土壤檢測的傳感器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

章瑋

摘 要：近數(shù)十年來，土壤性態(tài)空間變化監(jiān)測和定位土壤性態(tài)動態(tài)監(jiān)測的傳感器技術(shù)均有較快的發(fā)展。在土壤性態(tài)空間變化監(jiān)測方面，土壤濕度和溫度等物理性狀與土壤酸堿度、氧化還原電位和鹽分等化學(xué)性狀的傳感器技術(shù)研究較為成熟，養(yǎng)分和有機質(zhì)等的傳感器技術(shù)的研究較為薄弱，而生物學(xué)傳感器在土壤檢測上應(yīng)用的研究至今仍非常欠缺。在定位土壤性態(tài)動態(tài)監(jiān)測方面，已發(fā)展有衛(wèi)星、航空、無人機和地面平臺搭載的不同類型傳感器，涉及遙感和近地傳感二大類技術(shù)，但目前遙感和近地傳感技術(shù)對土壤的監(jiān)測主要基于經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，如何實現(xiàn)精準(zhǔn)檢測還存在很多關(guān)鍵問題需要研究。隨著新工藝與新材料（納米材料）的運用，土壤檢測傳感器將向微型化、仿生、智能、多功能化方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：土壤；傳感器；技術(shù)；發(fā)展

中圖分類號 S12；TP212 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）22-0142-04

Abstract：In recent decades，the sensor technology for monitoring the spatial and dynamic variations of soil properties has been developed rapidly. In the aspect of monitoring the spatial variation of soil properties，the sensor technologies of physical properties such as soil moisture and temperature and chemical properties such as soil acidity and alkalinity，redox potential and salt were mature，and the sensor technology about soil nutrients and organic matter was weak，while the research about application of biosensor on soil detection was lack. In the field of dynamic monitoring of soil properties，different types of sensors including satellites，aerial vehicles，unmanned aerial vehicles and ground platforms，which related to remote sensing and near-ground sensing，have been developed. However，at present，the monitoring of soil properties by the remote sensing and near-ground sensing technology was mainly based on empirical models. How to achieve accurate detection was still a problem. Key issues need to be studied. With the application of new technology and new materials （nanomaterials），soil detection sensors will be developed towards miniaturization，bionics，intelligence and multi-function.

Key words：Soil；Sensor；Technology；Development

土壤是重要的自然資源，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最為關(guān)鍵的物質(zhì)基礎(chǔ)，監(jiān)測土壤資源的數(shù)量和質(zhì)量對指導(dǎo)區(qū)域資源開發(fā)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重要的意義。近年來，隨著中國對自然資源保護力度和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的日益重視，監(jiān)測土壤資源的數(shù)量和質(zhì)量，已成為農(nóng)業(yè)和環(huán)保等部門的日常工作。土壤性態(tài)的監(jiān)測一般可分為土壤性態(tài)空間變化監(jiān)測和定位土壤性態(tài)動態(tài)監(jiān)測2種，前者主要是獲得同一時期土壤性態(tài)的空間信息，后者是了解某一特定區(qū)域土壤質(zhì)量隨時間的變化。傳統(tǒng)的土壤監(jiān)測主要依靠地面調(diào)查、取樣、實驗室化學(xué)分析，例如，中國近期進行的耕地地力調(diào)查、測土配方施肥和土壤環(huán)境質(zhì)量調(diào)查主要采用這一手段。但因傳統(tǒng)采樣分析周期長、成本高、過程復(fù)雜、實時性差、需消耗大量人力，很難進行大范圍、高頻率土壤信息調(diào)查。同時，實驗室分析所消耗的化學(xué)藥品最后部分將以污染物形式進入環(huán)境。為了解決這些問題，半個多世紀以來，國內(nèi)外研究者在土壤快速監(jiān)測的傳感器技術(shù)方面作了大量的探索，某些技術(shù)已形成了產(chǎn)品，并在小規(guī)?；蛐》秶鷥?nèi)進行了應(yīng)用。本文對土壤檢測的傳感器技術(shù)研究進行了回顧，并對今后發(fā)展的趨勢進行了展望。

