土壤監(jiān)測現(xiàn)代化技術(shù)發(fā)展探究

□ 徐志強(qiáng)

（金山區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，上海 金山 200540）

一、土壤監(jiān)測的重要意義

（一）實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要手段

土壤監(jiān)測是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，就要求我們從保護(hù)自然、利用自然、修復(fù)自然的角度出發(fā)，堅持人與自然和諧相處，人與環(huán)境平衡發(fā)展、人類的生活要素不影響生態(tài)屏障的平衡。以此來實現(xiàn)人類不斷地從自然界吸取能量，同時又支持維護(hù)自然界的長期可持續(xù)平衡發(fā)展。土壤監(jiān)測是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。土壤監(jiān)測技術(shù)可以為某些地區(qū)進(jìn)行提前監(jiān)測預(yù)警測量，初步確定某一地區(qū)的土壤狀況是否污染、富含營養(yǎng)與否，以及污染要素、污染程度等等，這些環(huán)境要素和土壤指標(biāo)均是需要通過土壤環(huán)境的監(jiān)測才能得到。所以，土壤環(huán)境監(jiān)測可以提前介入，能夠以修復(fù)師的視角對土壤的生態(tài)狀況進(jìn)行診斷，從而實現(xiàn)土壤的長期性和平衡性發(fā)展，以便于為人們在利用土地、開發(fā)土壤的過程中建立動態(tài)平衡、可持續(xù)性發(fā)展機(jī)制打下良好的基礎(chǔ)［1］。

（二）保護(hù)土壤的前期預(yù)警

土壤監(jiān)測是保護(hù)土壤的前期預(yù)警。一片區(qū)域內(nèi)的土壤是否受到污染、是否健康、是否還可以持續(xù)利用，其成分含量如何，所含生長要素內(nèi)容如何，土壤是否富有營養(yǎng)化等，這些要素的判定不是憑借著主觀的感受，而是需要切切實實的相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)來進(jìn)行指導(dǎo)判定，而土壤的監(jiān)測是保護(hù)土壤的前期預(yù)警前提，只有對土壤進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測的狀況得出土壤中各成分含量以及污染物污染狀況，才能有效地對土壤進(jìn)行保護(hù)，所以有效的土壤監(jiān)測技術(shù)的實施，可以提前對土壤進(jìn)行各種監(jiān)測預(yù)警，如果土壤出現(xiàn)各種要素不合格、污染嚴(yán)重等狀況，可以依據(jù)土壤監(jiān)測的信號指標(biāo)提前知道土壤狀況變化情況，建立預(yù)警機(jī)制和先期預(yù)案，盡可能將土壤的污染狀況控制在合理范圍之內(nèi)，以便對后續(xù)土壤治理提前做好相對應(yīng)的預(yù)案［2］。

（三）維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的必然要求

土壤監(jiān)測同時也是實現(xiàn)維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)平衡的必然要求。土壤是整個生態(tài)系統(tǒng)中居于基礎(chǔ)性地位的有機(jī)要素，正是在土壤的存在前提下，整個生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)植物、動物和其他生物鏈條的連接，才使整個生態(tài)系統(tǒng)維持動態(tài)平衡，所以對土壤進(jìn)行監(jiān)測，是維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的必然要求，在現(xiàn)代技術(shù)手段日益深化的時期，土壤監(jiān)測技術(shù)也持續(xù)更新?lián)Q代，持續(xù)創(chuàng)新，在這一過程中，必然要求人們對土壤監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行發(fā)展，以明確最新的土壤監(jiān)測技術(shù)發(fā)展趨勢以及未來土壤監(jiān)測技術(shù)對維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)平衡發(fā)展所起到的關(guān)鍵作用，以此為基準(zhǔn)，才可以有備無患，在今后的土壤環(huán)境監(jiān)測、防治土壤污染等相關(guān)工作得以順利開展。

二、土壤監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）現(xiàn)代信息技術(shù)

