我国土壤环境监测技术的应用现状及发展趋势

赵 鑫，孙春花，沈 贤

（浙江安联检测技术服务有限公司，杭州 310052）

土壤污染是指进入土壤的有害物质超出土壤自净能力，致使土壤理化性质发生变化。土壤作为人类生存之本，遭受污染，不仅会影响农作物产量，还会对人体健康带来危害。土壤污染主要有三种来源。一是化肥，农业生产中长期、大量使用氮肥，致使土壤板结，土壤结构遭到破坏，影响农作物产量；二是农药，杀菌剂、杀虫剂、除草剂等农药的不规范使用导致大量农药沉积在土壤中，污染土壤中长出的农作物也带有农药，危害人体健康；三是固体废物，包括工业废物和生活垃圾。目前，我国土壤污染问题比较严重，不少耕地受到污染，每年有大量粮食遭受重金属污染，损失巨大。土壤污染具有隐蔽性、不可逆性和长期性，后果严重，特别是受重金属污染的土壤。近年来，全国土壤污染事件频发，造成恶劣的社会影响，充分印证了土壤污染后果的严重性。

1 土壤环境监测技术应用现状

土壤污染治理关系人体健康，关乎生态文明建设。近年来，我国已经认识到土壤保护的重要性，采取一系列措施加强土壤保护，修复污染的土壤。土壤环境监测技术通过了解土壤环境质量状况，为土壤修复提供参考。我国还发布《土壤环境监测技术规范》（HJT 166—2004），为土壤环境监测技术的实施提供规范支持。

1.1 3S 技术

3S 技术是遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS）的统称。遥感技术应用时，传感器作用巨大，向待测土壤中发射电磁波、接收反馈信号都由传感器完成。按照不同波段进行分类，遥感技术分为红外遥感、紫外遥感、微波遥感和多光谱遥感等。从探测波段来看，红外遥感一般为0.76 ～14.00 μm，紫外遥感一般为0.38 ～0.76 μm，微波遥感一般为1 ～1 000 mm，多光谱遥感一般处于可见光和红外遥感波段范围外。遥感技术具有不接触、监测范围广、实时动态监测等优势，其经常应用到土壤环境监测中。

随着全球定位系统、地理信息系统的应用，遥感技术和二者融合在一起形成3S 技术，不仅提高了土壤环境监测效率，还提高了监测数据的准确性，数据处理也具有集成化、可视化的特点，为土壤环境监测、数据处理、分析模拟和决策咨询等奠定了基础，这是传统遥感技术所不具备的，3S 技术各组成部分的关系如图1所示。

图1 3S 技术各组成部分的关系

在土壤环境监测中，3S 技术的各组成部分互相配合。遥感技术主要接收电磁波信息，并对接收的信息进行处理，以了解土壤的色调、形态等特征；地理信息系统基于地理位置信息将土壤所处的地理位置以可视化、动态化的形式呈现出来；全球定位系统具有定位、导航的功能，能够实现土壤位置的三维导航和空间定位，确定土壤的三维坐标。王冬等基于3S技术对磨子潭水土流失现象进行研究，通过Landsat TM/ETM 数据获取磨子潭近年来的土地覆盖和植被覆盖度，并结合数字高程模型，利用GIS 对磨子潭水土流失情况进行分析，为3S 技术应用提供了参考。

1.2 生物技术

生物技术是一种新兴环境监测技术，该技术利用生物中提取的微生物或细胞等对土壤环境进行监测。生物技术在土壤环境监测中的应用时间并不长，但已经展现出良好的应用效果。生物技术主要对土壤环境中的微生物、生物细胞等进行监测，并将监测结果上传到信息系统中，再通过数据分析了解土壤质量情况。目前常用的生物技术包括聚合酶链式反应（PCR）技术、芯片植入技术、生物大分子标记技术等。

PCR 技术是用于放大扩增特定的脱氧核糖核酸（DNA）片段的分子生物学技术，其可以看作是生物体外的特殊DNA 复制，只要从生物中分离出一点DNA，就能通过PCR 技术进行放大处理。当前，我国对PCR 技术的应用不断增多。刘燕等采用不对称PCR 技术对土壤中的肠道病原菌进行监测，首先通过该技术获得单链DNA，并对样品进行荧光标记，再进行寡核苷酸芯片杂交，和常规PCR 技术相比，不对称PCR 技术具有较高的监测效率。

