CN103063663A - 一种基于图像分析土壤中总磷含量的测定方法 - Google Patents

一种基于图像分析土壤中总磷含量的测定方法 Download PDF

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魏婷
申贵隽
赵婷
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一种基于图像分析土壤中总磷含量的测定方法，涉及土壤化学分析，包括氢氧化钠熔融法预处理土壤样品的步骤、磷标样配制的步骤、显色的步骤、获取浓度值c的步骤，所述获取浓度值c的步骤为显色后数码成像，利用图像分析软件获取土壤样品RGB值；根据RGB值获取灰度值Gr；根据灰度值Gr获取浓度值c，本发明有益效果为本测定方法方便快捷，操作简单，测定成本低，适合现场分析。

Description

一种基于图像分析土壤中总磷含量的测定方法
技术领域
本发明涉及土壤化学分析，具体涉及一种基于图像分析土壤中总磷含量的测定方法。
背景技术
磷对作物生长发育具有重要影响，磷是作物体内核酸、磷脂、植素和磷酸腺苷的组成元素。这些有机磷化合物对作物的生长与代谢起重要作用。正常的磷素营养有利于核酸与核蛋白的形成，加速细胞的分裂与增殖。促进营养体的生长，尤其在作物生长早期，充足的磷素营养尤为重要，生长前期作物吸收的磷，可以再利用，参与新生组织的形成与代谢。磷与水稻植株体内糖、氮和脂肪代谢有密切关系。土壤供磷不足，影响稻株与体内代谢过程，尤其影响光合作用的正常进行。有试验表明，施磷肥能促进水稻作物的CO，同化和蛋白质合成，稻株的生长正常籽粒重量增加，从而提高产量。
在作物高产、优质、高效栽培中，磷对养分协调供应，也有不可取代的作用。因此测定土壤中的总磷含量是土壤监测的重要指标之一。其测定主要以分光光度法（钼蓝法）为主，该方法灵敏度高，显色稳定，干扰少，但仪器不便于携带，常用于实验室分析。因而，开发一种灵敏度高、简单、便捷且易推广的监测分析方法具有重要的现实意义。在人们的日常生活、纳米材料的表征及生物学研究等领域，各种成像技术如直接数码成像、荧光显微成像、电子显微成像起了非常重要的作用。数码相机以其强大的功能、操作便捷和出色的拍摄效果，不仅受到广大消费者的喜爱，而且在药材的显微鉴定、土壤形态分析及考古学、评价食物颜色等方面也得到了广泛的应用。
数码成像是基于CCD电荷耦合器件记录影像，再把CCD器件的电子信号转换成数字信号。由于数码相机不能分光，从而限制了它在分析化学中的应用。然而大多数的颜色可以通过红、绿、蓝3色按照不同的比例合成产生,如绿色+蓝色=青色、红色+蓝色=品红等，即三基色（RGB）原理。基于RGB原理，Maleki利用数码成像建立人工神经网络，并成功地用于Al3+和Fe3+的同时测定。有研究表明，在酸性介质中，磷酸二氢钾与钼酸钠及抗坏血酸作用，生成蓝色的络合物，溶液的颜色随着KH2PO4浓度的增加而逐渐变浅，并呈现一定的颜色梯度，根据这一原理本发明利用图片处理软件Photoshop读出图片RGB值得到测定总磷的标准方程，用自编软件计算出总磷浓度，实现测定土壤中总磷含量的目的。
Gaiao等在特制的塑料盒内用光源照射流通池，把数码相机作为检测器用于酸碱滴定分析，取得了较好的效果。显然，数码成像用于分析化学已成为可能。为此，本发明提出利用自然光，在有效避免光的反射、侧光及投影的情况下使标准试样和待测样品成像。由于在酸性介质中，磷酸二氢钾与钼酸钠及抗坏血酸作用，生成蓝色的络合物，随着KH2PO4浓度的增加而逐渐变浅，并呈现一定的颜色梯度。根据显色强度的RGB值即可定量分析土壤中的总磷含量，从而研究出一种便捷、快速，低成本且适于现场分析的土壤总磷含量测定新方法。
发明内容
传统测定土壤中总磷含量的方法为分光光度法，分光光度法检测成本高，对操作人员要求也高，本发明通过数码成像和图像分析软件获取土壤中总磷含量，降低了检测成本，是一种快捷、简单、准确的测定方法。
