王 惠,楊 慧
(石嘴山市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站,寧夏 石嘴山 753000)
目前,我國土壤環(huán)境監(jiān)測技術主要有5種,即電阻率法、遙感技術、X射線斷層掃描技術、目測評估法和聲發(fā)射監(jiān)測技術。本文分析了我國土壤環(huán)境監(jiān)測技術的應用現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢,以便更好地完成土壤環(huán)境監(jiān)測任務,明確土壤結構變化情況與土壤內(nèi)部生物活動規(guī)律。
應用電阻率法時,要配置比率歐姆表、單平衡變壓器、感應極化發(fā)送器及接收器等設備。工作人員在測區(qū)土壤中垂直打入4根圓鋼等接地樁,將打入深度控制在15 cm左右,保持各接地樁間距相同,被測接地體與電流極、電壓極與電流極均保持20 m間距[1]。隨后,按打入順序,使用導線將前后接地樁相互連接,按120 r/min速度搖動搖表來測量電阻值,將讀取測值導入式(1)中。同時,在電極間距超過40 m的特殊情況下,應采取電阻率法中的非等距法,在相應電流極軸線區(qū)域布置電位極,用于測量電位差值,計算公式如式(2)所示,布置方式如圖1所示。
圖1 非等距法的電極布置方式
式中:p1為土壤電阻率;p2為電位差值;a為相鄰接地樁的間距;R為搖表讀取電阻值;c為電流極和電位極的間距;d為電位極距。
在土壤環(huán)境監(jiān)測中,遙感技術(RS)是通過傳感器向測區(qū)土壤結構發(fā)射電磁波與接收反饋信號,或是接收指定目標反射電磁波與太陽輻射進行分析的一項監(jiān)測技術。常用的遙感技術包括多光譜遙感、紅外遙感、紫外線遙感以及高光譜遙感等技術,可按照波段進行分類。從實際應用情況來看,遙感技術有著監(jiān)測范圍大、信息獲取量多、工效高的優(yōu)勢,多用于完成大比例尺土壤環(huán)境監(jiān)測任務,實現(xiàn)對有機質組分、土壤水分等多項要素的精準監(jiān)測。此外,在現(xiàn)代土壤環(huán)境監(jiān)測中,遙感技術(RS)普遍與全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)搭配使用,組成“3S”技術。其中,遙感技術負責接收地球表層地圖的電磁波信息,對其進行掃描、傳輸、處理操作,用于反映各處區(qū)域土壤環(huán)境的色調(diào)、形態(tài)、紋理等特征差別。地理信息系統(tǒng)負責分級分層管理地理信息,提供信息可視化呈現(xiàn)、在線查詢、修改、輸出等多元化服務,動態(tài)呈現(xiàn)土壤環(huán)境監(jiān)測信息的變化過程。全球定位系統(tǒng)具備強大的三維導航與空間定位能力,負責提供監(jiān)測目標的三維坐標值[2]。
X射線斷層掃描技術是一項無損監(jiān)測技術,可以在不破壞土壤原有結構的情況下向土壤結構中發(fā)射與接收X射線,X射線在穿越土壤結構不同物質時出現(xiàn)衰減,將所接收信號進行放大、模數(shù)轉換與空間解算處理后,即可繪制成描述土壤結構斷面的數(shù)字圖像。相比遙感技術、掃描電子顯微鏡(SEM)圖像法等監(jiān)測技術,X射線斷層掃描技術既可以有效監(jiān)測土壤表面與內(nèi)部結構情況,還可以采取定量方式來描述土壤微觀結構,如監(jiān)測黃土層的顆粒集合體與大孔隙的分布情況。此外,為強化X射線斷層掃描技術的電子計算機斷層掃描(CT)圖像定量分析能力,可選擇基于SEM來建立訓練樣本。
目測評估法是一項操作最為簡單的土壤環(huán)境監(jiān)測技術,監(jiān)測員使用鐵鍬等工具,在測區(qū)土壤中設定若干具有代表性的測點,挖取測點土壤樣本,憑借自身工作經(jīng)驗,快速判斷土壤物理條件和評價土壤質量。然而,目測評估法有著會破壞土壤原狀結構、無法詳細評價土壤質量、無法觀察到土壤物理條件微小變化的局限。對此,可將目測評估法與其他環(huán)境監(jiān)測技術相結合,根據(jù)目測評估結果來大體判斷土壤質量與環(huán)境情況,為后續(xù)環(huán)境監(jiān)測工作開展與技術方案制定提供思路。
聲發(fā)射監(jiān)測技術是在限定源區(qū)內(nèi)四方儲存應變能來形成頻率在10~10 000 kHz的小震級體波,安裝聲發(fā)射(AE)傳感器來捕獲顆粒重排、晶粒規(guī)模運動、裂紋形成與固體表面摩擦過程中產(chǎn)生的聲波信號,從而描述AE信號特征值與AE事件特征的一項監(jiān)測技術。在土壤環(huán)境監(jiān)測中,聲發(fā)射監(jiān)測技術多用于收集土壤介質中的液橋斷裂、裂縫發(fā)育、力鏈釋放、顆粒摩擦、顆粒膠結斷裂、土壤纖維斷裂等AE來源,實現(xiàn)對土壤環(huán)境中復雜生物活動的監(jiān)測目的,如圖2所示。
圖2 土壤環(huán)境中的幾種典型AE來源
