中外土壤环境监测技术应用与发展状况

2014-04-29巩玉玲冯永军

安徽农业科学 2014年19期

巩玉玲冯永军

（山东农业大学资源与环境学院，山东泰安 271018）お

摘要欧美发达国家的土壤监测起步较早，技术先进成熟，尤其是利用高光谱遥感与无线传感器网络进行土壤监测的领域明显领先于发展中国家。中国的土壤监测技术虽然起步晚，但是在引入国外先进技术的同时，不断对技术进行改进，发现问题，提出相应的对策与建议，进而提高完善土壤监测技术。

关键词土壤环境监测技术；应用与发展；问题与建议

中图分类号 SB151.9+5文献标识码 A文章编号 0517-6611（2014）19-06229-02

Application and Development of Soil Environment Monitoring Technology in China and Foreign Countries

GONG Yu瞝ing, FENG Yong瞛un

(College of Resource and Environment, Shandong Agriculture University, Taian, Shandong 271018)

Abstract Soil monitoring started earlier in European睞merican developed countries. The technology of soil monitoring is advanced and mature, especially the use of hyperspectral remote sensing and wireless sensor network for soil monitoring significantly ahead of other developing countries. Although the technology of Chinese soil monitoring started later, it is constantly improved when our country continues to introduce advanced foreign technology. Meanwhile we identify problems and propose appropriate countermeasures and suggestions.

Key words Soil environment monitoring technology; Application and development; Problems and suggestions

作者简介巩玉玲（1989- ），女，山东泰安人，硕士研究生，研究方向：土地利用与规划。*通讯作者，教授，博士，从事土地利用与规划方面的研究。

收稿日期 20140531

土壤是陆地表面能生长植物的疏松表层，具有肥力，即持续和全面地提供植物生长所需的水、肥、气、热的能力。土壤资源是人类赖以生存和发展的极其重要的物质基础。近年来，各国在地质调查过程中逐渐加大了对土壤环境的监测与研究。与此同时，土壤监测技术不断改进，从传统的实验室化学检测方法到现代高光谱遥感、无线传感器网络等高新技术的应用与发展。国内外在土壤监测技术研究方面取得显著成就，极大地促进了对土壤环境的监测与治理，从而为维护和改善土壤环境，为实现生态环境持续发展提供了必要的技术支撑。

1 国外土壤环境监测技术应用与发展状况

自20世纪60年代开始，美国首先展开了对土壤环境的监测研究。随后，欧盟相继进行了土壤背景值、农用土壤环境、土壤污染等方面的研究工作。在此过程中，应用并产生了一些新的针对不同土壤类型的监测技术，建立了相应的土壤监测系统。

1.1 高光谱遥感技术在美国土壤环境监测中的应用与发展

高光谱遥感是高光谱分辨率遥感（Hyperspectral remote sensing）的简称。它是在电磁波谱的可见光、近红外、中红外和热红外波段范围内，获取许多非常窄的光谱连续的影像数据的技术。高光谱遥感技术已被广泛地应用于土壤环境的监测与评价中。

从20世纪60年代起，美国地质调查所为了建立土壤中元素的基线值，对各区域的土壤环境背景值开始进行调查。该次研究工作共分2个阶段进行：第1阶段（1961~1971年）共采集863个样点样品，主要采用光谱半定量技术；第2阶段（1971~1984年）又补采了355个样品，前后共分析约50种元素。到1988年，完成了对阿拉斯加州的土壤环境背景值的调查研究报告［1］。至此，美国完成了土壤环境背景值的调查研究。在土壤环境背景值调查研究阶段中的数据采集以光谱技术收集土壤信息为主，同时以实验室化学实验为辅。在此阶段，光谱技术主要用于土壤的分类与制图，并且发展较为缓慢。

