中外土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展?fàn)顩r

鞏玉玲 馮永軍

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東泰安 271018）お

摘要 歐美發(fā)達(dá)國家的土壤監(jiān)測起步較早，技術(shù)先進(jìn)成熟，尤其是利用高光譜遙感與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行土壤監(jiān)測的領(lǐng)域明顯領(lǐng)先于發(fā)展中國家。中國的土壤監(jiān)測技術(shù)雖然起步晚，但是在引入國外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，不斷對技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)問題，提出相應(yīng)的對策與建議，進(jìn)而提高完善土壤監(jiān)測技術(shù)。

關(guān)鍵詞 土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)；應(yīng)用與發(fā)展；問題與建議

中圖分類號(hào) SB151.9+5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 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

作者簡介 鞏玉玲（1989- ），女，山東泰安人，碩士研究生，研究方向：土地利用與規(guī)劃。*通訊作者，教授，博士，從事土地利用與規(guī)劃方面的研究。

收稿日期 20140531

土壤是陸地表面能生長植物的疏松表層，具有肥力，即持續(xù)和全面地提供植物生長所需的水、肥、氣、熱的能力。土壤資源是人類賴以生存和發(fā)展的極其重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來，各國在地質(zhì)調(diào)查過程中逐漸加大了對土壤環(huán)境的監(jiān)測與研究。與此同時(shí)，土壤監(jiān)測技術(shù)不斷改進(jìn)，從傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室化學(xué)檢測方法到現(xiàn)代高光譜遙感、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。國內(nèi)外在土壤監(jiān)測技術(shù)研究方面取得顯著成就，極大地促進(jìn)了對土壤環(huán)境的監(jiān)測與治理，從而為維護(hù)和改善土壤環(huán)境，為實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境持續(xù)發(fā)展提供了必要的技術(shù)支撐。

1 國外土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展?fàn)顩r

自20世紀(jì)60年代開始，美國首先展開了對土壤環(huán)境的監(jiān)測研究。隨后，歐盟相繼進(jìn)行了土壤背景值、農(nóng)用土壤環(huán)境、土壤污染等方面的研究工作。在此過程中，應(yīng)用并產(chǎn)生了一些新的針對不同土壤類型的監(jiān)測技術(shù)，建立了相應(yīng)的土壤監(jiān)測系統(tǒng)。

1.1 高光譜遙感技術(shù)在美國土壤環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用與發(fā)展

高光譜遙感是高光譜分辨率遙感（Hyperspectral remote sensing）的簡稱。它是在電磁波譜的可見光、近紅外、中紅外和熱紅外波段范圍內(nèi)，獲取許多非常窄的光譜連續(xù)的影像數(shù)據(jù)的技術(shù)。高光譜遙感技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于土壤環(huán)境的監(jiān)測與評(píng)價(jià)中。

從20世紀(jì)60年代起，美國地質(zhì)調(diào)查所為了建立土壤中元素的基線值，對各區(qū)域的土壤環(huán)境背景值開始進(jìn)行調(diào)查。該次研究工作共分2個(gè)階段進(jìn)行：第1階段（1961~1971年）共采集863個(gè)樣點(diǎn)樣品，主要采用光譜半定量技術(shù)；第2階段（1971~1984年）又補(bǔ)采了355個(gè)樣品，前后共分析約50種元素。到1988年，完成了對阿拉斯加州的土壤環(huán)境背景值的調(diào)查研究報(bào)告［1］。至此，美國完成了土壤環(huán)境背景值的調(diào)查研究。在土壤環(huán)境背景值調(diào)查研究階段中的數(shù)據(jù)采集以光譜技術(shù)收集土壤信息為主，同時(shí)以實(shí)驗(yàn)室化學(xué)實(shí)驗(yàn)為輔。在此階段，光譜技術(shù)主要用于土壤的分類與制圖，并且發(fā)展較為緩慢。

隨著科技的不斷創(chuàng)新，美國逐漸加大對光譜技術(shù)的研究開發(fā)，光譜分辨率逐步提高，由分辨率在10-1 λ數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)的多光譜遙感到分辨率在10-2λ數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)的高光譜遙感，再到今天的分辨率在10-3λ數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)的超光譜遙感。它是利用很多很窄的電磁波波段獲得非常窄且連續(xù)的波段圖像數(shù)據(jù)技術(shù)［2］。高光譜數(shù)據(jù)具有波段多、連續(xù)性好、分辨率高、數(shù)據(jù)信息量大、圖譜合一等特點(diǎn)。

