[发明专利]一种土壤有机质标志物的识别方法及应用

权利要求书

1.一种土壤有机质标志物的识别方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将不同类型土壤的样本通过质谱仪分析，获取一组质谱数据样本，对每个质谱样本进行前处理之后，识别该土壤质谱样本上的峰，对不同样本上出现在近似的保留时间上的峰进行对齐，从而得到一个互不重复的峰的集合；

(2)计算每个峰在不同类别土壤样本中的出现频率，以及每两个峰构成的峰对在不同类别土壤样本中同时出现的频率，筛选出每类土壤样本中出现频率最高的若干峰或峰对；

(3)基于步骤(2)所筛选出来的峰或峰对的保留时间对不同类型土壤的样本进行二进制编码，并通过模拟退火算法计算得出不同类型土壤的标志性峰和峰对，根据这些峰的保留时间确定每个峰对应的有机物分子构成，即得到不同类型土壤的有机质标志物或有机质标志物对；

步骤(2)中，在每类土壤样本中选取出现频率最高的N个峰，以及出现频率最高的M个峰对；其中，N的取值为20-50以内的整数，M的取值为3-10以内的整数；

步骤(3)中，所述的二进制编码为将每个质谱样本编码为一个长度为N+M的向量，向量的每个元素对应一个重要的峰或峰对，元素取值为1或0，对应该峰或峰对是否在该质谱样本中出现；

步骤(3)中，所述模拟退火算法以长度为N+M的二进制向量X的所有可能的取值为解空间，将X识别某一土壤种类的准确率为目标函数U；该识别方法为给定X，对于某一样本，计算X对应出现的峰和峰对在该样本上出现的比率，若这一比率大于2/3，则认为该样本属于此土壤种类；通过最大化目标函数搜索最优的解，具体步骤为：

(a)初始化初始解X₀；

(b)在迭代的第k步，生成新解然后比较和U(X_k-1)的大小：

若则将新解作为当前解，即令

若以概率将新解作为当前解；

(c)循环步骤(b)直至达到算法终止条件；

设定迭代次数为向量X长度的200-500倍以内，T_k设定为r_k，r取小于1的实数，控制算法的收敛速度；算法终止后序列{X_k}中使得U(X)的值最大者为最优解，最优解对应的峰和峰对即为该土壤类型的标志性峰和峰对。

2.根据权利要求1所述土壤有机质标志物的识别方法，其特征在于，步骤(1)中，所述不同类型土壤的样本至少包括耕地土壤样本、林地土壤样本和建筑用地土壤样本；

获取质谱数据样本的方法为：将采集的土壤样品去除其中的杂质，在阴凉通风处干燥，然后过孔径2mm筛子得到实验样品备用；称取5.0±0.1mg样品于裂解杯中，在610℃温度下，裂解0.2min，之后进入GC-MS分析检测。

3.根据权利要求1所述土壤有机质标志物的识别方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的前处理方法为：将质谱上的每个保留时间上的强度除以该质谱所有保留时间上的强度之和对质谱进行标准化；基于固定的平滑窗口对质谱进行平滑化；计算标准化后的质谱强度和平滑化后质谱的强度之差，并在以每个保留时间为中心的固定噪音窗口内取质谱强度的中位数作为该保留时间上强度的噪音量；在以每个保留时间为中心的固定基准窗口内，将平滑后的质谱强度的最小值作为基线从该保留时间对应的质谱强度中减除，从而获得去除基线的质谱；

其中，所述平滑窗口取值大小为驻留时间的8-12倍；

所述固定噪音窗口取值大小为驻留时间的140-180倍；

所述固定基准窗口取值大小为驻留时间的300-500倍；

驻留时间为质谱数据采集时扫描每一个离子的停留时间。