够置于田间、快速准确的测定土壤有机质及其组分含量、总氮含量。而且不需要繁琐的化学分析，避免化学分析中可能导致的环境污染及对人体造成的健康危害。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于臭氧氧化发光光谱的土壤养分原位速测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)制取臭氧并干燥净化；

2)将臭氧与土壤样品充分反应，产生光信号，将光信号由聚光器汇合后通过切光器进行斩光，形成已知波段的光谱信号，再经放大器放大信号及滤波器去除噪声，获取较强的光谱信号；

3)对处理后的光谱信号依次经过不同土壤养分特定波段的滤光片后，获取土壤养分的原始光谱；

4)土壤养分的原始光谱被探测器接收，经光电转换器把光信号转换成电信号，同时输出电信号特征；

5)将电信号特征输入预测模型，输出土壤养分含量。

其中，在步骤5)中的预测模型为通过标准样品和空白样品进行绘制，分别测定标准样品和空白样品的臭氧氧化发光光谱，根据常规化学方法测定标准样品和空白样品的土壤养分含量，建立不同土壤养分含量与对应特征光谱的函数关系，作为不同土壤养分的预测模型。

在步骤3)中的滤光片设置有5个，所述5个滤光片的波段及其对应的土壤养分分别为：680nm，有机质组分-脂类；610nm，土壤氮；560nm，有机质组分-粗木质素；550nm，土壤有机质；420nm，有机质组分-粗纤维素。

基于上述基于臭氧氧化发光光谱的土壤养分原位速测方法的设计，本发明还提出了一种装置，包括臭氧氧化发光信号采集装置、光信号强化放大装置、土壤养分光谱采集装置、光谱解析及数据处理装置；

臭氧氧化发光信号采集装置包括反应室和聚光器，土壤样品与臭氧在反应室反应产生光信号，并由聚光器采集土壤样品与臭氧反应产生的光信号；

光信号强化放大装置包括切光器、放大器和滤波器，对采集的光信号进行斩光、放大处理，即经切光器进行斩光，形成已知波段的光谱信号，再经放大器放大信号及滤波器去除噪声，获取较强的的光谱信号；

土壤养分光谱采集装置包括滤光片、探测器和光电转换器，光信号强化放大装置处理后的光信号依次经过不同土壤养分特定波段的滤光片后，获取土壤养分的原始光谱，土壤养分的原始光谱被探测器接收，经光电转换器把光信号转换成电信号，同时输出电信号特征；

光谱解析及数据处理装置将电信号特征输入预测模型，输出土壤养分含量。

装置还进一步包括臭氧发生装置，臭氧发生装置包括臭氧发生器、干燥皿和分子筛，臭氧发生器制取臭氧，经过干燥皿和分子筛进行干燥净化处理。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明确定土壤养分的臭氧氧化发光光谱的特定波段，建立土壤养分含量与光谱特征的关系，从而实现通过臭氧氧化发光光谱快速检测土壤养分的目的。本发明建立的快速测定土壤养分的方法具有低成本、快速、无污染的优点。本发明检测装置搭建成本低，<1万元，远远小于红外光谱检测装置的成本，但是测量精度很高，误差小于5％；本发明测定速度快，能够在<0.5h的时间内测定土壤有机质及其组分含量和氮含量，远小于常规化学的测定时间(有机质组分含量测定至少3d)；测试过程不需要化学试剂，所用的臭氧浓度较低(<5％)，未参与反应的臭氧在空气中会迅速分解，对环境和人体健康均不构成危害。本发明建立的快速测定土壤养分的方法可以极大的促进土壤学和生态学的发展，并有助于农业生产实现高产和可持续发展，具有广泛的应用空间。