現(xiàn)代信息技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種工程和技術(shù)監(jiān)測領(lǐng)域，其中農(nóng)業(yè)土壤信息監(jiān)測技術(shù)中需要用到信息技術(shù)，是當(dāng)下及未來土壤監(jiān)測中的一大發(fā)展趨勢，特別是信息技術(shù)的可視化是土壤監(jiān)測技術(shù)持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。由于土壤監(jiān)測涉及到土壤的采樣，在這一過程中需要大量的數(shù)據(jù)支撐，而對數(shù)據(jù)的運(yùn)算監(jiān)測和分析，依靠現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)計算機(jī)信息技術(shù)和無線傳感技術(shù)，成本低、效率高、速度快，可以短時間內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時集中上傳和分析，并且依據(jù)監(jiān)測模型對采集的相關(guān)土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析，得出相關(guān)的指標(biāo)結(jié)果，從而就土壤監(jiān)測指標(biāo)中的溫濕度、酸堿度、富含的營養(yǎng)程度和污染指標(biāo)等進(jìn)行總體性分析，并得出分析結(jié)果，這一系統(tǒng)具有高速集約化信息處理能力［3］。

（二）現(xiàn)代生物技術(shù)

現(xiàn)代生物技術(shù)監(jiān)測土壤指的是利用生物酶和相關(guān)微生物等特性，例如微生物中的酶節(jié)制和部分標(biāo)注蛋白等，可以廣泛應(yīng)用作為土壤采集樣中的某些標(biāo)記物。通過對土壤內(nèi)的一些微生物和地上植物進(jìn)行相關(guān)的記號標(biāo)注，同時踩點(diǎn)測算，將這些生物數(shù)據(jù)信息通過集成系統(tǒng)進(jìn)行分析，計算出土壤的各種相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，這是進(jìn)行生物土壤監(jiān)測技術(shù)的必要過程，目前我國的生物土壤監(jiān)測技術(shù)主要應(yīng)用方案是PCR技術(shù)、大分子標(biāo)記物技術(shù)等。例如，可以利用取樣標(biāo)本中不同樣本地點(diǎn)的土壤中含有某些微生物細(xì)菌的數(shù)量以及微生物細(xì)胞內(nèi)蛋白酶的分子分布來進(jìn)行標(biāo)記物染色，通過對其染色得出土壤分布中某些復(fù)極化的營養(yǎng)要素、其他相關(guān)監(jiān)測指標(biāo)濃度對比，從而測繪出特定區(qū)域內(nèi)總體的土壤技術(shù)要素指標(biāo)［4］。

（三）現(xiàn)代地理遙感技術(shù)

除了以上兩種土壤監(jiān)測技術(shù)發(fā)展之外，目前我國還有一種土壤整體性監(jiān)測技術(shù)指標(biāo)，這一指標(biāo)的核心要素是利用地理信息收集系統(tǒng)，以衛(wèi)星為載體，通過對土壤環(huán)境特別是水文環(huán)境，特殊地理環(huán)境、氣候環(huán)境和土地礦物環(huán)境進(jìn)行總體性掃描歸檔，建立數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤的總體監(jiān)測和檢驗，以獲取大面積的范圍內(nèi)土壤中各種數(shù)據(jù)分布要素。目前使用這一技術(shù)主要是3S技術(shù)，所謂3S，指的是GIS地理信息系統(tǒng)、RS遙感技術(shù)和GPS全球定位系統(tǒng)這三者。地理信息系統(tǒng)集成收集數(shù)據(jù)，建立模型，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，全球定位系統(tǒng)對相關(guān)的土地等進(jìn)行定位，而遙感技術(shù)則是使用空間衛(wèi)星進(jìn)行空間遙測，由此，對特定區(qū)域的土地按照元素光譜進(jìn)行總體性遙感分析，數(shù)據(jù)匯總之后，導(dǎo)入地理信息集成系統(tǒng)，總體分析可以大面積地對某一區(qū)域內(nèi)土壤的整體實施監(jiān)測技術(shù)狀況。這一技術(shù)具有使用范圍大、測量廣度廣、精確度較高、時效性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

