Use of Vis-NIR and pXRF Spectrometers in Soil Science

Abstract

Physical and chemical analysis of soils with traditional methods usually brings some disadvantages to the environment and economy due to time, cost, and chemical waste outputs. The purpose of this research were to i-) determine the increasingly widespread usage areas of visible near-infrared reflection spectroscopy (Vis-NIR) and portable X-ray fluorescence (pXRF) spectra in soil science, ii-) contribute to the increasing the efficiency of Vis-NIR and pXRF spectra and the areas that can be used in soil science for Vis-NIR and pXRF spectra. The advantages of Vis-NIR and pXRF spectra over traditional physical and chemical analysis methods of soils are that they are environmentally friendly, low cost, no need for any chemical substance, and rapid results without damaging soil samples. Therefore, it is increasingly used in characterizing and predicting soil properties. Vis-NIR and pXRF spectra have been widely used to predict the content of sand, silt and clay, organic carbon, organic matter, lime, moisture content, cation exchange capacity, and pH of soils. The researchers reported that Vis-NIR and pXRF spectra were very successful in their individual and combined use in determining and predicting soil properties. To expand the usage areas of Vis-NIR and pXRF spectra in soil science, it is necessary to develop the method and the calibrations of the devices by making more researches in the developing soils under different main materials, land use, climate, and vegetation. Thus, it is predicted that the success performance in the prediction and characterization of soil properties with Vis-NIR and pXRF spectra will increase.

Keywords

• Vis-NIR
• pXRF
• soil science
• soil spectra
• soil properties

Vis-NIR ve pXRF Spektrometrelerinin Toprak Biliminde Kullanımı

Abstract

Toprakların geleneksel yöntemler ile yapılan fiziksel ve kimyasal analizleri genellikle zaman, maliyet ve kimyasal atık çıktıları nedeniyle çevreye ve ekonomiye bazı dezavantajlar getirmektedir. Bu araştırmanın amacı, i-) toprak biliminde görünür yakın kızılötesi yansıma spektroskopisi (Vis-NIR) ve portatif X ışını floresansı (pXRF) spektralarının giderek yaygınlaşan kullanım alanlarını belirlemek, ii-) Vis-NIR ve pXRF spektralarının toprak biliminde kullanılabilecek alanların ve Vis-NIR ve pXRF spektralarından elde edilen etkinliğin artırılmasına katkı sağlamaktır. Vis-NIR ve pXRF spektrasının toprakların geleneksel fiziksel ve kimyasal analiz metotlarına göre üstünlükleri; çevre dostu, düşük maliyetli, herhangi bir kimyasal maddeye ihtiyaç olmaması, toprak örneklerine zarar vermeden hızlı sonuç alınmasıdır. Bu nedenle toprak özelliklerinin belirlenmesinde ve tahmin edilmesinde giderek artan oranda kullanılmaktadır. Vis-NIR ve pXRF spektrası; toprakların kum, silt ve kil içeriğinin, organik karbon, organik madde, kireç, nem içeriği, katyon değişim kapasitesi ve pH’nın tahmin edilmesinde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Araştırmacılar toprak özelliklerinin belirlenmesi ve tahmin edilmesinde Vis-NIR ve pXRF spektrasının bireysel ve birlikte kullanımlarında oldukça başarılı olduklarını rapor etmişlerdir. Vis-NIR ve pXRF spektrasının toprak biliminde kullanım alanlarının genişletilmesi için farklı ana materyal, arazi kullanımı, iklim ve bitki örtüsü altında gelişen topraklarda daha fazla araştırmalar yapılarak yöntemin ve cihazların kalibrasyonlarının geliştirilmesi gerekmektedir. Böylelikle Vis-NIR ve pXRF spektraları ile toprak özelliklerinin tahmin ve karakterize edilmesinde başarı performansının artacağı öngörülmektedir.

