土壤环境监测技术的现状及发展趋势探索

张媛媛

（陕西省环境调查评估中心，陕西 西安 710054）

现阶段，我国的土壤环境监测事业正处于升级转型的关键时期，但对于如何高效应用新问世的高光谱遥感、无线传感等高新技术手段，来推动土壤环境监测技术体系的创新优化发展，是准确、全面反映土壤环境质量的关键，也是维持生态系统稳定运行、改善受污土壤治理效果的重要举措，本文就此展开分析研究。

1 土壤环境监测技术的应用现状

1.1 高光谱遥感技术

（1）高光谱遥感属于遥感监测技术体系中的一项分支技术，通过连续性较窄光谱通道来监测土壤环境，并根据所收集的光谱波段信息分析结果来准确掌握土壤环境结构情况、测定土壤物质组分，如可准确区别高岭土与明矾石。此项技术起源于卫星遥感技术和成像光谱技术，是通过控制成像光谱仪来生成若干成像像元在10 nm区间内的成像波段，并把这类成像波段集中在同一光谱区内保持连续分布状态，且在探测地物时将所采集的连续光谱信号作为光谱曲线，再根据光谱曲线变化情况和波谱空间差异情况来准确描述的目标物，最终实现土壤监测的目的。

（2）根据实际应用情况来看，自2003年起，以中国科学院为首的多家机构单位都广泛应用了高光谱遥感技术，并在土壤环境监测、土壤分类填土、农业变量施肥、基础土壤学研究等多个领域中均取得了显著的应用成果，其监测结果中同时涵盖空间、光谱与辐射信息。此外，在土壤环境监测项目中，还可以运用高光谱遥感技术来完成土地覆盖监测、湿地资源监测、土壤重金属含量监测、植被污染监测等多项任务。

（3）相比于其他监测技术，高光谱监测技术的价值主要体现在，可强化地物分辨识别能力、增加成像通道、提取生物物理化学参数和定量分析四个方面。其一，在地物分辨识别方面，由于成像通道增多与光谱波段变窄，监测人员可通过观察波谱空间的变化情况来准确区分地物以及确定地物类别，这也是传统低光谱遥感技术无法做到的。其二，在增加成像通道方面，是通过可用成像通道数量的明显增多，使监测人员根据任务要求、监测项目类型来灵活选用光谱，并在一次作业中可识别分析大量的目标物，起到扩大技术的应用范围、简化监测流程的作用。其三，在参数提取方面，可在高光谱遥感监测结果中同时提取生物、化学、物理等层面的参数值，这样就摆脱了遥感技术监测范围的限制，如可用于完成森林资源监测等任务，实现了提取植被叶绿素a、纤维素等生化参数。其四，在定量分析方面，可依据准确数据等形式来展现监测结果，无需监测人员根据自身经验进行主观判断，是以量化分析方式取代传统定性分析方式，减小了人为因素对监测精度、结果真实性造成的影响。

1.2 无线传感器网络技术

（1）无线传感器网络技术起源于信息传感技术，本质上属于一类分布式传感网络，可在各处测点安装传感器装置，并将这类传感器视为土壤环境监测体系的“末梢神经”，也是通过传感器来持续采集周边土壤环境的温度、水分、二氧化碳浓度等参数的变量值，再依托通信基站，把现场监测信号上传至自动监测站或土壤环境监测系统后台，从而实现对测区范围内土壤环境状态的大体掌握。该系统可24 h进行监测，无需监测人员前往现场开展野外作业。相比于传统人工采样技术，无线传感器网络技术的应用明显减轻了监测的工作量，这非常有利于提高监测频率和消除监测盲区。同时，还可以帮助监测人员实时掌握测区内的土壤环境情况，可在第一时间发现并上报土壤污染问题，以此为农业活动、林业活动的开展提供信息支持[1]。例如，Intel公司在美国俄勒冈州一处葡萄园内搭建无线传感器网络，在园区内布置了大量传感器装置，而传感器的节点每隔1 min会采集一次数据，且传感器网络每隔1 h会更新一次土壤温度、土壤水分等参数数值，因此，相关人员就可以根据监测结果掌握土壤环境情况和葡萄藤生长情况，并将这些信息作为水肥管理依据，从而取得了显著的经济效益。