1 定位觀察土壤的傳感器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

土壤是一個十分復(fù)雜的體系，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測中常常會涉及各種性狀的監(jiān)測。習(xí)慣上，土壤性狀可分為物理性狀、化學(xué)性狀和生物學(xué)性狀，相應(yīng)地土壤檢測傳感器也大致可分為物理、化學(xué)、生物等3類。物理類傳感器能感知被測對象的物理參數(shù)的變化，如溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器等；化學(xué)類傳感器能感知被測對象元素離子的變化，如pH電極。生物類傳感器主要基于生物電化學(xué)理論，能感知生物信息的變化，如酶傳感器等。由于土壤物理性狀比較適合用物理方法測定，因此一直以來土壤傳感器研究中最為關(guān)注的是物理性狀的檢測，其中，土壤濕度（水分）和溫度的監(jiān)測最受人們的重視，相應(yīng)的技術(shù)較為成熟[1-3]?；瘜W(xué)性狀的傳感器研究也已有一定的進展，關(guān)注較多的主要為土壤酸堿度、氧化還原電位和鹽分[4-6]，土壤養(yǎng)分和有機質(zhì)等的傳感器技術(shù)的研究較為薄弱；而生物學(xué)傳感器在土壤檢測上應(yīng)用的研究至今仍非常欠缺。

土壤水分檢測的傳感器技術(shù)研究是所有土壤性狀研究中報道最多的、也最為成熟的。按照測量原理，可分為時域反射型儀器（TDR）、時域傳輸型儀器（TDT）、頻域反射型儀器（FDR）、中子水分儀器（Neutron Probe）、負壓儀器（Tension meter）、電阻儀器（Resister Method）等類型[7-9]。TDR技術(shù)是基于土壤中水和其他介質(zhì)介電常數(shù)之間的差異來測定土壤中的水分，具有快速、便捷和能連續(xù)觀測土壤含水量的優(yōu)點。TDT技術(shù)也是基于土壤介電常數(shù)的差異性來測定土壤含水率的，但其主要考慮了電磁波在介質(zhì)中的單程傳播特點，通過檢測電磁波單向傳輸后的信號來達到檢測的目的。FDR技術(shù)的原理是插入土壤中的電極與土壤之間可形成電容，通過在某個頻率上測定相對電容（即介電常數(shù)）的方法可測量土壤水分含量。頻域法比時域法結(jié)構(gòu)更簡單，測量更為方便。中子儀應(yīng)用歷史已久，其由高能放射性中子源和熱中子探測器構(gòu)成，在土壤中快中子可迅速被水中的氫原子等介質(zhì)減速為慢中子，并在探測器周圍形成密度與水分含量相關(guān)的慢中子“云球”，探測器根據(jù)慢中子產(chǎn)生電脈沖來測定土壤含水量。電阻法常用多孔介質(zhì)塊石膏電阻塊測量土壤水分，因靈敏度低，當(dāng)前應(yīng)用較少。

溫度傳感器主要利用對溫度較敏感的電阻器件或半導(dǎo)體器件來進行非電量-電量轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)土壤溫度的連續(xù)測量，分為接觸式和非接觸式2大類。接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱溫度計；非接觸式的敏感元件與被測對象互不接觸。溫度傳感器主要有熱電偶傳感器、熱敏電阻傳感器、電阻溫度檢測器（RTD）、IC溫度傳感器[10]，其中IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型。熱電偶傳感器是由兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合而成，熱電勢是由接觸電勢和溫差電勢合成的，與兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體的性質(zhì)及在接觸點的溫度有關(guān)。熱敏電阻是敏感元件的一類，其電阻值會隨著溫度的變化而改變，可指示溫度的變化。電阻溫度檢測器是以電阻隨溫度的上升而改變電阻值的原理來進行溫度測量的。模擬溫度傳感器是一類電壓輸出型溫度傳感器；數(shù)字式溫度傳感器采用硅工藝生產(chǎn)的數(shù)字式溫度傳感器，后者具與溫度相關(guān)的良好輸出特性。此外，土壤緊實度的傳感器技術(shù)研究也較早，其主要基于壓力計原理來測定土壤緊實度，最后以電信息的方式表達結(jié)果。土壤緊實度傳感器在生產(chǎn)中已有較為廣泛的應(yīng)用。

