土壤環境監測技術的現狀及發展趨勢探索

張媛媛

（陜西省環境調查評估中心，陜西 西安 710054）

現階段，我國的土壤環境監測事業正處于升級轉型的關鍵時期，但對于如何高效應用新問世的高光譜遙感、無線傳感等高新技術手段，來推動土壤環境監測技術體系的創新優化發展，是準確、全面反映土壤環境質量的關鍵，也是維持生態系統穩定運行、改善受污土壤治理效果的重要舉措，本文就此展開分析研究。

1 土壤環境監測技術的應用現狀

1.1 高光譜遙感技術

（1）高光譜遙感屬于遙感監測技術體系中的一項分支技術，通過連續性較窄光譜通道來監測土壤環境，并根據所收集的光譜波段信息分析結果來準確掌握土壤環境結構情況、測定土壤物質組分，如可準確區別高嶺土與明礬石。此項技術起源于衛星遙感技術和成像光譜技術，是通過控制成像光譜儀來生成若干成像像元在10 nm區間內的成像波段，并把這類成像波段集中在同一光譜區內保持連續分布狀態，且在探測地物時將所采集的連續光譜信號作為光譜曲線，再根據光譜曲線變化情況和波譜空間差異情況來準確描述的目標物，最終實現土壤監測的目的。

（2）根據實際應用情況來看，自2003年起，以中國科學院為首的多家機構單位都廣泛應用了高光譜遙感技術，并在土壤環境監測、土壤分類填土、農業變量施肥、基礎土壤學研究等多個領域中均取得了顯著的應用成果，其監測結果中同時涵蓋空間、光譜與輻射信息。此外，在土壤環境監測項目中，還可以運用高光譜遙感技術來完成土地覆蓋監測、濕地資源監測、土壤重金屬含量監測、植被污染監測等多項任務。

（3）相比于其他監測技術，高光譜監測技術的價值主要體現在，可強化地物分辨識別能力、增加成像通道、提取生物物理化學參數和定量分析四個方面。其一，在地物分辨識別方面，由于成像通道增多與光譜波段變窄，監測人員可通過觀察波譜空間的變化情況來準確區分地物以及確定地物類別，這也是傳統低光譜遙感技術無法做到的。其二，在增加成像通道方面，是通過可用成像通道數量的明顯增多，使監測人員根據任務要求、監測項目類型來靈活選用光譜，并在一次作業中可識別分析大量的目標物，起到擴大技術的應用范圍、簡化監測流程的作用。其三，在參數提取方面，可在高光譜遙感監測結果中同時提取生物、化學、物理等層面的參數值，這樣就擺脫了遙感技術監測范圍的限制，如可用于完成森林資源監測等任務，實現了提取植被葉綠素a、纖維素等生化參數。其四，在定量分析方面，可依據準確數據等形式來展現監測結果，無需監測人員根據自身經驗進行主觀判斷，是以量化分析方式取代傳統定性分析方式，減小了人為因素對監測精度、結果真實性造成的影響。

1.2 無線傳感器網絡技術

（1）無線傳感器網絡技術起源于信息傳感技術，本質上屬于一類分布式傳感網絡，可在各處測點安裝傳感器裝置，并將這類傳感器視為土壤環境監測體系的“末梢神經”，也是通過傳感器來持續采集周邊土壤環境的溫度、水分、二氧化碳濃度等參數的變量值，再依托通信基站，把現場監測信號上傳至自動監測站或土壤環境監測系統后臺，從而實現對測區范圍內土壤環境狀態的大體掌握。該系統可24 h進行監測，無需監測人員前往現場開展野外作業。相比于傳統人工采樣技術，無線傳感器網絡技術的應用明顯減輕了監測的工作量，這非常有利于提高監測頻率和消除監測盲區。同時，還可以幫助監測人員實時掌握測區內的土壤環境情況，可在第一時間發現并上報土壤污染問題，以此為農業活動、林業活動的開展提供信息支持[1]。例如，Intel公司在美國俄勒岡州一處葡萄園內搭建無線傳感器網絡，在園區內布置了大量傳感器裝置，而傳感器的節點每隔1 min會采集一次數據，且傳感器網絡每隔1 h會更新一次土壤溫度、土壤水分等參數數值，因此，相關人員就可以根據監測結果掌握土壤環境情況和葡萄藤生長情況，并將這些信息作為水肥管理依據，從而取得了顯著的經濟效益。

