智能傳感器在土壤重金屬污染監測中的應用研究\t

摘要：隨著工業化和城市化的快速發展，土壤重金屬污染問題日益嚴重，對生態和人類健康構成了巨大威脅。傳統的土壤重金屬檢測方法，如化學分析方法，通常需要取樣、實驗室檢測等多步驟操作，耗時較長且成本較高，難以實現大規模、高頻率的監測。智能傳感器技術的引入為土壤重金屬污染監測提供了新的可能性。智能傳感器通過集成多種傳感技術，可以實現快速、連續的數據采集，并通過物聯網技術實現遠程監控和數據傳輸，顯著提高了監測效率和準確性?；诖?，探討智能傳感器在土壤重金屬污染監測中的應用，以期為相關領域的研究和應用提供參考。

關鍵詞：智能傳感器；土壤；重金屬污染監測

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）02-00-03

Research on the Application of Intelligent Sensor in Soil Heavy Metal Pollution Monitoring

WANG Jiangting， LING Huijiao， WU Jingwen， LI Xia， WEI Xingming

（Guangxi Academy of Environmental Protection Sciences， Nanning 530000， China）

Abstract： With the rapid development of industrialization and urbanization， soil heavy metal pollution has become increasingly serious， posing a huge threat to ecology and human health. Traditional soil heavy metal detection methods， such as chemical analysis methods， usually require multi-step operations such as sampling and laboratory testing， which is time-consuming and costly， and difficult to achieve large-scale and high-frequency monitoring. The introduction of intelligent sensor technology provides a new possibility for soil heavy metal pollution monitoring. By integrating multiple sensing technologies， smart sensors can achieve fast and continuous data acquisition， and remote monitoring and data transmission through the Internet of Things technology， significantly improving monitoring efficiency and accuracy. Based on this， this paper explores the application of intelligent sensors in monitoring soil heavy metal pollution， in order to provide reference for research and application in related fields.

Keywords： intelligent sensor; soil; heavy metal pollution monitoring

土壤重金屬污染是全球面臨的環境問題之一，重金屬主要來源于工業排放、城市生活廢棄物、農業活動等。重金屬進入土壤，難以降解，長期積累會對植物生長、土壤質量和生態系統健康產生嚴重影響，進而影響人類健康。傳統的土壤重金屬檢測方法，如化學分析方法，雖然精度較高，但存在操作復雜、耗時長、成本高等問題，難以滿足大規模、高頻率的監測需求。近年來，智能傳感器技術的發展為土壤重金屬污染監測提供了新的解決方案。智能傳感器不僅能夠實現實時、連續的數據采集，還能通過物聯網技術實現遠程監控和數據傳輸，提高了監測的效率和準確性。本研究探討智能傳感器在土壤重金屬污染監測中的應用優勢、策略及其實際效果，為環境保護和污染治理提供科學依據。

1 智能傳感器的應用優勢

智能傳感器在土壤重金屬污染監測中具有以下優勢。第一，效率高。智能傳感器可以實現快速、連續的數據采集，有效提高了監測效率。傳統的化學分析方法通常需要取樣、實驗室檢測等多步驟操作，耗時較長，而智能傳感器能夠在現場實時監測，及時獲取數據。第二，準確性高。智能傳感器集成了多種傳感技術，能夠更準確地測定土壤中的重金屬含量。例如，電化學傳感器可以檢測特定重金屬的離子濃度，光譜傳感器可以識別不同重金屬的光譜特征，這些技術的結合使監測結果更加可靠。第三，靈活性高。智能傳感器體積小、質量輕，便于安裝和移動，可以在不同地點和環境中靈活使用。此外，傳感器網絡可以實現大范圍監測，覆蓋更多的監測點。第四，成本低。傳統的土壤重金屬監測方法不僅操作復雜，而且成本較高。智能傳感器技術的引入可以顯著降低監測成本，特別是對于長期、大面積的監測任務。第五，智能性。智能傳感器內置了數據處理和通信模塊，可以實現數據的自動處理和傳輸。通過物聯網技術，數據可以實時傳輸到監測中心，便于遠程監控和管理[1]。

