攻克關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)土壤環(huán)境智慧監(jiān)測

張曉芒

近年來，土壤環(huán)境污染治理日漸成為生態(tài)環(huán)境保護工作的重要內(nèi)容。特別是在打好打贏污染防治攻堅戰(zhàn)的進程中，廣東土壤污染防治工作循序漸進，凈土保衛(wèi)戰(zhàn)扎實推進。為了弄清較大范圍區(qū)域內(nèi)土壤污染狀況，從而制定出科學(xué)合理的治理方案遏制土壤污染態(tài)勢，則需要以精細(xì)化的土壤環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)作為根本依據(jù)。然而放眼國內(nèi)外，竟無成熟的全流程精準(zhǔn)智能化、常態(tài)化土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)可供借鑒。

面對難啃的“硬骨頭”，廣東省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心“不畏難、敢為先”，組織科研項目組刻苦攻關(guān)，通過近十年研究探索，將技術(shù)研發(fā)、平臺構(gòu)建和應(yīng)用實踐緊密結(jié)合，系統(tǒng)開展了以精細(xì)化點位布設(shè)、精準(zhǔn)化過程質(zhì)控和智能化結(jié)果評估為核心內(nèi)容的多尺度土壤環(huán)境智慧監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及示范應(yīng)用。研究成果在“國家—省—市—重點縣區(qū)”四個層次獲得廣泛推廣應(yīng)用，并于2023年5月榮獲“廣東省環(huán)境保護科學(xué)技術(shù)獎”一等獎，取得了顯著的社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益。

從0到1 構(gòu)建省級監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

自2016年國務(wù)院印發(fā)《土壤污染防治行動計劃》（“土十條”）后，廣東便扎實開展了以“立足省情、整合資源、把控質(zhì)量、謀劃特色”為主要宗旨的土壤污染狀況詳查。也正是在工作過程中受現(xiàn)有監(jiān)測水平制約，廣東省生態(tài)環(huán)境廳逐漸意識到一定要盡快建立起精準(zhǔn)化、全流程的土壤環(huán)境監(jiān)測體系。“水、氣都有成熟的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，土壤監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)也要建起來！”廣東省生態(tài)環(huán)境廳相關(guān)負(fù)責(zé)人在“十三五”初期明確提出了這樣的要求，廣東省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心隨即組織項目組著手開展相關(guān)研究。

然而，據(jù)該項目組組長謝志宜介紹，當(dāng)時廣東省乃至全國土壤環(huán)境監(jiān)測尚處于起步階段，監(jiān)測技術(shù)滯后。國內(nèi)生態(tài)環(huán)境、自然資源、農(nóng)業(yè)農(nóng)村等相關(guān)部門也各自開展過一些土壤環(huán)境調(diào)查工作，但均以一次性調(diào)查為主，點位密度同樣依靠專家經(jīng)驗，而國內(nèi)高校、科研院所開展的相關(guān)研究則更為“微觀”，難以服務(wù)于宏觀決策。當(dāng)時國外也并無成熟技術(shù)可借鑒，國外土地大都以私有化為主，當(dāng)?shù)卣畬用嫱鶅H需開展一次性專項調(diào)查，布點密度也主要依據(jù)專家經(jīng)驗設(shè)定，借鑒意義并不大?！翱梢赃@么說，想要在全國、全省這種大范圍內(nèi)開展土壤環(huán)境常規(guī)監(jiān)測，還有諸多關(guān)鍵技術(shù)亟待突破，我們需要從0到1、從無到有，自己一點點摸索?！敝x志宜如是說。

“這項研究的難點主要有三，一是空間異質(zhì)性條件下，土壤環(huán)境質(zhì)量難以準(zhǔn)確表征、監(jiān)測成本與監(jiān)測精度難以協(xié)同調(diào)控、空間差異與監(jiān)測尺度難以精準(zhǔn)匹配；二是土壤環(huán)境監(jiān)測以手工監(jiān)測為主，鏈條長步驟多，出現(xiàn)問題難溯源，缺乏規(guī)范的全過程精準(zhǔn)質(zhì)控體系以降低偶然誤差；三是現(xiàn)有技術(shù)尚未實現(xiàn)時空異質(zhì)性和非線性錯綜交互下，環(huán)境質(zhì)量多目標(biāo)協(xié)同定量精準(zhǔn)評估及預(yù)測。”謝志宜介紹說。