Keywords

• Vis-NIR
• pXRF
• Toprak Özellikleri
• toprak bilimi
• toprak spektrası

References

1. Acree, A., Weindorf, D.C., Paulette, L., Gestel, N.V., Chakraborty, S., Man, T., Jordan, C., Prieto, J.L., 2020. Soil classification in Romanian catenas via advanced proximal sensors. Geoderma, 377: 114587.
2. Altunbaş, S., Sarı, M., 2011. Kurutulan kestel gölünden kazanılan toprakların bazı özellikleri ile üretim potansiyelleri arasındaki ilişkiler. Akdeniz Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 24(1): 61-65.
3. Andrade, R., Faria, W.M., Silva, S.H.G., Chakraborty. S., Weindorf. D.C., Mesquita., L.F., Guilherme, L.R.G, Curi, N., 2020. Predcition of soil fertility via portable X-ray fluorescence (pXRF) spectrometry and soil texture in the Brazilian Coastal Plains. Geoderma, 357: 113960.
4. Anonymous, 1993. Soil Survey Division Staff, Soil Survey Manual. USDA Handbook 18, Washington DC.
5. Anonymous, 2020. Field Portable NIR Spectroradiometers for Remote Sensing. (https://spectralevolution.com), (Erişim tarihi: 15.09.2020).
6. Arnold, R., Eswaran, H., 1993. Soil horizon use by the US soil survey. Catena, 20: 375-381.
7. Ben-Dor, E., Banin, A., 1995. Near-infrared analysis as a rapid method to simultaneously evaluate several soil properties. Soil Science Society of America Journal, 59(2): 364-372.
8. Benedet, L., Faria, W.M., Silva, S.H.G., Mancini, M., Guilherme, L.R.G., Demattê, J.A.M., Curi, N., 2020. Soil subgroup prediction via portable X-Ray fluorescence and visible near-infrared spectroscopy. Geoderma, 365: 114212.

