土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

摘要：土壤環(huán)境污染是當(dāng)前污染的主要問(wèn)題之一，客觀、準(zhǔn)確的環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果是保障土壤環(huán)境保護(hù)工作的基石。本文簡(jiǎn)述了國(guó)內(nèi)外土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。我國(guó)通過(guò)引進(jìn)國(guó)外技術(shù)的同時(shí)創(chuàng)新改造，優(yōu)化土壤監(jiān)測(cè)技術(shù)，幫助環(huán)保部門(mén)及時(shí)、全面地了解土壤環(huán)境的情況，為推進(jìn)土壤環(huán)境的監(jiān)測(cè)與保護(hù)打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：土壤;環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)

中圖分類號(hào)：X833 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2019）10-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.10.085

Abstract： Soil environmental pollution is one of the main problems of current pollution. Objective and accurate environmental monitoring results are the cornerstone of soil environmental protection work. This paper briefly describes the development and application of soil environmental monitoring technology at home and abroad. China introduces foreign technologies and simultaneously innovates and optimizes soil monitoring technologies to help environmental protection departments understand the soil environment in a timely and comprehensive manner， laying a solid technical foundation for promoting the monitoring and protection of soil environment.

Key words：Soil;Environmental monitoring technology

1 國(guó)外土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

20世紀(jì)60年代以來(lái)，美國(guó)和歐盟相繼展開(kāi)了土壤環(huán)境的監(jiān)測(cè)研究，對(duì)土壤的背景值、污染情況等進(jìn)行了系統(tǒng)全面的研究。在此期間，眾多土壤監(jiān)測(cè)技術(shù)也逐步推出和發(fā)展，幫助歐美發(fā)達(dá)國(guó)家建立系統(tǒng)性的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

高光譜分辨率遙感技術(shù)，是一種在可見(jiàn)光以及近、中、熱紅外等多個(gè)電磁波段范圍內(nèi)獲取多個(gè)窄光譜連續(xù)影像數(shù)據(jù)的技術(shù)，建成高光譜遙感技術(shù)，在土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)估中被廣泛應(yīng)用。該技術(shù)發(fā)展于20世紀(jì)60-80年代美國(guó)調(diào)查土壤環(huán)境背景值的研究過(guò)程。通過(guò)光譜技術(shù)同時(shí)輔以化學(xué)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)法完成采集土壤信息的采集，這個(gè)過(guò)程中，光譜技術(shù)為土壤的分類和制圖工作提供重要的技術(shù)基礎(chǔ)。隨著美國(guó)大力發(fā)展光譜技術(shù)的創(chuàng)新和開(kāi)發(fā)，光譜遙感分辨率也經(jīng)歷了多光譜遙感、高光譜遙感、超光譜遙感的跨越式進(jìn)步。高光譜技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)連續(xù)性佳、分辨率高、數(shù)據(jù)量大、圖譜信息合一等眾多優(yōu)點(diǎn)讓其在土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)中被廣泛應(yīng)用。光譜學(xué)技術(shù)在土壤研究中主要用于測(cè)定土壤的光譜并輔助分析機(jī)理，在土壤分類與制圖工作中應(yīng)用十分廣泛，但技術(shù)發(fā)展較慢。到20世紀(jì)80年代，3S技術(shù)（RS、GIS、GPS）的出現(xiàn)使光譜數(shù)據(jù)和地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，建立土壤的質(zhì)量信息系統(tǒng)的模型，實(shí)現(xiàn)土壤質(zhì)量檢測(cè)評(píng)價(jià)的量化。利用3S技術(shù)，美國(guó)環(huán)保部門(mén)對(duì)全國(guó)的土壤環(huán)境進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)查，美國(guó)土壤侵蝕研究機(jī)構(gòu)也建立了多種類型的土壤侵蝕模型，為土壤侵蝕的評(píng)估和預(yù)測(cè)提供了有力的技術(shù)支持。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ WSN）也是土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要技術(shù)之一。通過(guò)布置在環(huán)境中的大量傳感器節(jié)點(diǎn)將環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的特定匯聚節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息無(wú)人化、規(guī)?；?、分布式采集和回傳分析。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在信息的采集和處理方面有廣闊的應(yīng)用前景。2002 年歐盟官方確認(rèn)當(dāng)前影響土壤質(zhì)量的主要因素，為了加強(qiáng)土壤環(huán)境保護(hù)，歐盟國(guó)家建立統(tǒng)一化土壤監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)參考中心，實(shí)行土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目。該項(xiàng)目通過(guò)建立體系化的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)更新和目標(biāo)選取機(jī)制，為建立歐洲統(tǒng)一的土壤環(huán)境信息數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，解決了過(guò)去數(shù)據(jù)缺乏和數(shù)據(jù)權(quán)屬糾紛等問(wèn)題，推動(dòng)歐盟土壤監(jiān)測(cè)統(tǒng)一化高效化管理，推動(dòng)土壤環(huán)境研究快速發(fā)展。該項(xiàng)目的另一個(gè)重大突破在于建立了歐盟各國(guó)的土壤數(shù)據(jù)共享監(jiān)測(cè)站，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一化。

