ASD Fieldspec 4地物光譜儀在估計(jì)干旱農(nóng)業(yè)土壤中有毒元素方面的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)土壤中潛在有毒元素的存在對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)和人類健康具有重要影響。不僅會(huì)直接影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量，還有可能通過(guò)農(nóng)作物被吸收進(jìn)入食物鏈，對(duì)人類健康產(chǎn)生潛在威脅。

這些元素在食物中的積累可能導(dǎo)致慢性中毒，對(duì)人體的神經(jīng)系統(tǒng)、肝臟、腎臟等器官造成損害。特別是對(duì)于兒童和孕婦來(lái)說(shuō)，潛在有毒元素的攝入可能對(duì)他們的發(fā)育和健康產(chǎn)生更大的影響。

因此，精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)土壤中潛在有毒元素的含量，對(duì)管理土壤環(huán)境和減輕污染風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要，對(duì)于生態(tài)環(huán)境安全以及農(nóng)產(chǎn)品的安全和質(zhì)量保障具有重要意義，對(duì)于人們的健康來(lái)說(shuō)，更是不容忽視的問(wèn)題。

接下來(lái)，一起來(lái)了解一下篇與農(nóng)業(yè)土壤中潛在有毒元素（PTEs）相關(guān)的論文。
 

ASD Fieldspec 4地物光譜儀在估計(jì)干旱農(nóng)業(yè)土壤中關(guān)鍵潛在有毒元素方面的應(yīng)用
 

 

農(nóng)業(yè)土壤中潛在有毒元素（PTEs）的積累嚴(yán)重影響著人類健康，并對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響。有毒元素如鎘、鉻、鈷、銅、鉛和鋅，是土壤污染物的重要組成部分，這些元素通過(guò)進(jìn)入水、土壤、植物和食物鏈，危害人類和動(dòng)物健康。由于它們具有持久性和較長(zhǎng)的生物半衰期，其會(huì)破壞土壤中的營(yíng)養(yǎng)平衡，抑制植物生長(zhǎng)。因此，對(duì)土壤中PTEs的定量測(cè)量對(duì)于有效監(jiān)測(cè)和土壤修復(fù)至關(guān)重要。PTEs的定量測(cè)量在傳統(tǒng)上使用濕化學(xué)方法，此方法耗時(shí)、昂貴，并且不適用于大樣本土壤。因此，人們對(duì)能夠在現(xiàn)場(chǎng)并實(shí)時(shí)使用的檢測(cè)測(cè)量設(shè)備的需求日益增加，這推進(jìn)了可見光和近紅外光譜（Vis-NIRS）等新技術(shù)的發(fā)展。
 

Vis-NIRS是一種常用的土壤分析工具，可以應(yīng)用于土壤有機(jī)碳、質(zhì)地、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和PTEs等方面的分析�，F(xiàn)代儀器的光譜技術(shù)以高分辨率來(lái)分析樣品，對(duì)每個(gè)樣品產(chǎn)生許多光譜變量。高分辨率測(cè)量可能導(dǎo)致光譜變量的數(shù)量超過(guò)樣本數(shù)量，這在分析目標(biāo)（如土壤性質(zhì)）和光譜變量之間的關(guān)系時(shí)會(huì)變得困難。因此，需要適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)算法從光譜中提取有用信息。偏最小二乘回歸（PLSR）是一種廣泛使用的算法，結(jié)合了變量選擇策略，是一種常用的多元回歸技術(shù)，可以處理許多噪聲和相關(guān)變量。變量選擇算法以提高模型的魯棒性和精度而聞名，排除了噪聲光譜區(qū)域和共線波長(zhǎng)。對(duì)于PLS，已經(jīng)發(fā)表的許多變量消除方法包括PLSR的無(wú)信息變量消除(UVE-PLS)和模擬退火(SA)。UVE-PLS是一種基于PLSR回歸系數(shù)顯著性的變量消除方法，SA是一種概率優(yōu)化技術(shù)，在改進(jìn)各種矩陣中的PLSR校準(zhǔn)方面顯示出良好的結(jié)果。
 

過(guò)去幾十年來(lái)，工業(yè)活動(dòng)和無(wú)機(jī)肥料的長(zhǎng)期應(yīng)用嚴(yán)重影響了埃及和其他國(guó)家?guī)讉�(gè)地區(qū)的農(nóng)業(yè)土壤。此外，與近距離傳感方法相比，大樣本PTEs的實(shí)驗(yàn)室分析成本高。因此，越來(lái)越需要開發(fā)出通用且經(jīng)濟(jì)的快速定量土壤污染物的方法。