本发明提供了一种基于图像分析土壤中总磷含量的测定方法，包括氢氧化钠熔融法预处理土壤样品的步骤、磷标样配制的步骤、显色的步骤、获取浓度值c的步骤，所述获取浓度值c的步骤为显色后溶液室温下放置10min数码成像，利用图像分析软件获取土壤样品和磷标样RGB值，根据已知公式ⅠGr=0.3R+0.59G+0.11B获取土壤样品灰度值Gr，分别建立磷标样的浓度c与磷标样的RGB值的线性方程ⅡR=a1c+b1，a1，b1为常数，线性方程ⅢG=a2c+b2，a2，b2为常数，线性方程ⅣB=a3c+b3，a3，b3为常数，将线性方程Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ代入公式Ⅰ获取公式ⅤGr=a4c+b4，a4，b4为常数，将灰度值Gr代入公式Ⅴ获取浓度值c。
本发明所述测定方法优点在于不需要传统方法中用到的分光光度计测定土壤中总磷含量，比传统方法更快捷，检测成本低，适合现场分析；采用RGB值能科学、准确的获取灰度值Gr和浓度值c。
本发明所述的测定方法包括如下步骤：
①氢氧化钠熔融法预处理土壤样品；
称取0.25g经过研磨、过60目筛的风干土壤样品于坩埚内，加入0.05ml无水乙醇润湿样品，再加入2.00g氢氧化钠平铺在样品上；将坩埚放入高温电炉中，先升温至200℃，切断电源15min，再升温至300℃，恒温15min，取出坩埚冷却至室温，用80℃10ml去离子水溶解熔块后转移至100ml容量瓶，用3mol/L硫酸和去离子水依次洗涤坩埚并转移至100ml容量瓶，冷却至室温后定容，除去不溶物，将澄清液再次定容至100ml，得到土壤待测溶液；
②磷标样配制；
将磷标准贮备溶液分别配制成浓度为0.00mg/L、31.51mg/L、34.84mg/L、48.54mg/L、53.45mg/L和64.39mg/L的磷标样，分别取等量的磷标样倒入烧杯中；
③显色；
分别向土壤待测溶液和磷标样中加入0.025ml酚酞，滴加1.0mol/L氢氧化钠溶液至浅红色，再滴加1.0mol/L硫酸使浅红色刚好褪去，充分混匀，用水稀释至刻度线；加入1.0ml 100.0g/L抗坏血酸溶液混匀，30s后加2.0ml 5g/L钼酸盐溶液充分混匀，得到显色溶液；
④获取浓度值c；
显色后溶液室温下放置10min数码成像，利用图像分析软件获取土壤样品和磷标样RGB值，根据已知公式ⅠGr=0.3R+0.59G+0.11B获取土壤样品灰度值Gr，分别建立磷标样的浓度c与磷标样的RGB值的线性方程ⅡR=a1c+b1，a1，b1为常数，线性方程ⅢG=a2c+b2，a2，b2为常数，线性方程ⅣB=a3c+b3，a3，b3为常数，将线性方程Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ代入公式Ⅰ获取公式ⅤGr=a4c+b4，a4，b4为常数，将灰度值Gr代入公式Ⅴ获取浓度值c。
本发明所述的测定方法中用到的药品制成试剂包，试剂包由试剂包Ⅰ和试剂包Ⅱ组成；
试剂包Ⅰ：酚酞、1mol/L氢氧化钠溶液、1mol/L硫酸、100.0g/L抗坏血酸溶液和5g/L钼酸盐溶液，用于土壤待测溶液和磷标样的显色；
试剂包Ⅱ：无水乙醇、氢氧化钠、去离子水和3mol/L硫酸，用于预处理土壤样品。
本发明所述试剂包优点在于使用方便，出错率低，适用于现场快速测定土壤中总磷含量。
本发明将上述获取浓度值c的方法编为计算软件，其优点在于不仅省时省力还能降低出错率。
本发明将上述计算软件安装在手机里，其优点在于可随时随地测定土壤中总磷的含量，有利于现场测定。
本发明有益效果为：
①与传统的分光光度法测定土壤中总磷含量比不需要分光光度计，测定成本低，测定快捷适合现场分析，操作简单适合农民自行测定土壤中总磷含量；
②采用RGB值获取灰度值Gr和浓度值c，提高了测定精度；
③通过自编计算软件获取灰度值Gr和浓度值c，不仅省时省力还能提高正确率；
④将自编计算软件安装在手机里有利于随时随地测定土壤中总磷的含量。
附图说明
本发明附图6幅，
图1（a）为实施例1中的土壤样品1显色后数码成像。
图1（b）为实施例1中的土壤样品2显色后数码成像。
图2（a）为对比例1中浓度为0.00mg/L的磷标样显色后数码成像。
图2（b）为对比例1中浓度为31.51mg/L的磷标样显色后数码成像。
图2（c）为对比例1中浓度为34.84mg/L的磷标样显色后数码成像。
