农业面源和重金属污染检测技术设备研发与标准研制

郑床木，毛雪飞，刘霁欣

（中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所，北京 100081）

农田土壤是不可再生的资源，是农业生产的物质基础之一。随着经济社会的不断发展，农田土壤环境质量不断下降。2014年首次全国土壤污染状况调查显示，耕地土壤点位超标率在4种不同土地利用类型中最高，达19.4%，其中重金属超标点位数占全部超标点位数的85.8%。农田面源污染和重金属污染已影响现代农业发展，威胁农业生态安全，危害农产品质量安全，引起各级政府和公众的高度关注，农业农村部出台措施强化土壤环境质量监测，提出在2020年前实现土壤环境质量监测点位所有县（市、区）全覆盖。

开展农田土壤环境质量监测及评价预报，必须具备农业面源和重金属污染现场快速监测设备，建立科学可行的监测技术标准。我国农田土壤基质类型复杂、污染地域跨度广、污染水平差异大，当前土壤中氮磷及重金属监测以实验室仪器方法为主，无法满足现场监测需求。现有X射线荧光光谱（XRF）及激光诱导击穿光谱（LIBS）等重金属现场监测技术已有商品化产品，但关键部件国产化、模型谱库、精确定量消除基体干扰等仍待解决，微等离子体光谱及电热蒸发光谱（ETV）等重金属现场监测技术已形成了样机，但消除基体干扰及多元素集成仍待提升。土壤氮磷速测设备已具备全量监测能力，生物有效性表征、原位提取装置和现场速测技术仍待优化。此外，长期定位动态监测布点技术及同类指标专项采集设备仍待建立。针对以上问题，2016年启动实施的“农业面源和重金属污染农田综合防治与修复技术研发”国家重点研发计划设置了“农业面源和重金属污染检测技术设备研发与标准”共性关键技术项目，由中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所、中国科学院沈阳生态应用研究所、中国地质大学（武汉）、钢研纳克检测技术有限公司等13家国内优势科研院所、高校与企业联合承担，以突破土壤复杂背景下重金属监测快速进样及基体干扰消除与分析建模、氮磷生物有效性评价及快速监测、现场布点及智能分析等关键技术，形成系列重金属及氮磷现场监测及样品前处理设备、技术标准规范等，服务于农业生态环境调查及农产品产地环境监测、禁产区划分、污染防治等，以提高监测效率、降低检测成本、提升监测标准化水平，为我国生态文明建设提供强有力的技术支撑。

项目拟综合利用XRF、LIBS和微等离子体技术，实现土壤中汞、镉、砷、铅等8种重金属的现场快速筛查，满足二级土壤限量指标；利用电热蒸发、原子阱技术实现土壤重金属现场非消解高灵敏分析，达到一级土壤限量指标要求；利用生物模拟原位主动提取和全光谱吸光度技术，实现土壤氮磷生物有效态现场快速检测；研发长期定点调查仪及相关分析系统，提升污染监测智能化分析水平。预期形成XRF、LIBS、微等离子体、非消解原子阱光谱土壤重金属现场监测与样品前处理设备，土壤生物有效态氮磷原位提取检测设备，土壤盐分原位传感器，便携式动态长期定点调查仪等7种；光谱特征分析软件和谱线库1套、辅助信息系统1套、地理信息系统1套、配套软件6套；制定污染物监测仪器设备使用技术标准规范6～7项，形成在线监测技术等标准草案/送审稿4项，现场原位监测技术与设备将在京津冀、长三角、珠三角、湖南等典型污染类型区开展示范应用。项目技术路线见图1。

项目以农业面源和重金属污染数据的准确、快速获取为核心，设置农田土壤氮磷有效态和重金属污染现场快速检测技术与监测设备、污染动态长期定点调查仪及辅助信息系统、污染监测技术标准与示范等三方面共五个课题。

