土壤中氮检测技术研究进展

鲁 珊，毛彩云，肖荷霞，陆建章，岳金生

(沧州市农林科学院，河北沧州 061001)

目前，土壤是作物氮素营养的主要来源。土壤中的氮素包括无机态氮和有机态氮两大类，其中95%以上为有机态氮，主要包括腐殖质、蛋白质、氨基酸等。小分子的氨基酸可直接被植物吸收。有机态氮必须经过矿化作用转化为铵，才能被作物吸收，属于缓效氮［1］。传统的土壤成分含量检测以化学方法为主，主要有凯氏定氮法、化学发光法、双波长法以及最近几年研究的ASI法。但是，这些传统的方法存在检测速度慢、实时性差、有污染等缺点［2］。

近红外技术(NIRS)是20世纪60年代兴起的一种快速分析技术［3］，具有简便、快速、低成本、非破坏和多组分同时测定等优点，目前已被广泛应用于医药、化工、农产品品质监测等领域［4－6］。利用近红外分析，预测某种物质中某种成分含量和特征的基本过程是首先选择适宜的样本集，进行光谱扫描，建立物质组分和性质的定标模型，也就是建立近红外数据与实验室标准分析测定的样品成分(或性质)数值的相关回归方程，然后根据待测样品的光谱特征利用相应的定标模型对样品成分(或性质)进行预测。

1 测氮的基本方法

1.1 开氏法 近百年来，许多科学工作者对全氮的测定方法进行不断改进，提出了许多新方法，主要有重铬酸钾—硫酸消化法、高氯酸—硫酸消化法、硒粉—硫酸铜—硫酸消化法。但是，开氏法目前仍作为一个统一的标准方法。该方法容易被掌握，测定结果稳定，准确率较高。但是，该方法操作繁琐，测定一个样品大约需要60 min，不适合大批量样品分析，也不适合处理固定态氮和硝态氮含量较高的土壤［7－8］。

1.2 化学发光法 刘炎超等［9］建立了一种快速、简便的测定土壤中铵态氮的方法。土壤中的有效氮加碱蒸馏，用硫酸吸收，全部转化为铵态氮，NH4+在碱性溶液中能还原ClO－，该反应和化学发光反应ClO－Luminol相耦合，通过测定剩余的ClO－来达到间接测定NH4+的目的。

该方法的稳定性和准确性均能满足测定土壤中有效氮含量的要求，测定周期比碱解扩散法大为缩短，是测定土壤中有效氮的理想方法。方法中采用了结构简单、便携的化学发光仪，也适合在基层推广使用。

1.3 双波长法 涂长青等［10］用双波长法测定出的土壤硝态氮含量范围宽，灵敏度高;双波长法测定土壤硝态氮与流动分析法和反射仪法测定的结果高度相关;双波长法测定土壤硝态氮与流动分析法和反射仪法测定的结果之间没有显著差异。

1.4 ASI法 ASI方法是在多年来国际上土壤测试和推荐施肥的基础上逐步发展形成的一套高效、快速、精确地用于土壤养分测试和推荐施肥的完整方法。ASI法又称土壤养分状况系统研究法，是一套用于土壤养分测试和推荐施肥的完整方法。ASI法适合于中性、酸性、碱性和石灰性土壤。目前，国内有许多学者［11－13］都研究过采取这种方法测定土壤中氮的含量。

2 新技术的应用

土壤样品具有独特的近红外漫反射光谱图。在3 600～7 600 cm谱区内，土壤样品有独特的吸收特征。光谱反映出的信息主要是样品中的C－H、N－H、O－H、S－H的倍频和合频信息。采用化学计量学方法对得到的近红外光谱数据进行处理，建立稳定的数学模型，可以实现应用近红外光谱技术快速、准确地定量测定植烟土壤样品中的全氮和有机质含量的目的。

潘瑜春［14］研究了以小麦追肥前后相隔14 d的2个时相高光谱遥感航空影像提取小麦长势，结合小麦种植前后的土壤采样数据，研究均一施氮地块内NDVI与土壤碱解氮增量之间的关系，以便通过小麦长势监测实现均一施肥条件下农田地块内部氮素累积监测评价，进而为农田肥力监测、农田面源污染遥感监测提供依据。

