土壤檢測的傳感器技術發展現狀與展望

章瑋

摘 要：近數十年來，土壤性態空間變化監測和定位土壤性態動態監測的傳感器技術均有較快的發展。在土壤性態空間變化監測方面，土壤濕度和溫度等物理性狀與土壤酸堿度、氧化還原電位和鹽分等化學性狀的傳感器技術研究較為成熟，養分和有機質等的傳感器技術的研究較為薄弱，而生物學傳感器在土壤檢測上應用的研究至今仍非常欠缺。在定位土壤性態動態監測方面，已發展有衛星、航空、無人機和地面平臺搭載的不同類型傳感器，涉及遙感和近地傳感二大類技術，但目前遙感和近地傳感技術對土壤的監測主要基于經驗模型，如何實現精準檢測還存在很多關鍵問題需要研究。隨著新工藝與新材料（納米材料）的運用，土壤檢測傳感器將向微型化、仿生、智能、多功能化方向發展。

關鍵詞：土壤；傳感器；技術；發展

中圖分類號 S12；TP212 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）22-0142-04

Abstract：In recent decades，the sensor technology for monitoring the spatial and dynamic variations of soil properties has been developed rapidly. In the aspect of monitoring the spatial variation of soil properties，the sensor technologies of physical properties such as soil moisture and temperature and chemical properties such as soil acidity and alkalinity，redox potential and salt were mature，and the sensor technology about soil nutrients and organic matter was weak，while the research about application of biosensor on soil detection was lack. In the field of dynamic monitoring of soil properties，different types of sensors including satellites，aerial vehicles，unmanned aerial vehicles and ground platforms，which related to remote sensing and near-ground sensing，have been developed. However，at present，the monitoring of soil properties by the remote sensing and near-ground sensing technology was mainly based on empirical models. How to achieve accurate detection was still a problem. Key issues need to be studied. With the application of new technology and new materials （nanomaterials），soil detection sensors will be developed towards miniaturization，bionics，intelligence and multi-function.

Key words：Soil；Sensor；Technology；Development

土壤是重要的自然資源，是農業生產最為關鍵的物質基礎，監測土壤資源的數量和質量對指導區域資源開發和農業生產有著重要的意義。近年來，隨著中國對自然資源保護力度和生態環境建設的日益重視，監測土壤資源的數量和質量，已成為農業和環保等部門的日常工作。土壤性態的監測一般可分為土壤性態空間變化監測和定位土壤性態動態監測2種，前者主要是獲得同一時期土壤性態的空間信息，后者是了解某一特定區域土壤質量隨時間的變化。傳統的土壤監測主要依靠地面調查、取樣、實驗室化學分析，例如，中國近期進行的耕地地力調查、測土配方施肥和土壤環境質量調查主要采用這一手段。但因傳統采樣分析周期長、成本高、過程復雜、實時性差、需消耗大量人力，很難進行大范圍、高頻率土壤信息調查。同時，實驗室分析所消耗的化學藥品最后部分將以污染物形式進入環境。為了解決這些問題，半個多世紀以來，國內外研究者在土壤快速監測的傳感器技術方面作了大量的探索，某些技術已形成了產品，并在小規?；蛐》秶鷥冗M行了應用。本文對土壤檢測的傳感器技術研究進行了回顧，并對今后發展的趨勢進行了展望。

1 定位觀察土壤的傳感器技術發展現狀

土壤是一個十分復雜的體系，農業生產、環境監測中常常會涉及各種性狀的監測。習慣上，土壤性狀可分為物理性狀、化學性狀和生物學性狀，相應地土壤檢測傳感器也大致可分為物理、化學、生物等3類。物理類傳感器能感知被測對象的物理參數的變化，如溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器等；化學類傳感器能感知被測對象元素離子的變化，如pH電極。生物類傳感器主要基于生物電化學理論，能感知生物信息的變化，如酶傳感器等。由于土壤物理性狀比較適合用物理方法測定，因此一直以來土壤傳感器研究中最為關注的是物理性狀的檢測，其中，土壤濕度（水分）和溫度的監測最受人們的重視，相應的技術較為成熟[1-3]?；瘜W性狀的傳感器研究也已有一定的進展，關注較多的主要為土壤酸堿度、氧化還原電位和鹽分[4-6]，土壤養分和有機質等的傳感器技術的研究較為薄弱；而生物學傳感器在土壤檢測上應用的研究至今仍非常欠缺。