（1）土壤重金属XRF和LIBS快速检测技术装备研发与标准研制

建立准确的光谱—重金属含量差异化定量校正模型并与仪器软件耦合，研制2种便携式土壤重金属现场监测设备，制定技术规范与标准，开展应用示范，重点解决二级土壤标准中砷、铅、铬、锌、镍、铜等重金属指标的现场快速监测，并实现XRF和LIBS在汞、镉分析灵敏度上的突破。

（2）土壤重金属微等离子体快速检测技术与装备研发

研制低功/气耗的辉光放电微等离子体激发源，研制适于便携式分析的进样模块以及其他小型化关键部件，建立土壤重金属微等离子体速测方法，研发便携式土壤重金属微等离子体速测仪，制定技术规范与标准。

（3）基于电热蒸发原子阱的土壤重金属非消解检测技术装备研发与标准研制

研制固体土壤直接进样的电热蒸发系统，以及消除基体干扰的原子阱装置，配套微原子吸收光谱仪，集成电热蒸发—原子阱—原子吸收仪器系统与样品前处理设备，制定技术规范与标准，开展应用示范，实现一级土壤中汞、镉、砷、铅的现场、快速、准确检测。

（4）土壤生物有效态氮磷原位提取及检测设备研发与标准研制

研发根系模拟液提取—主动吸杯捕获快速提取技术，研制便携式原位土壤氮、磷有效态提取装置。集成光纤光谱、多通道样品池和全光谱吸光度技术，建立氮磷生物有效态分析模型，研制土壤生物有效态氮磷原位提取及检测设备，形成技术规范与标准，开展应用示范。

（5）土壤污染物动态长期定位调查仪及智能分析系统研发与应用示范

研究土壤面源和重金属长期定位监测布点优化方法，形成长期定位监测布点方案优化技术；研制融合多源感知、基于位置服务技术（LBS）的便携式长期定位调查仪，满足现场智能化监测分析；开发基于云地理信息系统（GIS）的农业面源和重金属污染监测与智能化分析地理信息系统，实现长期定位监测点布局方案设计、监测数据智能处理、重金属污染评价、污染热点区域识别、污染净化预测、可视化表达及数据共享与服务等功能。

项目预期效益指标主要包括以下四个方面，一是产品技术水平：研制多台套XRF、LIBS和微等离子体发射光谱速测仪，构建覆盖《土壤环境质量标准》二级土壤重金属限量指标的土壤重金属现场快速筛查设备体系。针对土壤重金属非消解高灵敏检测需求，研发能够满足一级土壤限量要求的电热蒸发原子阱非消解监测设备。研发氮、磷生物有效态提取及检测技术设备和动态长期定位调查仪，相关技术和产品紧跟或达到国外发达国家水平。二是成果科学价值：在新型滤光片、高效光源和实时光谱解析，高通量瞬态光谱采集和磁空间约束增强，以及高效样品导入和微型等离子体源等方面实现技术突破，提升XRF、LIBS和微等离子体光谱的分析灵敏度和抗干扰能力。实现固体土壤非消解进样和基体干扰消除，突破融合不同长期定位监测点基础、预设监测点数和监测目标等多重约束的监测点优化技术，形成便携式长期动态调查仪，优化区域污染调查监测点布局。三是行业支撑预期：研发的现场监测设备、调查仪及技术规范与标准将为构建满足不同需求和层次的农业环境快速监测网络提供软硬件技术支持，落实《土壤污染防治行动计划》提出的“2020年底前实现土壤环境质量监测点位所有县（市、区）全覆盖”提供监测手段，服务于环境保护、农业、国土资源等行业开展的环境调查。四是产业化前景：当前，在“土十条”和“土壤详查”等工作推动下，土壤重金属速测仪需求量巨大，市场容量3000台以上。目前进口XRF、LIBS等设备的市价高达数十万元，而国内企业产品在土壤检测方面力有未逮。实现该类仪器的国产代替，可实现经济价值数亿元。同时，项目研制的速测仪检测重金属的成本有望控制在10元以下，每年将节约检测经费近亿元。

图1 项目技术路线图