JP2014240825A - 土壌地力形質の分析方法及び分析装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】風乾土壌を被検体とし、被検体に励起光を照射し、被検体からの蛍光スペクトルを解析することにより被検体の土壌地力形質を推定する方法であって、異なる形質を備える複数種の評価用の土壌を定量分析して各々の土壌の地力形質の定量値を特定する工程と、前記評価用の土壌に前記励起光を照射して各々の土壌の蛍光スペクトルを取得し、蛍光スペクトルを解析することにより蛍光解析値を算出する工程と、前記土壌の地力形質の定量値と前記蛍光解析値との相関関係から、土壌の地力形質と蛍光解析値との検量線を作成する工程とを備え、前記検量線に基づき、前記被検体の蛍光スペクトルを解析して得られた蛍光解析値から当該被検体の土壌の地力形質を分析する。
【選択図】図1
Description
このため、可給態窒素の量を簡便に分析する方法として、リン酸緩衝液を用いて土壌の有機酸を抽出した抽出液を可視吸光分光あるいは紫外吸光分光する方法、近赤外反射光分光を利用する方法等が提案されてきた(特許文献1、2、3)。
なお、土壌には窒素分の他にさまざまな有機成分、無機成分が含まれており、これらの成分もまた土壌の地力を反映している。たとえば、窒素肥沃度と関係の深い全窒素、腐植度や窒素の有機化に寄与する全炭素、可給態リン酸の含量、全炭素と全窒素の比(CN比)等が地力に関わる。本明細書においては、これらの土壌地力に関わる形質を土壌地力形質ということにする。
また、前記蛍光解析値を算出する工程において、蛍光スペクトルを一定波長範囲ごとに区切った波長域ごとの蛍光強度の積分値を、蛍光スペクトル全体の積分値により除した蛍光指数を蛍光解析値とすることが可能である。
また、前記蛍光解析値を算出する工程において、蛍光スペクトルの波長間の関係を正規化分光指数(NDSI値)として算出して蛍光解析値とし、前記検量線を作成する工程において、土壌の地力形質の推定に有効に寄与する波長の組み合わせに係るNDSI値と定量値との相関関係に基づいて検量線を作成する方法を利用することもできる。NDSI値を用いて土壌地力形質を分析、推定する方法は、土壌地力形質の推定に有効な2波長の組み合わせからなる蛍光解析値を利用するから、PLS回帰分析法と比較すると、解析に使用するデータ数が少なくて済むという利点がある。
また、被検体に照射する励起光の波長、波長域はとくには限定されないが、励起光として、紫レーザ光を使用する方法は、励起力が強く蛍光分析に適する点、光ファイバを用いて検出光を引き回しする操作が容易にできる点で有用である。
また、前記解析部は、前記検量線に基づいて被検体の特定の形質を決定する手段を備えることが好ましい。
また、本発明に係る分析装置は、前記光照射部として、紫レーザ光源を備えることにより、的確に土壌地力形質を分析することができる。
図1は、土壌の地力形質の分析に利用した分析装置の構成を示す。この分析装置は、分析対象である土壌試料にレーザ光を照射し、試料からの蛍光を観察することにより、可給態窒素量、可給態リン酸、全炭素、全窒素等の土壌の地力に関わる形質を検出するものである。分析装置は、暗箱12内に、土壌の試料をセットするセット部10と、試料にレーザ光を照射するレーザヘッド13と、試料から放射される蛍光を受ける受光ヘッド16とを配置した構成を備える。
本実施形態の分析装置では、光強度の強い紫レーザ光を励起光としたことにより、蛍光スペクトル分析が容易になり、暗箱12から分光器18に蛍光を導くといった引き回し操作に光ファイバが利用できるという利点がある。
レーザ光の照射光と蛍光の光軸を定める方法として、レーザヘッド13から放射されるレーザ光を光ファイバに導いて光ファイバの光軸を照射角度に設定し、受光ヘッド16のかわりに、試料からの蛍光を、光軸を正反射角度に設定した光ファイバに入射させることも可能である。
長野県内の畑から採取した土壌(黒ボク土)24点を土壌試料とし、蛍光NDSIを利用して土壌地力形質を推定する方法について検討した。土壌試料にレーザ光を照射して得られる蛍光には土壌中の有機物に由来するものの他に、鉱物等を由来とするものが含まれている可能性がある。本調査においては、土壌試料の蛍光と可給態窒素、全窒素、全炭素、可給態リン酸、CN比等の土壌地力形質との相関関係を調べ、その解析結果に基づいて、土壌の蛍光スペクトルから土壌地力形質(可給態窒素、全窒素、全炭素、可給態リン酸、CN比等)を推定することが可能であるか否か研究した。