土壤環(huán)境數(shù)據(jù)的收集、更新和分析技術(shù)是現(xiàn)代土壤監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)關(guān)鍵方向。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析土壤溫度、含水量、酸堿度等基礎(chǔ)信息，幫助農(nóng)田管理者實(shí)時(shí)有效監(jiān)測(cè)和控制土壤情況，科學(xué)及時(shí)地對(duì)農(nóng)田進(jìn)行施肥、澆水等干預(yù)處理，提升農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率。

2 我國(guó)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

我國(guó)土壤監(jiān)測(cè)工作起步于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，也取得了很大的技術(shù)進(jìn)步。20世紀(jì)80年代，我國(guó)檢測(cè)了土壤背景值數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了相關(guān)研究。除了自主研究，我國(guó)也引進(jìn)了大量國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，經(jīng)過(guò)自主改進(jìn)和研發(fā)優(yōu)化，我國(guó)在遙感技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速，為土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和高效性提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，推動(dòng)土壤環(huán)境監(jiān)管和保護(hù)工作高效率發(fā)展。

1979年，衛(wèi)星遙感技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用在我國(guó)的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，現(xiàn)在遙感技術(shù)已經(jīng)可用來(lái)定量地監(jiān)測(cè)土壤物質(zhì)組成，而土壤成分、特性及其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程是土壤學(xué)重點(diǎn)研究方向。高光譜遙感技術(shù)為精準(zhǔn)、快速監(jiān)測(cè)土壤環(huán)境、評(píng)價(jià)土地質(zhì)量提供了有利的技術(shù)支撐，為科學(xué)施肥、農(nóng)田標(biāo)準(zhǔn)化精細(xì)化管理、土壤資源勘查、土壤學(xué)研究等方向的工作做出了巨大貢獻(xiàn)。我國(guó)利用高光譜遙感技術(shù)支持土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)的成功范例有很多。中科院利用該技術(shù)成功反演了青藏高原2003-2010年的表層土壤水分，實(shí)現(xiàn)了對(duì)脆弱生態(tài)區(qū)域土壤的監(jiān)測(cè)的突破性成功。高分辨力的成像光譜儀能夠清晰刻畫(huà)地表物質(zhì)的特性，使得通過(guò)遙感技術(shù)可用于分析地物或大氣的化學(xué)成分。高光譜遙感技術(shù)的進(jìn)步將推動(dòng)土壤監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度不斷提升，推動(dòng)土壤環(huán)境管理統(tǒng)一化、高效化發(fā)展。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家不斷深入，我國(guó)的該技術(shù)的研究和應(yīng)用仍處于起步階段，但近年來(lái)已經(jīng)取得了重大突破，無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)用于我國(guó)的土壤監(jiān)測(cè)、軍事監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域?，F(xiàn)在我國(guó)已經(jīng)初步研發(fā)出用于監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性低、環(huán)境差異性較大區(qū)域的土壤水分和溫度的系統(tǒng)。值得注意的是，我國(guó)研發(fā)了一種微型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)具有高穩(wěn)定性、抗干擾、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于農(nóng)田土壤環(huán)境的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中。該技術(shù)在農(nóng)田中的應(yīng)用，將有助于推動(dòng)農(nóng)業(yè)科學(xué)化、精準(zhǔn)化管理，通過(guò)精準(zhǔn)施肥、澆水，管理農(nóng)田，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤的改善，同時(shí)提升農(nóng)田作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，為生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自動(dòng)化、規(guī)?；奶攸c(diǎn)可以幫助我們對(duì)偏遠(yuǎn)和環(huán)境惡劣的地區(qū)實(shí)施有效的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)。通過(guò) 結(jié)合遙感基礎(chǔ)、3S技術(shù)，可以幫助實(shí)現(xiàn)土壤環(huán)境信息的高密度、多維度采集，并集合多學(xué)科的分析處理技術(shù)，使得土壤環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、分析、管理實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化管理，使我們能夠全面及時(shí)地把握甚至預(yù)測(cè)土壤環(huán)境狀態(tài)，提升環(huán)境監(jiān)管和環(huán)境保護(hù)的工作效率。

