Quantifying Soil Inorganic Matter: Integrating Shifted Excitation Raman Difference Spectroscopy (SERDS) with Machine Learning for Enhanced Analysis of Carbonates
Notice bibliographique
Résumé
Soil carbonates are critical players in the global carbon cycle and have a profound influence on soil health and agricultural productivity. Their quantification is also central to carbon sequestration efforts, where accurate measurement of soil carbonates can inform strategies for reducing atmospheric CO2. However, conventional methods of carbonate analysis in soil---while effective---are often slow, costly, and labor-intensive (1).In this study, we introduce Shifted Excitation Raman Difference Spectroscopy (SERDS) as a rapid, non-destructive alternative, further enhanced by advanced preprocessing techniques and machine learning algorithms. Specifically, we employ Asymmetric Least Squares (ALS) for background correction, Standard Normal Variate (SNV) for normalization, and Savitzky–Golay filtering for smoothing. Unlike conventional Raman spectroscopy, SERDS effectively eliminates background fluorescence and reduces overlapping peaks, resulting in clearer spectral signatures (2). We employed Partial Least Squares Regression (PLSR) and eXtreme Gradient Boosting (XGBoost) to predict the inorganic carbon content from the carbonate vibrational modes in conventional Raman and SERDS spectra, benchmarked against total inorganic carbon (TIC) measurements from coulometric titration. Our results show that switching to dual-laser SERDS substantially boosted model performance. For PLSR, the coefficient of determination (R2) improved from 0.8 to 0.88 (an increase of about 10.5%), and the root-mean-square error (RMSE) declined from 0.29 to 0.22 (26% decrease). The XGBoost model exhibited an even greater increase, with R2 increasing from 0.63 to 0.93 (approximately 49% improvement) and RMSE dropping from 0.39 to 0.16 (59% reduction).Figure 1: Left: All SERDS data of soil samples showing the main carbonate peak; Right: XGBoost model prediction of soil inorganic carbon using SERDS data.These findings underscore the potential of SERDS to replace conventional methods for carbonate quantification, offering reduced cost, faster analysis, and essentially no sample preparation. Furthermore, by providing highly accurate carbonate measurements, this methodology can be pivotal for carbon sequestration assessments and large-scale soil management practices, helping to advance both environmental sustainability and agricultural productivity.References:1) Barra I, Haefele SM, Sakrabani R, Kebede F. Soil spectroscopy with the use of chemometrics, machine learning and pre-processing techniques in soil diagnosis: Recent advances–A review. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2021 Feb 1;135:116166.2) Orlando A, Franceschini F, Muscas C, Pidkova S, Bartoli M, Rovere M, Tagliaferro A. A comprehensive review on Raman spectroscopy applications. Chemosensors. 2021 Sep 13;9(9):262.
Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.
Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».