ASD Fieldspec 4地物光譜儀在估計干旱農業(yè)土壤中有毒元素方面的應用
農業(yè)土壤中潛在有毒元素的存在對農作物生長和人類健康具有重要影響。不僅會直接影響農作物的生長和產(chǎn)量，還有可能通過農作物被吸收進入食物鏈，對人類健康產(chǎn)生潛在威脅。
這些元素在食物中的積累可能導致慢性中毒，對人體的神經(jīng)系統(tǒng)、肝臟、腎臟等器官造成損害。特別是對于兒童和孕婦來說，潛在有毒元素的攝入可能對他們的發(fā)育和健康產(chǎn)生更大的影響。
因此，精準監(jiān)測土壤中潛在有毒元素的含量，對管理土壤環(huán)境和減輕污染風險至關重要，對于生態(tài)環(huán)境安全以及農產(chǎn)品的安全和質量保障具有重要意義，對于人們的健康來說，更是不容忽視的問題。
接下來，一起來了解一下篇與農業(yè)土壤中潛在有毒元素（PTEs）相關的論文。
ASD Fieldspec 4地物光譜儀在估計干旱農業(yè)土壤中關鍵潛在有毒元素方面的應用
農業(yè)土壤中潛在有毒元素（PTEs）的積累嚴重影響著人類健康，并對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負面影響。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，這些元素通過進入水、土壤、植物和食物鏈，危害人類和動物健康。由于它們具有持久性和較長的生物半衰期，其會破壞土壤中的營養(yǎng)平衡，抑制植物生長。因此，對土壤中PTEs的定量測量對于有效監(jiān)測和土壤修復至關重要。PTEs的定量測量在傳統(tǒng)上使用濕化學方法，此方法耗時、昂貴，并且不適用于大樣本土壤。因此，人們對能夠在現(xiàn)場并實時使用的檢測測量設備的需求日益增加，這推進了可見光和近紅外光譜（Vis-NIRS）等新技術的發(fā)展。
Vis-NIRS是一種常用的土壤分析工具，可以應用于土壤有機碳、質地、營養(yǎng)物質和PTEs等方面的分析�，F(xiàn)代儀器的光譜技術以高分辨率來分析樣品，對每個樣品產(chǎn)生許多光譜變量。高分辨率測量可能導致光譜變量的數(shù)量超過樣本數(shù)量，這在分析目標（如土壤性質）和光譜變量之間的關系時會變得困難。因此，需要適當?shù)慕y(tǒng)計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，結合了變量選擇策略，是一種常用的多元回歸技術，可以處理許多噪聲和相關變量。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。對于PLS，已經(jīng)發(fā)表的許多變量消除方法包括PLSR的無信息變量消除(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，在改進各種矩陣中的PLSR校準方面顯示出良好的結果。
過去幾十年來，工業(yè)活動和無機肥料的長期應用嚴重影響了埃及和其他國家?guī)讉�地區(qū)的農業(yè)土壤。此外，與近距離傳感方法相比，大樣本PTEs的實驗室分析成本高。因此，越來越需要開發(fā)出通用且經(jīng)濟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業(yè)土壤中定量測定關鍵PTEs（如Cd，Co，Cu，Cr，Pb和Zn）的可行性和成本效益。
在本研究中，來自蘇伊士運河大學、埃及國家遙感和空間科學管理局、埃及米尼亞大學、俄羅斯RUDN大學的一組研究團隊，①首先從埃及尼羅河附近的一個污染區(qū)域收集了80個土壤樣本（60個來自0-20cm深度，20個來自20-40cm深度）。②進行土壤化學分析，測定每個土壤樣本的有機碳含量和潛在有毒元素（PTEs）含量。③使用ASD FieldSpec 4地物光譜儀對每個樣本進行可見-紅外（Vis-NIR）光譜測量，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。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）和相對分析誤差（RPD）等指標評估模型的預測性能，比較不同模型（FR-PLS、UVE-PLS和SA-PLS）在預測關鍵PTEs方面的能力。分析結果，討論模型在農業(yè)土壤中的應用前景。
研究區(qū)域和土壤樣本位置圖
結 果
測量的PTEs和pH之間的相關系數(shù)
土壤樣品原始光譜(A)和使用二階導數(shù)處理后的光譜數(shù)據(jù)(B)
PLSR模型的交叉驗證和預測/驗證結果（全波段光譜FR-PLS、模擬退火SA-PLS和無信息變量消除UVE-PLS）
【結論】
本研究探討了可見光近紅外光譜（Vis-NIRS）結合PLSR和特征選擇算法（無信息變量消除（UVE）和模擬退火（SA））在埃及某污染地區(qū)干旱條件下預測農業(yè)土壤中有毒元素PETs含量的潛力。結果表明：（i）Vis-NIRS有預測土壤PETs的潛力；（ii）基于全波段光譜數(shù)據(jù)集（FR）建立的PETs預測模型的性能非常差（R2 < 0.40）；（iii）基于UVE算法和PLSR結合（UVE-PLS）的光譜選擇變量得到的預測結果相比于基于全波段光譜的模型，其準確性有所提高（0.46 ≤ R2 ≤ 0.74）；（iv）對于所有方法（FR-PLS，SA-PLS和UVE-PLS），Cr預測的結果最好；（v）基于UVE-PLS的Cr、Pb和Cd的預測結果非常好（RPD值分別為2.48、2.03和1.86），而對于Cu、Co和Zn的預測結果較一般（RPD值分別為1.78、1.68和1.41）。總體上，UVE-PLS模型在預測關鍵PETs含量方面優(yōu)于FR-PLS和SA-PLS模型，其在預測農業(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預測土壤中關鍵PTEs含量的方法，并對不同模型的性能進行了評估和比較。其結果對于土壤污染管理和農業(yè)土壤質量評估具有重要的實際意義。未來的研究應集中于在不同地點的更大范圍的數(shù)據(jù)集上測試這些發(fā)現(xiàn)，并與其他強大的機器學習方法相結合，如Cubist和隨機森林，以進一步驗證和改進此方法的準確性和適用性。
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