土壤鹽分傳感器是把接入的被測溶液的電導(dǎo)值轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的線性電壓信號，以供計算機數(shù)據(jù)采集或儀器讀數(shù)，其主要部件是石墨電極和進行溫度補償用的熱敏電阻，將這種鹽分傳感器埋入土壤后，可直接測定土壤溶液中的可溶鹽離子（電導(dǎo)率）[11]。當(dāng)前，常用的土壤鹽分傳感器采用高精度模擬電路與數(shù)字算法電路相結(jié)合。pH傳感器是用來檢測被測物中氫離子濃度并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的可用輸出信號的傳感器，通常由化學(xué)部分與信號傳輸部分構(gòu)成。目前的土壤pH值傳感器多不支持在線檢測，因其持續(xù)使用時間一般不超過30min，否則會損害金屬電極表面。與pH傳感器相似，氧化還原電位傳感器的技術(shù)較為成熟，其主要由測量電極（測量氧化還原電位的鉑金電極）和參考電極（圍繞在測量電極的周圍）組成。近年來，多數(shù)產(chǎn)品已發(fā)展為pH值與氧化還原（ORP）組合傳感器，實現(xiàn)同時檢測pH值與氧化還原電位。

過去幾十年，離子敏感器件也有一定的發(fā)展，其由離子選擇膜（敏感膜）和轉(zhuǎn)換器2個部分組成，敏感膜用以識別離子的種類和濃度，轉(zhuǎn)換器則將敏感膜感知的信息轉(zhuǎn)換為電信號。離子敏場效應(yīng)管在絕緣柵上制作一層敏感膜，不同的敏感膜所檢測的離子種類也不同，從而具有離子選擇性。在實際測量時，含有各種離子的溶液與敏感膜直接接觸，在待測溶液和敏感膜的交界處將產(chǎn)生一定的界面電位，其強度與溶液中離子的活度有關(guān)。該類技術(shù)可用于鉀、硝氮、氨氮、磷、鈣、鎂、氯等離子的檢測[12]。但由于土壤溶液中存在許多離子，相互之間存在干擾作用，其檢測的靈敏度還有待完善。目前，離子傳感器技術(shù)比較適合含水量較高的水田和沼澤地，旱地土壤中離子的測定還存在一定的技術(shù)問題。

近年來，隨著社會各屆對農(nóng)田土壤重金屬污染的重視，有關(guān)土壤重金屬檢測的傳感器技術(shù)也有了一定的發(fā)展，涉及的方法包括激光誘導(dǎo)擊穿光譜法、X射線熒光光譜法、酶抑制法、免疫分析法和生物傳感器等[13-15]。其中，激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)是基于物質(zhì)等離子體發(fā)光來探測物質(zhì)成分的分析方法；X射線熒光光譜技術(shù)在重金屬快速監(jiān)測中具有優(yōu)勢明顯，但其具有較強的電離性，相關(guān)工作人員必須預(yù)先配備防護設(shè)備，以避免受到X射線的傷害。目前，光譜檢測技術(shù)尚不能實現(xiàn)現(xiàn)場土壤重金屬的快速檢測。土壤重金屬的酶抑制法、免疫分析法、生物傳感器等技術(shù)尚在探索之中。

2 土壤面上調(diào)查的傳感器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

與定位觀察土壤不同，土壤面上調(diào)查的對象不是一個點，而是調(diào)查整個區(qū)域的土壤信息，因而所采用的傳感器與上述定位觀察傳感器有著本質(zhì)的差別。一般把用于土壤面上調(diào)查的技術(shù)稱為土壤星地傳感技術(shù)[16]，主要有衛(wèi)星、航空、無人機和地面平臺搭載的不同類型傳感器；涉及遙感和近地傳感2大類技術(shù)，后者主要是利用田間傳感器來獲取土壤信息。

