我国土壤环境监测技术的现状及发展趋势

2022-04-15王惠，杨慧

中国资源综合利用 2022年3期

王惠，杨慧

（石嘴山市生态环境监测站，宁夏石嘴山 753000）

目前，我国土壤环境监测技术主要有5种，即电阻率法、遥感技术、X射线断层扫描技术、目测评估法和声发射监测技术。本文分析了我国土壤环境监测技术的应用现状和未来发展趋势，以便更好地完成土壤环境监测任务，明确土壤结构变化情况与土壤内部生物活动规律。

1 我国土壤环境监测技术的应用现状

1.1 电阻率法

应用电阻率法时，要配置比率欧姆表、单平衡变压器、感应极化发送器及接收器等设备。工作人员在测区土壤中垂直打入4根圆钢等接地桩，将打入深度控制在15 cm左右，保持各接地桩间距相同，被测接地体与电流极、电压极与电流极均保持20 m间距[1]。随后，按打入顺序，使用导线将前后接地桩相互连接，按120 r/min速度摇动摇表来测量电阻值，将读取测值导入式（1）中。同时，在电极间距超过40 m的特殊情况下，应采取电阻率法中的非等距法，在相应电流极轴线区域布置电位极，用于测量电位差值，计算公式如式（2）所示，布置方式如图1所示。

图1 非等距法的电极布置方式

式中：p1为土壤电阻率；p2为电位差值；a为相邻接地桩的间距；R为摇表读取电阻值；c为电流极和电位极的间距；d为电位极距。

1.2 遥感技术

在土壤环境监测中，遥感技术（RS）是通过传感器向测区土壤结构发射电磁波与接收反馈信号，或是接收指定目标反射电磁波与太阳辐射进行分析的一项监测技术。常用的遥感技术包括多光谱遥感、红外遥感、紫外线遥感以及高光谱遥感等技术，可按照波段进行分类。从实际应用情况来看，遥感技术有着监测范围大、信息获取量多、工效高的优势，多用于完成大比例尺土壤环境监测任务，实现对有机质组分、土壤水分等多项要素的精准监测。此外，在现代土壤环境监测中，遥感技术（RS）普遍与全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）搭配使用，组成“3S”技术。其中，遥感技术负责接收地球表层地图的电磁波信息，对其进行扫描、传输、处理操作，用于反映各处区域土壤环境的色调、形态、纹理等特征差别。地理信息系统负责分级分层管理地理信息，提供信息可视化呈现、在线查询、修改、输出等多元化服务，动态呈现土壤环境监测信息的变化过程。全球定位系统具备强大的三维导航与空间定位能力，负责提供监测目标的三维坐标值[2]。

1.3 X射线断层扫描技术

X射线断层扫描技术是一项无损监测技术，可以在不破坏土壤原有结构的情况下向土壤结构中发射与接收X射线，X射线在穿越土壤结构不同物质时出现衰减，将所接收信号进行放大、模数转换与空间解算处理后，即可绘制成描述土壤结构断面的数字图像。相比遥感技术、扫描电子显微镜（SEM）图像法等监测技术，X射线断层扫描技术既可以有效监测土壤表面与内部结构情况，还可以采取定量方式来描述土壤微观结构，如监测黄土层的颗粒集合体与大孔隙的分布情况。此外，为强化X射线断层扫描技术的电子计算机断层扫描（CT）图像定量分析能力，可选择基于SEM来建立训练样本。

1.4 目测评估法

目测评估法是一项操作最为简单的土壤环境监测技术，监测员使用铁锹等工具，在测区土壤中设定若干具有代表性的测点，挖取测点土壤样本，凭借自身工作经验，快速判断土壤物理条件和评价土壤质量。然而，目测评估法有着会破坏土壤原状结构、无法详细评价土壤质量、无法观察到土壤物理条件微小变化的局限。对此，可将目测评估法与其他环境监测技术相结合，根据目测评估结果来大体判断土壤质量与环境情况，为后续环境监测工作开展与技术方案制定提供思路。

1.5 声发射监测技术

声发射监测技术是在限定源区内四方储存应变能来形成频率在10～10 000 kHz的小震级体波，安装声发射（AE）传感器来捕获颗粒重排、晶粒规模运动、裂纹形成与固体表面摩擦过程中产生的声波信号，从而描述AE信号特征值与AE事件特征的一项监测技术。在土壤环境监测中，声发射监测技术多用于收集土壤介质中的液桥断裂、裂缝发育、力链释放、颗粒摩擦、颗粒胶结断裂、土壤纤维断裂等AE来源，实现对土壤环境中复杂生物活动的监测目的，如图2所示。

