低成本近端传感器评估高度风化土壤有机碳和潜在毒性金属的系统综述

《Soil Biology and Biochemistry》：Low-Cost Proximal Sensors for Assessing Organic Carbon and Potentially Toxic Metals in Highly Weathered Soils: A Systematic Review

本研究针对热带湿润区高度风化土壤监测成本高、技术门槛高的难题，系统评价了NixPro颜色传感器与KT10磁化率仪在评估土壤有机碳(OC)和潜在毒性金属(PTMs)中的应用。通过系统文献综述发现，NixPro对风干表层土壤OC预测精度较高(R2达0.80)，而KT10需结合其他传感器提升OC预测能力，但对铁等PTMs检测表现优异(R2达0.79)。传感器融合技术结合机器学习可显著提升预测准确性，为资源受限的热带地区土壤安全监测提供了可扩展的解决方案。

　　

在热带湿润地区，高度风化的土壤如氧化土和老成土广泛分布，这些土壤经历了长期温暖湿润条件下的成土过程，形成了独特的矿物学和化学特性。然而，由于传统土壤分析的高成本和高物流要求，这些对全球生态至关重要的土壤却长期处于监测不足的状态。特别是在许多发展中国家，缺乏先进的实验室基础设施，使得大规模、频繁的土壤健康评估难以实现。土壤有机碳(OC)是土壤健康和安全的核心组成部分，影响着土壤结构、水分保持、养分供应和生物活性。在高度风化土壤中，由于高岭石、石英和倍半氧化物的普遍存在，粘土矿物反应性降低，有机碳成为阳离子交换容量(CEC)、土壤结构和稳定团聚体形成的关键驱动因子。但热带气候的高温和多雨促进了有机碳的快速分解和淋失，使其维持成为持续挑战。同时，潜在毒性金属(PTMs)如铁、镍、钴等在高度风化土壤中的存在和行为也带来了显著的环境和农业问题。这些金属通常在超基性岩或富铁母质衍生的土壤中浓度升高，其积累受长期化学风化过程控制。在还原动态条件下，铁等元素可能变得有毒，影响植物生长和土壤健康。

为了应对这些挑战，近端传感技术作为有价值的替代方案逐渐兴起。这些工具提供快速、低成本、非破坏性的测量，特别适用于实验室基础设施有限的地区。在众多近端传感器中，NixPro颜色传感器和KT10磁化率(κ)仪因其在热带土壤环境中的适用性而显示出巨大潜力。NixPro通过测量土壤颜色来估算有机碳含量，而KT10则通过检测磁性矿物含量来指示潜在毒性金属的分布。这两种传感器的商业可用性(NixPro约432美元，KT10约3417美元)和便携性使其成为资源有限环境下土壤监测的理想工具。

研究人员通过系统文献综述(SLR)方法，评估了这两种传感器在高度风化土壤中评估有机碳和潜在毒性金属的应用。研究检索了五个主要学术数据库的1419条记录，最终有八项实证研究符合纳入标准。这些研究主要来自巴西，反映了该国广泛分布的高度风化热带土壤及其在数字和近端土壤传感方面的活跃研究。

研究发现NixPro颜色传感器在干燥、均质条件下对有机碳的预测显示出可接受的准确性，决定系数(R²)最高达0.80，均方根误差(RMSE)最低为0.43%。但在湿润或异质条件下，其性能下降，R²可低至0.08。这表明土壤水分和表面粗糙度对基于颜色的有机碳预测有显著影响。KT10磁化率仪需要与其他传感器互补才能更好地预测有机碳(R²≤0.67)，但对铁等潜在毒性金属的检测表现可靠，R²最高达0.79，这归因于其对磁性矿物的敏感性。

两种传感器都存在传感深度浅、对水分敏感以及模型可转移性差等局限性。然而，通过整合光学和磁性数据的组合使用，特别是在与机器学习、预处理技术和传感器融合配对时，可以显著提高预测准确性。在土壤安全框架内，这些传感器有助于所有五个维度：条件、容量、资本、编码和连通性。

关键技术方法包括系统文献综述(SLR)标准方案，从五大数据库筛选1419条记录；使用NixPro传感器测量土壤颜色参数(L、a、b*值)，KT10仪测量磁化率(κ)；应用多种校准模型(GLR、LR、MLR、SMLR、PLS、RF等)进行数据分析；采用交叉验证和保留验证评估模型性能。