土壤水分檢測的傳感器技術研究是所有土壤性狀研究中報道最多的、也最為成熟的。按照測量原理，可分為時域反射型儀器（TDR）、時域傳輸型儀器（TDT）、頻域反射型儀器（FDR）、中子水分儀器（Neutron Probe）、負壓儀器（Tension meter）、電阻儀器（Resister Method）等類型[7-9]。TDR技術是基于土壤中水和其他介質介電常數之間的差異來測定土壤中的水分，具有快速、便捷和能連續觀測土壤含水量的優點。TDT技術也是基于土壤介電常數的差異性來測定土壤含水率的，但其主要考慮了電磁波在介質中的單程傳播特點，通過檢測電磁波單向傳輸后的信號來達到檢測的目的。FDR技術的原理是插入土壤中的電極與土壤之間可形成電容，通過在某個頻率上測定相對電容（即介電常數）的方法可測量土壤水分含量。頻域法比時域法結構更簡單，測量更為方便。中子儀應用歷史已久，其由高能放射性中子源和熱中子探測器構成，在土壤中快中子可迅速被水中的氫原子等介質減速為慢中子，并在探測器周圍形成密度與水分含量相關的慢中子“云球”，探測器根據慢中子產生電脈沖來測定土壤含水量。電阻法常用多孔介質塊石膏電阻塊測量土壤水分，因靈敏度低，當前應用較少。

溫度傳感器主要利用對溫度較敏感的電阻器件或半導體器件來進行非電量-電量轉換，實現土壤溫度的連續測量，分為接觸式和非接觸式2大類。接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱溫度計；非接觸式的敏感元件與被測對象互不接觸。溫度傳感器主要有熱電偶傳感器、熱敏電阻傳感器、電阻溫度檢測器（RTD）、IC溫度傳感器[10]，其中IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數字輸出兩種類型。熱電偶傳感器是由兩種不同導體或半導體的組合而成，熱電勢是由接觸電勢和溫差電勢合成的，與兩種導體或半導體的性質及在接觸點的溫度有關。熱敏電阻是敏感元件的一類，其電阻值會隨著溫度的變化而改變，可指示溫度的變化。電阻溫度檢測器是以電阻隨溫度的上升而改變電阻值的原理來進行溫度測量的。模擬溫度傳感器是一類電壓輸出型溫度傳感器；數字式溫度傳感器采用硅工藝生產的數字式溫度傳感器，后者具與溫度相關的良好輸出特性。此外，土壤緊實度的傳感器技術研究也較早，其主要基于壓力計原理來測定土壤緊實度，最后以電信息的方式表達結果。土壤緊實度傳感器在生產中已有較為廣泛的應用。

土壤鹽分傳感器是把接入的被測溶液的電導值轉換成與之對應的線性電壓信號，以供計算機數據采集或儀器讀數，其主要部件是石墨電極和進行溫度補償用的熱敏電阻，將這種鹽分傳感器埋入土壤后，可直接測定土壤溶液中的可溶鹽離子（電導率）[11]。當前，常用的土壤鹽分傳感器采用高精度模擬電路與數字算法電路相結合。pH傳感器是用來檢測被測物中氫離子濃度并轉換成相應的可用輸出信號的傳感器，通常由化學部分與信號傳輸部分構成。目前的土壤pH值傳感器多不支持在線檢測，因其持續使用時間一般不超過30min，否則會損害金屬電極表面。與pH傳感器相似，氧化還原電位傳感器的技術較為成熟，其主要由測量電極（測量氧化還原電位的鉑金電極）和參考電極（圍繞在測量電極的周圍）組成。近年來，多數產品已發展為pH值與氧化還原（ORP）組合傳感器，實現同時檢測pH值與氧化還原電位。