1.3 水平定向钻进技术

水平定向钻进技术最早出现在美国，该技术一出现，就受到环保领域的广泛关注。水平定向钻进技术应用广泛，除了在各类地下管线铺设施工中应用外，土壤环境监测、石油钻进等领域也应用较多。可采用水平定向钻进技术（非开挖）在受污染的地下水、地层中铺设出水平土壤环境监测井管道，实现对土壤环境的监测，如图2 所示。水平定向钻进技术应用成本较低，在土壤环境监测中应用广泛。除了对土壤环境进行监测外，水平定向钻进技术在土壤环境治理中也有良好的应用。何计彬等研究了水平定向钻进技术在盐碱地治理中的应用，实践证明，该技术在土壤环境治理中有良好的应用效果。

图2 水平定向钻进技术工作原理

2 土壤环境监测技术的发展趋势

2.1 快速分析

土壤环境监测中，有时需要对土壤污染现场进行实时、快速的监测，在最短时间内了解土壤污染情况、土壤环境质量等，判断出土壤污染物的类别。当前已经有快速分析仪器用于现场快速分析。随着土壤污染治理需求的增加，现场快速分析需求将不断提升，土壤环境监测技术将朝着快速分析方向发展。快速分析仪器应满足小型化、复合化、易操作的要求，适用于多种土壤污染情况的快速分析。当前已有土壤墒情检测仪、土壤养分检测仪、土壤紧实度测定仪、土壤重金属检测仪（见图3）、土壤水分测定仪、土壤酸度检测仪和土壤测氡仪等，种类繁多，能够对不同土壤环境进行监测。这些仪器功能相对单一，而土壤环境问题可能并不单一，因此未来快速分析仪器将朝复合型方向发展，满足多种土壤因子的监测需求。

图3 便携式土壤重金属检测仪

2.2 痕量检测

土壤作为人类生存之本，土壤污染对人体健康构成较大的威胁。土壤污染具有隐秘性和长期性，有些有害物质浓度不高，却对人体健康有较大的影响，甚至危及生命安全。另外，土壤污染来源众多，每种土壤污染物并不都有较高的浓度，浓度不高的污染物需要借助高精度的监测分析才能发现。这就对土壤监测分析精度提出了新要求。痕量分析是一种测定样品中含量较低组分的方法，一般待测组分含量小于百万分之一时可以采用痕量分析方法，原子吸收光谱法、化学光谱法、分光光度法等是常用的痕量分析方法。在土壤环境监测中，要达到痕量分析的监测精度，可以采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）、超痕量分析法等。ICP-MS 是一种多元素分析技术，具有较高的检测灵敏度，高端ICP-MS 设备能够实现大部分元素的同时测定，即便分析物的浓度极低，也能进行测量，如图4所示。

图4 ICP-MS 设备

2.3 自动化监测

当前，我国很多地方开展的土壤环境监测属于事后监测，即发现土壤质量存在问题后才进行土壤环境监测，了解土壤污染源及污染程度，再采取措施进行治理。如果没有及时发现土壤污染，这种事后监测很有可能给人体健康带来潜在威胁。信息时代，开展事前监测、及早发现和预防土壤污染成为可能。随着大数据、云计算等技术的广泛应用，将这些技术应用到土壤环境自动监测中，构建土壤环境自动监测系统，能够实现土壤污染的预防。一旦监测到土壤环境指标出现异常，系统会自动发出警报，提醒相关人员采取应对措施。另外，土壤环境自动监测系统也能自动收集和分析土壤环境指标信息，为土壤污染治理提供可靠的数据支持。

3 结语

土壤作为人类生存和发展的基础，土壤污染治理关乎人体健康。为了减少土壤污染，要加强土壤环境监测，及时发现土壤环境污染源，明确污染程度，为土壤污染治理提供参考依据。当前，土壤环境监测技术较多，不同技术在土壤环境监测中得到不同的应用，随着大数据、云计算等技术的深入应用，在这些技术的支持下，土壤环境监测将朝快速分析、痕量检测、自动化监测的方向发展。