3.1. NixPro和KT10 κ仪的传感机制、原理和估算工作流程

NixPro颜色传感器应用反射光谱学和三刺激色度法，在标准化颜色空间(包括RGB、CIELab、CIELch和HEX)中客观测量土壤颜色。该传感器内置高显色指数(CRI)白光LED，均匀照射土壤表面，光学密封室阻挡环境光，确保现场和实验室条件下照明一致。反射光被光谱传感器捕获，检测特定波长的强度，这些模拟信号通过工厂校准算法被内部微控制器数字化和处理。研究表明，NixPro通过土壤颜色指标在评估有机碳和潜在毒性金属方面显示出实用性，特别是在CIELab空间中，亮度(L)参数与有机碳含量相关，有机碳通常使土壤变暗，从而降低L*值。

KT10是一种地球物理仪器，测量磁化率(κ)，量化土壤材料响应外部磁场的磁化程度。它基于电磁感应原理工作，使用10kHz LC(电感电容)振荡器电路，通过内部感应线圈发射交变磁场。当靠近或接触土壤时，铁磁性和亚铁磁性矿物(如磁铁矿、磁赤铁矿和含铁硅酸盐)感应出次级磁场，这会改变线圈的电感，导致相对于自由空气中测量的参考信号发生频率和振幅偏移。KT10的微处理器处理这些偏移，计算表观磁化率。在土壤学研究中，KT10已被广泛用于绘制铁分布图、识别铁铝化层位和研究成土过程，特别是在玄武岩或辉绿岩衍生的土壤中。

3.2. 文献筛选结果和主题见解

文献筛选过程从五个主要学术数据库初步检索到1419条记录，经过去重、标题摘要筛选和全文评估，最终有8项研究被纳入系统评价。这8项研究中，3项使用NixPro颜色传感器，5项使用KT10磁化率仪。地理分布显示大多数研究(n=6)在巴西进行，一项来自马达加斯加，一项来自美国，表明存在明显的地理偏向，主要针对富含铁氧化物但通常有机质较低的高度风化土壤热带地区。

纳入研究的时间分布从2017年到2023年，大多数出现在2020年至2022年之间，反映了对低成本近端传感器在高度风化土壤中应用日益增长的兴趣。使用NixPro颜色传感器的三项研究主要侧重于估算有机碳，而KT10磁化率仪的研究中，三项同时评估有机碳和潜在毒性金属，一项仅关注有机碳，另一项仅关注潜在毒性金属。

3.3. 纳入研究中有机碳和潜在毒性金属的预测

低成本NixPro颜色和KT10磁化率近端传感器预测有机碳和潜在毒性金属的性能因传感器类型、建模方法、验证方法和土壤条件而有很大差异。总体而言，结果表明虽然两种传感器都显示出土壤特性评估的潜力，但其有效性高度依赖于特定的场地条件和目标变量。

NixPro颜色传感器基于反射率和色度法工作，在干燥土壤条件下显示出相对较强的有机碳预测潜力。性能最好的研究使用广义线性回归(GLR)报告了R²为0.80(干燥土壤)和0.73(湿润土壤)，相应的RMSE值较低，分别为0.43%和0.50%。但其他使用相同传感器的研究结果更为一般，使用随机森林(RF)、支持向量机(SVM)和逐步多元线性回归(SMLR)等机器学习模型的研究报告R²值在0.13到0.49之间，RMSE值在1.39%到1.90%之间，表明预测准确性有限到中等。

KT10磁化率仪预测有机碳的效果普遍较差。有研究使用线性回归(LR)报告有机碳的R²为0.28，另一研究使用多元线性回归(MLR)仅获得0.11的R²，RMSE为3.1g kg^-1，表明预测关系较弱。更复杂的模型，如随机森林、支持向量机、Cubist和广义线性回归，即使与电导仪互补，也未能显著改善预测结果，R²值仍然较低(0.032-0.077)，RMSE值相对较高(7.5-8.1g dm^-3)。

相比之下，KT10磁化率仪预测潜在毒性金属的表现更加一致和强大。有研究记录到Fe₂O₃含量的R²高达0.79，表明磁化率与铁浓度之间存在强烈的线性相关。在比较建模工作中，所有模型对Fe₂O₃的R²值都高于有机碳，Cubist实现了0.41的R²和52.40g kg^-1的RMSE。这些结果证实了KT10磁化率仪在预测铁含量方面的实用性，特别是在风化热带土壤中。

3.4. 低成本近端传感器在土壤安全视角下的局限性、差距和机遇

NixPro颜色传感器在评估可见反射率以估算有机碳含量时观察到几个局限性。基于颜色的有机碳预测准确性对土壤水分和表面粗糙度高度敏感，特别是在田间条件下。虽然实验室条件下报告了可接受的预测能力(R²≈0.80)，但这种准确性在波动的水分条件下下降，影响了颜色与有机碳之间的关系。颜色与有机碳的关系并非普遍适用；矿物学和组成变化意味着预测模型通常需要区域校准，并且不易在不同土壤类型之间转移。