（2）此外，也可以依托无线传感器网络技术来打造自动监测站，主要是在监测站内配置土壤pH值传感器、温度传感器、二氧化碳传感器、湿度传感器、土壤水分传感器等多种类传感器，并由监测系统远程下达控制指令，而控制传感器则持续采集与上传现场监测信号，从而实现了土壤监测站的“无人值守”的目标。因此，监测人员仅需要定期巡查自动监测站的运行情况，调节传感器精度，以及在必要的情况下前往测区现场开展野外作业即可，无需在土壤监测站中安排值守人员。

1.3 水平定向钻进技术

水平定向钻进技术早在20世纪90年代时，便在土壤环境监测领域中得到了大规模的应用。在实际应用中，主要是由监测人员操纵钻机在测区内测点部位钻设孔洞，需在钻头后侧安装传感器，从而持续采集孔壁周边土体的环境参数，然后再将从钻孔内采集的土样送至实验室进行化验分析，同时，在孔洞内放置的传感器会连续性或不定期进行检测。根据实际应用情况来看，应用水平定向钻进技术，很好地解决了传统监测技术难以采集地表深层土样与监测深层土壤环境情况的技术难题。此外，水平定向钻进技术还可用于土壤环境治理项目，可搭配ISB原位生物注气、SVE土壤蒸汽抽取-注气法等土壤修复技术来实现治理目的。例如，搭配应用ISB法，先操纵钻机在受污染的土壤区域钻设适当孔径、孔深的孔洞，然后自孔洞向深层土壤中注入空气，以提供微生物生长繁殖所需的营养物质，促进微生物有效降解土壤中分布的污染物，这样既实现了土壤污染治理目的，又有效修复了深层受污染的土壤。

1.4 X射线断层扫描技术

该技术主要是采取向土壤环境发射X射线与同步接收返回射线的方法，且根据射线衰减的情况来判断土壤结构与各土层的情况，并在系统界面生成CT图像，然后从图像中提取有关土体团粒形状、微结构、土层孔隙的特征值，以此实现土壤环境监测目的。相比于传统的透射电镜、电子探针等技术手段，X射线断层扫描技术可以在不采集土样、破坏土壤原状结构的前提下，有效掌握表层与深层土壤的情况。该技术的优势在于可视化展现了土壤结构情况，准确描述了土壤微观结构，且操作流程较为简单。

1.5 声发射技术

该技术是在测区内安装单通道声发射仪等设备，启动仪器在测点附近形成小震级体波，以弹性波形式释放应变能，再由AE传感器接收声发射信号，再把声发射信号转为电信号后经过放大、机械噪声滤除处理、二次放大进行预处理后，加以分析，从中提取有关土壤环境结构与生物活动的特征量，如液桥断裂、颗粒摩擦、颗粒胶结断裂等，以此实现土壤环境监测的目的。此外，根据实际应用情况来看，声发射技术存在信号解释困难、发射源定位精度不足的局限性，所以，并未在多数土壤环境监测项目中得到广泛应用，而且，其功能定位是一项辅助监测技术，仅被用于少量土壤检测场景[2]。对此，在声发射技术基础的上，又推出了全新的超声导波测量技术。该技术充分利用了土壤声学特性和超声导波传播特性。其工艺过程是，监测人员先在测点处凿设若干洞穴，保持各洞穴深度等同，且在洞穴内放入激励传感器与接收传感器，然后启动激励传感器向土壤中发送声信号，再由接收传感器接收声信号，最后根据信号接收的时间差、距离差来计算传播速度，以此反映土壤结构状态。

1.6 电阻率技术

电阻率法属于电法勘探技术体系的一项分支技术，主要是通过观察人工建立的稳定电流场的分布规律，再按照不同岩石间的导电特性差异情况来检测土壤环境状态，这样可准确判断流体成分、含水率和岩石孔隙度等土壤物理性质。在土壤环境监测项目中，电阻率法的应用时间较长，自20世纪20年代起便得到了广泛应用。该技术有着无需采集土样，适用范围广与测量精度高的优点，但要求监测人员要把测定数值提交至实验室进行校准分析，其操作流程较为繁琐。因此，在应用此项技术时，为了保证结果准确，监测人员必须要严格按照技术规范开展各项操作，且需要提前准备感应极化发生器、比率欧姆表等工具。同时，还要在测点周边垂直打入多根接地桩，注意保持各根接地桩的等同间距，然后再通过导线连接前后接地桩，摇动比率欧姆表来测定电阻，最后根据电阻读取值和相邻桩体的间隔距离来计算土壤电阻率，或是根据电流极-电位极间距、电阻值和电位极距来计算土壤电阻率。