採取した土壌(24点)を風乾した後、乳鉢を用いて粉砕したもの(風乾粉砕土)を土壌試料とした。各々の土壌試料の地力形質を定量する方法としては、一般的な土壌分析方法を利用した。土壌の可給態窒素量については、培養の後に無機態窒素(NH4-N)をケルダール法などの滴定法で定量し、全窒素量と全炭素量は乾式燃焼法、可給態リン酸はトルオーグ法を用いて定量した。CN比は全炭素と全窒素の定量値から算出した。
表1に、上記分析方法により測定した各々の土壌試料について、可給態窒素、可給態リン酸、全炭素、全窒素、CN比を定量した結果を示す。
図1に示した分析装置を用いて、24点の土壌試料について蛍光計測を行った。計測は、1回の照射時間を500msecとし、1つのサンプルについて20回繰り返し計測を行い、20個のスペクトルの平均を各々のサンプルから得られたスペクトルとした。実際には、分光器18の検出データを2nm間隔に変換し、2nm間隔のスペクトルの隣り合う5波長の移動平均をとってスムージングし、これを1サンプルから得られる蛍光スペクトルとした。
図2に、紫レーザ光(405nm)励起による蛍光スペクトルの例を示す。470nmから800nmに後半にかけて広い範囲の蛍光が見られ、520nmと570nm付近にピークが見られる。
Difference Spectral Index)を利用して、正規化分光指数と土壌地力形質の実測値(定量値)との相関関係を解析する手法である。
正規化分光指数(NDSI)は、図3に示すように、任意の2波長(i、j)間の蛍光強度差の関係を数値化したものであり、波長iのスペクトル強度をLi、波長jのスペクトル強度をLjとして、次式によって定義される。
NDSI=(Li−Lj)/(Li+Lj) ただし、−1≦NDSI≦1
この解析結果は、蛍光スペクトル解析によって得られた蛍光データの指標となるNDSI値と土壌に含まれる可給態窒素量とが良い相関関係にあることを示している。すなわち、この相関関係を利用すれば、検査対象である土壌の蛍光スペクトルのNDSI値を求めることにより、土壌の可給態窒素量を推定することができる。
なお、可給態窒素以外の可給態リン酸、全炭素、全窒素、CN比についても同様に、蛍光スペクトル解析に基づいて検量線を作成し、検査対象である土壌を蛍光測定することによりその土壌の地力形質を推定することができる。
図5〜9に示す可給態窒素、可給態リン酸、全炭素、全窒素、CN比についてのR2分布図を見ると、可給態窒素や可給態リン酸のように、10nm以下の近接した波長間での蛍光NDSIと定量値との相関係数が高くなるもの、すなわちホットスポットが狭い領域にあるものと、全炭素や全窒素、CN比のようにホットスポットが比較的広い領域にあるものとがある。ホットスポットが比較的狭い領域にあるものは、狭い波長域に情報が集中していると考えられ、比較的広い領域にあるものは広い波長域に情報が存在していると考えられる。
図5〜9に示すNDSIマトリクス表に基づく分析方法は、蛍光強度と定量値との相関関係を解析する方法によるものであるが、蛍光スペクトルに存在する情報の波長域を考えると、蛍光強度の積分値あるいは微分値を考慮することによって、土壌地力形質の情報をさらに的確に把握することができる可能性が示唆される。
実験で使用した土壌試料は、前述した24点の土壌試料の他に、6点の畑作土壌(黒ボク土)を加えた30点である。土壌試料は、風乾後、乳鉢を用いて粉砕した。各々の土壌試料について、前述した方法と同様に、可給態窒素量については、培養の後に滴定法、全窒素量と全炭素量は乾式燃焼法、可給態リン酸はトルオーグ法を用いて分析して定量した。CN比は全炭素と全窒素の定量値から算出した。
表2に、上記分析方法により各々の土壌試料について、可給態窒素、可給態リン酸、全炭素、全窒素、CN比を定量した結果を示す。
図1に示した分析装置を用いて、24点の土壌試料について蛍光計測を行った。計測は、1サンプルについて20回繰り返して行い、得られた20個のスペクトルの平均を1つのサンプルから得られるスペクトルとし、30サンプル分のスペクトルを取得した。