（2）此外，也可以依托無線傳感器網絡技術來打造自動監測站，主要是在監測站內配置土壤pH值傳感器、溫度傳感器、二氧化碳傳感器、濕度傳感器、土壤水分傳感器等多種類傳感器，并由監測系統遠程下達控制指令，而控制傳感器則持續采集與上傳現場監測信號，從而實現了土壤監測站的“無人值守”的目標。因此，監測人員僅需要定期巡查自動監測站的運行情況，調節傳感器精度，以及在必要的情況下前往測區現場開展野外作業即可，無需在土壤監測站中安排值守人員。

1.3 水平定向鉆進技術

水平定向鉆進技術早在20世紀90年代時，便在土壤環境監測領域中得到了大規模的應用。在實際應用中，主要是由監測人員操縱鉆機在測區內測點部位鉆設孔洞，需在鉆頭后側安裝傳感器，從而持續采集孔壁周邊土體的環境參數，然后再將從鉆孔內采集的土樣送至實驗室進行化驗分析，同時，在孔洞內放置的傳感器會連續性或不定期進行檢測。根據實際應用情況來看，應用水平定向鉆進技術，很好地解決了傳統監測技術難以采集地表深層土樣與監測深層土壤環境情況的技術難題。此外，水平定向鉆進技術還可用于土壤環境治理項目，可搭配ISB原位生物注氣、SVE土壤蒸汽抽取-注氣法等土壤修復技術來實現治理目的。例如，搭配應用ISB法，先操縱鉆機在受污染的土壤區域鉆設適當孔徑、孔深的孔洞，然后自孔洞向深層土壤中注入空氣，以提供微生物生長繁殖所需的營養物質，促進微生物有效降解土壤中分布的污染物，這樣既實現了土壤污染治理目的，又有效修復了深層受污染的土壤。

1.4 X射線斷層掃描技術

該技術主要是采取向土壤環境發射X射線與同步接收返回射線的方法，且根據射線衰減的情況來判斷土壤結構與各土層的情況，并在系統界面生成CT圖像，然后從圖像中提取有關土體團粒形狀、微結構、土層孔隙的特征值，以此實現土壤環境監測目的。相比于傳統的透射電鏡、電子探針等技術手段，X射線斷層掃描技術可以在不采集土樣、破壞土壤原狀結構的前提下，有效掌握表層與深層土壤的情況。該技術的優勢在于可視化展現了土壤結構情況，準確描述了土壤微觀結構，且操作流程較為簡單。

1.5 聲發射技術

該技術是在測區內安裝單通道聲發射儀等設備，啟動儀器在測點附近形成小震級體波，以彈性波形式釋放應變能，再由AE傳感器接收聲發射信號，再把聲發射信號轉為電信號后經過放大、機械噪聲濾除處理、二次放大進行預處理后，加以分析，從中提取有關土壤環境結構與生物活動的特征量，如液橋斷裂、顆粒摩擦、顆粒膠結斷裂等，以此實現土壤環境監測的目的。此外，根據實際應用情況來看，聲發射技術存在信號解釋困難、發射源定位精度不足的局限性，所以，并未在多數土壤環境監測項目中得到廣泛應用，而且，其功能定位是一項輔助監測技術，僅被用于少量土壤檢測場景[2]。對此，在聲發射技術基礎的上，又推出了全新的超聲導波測量技術。該技術充分利用了土壤聲學特性和超聲導波傳播特性。其工藝過程是，監測人員先在測點處鑿設若干洞穴，保持各洞穴深度等同，且在洞穴內放入激勵傳感器與接收傳感器，然后啟動激勵傳感器向土壤中發送聲信號，再由接收傳感器接收聲信號，最后根據信號接收的時間差、距離差來計算傳播速度，以此反映土壤結構狀態。

1.6 電阻率技術

電阻率法屬于電法勘探技術體系的一項分支技術，主要是通過觀察人工建立的穩定電流場的分布規律，再按照不同巖石間的導電特性差異情況來檢測土壤環境狀態，這樣可準確判斷流體成分、含水率和巖石孔隙度等土壤物理性質。在土壤環境監測項目中，電阻率法的應用時間較長，自20世紀20年代起便得到了廣泛應用。該技術有著無需采集土樣，適用范圍廣與測量精度高的優點，但要求監測人員要把測定數值提交至實驗室進行校準分析，其操作流程較為繁瑣。因此，在應用此項技術時，為了保證結果準確，監測人員必須要嚴格按照技術規范開展各項操作，且需要提前準備感應極化發生器、比率歐姆表等工具。同時，還要在測點周邊垂直打入多根接地樁，注意保持各根接地樁的等同間距，然后再通過導線連接前后接地樁，搖動比率歐姆表來測定電阻，最后根據電阻讀取值和相鄰樁體的間隔距離來計算土壤電阻率，或是根據電流極-電位極間距、電阻值和電位極距來計算土壤電阻率。

