针对测土配方施肥技术中要求快速、便捷、高效地进行土壤养分测试的需求，文章基于浸入式光纤探头、平场凹面全息光栅、二极管线阵检测器开发了一种光纤探头式分光光度计用于土壤养分中非金属元素的快速、准确测试。基于国家计量检定规程ＪＪＧ　１７８—２００７对紫外、可见、近红外分光光度计的性能检测方法测试的该仪器的波长最大允许误差与波长重复性、基线平直度、透射比最大允许误差与透射比重复性均达到了国标第Ⅲ级别标准，其最小光谱带宽、噪声与漂移、杂散光基本达到了国标第Ⅳ级别标准。基于该仪器测试的土壤硝态氮、铵态氮、有效磷、有效硫、有效硼、和有机质含量与基于商用的国产单光束和进口双光束分光光度计测试的结果呈极显著的线性相关关系，其回归方程的斜率接近于１，且对比数据之间无显著性差异。因此，该光纤探头式分光光度计可用于土壤非金属养分的快速、准确测试。

　中国农业部从２００５年起开始把测土配方施肥作为重要的农业科技活动在全国进行推广，目前已在２　４９８个县实施了测土配方施肥专项支持，技术普及涉及的耕地面积达１２亿亩以上［１－３］。土壤养分测试是测土配方施肥技术的基础而关键的环节，其测试的准确性和便捷性是该技术服务于农业生产现场的前提条件［４］。实验室检测和现场速测是常用的土壤养分测试方法，实验室检测方法虽然准确但需花费较长的时间，现场速测方法所需时间较短，但其准确性受到质疑［５－１０］。因此，开发小型化、便携式、并能在现场使用的、精准的土壤养分测试的仪器与设备对于测土配方施肥技术的普及推广与农田现场的农化服务具有重要意义。分光光度法是土壤养分测试中常用的基础方法，土壤中的非金属元素的养分测试几乎都是基于紫外－可见分光光度计进行的。传统的紫外－可见分光光度计一般采用棱镜或光栅作为单色器、光电倍增管作为检测器，其测量精度较高，但由于其精密光学部件不宜移动等原因，很难将其小型化和便携化，也不宜于在农田现场直接使用。因此，针对土壤养分测试仪器的小型化、便携式、及农田现场应用的业务需求，开发新型的紫外－可见分光光度计势在必行。本研究基于光程可调的浸入式光纤探头、平场凹面全息光栅、二极管线阵检测器开发了一种便携式紫外－可见分光光度计用于土壤速效Ｎ、有效Ｐ、有效Ｓ、有效Ｂ、及有机质等土壤非金属养

分的快速、准确测试，从而提高土壤非金属养分的测试效率，为测土配方施肥技术服务于农田现场提供技术支持。

１　实验部分

１．１　仪器组成

光纤探头式分光光度计采用独立控制的透射式氘灯和会聚式钨灯作为紫外光和可见光的光源（ＳＭＡ９０５ 接口，Ｈｅｒａｒｕｓ　Ｉｎｃ．，ＵＳＡ）；以平场凹面全息光栅作为分光器实现同步分光；利用１　０２４像元的ＮＭＯＳ（Ｎ　ｍｅｎｔａｌ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，简称ＮＭＯＳ）二极管线阵检测器（Ｓ３９０４－１０２４Ｑ，Ｈａｍａｍａｔｓｕ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　Ｉｎｃ．，Ｊａｐａｎ）实现２００～８００ｎｍ的全波段光谱扫描；采用光程可调的浸入式光纤探头作为测量部件直接插入待测样本溶液中进行相关土壤养分含量的测量，从而避免了传统的分光光度计利用比色皿测量时需要将待测溶液倒入和倒出的繁琐步骤；通信和信号处理采用ＡＭＤ处理器（ＡＭＤ　Ａｔｈｌｏｎ　ＸＰ　１７００，ＡＭＤ　Ｃｏ．，ＵＳＡ）；显示器采用３２０×２４０点阵触摸屏（图１）。

１．２　性能测试的指标、材料与方法

参照国家计量检定规程ＪＪＧ　１７８—２００７对紫外、可见、近红外分光光度计的性能检测方法，对研制的光纤探头式分光光度计进行了波长最大允许误差与波长重复性、基线平直度、透射比最大允许误差与透射比重复性、最小光谱带宽、噪声与漂移、杂散光的性能测试。

（１）波长最大允许误差与波长重复性

以低压石英汞灯和该仪器的氘灯作为光源置于光路中，使光进入狭缝并入射到仪器的单色器，扫描仪器在２５３．７，３６５．０，４０４．７，４３５．８，５４６．１和６５６．１ｎｍ的发射光谱特征谱线。重复扫描３次，其均值与目标波长之差即为仪器的波长最大允许误差，其最大值和最小值之差即为仪器的波长重复性。

