我國土壤環境監測技術的現狀及發展趨勢

王 惠，楊 慧

（石嘴山市生態環境監測站，寧夏 石嘴山 753000）

目前，我國土壤環境監測技術主要有5種，即電阻率法、遙感技術、X射線斷層掃描技術、目測評估法和聲發射監測技術。本文分析了我國土壤環境監測技術的應用現狀和未來發展趨勢，以便更好地完成土壤環境監測任務，明確土壤結構變化情況與土壤內部生物活動規律。

1 我國土壤環境監測技術的應用現狀

1.1 電阻率法

應用電阻率法時，要配置比率歐姆表、單平衡變壓器、感應極化發送器及接收器等設備。工作人員在測區土壤中垂直打入4根圓鋼等接地樁，將打入深度控制在15 cm左右，保持各接地樁間距相同，被測接地體與電流極、電壓極與電流極均保持20 m間距[1]。隨后，按打入順序，使用導線將前后接地樁相互連接，按120 r/min速度搖動搖表來測量電阻值，將讀取測值導入式（1）中。同時，在電極間距超過40 m的特殊情況下，應采取電阻率法中的非等距法，在相應電流極軸線區域布置電位極，用于測量電位差值，計算公式如式（2）所示，布置方式如圖1所示。

圖1 非等距法的電極布置方式

式中：p1為土壤電阻率；p2為電位差值；a為相鄰接地樁的間距；R為搖表讀取電阻值；c為電流極和電位極的間距；d為電位極距。

1.2 遙感技術

在土壤環境監測中，遙感技術（RS）是通過傳感器向測區土壤結構發射電磁波與接收反饋信號，或是接收指定目標反射電磁波與太陽輻射進行分析的一項監測技術。常用的遙感技術包括多光譜遙感、紅外遙感、紫外線遙感以及高光譜遙感等技術，可按照波段進行分類。從實際應用情況來看，遙感技術有著監測范圍大、信息獲取量多、工效高的優勢，多用于完成大比例尺土壤環境監測任務，實現對有機質組分、土壤水分等多項要素的精準監測。此外，在現代土壤環境監測中，遙感技術（RS）普遍與全球定位系統（GPS）、地理信息系統（GIS）搭配使用，組成“3S”技術。其中，遙感技術負責接收地球表層地圖的電磁波信息，對其進行掃描、傳輸、處理操作，用于反映各處區域土壤環境的色調、形態、紋理等特征差別。地理信息系統負責分級分層管理地理信息，提供信息可視化呈現、在線查詢、修改、輸出等多元化服務，動態呈現土壤環境監測信息的變化過程。全球定位系統具備強大的三維導航與空間定位能力，負責提供監測目標的三維坐標值[2]。

1.3 X射線斷層掃描技術

X射線斷層掃描技術是一項無損監測技術，可以在不破壞土壤原有結構的情況下向土壤結構中發射與接收X射線，X射線在穿越土壤結構不同物質時出現衰減，將所接收信號進行放大、模數轉換與空間解算處理后，即可繪制成描述土壤結構斷面的數字圖像。相比遙感技術、掃描電子顯微鏡（SEM）圖像法等監測技術，X射線斷層掃描技術既可以有效監測土壤表面與內部結構情況，還可以采取定量方式來描述土壤微觀結構，如監測黃土層的顆粒集合體與大孔隙的分布情況。此外，為強化X射線斷層掃描技術的電子計算機斷層掃描（CT）圖像定量分析能力，可選擇基于SEM來建立訓練樣本。

1.4 目測評估法

目測評估法是一項操作最為簡單的土壤環境監測技術，監測員使用鐵鍬等工具，在測區土壤中設定若干具有代表性的測點，挖取測點土壤樣本，憑借自身工作經驗，快速判斷土壤物理條件和評價土壤質量。然而，目測評估法有著會破壞土壤原狀結構、無法詳細評價土壤質量、無法觀察到土壤物理條件微小變化的局限。對此，可將目測評估法與其他環境監測技術相結合，根據目測評估結果來大體判斷土壤質量與環境情況，為后續環境監測工作開展與技術方案制定提供思路。

1.5 聲發射監測技術

聲發射監測技術是在限定源區內四方儲存應變能來形成頻率在10～10 000 kHz的小震級體波，安裝聲發射（AE）傳感器來捕獲顆粒重排、晶粒規模運動、裂紋形成與固體表面摩擦過程中產生的聲波信號，從而描述AE信號特征值與AE事件特征的一項監測技術。在土壤環境監測中，聲發射監測技術多用于收集土壤介質中的液橋斷裂、裂縫發育、力鏈釋放、顆粒摩擦、顆粒膠結斷裂、土壤纖維斷裂等AE來源，實現對土壤環境中復雜生物活動的監測目的，如圖2所示。