美國最初土壤光譜學(xué)的研究主要集中于土壤光譜的測定和機(jī)理的研究，只是被廣泛地應(yīng)用于土壤的分類與制圖。直到20世紀(jì)80年代，在“3S”（RS、GIS、GPS）技術(shù)的支持下，利用成像光譜數(shù)據(jù)結(jié)合地面實(shí)測數(shù)據(jù)，建立起土壤質(zhì)量信息技術(shù)模型，從而對土壤質(zhì)量特征進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。同時(shí)，它還被廣泛地應(yīng)用于土壤環(huán)境監(jiān)測如土壤污染、土壤荒漠以及土壤侵蝕等分析。美國的“3S”技術(shù)應(yīng)用十分普遍。各大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室的“3S”技術(shù)不僅普及，而且應(yīng)用水平較高。美國土壤侵蝕較嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1992年美國土壤侵蝕平均786.85 ゞ/(hm2·年)，全國每年土壤侵蝕量69億t［3］。為了保護(hù)土壤，防止土壤侵蝕面積不斷擴(kuò)大，美國農(nóng)業(yè)部自然資源保護(hù)局運(yùn)用 “3S”技術(shù)開展全國土壤資源調(diào)查，并且進(jìn)行小流域調(diào)查與制圖。在此基礎(chǔ)上，美國國家土壤侵蝕研究實(shí)驗(yàn)室建立了諸如土壤侵蝕方程、評(píng)價(jià)土壤侵蝕模型、水蝕預(yù)報(bào)模型、風(fēng)蝕預(yù)報(bào)系統(tǒng)等［3］，從而為各種情況下土壤侵蝕預(yù)測和評(píng)價(jià)提供技術(shù)和方法支持。

在美國很多基礎(chǔ)信息的獲得都是免費(fèi)的，如用戶可無償獲得分辨率低于30 m的遙感資料，從而為新技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造有利條件。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在歐盟土壤監(jiān)測中的應(yīng)用和發(fā)展

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是指在環(huán)境中布置的傳感器節(jié)點(diǎn)以無線通信方式組成網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的采集，并且通過傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，最終由特定的匯聚節(jié)點(diǎn)接收，并且通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，是一種無人值守、大規(guī)模的分布系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可用于信息獲取與信息處理，具有廣泛的應(yīng)用前景。

2002年歐盟官方確認(rèn)當(dāng)前影響土壤質(zhì)量的因素主要有土壤鹽漬化、有機(jī)物含量下降、生物多樣性下降等［4］。由于土壤保護(hù)政策落后，對整個(gè)歐洲的土壤進(jìn)行監(jiān)測的系統(tǒng)較少，加之各國采樣、分析過程以及參考標(biāo)準(zhǔn)的差異，導(dǎo)致數(shù)據(jù)權(quán)屬糾紛、數(shù)據(jù)缺乏和數(shù)據(jù)矛盾現(xiàn)象的發(fā)生，致使近年來歐盟土壤研究進(jìn)展緩慢。為了將歐盟國家級(jí)土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一，建立評(píng)價(jià)土壤現(xiàn)狀的資料參考中心，并便于進(jìn)行有效地統(tǒng)一管理，歐盟施行了土壤環(huán)境評(píng)價(jià)監(jiān)測項(xiàng)目。歐盟土壤環(huán)境評(píng)價(jià)監(jiān)測項(xiàng)目是比較成熟的監(jiān)測項(xiàng)目，在監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建立、數(shù)據(jù)更新、指標(biāo)選取等方面建立了較為成熟的機(jī)制。該項(xiàng)目將歐盟成員國現(xiàn)有的土壤數(shù)據(jù)集成在一起，設(shè)計(jì)并實(shí)踐了在歐盟范圍內(nèi)可比的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)體系，為建立歐洲統(tǒng)一的土壤信息系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)［5］。

目前，歐盟大多數(shù)成員國都有各自的土壤監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，但是由于監(jiān)測方法各不相同，眾多數(shù)據(jù)無法統(tǒng)一且不具有可比性。土壤環(huán)境評(píng)價(jià)監(jiān)測項(xiàng)目的重大突破在于建立整個(gè)歐盟成員國的共享數(shù)據(jù)的監(jiān)測站，以達(dá)到數(shù)據(jù)統(tǒng)一可比的目標(biāo)。