例如,某土壤環(huán)境監(jiān)測項目應用聲發(fā)射監(jiān)測技術來研究土壤溫度對當?shù)赝寥栏采w作物芥菜生長期情況造成的影響,連續(xù)監(jiān)測時間為74 d,芥菜種子根系生長至地層10 cm左右,根系沒有定植在整個土壤中。監(jiān)測結果表明,地層14 cm與28 cm處的土壤溫度波動幅度為10.7~16.2 ℃,兩個深度的土壤溫度及變化情況基本一致,降雨期間出現(xiàn)土壤溫度下降情況,且在土壤溫度變化劇烈時間段,AE時間總計數(shù)增長趨勢未出現(xiàn)明顯變化,判斷土壤溫度變化與AE事件發(fā)生無直接影響[3]。
從技術應用情況來看,無論是早期的目視評估法、電阻率法,還是近年來推出的激光誘導擊穿光譜法(LIBS),都存在自動化程度不足的問題,需要監(jiān)測員手動操作儀器設備,完成樣品采集、運輸、實驗室檢測分析等工作。在這一背景下,要推動土壤環(huán)境監(jiān)測技術的自動化發(fā)展,重點提高儀器設備的自動化水平,使其具備在無人干預、少人值守條件下自主完成土壤環(huán)境監(jiān)測任務的能力,從根源上解決上述問題。例如,搭建自動土壤呼吸監(jiān)測系統(tǒng),在系統(tǒng)結構中安裝測量范圍在0~8.96×10-4、分辨率為1×10-6、讀數(shù)偏差率在±1%以內(nèi)、漂移率為0.6%的紅外氣體分析儀,安裝測量范圍在-20~50 ℃的土壤溫度熱電阻探頭,接入4個及以上的土壤水分探頭,水分探頭測定范圍在0%~100% vol,土體測量范圍在55 mm×70 mm內(nèi),最大測定誤差為3%。系統(tǒng)運行期間,自動采集土壤溫度、濕度、CO2濃度等參數(shù)的現(xiàn)場監(jiān)測信號,判斷土壤中碳素周轉速度和預測植物生長狀態(tài)。相比傳統(tǒng)的靜態(tài)氣室法,自動土壤呼吸監(jiān)測系統(tǒng)有著運行穩(wěn)定、無須人工干預監(jiān)測過程、具備數(shù)據(jù)采集與運算分析等多項使用功能、參數(shù)監(jiān)測值波動幅度小的優(yōu)勢,單點測量時間為8~12 s,在實際應用期間取得了極為顯著的應用效果[4]。
當前,在部分土壤環(huán)境監(jiān)測項目中,土壤中分布著大量的重金屬污染物,此類物質有著較高毒性,如果未得到有效處理,將會嚴重污染土壤環(huán)境與周邊水體,并對人體、畜禽的健康造成嚴重影響。對此,要在土壤環(huán)境監(jiān)測技術體系中加入痕量監(jiān)測技術,用于測定土壤樣品中的痕量元素總濃度與元素分布狀況,常用的痕量監(jiān)測技術包括化學光譜法、分光光度法、極譜法、中子活化分析法、質譜法以及電感耦合等離子體質譜法。
部分土壤污染問題具有突發(fā)性,而常規(guī)土壤環(huán)境監(jiān)測技術的操作流程復雜,很難在短時間內(nèi)獲取環(huán)境監(jiān)測報告,不利于后續(xù)環(huán)境治理工作的快速開展。因此,要應用現(xiàn)場快速分析技術,通過配置新型儀器設備、簡化操作步驟等方法,對常規(guī)環(huán)境監(jiān)測技術進行優(yōu)化改進。
激光誘導擊穿光譜法、X射線斷層掃描技術、遙感技術等監(jiān)測技術在應用期間普遍會受到外部環(huán)境的干擾,使得監(jiān)測精度下降。對此,要重點強化技術的環(huán)境自適應能力與抗干擾能力。以激光誘導擊穿光譜法為例,可選擇搭配使用磁場約束技術。在某磁場約束技術對激光誘導等離子體輻射特性影響的分析試驗中,在塑料支架上固定安裝一對長25 mm、高35 mm、寬20 mm的永久性磁鐵,使用GBW-07411國家標準土壤粉末樣品,在三維可調(diào)樣品臺上固定擺放圓片狀土壤樣品,在表面定點激光束,開展采譜操作,將單次采譜時間設定在21 s。隨后,將脈沖重復頻率、激光輸出能量分別設定為10 Hz與200 mJ,分別將土壤樣品元素譜線Ti I 498.173 nm、AI l 394.401 nm以及Fe I 430.791 nm設定為分析線,按順序在0.3 T與0.5 T磁場強度條件下測量激光誘導等離子體的信噪比和發(fā)射光譜強度,再將測量結果與不具備磁場情況的測量值加以對比分析。試驗發(fā)現(xiàn),磁場約束技術可以明顯提升光譜強度和信噪比,相比無磁場作用,在0.5 T磁場強度條件下,所采集土壤樣品中的Ti元素光譜強度提升51.73%,Al元素光譜強度提升52.35%,Ba元素光譜強度提升40.26%,F(xiàn)e元素光譜強度提升69.64%,樣品物質成分檢測能力得到顯著強化[5]。
為滿足現(xiàn)代土壤環(huán)境監(jiān)測項目的實際需要,解決常規(guī)監(jiān)測技術操作煩瑣、監(jiān)測精度低、易受外部環(huán)境干擾等難題,環(huán)境監(jiān)測機構務必加大對土壤環(huán)境監(jiān)測技術的研究力度,結合項目情況來選擇恰當?shù)沫h(huán)境監(jiān)測技術手段,制定科學、合理的技術方案,著重推動土壤環(huán)境監(jiān)測技術的自動化、痕量監(jiān)測分析、快速分析與抗干擾發(fā)展。