IX Всероссийская конференция молодых ученых с международным участием «Почвоведение: Горизонты будущего. 2025»

Проблемы глобализации: опыт применения глобальной спектральной библиотеки для предсказания химических свойств почв
25.09.2025 , Малый зал (1 этаж)

Почвенная спектроскопия (Soil Spectroscopy) – понятие, в настоящее время закрепившееся за моделированием химических, физических и иных свойств почв на основе данных спектров отражения в видимом, ближнем и среднем ИК-диапазонах. Почвенная спектроскопия активно поддерживается и развивается ФАО, и к сегодняшнему дню накоплен большой объем информации об опыте создания и успешного применения таких моделей. Однако, моделирование свойств почв требует создания объемных спектральных библиотек и требует вложения значительных ресурсов (в т.ч. специального оборудования), что ограничивает применимость почвенной спектроскопии для широкого круга специалистов, изучающих почву. Решение этой проблемы предлагает инициативная группа учёных Soil Spectroscopy for Global Good на основе открытой спектральной библиотеки Open Soil Spectral Library (OSSL) и связанного с ней веб-сервиса (https://explorer.soilspectroscopy.org). OSSL позволяет использовать модели, обученные на большом массиве спектральных данных, для предсказания различных свойств почвы. Веб-сервис позволяет загружать пользовательские спектры и получать результат моделирования без необходимости самостоятельной работы с моделями. Однако, основной массив данных для обучения моделей был получен для почв США и ЕС, что может негативно отразиться на качестве моделирования свойств почв, характерных для территории Российской Федерации. Цель исследования: изучить возможность применения OSSL для моделирования некоторых химических свойств почв России. В качестве моделируемых свойств почв были выбраны содержание неорганического углерода, содержание органического углерода, актуальная кислотность (pH водной суспензии). Выбор этих свойств связан с тем, что соединениям углерода на инфракрасных спектрах почв соответствуют определенные пики (неорганические – 2500 см-1, не перекрываются с пиками почвенных минералов и адсорбированной воды, органические – область 1000-1800 см-1, частично перекрываются с пиками почвенных минералов), в то время как актуальная кислотность не имеет собственных пиков на спектрах, вследствие чего эти три свойства могут служить показателями работы моделей для разных типов свойств. Спектральная библиотека для оценки моделей OSSL была собрана из анонимных образцов разных типов почв, отобранных на территории Европейской части России и проанализированных Испытательным лабораторным центром Почвенного института имени В.В. Докучаева. Объем библиотеки составил примерно 1800 спектров. Исследование показало, что несмотря на присутствие в базе OSSL почв, схожих по свойствам с почвами России, результаты предсказания свойств почв по моделям OSSL являются неудовлетворительными. Улучшение качества работы моделей OSSL возможно путем отбора наиболее репрезентативных спектров для калибровки, а также дообучения моделей на спектрах региональной спектральной библиотеки. Разные методы предобработки спектров (сглаживание, коррекция рассеяния, производные) не отличаются по своему влиянию на точность прогноза моделей OSSL для почв России. Наиболее точные результаты предсказания были получены при калибровке моделей на выборке из созданной для проверки моделей OSSL спектральной библиотеки почв России. Авторами предложен новый алгоритм предобработки спектров, основанный на автоматическом извлечении интенсивности пиков, размеченных по вторыми производным спектров. Применение этого подхода к региональной и глобальной библиотекам позволил увеличить точность предсказания содержания органических и неорганических соединений углерода. Таким образом, несмотря на неоднократно доказанную эффективность почвенной спектроскопии для создания методов быстрого, дешёвого и надёжного анализа различных свойств почвы, применение почвенной спектроскопии в России требует создания национальной спектральной библиотеки.


Машинное обучение, FTIR, почвенный углерод


Соавторы доклада и их аффилиации:

Григорьева И.И., Федеральный исследовательский центр "Почвенный институт имени В.В. Докучаева"; Стройкова М.Н., Федеральный исследовательский центр "Почвенный институт имени В.В. Докучаева"; Хаматнуров Ш.А., Федеральный исследовательский центр "Почвенный институт имени В.В. Докучаева"