現(xiàn)代土壤監(jiān)測技術(shù)在收集、更新土壤數(shù)據(jù)的過程中的作用日益增加，包括自動(dòng)取樣、智能取樣、持續(xù)取樣、非破壞性的空間顯示方法和遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用等［6］。其中，自動(dòng)取樣主要使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。歐盟在此次土壤環(huán)境評(píng)價(jià)監(jiān)測項(xiàng)目中充分利用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對土壤的溫度、含水率、pH等進(jìn)行在線監(jiān)測和分析，并獲得系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息。

隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，歐盟將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對土壤等對象進(jìn)行在線監(jiān)測。Kimy等［7］研究的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的農(nóng)田灌溉系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田土壤的濕度、溫度等參數(shù)的在線監(jiān)測和實(shí)時(shí)控制，從而提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

2 中國土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展?fàn)顩r

我國在土壤監(jiān)測方面雖然起步較晚，但近50年來發(fā)展迅速，取得重大進(jìn)展與突破。我國于20世紀(jì)80年代展開土壤背景值的檢測，主要采用分光光度法測量土壤中9種元素，通過監(jiān)測積累了大量土壤背景值數(shù)據(jù)，并展開了相關(guān)研究。隨著土壤監(jiān)測技術(shù)的不斷進(jìn)步與完善，中國在引入國外土壤監(jiān)測先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)不斷進(jìn)行更新。目前，在國內(nèi)發(fā)展較快的土壤監(jiān)測技術(shù)主要有遙感技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技┦醯?。?/p>

2.1 高光譜遙感技術(shù)在國內(nèi)土壤監(jiān)測的應(yīng)用和發(fā)展

遙感技術(shù)具有獲取信息量大、獲取信息速度快、周期短、受條件限制少等優(yōu)點(diǎn)，于1979年國內(nèi)開始將衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用于土壤資源環(huán)境領(lǐng)域的監(jiān)測。隨著土壤遙感研究的不斷深入，尤其是高光譜遙感的快速發(fā)展，土壤遙感進(jìn)入定量探測土壤物質(zhì)組分的研究階段［8］。

研究土壤內(nèi)各種物質(zhì)成分、特性及其運(yùn)動(dòng)過程是土壤學(xué)研究的重點(diǎn)方向之一。自20世紀(jì)80年代以來，成像光譜技術(shù)的出現(xiàn)為準(zhǔn)確而迅速地獲取土壤信息技術(shù)指標(biāo)提供了有力的支撐。高光譜遙感技術(shù)可以用來提供土壤表面狀況及其性質(zhì)的空間信息。高光譜遙感技術(shù)的出現(xiàn)為土壤環(huán)境監(jiān)測、土地質(zhì)量評(píng)價(jià)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)變量施肥、土地資源勘察、土壤分類填土以及基礎(chǔ)土壤學(xué)研究等方面發(fā)揮巨大作用［9］。

土壤環(huán)境監(jiān)測與評(píng)價(jià)始終是土壤學(xué)研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。通過土壤波譜分析，應(yīng)用高光譜遙感數(shù)據(jù)能較好地探測土壤表層或淺表層的性狀，并且結(jié)合相應(yīng)的野外采樣測量或?qū)嵉赜^察建立起各種不同類型的分析模型，對土壤機(jī)械組成、酸堿度、水、養(yǎng)分含量、礦物質(zhì)等參量、土肥狀況等實(shí)現(xiàn)定量觀測［10］。隨著國內(nèi)對高光譜遙感技術(shù)的深入研究，通過建立精準(zhǔn)模型，利用微分處理技術(shù)等對土壤中的有機(jī)質(zhì)、水分等進(jìn)行了成功反演。 與此同時(shí)，高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。自2003年起，中國科學(xué)院在高光譜遙感技術(shù)的支持下對青藏高原地區(qū)2003~2010年表層土壤水分進(jìn)行了成功反演［11］，從而為脆弱生態(tài)區(qū)土壤環(huán)境的監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)。

高光譜技術(shù)是目前國內(nèi)遙感技術(shù)發(fā)展的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。成像光譜儀擁有精細(xì)的光譜分辨率，能很好地反映地物光譜的細(xì)微特征，使得在光譜域內(nèi)進(jìn)行遙感定量分析和研究地物的化學(xué)成分成為可能［12］。遙感最終目的是能成功地反演所獲地物或大氣的各種參數(shù)信息，因此需要建立各種不同類型的模型。關(guān)于模型的反演方法研究，李小文等人都作了大量的工作，提出許多實(shí)用的方法和建議，對反演有重要的指導(dǎo)意義［13］。隨著高光譜遙感技術(shù)的不斷完善、改良，未來國內(nèi)土壤環(huán)境監(jiān)測的精確度會(huì)達(dá)到理想值。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在國內(nèi)土壤監(jiān)測的應(yīng)用和發(fā)┱