Bernard等［15］用近红外光谱法分析了大部分土壤中的氮含量，发现用这种方法能够精确地预测土壤分布的氮浓度。Ben-Dor等［16］研究了土壤的形成、退化以及土壤的污染，测定了土壤的成分，并利用光谱的特性预测了土壤中各成分的组成。毕卫红等［17］用近红外光谱对秦皇岛市昌黎地区土壤中的全氮含量进行了分析。对土壤光谱进行一阶微分，然后采用多元线性回归，确定最佳维数，建立校正模型，利用校正模型对土壤中全氮含量进行预测。结果表明，近红外光谱分析技术与化学分析方法相关性很高。徐永明等［18］利用土壤光谱各吸收带的特征参数与总氮含量进行逐步回归运算，确定与氮元素关系比较密切的几个吸收带，计算出这几个特征吸收带内土壤反射率的变化形式。结果表明，土壤的反射率光谱与氮元素含量之间存在比较明显的相关性，可见光/近红外反射光谱具有快速估算土壤中氮元素含量的潜力。程彬等［19］利用航天遥感影像，分析了影像光谱值与土壤总氮含量之间的关系。利用多元统计方法，建立了总氮含量预测模型，并且制作了总氮含量分布图。李鑫等［20］探讨了利用近红外光谱法测定水稻土全氮含量的可行性，利用Nicolet公司生产的傅里叶变换近红外透射光谱仪测定129个水稻土样品的近红外光谱值，通过几种不同的光谱前处理，采用偏最小二乘回归(PLSR)法把测得的水稻土光谱值与实验室法测得的全氮数值拟合建立定标模型，经分析得出利用标准化处理的光谱数据与全氮含量之间建立的模型稳定性最好。结果表明，近红外法测定结果与常规方法具有很好的相关性，可以快速、无损、准确地测定水稻土全氮含量。

3 发展趋势

中国传统的田间管理方式是单一的管理方式，目前国内利用航天遥感影像进行土壤属性定量预测的研究较少。近红外、遥感技术凭借其高光谱分辨率，具备定量获取土壤化学组分的潜力，对利用土壤反射光谱估算土壤氮元素含量具有重要意义。与传统方法相比，该方法准确，可以用于土壤总氮含量制图、化肥施用量调查以及农业环境评价等方面。基于以上的优点，在未来的发展空间中，该方法有着广阔的发展潜力。

［1］周锦.土壤中氮含量的测定分析［J］.土壤肥料，2008(15):40 －41.

［2］丁英，刘德江，张炎.ASI法和常规分析法在新疆土壤测试中的应用［J］.新疆农业科学，2007，44(6):820 －823.

［3］陈鹏飞，刘良云，王纪华，等.近红外光谱技术实时测定土壤中总氮及磷含量的初步研究［J］.光谱学与光谱分析，2008，28(2):295 －298.

［4］李光辉，任亚梅.近红外技术在果品品质无损检测中的研究进展［J］.食品研究与开发，2012，33(10):207 －211.

［5］姜伟，韩光亭，张元明，等.基于近红外技术的苎麻纤维素及胶质含量快速测定［J］.纺织学报，2012，33(1):6 －10.

［6］李娟，李忠海，付湘晋.稻谷新陈度近红外快速无损检测的研究［J］.光谱学与光谱分析，2012，32(8):2126 －2130.

［7］袁静，季平扬，袁艺.修正的凯氏法测定土壤中的总氮［J］.环境科学与管理，2009，34(2):143 －147.

［8］张文静，刘锦兰，强生军.2种型号定氮仪测定土壤全氮的结果对比［J］.甘肃农业科技，2009(4):24 －26.

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［10］涂长青，温欣荣.双波长分光光度法测定土壤硝态氮［J］.土壤肥科，2006(1):50－51.

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［12］王志刚，徐伟慧，郭天文.基于ASI法的韭菜连作土壤养分含量及吸附特性分析［J］.江苏农业科学，2012，40(1):292 －294.

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［15］BARTHE B G，BRUNETA D，HIEN E.Determining the distributions of soil carbon and nitrogen in particle size fractions using near-infrared reflectance spectrum of bulk soil samples［J］.Soil Biology ＆ Biochemistry，2008，40:1533 －1537.

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［17］毕卫红，陈俊刚，白立春.基于近红外光谱技术预测土壤中的全氮含量［J］.分析仪器，2006(3):47－49.

［18］徐永明，蔺启忠，黄秀华，等.利用可见光/近红外反射光谱估算土壤总氮含量的实验研究［J］.地理与地理信息科学，2005，21(1):19－23.

［19］程彬，姜琦刚，湛邵斌.利用可见光/近红外－短波红外光谱预测土壤总氮含量的研［J］.安徽农业科学，2007，35(10):3009.

［20］李鑫，金兰淑，林国林.利用近红外无损检测技术测定水稻土全氮含量的研究［J］.北方水稻，2007(3):44 －48.