2 土壤环境监测技术的未来发展趋势

2.1 现场快速分析

在早期的土壤环境监测项目中，存在着监测流程复杂、时效性差的问题。这主要是因为要在测区采集土样，然后再把土样运输至实验室内进行化验分析，才能获得土壤监测结果。而且，对于应用高光谱遥感、射线断层扫描等技术，也需要在现场摆放仪器设备，并需要把仪器调试就位后才能进行一系列的操作与分析处理，最后根据分析结果才能掌握土壤环境情况，所以，这需要一定的时间，导致难以在短时间获取准确监测结果。对此，为了满足特殊情况下的土壤环境监测，需要提高对有关现场快速分析方面的监测技术的重视程度，可通过配置土壤快速分析仪、光离子化检测器、X射线荧光光谱分析仪等新型仪器设备，来简化监测流程步骤、缩短土壤监测时间。以上仪器的应用功能如下。

（1）土壤快速分析仪属于一种小型手提式仪器设备，是由液晶显示器、微处理器、内置热敏打印机等部分组成，主要用于完成土壤养分测定、肥料养分测定、重金属离子浓度测定等任务。在实际应用过程中，可选择配置400T型号或是LB-TYA型的土壤快速分析仪，其中，400T型仪器的线性误差与重复误差在0.3%、0.1%以内，而LB-TYA型仪器的线性误差与重复误差在3%、0.5%以内。

（2）光离子化检测器是一种便携式检测器，有着灵敏度高、体积小、可随身携带、连续测量的优势，在土壤监测项目中主要用于测定土壤中的挥发性有机物的浓度。该仪器还具备探头更换、土样自动称量、样品振动搅拌、打印检测报告等使用功能。

（3）X射线荧光光谱分析仪是一种识别土壤组分和测定微量元素含量的检测仪器，主要用于检测重金属离子的浓度。在实际应用中，先由仪器对土样发射特定波长X射线，而微量元素在受到射线照射时会保持激发状态，再由激发光子形成荧光射线，最后通过检测射线强度、波长，分别确定元素的含量与种类。

2.2 痕量分析

在早期的土壤环境监测项目中，由于采集的土样中的待测组分含量过低，且又受到被测组分的分布情况、人为操作等多方面的影响，很难检测出土样中的全部组分，实际监测精度有限，从而导致土壤环境监测结果与实际环境状况存在出入[3]。对此，为了进一步提高土壤环境的监测精度，实现准确测出土样的全部组分，就需要推动土壤环境监测技术向痕量分析方向发展，同时，还要积极应用化学光谱法、质谱法、原子吸收光谱法、中子活化分析法等痕量分析技术，具体内容如下。

2.2.1 化学光谱法

在应用该方法时，监测人员需提前对土样进行萃取、离子交换等预处理，以起到分离主体和富集杂质的作用。然后，再使用交流电弧光源对样品进行测定，也可选择使用高频电感耦合等离子体对样品进行光谱测定，这样就可以测出样品中的痕量杂质。

2.2.2 质谱法

在应用质谱法的过程中，监测人员是使用双聚焦质谱计来测定土样，且在磁场、电场的共同作用下，再根据质负荷比把运动状态离子进行分离、检测，以此准确测定土样中各类组分的分量、离子间相互关系、裂解规律以及化学结构。此项技术有着极高的灵敏度，可一次性测定土样中数十个元素的痕量浓度。

2.2.3 原子吸收光谱法

此项技术主要分为火焰原子吸收光谱和无火焰原子吸收光谱两种方法，主要是通过使用石墨炉原子仪器等设备来测定土样中的痕量元素，并使用碘钨灯等灯具来校正背景。所以，原子吸收光谱法主要用于测定土样中的重金属元素含量。

2.2.4 中子活化分析法

在实际应用该技术时，需要准备小型加速器，以促使同位素中子原与土样中测定元素进行核反应，且反应期间形成Y射线和放射性同位素，再使用探测器来分析射线能谱以及同位素放射性，进而测得痕量元素含量[4]。

2.3 向智能化发展

（1）在实际的监测过程中，当面对山涧沟谷、偏远山区等特殊区域时，由于交通不便、远离城市区域，如果采取传统的人工监测方式，不但无法保证监测的时效性，还将因此产生高昂的监测成本，会导致这类地区的土壤环境监测工作难以继续。对此，需要推动土壤环境监测技术的智能化发展，如在计算机系统的控制下，可自动向土壤采样器等装置设备远程下达控制指令，从而替代人工完成野外采样、土样化验分析等工作，同时，还要定期向系统上传准确的环境监测数据，以切实满足土壤环境监测的需要。

