A reflektancia spektroszkópia alkalmazása talajok kémhatásának becslésében

Jelen kutatást a Gödöllői-dombság területén vett talajminták pH-értékeinek és reflektancia spektroszkópiai vizsgálatára alapoztuk.A terület 160 mintavételi pontjáról származó, 1 méter mélységig, 20 cm-ként vett összesen 800 db talajmintából 220 került be a vizsgálatba. A vizsgálat célja olyan módszer kidolgozása, mely reflektancia spektroszkópiai mérések és többváltozós matematikai-statisztikai (kemometriai) eljárások együttes alkalmazásán alapszik, és lehetővé teszi talajminták pH-jának meghatározását hagyományos laboratóriumi elemzések nélkül. A megfelelően előkészített talajminták pH értékeit a SZIE Talajtani és Agrokémiai Tanszék laboratóriumában elektrometriás módszerrel mértük meg, minden mintát két desztillált vizes és két KCl-os oldatban. Ezután ezeknek a mintáknak a spektrális reflektanciáját vizsgáltuk. A spektrális méréseket a VM Mezőgazdasági Gépesítési Intézetének Hiperspektrális Laboratóriumában az ott dolgozó munkatársak segítségével, Analytical Spectral Devices (ASD) FieldSpec 3 MAX hordozható spektroradiométerrel végeztük el. A spektrális adatokban rejlő változékonyság legnagyobb hányadáért (~86%) a talaj szerves anyagának mennyiségében (vagy akár minőségében) bekövetkezett változások felelnek. Az adatokban rejlő változékonyság 8%-át kifejező 2. komponens faktorsúly-diagramján a legpozitívabb csúcsok az 1900 és a 2200 nm-nél hosszabb hullámhosszakon mutatkoznak, és valószínűsíthetően az ebben a tartományban spektrális ujjlenyomattal rendelkező ásványok (agyagok, sók), vagy szerves összetevők befolyása jelentős. A variancia 4%-át kifejező 3. komponensen a vas különböző oxidjainak, hidroxidjainak jelentős befolyását valószínűsíthető. A talajminta analízis során a spektroszkópiai transzformációkon átesett spektrumok PLSR kemometriai elemzésével, a kalibrációs modell független validációs adathalmazzal történt tesztelése utána PLSR algoritmus alkalmazásával a desztillált vizes szuszpenzióban mért pH értékek becsülhetősége megbízhatóbbnak bizonyult, mint a KCl-os értékeké. Areflektancia spektroszkópiai mérésekkel és többváltozós matematikai-statisztikai módszerekkel talajok kémhatása nagyfokú megbízhatósággal becsülhető. Ez fontos eredménynek számít, figyelembe véve azt, hogy a talajok spektrális reflektanciáját vizsgáló kutatások elsősorban a spektrumokból az anyagi tulajdonságok (pl. szerves anyag, karbonátok mennyisége) kimutatására helyezik a hangsúlyt. A kutatás azonban bizonyította, hogy olyan, számos tényező által együttesen szabályozott kémiai paraméter, mint a pH is becsülhető megfelelő módszerek alkalmazásával. --------------------------------------------------------- The present research is based on the reflectance spectroscopy study of the pH of soil samples taken from the Gödöllő Hills. 220 of the 800 pieces of soil samples taken from 160 sampling points by 20 cm intervals to the depth of 1 meter were included in the study. The aim of the study was to develop a method which is based on the combined application of reflectance spectroscopy and multivariate mathematical-statistical (chemometric) procedures and allows the determination of the pH of soil samples without conventional laboratory analysis. The pH of the properly prepared soil samples was measured at the laboratory of the Department of Soil Science and Agrochemistry of Szent István University by electrometric method. Every sample was measured in two distilled water and in two KCl solutions. Then, these samples were examined by spectral reflectance. The spectral measurements were carried out at the Hyperspectral Laboratory of the Institute of Agricultural Engineering of the Ministry of Rural Development with the help of its employees using the Analytical Spectral Devices (ASD) FieldSpec 3 MAX portable spectro radiometer. The changes in the organic matter quantity (or even in the quality) of the soil account for the largest proportion (~ 86%) of the variability of the spectral data. The most positive peaks on the factor weight diagram of the second component, which accounts for 8% of the variability, are perceived at the wavelength of 1900 and 2200 nm. It is probable that the minerals (clays, salts) and organic compounds which have spectral fingerprints in this range are of high influence. The third component, which accounts for 4% of the variance presumes the significant influence of different iron oxides and hydroxides. During the analysis of the soil samples with the PLSR chemometric analysis of the spectra that have undergone spectroscopic transformations, after the calibration model was tested with an independent validation data set, the estimability of the pH values measured in the distilled water suspension by applying the PLSR algorithm proved to be more reliable than the KCl values. Soil pH can be estimated with high reliability using reflectance spectroscopy measures and multivariate mathematical-statistical methods. It is an important achievement, considering that researches into the spectral reflectance of the soil focus on the detection of material properties (e.g. organic material, the amount of carbonates) from the spectra. The research has proven that chemical parameters controlled by several factors collectively, like pH, can also be estimated by using appropriate methods.