Zastosowanie spektroskopii w bliskiej podczerwieni (NIR) do oznaczania zawartości C, N, S, P i kationów metali w materii organicznej gleb leśnych

• Autorzy: Chodak M.

Warianty tytułu

EN

Application of near infrared spectroscopy to determine contents of C, N, S, P and metal cations in forest floors

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Szybkie i tanie metody analityczne mogą być przydatne w wielkoobszarowym monitoringu jakości gleb. Celem pracy była ocena przydatności spektroskopii w bliskiej podczerwieni (NIR) do oznaczania całkowitych stężeń C, N, P, S, Na, K, Ca, Mg, Mn, Fe, Al, Zn, Cu, Cd i Pb w poziomach organicznych gleb leśnych. Pobranych zostało 158 próbek próchnicy leśnej, w których oznaczono zawartości rozpatrywanych pierwiastków metodami referencyjnymi. Widma próbek zostały zarejestrowane w zakresie 400-2500 nm. Połowy próbek użyto do rozwinięcia równań kalibracyjnych, natomiast drugiej połowy użyto do walidacji opracowanych modeli. Walidacja wykazała przydatność spektroskopii NIR do oznaczania zawartości C, N, S, Na, K, Fe, Al i Pb (współczynniki korelacji r pomiędzy wartościami oznaczanymi metodami referencyjnymi a metodą spektroskopii NIR = 0,88-0,97, współczynniki regresji a pomiędzy wartościami oznaczanymi metodami referencyjnymi a metodą spektroskopii = 0,89-1,05). Modele uzyskane dla Ca, Cu, Cd były przydatne do zgrubnego szacowania zawartości tych pierwiastków (r = 0,81-0,85; a = 1,09-1,13), natomiast w przypadku P, Mg i Zn (r = 0,69-0,78; a = 0,67-1,19) spektroskopia NIR okazała się nieprzydatna do analiz ilościowych. Prawdopodobną przyczyną niepowodzenia w oznaczaniu była zbyt mała liczba próbek użytych do kalibracji (P) lub obecność próbek pochodzących z obszarów nawożonych dolomitem. Prezentowane wyniki wskazują, że spektroskopia NIR może być metodą przydatną w monitoringu jakości materii organicznej gleb. Pozwala ona na dokładne oszacowanie zawartości licznych pierwiastków w badanych materiałach z dokładnością wystarczającą dla badań wielkoobszarowych.

EN

Fast and cost-effective analytical methods may be required in land-scape-scaled soil research. The objective of this study was to assess the usefulness of near infrared spectroscopy (NIRS) to measure total contents of C, N, P, S, Na, K, Ca, Mg, Mn, Fe, Al, Zn, Cu, Cd and Pb in organic layers of forest soils. The forest floor samples (n = 158) were analysed for contents of the considered elements using standard methods. The speetra were recorded in Vis-Nir region (400-2500 nm). A half of the sample population was used to develop calibration equations and a second half was used for validation. NIRS predicted well the contents of C, N, S, Na, K, Fe, Al and Pb - the regression coefficients a of a linear regression (measured against predicted values) ranged from 0.89 to 1.05 and the correlation coefficients r from 0.88 to 0.97. The contents of Ca, Cu and Cd were predicted satisfactorily (r = 0.81-0.85; a = 1.09-1.13). NIRS failed to predict the contents of P, Mg and Zn (r = 0.69-0.78; a = 0.67-1.19). This failure was probably due to restricted number of samples used for calibration (P) or due to the presence of the samples from limed forest stands. The presented results indicate usefulness of NIRS to measure contents of several elements in forest floors in land-scape-scaled monitoring.

Słowa kluczowe

PL

gleby; gleby leśne; zanieczyszczenie gleby; spektroskopia w bliskiej podczerwieni; NIR; monitoring jakości gleb

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Inżynieria Środowiska / Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica w Krakowie
• Rocznik: 2005
• Tom: T. 10, z. 2
• Strony: 213--222
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Chodak M.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii

Bibliografia

• [1] Batten G.D.: An appreciation of the contribution of NIR to agriculture. Journal of Near Infrared Spectroscopy, 6, 1998, 105–114
• [2] Ben-Dor E., Banin A.: Near infrared analysis (NIR) as a method to simultaneously evaluate spectral featureless constituents in soils. Soil Science, 159, 1995, 259–270
• [3] Brumelis G.L., Lapina O., Nikodemus O., Tabors G.: Use of the O horizon of forest soils in monitoring metal deposition in Latvia. Water Air and Soil Pollution, 135, 2002, 291–309
• [4] Chang C-W., Laird D.A.: Near-infrared reflectance spectroscopic analysis of soil C and N. Soil Science, 167, 2002, 110–116
• [5] Chodak M., Ludwig B., Khanna P., Beese F.: Use of near infrared spectroscopy to determine biological and chemical characteristics of organic layers under spruce and beech stands. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 165, 2002, 27–34
• [6] Chodak M., Khanna P., Horwath B., Beese F.: Near infrared spectroscopy for determination of total and exchangeable cations in geologically heterogeneous forest soils. Journal of Near Infrared Spectroscopy (w druku)
• [7] Cofteaux M.M., Berg B., Rovira P.: Near infrared reflectance spectroscopy for determination of organic matter fractions including microbial biomass in coniferous forest soils. Soil Biology and Biochemistry, 35, 2003, 1587–1600
• [8] Fournier R.E., Morrison I.K., Hopkin A.A.: Short range variability of soil chemistry in three acid soils in Ontario, Canada. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 25, 1994, 3069–3082
• [9] Fystro G.: The prediction of C and N content and their potential mineralisation in heterogenous soil samples using Vis-NIR spectroscopy and comparative methods. Plant and Soil, 246, 2002, 139–149
• [10] Gillon D., Houssard C., Joffre R.: Using near-infrared reflectance spectroscopy to predict carbon, nitrogen and phosphorus content in heterogeneous plant material. Oecologia, 118, 1999, 173–182
• [11] Heinrichs H., Brumsack N., Loftfield N., König N.: Verbessertes Druckaufschluâsystem für biologische anaorganische Materialien. Zeitschrift für Pflanzenernährung und Bodenkunde, 149, 1986, 350–353
• [12] Ilvesniemi H.: Spatial and temporal variation of soil chemical characteristics in the pine sites in southern Finland. Silva Fennica, 25, 1991, 99–108
• [13] Ludwig B., Khanna P.K., Bauhus J., Hopmans P.: Near infrared spectroscopy of forest soils to determine chemical and biological properties related to soil sustainability. Forest Ecology and Management, 171, 2002, 121–132
• [14] NMELF (Niedersächsisches Ministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten). Waldentwicklung Solling. Fachgutachten. 1996
• [15] Prescott C.E., Maynard D.G., Laiho R.: Humus in northern forests:friend or foe? Forest Ecology and Management, 133, 2000, 23–36
• [16] Roczniki Gleboznawcze, 40, 1989
• [17] Rode M.W.: The interaction between organic layer and forest growth and forest development on former heathland. Forest Ecology and Management, 114, 1999, 117–127
• [18] Shenk J.S., Westerhaus M.O.: Near infrared reflectance analysis with single and multiproduct calibrations. Crop Science, 33, 1993, 582–584
• [19] Shepherd K.D., Walsh M.G.: Development of reflectance spectral libraries for characterization of soil properties. Soil Science Society of America Journal, 2002, 66, 988–998
• [20] Wessel W.W., Tietema A.: Metal distribution across different pools in the organic layer of a forest under acid deposition and its consequences for metal dynamics. Plant and Soil, 171, 1995, 341–350