農(nóng)業(yè)面源和重金屬污染檢測技術設備研發(fā)與標準研制

鄭床木，毛雪飛，劉霽欣

（中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標準與檢測技術研究所，北京 100081）

農(nóng)田土壤是不可再生的資源，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎之一。隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量不斷下降。2014年首次全國土壤污染狀況調(diào)查顯示，耕地土壤點位超標率在4種不同土地利用類型中最高，達19.4%，其中重金屬超標點位數(shù)占全部超標點位數(shù)的85.8%。農(nóng)田面源污染和重金屬污染已影響現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展，威脅農(nóng)業(yè)生態(tài)安全，危害農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，引起各級政府和公眾的高度關注，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部出臺措施強化土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測，提出在2020年前實現(xiàn)土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測點位所有縣（市、區(qū)）全覆蓋。

開展農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測及評價預報，必須具備農(nóng)業(yè)面源和重金屬污染現(xiàn)場快速監(jiān)測設備，建立科學可行的監(jiān)測技術標準。我國農(nóng)田土壤基質(zhì)類型復雜、污染地域跨度廣、污染水平差異大，當前土壤中氮磷及重金屬監(jiān)測以實驗室儀器方法為主，無法滿足現(xiàn)場監(jiān)測需求?，F(xiàn)有X射線熒光光譜（XRF）及激光誘導擊穿光譜（LIBS）等重金屬現(xiàn)場監(jiān)測技術已有商品化產(chǎn)品，但關鍵部件國產(chǎn)化、模型譜庫、精確定量消除基體干擾等仍待解決，微等離子體光譜及電熱蒸發(fā)光譜（ETV）等重金屬現(xiàn)場監(jiān)測技術已形成了樣機，但消除基體干擾及多元素集成仍待提升。土壤氮磷速測設備已具備全量監(jiān)測能力，生物有效性表征、原位提取裝置和現(xiàn)場速測技術仍待優(yōu)化。此外，長期定位動態(tài)監(jiān)測布點技術及同類指標專項采集設備仍待建立。針對以上問題，2016年啟動實施的“農(nóng)業(yè)面源和重金屬污染農(nóng)田綜合防治與修復技術研發(fā)”國家重點研發(fā)計劃設置了“農(nóng)業(yè)面源和重金屬污染檢測技術設備研發(fā)與標準”共性關鍵技術項目，由中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標準與檢測技術研究所、中國科學院沈陽生態(tài)應用研究所、中國地質(zhì)大學（武漢）、鋼研納克檢測技術有限公司等13家國內(nèi)優(yōu)勢科研院所、高校與企業(yè)聯(lián)合承擔，以突破土壤復雜背景下重金屬監(jiān)測快速進樣及基體干擾消除與分析建模、氮磷生物有效性評價及快速監(jiān)測、現(xiàn)場布點及智能分析等關鍵技術，形成系列重金屬及氮磷現(xiàn)場監(jiān)測及樣品前處理設備、技術標準規(guī)范等，服務于農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境調(diào)查及農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境監(jiān)測、禁產(chǎn)區(qū)劃分、污染防治等，以提高監(jiān)測效率、降低檢測成本、提升監(jiān)測標準化水平，為我國生態(tài)文明建設提供強有力的技術支撐。

項目擬綜合利用XRF、LIBS和微等離子體技術，實現(xiàn)土壤中汞、鎘、砷、鉛等8種重金屬的現(xiàn)場快速篩查，滿足二級土壤限量指標；利用電熱蒸發(fā)、原子阱技術實現(xiàn)土壤重金屬現(xiàn)場非消解高靈敏分析，達到一級土壤限量指標要求；利用生物模擬原位主動提取和全光譜吸光度技術，實現(xiàn)土壤氮磷生物有效態(tài)現(xiàn)場快速檢測；研發(fā)長期定點調(diào)查儀及相關分析系統(tǒng)，提升污染監(jiān)測智能化分析水平。預期形成XRF、LIBS、微等離子體、非消解原子阱光譜土壤重金屬現(xiàn)場監(jiān)測與樣品前處理設備，土壤生物有效態(tài)氮磷原位提取檢測設備，土壤鹽分原位傳感器，便攜式動態(tài)長期定點調(diào)查儀等7種；光譜特征分析軟件和譜線庫1套、輔助信息系統(tǒng)1套、地理信息系統(tǒng)1套、配套軟件6套；制定污染物監(jiān)測儀器設備使用技術標準規(guī)范6～7項，形成在線監(jiān)測技術等標準草案/送審稿4項，現(xiàn)場原位監(jiān)測技術與設備將在京津冀、長三角、珠三角、湖南等典型污染類型區(qū)開展示范應用。項目技術路線見圖1。

項目以農(nóng)業(yè)面源和重金屬污染數(shù)據(jù)的準確、快速獲取為核心，設置農(nóng)田土壤氮磷有效態(tài)和重金屬污染現(xiàn)場快速檢測技術與監(jiān)測設備、污染動態(tài)長期定點調(diào)查儀及輔助信息系統(tǒng)、污染監(jiān)測技術標準與示范等三方面共五個課題。