過去幾十年，離子敏感器件也有一定的發展，其由離子選擇膜（敏感膜）和轉換器2個部分組成，敏感膜用以識別離子的種類和濃度，轉換器則將敏感膜感知的信息轉換為電信號。離子敏場效應管在絕緣柵上制作一層敏感膜，不同的敏感膜所檢測的離子種類也不同，從而具有離子選擇性。在實際測量時，含有各種離子的溶液與敏感膜直接接觸，在待測溶液和敏感膜的交界處將產生一定的界面電位，其強度與溶液中離子的活度有關。該類技術可用于鉀、硝氮、氨氮、磷、鈣、鎂、氯等離子的檢測[12]。但由于土壤溶液中存在許多離子，相互之間存在干擾作用，其檢測的靈敏度還有待完善。目前，離子傳感器技術比較適合含水量較高的水田和沼澤地，旱地土壤中離子的測定還存在一定的技術問題。

近年來，隨著社會各屆對農田土壤重金屬污染的重視，有關土壤重金屬檢測的傳感器技術也有了一定的發展，涉及的方法包括激光誘導擊穿光譜法、X射線熒光光譜法、酶抑制法、免疫分析法和生物傳感器等[13-15]。其中，激光誘導擊穿光譜技術是基于物質等離子體發光來探測物質成分的分析方法；X射線熒光光譜技術在重金屬快速監測中具有優勢明顯，但其具有較強的電離性，相關工作人員必須預先配備防護設備，以避免受到X射線的傷害。目前，光譜檢測技術尚不能實現現場土壤重金屬的快速檢測。土壤重金屬的酶抑制法、免疫分析法、生物傳感器等技術尚在探索之中。

2 土壤面上調查的傳感器技術發展現狀

與定位觀察土壤不同，土壤面上調查的對象不是一個點，而是調查整個區域的土壤信息，因而所采用的傳感器與上述定位觀察傳感器有著本質的差別。一般把用于土壤面上調查的技術稱為土壤星地傳感技術[16]，主要有衛星、航空、無人機和地面平臺搭載的不同類型傳感器；涉及遙感和近地傳感2大類技術，后者主要是利用田間傳感器來獲取土壤信息。

早在20世紀20年代航空光學遙感就已出現，這一時期美國就利用航空像片為輔助資料進行土壤調查。20世紀60年代出現了土壤光譜與X射線熒光光譜技術的研究與應用；20世紀70年代已有人利用航空成像雷達進行土壤濕度監測，出現了土壤電磁感應技術。隨著1972年世界第一顆資源衛星發射成功，衛星遙感開始用于大面積土壤調查；20世紀90年代有人利用激光誘導擊穿技術用于土壤微量污染分析。進入21世紀，無人機遙感技術的快速發展推動了田間尺度的高分辨率土壤調查與制圖；同時，隨著現代材料、電子計算機等技術的快速發展，土壤近地傳感器研發成為土壤科學的研究熱點。

傳感器技術平臺屬性對遙感數據的時間分辨率、空間分辨率和可搭載傳感器類型有較大的影響。衛星平臺一般在80km以上，航空平臺一般指80km以下的飛機和氣球，無人機平臺為無人駕駛的飛行器，地面包括野外靜態和車載動態測量2種。當前應用的傳感器有光譜成像儀、雷達傳感器、電磁感應等，其中，光譜成像儀、雷達傳感器適用于多種平臺，電磁感應一般僅適用于地面。衛星遙感平臺的分辨率變化較大，從亞米級的高分辨率到大于100m的低分辨率，它們可分別滿足從田間小尺度、到區域甚至全球大尺度的土壤信息獲取。航空遙感的空間精度一般在米級以下，可以搭載衛星上各類傳感器，也可同時搭載伽馬射線等無法在衛星平臺上實現的傳感器。無人機平臺可搭載雷達掃描儀、光譜成像儀等，其能獲取10cm以下的高分辨率影像。衛星遙感主要用于土壤類型、區域土壤問題等的探測，或通過獲取成土因素相關信息來輔助土壤制圖和監測；航空遙感與無人機遙感可用于眾多土壤信息的探測。