簡單說來，就是土壤環(huán)境質(zhì)量受各種因素影響，就算是同一區(qū)域土壤，質(zhì)量也存在較大差異化，這就使定量布點顯得頗有難度。當(dāng)時，水、氣環(huán)境監(jiān)測早已擁有成熟的布點技術(shù)，實現(xiàn)了采樣自動化，然而土壤環(huán)境監(jiān)測還是需要人工采樣監(jiān)測，這個過程中，極易產(chǎn)生誤差，在常規(guī)監(jiān)測過程中難以實現(xiàn)全過程精準(zhǔn)質(zhì)控。監(jiān)測結(jié)果最終要形成評估報告，為相關(guān)部門精準(zhǔn)掌握區(qū)域內(nèi)土壤環(huán)境質(zhì)量從而進行下一步工作服務(wù)，為了保證評估結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，除考慮原始監(jiān)測數(shù)據(jù)外，還要建立更為立體的評估模型，需要考慮到可能會影響評估結(jié)果的方方面面的因素。

事不避難，知難不難。“圍繞研究目標(biāo)，我們決定在多尺度融合點位優(yōu)化布設(shè)技術(shù)、全流程精準(zhǔn)質(zhì)量控制技術(shù)、多目標(biāo)土壤環(huán)境質(zhì)量智能評估與預(yù)測理論和方法體系三個方面需求技術(shù)突破?！表椖拷M思路清晰，始終抓住關(guān)鍵問題，開始了他們?nèi)缁鹑巛钡墓钥穗y之旅。就這樣，廣東在“十三五”初期就啟動了相關(guān)研究工作，成為全國第一個開展精細(xì)化省級土壤環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的省份。

迎難而上 三大難點逐一攻克

對應(yīng)土壤環(huán)境常規(guī)監(jiān)測的三大難點，就要做到——環(huán)境質(zhì)量“說得清”、數(shù)據(jù)質(zhì)量“管得住”、污染趨勢“估的準(zhǔn)”。

“我們創(chuàng)新提出了‘多目標(biāo)協(xié)同調(diào)控的土壤環(huán)境監(jiān)測理論框架，基于這個框架建立起多尺度融合點位優(yōu)化布設(shè)技術(shù)?！表椖拷M骨干成員羅小玲介紹說，該技術(shù)優(yōu)化了布點的精度和密度，實現(xiàn)了監(jiān)測點位密度與精度、監(jiān)測成本和空間尺度的有效協(xié)同。

一個點位究竟可以代表多大區(qū)域的土壤環(huán)境質(zhì)量？“我們平時看電子地圖也是采用不同的分辨率，自然是分辨率越大看得越清楚。對應(yīng)到土壤監(jiān)測的點位布設(shè)，則是布點尺度越小，最后呈現(xiàn)的結(jié)果越精準(zhǔn)?！绷_小玲指著辦公室墻上一副不同尺度點位布設(shè)下形成的監(jiān)測圖告訴筆者，“在我們廣東省土壤環(huán)境監(jiān)測體系中，1公里×1公里的點位布設(shè)是最精細(xì)的，但布點越精細(xì)，監(jiān)測成本也越大，我們必須根據(jù)實際監(jiān)測需求，采用不同的布點方案?！?/p>

項目組首次將非線性科學(xué)的數(shù)學(xué)分支“分形幾何理論”應(yīng)用于土壤環(huán)境監(jiān)測布點技術(shù)研究，研發(fā)空間分形點位優(yōu)化布設(shè)方法；通過自舉聚合方式集成空間分形法、Cochran經(jīng)典公式法、空間抽樣法、空間表征法、交叉驗證法、獨立驗證法等6種方法進行最優(yōu)點位密度識別與確定；結(jié)合逐級兼容布點，實現(xiàn)省域-市域-縣域3種尺度點位的差異化布設(shè)與融合，打通了該項研究最大的“難點”，土壤環(huán)境質(zhì)量從此“說得清”?！岸喑叨赛c位定量差異化布設(shè)技術(shù)”也正是該研究中“含金量”最高的地方，用謝志宜的話來說，“它是整個土壤環(huán)境監(jiān)測過程的起點”。

