農業面源和重金屬污染檢測技術設備研發與標準研制

鄭床木，毛雪飛，劉霽欣

（中國農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所，北京 100081）

農田土壤是不可再生的資源，是農業生產的物質基礎之一。隨著經濟社會的不斷發展，農田土壤環境質量不斷下降。2014年首次全國土壤污染狀況調查顯示，耕地土壤點位超標率在4種不同土地利用類型中最高，達19.4%，其中重金屬超標點位數占全部超標點位數的85.8%。農田面源污染和重金屬污染已影響現代農業發展，威脅農業生態安全，危害農產品質量安全，引起各級政府和公眾的高度關注，農業農村部出臺措施強化土壤環境質量監測，提出在2020年前實現土壤環境質量監測點位所有縣（市、區）全覆蓋。

開展農田土壤環境質量監測及評價預報，必須具備農業面源和重金屬污染現場快速監測設備，建立科學可行的監測技術標準。我國農田土壤基質類型復雜、污染地域跨度廣、污染水平差異大，當前土壤中氮磷及重金屬監測以實驗室儀器方法為主，無法滿足現場監測需求。現有X射線熒光光譜（XRF）及激光誘導擊穿光譜（LIBS）等重金屬現場監測技術已有商品化產品，但關鍵部件國產化、模型譜庫、精確定量消除基體干擾等仍待解決，微等離子體光譜及電熱蒸發光譜（ETV）等重金屬現場監測技術已形成了樣機，但消除基體干擾及多元素集成仍待提升。土壤氮磷速測設備已具備全量監測能力，生物有效性表征、原位提取裝置和現場速測技術仍待優化。此外，長期定位動態監測布點技術及同類指標專項采集設備仍待建立。針對以上問題，2016年啟動實施的“農業面源和重金屬污染農田綜合防治與修復技術研發”國家重點研發計劃設置了“農業面源和重金屬污染檢測技術設備研發與標準”共性關鍵技術項目，由中國農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所、中國科學院沈陽生態應用研究所、中國地質大學（武漢）、鋼研納克檢測技術有限公司等13家國內優勢科研院所、高校與企業聯合承擔，以突破土壤復雜背景下重金屬監測快速進樣及基體干擾消除與分析建模、氮磷生物有效性評價及快速監測、現場布點及智能分析等關鍵技術，形成系列重金屬及氮磷現場監測及樣品前處理設備、技術標準規范等，服務于農業生態環境調查及農產品產地環境監測、禁產區劃分、污染防治等，以提高監測效率、降低檢測成本、提升監測標準化水平，為我國生態文明建設提供強有力的技術支撐。

項目擬綜合利用XRF、LIBS和微等離子體技術，實現土壤中汞、鎘、砷、鉛等8種重金屬的現場快速篩查，滿足二級土壤限量指標；利用電熱蒸發、原子阱技術實現土壤重金屬現場非消解高靈敏分析，達到一級土壤限量指標要求；利用生物模擬原位主動提取和全光譜吸光度技術，實現土壤氮磷生物有效態現場快速檢測；研發長期定點調查儀及相關分析系統，提升污染監測智能化分析水平。預期形成XRF、LIBS、微等離子體、非消解原子阱光譜土壤重金屬現場監測與樣品前處理設備，土壤生物有效態氮磷原位提取檢測設備，土壤鹽分原位傳感器，便攜式動態長期定點調查儀等7種；光譜特征分析軟件和譜線庫1套、輔助信息系統1套、地理信息系統1套、配套軟件6套；制定污染物監測儀器設備使用技術標準規范6～7項，形成在線監測技術等標準草案/送審稿4項，現場原位監測技術與設備將在京津冀、長三角、珠三角、湖南等典型污染類型區開展示范應用。項目技術路線見圖1。

項目以農業面源和重金屬污染數據的準確、快速獲取為核心，設置農田土壤氮磷有效態和重金屬污染現場快速檢測技術與監測設備、污染動態長期定點調查儀及輔助信息系統、污染監測技術標準與示范等三方面共五個課題。