图2（d）为对比例1中浓度为48.54mg/L的磷标样显色后数码成像。
图2（e）为对比例1中浓度为53.45mg/L的磷标样显色后数码成像。
图2（f）为对比例1中浓度为64.39mg/L的磷标样显色后数码成像。
图3为对比例1中的磷标样浓度c与磷标样吸光度值A的关系曲线。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例和对比例所用试剂与仪器为：
试剂包由试剂包Ⅰ和试剂包Ⅱ组成，试剂包Ⅰ：酚酞、1mol/L氢氧化钠溶液、1mol/L硫酸、100.0g/L抗坏血酸溶液和5g/L钼酸盐溶液；试剂包Ⅱ：无水乙醇、氢氧化钠、去离子水和3mol/L硫酸；
IXUS 310HS型佳能相机，UV-2102PC型紫外可见分光光度计。
实施例1
利用本发明方法测定土壤中总磷含量；
①氢氧化钠熔融法预处理土壤样品；
分别称取0.25g经过研磨、过60目筛的风干土壤样品两份于坩埚内，每份分别加入0.05ml无水乙醇润湿样品，再加入2.00g氢氧化钠平铺在样品上；将坩埚放入高温电炉中，先升温至200℃，切断电源15min，再升温至300℃，恒温15min，取出坩埚冷却至室温，用80℃10ml去离子水溶解熔块后转移至100ml容量瓶，用3mol/L硫酸和去离子水依次洗涤坩埚并转移至100ml容量瓶，冷却至室温后定容，除去不溶物，将澄清液再次定容至100ml，得到土壤待测溶液1、2；
预处理所用到的试剂来源于试剂包Ⅰ；
②磷标样配制；
将磷标准贮备溶液分别配制成浓度为0.00mg/L、31.51mg/L、34.84mg/L、48.54mg/L、53.45mg/L和64.39mg/L的磷标样，分别取等量的磷标样倒入烧杯中；
③显色；
分别向土壤待测溶液1、2和六个磷标样中加入0.025ml酚酞，滴加1.0mol/L氢氧化钠溶液至浅红色，再滴加1.0mol/L硫酸使浅红色刚好褪去，充分混匀，用水稀释至刻度线；加入1.0ml 100.0g/L抗坏血酸溶液混匀，30s后加2.0ml 5g/L钼酸盐溶液充分混匀，得到显色溶液；
显色所用到的试剂来源于试剂包Ⅱ；
④获取浓度值c；
显色后溶液室温下放置10min数码成像，数码成像的图像见图1和图2，利用图像分析软件获取土壤样品1、2和六个磷标样RGB值，见表1和表2；
表1土壤样品1、2的RGB值
  土壤样品编号   R   G   B
  1   56   129   153
  2   55   129   154
表2六个磷标样的RGB值
磷标样浓度（mg/L）   R   G   B
0.00   20   89   133
31.51   56   120   151
34.84   60   120   170
48.54   69   137   177
53.45   82   136   191
64.39   93   147   200
方法一：
根据土壤样品1、2的RGB值、已知公式ⅠGr=0.3R+0.59G+0.11B获取土壤样品1的灰度值Gr为109.74，土壤样品2的灰度值Gr为109.55；
根据表2分别建立磷标样的浓度c与磷标样的RGB值的线性方程ⅡR=1.12c+21.1，线性方程ⅢG=0.9c+91.1，线性方程ⅣB=1.09c+129.2，将线性方程Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ代入公式Ⅰ得到公式ⅤGr=0.986c+73.14，将土壤样品1、2的灰度值Gr代入公式Ⅴ获取土壤样品1浓度值c为37.11mg/L、土壤样品2浓度值c为36.92mg/L。
方法二：
将土壤样品1、2的RGB值输入到安装在手机里的自编计算软件中，获取土壤样品1浓度值c为37.11mg/L、土壤样品2浓度值c为36.92mg/L。
对比例1
利用传统分光光度法测定土壤中总磷含量；
①将实施例1中土壤样品1、2和六个磷标样用分光光度计测定溶液的吸光度，土壤样品1、2和六个磷标样的吸光度值，见表3和表4。
表3土壤样品1、2吸光度值
  土壤样品编号   吸光度值A
  1   0.988
  2   0.986
表4六个磷标样吸光度值
  磷标样浓度c(mg/L)   吸光度值A