图2 土壤环境中的几种典型AE来源

例如，某土壤环境监测项目应用声发射监测技术来研究土壤温度对当地土壤覆盖作物芥菜生长期情况造成的影响，连续监测时间为74 d，芥菜种子根系生长至地层10 cm左右，根系没有定植在整个土壤中。监测结果表明，地层14 cm与28 cm处的土壤温度波动幅度为10.7～16.2 ℃，两个深度的土壤温度及变化情况基本一致，降雨期间出现土壤温度下降情况，且在土壤温度变化剧烈时间段，AE时间总计数增长趋势未出现明显变化，判断土壤温度变化与AE事件发生无直接影响[3]。

2 我国土壤环境监测技术的未来发展趋势

2.1 自动化发展

从技术应用情况来看，无论是早期的目视评估法、电阻率法，还是近年来推出的激光诱导击穿光谱法（LIBS），都存在自动化程度不足的问题，需要监测员手动操作仪器设备，完成样品采集、运输、实验室检测分析等工作。在这一背景下，要推动土壤环境监测技术的自动化发展，重点提高仪器设备的自动化水平，使其具备在无人干预、少人值守条件下自主完成土壤环境监测任务的能力，从根源上解决上述问题。例如，搭建自动土壤呼吸监测系统，在系统结构中安装测量范围在0～8.96×10-4、分辨率为1×10-6、读数偏差率在±1%以内、漂移率为0.6%的红外气体分析仪，安装测量范围在-20～50 ℃的土壤温度热电阻探头，接入4个及以上的土壤水分探头，水分探头测定范围在0%～100% vol，土体测量范围在55 mm×70 mm内，最大测定误差为3%。系统运行期间，自动采集土壤温度、湿度、CO2浓度等参数的现场监测信号，判断土壤中碳素周转速度和预测植物生长状态。相比传统的静态气室法，自动土壤呼吸监测系统有着运行稳定、无须人工干预监测过程、具备数据采集与运算分析等多项使用功能、参数监测值波动幅度小的优势，单点测量时间为8～12 s，在实际应用期间取得了极为显著的应用效果[4]。

2.2 痕量监测

当前，在部分土壤环境监测项目中，土壤中分布着大量的重金属污染物，此类物质有着较高毒性，如果未得到有效处理，将会严重污染土壤环境与周边水体，并对人体、畜禽的健康造成严重影响。对此，要在土壤环境监测技术体系中加入痕量监测技术，用于测定土壤样品中的痕量元素总浓度与元素分布状况，常用的痕量监测技术包括化学光谱法、分光光度法、极谱法、中子活化分析法、质谱法以及电感耦合等离子体质谱法。

2.3 广泛应用现场快速分析技术

部分土壤污染问题具有突发性，而常规土壤环境监测技术的操作流程复杂，很难在短时间内获取环境监测报告，不利于后续环境治理工作的快速开展。因此，要应用现场快速分析技术，通过配置新型仪器设备、简化操作步骤等方法，对常规环境监测技术进行优化改进。

2.4 抗干扰

激光诱导击穿光谱法、X射线断层扫描技术、遥感技术等监测技术在应用期间普遍会受到外部环境的干扰，使得监测精度下降。对此，要重点强化技术的环境自适应能力与抗干扰能力。以激光诱导击穿光谱法为例，可选择搭配使用磁场约束技术。在某磁场约束技术对激光诱导等离子体辐射特性影响的分析试验中，在塑料支架上固定安装一对长25 mm、高35 mm、宽20 mm的永久性磁铁，使用GBW-07411国家标准土壤粉末样品，在三维可调样品台上固定摆放圆片状土壤样品，在表面定点激光束，开展采谱操作，将单次采谱时间设定在21 s。随后，将脉冲重复频率、激光输出能量分别设定为10 Hz与200 mJ，分别将土壤样品元素谱线Ti I 498.173 nm、AI l 394.401 nm以及Fe I 430.791 nm设定为分析线，按顺序在0.3 T与0.5 T磁场强度条件下测量激光诱导等离子体的信噪比和发射光谱强度，再将测量结果与不具备磁场情况的测量值加以对比分析。试验发现，磁场约束技术可以明显提升光谱强度和信噪比，相比无磁场作用，在0.5 T磁场强度条件下，所采集土壤样品中的Ti元素光谱强度提升51.73%，Al元素光谱强度提升52.35%，Ba元素光谱强度提升40.26%，Fe元素光谱强度提升69.64%，样品物质成分检测能力得到显著强化[5]。