2 智能傳感器在土壤重金屬污染監測中的應用策略

2.1 傳感器選型與布局

在設計和應用智能傳感器進行土壤重金屬監測時，傳感器選型與布局是至關重要的第一步。首先，傳感器的選型應基于目標重金屬的物理化學特性。例如，電化學傳感器因其高靈敏度和選擇性，適用于檢測鉛、鎘等離子態重金屬，能夠快速響應并提供準確的濃度數據。光譜傳感器則可以利用不同重金屬的光譜吸收特性，適合檢測汞、砷等元素。X射線熒光傳感器能夠在非破壞性條件下測定土壤中的多種重金屬，適用于快速現場篩查。此外，生物傳感器利用生物體對重金屬的敏感性，可以檢測重金屬，為生態風險評估提供重要依據。

在傳感器布局方面，需要考慮監測區域的地理特征和污染源分布。監測點應覆蓋所有潛在的污染熱點，確保數據具有代表性。同時，監測點之間的距離應根據土壤的均勻性和污染擴散特性進行合理安排，以避免數據冗余和遺漏。例如，在工業園區周邊，應重點布設在排放口附近和下風向地帶，而在農田中，應選擇代表性地塊和不同土壤類型區域進行布設。此外，監測點的數量和位置應根據監測任務的規模和精度要求進行調整，確保監測結果的準確性和可靠性。合理的傳感器選型與布局不僅能夠提高監測效率，還能有效地降低監測成本，為防治土壤重金屬污染提供科學依據[2]。

2.2 數據采集與處理

制定科學的數據采集方案是確保土壤重金屬污染監測數據準確性和可靠性的基礎。數據采集方案應包括采樣頻率、采樣時間、采樣位置等關鍵參數的設定。采樣頻率應根據重金屬污染的變化速率和監測需求進行調整，高頻次的數據采集有助于捕捉污染的動態變化，而低頻次的采集則適用于長期趨勢分析。采樣時間應選擇在污染源活動的高峰期，以確保獲取的數據更具代表性。采樣位置應覆蓋監測區域內的關鍵點和潛在污染熱點，同時兼顧土壤類型和地形特征，確保數據的全面性和空間分布的合理性。

在數據處理方面，先進的數據處理算法能夠顯著提高數據處理的效率和精度。機器學習技術，如支持向量機（Support Vector Machine，SVM）、隨機森林（Random Forest，RF）和深度神經網絡（Deep Neural Network，DNN），可以用于分類和預測土壤中的重金屬含量，通過訓練模型來識別和區分不同類型的重金屬污染，提高監測結果的準確性。數據融合技術則通過多傳感器數據的綜合分析，減少單一傳感器的誤差和不穩定性，增強系統的健壯性。例如，結合電化學傳感器和光譜傳感器的數據，可以更準確地測定土壤中多種重金屬的含量，避免因傳感器類型單一導致的誤差。數據預處理步驟，如信號濾波、噪聲去除和數據歸一化，也是提高數據質量的重要手段。這些方法可以有效地確保數據的可靠性和一致性，為后續的分析和決策提供堅實的基礎。

2.3 物聯網與遠程監控

物聯網技術可以實現智能傳感器節點之間的高效數據傳輸和遠程監控，從而顯著提升土壤重金屬污染監測系統的實時性和智能化水平。物聯網技術通過將各種傳感器、數據采集設備和監控中心連接在一起，形成一個分布式的監測網絡。在這個網絡中，傳感器節點可以自動采集數據并將其傳輸到中央數據處理平臺，實現對監測區域的全面覆蓋和連續監測。

數據傳輸方面，選擇合適的無線通信技術至關重要。LoRa是一種低功耗的無線通信技術，適合于廣域、低帶寬的數據傳輸，能夠有效覆蓋工業園區、農田等大面積監測區域。窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）是一種基于蜂窩網絡的窄帶物聯網技術，具有低功耗、壽命長、高可靠性等優點，適用于城市區域和密集監測點。此外，可以考慮使用Wi-Fi、ZigBee等短距離無線通信技術，適合于小范圍、高密度的傳感器網絡部署。