圖2 土壤環境中的幾種典型AE來源

例如，某土壤環境監測項目應用聲發射監測技術來研究土壤溫度對當地土壤覆蓋作物芥菜生長期情況造成的影響，連續監測時間為74 d，芥菜種子根系生長至地層10 cm左右，根系沒有定植在整個土壤中。監測結果表明，地層14 cm與28 cm處的土壤溫度波動幅度為10.7～16.2 ℃，兩個深度的土壤溫度及變化情況基本一致，降雨期間出現土壤溫度下降情況，且在土壤溫度變化劇烈時間段，AE時間總計數增長趨勢未出現明顯變化，判斷土壤溫度變化與AE事件發生無直接影響[3]。

2 我國土壤環境監測技術的未來發展趨勢

2.1 自動化發展

從技術應用情況來看，無論是早期的目視評估法、電阻率法，還是近年來推出的激光誘導擊穿光譜法（LIBS），都存在自動化程度不足的問題，需要監測員手動操作儀器設備，完成樣品采集、運輸、實驗室檢測分析等工作。在這一背景下，要推動土壤環境監測技術的自動化發展，重點提高儀器設備的自動化水平，使其具備在無人干預、少人值守條件下自主完成土壤環境監測任務的能力，從根源上解決上述問題。例如，搭建自動土壤呼吸監測系統，在系統結構中安裝測量范圍在0～8.96×10-4、分辨率為1×10-6、讀數偏差率在±1%以內、漂移率為0.6%的紅外氣體分析儀，安裝測量范圍在-20～50 ℃的土壤溫度熱電阻探頭，接入4個及以上的土壤水分探頭，水分探頭測定范圍在0%～100% vol，土體測量范圍在55 mm×70 mm內，最大測定誤差為3%。系統運行期間，自動采集土壤溫度、濕度、CO2濃度等參數的現場監測信號，判斷土壤中碳素周轉速度和預測植物生長狀態。相比傳統的靜態氣室法，自動土壤呼吸監測系統有著運行穩定、無須人工干預監測過程、具備數據采集與運算分析等多項使用功能、參數監測值波動幅度小的優勢，單點測量時間為8～12 s，在實際應用期間取得了極為顯著的應用效果[4]。

2.2 痕量監測

當前，在部分土壤環境監測項目中，土壤中分布著大量的重金屬污染物，此類物質有著較高毒性，如果未得到有效處理，將會嚴重污染土壤環境與周邊水體，并對人體、畜禽的健康造成嚴重影響。對此，要在土壤環境監測技術體系中加入痕量監測技術，用于測定土壤樣品中的痕量元素總濃度與元素分布狀況，常用的痕量監測技術包括化學光譜法、分光光度法、極譜法、中子活化分析法、質譜法以及電感耦合等離子體質譜法。

2.3 廣泛應用現場快速分析技術

部分土壤污染問題具有突發性，而常規土壤環境監測技術的操作流程復雜，很難在短時間內獲取環境監測報告，不利于后續環境治理工作的快速開展。因此，要應用現場快速分析技術，通過配置新型儀器設備、簡化操作步驟等方法，對常規環境監測技術進行優化改進。

2.4 抗干擾

激光誘導擊穿光譜法、X射線斷層掃描技術、遙感技術等監測技術在應用期間普遍會受到外部環境的干擾，使得監測精度下降。對此，要重點強化技術的環境自適應能力與抗干擾能力。以激光誘導擊穿光譜法為例，可選擇搭配使用磁場約束技術。在某磁場約束技術對激光誘導等離子體輻射特性影響的分析試驗中，在塑料支架上固定安裝一對長25 mm、高35 mm、寬20 mm的永久性磁鐵，使用GBW-07411國家標準土壤粉末樣品，在三維可調樣品臺上固定擺放圓片狀土壤樣品，在表面定點激光束，開展采譜操作，將單次采譜時間設定在21 s。隨后，將脈沖重復頻率、激光輸出能量分別設定為10 Hz與200 mJ，分別將土壤樣品元素譜線Ti I 498.173 nm、AI l 394.401 nm以及Fe I 430.791 nm設定為分析線，按順序在0.3 T與0.5 T磁場強度條件下測量激光誘導等離子體的信噪比和發射光譜強度，再將測量結果與不具備磁場情況的測量值加以對比分析。試驗發現，磁場約束技術可以明顯提升光譜強度和信噪比，相比無磁場作用，在0.5 T磁場強度條件下，所采集土壤樣品中的Ti元素光譜強度提升51.73%，Al元素光譜強度提升52.35%，Ba元素光譜強度提升40.26%，Fe元素光譜強度提升69.64%，樣品物質成分檢測能力得到顯著強化[5]。

3 結語

為滿足現代土壤環境監測項目的實際需要，解決常規監測技術操作煩瑣、監測精度低、易受外部環境干擾等難題，環境監測機構務必加大對土壤環境監測技術的研究力度，結合項目情況來選擇恰當的環境監測技術手段，制定科學、合理的技術方案，著重推動土壤環境監測技術的自動化、痕量監測分析、快速分析與抗干擾發展。