（1）土壤重金屬XRF和LIBS快速檢測技術裝備研發與標準研制

建立準確的光譜—重金屬含量差異化定量校正模型并與儀器軟件耦合，研制2種便攜式土壤重金屬現場監測設備，制定技術規范與標準，開展應用示范，重點解決二級土壤標準中砷、鉛、鉻、鋅、鎳、銅等重金屬指標的現場快速監測，并實現XRF和LIBS在汞、鎘分析靈敏度上的突破。

（2）土壤重金屬微等離子體快速檢測技術與裝備研發

研制低功/氣耗的輝光放電微等離子體激發源，研制適于便攜式分析的進樣模塊以及其他小型化關鍵部件，建立土壤重金屬微等離子體速測方法，研發便攜式土壤重金屬微等離子體速測儀，制定技術規范與標準。

（3）基于電熱蒸發原子阱的土壤重金屬非消解檢測技術裝備研發與標準研制

研制固體土壤直接進樣的電熱蒸發系統，以及消除基體干擾的原子阱裝置，配套微原子吸收光譜儀，集成電熱蒸發—原子阱—原子吸收儀器系統與樣品前處理設備，制定技術規范與標準，開展應用示范，實現一級土壤中汞、鎘、砷、鉛的現場、快速、準確檢測。

（4）土壤生物有效態氮磷原位提取及檢測設備研發與標準研制

研發根系模擬液提取—主動吸杯捕獲快速提取技術，研制便攜式原位土壤氮、磷有效態提取裝置。集成光纖光譜、多通道樣品池和全光譜吸光度技術，建立氮磷生物有效態分析模型，研制土壤生物有效態氮磷原位提取及檢測設備，形成技術規范與標準，開展應用示范。

（5）土壤污染物動態長期定位調查儀及智能分析系統研發與應用示范

研究土壤面源和重金屬長期定位監測布點優化方法，形成長期定位監測布點方案優化技術；研制融合多源感知、基于位置服務技術（LBS）的便攜式長期定位調查儀，滿足現場智能化監測分析；開發基于云地理信息系統（GIS）的農業面源和重金屬污染監測與智能化分析地理信息系統，實現長期定位監測點布局方案設計、監測數據智能處理、重金屬污染評價、污染熱點區域識別、污染凈化預測、可視化表達及數據共享與服務等功能。

項目預期效益指標主要包括以下四個方面，一是產品技術水平：研制多臺套XRF、LIBS和微等離子體發射光譜速測儀，構建覆蓋《土壤環境質量標準》二級土壤重金屬限量指標的土壤重金屬現場快速篩查設備體系。針對土壤重金屬非消解高靈敏檢測需求，研發能夠滿足一級土壤限量要求的電熱蒸發原子阱非消解監測設備。研發氮、磷生物有效態提取及檢測技術設備和動態長期定位調查儀，相關技術和產品緊跟或達到國外發達國家水平。二是成果科學價值：在新型濾光片、高效光源和實時光譜解析，高通量瞬態光譜采集和磁空間約束增強，以及高效樣品導入和微型等離子體源等方面實現技術突破，提升XRF、LIBS和微等離子體光譜的分析靈敏度和抗干擾能力。實現固體土壤非消解進樣和基體干擾消除，突破融合不同長期定位監測點基礎、預設監測點數和監測目標等多重約束的監測點優化技術，形成便攜式長期動態調查儀，優化區域污染調查監測點布局。三是行業支撐預期：研發的現場監測設備、調查儀及技術規范與標準將為構建滿足不同需求和層次的農業環境快速監測網絡提供軟硬件技術支持，落實《土壤污染防治行動計劃》提出的“2020年底前實現土壤環境質量監測點位所有縣（市、區）全覆蓋”提供監測手段，服務于環境保護、農業、國土資源等行業開展的環境調查。四是產業化前景：當前，在“土十條”和“土壤詳查”等工作推動下，土壤重金屬速測儀需求量巨大，市場容量3000臺以上。目前進口XRF、LIBS等設備的市價高達數十萬元，而國內企業產品在土壤檢測方面力有未逮。實現該類儀器的國產代替，可實現經濟價值數億元。同時，項目研制的速測儀檢測重金屬的成本有望控制在10元以下，每年將節約檢測經費近億元。

圖1 項目技術路線圖