导读
近日，澳大利亚悉尼大学Amin Sharififar助理研究员在Soil & Environmental Health（SEH-《土壤与环境健康》）期刊发表题为“应对光谱土壤传感的挑战：成功的关键解决方案（Navigating the Challenges of Spectral Soil Sensing: Key Solutions for Success；2025，3(3)：100160）”的综述论文。
随着全球范围内对土壤快速分析的需求日益增长，农业与环保领域对近场传感技术的关注度也显著提升。在过去的二十年里，红外光谱，特别是漫反射光谱 (DRS)，因其成本效益高、易于使用、快速和非破坏性等优势，已成为预测各种土壤性质的有效方法。自20世纪90年代以来，DRS已被广泛认可适用于原位和异位场景的土壤状况快速评估。尽管DRS潜力巨大，其在常规土壤分析中的广泛应用仍然受到若干关键挑战的阻碍。近期研究强调了当前土壤光谱实践的局限性，特别是光谱特征与某些化学性质之间相关性的间接性，可能导致过度拟合和不可靠的预测，尤其是在多样化的土壤集中。然而，现有的综述通常仅关注土壤光谱的特定方面，如预处理技术或特定应用，缺乏对该领域发展的整体概括。本综述通过全面概述阻碍土壤光谱技术操作化的关键挑战来弥补这一差距，并提出针对性策略以加快土壤光谱技术在日常土壤分析中的应用实践。
图文摘要（Graphic abstract）
主要内容
漫反射光谱 (DRS) 已成为土壤科学中的强大工具，可提供不同场景下的详细土壤信息，具有革新土壤评估体系的巨大潜力。然而，土壤光谱技术全面全球化的道路充满挑战（图1）。世界各地的研究人员渴望利用全球土壤光谱库 (SSL) 进行快速、准确且经济高效的土壤评估。然而，要实现土壤光谱技术在日常分析中的应用，仍存在一些必须解决的操作性挑战，具体如下：
一、光谱采集的标准化：不同研究采用的测量方案和设备存在差异，阻碍了结果的可比性；建立标准化的光谱采集方法将提高可重复性并促进全球科学界的合作。
二、土壤多样性的表征与建模：土壤具有固有的多样性，涵盖广泛的物理和化学特性，在土壤光谱库中捕捉这种多样性给建模带来了挑战；全面代表各种土壤类型和条件对于光谱技术的成功应用至关重要。
三、土壤基质重叠效应的复杂性：不同土壤性质的光谱特征常常重叠，使光谱数据的解释复杂化；理解和减轻基质相互作用的影响对于提高土壤性质预测的准确性至关重要。
四、通过光谱进行土壤时间监测的需求：随时间监测土壤状况对于土地的可持续管理至关重要；开发基于光谱的时间动态评价方法将增进我们对土壤动态的理解。
图1 全球土壤伙伴关系调查中报告的土壤光谱测量实验室程序
为了应对土壤光谱技术应用存在的挑战，作者提出了优化和实施土壤光谱技术的创新解决方案（图2），主要包括以下方面：
1）建立国际标准和方案：制定全球范围内公认的光谱采集和数据处理标准与方案，以提高一致性和可靠性。
2）增强校准转移：研究和改进光谱及校准转移的方法，确保不同实验室和仪器间的互操作性。
3）创新建模方法：创建能有效解释土壤异质性的建模策略，同时整合空间信息并利用机器学习和深度学习，提高模型的可解释性。
4）互补传感技术：探索其他传感技术的潜力，以改进难以检测的土壤性质的估计并减少预测偏差。
在提出现有挑战及其相应解决方案后，作者指出未来土壤光谱技术将迎来新的发展机遇与广泛应用：在精准农业方面，它可以通过监测关键土壤性质（如养分水平、盐分和有机质含量）随时间的变化来支持特定地点的管理决策，从而优化投入效能并最小化环境影响；在环境监测方面，该技术可以追踪土壤污染、侵蚀速率和碳汇动态，为环境评估和政策制定提供必要数据；在土壤研究方面，将传统土壤光谱数据与当代测量技术相结合是未来研究的关键领域，有助于我们在空间和时间尺度上更为全面地理解土壤的动态变化。
总结与展望
本综述总结了土壤光谱学的重大进展，并指出DRS可以作为快速且经济高效的土壤性质估算方法。随着SSLs的普及、传感器技术的进步以及稳健的统计、机器学习和深度学习算法等的应用，通过DRS预测土壤性质的准确性和可行性日益提高。尽管取得了这些进展，但若干关键挑战阻碍了DRS从研究向常规操作使用的顺利过渡。关键障碍包括需要标准化的光谱采集方案、确保校准在不同仪器间的可转移性以及有效解决土壤固有的异质性。此外，将现有土壤知识整合到模型开发和解释中，对于土壤-光谱关系的深入理解至关重要。
为了优化和实施光谱技术，开发泛化、可转移且准确的建模流程势在必行。此外，创建能有效管理土壤异质性的全局模型将是至关重要的。一套稳健、可访问且用户友好的土壤光谱库对于该技术的更广泛采用也至关重要。通过应对这些挑战，土壤科学界可以充分发挥土壤光谱技术在精准农业、环境监测和土地管理决策等各种应用中的潜力。通过建立标准化方案、开发稳健建模技术和创建可访问SSLs等全球协作，未来土壤光谱技术将成为可持续资源管理不可或缺的有力工具。
原文链接：
https:///10.1016/j.seh.2025.100160
作者简介
第一兼通讯作者简介：
期刊介绍
微信号 | SEH2023
Twitter｜@soileh2023
供稿 | 浙江大学 林国冰
校对 | 浙江大学 刘陈静
排版 | SEH助理编辑
审阅 | SEH编辑部
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