隨著發(fā)達(dá)國家對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的不斷深入，中國也逐步加大了對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的投入與研發(fā)。雖然國內(nèi)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)仍處于初步發(fā)展階段，但是經(jīng)過近幾年的研究與探索，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)取得重大突破，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，現(xiàn)階段可用于環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)、軍事領(lǐng)域、土壤監(jiān)測等。目前，國內(nèi)在土壤學(xué)研究方面將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于土壤信息的獲取，尤其是農(nóng)田土壤信息的獲得，并且取得了一定的成果和技術(shù)進(jìn)步。

基于無線傳感器的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，特別適合于對穩(wěn)定性低且位置差異性較大的土壤參數(shù)的監(jiān)測如土壤水分、土壤溫度等。目前，國內(nèi)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的土壤水分監(jiān)測技術(shù)已有了實(shí)驗(yàn)研究和初步應(yīng)用，但是實(shí)際應(yīng)用效果并不理想。這主要是因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)較強(qiáng)的應(yīng)用導(dǎo)向性。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，國內(nèi)研發(fā)了適宜農(nóng)田應(yīng)用的微型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)［14］。該節(jié)點(diǎn)不僅具有很強(qiáng)的抗干擾性和穩(wěn)定性，而且耗電量低，最大優(yōu)勢節(jié)點(diǎn)持續(xù)工作近800余天，很好地滿足了農(nóng)田土壤長期監(jiān)測的需求。現(xiàn)在，國內(nèi)一些專家學(xué)者將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)驗(yàn)研究中，為精準(zhǔn)施肥提供精確的數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，技術(shù)的不斷完善可將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)及環(huán)境惡劣的

土壤監(jiān)測之中，為了解該地區(qū)土壤特性、保護(hù)生態(tài)環(huán)境做出貢獻(xiàn)。

3 中國土壤監(jiān)測技術(shù)方面存在的問題

與發(fā)達(dá)國家相比，我國土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)、管理水平與國際先進(jìn)技術(shù)存在明顯差距。第一，中國土壤環(huán)境監(jiān)測工作起步晚，技術(shù)落后，尚未形成監(jiān)測體系。我國土壤環(huán)境分析設(shè)備落后，多數(shù)大中型監(jiān)測分析設(shè)備依靠進(jìn)口，國產(chǎn)土壤分析設(shè)備市場份額較小。因此，提高土壤環(huán)境分析方法、技術(shù)與設(shè)備體系是提升土壤環(huán)境監(jiān)測水平的迫切要求。第二，研究團(tuán)隊(duì)小，研究人員搭配不合理。目前，國內(nèi)土壤監(jiān)測技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)基本是導(dǎo)師加學(xué)生這種上下層的團(tuán)隊(duì)，知識(shí)流向基本是單向的，缺乏有效交流，致使技術(shù)的進(jìn)步與更新較緩慢［13］。第三，科研分配不合理。目前，只在中國科學(xué)院研究所和一些重點(diǎn)高校資金充足，購置了比較先進(jìn)的土壤監(jiān)測設(shè)備，一些項(xiàng)目的申請也容易得到支持。而一些院校資金有限，相關(guān)設(shè)備不能得到有效配置，導(dǎo)致先進(jìn)的土壤監(jiān)測技術(shù)不能得到廣泛應(yīng)用與發(fā)展。

4 對策

為了提高我國土壤監(jiān)測精度，改善傳統(tǒng)的土壤監(jiān)測技術(shù)，必須采取相應(yīng)措施。首先，在引入國外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，不斷提高自主創(chuàng)新能力，創(chuàng)新土壤監(jiān)測方法、技術(shù)與設(shè)備體系，建設(shè)支撐平臺(tái)，提升我國土壤環(huán)境監(jiān)測能力；其次，優(yōu)化科研隊(duì)伍配置結(jié)構(gòu)，改善我國人才培養(yǎng)方式，完善科研評(píng)價(jià)體質(zhì)，改善國內(nèi)科研條件與環(huán)境，吸引各國優(yōu)秀科研人員來華工作，加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)之間的學(xué)術(shù)交流與合作；再次，合理分配科研基金，增加少數(shù)科研機(jī)構(gòu)科研設(shè)備的共享力度，提高設(shè)備的利用率，逐步降低硬件因素對科研人員創(chuàng)新能力的限制；最后，在結(jié)合傳統(tǒng)的土壤檢測試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，合理利用新的監(jiān)測技術(shù)，提高土壤監(jiān)測精度。

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