  0.00   1.833
  31.51   1.165
  34.84   0.985
  48.54   0.712
  53.45   0.564
  64.39   0.320
②根据表4建立磷标样的浓度c与磷标样的吸光度A的线性方程，关系曲线见图3，线性方程为A=-0.0237c+1.8476，将土壤样品1、2的吸光度值代入线性方程，土壤样品1浓度c为36.27mg/L、土壤样品2浓度c为36.35mg/L。
本发明方法的回收率试验和精密度试验，按常规方法进行试验，试验结果见表5。
表5本发明方法的回收率试验和精密度试验结果
  土壤样品编号  回收率（%）   RSD（%）
  1  102   0.84
  2  103   0.57

Claims (3)

1.一种基于图像分析土壤中总磷含量的测定方法，包括氢氧化钠熔融法预处理土壤样品的步骤、磷标样配制的步骤、显色的步骤、获取浓度值c的步骤，其特征在于：所述获取浓度值c的步骤为显色后溶液室温下放置10min数码成像，利用图像分析软件获取土壤样品和磷标样RGB值，根据已知公式ⅠGr=0.3R+0.59G+0.11B获取土壤样品灰度值Gr，分别建立磷标样的浓度c与磷标样的RGB值的线性方程ⅡR=a1c+b1，a1，b1为常数，线性方程ⅢG=a2c+b2，a2，b2为常数，线性方程ⅣB=a3c+b3，a3，b3为常数，将线性方程Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ代入公式Ⅰ获取公式ⅤGr=a4c+b4，a4，b4为常数，将灰度值Gr代入公式Ⅴ获取浓度值c。
2.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于：所述的测定方法包括如下步骤：
①氢氧化钠熔融法预处理土壤样品；
称取0.25g经过研磨、过60目筛的风干土壤样品于坩埚内，加入0.05ml无水乙醇润湿样品，再加入2.00g氢氧化钠平铺在样品上；将坩埚放入高温电炉中，先升温至200℃，切断电源15min，再升温至300℃，恒温15min，取出坩埚冷却至室温，用80℃10ml去离子水溶解熔块后转移至100ml容量瓶，用3mol/L硫酸和去离子水依次洗涤坩埚并转移至100ml容量瓶，冷却至室温后定容，除去不溶物，将澄清液再次定容至100ml，得到土壤待测溶液；
②磷标样配制；
将磷标准贮备溶液分别配制成浓度为0.00mg/L、31.51mg/L、34.84mg/L、48.54mg/L、53.45mg/L和64.39mg/L的磷标样，分别取等量的磷标样倒入烧杯中；
③显色；
分别向土壤待测溶液和磷标样中加入0.025ml酚酞，滴加1.0mol/L氢氧化钠溶液至浅红色，再滴加1.0mol/L硫酸使浅红色刚好褪去，充分混匀，用水稀释至刻度线；加入1.0ml 100.0g/L抗坏血酸溶液混匀，30s后加2.0ml 5g/L钼酸盐溶液充分混匀，得到显色溶液；
④获取浓度值c；
显色后溶液室温下放置10min数码成像，利用图像分析软件获取土壤样品和磷标样RGB值，根据已知公式ⅠGr=0.3R+0.59G+0.11B获取土壤样品灰度值Gr，分别建立磷标样的浓度c与磷标样的RGB值的线性方程ⅡR=a1c+b1，a1，b1为常数，线性方程ⅢG=a2c+b2，a2，b2为常数，线性方程ⅣB=a3c+b3，a3，b3为常数，将线性方程Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ代入公式Ⅰ获取公式ⅤGr=a4c+b4，a4，b4为常数，将灰度值Gr代入公式Ⅴ获取浓度值c。
3.根据权利要求2所述的测定方法，其特征在于：所述的测定方法中用到的药品制成试剂包，试剂包由试剂包Ⅰ和试剂包Ⅱ组成；
试剂包Ⅰ：酚酞、1mol/L氢氧化钠溶液、1mol/L硫酸、100.0g/L抗坏血酸溶液和5g/L钼酸盐溶液，用于土壤待测溶液和磷标样的显色；
试剂包Ⅱ：无水乙醇、氢氧化钠、去离子水和3mol/L硫酸，用于预处理土壤样品。
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