KT10磁化率仪的主要限制之一是测量深度浅，仅捕获土壤上层几厘米的磁性信号，使其不适合评估通常随深度显著变化的深层有机碳或潜在毒性金属分布。就预测性能而言，与组合方法相比，KT10磁化率仪对有机碳的准确性通常较低。此外，KT10磁化率仪仅对铁磁性矿物(如磁铁矿和磁赤铁矿)有响应，因此其效用仅限于磁性矿物丰富的土壤，并且受母质、风化强度和氧化还原条件的严重影响，降低了其在各土壤类型中的普遍适用性。

除了传感器特定的约束外，方法学限制也很明显。许多研究依赖于实验室基础的校准和建模，缺乏田间尺度条件下的验证。验证策略在各研究之间差异很大，这种差异对模型性能的解释有重要影响。传感器融合提供了显著潜力但仍未充分开发。当前对单一传感器的依赖过度简化了土壤系统的复杂性，忽视了整体土壤健康评估的需要。

3.5. 用低成本传感器实现土壤安全操作化

尽管存在固有局限性，但当将NixPro颜色传感器和KT10磁化率仪的贡献置于土壤安全框架内时，它们的更广泛效用变得最为明显，该框架包括五个相互关联的维度：容量、条件、资本、连通性和编码。

在容量方面，NixPro颜色传感器和KT10磁化率仪通过提供实验室基础分析的经济型、便携式替代方案，扩展了高度风化土壤的监测范围。通过实现重复的原位监测，这些工具有助于检测有机碳库、元素动态和氧化还原条件的短期变化，否则由于实验室测试的高成本和物流延迟，这些变化将仍然不明确。

NixPro颜色传感器和KT10磁化率仪快速测量有机碳和潜在毒性金属代理的能力使得能够动态、近实时地评估土壤条件。例如，通过NixPro颜色传感器频繁估算有机碳可以深入了解土壤抵抗退化过程(如侵蚀和淋失)的恢复力。同时，KT10磁化率仪对磁性矿物的敏感性允许检测富含潜在毒性金属的区域，有助于在早期阶段识别污染风险。

NixPro颜色传感器(约432美元)和KT10磁化率仪(约3417美元)的可负担性将土壤监测从纯粹的学术活动转变为实用的资本管理工具，强化了土壤作为自然资本形式的概念。用户现在可以使用这些设备监测有机碳水平，类似于监测财务状况，指导关于施肥、覆盖作物或有机改良剂的决策，这些决策能够构建而不是消耗土壤资本。

用户友好、支持蓝牙的设计以及来自两种低成本传感器的可轻松下载数据通过民主化数据采集和实现近瞬时数据共享来支持连通性。这种参与式实践通过将当地观察与科学解释联系起来，提升了协作土壤监测，从而增强了土壤管理网络的集体智慧。

NixPro颜色传感器和KT10磁化率仪生成标准化的数字输出，如颜色指标值和磁化率测量值，可以无缝集成到统计和机器学习模型中进行土壤属性预测。通过已知位置信息，来自低成本近端传感器的读数可以直接输入高分辨率土壤图，描绘精准农业的管理区域。

本研究通过系统文献综述评估了两种低成本近端传感器——NixPro颜色传感器和KT10磁化率仪在高度风化热带土壤中评估有机碳和潜在毒性金属的应用。在筛选的1419条记录中，仅八项实证研究符合纳入标准，既显示了巨大潜力也突出了显著的研究差距。NixPro颜色传感器在干燥、均质条件下对有机碳显示出可接受的准确性(R²高达0.80，RMSE低至0.43%)，但在湿润或异质土壤中性能下降(R²可低至0.08)。KT10磁化率仪需要与其他传感器互补才能准确估算有机碳(R²低于0.67)，但对铁表现出更强的预测能力(R²高达0.79)，反映了其对磁性矿物的敏感性。两种传感器都受限于浅层传感深度、水分变异性和低模型可转移性。然而，它们的组合使用，整合表面色度学和地下磁性信号，增强了有机碳和潜在毒性金属预测，特别是在与高级预测模型、机器学习和稳健预处理技术结合时。在土壤安全框架内，两种传感器通过实现在资源有限的热带环境中参与式和空间明确的土壤评估，有助于所有五个维度。未来研究应侧重于田间验证、双传感器集成和可转移校准模型的开发，以改进适用性并支持可持续土壤管理，努力将这些方法扩展到来自不同土壤气候条件的其他土壤类型。