2 土壤環境監測技術的未來發展趨勢

2.1 現場快速分析

在早期的土壤環境監測項目中，存在著監測流程復雜、時效性差的問題。這主要是因為要在測區采集土樣，然后再把土樣運輸至實驗室內進行化驗分析，才能獲得土壤監測結果。而且，對于應用高光譜遙感、射線斷層掃描等技術，也需要在現場擺放儀器設備，并需要把儀器調試就位后才能進行一系列的操作與分析處理，最后根據分析結果才能掌握土壤環境情況，所以，這需要一定的時間，導致難以在短時間獲取準確監測結果。對此，為了滿足特殊情況下的土壤環境監測，需要提高對有關現場快速分析方面的監測技術的重視程度，可通過配置土壤快速分析儀、光離子化檢測器、X射線熒光光譜分析儀等新型儀器設備，來簡化監測流程步驟、縮短土壤監測時間。以上儀器的應用功能如下。

（1）土壤快速分析儀屬于一種小型手提式儀器設備，是由液晶顯示器、微處理器、內置熱敏打印機等部分組成，主要用于完成土壤養分測定、肥料養分測定、重金屬離子濃度測定等任務。在實際應用過程中，可選擇配置400T型號或是LB-TYA型的土壤快速分析儀，其中，400T型儀器的線性誤差與重復誤差在0.3%、0.1%以內，而LB-TYA型儀器的線性誤差與重復誤差在3%、0.5%以內。

（2）光離子化檢測器是一種便攜式檢測器，有著靈敏度高、體積小、可隨身攜帶、連續測量的優勢，在土壤監測項目中主要用于測定土壤中的揮發性有機物的濃度。該儀器還具備探頭更換、土樣自動稱量、樣品振動攪拌、打印檢測報告等使用功能。

（3）X射線熒光光譜分析儀是一種識別土壤組分和測定微量元素含量的檢測儀器，主要用于檢測重金屬離子的濃度。在實際應用中，先由儀器對土樣發射特定波長X射線，而微量元素在受到射線照射時會保持激發狀態，再由激發光子形成熒光射線，最后通過檢測射線強度、波長，分別確定元素的含量與種類。

2.2 痕量分析

在早期的土壤環境監測項目中，由于采集的土樣中的待測組分含量過低，且又受到被測組分的分布情況、人為操作等多方面的影響，很難檢測出土樣中的全部組分，實際監測精度有限，從而導致土壤環境監測結果與實際環境狀況存在出入[3]。對此，為了進一步提高土壤環境的監測精度，實現準確測出土樣的全部組分，就需要推動土壤環境監測技術向痕量分析方向發展，同時，還要積極應用化學光譜法、質譜法、原子吸收光譜法、中子活化分析法等痕量分析技術，具體內容如下。

2.2.1 化學光譜法

在應用該方法時，監測人員需提前對土樣進行萃取、離子交換等預處理，以起到分離主體和富集雜質的作用。然后，再使用交流電弧光源對樣品進行測定，也可選擇使用高頻電感耦合等離子體對樣品進行光譜測定，這樣就可以測出樣品中的痕量雜質。

2.2.2 質譜法

在應用質譜法的過程中，監測人員是使用雙聚焦質譜計來測定土樣，且在磁場、電場的共同作用下，再根據質負荷比把運動狀態離子進行分離、檢測，以此準確測定土樣中各類組分的分量、離子間相互關系、裂解規律以及化學結構。此項技術有著極高的靈敏度，可一次性測定土樣中數十個元素的痕量濃度。

2.2.3 原子吸收光譜法

此項技術主要分為火焰原子吸收光譜和無火焰原子吸收光譜兩種方法，主要是通過使用石墨爐原子儀器等設備來測定土樣中的痕量元素，并使用碘鎢燈等燈具來校正背景。所以，原子吸收光譜法主要用于測定土樣中的重金屬元素含量。

2.2.4 中子活化分析法

在實際應用該技術時，需要準備小型加速器，以促使同位素中子原與土樣中測定元素進行核反應，且反應期間形成Y射線和放射性同位素，再使用探測器來分析射線能譜以及同位素放射性，進而測得痕量元素含量[4]。

2.3 向智能化發展

（1）在實際的監測過程中，當面對山澗溝谷、偏遠山區等特殊區域時，由于交通不便、遠離城市區域，如果采取傳統的人工監測方式，不但無法保證監測的時效性，還將因此產生高昂的監測成本，會導致這類地區的土壤環境監測工作難以繼續。對此，需要推動土壤環境監測技術的智能化發展，如在計算機系統的控制下，可自動向土壤采樣器等裝置設備遠程下達控制指令，從而替代人工完成野外采樣、土樣化驗分析等工作，同時，還要定期向系統上傳準確的環境監測數據，以切實滿足土壤環境監測的需要。