除了遙感技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，我國(guó)的現(xiàn)代生物技術(shù)在土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展也較為迅速。通過(guò)生物傳感器、生物探針等可以對(duì)土壤環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，且生物技術(shù)可以通過(guò)基因工程來(lái)治理土壤環(huán)境中的生物。另外，生物大分子標(biāo)記物、PCR技術(shù)、凝膠電泳技術(shù)、生物芯片的應(yīng)用也在土壤成分檢測(cè)中發(fā)揮著重要作用。除此之外，激光溶蝕技術(shù)、電感耦合技術(shù)等物理化學(xué)技術(shù)也廣泛應(yīng)用于土壤化學(xué)物質(zhì)的檢測(cè)，為土壤環(huán)境污染的檢測(cè)和治理提供科學(xué)準(zhǔn)確的檢測(cè)支持。另外，水平定向鉆進(jìn)技術(shù)也幫助土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中定向穿越障礙物，實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)到達(dá)采樣地點(diǎn)，提升土壤采樣和監(jiān)測(cè)效率。

3 土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)的問(wèn)題與對(duì)策

我國(guó)的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)工作相比與發(fā)達(dá)國(guó)家存在的問(wèn)題主要集中在三個(gè)方面：監(jiān)測(cè)技術(shù)相對(duì)落后、環(huán)境監(jiān)測(cè)制度體系存在缺陷、缺少高素質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)和管理人才。

我國(guó)的現(xiàn)代土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)和發(fā)達(dá)國(guó)家仍有一定差距，監(jiān)測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定性和質(zhì)量仍待提高，環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化管理仍待提高。另外，土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)體系不夠完善，土壤環(huán)境保護(hù)和監(jiān)督的方案不明確，使得環(huán)境保護(hù)工作的執(zhí)行不足。另外，監(jiān)測(cè)污染物的種類并不能完全覆蓋當(dāng)前的污染排放物，污染物種類、特征的不明確將帶來(lái)環(huán)境監(jiān)管不全面、不徹底的結(jié)果，不利于實(shí)現(xiàn)全面的土壤環(huán)境生態(tài)的治理和保護(hù)。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，土壤環(huán)境變化的復(fù)雜性和特殊性越來(lái)越高，需要高素質(zhì)的人才支持土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理工作，當(dāng)前的相關(guān)人才的配置和培養(yǎng)不到位，部分人員的專業(yè)能力無(wú)法應(yīng)對(duì)土壤監(jiān)測(cè)崗位工作的要求。影響土壤環(huán)境的監(jiān)測(cè)和保護(hù)效率。

科學(xué)準(zhǔn)確地進(jìn)行土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理，應(yīng)該加大土壤監(jiān)測(cè)技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)的投入，引入先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行改造創(chuàng)新，打造土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)的技術(shù)共享交流平臺(tái);完善環(huán)境污染物名錄，建立全面體系化的環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理方案;加大環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域人才培養(yǎng)和人才引進(jìn)力度，合理配置科研資源和人才隊(duì)伍，加強(qiáng)國(guó)際交流協(xié)作，為科學(xué)治理土壤環(huán)境提供強(qiáng)有力的技術(shù)、制度、人才支持。

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收稿日期：2019-08-17

作者簡(jiǎn)介：羅曉艷（1973-），女，漢族，本科學(xué)歷，環(huán)保工程師，研究方向?yàn)檫^(guò)程裝備與控制工程。