9. Bilgili, A.V., Vas Es, H.M., Akbas, F., Durak, A., Hively, W.D., 2010. Visible-near infrared reflectance spectroscopy for assessment of soil properties in a semi-arid area of Turkey. Journal of Arid Environments, 74: 229-238.
10. Brown, S.L., Chaney, R.L., Hettiarachchi, G.M., 2016. Lead in urban soils: a real or perceived concern for urban agriculture? Journal of Environmental Quality, 45(1): 26-36.
11. Chen, X., 2002. Using remote sensing and GIS to analyze land cover change and its impact on regional sustainable development. International Journal of Remote Sensing, 23(1): 107-124.
12. Dao, L., Morrison, L., Kiely, G., Zhang, C., 2013. Spatial distribution of potentially bioavailable metals in surface soils of a contaminated sports ground in Galway, Ireland. Environmental Geochemistry Health, 35(2): 227-238.
13. Dinç, U., Şenol, S., 2013. Toprak Etüd ve Haritalama. Çukurova Üniversitesi, Ziraat Fakültesi Genel Yayın No: 161, Ders Kitapları Yayın No: A-50, Çukurova Üniversitesi Ziraat Fakültesi Ofset Atölyesi, Adana.
14. Fajardo, M., McBratney, A., Whelan, B., 2016. Fuzzy clustering of Vis-NIR spectra for the objective recognition of soil morphological horizons in soil profiles. Geoderma, 263: 244-253.
15. Gomez, C., Viscarra Rossel, R.A., McBratney, A.B., 2008. Soil organic carbon prediction by hyperspectral remote sensing and field vis-NIR spectroscopy: An Australian case study. Geoderma, 146: 403-411.
16. Gözükara, G., 2019. Eski göl tabanlarındaki zamansal ve mekansal değişimlerin toprak oluşumuna etkileri: Burdur göl havzası örneği. Doktora tezi, Akdeniz Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Antalya.
17. Gözükara, G., Altunbaş, S., Sarı, M., 2019. Mekansal değişimin alüviyal fanlar üzerinde oluşan toprakların özelliklerine etkisi. Mediterranean Agricultural Sciences, 32(3): 425-435.
18. Gözükara, G., Altunbaş, S., Sarı, M., 2020a. Zamansal ve mekansal değişimlerin farklı fizyoğrafyalardaki toprak oluşumu, gelişimi ve morfolojisi üzerine etkisi. Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 57(2): 277-278.
19. Gözükara, G., Altunbaş, S., Sarı, M., 2020b. Zamansal ve mekansal değişimlerin eski göl tabanlarındaki toprak oluşumu, gelişimi ve morfolojisi üzerine etkisi. Harran Tarım ve Gıda Bilimleri Dergisi, 24(1): 96-110.
20. Hızalan, E., 1969. Toprak Etüt ve Haritalama I. Ankara Üniversitesi, Ziraat Fakültesi Yayınları No: 379, Ankara.
21. Hu, W., Huang, B., Weindorf, D.C., Chen, Y., 2014. Metals analysis of agricultural soils via portable X-ray fluorescence spectrometry. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 92(4): 420-426.
22. Kılıç, E., Köseoğlu, F., Yılmaz, H., 1998. Enstrümental Analiz İlkeleri. Bilim Yayıncılık, Kızılay, Ankara.
23. Mancini, M., Weindorf, D.C., Chakraborty, S., Silva, S.H.G., Teixeira, A.F.S., Guilherme, L.R.G., Curi, N., 2019. Tracing tropical soil parent material analysis via portable X-ray fluorescence (pXRF) spectrometry in Brazilian Cerrado. Geoderma, 337: 718-728.
24. McLaren, T.I., Guppy, C.N., Tighe, M.K., Forster, N., Grave, P., Lisle, L.M., Bennett, J.W., 2012. Rapid, nondestructive total elemental analysis of vertisol soils using portable Xray fluorescence. Soil Science Society of America Journal, 76(5): 1436-1445.
25. Mutlu, H.H., 2010. Eski konya gölü kuvaterner terasları üzerinde oluşan toprakların jeokimyasal özellikleri ve ayrışma oranları. Yüksek lisans tezi, Selçuk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Konya.
26. Ng, W., Minasny, B., Montazerolghaem, M., Padarian, J., Ferguson, R., Bailey, S., McBratney, A.B., 2019. Convolutional neural network for simultaneous prediction of several soil properties using visible/near-infrared, mid-infrared, and their combined spectra. Geoderma, 352: 251-267.
27. Özyazıcı, M.A., Dengiz, O., Aydoğan, M., Bayraklı, B., Kesim, E., Urla, Ö., Yıldız, H., Ünal, E., 2015. Orta ve Doğu Karadeniz Bölgesi tarım topraklarının bazı makro ve mikro bitki besin maddesi konsantrasyonları ve ters mesafe ağırlık yöntemi (IDW) ile haritalanması. Artvin Çoruh Üniversitesi Orman Fakültesi Dergisi, 16(2): 187-202.
28. Özyazıcı, M.A., Dengiz, O., Aydoğan, M., Bayraklı, B., Kesim, E., Urla, Ö., Yıldız, H., Ünal, E., 2016. Orta ve Doğu Karadeniz Bölgesi tarım topraklarının temel verimlilik düzeyleri ve alansal dağılımları. Anadolu Tarım Bilimleri Dergisi, 31(1): 136-148.
29. Özyazıcı, M.A., Dengiz, O., Özyazıcı, G., 2017. Spatial distribution of heavy metals density in cultivated soils of Central and East Parts of Black Sea Region in Turkey. Eurasian Journal of Soil Science, 6(3): 197-205.
30. Potts, P.J., West, M., 2008. Portable X-ray fluorescence spectrometry. In: P.J. Potts, M. West (Eds.), Capabilities for in Situ Analysis, 1st Edn., RSC Publising, Sheffield, pp. 83-97.
31. Ravansari, R., Lemke, L.D., 2018. Portable X-ray fluorescence trace metal measurement in organic rich soils: pXRF response as a function of organic matter fraction. Geoderma, 319: 175-184.
32. Rouillon, M., Taylor, M.P., 2016. Can field portable X-ray fluorescence (pXRF) produce high quality data for application in environmental contamination research? Environmental Pollution, 214: 255-264.