據(jù)進一步了解，在具體實踐中，國家網(wǎng)最終選定8公里×8公里網(wǎng)格作為省域尺度布點方案，正是參考了廣東省的基礎(chǔ)研究成果，該尺度既能較為詳細(xì)全面地反映全省土壤環(huán)境質(zhì)量狀況，又能將監(jiān)測成本控制在合理范圍內(nèi)，可以說是在“又精準(zhǔn)又省錢”中間找到了一個平衡點。而廣東省在省級網(wǎng)的建設(shè)中，分別采用1公里×1公里～4公里×4公里網(wǎng)格作為市域尺度布點方案，對21個地級以上市實行差異化布點。其中，比較特殊的城市是深圳，由于該市城市化建設(shè)進程較快，區(qū)域內(nèi)很少有連片的土壤，形成了所謂的城市土壤空間的“破碎化”，這類“破碎化”嚴(yán)重的區(qū)域需要采用1公里×1公里的點位布設(shè)方案。此外，國家級產(chǎn)糧大縣對耕地土壤質(zhì)量有更高的要求，這些區(qū)域也需要采用1公里×1公里的點位布設(shè)方案。

全流程監(jiān)測過程中可能存在哪些誤差？據(jù)項目組骨干成員梁耀杰介紹，點位布設(shè)方案確定后，需要監(jiān)測人員前往各個點位坐標(biāo)進行人工采樣，“不少采樣點附近地形復(fù)雜，采樣人員是否能完全到達坐標(biāo)點，這是一個問題?！辈蓸咏Y(jié)束后，樣本還有個運輸流轉(zhuǎn)過程，這個過程中，土壤樣本中的一些物質(zhì)，特別是有機物，可能會揮發(fā)，從而導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生偏差。樣本送往各個實驗室后，不同實驗室的檢測結(jié)果也可能會造成最終數(shù)據(jù)上的偏差。

針對這些問題，又是怎么解決的呢？“根據(jù)一線采樣工作實際情況，我們擴大了有效坐標(biāo)范圍，以點位坐標(biāo)為圓心、30米為半徑的圓形區(qū)域為采樣有效區(qū)域。同時，廣東省土壤環(huán)境監(jiān)測采樣手持終端的地圖具備離線功能，采樣人員即使進入沒有通訊信號的區(qū)域也能精確找到坐標(biāo)點。”據(jù)梁耀杰介紹，生態(tài)環(huán)境部2019年在廣東建立了華南區(qū)域土壤樣品制備與流轉(zhuǎn)中心，該中心是華南地區(qū)規(guī)模最大、設(shè)備最先進、土壤制樣能力最強的高標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)代化土壤樣品制備中心?！霸撝行牡木唧w工作由我們廣東省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心承擔(dān)，我們采集的土壤樣本也通過該中心完成制備與流轉(zhuǎn)，形成了地方采樣、集中制樣、盲樣編碼、異地分析的業(yè)務(wù)工作模式，從而保證樣品制備、流轉(zhuǎn)及測試過程的質(zhì)量和效率?！?/p>

土壤環(huán)境質(zhì)量評估為什么要考慮這么多因素？主要是影響土壤環(huán)境質(zhì)量的因素實在是太多了，除了土壤自身特性之外，人類活動、自然環(huán)境均對其產(chǎn)生影響，且這項影響是“動態(tài)”的。因此，設(shè)置土壤環(huán)境質(zhì)量評估因子時需要考慮加入多個方面的內(nèi)容。提升評估預(yù)測結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性是土壤環(huán)境質(zhì)量評估預(yù)測技術(shù)的核心。為此，項目組構(gòu)建了“多目標(biāo)土壤環(huán)境質(zhì)量智能評估與預(yù)測方法體系”，實現(xiàn)了區(qū)域土壤污染預(yù)警、未來趨勢預(yù)測和決策智能化。