随着科技的不断创新，美国逐渐加大对光谱技术的研究开发，光谱分辨率逐步提高，由分辨率在10-1 λ数量级范围内的多光谱遥感到分辨率在10-2λ数量级范围内的高光谱遥感，再到今天的分辨率在10-3λ数量级范围内的超光谱遥感。它是利用很多很窄的电磁波波段获得非常窄且连续的波段图像数据技术［2］。高光谱数据具有波段多、连续性好、分辨率高、数据信息量大、图谱合一等特点。

美国最初土壤光谱学的研究主要集中于土壤光谱的测定和机理的研究，只是被广泛地应用于土壤的分类与制图。直到20世纪80年代，在“3S”（RS、GIS、GPS）技术的支持下，利用成像光谱数据结合地面实测数据，建立起土壤质量信息技术模型，从而对土壤质量特征进行定量评价。同时，它还被广泛地应用于土壤环境监测如土壤污染、土壤荒漠以及土壤侵蚀等分析。美国的“3S”技术应用十分普遍。各大学和实验室的“3S”技术不仅普及，而且应用水平较高。美国土壤侵蚀较严重。据统计，1992年美国土壤侵蚀平均786.85 ゞ/(hm2·年)，全国每年土壤侵蚀量69亿t［3］。为了保护土壤，防止土壤侵蚀面积不断扩大，美国农业部自然资源保护局运用 “3S”技术开展全国土壤资源调查，并且进行小流域调查与制图。在此基础上，美国国家土壤侵蚀研究实验室建立了诸如土壤侵蚀方程、评价土壤侵蚀模型、水蚀预报模型、风蚀预报系统等［3］，从而为各种情况下土壤侵蚀预测和评价提供技术和方法支持。

在美国很多基础信息的获得都是免费的，如用户可无偿获得分辨率低于30 m的遥感资料，从而为新技术的应用创造有利条件。

1.2 无线传感器网络在欧盟土壤监测中的应用和发展

无线传感器网络（WSN）是指在环境中布置的传感器节点以无线通信方式组成网络，传感器节点完成数据的采集，并且通过传感器网络将数据发送到网络中，最终由特定的汇聚节点接收，并且通过自组织的方式构成网络，是一种无人值守、大规模的分布系统。无线传感器网络可用于信息获取与信息处理，具有广泛的应用前景。

2002年欧盟官方确认当前影响土壤质量的因素主要有土壤盐渍化、有机物含量下降、生物多样性下降等［4］。由于土壤保护政策落后，对整个欧洲的土壤进行监测的系统较少，加之各国采样、分析过程以及参考标准的差异，导致数据权属纠纷、数据缺乏和数据矛盾现象的发生，致使近年来欧盟土壤研究进展缓慢。为了将欧盟国家级土壤监测数据进行统一，建立评价土壤现状的资料参考中心，并便于进行有效地统一管理，欧盟施行了土壤环境评价监测项目。欧盟土壤环境评价监测项目是比较成熟的监测项目，在监测网络建立、数据更新、指标选取等方面建立了较为成熟的机制。该项目将欧盟成员国现有的土壤数据集成在一起，设计并实践了在欧盟范围内可比的监测标准和指标体系，为建立欧洲统一的土壤信息系统奠定基础［5］。

目前，欧盟大多数成员国都有各自的土壤监测网络，但是由于监测方法各不相同，众多数据无法统一且不具有可比性。土壤环境评价监测项目的重大突破在于建立整个欧盟成员国的共享数据的监测站，以达到数据统一可比的目标。

现代土壤监测技术在收集、更新土壤数据的过程中的作用日益增加，包括自动取样、智能取样、持续取样、非破坏性的空间显示方法和遥感数据的应用等［6］。其中，自动取样主要使用无线传感器网络技术。欧盟在此次土壤环境评价监测项目中充分利用了无线传感器网络技术对土壤的温度、含水率、pH等进行在线监测和分析，并获得系统的数据信息。