分光器18の検出データを2nm間隔に変換し、2nm間隔のスペクトルの隣り合う5波長の移動平均をとってスムージングし、これを1サンプルから得られる蛍光スペクトルとした。
可給態窒素については、B610−620/A以下の蛍光指数と定量値との間に負の相関がみられ、B620−630/A以上では、蛍光指数と定量値との間に正の相関が見られる。蛍光指数と定量値との相関関係が高いのはB670−680/A付近である。
図13は、30個の土壌試料について、可給態窒素の定量値とB670−680/Aの相関関係をグラフ化し、検量線を作成した結果を示す。決定係数はB670−680/Aのときに最も高くなり、決定係数は0.2程度である。
図14は、各々の土壌試料について、可給態リン酸の定量値とB600−610/Aの相関関係をグラフ化したものである。決定係数はB600−610/Aのときに最も高くなり、決定係数は0.4程度である。
図15は、全炭素の定量値とB840−850/Aの相関関係をグラフ化したものである。決定係数は0.4程度を示した。図16は、全窒素の定量値とB840−850/Aの相関関係をグラフ化したものである。決定係数は0.4程度である。
図17は、CN比とB880−890/Aの相関関係をグラフ化したものである。決定係数は0.3程度を示した。
可給態窒素、全炭素、全窒素については正の相関を示す波長域が広いことに対し、可給態リン酸については600nm付近の積分値を用いたときに負の相関が認められた。このことは、600nm付近の波長域に可給態リン酸由来の情報が含まれていることを示唆する。リン酸は土壌中の鉄やアルミニウムの金属によって固定されることが知られている。すなわち、土壌中の金属量によって可給態リン酸量は増減すると考えられる。したがって、600nm周辺の蛍光には土壌中に含まれる鉄やアルミニウム等の金属に関する情報が含まれていることが考えられる。紫レーザ光によって金属が励起されることは考えにくいため、この実験結果は、金属を吸着した有機物由来の情報を反映したものであると考えられる。
しかしながら、図13〜17に示すように、蛍光強度の積分値と土壌地力形質の定量値との相関関係における決定係数は、可給態リン酸が最も高く、全炭素、全窒素、CN比、可給態窒素の順に低くなり、可給態リン酸の決定係数も0.4程度であり、必ずしも十分に高いとはいえず、むしろ、図10に示す、可給態窒素についてNDSI値を利用した相関関係に基づくものの方が高い決定係数が得られている。
本実験においては、蛍光測定によって得られる蛍光スペクトルを一次微分スペクトルに変換し、PLS回帰分析(Partial Least Squares Regressions)法を利用して検量線を作成し、紫レーザ光励起による蛍光と土壌地力形質との相関関係について検討した。PLS回帰分析法は、変数同士に相関がある場合でも、それらを潜在変数と呼ばれる中間変数に集約したうえで分析を行うため、多重共線性がある場合でも安定したモデルが得られるという特徴がある。
472nmから868nmの100個の一次微分値を説明変数とし、可給態窒素、可給態リン酸、全炭素、全窒素の定量値と定量値から求めたCN比を従属変数としてPLS回帰分析を行い、検量線を作成し推定値を求めた。PLS回帰分析には多変数解析ソフトを使用した。最適な潜在変数はクロスバリデーション法を用いて決定した。
PLS回帰分析による推定値は微分値の偏差に回帰係数を乗じた数値の和に定量値の平均値を加えることで算出する。算出に用いた式は下記の通りである。本解析方法では、蛍光スペクトル解析により求める推定値が蛍光解析値に相当する。
PLS回帰分析は、推定する項目の変動を良く説明する主成分を抽出し、最も適当な主成分を数個用いた回帰式を作るものである。スペクトルデータのように説明変数間に多重共線性がある場合に適しており、また説明変数の数に対してデータ数が少ない場合の推定式の作成に適している。
PLS回帰分析方法を利用し、上述した30サンプルについて、塩基置換容量(CEC)について同様の解析を行った。図25に、PLS回帰分析法によって求めたCECの推定値とCECの定量値との関係を示す。CECについての決定係数R2=0.652であり、他の土壌地力形質と比較すると推定精度が若干低くなっているが、推定値とCECの定量値との相関関係が認められた。潜在変数は3である。