（２）基线平直度

仪器进行基线校正后，在波长２００～８００ｎｍ之间进行吸光度的全光谱扫描，其起始点的吸光度与偏离起始点的最大吸光度之差即为基线平直度。

（３）透射比最大允许误差与透射比重复性

以空气为参比，测量紫外光区透射比滤光片（Ｕ４１１，国防科技工业应用化学一级计量站，中国）和可见光区透射比标称值分别为１０％，２０％和３０％的光谱中性滤光片（Ｚ５５０，国防科技工业应用化学一级计量站，中国）在２３５，２５７，３１３，３５０，４４０，５４６和６３５ｎｍ处的透射比。重复测试３次，其均值与上述滤光片的透射比标准值之差即为透射比最大允许误差，其最大值和最小值之差即为透射比重复性。

（４）最小光谱带宽

以能量扫描模式对仪器的氘灯在６５０～６６０ｎｍ的发射光谱进行扫描，以６５６．１ｎｍ的波峰能量作为参照，取其５０％能量的２个波长之差即为最小光谱带宽。

（５）噪声与漂移

参比与样品均为空气，设置透射比为１００％，在不同目标波长处以时间扫描模式扫描其透射比２ｍｉｎ，其最大值与最小值之差即为仪器的透射比为１００％的噪声。在样品光路中插入挡光板，调整透射比为０％，在不同目标波长处以时间扫描模式扫描其透射比２ｍｉｎ，其最大值与最小值之差即为仪器的透射比为０％的噪声。考虑到土壤养分中非金属元素的测试需求，本文选择了测试仪器在２１０，４２０，５３５，５５５，

６３０和６８０ｎｍ的透射比１００％噪声和透射比０％噪声。参比与样品均为空气，设置透射比为１００％，在５００ｎｍ处以时间扫描模式扫描其透射比３０ｍｉｎ，其最大值与最小值之差即为仪器的透射比１００％线漂移。

（６）杂散光

以空气为参比，测量杂散光滤光片（ＺＡ８９３，国防科技工业应用化学一级计量站，中国）在２２０，３６０和４２０ｎｍ的透射比。重复测量３次，其均值即为仪器的杂散光。

１．３　土壤养分测试的项目与方法

利用该光纤探头式分光光度计（ｏｐｔｉｃａｌ－ｆｉｂｅｒ－ｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄ　ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ，简称ＯＦＳＳ）进行了土壤ＮＯ－３ －Ｎ、ＮＨ＋４ －Ｎ、有效Ｐ、有效Ｓ、有效Ｂ、及有机质含量的测试，并与基于商用的国产单光束分光光度计（ＵＶ２１００，上海尤尼柯公司，中国）和进口双光束分光光度计（ＵＶ３１５０，岛津制作所，日本）的测试进行了对比。土壤样本取自于北京农学院温室，土壤类型为潮土，样本数量为３０个。对比测试重复３次，对比仪器测试用的标准溶液和待测溶液相同。土壤ＮＯ－３ －Ｎ、ＮＨ＋４ －Ｎ、有效Ｐ、有效Ｓ、有效Ｂ、及有机质待测溶液的前处理和测量方法如下：

（１）土壤速效Ｎ

土壤速效Ｎ采用１ｍｏｌ·Ｌ－１的ＫＣｌ溶液联合浸提后，将提取液经酸化后在２１０ｎｍ处比色测量土壤ＮＯ－３ －Ｎ含量，将提取液采用靛酚蓝比色法在波长６３０ｎｍ 处测量土壤ＮＨ＋４ －Ｎ含量。

（２）土壤有效Ｐ

土壤有效Ｐ是利用０．２ｍｏｌ·Ｌ－１　ＮａＨＣＯ３，０．０１ｍｏｌ·Ｌ－１　ＥＤＴＡ，０．０１ｍｏｌ·Ｌ－１　ＮＨ４Ｆ组成的ＡＳＩ（Ａｇｒｏ　ＳｅｒｖｉｃｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｃ．，ＡＳＩ）浸提剂进行浸提后，采用钼锑抗比色法在波长６８０ｎｍ处比色测量。

（３）土壤有效Ｓ和有效Ｂ

土壤有效Ｓ 和有效Ｂ 是采用０．００８ ｍｏｌ·Ｌ－１　Ｃａ（Ｈ２ＰＯ４）２ ·Ｈ２Ｏ溶液进行联合浸提后，采用ＢａＳＯ４沉淀比浊法在波长５３５ｎｍ处测量土壤有效Ｓ含量，采用姜黄素比色法在波长５５５ｎｍ处测量土壤有效Ｂ含量。

（４）土壤有机质

土壤有机质是采用０．２ｍｏｌ·Ｌ－１　ＮａＯＨ，０．０１ｍｏｌ·Ｌ－１　ＥＤＴＡ和２％甲醇组成的混合溶液进行浸提后在４２０ｎｍ处比色测量。