随着新技术的不断发展，欧盟将无线传感器网络技术应用到农业生产中，对土壤等对象进行在线监测。Kimy等［7］研究的基于无线传感器网络技术的农田灌溉系统可实现对农田土壤的湿度、温度等参数的在线监测和实时控制，从而提高了农业生产效率。

2 中国土壤环境监测技术应用与发展状况

我国在土壤监测方面虽然起步较晚，但近50年来发展迅速，取得重大进展与突破。我国于20世纪80年代展开土壤背景值的检测，主要采用分光光度法测量土壤中9种元素，通过监测积累了大量土壤背景值数据，并展开了相关研究。随着土壤监测技术的不断进步与完善，中国在引入国外土壤监测先进技术的同时不断进行更新。目前，在国内发展较快的土壤监测技术主要有遥感技术、无线传感器网络技┦醯取＊

2.1 高光谱遥感技术在国内土壤监测的应用和发展

遥感技术具有获取信息量大、获取信息速度快、周期短、受条件限制少等优点，于1979年国内开始将卫星遥感技术应用于土壤资源环境领域的监测。随着土壤遥感研究的不断深入，尤其是高光谱遥感的快速发展，土壤遥感进入定量探测土壤物质组分的研究阶段［8］。

研究土壤内各种物质成分、特性及其运动过程是土壤学研究的重点方向之一。自20世纪80年代以来，成像光谱技术的出现为准确而迅速地获取土壤信息技术指标提供了有力的支撑。高光谱遥感技术可以用来提供土壤表面状况及其性质的空间信息。高光谱遥感技术的出现为土壤环境监测、土地质量评价、精准农业变量施肥、土地资源勘察、土壤分类填土以及基础土壤学研究等方面发挥巨大作用［9］。

土壤环境监测与评价始终是土壤学研究的重点与难点。通过土壤波谱分析，应用高光谱遥感数据能较好地探测土壤表层或浅表层的性状，并且结合相应的野外采样测量或实地观察建立起各种不同类型的分析模型，对土壤机械组成、酸碱度、水、养分含量、矿物质等参量、土肥状况等实现定量观测［10］。随着国内对高光谱遥感技术的深入研究，通过建立精准模型，利用微分处理技术等对土壤中的有机质、水分等进行了成功反演。与此同时，高光谱遥感技术应用范围不断扩大。自2003年起，中国科学院在高光谱遥感技术的支持下对青藏高原地区2003~2010年表层土壤水分进行了成功反演［11］，从而为脆弱生态区土壤环境的监测奠定了基础。

高光谱技术是目前国内遥感技术发展的难点和热点。成像光谱仪拥有精细的光谱分辨率，能很好地反映地物光谱的细微特征，使得在光谱域内进行遥感定量分析和研究地物的化学成分成为可能［12］。遥感最终目的是能成功地反演所获地物或大气的各种参数信息，因此需要建立各种不同类型的模型。关于模型的反演方法研究，李小文等人都作了大量的工作，提出许多实用的方法和建议，对反演有重要的指导意义［13］。随着高光谱遥感技术的不断完善、改良，未来国内土壤环境监测的精确度会达到理想值。

2.2 无线传感器网络技术在国内土壤监测的应用和发┱

随着发达国家对无线传感器网络研究的不断深入，中国也逐步加大了对无线传感器网络技术的投入与研发。虽然国内的无线传感器网络技术仍处于初步发展阶段，但是经过近几年的研究与探索，无线传感器网络技术取得重大突破，应用领域不断扩大，现阶段可用于环境监测与保护、军事领域、土壤监测等。目前，国内在土壤学研究方面将无线传感器网络应用于土壤信息的获取，尤其是农田土壤信息的获得，并且取得了一定的成果和技术进步。