土壌の肥沃度は、CECが大きい場合に高く、作物の生育も良くなる。CECが小さい土壌では緩衝力も小さい肥培管理がむずかしい。一般に、粘土および腐植の多い土では、塩基置換容量(CEC)が大きく、緩衝力も大きくなる。
CECの従来法による測定では濾過が必要であり、測定には約2日要する。これに対して、本実施形態の紫レーザ光励起による方法によれば、1〜3時間で分析することができる。
また、蛍光測定に使用する分析装置は、簡易な構成からなるものであり、あらかじめ、複数のサンプルを用いて検量線を作成することにより、この検量線に基づいて被検体の土壌の地力形質を分析し、推定することができる。
13 レーザヘッド
15 レーザ電源
16 受光ヘッド
16a フィルタ
17石英光ファイバ
18 分光器
20 解析部
Claims (11)
- 風乾土壌を被検体とし、被検体に励起光を照射し、被検体からの蛍光スペクトルを解析することにより被検体の土壌地力形質を分析する方法であって、
異なる地力形質を備える複数種の評価用の土壌を定量分析して各々の土壌の地力形質の定量値を特定する工程と、
前記評価用の土壌に前記励起光を照射して各々の土壌の蛍光スペクトルを取得し、蛍光スペクトルを解析することにより蛍光解析値を算出する工程と、
前記土壌の地力形質の定量値と前記蛍光解析値との相関関係から、土壌の地力形質と蛍光解析値との検量線を作成する工程とを備え、
前記検量線に基づき、前記被検体の蛍光スペクトルを解析して得られた蛍光解析値から当該被検体の土壌地力形質を分析することを特徴とする土壌地力形質の分析方法。 - 前記検量線を作成する工程においては、前記土壌の地力形質の定量値と蛍光分析値との相関関係から、土壌の複数の地力形質について、個別に土壌の地力形質と蛍光解析値との検量線を作成し、
前記検量線に基づき、前記被検体の蛍光スペクトルを解析して得られた蛍光解析値から当該被検体の複数の地力形質を分析することを特徴とする請求項1記載の土壌地力形質の分析方法。 - 前記蛍光解析値を算出する工程においては、蛍光スペクトルの一次微分値を説明変数とし、土壌地力形質を従属変数とするPLS回帰分析法を利用して算出した推定値を蛍光解析値とすることを特徴とする請求項1または2記載の土壌地力形質の分析方法。
- 前記蛍光解析値を算出する工程においては、蛍光スペクトルを一定波長範囲ごとに区切った波長域ごとの蛍光強度の積分値を、蛍光スペクトル全体の積分値により除した蛍光指数を蛍光解析値とすることを特徴とする請求項1または2記載の土壌地力形質の分析方法。
- 前記蛍光解析値を算出する工程においては、蛍光スペクトルの波長間の関係を正規化分光指数(NDSI値)として算出して蛍光解析値とし、
前記検量線を作成する工程においては、土壌の地力形質の推定に有効に寄与する波長の組み合わせに係るNDSI値と定量値との相関関係に基づいて検量線を作成することを特徴とする請求項1または2記載の土壌地力形質の分析方法。 - 被検体である土壌の地力形質として、可給態窒素、可給態リン段、全窒素、全炭素、CN比、CECのいずれかを分析することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項記載の土壌地力形質の分析方法。
- 前記励起光として、紫レーザ光を使用することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項記載の土壌地力形質の分析方法。
- 被検体である風乾土壌をセットするセット部と、
前記被検体に励起光を照射する光照射部と、
前記被検体からの蛍光を計測する蛍光測定部と、
蛍光測定部の測定結果に基づき蛍光データを解析する解析部と、
を備えることを特徴とする土壌地力形質の分析装置。 - 前記解析部は、地力形質が異なる複数の土壌について地力形質を定量した定量値と、前記蛍光データを解析して算出された蛍光解析値とに基づき、土壌の地力形質と蛍光解析値との検量線を作成する手段を備えることを特徴とする請求項8記載の土壌地力形質の分析装置。
- 前記解析部は、前記検量線に基づいて被検体の特定の地力形質を分析する手段を備えることを特徴とする請求項9記載の土壌地力形質の分析装置。
- 前記光照射部として、紫レーザ光源を備えることを特徴とする請求項8〜10のいずれか一項記載の土壌地力形質の分析装置。
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