[发明专利]一种土壤有机质标志物的识别方法及应用

说明书

本发明公开了一种土壤有机质标志物的识别方法及应用，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，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，得到一个互不重复的峰的集合；计算每个峰或每两个峰构成的峰对在不同类别土壤样本中的出现频率，筛选出每类土壤样本中出现频率较高的峰或峰对；基于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，得到不同类型土壤的有机质标志物或有机质标志物对。

技术领域

本发明属于土壤检测领域，具体涉及一种土壤有机质标志物的识别方法及应用。

背景技术

土壤是地球上最大的碳存储库，土壤有机质(Soil Organic Matter，SOM)是全球碳循环的重要组成部分，其形成、转化和降解过程控制着土壤碳库的变化和温室气体的排放通量。SOM结构复杂，来源丰富，植物、动物、微生物残体都是其重要输入源。SOM也参与着水生生态系统和陆地生态生态系统物理、化学和生物过程。SOM的结构特征决定其在土壤中的周转周期，与土壤CO₂的排放密切相关。因此，探究SOM的分子结构特征是认识其生物地球化学过程的关键步骤，是解析土壤碳库对全球气候变化反馈机制的关键环节。SOM结构复杂，常用的紫外可见光谱(UV-VIS)、荧光光谱(EM)、核磁(NMR)等分析方法仅能提供SOM的宏观信息，或推测SOM的部分化学信息，无法实现分子水平结构解析。

质谱仪(MS)是一类广泛应用的化学分析仪器，应用于各个领域。根据原理的不同，质谱可以分为气相-质谱(GC-MS)、液相-质谱(LC-MS)、飞行时间质谱(TOF)等。质谱方法特异性强、灵敏度高，可以在一次分析中提供丰富的分子结构信息。将分离技术与质谱法相结合可以定性定量检测混合物中的大量分子化合物。将SOM看做大量小分子化合物的混合物，利用质谱方法可以高通量地获得大量SOM中的分子结构信息。通过识别SOM分子种类，鉴定不同分子化合物的丰度，可以实现对SOM分子结构的定量解析。然而，由于SOM结构的异质性和复杂性，其质谱峰异常复杂，基线漂移较大，噪音明显，出峰数量极大，通常在数百至数千个。随着质谱技术的发展，SOM质谱分析的出峰数量仍将逐渐增长。对每个峰进行分子识别和定量分析通量太低，在实际应用中并不现实。因此，需要从所有检测到的分子里筛选出能反映SOM来源、结构和所处化学阶段的分子标志物。这些分子标志物可以帮助我们更深入的洞悉SOM特性，为SOM的来源、转化等过程研究提供数据支撑。目前，仍缺乏适用于SOM质谱图的前处理技术以及基于SOM高通量质谱数据的系统分子标志物挖掘方法。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，基于高通量质谱数据对土壤有机质分子标志物进行识别，得到对应不同类型土壤的有机质标志物，从而用于不同类型的土壤鉴别。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种土壤有机质标志物的识别方法，包括如下步骤：

(1)将不同类型土壤的样本用质谱仪分析，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。

其中，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。