早在20世紀20年代航空光學(xué)遙感就已出現(xiàn)，這一時期美國就利用航空像片為輔助資料進行土壤調(diào)查。20世紀60年代出現(xiàn)了土壤光譜與X射線熒光光譜技術(shù)的研究與應(yīng)用；20世紀70年代已有人利用航空成像雷達進行土壤濕度監(jiān)測，出現(xiàn)了土壤電磁感應(yīng)技術(shù)。隨著1972年世界第一顆資源衛(wèi)星發(fā)射成功，衛(wèi)星遙感開始用于大面積土壤調(diào)查；20世紀90年代有人利用激光誘導(dǎo)擊穿技術(shù)用于土壤微量污染分析。進入21世紀，無人機遙感技術(shù)的快速發(fā)展推動了田間尺度的高分辨率土壤調(diào)查與制圖；同時，隨著現(xiàn)代材料、電子計算機等技術(shù)的快速發(fā)展，土壤近地傳感器研發(fā)成為土壤科學(xué)的研究熱點。

傳感器技術(shù)平臺屬性對遙感數(shù)據(jù)的時間分辨率、空間分辨率和可搭載傳感器類型有較大的影響。衛(wèi)星平臺一般在80km以上，航空平臺一般指80km以下的飛機和氣球，無人機平臺為無人駕駛的飛行器，地面包括野外靜態(tài)和車載動態(tài)測量2種。當(dāng)前應(yīng)用的傳感器有光譜成像儀、雷達傳感器、電磁感應(yīng)等，其中，光譜成像儀、雷達傳感器適用于多種平臺，電磁感應(yīng)一般僅適用于地面。衛(wèi)星遙感平臺的分辨率變化較大，從亞米級的高分辨率到大于100m的低分辨率，它們可分別滿足從田間小尺度、到區(qū)域甚至全球大尺度的土壤信息獲取。航空遙感的空間精度一般在米級以下，可以搭載衛(wèi)星上各類傳感器，也可同時搭載伽馬射線等無法在衛(wèi)星平臺上實現(xiàn)的傳感器。無人機平臺可搭載雷達掃描儀、光譜成像儀等，其能獲取10cm以下的高分辨率影像。衛(wèi)星遙感主要用于土壤類型、區(qū)域土壤問題等的探測，或通過獲取成土因素相關(guān)信息來輔助土壤制圖和監(jiān)測；航空遙感與無人機遙感可用于眾多土壤信息的探測。

目前，衛(wèi)星和航空遙感搭載的傳感器主要基于光學(xué)與輻射[17]，主要有光學(xué)遙感和微波遙感，可用于土壤質(zhì)地、有機質(zhì)、CEC、pH、水分、鹽分、溫度、礦物等的測定[17，18]；地面?zhèn)鞲衅鞯念愋洼^多，有基于光學(xué)與輻射的地面光譜儀、探地雷達、激光誘導(dǎo)光譜等傳感器設(shè)備，也有采用電與電磁的電導(dǎo)率儀、時域反射儀和頻譜反射儀等傳感器設(shè)備，還有條用電化學(xué)pH計、離子敏感晶體管等傳感器設(shè)備，第1類主要用于土壤質(zhì)地、有機質(zhì)、CEC、pH、水分、鹽分、溫度、礦物等的測定；第2類主要用于土壤質(zhì)地、有機質(zhì)、鹽分和水分的監(jiān)測；后者主要用于土壤pH值、硝酸鹽、營養(yǎng)元素等的監(jiān)測。

