通过对全国十几个地区共26个土壤样品进行元素含量和红外光谱测定, 分析了土壤中红外发射率光谱特征, 研究了土壤发射率光谱与土壤的硝态氮（NO3-N)、 磷（P)、 钾（K)、 钙（Ca)、 镁（Mg)、 铜（Cu)、 铁（Fe)、 锰（Mn)、 锌（Zn)等元素以及pH值和有机质（OM)含量的相关性, 并利用偏最小二乘回归和多元逐步回归建立了利用发射率光谱估算土壤各种元素含量的回归模型。 由此找到了土壤元素含量与土壤发射率相关性最大的特征波段, 并遴选出了不同波段哪些土壤元素与发射率的相关性最紧密, 为开展土壤发射率的影响因素研究和由土壤中红外光谱预测土壤元素含量奠定了理论基础。 研究结果显示: （1)在8～10 μm波段范围内, 土壤发射率与土壤元素相关性从高到低依次为Ca, Mg, Mn和Fe , 相关系数最高为085, 最低为-05; 另外K, Fe, NO3-N和Zn与发射率的相关性在6～8 μm波段范围内依次减小, 相关系数最高为075, 最低为048; 而在10～14 μm波段内, Mn和K与发射率有较强的相关性, 相关系数约为05; （2)土壤发射率与土壤pH值之间大致呈抛物线关系, 在土壤的pH值为7时, 发射率最高, 随着土壤越酸或越碱, 发射率逐渐降低; （3)在建立土壤各元素含量的预测模型时发现, 偏最小二乘回归估算土壤各元素含量的精度要高于多元逐步回归, 尤其是Ca, Cu和Fe这些元素, 建模和交叉验证的R2分别能达到09、 08以上; 利用观测的土壤发射率光谱根据传感器波谱响应函数模拟得到的MODIS和ASTER传感器红外波段的发射率数据, 通过多元逐步回归模型对土壤各元素含量进行估算发现, 利用ASTER的热红外波段发射率估算土壤Ca含量时建模和验证的决定系数为0774和0892; 用MODIS的红外波段发射率估算土壤Ca和Fe含量的建模和验证的决定系数都在085以上, 估算Mg和K的建模和验证的决定系数都在05以上; 并且ASTER的第10和11波段和MODIS的第28, 29和30波段对土壤各元素有较高的敏感性, 更适合用于土壤各元素的估算。

针对测土配方施肥技术中要求快速、 便捷、 高效地进行土壤养分测试的需求, 文章基于浸入式光纤探头、 平场凹面全息光栅、 二极管线阵检测器开发了一种光纤探头式分光光度计用于土壤养分中非金属元素的快速、 准确测试。 基于国家计量检定规程JJG 178—2007对紫外、 可见、 近红外分光光度计的性能检测方法测试的该仪器的波长最大允许误差与波长重复性、 基线平直度、 透射比最大允许误差与透射比重复性均达到了国标第Ⅲ级别标准, 其最小光谱带宽、 噪声与漂移、 杂散光基本达到了国标第Ⅳ级别标准。 基于该仪器测试的土壤硝态氮、 铵态氮、 有效磷、 有效硫、 有效硼、 和有机质含量与基于商用的国产单光束和进口双光束分光光度计测试的结果呈极显著的线性相关关系, 其回归方程的斜率接近于1, 且对比数据之间无显著性差异。 因此, 该光纤探头式分光光度计可用于土壤非金属养分的快速、 准确测试。

通过修改原子吸收分光光度计操作软件使其在利用单元素空心阴极灯进行测试的同时, 可以直接装备多元素复合空心阴极灯进行相关测试。 针对30个在北京取样的潮土样本, 利用多元素复合空心阴极灯对其有效Cu, Fe, Zn, Mg, Ca含量进行了3次重复测试, 同时与基于单元素空心阴极灯的测试进行了对比。 结果表明, 基于多元素复合空心阴极灯测试的土壤有效Cu, Fe, Zn, Ca含量与基于单元素空心阴极灯测试的呈显著线性相关关系, 其R2均大于0.9, 且线性回归方程的斜率接近于1； 两种方法测试的土壤有效Mg含量之间的R2为0.86, 其线性回归方程的斜率为0.85； 对比数据之间经方差检验呈无显著性差异。 因此, 利用多元素复合空心阴极灯进行土壤养分测试不仅具有与单元素空心阴极灯相当的测试精度, 还可节省40%～50%的测试时间从而提高测试效率。