33. Rouillon, M., Taylor, M.P., Dong, C., 2017. Reducing risk and increasing confidence of decision making at a lower cost: In-situ pXRF assessment of metal-contaminated sites. Environmental Pollution, 229: 780-789.
34. Sarı, M., 1986. Uzaktan Algılamada Gözle Yapılan Yorumlamalar ve Bilgi Üretimi: Toprak. Uzaktan Algılama Lisans Üstü Yaz Okulu Ders Notu, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü-TÜBİTAK-TUFUAB, Adana.
35. Sarı, M., Altunbaş, S., Sönmez, N.K., Emrahoğlu, E. 2003. Farklı fizyografik üniteler üzerinde yer alan eski Manay göl alanı topraklarının özellikleri ve potansiyel üretkenlikleri. Akdeniz Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 16(1): 7-17.
36. Sharma, A., Weindorf, D.C., Wang, D., Chakraborty, S., 2015. Characterizing soils via portable X-ray fluorescence spectrometer: 4. Cation exchange capacity (CEC). Geoderma, 239-240: 130-134.
37. Shi, P., Castaldi, F., Wesemael, B.V., Ooast, K.V., 2020. Vis-NIR spectroscopic assessment of soil aggregate stability and aggregate size distribution in the Belgium loam belt. Geoderma, 357: 113958.
38. Silva, S.H.G., Hartemink, A.E., Teixeira, A.F.S., Inda, A.V., Guilherme, L.R.G., Curi, N., 2018. Soil weathering analysis using a portable X-ray fluorescence (PXRF) spectrometer in an inseptisol from the Brazilian Cerrado. Applied Clay Science, 162: 27-37.
39. Silva, S.H.G., Weindorf, D.C., Pinto, L.C., Faria, W.M., Acerbi Junior, F.W., Gomide, L.R., Mello, J.M., Pádua Junior, A.L., Souza, I.A., Teixeira, AFS., Guilherme, L.R.G., Curi. N., 2020. Soil texture prediction in tropical soils: a portable X-rayfluorescencespectrometry approach. Geoderma, 362: 114136.
40. Simon, T., Zhang, Y., Hartemink, E.A., Huang, J., Walter, C., 2020. Predicting the color of sandy soils from Wisconsin, USA. Geoderma, 361: 114039.
41. Stockmann, U., Cattle, S.R., Minasny, B., McBratney, A.B., 2016. Utilizing portable X-ray fluorescence spectrometry for in-field investigation of pedogenesis. Catena, 139: 220-231.
42. Taylor, P.D., Ramsey, M.H., Potts. P.J., 2004. Balancing measurement uncertainty against financial benefits: comparison of in situ and ex situ analysis of contaminated land. Enviromental Science and Technology, 38(24): 6824-6831.
43. Tighe, M., Rogan, G., Wilson, S.C., Grave, P., Kealhofer, L., Yukongdi, P., 2018. The potential for portable X-ray fluorescence determination of soil copper at ancient metallurgy sites, and considerations beyond measurements of total concentrations. Journal of Environmental Management, 206: 373-382.
44. Tümsavaş, Z., Tekin, Y., Ulusoy, Y., Mouazen, A.M., 2019. Prediction and mapping of soil clay and sand contents using visible and near-infrared spectroscopy. Biosystems Engineering, 177: 90-100.
45. Viscarra Rossel, R.A., Cattle, S.R., Ortega, A., Fouad, Y., 2009. In situ measurements of soil colour, mineral composition and clay content by viseNIR spectroscopy. Geoderma, 150: 253-266.
46. Viscarra Rossel, R.A., McBratney, A.B., Minasy, B., 2010. Proximal Soil Sensing. Springer, New York.
47. Viscarra Rossel, R.A., Walvoort, D.J.J., McBratney, A.B., Janik, L.J., Skjemstad. J.O., 2006. Visible, near infrared, mid infrared or combined diffuse reflectance spectroscopy for simultaneous assessment of various soil properties. Geoderma, 131: 59-75.
48. Viscarra Rossel, R.A., Webster, R., 2011. Discrimination of Australian soil horizons and classes from their visible near infrared spectra. European Journal of Soil Science, 62(4): 637-647.
49. Waiser, T.H., Morgan, C.L.S., Brown, D.J., Hallmark, C.T., 2007. In situ characterization of soil clay content with visible near-infrared diffuse reflectance spectroscopy. Soil Science Society of America Journal, 71(2): 389-396.
50. Weindorf, D.C., Zhu, Y., Haggard, B., Lofton, J., Chakraborty, S., Bakr, N., Zhang, W., Weindorf, W.C., Legoria, M., 2012a. Enhanced pedon horizonation using portable Xray fluorescence spectrometry. Soil Science Society of America Journal, 76(2): 522-531.
51. Weindorf, D.C., Zhu, Y., McDaniel, P., Valerio, M., Lynn, L., Michaelson, G., Ping, C.L., 2012b. Characterizing soils via portable X-ray fluorescence spectrometer: 2. Spodic and Albic horizons. Geoderma, 189-190: 268-277.
52. Yorulmaz, A., Aydın, G., Atatanır, L., 2017. Determination of soil organic carbon levels using near ınfrared spectroscopy (NIRS) in Saline Soils. Adnan Menderes Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 14(2): 29-31.
53. Yost, J.L., Roden, E.E., Hartemink, A.E., 2019. Geochemical fingerprint and soil carbon of sandy alfisols. Soil Systems, 3(3): 59.
54. Yost, J.L., Hartemink, A.E., 2019. Effect of carbon on mousture storage in soils of the Wisconsin Central Sands, USA. European Journal of Soil Science, 70(3): 565-577.
55. Zhang, Y., Hartemink, A.E., 2019. Soil Horizon Delineation Using Vis-NIR and pXRF data. Catena, 180: 298-308.
56. Zhang, Y., Hartemink, A.E., 2020. Data fusion of vis-nır and pxrf spectra to predict soil physical and chemical properties. European Journal of Soil Science, 71(3): 316-333.
57. Zhu, Y., Weindorf, D.C., Zhang, W., 2011. Characterizing soils using a portable X-ray fluorescence spectrometer: 1. Soil texture. Geoderma, 167-168: 167-177.