三、土壤監(jiān)測現(xiàn)代化技術(shù)發(fā)展趨勢

（一）土壤監(jiān)測技術(shù)的自動化發(fā)展

隨著土壤監(jiān)測技術(shù)的智能化數(shù)據(jù)化發(fā)展，以及現(xiàn)代信息技術(shù)革命在土壤監(jiān)測等一系列監(jiān)測技術(shù)方面的廣泛融合與應(yīng)用，未來的土壤監(jiān)測現(xiàn)代化技術(shù)主要方向是土壤監(jiān)測技術(shù)呈現(xiàn)自動化發(fā)展?fàn)顟B(tài)，目前一些監(jiān)測設(shè)備還需要人工取樣、人工定點(diǎn)檢測，這些人為的操縱不可避免地會帶來數(shù)據(jù)上的差異，最終使得分析結(jié)果有不準(zhǔn)確性，而未來隨著各種檢測運(yùn)行、定時定點(diǎn)和技術(shù)的智能化發(fā)展，人工操作將會持續(xù)剝離，最終完全實現(xiàn)自動化、定點(diǎn)化和實時土壤信息監(jiān)測，在這一過程中，許多數(shù)據(jù)會自動進(jìn)行采樣分析、上傳系統(tǒng)，完成綜合性分析，并生成總體性土壤分析結(jié)果報告。這對未來土壤監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)無人化打下了堅實基礎(chǔ)。

（二）光學(xué)遙測技術(shù)的廣泛應(yīng)用

隨著我國地理遙感系統(tǒng)和相關(guān)土壤監(jiān)測遙感衛(wèi)星的持續(xù)研發(fā)，未來土壤的監(jiān)測將會呈現(xiàn)出更多的光學(xué)遙測技術(shù)的應(yīng)用，光學(xué)遙測技術(shù)不僅可以對大面積的土壤環(huán)境進(jìn)行總體性的分析，還可以實時調(diào)整技術(shù)參數(shù)，對某些特定區(qū)域進(jìn)行特定的數(shù)據(jù)遙測和數(shù)據(jù)定位，并且通過地理信息集成系統(tǒng)自動分析，使土壤監(jiān)測更加智能化廣泛化和即時化。同時，對數(shù)據(jù)的獲取性也十分方便。這將大大促進(jìn)未來信息社會中土壤監(jiān)測技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用。如圖1所示

（三）大數(shù)據(jù)融合的多介質(zhì)環(huán)境感知技術(shù)

未來土壤監(jiān)測中，由于大數(shù)據(jù)和云計算的實施，數(shù)據(jù)處理技術(shù)持續(xù)性增強(qiáng)，技術(shù)生態(tài)逐漸完善，土壤監(jiān)測技術(shù)也會廣泛地采用大數(shù)據(jù)融合技術(shù)。由于在土壤監(jiān)測過程中土壤樣表數(shù)據(jù)的獲取和監(jiān)測需要使用多介質(zhì)環(huán)境，對每一個環(huán)境介質(zhì)都要進(jìn)行某種誤差的測算，以使其保持在正確的范圍之內(nèi)。而使用大數(shù)據(jù)則可以將許多集成的數(shù)據(jù)共同集合，進(jìn)行統(tǒng)一性運(yùn)算，這就抑制了數(shù)據(jù)錯誤和方差擴(kuò)大的影響，使得土壤監(jiān)測的數(shù)據(jù)在多介質(zhì)的環(huán)境下仍能夠?qū)崿F(xiàn)正確化采集。此外，大數(shù)據(jù)技術(shù)與生態(tài)感知系統(tǒng)相互融合，并且實現(xiàn)人工智能，是發(fā)展方向，是土壤環(huán)境監(jiān)測朝向智能化的關(guān)鍵核心，也是土壤監(jiān)測技術(shù)未來發(fā)展的主流方向。