基于此，本研究旨在探索利用可見-近紅外光譜（Vis-NIRS）在埃及尼羅河附近受污染的干旱農(nóng)業(yè)土壤中定量測(cè)定關(guān)鍵PTEs（如Cd，Co，Cu，Cr，Pb和Zn）的可行性和成本效益。
 

在本研究中，來(lái)自蘇伊士運(yùn)河大學(xué)、埃及國(guó)家遙感和空間科學(xué)管理局、埃及米尼亞大學(xué)、俄羅斯RUDN大學(xué)的一組研究團(tuán)隊(duì)，①首先從埃及尼羅河附近的一個(gè)污染區(qū)域收集了80個(gè)土壤樣本（60個(gè)來(lái)自0-20cm深度，20個(gè)來(lái)自20-40cm深度）。②進(jìn)行土壤化學(xué)分析，測(cè)定每個(gè)土壤樣本的有機(jī)碳含量和潛在有毒元素（PTEs）含量。③使用ASD FieldSpec 4地物光譜儀對(duì)每個(gè)樣本進(jìn)行可見-紅外（Vis-NIR）光譜測(cè)量，獲取反射光譜數(shù)據(jù)。④使用變量選擇算法（如UVE和SA）從光譜數(shù)據(jù)中選擇有效波長(zhǎng)。⑤使用PLSR算法分別基于全波段光譜（FR-PLS）和基于變量選擇的光譜數(shù)據(jù)（UVE-PLS和SA-PLS）建立光譜模型。⑥使用決定系數(shù)（R2）和相對(duì)分析誤差（RPD）等指標(biāo)評(píng)估模型的預(yù)測(cè)性能，比較不同模型（FR-PLS、UVE-PLS和SA-PLS）在預(yù)測(cè)關(guān)鍵PTEs方面的能力。分析結(jié)果，討論模型在農(nóng)業(yè)土壤中的應(yīng)用前景。
 

研究區(qū)域和土壤樣本位置圖

結(jié) 果
 

測(cè)量的PTEs和pH之間的相關(guān)系數(shù)
 

土壤樣品原始光譜(A)和使用二階導(dǎo)數(shù)處理后的光譜數(shù)據(jù)(B)
 

PLSR模型的交叉驗(yàn)證和預(yù)測(cè)/驗(yàn)證結(jié)果（全波段光譜FR-PLS、模擬退火SA-PLS和無(wú)信息變量消除UVE-PLS）

【結(jié)論】

本研究探討了可見光近紅外光譜（Vis-NIRS）結(jié)合PLSR和特征選擇算法（無(wú)信息變量消除（UVE）和模擬退火（SA））在埃及某污染地區(qū)干旱條件下預(yù)測(cè)農(nóng)業(yè)土壤中有毒元素PETs含量的潛力。結(jié)果表明：（i）Vis-NIRS有預(yù)測(cè)土壤PETs的潛力；（ii）基于全波段光譜數(shù)據(jù)集（FR）建立的PETs預(yù)測(cè)模型的性能非常差（R2 < 0.40）；（iii）基于UVE算法和PLSR結(jié)合（UVE-PLS）的光譜選擇變量得到的預(yù)測(cè)結(jié)果相比于基于全波段光譜的模型，其準(zhǔn)確性有所提高（0.46 ≤ R2 ≤ 0.74）；（iv）對(duì)于所有方法（FR-PLS，SA-PLS和UVE-PLS），Cr預(yù)測(cè)的結(jié)果最好；（v）基于UVE-PLS的Cr、Pb和Cd的預(yù)測(cè)結(jié)果非常好（RPD值分別為2.48、2.03和1.86），而對(duì)于Cu、Co和Zn的預(yù)測(cè)結(jié)果較一般（RPD值分別為1.78、1.68和1.41）。總體上，UVE-PLS模型在預(yù)測(cè)關(guān)鍵PETs含量方面優(yōu)于FR-PLS和SA-PLS模型，其在預(yù)測(cè)農(nóng)業(yè)土壤中的PETs含量方面具有潛力。

總之，本研究提供了一種使用光譜技術(shù)預(yù)測(cè)土壤中關(guān)鍵PTEs含量的方法，并對(duì)不同模型的性能進(jìn)行了評(píng)估和比較。其結(jié)果對(duì)于土壤污染管理和農(nóng)業(yè)土壤質(zhì)量評(píng)估具有重要的實(shí)際意義。未來(lái)的研究應(yīng)集中于在不同地點(diǎn)的更大范圍的數(shù)據(jù)集上測(cè)試這些發(fā)現(xiàn)，并與其他強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)方法相結(jié)合，如Cubist和隨機(jī)森林，以進(jìn)一步驗(yàn)證和改進(jìn)此方法的準(zhǔn)確性和適用性。
 

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