（2）為了實現以上目標，需要組合應用GIS空間分析、無線傳感器網絡、樣品編碼等多項技術手段，這樣就可以由智能系統全過程的控制土壤監測質量，以此為監測數據的真實性、準確性、完整性提供一定保障[5]。例如，在點位布設環節，就可依托GIS空間分析技術來鎖定測點，并識別、分析測點三維坐標的位置是否準確，有效避免了因錯誤采集土樣而導致監測結果不具備代表性。而在樣品編碼環節，要實施“采測分離”制度，可由系統根據特定規則生成編碼，然后把編碼隨機分配到所采集的土樣上，使土樣成為“盲樣”，這樣就可以最大程度地減小人為因素對土樣監測結果造成的影響。此外，還可以在土壤環境監測系統中增設智能決策功能，可由系統根據所采集的環境監測數據來判斷土壤的環境情況，而且，在檢測到土壤環境惡化、污染程度加劇時，能自動提高傳感器等終端感知設備的檢測頻率。

2.4 向大數據化方向發展

（1）近年來，隨著信息化時代的到來，無線傳感器網絡等信息技術在土壤環境監測領域中得到了推廣應用，促使土壤環境監測行業呈現出向自動化發展的趨勢，同時，監測效率與時效性也得到了顯著提升。然而，在土壤環境監測過程持續產生海量數據的前提下，如果仍由監測人員進行統計、處理實時數據，不但會加重工作負擔，也降低了監測效率，還有可能會出現數據漏算、錯算等問題，最終導致土壤環境監測結果不具備實際的參考價值。對此，必須推動土壤環境監測技術的大數據化發展，幫助人工完成信號轉換、數據統計、圖表生成等基本任務，如每隔一段時間系統會自動生成土壤環境評級報告，以此減輕了工作負擔，提高了監測效率。而且，還可以在大數據平臺上設定土壤pH值、重金屬離子濃度、有機質濃度、農藥殘留量等項目的額定值，可由平臺自動對比實時監測值與額定值，并且，在監測值超標時會自動發送預警信號，此時監測人員就可以根據預警報告內容，快速掌握污染點位以及土壤環境的受污染情況[6]。此外，憑借大數據平臺卓越的運算分析能力，監測人員還可以在平臺上開展環境預測試驗，可根據歷史監測數據和實時監測數值，來預測未來一段時間的土壤環境狀態，這樣就能提前發現可能出現的土壤污染問題，以及初步判斷土壤污染過程，而預測結果就可以作為制定土壤環境治理方案的主要依據。

（2）在土壤監測過程中，為了取得理想的技術應用效果，需要以分類采集、集成共享作為大數據土壤環境監測技術的重點發展方向。具體工作過程如下：

第一，在分類采集方面，需要建立若干類型的數據庫，如結構化數據庫、半結構化數據庫等，主要是為了在環境監測數據上傳至系統后臺時，要對數據屬性狀態、數據關聯性進行分析，并按照分析結果，把數據導入相應的數據庫中存儲，這樣可有效避免因多類型數據的混雜處理而出現數據沖突、數據庫癱瘓、數據丟失等問題。同時，還要把土壤環境監測數據分為溫數據、冷數據、熱數據，其中，溫數據是高訪問率和上一周期采集的監測數據，而冷數據是使用頻率較低的歷史數據，熱數據則是當期采集數據。

第二，在集成共享方面，要構建區域性、全國性的土壤環境監測系統，且在上級系統內要接入各地的土壤環境監測系統，同時保持上下級系統的信息互通狀態。而監測人員就可以根據工作需要隨時調取其他地區的土壤環境監測數據作為參考借鑒。此外，還可以在充足數據樣本的基礎上開展土壤環境預測、環境質量評級等工作，并由系統根據實際情況來制定土壤環境監測方案，從而協助選擇最佳監測技術種類。

3 結語

綜上所述，土壤環境監測技術的日趨完善，為我國的環境監測事業提供了全新的發展契機，同時，在各項技術的應用期間也會面臨全新的挑戰。因此，監測機構與相關技術人員必須加大對土壤環境監測技術的研究力度，以及深入了解各項技術的工作原理與注意事項，并根據項目的實際情況與土壤監測要求來選擇技術種類，從而有效推動土壤環境監測技術向著現場快速分析、痕量分析、智能化以及大數據化的方向發展。