基于无线传感器的监测网络，特别适合于对稳定性低且位置差异性较大的土壤参数的监测如土壤水分、土壤温度等。目前，国内基于无线传感器网络技术的土壤水分监测技术已有了实验研究和初步应用，但是实际应用效果并不理想。这主要是因为无线传感器网络技术较强的应用导向性。随着技术的不断进步，国内研发了适宜农田应用的微型无线传感器网络节点［14］。该节点不仅具有很强的抗干扰性和稳定性，而且耗电量低，最大优势节点持续工作近800余天，很好地满足了农田土壤长期监测的需求。现在，国内一些专家学者将无线传感器网络技术也应用于精准农业的实验研究中，为精准施肥提供精确的数据。与此同时，技术的不断完善可将无线传感器网络技术应用于偏远地区及环境恶劣的

土壤监测之中，为了解该地区土壤特性、保护生态环境做出贡献。

3 中国土壤监测技术方面存在的问题

与发达国家相比，我国土壤环境监测技术、管理水平与国际先进技术存在明显差距。第一，中国土壤环境监测工作起步晚，技术落后，尚未形成监测体系。我国土壤环境分析设备落后，多数大中型监测分析设备依靠进口，国产土壤分析设备市场份额较小。因此，提高土壤环境分析方法、技术与设备体系是提升土壤环境监测水平的迫切要求。第二，研究团队小，研究人员搭配不合理。目前，国内土壤监测技术研究团队基本是导师加学生这种上下层的团队，知识流向基本是单向的，缺乏有效交流，致使技术的进步与更新较缓慢［13］。第三，科研分配不合理。目前，只在中国科学院研究所和一些重点高校资金充足，购置了比较先进的土壤监测设备，一些项目的申请也容易得到支持。而一些院校资金有限，相关设备不能得到有效配置，导致先进的土壤监测技术不能得到广泛应用与发展。

4 对策

为了提高我国土壤监测精度，改善传统的土壤监测技术，必须采取相应措施。首先，在引入国外先进技术的同时，不断提高自主创新能力，创新土壤监测方法、技术与设备体系，建设支撑平台，提升我国土壤环境监测能力；其次，优化科研队伍配置结构，改善我国人才培养方式，完善科研评价体质，改善国内科研条件与环境，吸引各国优秀科研人员来华工作，加强团队之间的学术交流与合作；再次，合理分配科研基金，增加少数科研机构科研设备的共享力度，提高设备的利用率，逐步降低硬件因素对科研人员创新能力的限制；最后，在结合传统的土壤检测试验方法的基础上，合理利用新的监测技术，提高土壤监测精度。

参考文献

［1］杨哲海，韩建峰，宫大鹏，等.高光谱遥感技术的发展与应用［J］.海洋测绘，2003（6）：55-58.

［2］李忠良.中外土壤环境监测现状及对策建议［J］.中国国土资源经济，2005（3）：19-22，46-47.

［3］中国科学技术协会.土壤学学科发展报告［M］.北京：科学技术出版社，2011.

［4］乔璐.基于高光谱数据和MODIS影像的土壤特性的定量估算［D］.哈尔滨：东北林业大学，2013.

［5］赵其国，周健民，沈仁芳，等.面向不断变化世界，创新未来土壤科学——第19届世界土壤学大会综合报道［J］.土壤，2010（5）：681-695.

［6］第19届国际土壤学大会重点论文摘要选译［J］.土壤，2010（5）：696-799.

［7］许妍，吴克宁.欧盟土壤环境评价监测项目及其对我国农用地质量监测的启示［J］.生态环境学报，2011（11）：1777-1782.

［8］张启忠.应用于土壤环境监测的传感器若干理论与技术研究［D］.杭州：浙江大学，2009.

［9］陈红艳.土壤主要养分含量的高光谱估测研究［D］.泰安：山东农业大学，2012.

［10］周萍.高光谱土壤成分信息的量化反演［D］.北京：中国地质大学（北京），2006.

［11］赵振亮.基于高光谱数据的盐渍化土壤光谱特征研究及信息提取［D］.乌鲁木齐：新疆大学，2013.