目前，衛星和航空遙感搭載的傳感器主要基于光學與輻射[17]，主要有光學遙感和微波遙感，可用于土壤質地、有機質、CEC、pH、水分、鹽分、溫度、礦物等的測定[17，18]；地面傳感器的類型較多，有基于光學與輻射的地面光譜儀、探地雷達、激光誘導光譜等傳感器設備，也有采用電與電磁的電導率儀、時域反射儀和頻譜反射儀等傳感器設備，還有條用電化學pH計、離子敏感晶體管等傳感器設備，第1類主要用于土壤質地、有機質、CEC、pH、水分、鹽分、溫度、礦物等的測定；第2類主要用于土壤質地、有機質、鹽分和水分的監測；后者主要用于土壤pH值、硝酸鹽、營養元素等的監測。

土壤面上調查的傳感器按照測量方式的不同，可以分為侵入式和非侵入式2種。土壤水分、有機質、氮素、土壤結構等，既可以采用侵入式，也可以采用非侵入式傳感器進行測量。土壤pH、土壤緊實度等一般采用侵入式傳感器測量，而電導率、土壤氣體組分等一般采用非侵入式傳感器進行測量。光學和輻射測量型的傳感器主要是利用電磁能所表現出的特征來對土壤特性進行分析，具有非接觸性、不受電子干擾、靈敏度高等特點。由于土壤組分很復雜，不同土壤物質之間的光譜存在相互干擾，因此，目前土壤光譜探測技術的研究還處在數據預處理與預測模型的研究階段，正在探討的方法包括建立標準化光譜、建模的方法（多元線性回歸、主成分回歸、偏最小二乘回歸、回歸樹等線性模型和支持向量機、Cubist、隨機森林、人工神經網絡、局部加權回歸等非線性模型）及導數預處理提高野外光譜預測精度等3類。

近年來，微波遙感、探地雷達和電磁感應技術也被應用于土壤的探測。微波遙感的理論基礎是土壤介電特性與土壤水分密切相關，因而該技術主要應用于土壤水分監測及與水分相關的土壤鹽分和干旱度的監測。探地雷達是以探察地下不同介質的電磁性質（介電常數、電導率、磁導率）的差異為物理前提的一種射頻電磁技術，可用于土壤隨深度性狀的變化。電磁感應技術主要用于土壤水分、鹽分及黏粒等的監測，在鹽分快速監測方面具有獨特優勢。

盡管近地土壤傳感器在野外快速測定的優勢明顯，但該類技術對土壤的監測與調查主要基于經驗模型，在應用時會受許多因素的干擾。如何實現精度檢測還存在很多關鍵問題需要研究。

3 展望

傳感器技術作為信息技術的三大基礎之一，是進入21世紀以來優先發展的頂尖技術之一。信息化、智能化是今后農業學科發展的重點，如何快速有效地獲取土壤信息，既是土壤科學的重要研究方向，也是傳統土壤理化測試分析向土壤野外實時監測方向發展的重要技術支撐。從以上分析可知，傳感器技術在土壤物理性狀檢測方面發展較快，技術相對較為成熟。而對土壤化學性狀特別是養分的檢測方面，傳感器技術的發展還較為薄弱，其原因不僅僅是傳感器技術本身的原因，還與土壤學學科本身的基礎研究有關。傳統上，判斷土壤養分是否充足不是土壤養分的全量，而是養分的有效性，而后者常常采用化學試劑進行提取與測定的。當采用傳感器監測土壤養分時，就存在檢測什么替代指標及替代指標是否與植物生長存在相關性的問題。因此，發展適用于傳感器檢測的替代指標也是土壤傳感器研究中不可缺失的重要研究內容。

根據國際傳感器發展的狀況，可以預測未來土壤傳感器的主要增長將來自于光纖傳感器、MEMS微電子傳感器、仿生傳感器、電化學傳感器等新興傳感器[19-22]。同時，隨著新工藝與新材料（納米材料）的運用，土壤檢測傳感器也會向微型化、仿生、智能、多功能化方向發展。特別是新型傳感材料和傳感器的不斷出現，有可能研發新的穩定性好、靈敏度高、能連續測試的土壤近地傳感器。

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（責編：張宏民）