（1）土壤重金屬XRF和LIBS快速檢測技術裝備研發(fā)與標準研制

建立準確的光譜—重金屬含量差異化定量校正模型并與儀器軟件耦合，研制2種便攜式土壤重金屬現(xiàn)場監(jiān)測設備，制定技術規(guī)范與標準，開展應用示范，重點解決二級土壤標準中砷、鉛、鉻、鋅、鎳、銅等重金屬指標的現(xiàn)場快速監(jiān)測，并實現(xiàn)XRF和LIBS在汞、鎘分析靈敏度上的突破。

（2）土壤重金屬微等離子體快速檢測技術與裝備研發(fā)

研制低功/氣耗的輝光放電微等離子體激發(fā)源，研制適于便攜式分析的進樣模塊以及其他小型化關鍵部件，建立土壤重金屬微等離子體速測方法，研發(fā)便攜式土壤重金屬微等離子體速測儀，制定技術規(guī)范與標準。

（3）基于電熱蒸發(fā)原子阱的土壤重金屬非消解檢測技術裝備研發(fā)與標準研制

研制固體土壤直接進樣的電熱蒸發(fā)系統(tǒng)，以及消除基體干擾的原子阱裝置，配套微原子吸收光譜儀，集成電熱蒸發(fā)—原子阱—原子吸收儀器系統(tǒng)與樣品前處理設備，制定技術規(guī)范與標準，開展應用示范，實現(xiàn)一級土壤中汞、鎘、砷、鉛的現(xiàn)場、快速、準確檢測。

（4）土壤生物有效態(tài)氮磷原位提取及檢測設備研發(fā)與標準研制

研發(fā)根系模擬液提取—主動吸杯捕獲快速提取技術，研制便攜式原位土壤氮、磷有效態(tài)提取裝置。集成光纖光譜、多通道樣品池和全光譜吸光度技術，建立氮磷生物有效態(tài)分析模型，研制土壤生物有效態(tài)氮磷原位提取及檢測設備，形成技術規(guī)范與標準，開展應用示范。

（5）土壤污染物動態(tài)長期定位調(diào)查儀及智能分析系統(tǒng)研發(fā)與應用示范

研究土壤面源和重金屬長期定位監(jiān)測布點優(yōu)化方法，形成長期定位監(jiān)測布點方案優(yōu)化技術；研制融合多源感知、基于位置服務技術（LBS）的便攜式長期定位調(diào)查儀，滿足現(xiàn)場智能化監(jiān)測分析；開發(fā)基于云地理信息系統(tǒng)（GIS）的農(nóng)業(yè)面源和重金屬污染監(jiān)測與智能化分析地理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)長期定位監(jiān)測點布局方案設計、監(jiān)測數(shù)據(jù)智能處理、重金屬污染評價、污染熱點區(qū)域識別、污染凈化預測、可視化表達及數(shù)據(jù)共享與服務等功能。

項目預期效益指標主要包括以下四個方面，一是產(chǎn)品技術水平：研制多臺套XRF、LIBS和微等離子體發(fā)射光譜速測儀，構建覆蓋《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》二級土壤重金屬限量指標的土壤重金屬現(xiàn)場快速篩查設備體系。針對土壤重金屬非消解高靈敏檢測需求，研發(fā)能夠滿足一級土壤限量要求的電熱蒸發(fā)原子阱非消解監(jiān)測設備。研發(fā)氮、磷生物有效態(tài)提取及檢測技術設備和動態(tài)長期定位調(diào)查儀，相關技術和產(chǎn)品緊跟或達到國外發(fā)達國家水平。二是成果科學價值：在新型濾光片、高效光源和實時光譜解析，高通量瞬態(tài)光譜采集和磁空間約束增強，以及高效樣品導入和微型等離子體源等方面實現(xiàn)技術突破，提升XRF、LIBS和微等離子體光譜的分析靈敏度和抗干擾能力。實現(xiàn)固體土壤非消解進樣和基體干擾消除，突破融合不同長期定位監(jiān)測點基礎、預設監(jiān)測點數(shù)和監(jiān)測目標等多重約束的監(jiān)測點優(yōu)化技術，形成便攜式長期動態(tài)調(diào)查儀，優(yōu)化區(qū)域污染調(diào)查監(jiān)測點布局。三是行業(yè)支撐預期：研發(fā)的現(xiàn)場監(jiān)測設備、調(diào)查儀及技術規(guī)范與標準將為構建滿足不同需求和層次的農(nóng)業(yè)環(huán)境快速監(jiān)測網(wǎng)絡提供軟硬件技術支持，落實《土壤污染防治行動計劃》提出的“2020年底前實現(xiàn)土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測點位所有縣（市、區(qū)）全覆蓋”提供監(jiān)測手段，服務于環(huán)境保護、農(nóng)業(yè)、國土資源等行業(yè)開展的環(huán)境調(diào)查。四是產(chǎn)業(yè)化前景：當前，在“土十條”和“土壤詳查”等工作推動下，土壤重金屬速測儀需求量巨大，市場容量3000臺以上。目前進口XRF、LIBS等設備的市價高達數(shù)十萬元，而國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品在土壤檢測方面力有未逮。實現(xiàn)該類儀器的國產(chǎn)代替，可實現(xiàn)經(jīng)濟價值數(shù)億元。同時，項目研制的速測儀檢測重金屬的成本有望控制在10元以下，每年將節(jié)約檢測經(jīng)費近億元。

圖1 項目技術路線圖