遠程監控是物聯網技術在土壤重金屬污染監測中的另一個重要應用。通過在監測中心建立中央控制平臺，可以實時接收和處理來自各個傳感器節點的數據。控制平臺可以通過云服務進行數據的存儲和管理，利用大數據分析技術對監測數據進行深度挖掘，發現污染趨勢和異常情況，為環境監管部門提供科學依據。遠程監控系統還可以實現對傳感器節點的實時狀態監測和故障診斷，確保整個監測網絡穩定運行。通過物聯網技術，監測人員可以在任何有網絡連接的地方實時查看監測數據，及時采取應對措施，提高監測系統的響應速度和管理效率[3]。

3 實踐案例分析

3.1 案例背景

中國科學院地球化學研究所環境地球化學國家重點實驗室與廣東省科學院生態環境與土壤研究所經過合作，成功建立了以功能核酸為分子識別元件的重金屬生物傳感器，實現了對重金屬的超靈敏、智能化快速檢測，并構建了土壤有效態重金屬檢測新方法。這項技術突破了傳統方法的瓶頸，為土壤重金屬污染監測提供了一種新的解決方案[4]。

3.2 具體措施

3.2.1 DNA網狀納米結構生物傳感器的建立

創新性地以雙莖環脫氧核糖核酸（Deoxyribo Nucleic Acid，DNA）探針為自組裝元件，當反應體系中存在待檢重金屬（以鈾離子為例），釋放的核酸片段可激活DNA組裝，經過多重循環的核酸雜交及鏈置換反應，形成DNA網狀納米結構的熒光生物傳感器。該傳感器對鈾離子的檢測限為2 pm，實現了對土壤樣品中痕量鈾污染的超靈敏檢測。

3.2.2 分子邏輯門生物傳感器的建立

基于二進制原理，以0和1對重金屬進行編碼，構建了多種分子邏輯門生物傳感器，包括OR、AND、XOR、半加器及半減器等。這些傳感器能在分子水平上為重金屬的智能化檢測提供一套新的傳感體系。

3.2.3 DNA熒光生物傳感器的建立

以生命體基元DNA為有效態重金屬識別探針，通過DNA識別、切割以及信號轉換，構建了DNA熒光生物傳感器，實現了對土壤有效態重金屬（鉛、鎘、銅等）的快速檢測。該方法操作簡單，響應迅速，無須復雜的連續萃取過程，方便現場快速分析。

3.3 成效

DNA網狀納米結構生物傳感器和DNA熒光生物傳感器均展現出高靈敏度和高特異性，能夠滿足復雜樣品中有效態重金屬檢測的需求。這些生物傳感器操作簡單，響應迅速，信號擴增效率高，為土壤重金屬的超靈敏檢測提供了新方法。這些生物傳感器在田間精細化養分管理方面具有很大的潛力，并且已成功應用于實際土壤環境中的磷酸鹽連續測定。

綜上所述，該案例展示了智能傳感器在土壤重金屬污染監測中的成功應用，通過創新技術實現了對土壤中重金屬的快速、靈敏、智能化檢測，為土壤污染監測和管理提供了強有力的技術支持。

4 結論

智能傳感器在土壤重金屬污染監測中具有顯著的應用優勢，能夠有效提高監測的效率、準確性和靈活性，同時降低監測成本。特別是在實際案例中，重金屬生物傳感器的成功應用進一步驗證了智能傳感器在復雜環境下的可靠性和有效性。未來，隨著傳感器技術的不斷進步和物聯網技術的廣泛應用，智能傳感器有望在更多的環境保護和污染治理項目中發揮重要作用，推動環境監測的智能化和精準化發展。

參考文獻

1 王翠翠，趙 鑫，薛春麗.土壤重金屬元素的監測方法及優化措施探討[J].皮革制作與環?？萍?，2024（19）：80-82.

2 劉小龍.土壤重金屬污染監測及治理措施探究[J].皮革制作與環保科技，2024（19）：89-91.

3 崔保玉.錳礦區土壤重金屬污染風險評估與生態監測研究[J].中國資源綜合利用，2024（11）：167-170.

4 李繼磊，盧鵬宇，王珊珊.土壤污染的檢測方法及監測技術的發展趨勢[J].清洗世界，2024（8）：145-147.

收稿日期：2024-12-12

作者簡介：王姜婷（1989—），女，滿族，廣東云浮人，工程師。研究方向：環境監測。