基于太赫兹光谱的农田土壤主要重金属含量检测机理研究

Protection of farmland soil is important to ensure food safety and quality. Soil heavy metal contamination has been making prominent influences on farmland environment. Development of an advanced, efficient and feasible detection method for heavy metal content in soil is a primary condition. Traditional detection methods are deficient and new heavy metal detection method is expected. This study will explore a new heavy metal detection method based on Terahertz Time-domain Spectroscopy (THz-TDS). Terahertz (THz) wave is sensitive to the properties of target objects on both amplitude and phase. The preliminary study showed its feasibility for heavy metals detection in soil using THz. In this project, the characteristics of THz and the reaction principle of THz and heavy metal ions will be studied; the influences to spectral data from parameters such as soil moisture, soil particle diameter, pressed-slice thickness and pressed-slice pressure will also be studied to establish the soil sample-making method; THz spectral data pre-processing method will be discussed and the mathematical model about the relationship between THz absorption spectral and typical heavy metals' content will be established. This research will provide a theoretical and methodological reference for important parameters detection of farmland soil using THz and the preliminary applications research of THz.

农田土壤保护是保障粮食与食品安全的重要物质基础。土壤重金属污染是农产品产地环境保护中面临的突出问题，研究先进、高效、适用的土壤主要重金属含量检测方法是解决该问题的首要条件。传统的土壤重金属检测方法有较多不足，新的检测手段有待研究。太赫兹波是电磁波谱中最后一段尚未被深入开展应用研究的领域，它能够获得传统检测方法无法获得的太赫兹波段光谱响应信息，对于研究物质理化特性具有重要意义。前期实验表明，太赫兹光谱用于土壤主要重金属含量检测具有可行性。本课题通过对太赫兹波谱特性的研究，探索太赫兹波与土壤中重金属离子的作用机理；研究土壤含水、粒度、压片厚度及压实等参数对光谱数据的影响，确定土壤样品制备方法；研究太赫兹光谱数据测量及预处理方法，寻找土壤样品的太赫兹光谱与主要重金属含量的对应关系，建立数学计算模型。研究成果将为太赫兹光谱技术应用于农田土壤重要理化参数的检测与应用技术开发研究提供理论和方法依据。

本项目针对我国当前农田土壤重金属污染形势和现状及当前土壤重金属污染检测技术的不足，在综述前人已有研究及课题负责人前期在美国留学期间开展太赫兹光谱国际前沿科技用于土壤重金属污染检测初步实验结论的基础上，依托本基金项目支持，团队主要开展了基于太赫兹光谱技术的农田土壤重金属污染检测机理和方法研究。根据任务书中的研究计划，三年来课题负责人带领研究团队开展的研究工作主要包括：1，进行了文献综述和实际调研工作，加强访问交流，完成了太赫兹光谱技术应用研究现状、我国农田土壤重金属污染形势及主要检测技术分析综述工作；2，采集田间土壤样品，研究了用于太赫兹光谱测量的土壤样品制备方法，基于土壤性质和光谱的透射特性，开展了土壤样品的前处理和压片法、样品盒法的制备方法研究，依据后期的太赫兹光谱测试结果，确定了样品盒的最佳厚度和最佳的压片制备参数；3，制备呈不同梯度主要重金属污染土壤样品，采集了太赫兹光谱数据，研究了数据分析方法，然后分别基于全谱- PLS、i- PLS、GA- PLS等人工智能算法、化学计量学方法进行了土壤污染的数学计算模型构建，通过对数学模型的评价，最终确定了用于本实验的太赫兹光谱与土壤铅等主要重金属含量最佳数学计算模型；4，为进一步认识重金属在土壤的结合、迁移等微观机理的规律性，设计了生菜种植实验、EDTA-Pb络合物的生成、提取及太赫兹光谱测量实验，通过对实验数据的分析，对微观机理有了进一步认识，有待于后续的深入开展。通过各类实验的开展，积累了相关实验数据，也进一步丰富了太赫兹光谱用于农业生物对象理化参数分析的数据采集、分析和建模方法理论体系。在研究过程中，团队共参加国际学术会议2次；发表学术论文6篇；申报国家专利4项，其中已授权2项；取得国家软件著作权登记7项，较好的完成了基金的各项研究任务。本研究为太赫兹光谱技术应用于农田土壤重要理化参数的检测技术与仪器装备研究开发提供理论和方法依据。