（2）为了实现以上目标，需要组合应用GIS空间分析、无线传感器网络、样品编码等多项技术手段，这样就可以由智能系统全过程的控制土壤监测质量，以此为监测数据的真实性、准确性、完整性提供一定保障[5]。例如，在点位布设环节，就可依托GIS空间分析技术来锁定测点，并识别、分析测点三维坐标的位置是否准确，有效避免了因错误采集土样而导致监测结果不具备代表性。而在样品编码环节，要实施“采测分离”制度，可由系统根据特定规则生成编码，然后把编码随机分配到所采集的土样上，使土样成为“盲样”，这样就可以最大程度地减小人为因素对土样监测结果造成的影响。此外，还可以在土壤环境监测系统中增设智能决策功能，可由系统根据所采集的环境监测数据来判断土壤的环境情况，而且，在检测到土壤环境恶化、污染程度加剧时，能自动提高传感器等终端感知设备的检测频率。

2.4 向大数据化方向发展

（1）近年来，随着信息化时代的到来，无线传感器网络等信息技术在土壤环境监测领域中得到了推广应用，促使土壤环境监测行业呈现出向自动化发展的趋势，同时，监测效率与时效性也得到了显著提升。然而，在土壤环境监测过程持续产生海量数据的前提下，如果仍由监测人员进行统计、处理实时数据，不但会加重工作负担，也降低了监测效率，还有可能会出现数据漏算、错算等问题，最终导致土壤环境监测结果不具备实际的参考价值。对此，必须推动土壤环境监测技术的大数据化发展，帮助人工完成信号转换、数据统计、图表生成等基本任务，如每隔一段时间系统会自动生成土壤环境评级报告，以此减轻了工作负担，提高了监测效率。而且，还可以在大数据平台上设定土壤pH值、重金属离子浓度、有机质浓度、农药残留量等项目的额定值，可由平台自动对比实时监测值与额定值，并且，在监测值超标时会自动发送预警信号，此时监测人员就可以根据预警报告内容，快速掌握污染点位以及土壤环境的受污染情况[6]。此外，凭借大数据平台卓越的运算分析能力，监测人员还可以在平台上开展环境预测试验，可根据历史监测数据和实时监测数值，来预测未来一段时间的土壤环境状态，这样就能提前发现可能出现的土壤污染问题，以及初步判断土壤污染过程，而预测结果就可以作为制定土壤环境治理方案的主要依据。

（2）在土壤监测过程中，为了取得理想的技术应用效果，需要以分类采集、集成共享作为大数据土壤环境监测技术的重点发展方向。具体工作过程如下：

第一，在分类采集方面，需要建立若干类型的数据库，如结构化数据库、半结构化数据库等，主要是为了在环境监测数据上传至系统后台时，要对数据属性状态、数据关联性进行分析，并按照分析结果，把数据导入相应的数据库中存储，这样可有效避免因多类型数据的混杂处理而出现数据冲突、数据库瘫痪、数据丢失等问题。同时，还要把土壤环境监测数据分为温数据、冷数据、热数据，其中，温数据是高访问率和上一周期采集的监测数据，而冷数据是使用频率较低的历史数据，热数据则是当期采集数据。

第二，在集成共享方面，要构建区域性、全国性的土壤环境监测系统，且在上级系统内要接入各地的土壤环境监测系统，同时保持上下级系统的信息互通状态。而监测人员就可以根据工作需要随时调取其他地区的土壤环境监测数据作为参考借鉴。此外，还可以在充足数据样本的基础上开展土壤环境预测、环境质量评级等工作，并由系统根据实际情况来制定土壤环境监测方案，从而协助选择最佳监测技术种类。

3 结语

综上所述，土壤环境监测技术的日趋完善，为我国的环境监测事业提供了全新的发展契机，同时，在各项技术的应用期间也会面临全新的挑战。因此，监测机构与相关技术人员必须加大对土壤环境监测技术的研究力度，以及深入了解各项技术的工作原理与注意事项，并根据项目的实际情况与土壤监测要求来选择技术种类，从而有效推动土壤环境监测技术向着现场快速分析、痕量分析、智能化以及大数据化的方向发展。