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

Abstract

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.

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.