土壤面上調(diào)查的傳感器按照測量方式的不同，可以分為侵入式和非侵入式2種。土壤水分、有機質(zhì)、氮素、土壤結(jié)構(gòu)等，既可以采用侵入式，也可以采用非侵入式傳感器進行測量。土壤pH、土壤緊實度等一般采用侵入式傳感器測量，而電導(dǎo)率、土壤氣體組分等一般采用非侵入式傳感器進行測量。光學(xué)和輻射測量型的傳感器主要是利用電磁能所表現(xiàn)出的特征來對土壤特性進行分析，具有非接觸性、不受電子干擾、靈敏度高等特點。由于土壤組分很復(fù)雜，不同土壤物質(zhì)之間的光譜存在相互干擾，因此，目前土壤光譜探測技術(shù)的研究還處在數(shù)據(jù)預(yù)處理與預(yù)測模型的研究階段，正在探討的方法包括建立標(biāo)準(zhǔn)化光譜、建模的方法（多元線性回歸、主成分回歸、偏最小二乘回歸、回歸樹等線性模型和支持向量機、Cubist、隨機森林、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、局部加權(quán)回歸等非線性模型）及導(dǎo)數(shù)預(yù)處理提高野外光譜預(yù)測精度等3類。

近年來，微波遙感、探地雷達和電磁感應(yīng)技術(shù)也被應(yīng)用于土壤的探測。微波遙感的理論基礎(chǔ)是土壤介電特性與土壤水分密切相關(guān)，因而該技術(shù)主要應(yīng)用于土壤水分監(jiān)測及與水分相關(guān)的土壤鹽分和干旱度的監(jiān)測。探地雷達是以探察地下不同介質(zhì)的電磁性質(zhì)（介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率）的差異為物理前提的一種射頻電磁技術(shù)，可用于土壤隨深度性狀的變化。電磁感應(yīng)技術(shù)主要用于土壤水分、鹽分及黏粒等的監(jiān)測，在鹽分快速監(jiān)測方面具有獨特優(yōu)勢。

盡管近地土壤傳感器在野外快速測定的優(yōu)勢明顯，但該類技術(shù)對土壤的監(jiān)測與調(diào)查主要基于經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，在?yīng)用時會受許多因素的干擾。如何實現(xiàn)精度檢測還存在很多關(guān)鍵問題需要研究。

3 展望

傳感器技術(shù)作為信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)之一，是進入21世紀以來優(yōu)先發(fā)展的頂尖技術(shù)之一。信息化、智能化是今后農(nóng)業(yè)學(xué)科發(fā)展的重點，如何快速有效地獲取土壤信息，既是土壤科學(xué)的重要研究方向，也是傳統(tǒng)土壤理化測試分析向土壤野外實時監(jiān)測方向發(fā)展的重要技術(shù)支撐。從以上分析可知，傳感器技術(shù)在土壤物理性狀檢測方面發(fā)展較快，技術(shù)相對較為成熟。而對土壤化學(xué)性狀特別是養(yǎng)分的檢測方面，傳感器技術(shù)的發(fā)展還較為薄弱，其原因不僅僅是傳感器技術(shù)本身的原因，還與土壤學(xué)學(xué)科本身的基礎(chǔ)研究有關(guān)。傳統(tǒng)上，判斷土壤養(yǎng)分是否充足不是土壤養(yǎng)分的全量，而是養(yǎng)分的有效性，而后者常常采用化學(xué)試劑進行提取與測定的。當(dāng)采用傳感器監(jiān)測土壤養(yǎng)分時，就存在檢測什么替代指標(biāo)及替代指標(biāo)是否與植物生長存在相關(guān)性的問題。因此，發(fā)展適用于傳感器檢測的替代指標(biāo)也是土壤傳感器研究中不可缺失的重要研究內(nèi)容。

根據(jù)國際傳感器發(fā)展的狀況，可以預(yù)測未來土壤傳感器的主要增長將來自于光纖傳感器、MEMS微電子傳感器、仿生傳感器、電化學(xué)傳感器等新興傳感器[19-22]。同時，隨著新工藝與新材料（納米材料）的運用，土壤檢測傳感器也會向微型化、仿生、智能、多功能化方向發(fā)展。特別是新型傳感材料和傳感器的不斷出現(xiàn)，有可能研發(fā)新的穩(wěn)定性好、靈敏度高、能連續(xù)測試的土壤近地傳感器。

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（責(zé)編：張宏民）