“我們與廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所聯(lián)合攻關(guān)，從各個方面尋求技術(shù)突破，首先融合生態(tài)環(huán)境和環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境遙感、社會經(jīng)濟統(tǒng)計、污染源監(jiān)控數(shù)據(jù)等社會經(jīng)濟時空大數(shù)據(jù)，建立了‘多維環(huán)境大數(shù)據(jù)源-匯關(guān)聯(lián)解析模型；其次融合多源環(huán)境質(zhì)量累積、多介質(zhì)傳遞和多途徑暴露過程，構(gòu)建了基于帕累托最優(yōu)的‘多目標(biāo)土壤環(huán)境質(zhì)量智能評估模型。這兩個模型的構(gòu)建，解決了針對空間異質(zhì)性和多維環(huán)境風(fēng)險疊加影響下土壤環(huán)境質(zhì)量定量評估的難題?！绷_小玲詳細(xì)介紹道，“此外，還要采集研究區(qū)域多年土壤環(huán)境、污染源、施肥灌溉、自然背景、社會經(jīng)濟等數(shù)據(jù)并分層存入知識庫，輔以土壤重金屬專家知識及行業(yè)調(diào)研經(jīng)驗，構(gòu)建土壤重金屬污染源解析知識圖譜，從中提取數(shù)據(jù)實體、關(guān)聯(lián)關(guān)系及實體屬性等信息應(yīng)用于土壤重金屬預(yù)測模型訓(xùn)練、測試及應(yīng)用等過程，從而逐步構(gòu)建起土壤重金屬含量時空預(yù)測模型，實現(xiàn)了更精準(zhǔn)的土壤重金屬含量未來時空格局和演變趨勢預(yù)測?！?/p>

邊研究邊實踐，三大難題被項目組逐一攻克。在這個過程中，研究人員付出的辛勤勞動，不足以為外人道。用梁耀杰的話來說，“加班加點，封閉幾天集中研究，都是家常便飯。辛苦的不僅是我們，省站和地市采樣人員在布點采樣的過程中吃的苦更多，在野外環(huán)境下，中暑、遇到毒蛇、被馬蜂蟄時有發(fā)生，山間突遇雷雨天氣甚至有生命危險?！?/p>

高效智能

AI平臺賦能智慧決策

十年磨一劍，一朝試鋒芒。多年來，結(jié)合著業(yè)務(wù)工作的開展，項目成果也得到進一步優(yōu)化完善。最終，研究成果集成相關(guān)技術(shù)，建成了廣東省土壤環(huán)境智慧監(jiān)管平臺，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)流程及管理過程的可視化、系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、智慧化，也使關(guān)鍵技術(shù)的規(guī)范化推廣得到實現(xiàn)。

據(jù)了解，在可視化方面，該平臺通過多功能攝像、無人機影像、全景影像、GIS地圖等可視化技術(shù)，實現(xiàn)了對監(jiān)測過程、環(huán)境質(zhì)量點面域分布、重點監(jiān)管單位企業(yè)影像等方面實現(xiàn)可視化操作與管理。

系統(tǒng)化方面，則是集成了廣東省建設(shè)用地監(jiān)管系統(tǒng)、土壤環(huán)境數(shù)據(jù)庫、土壤污染防治決策及展示平臺、土壤污染預(yù)警系統(tǒng)和土壤環(huán)境監(jiān)測已有業(yè)務(wù)系統(tǒng)等不同功能模塊，實現(xiàn)了土壤環(huán)境全流程監(jiān)測業(yè)務(wù)一體化集成和廣東省建設(shè)用地全生命周期管理。

標(biāo)準(zhǔn)化方面，項目組攻克精細(xì)化布點技術(shù)難題建立的多尺度融合點位優(yōu)化布設(shè)技術(shù)被中國環(huán)境監(jiān)測總站采納應(yīng)用于國家《“十三五”土壤環(huán)境監(jiān)測總體方案》；同時，《廣東省土壤環(huán)境點位布設(shè)技術(shù)規(guī)范（試行）》相繼出臺。上述技術(shù)規(guī)范推動了廣東省土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測工作的標(biāo)準(zhǔn)化進程。

智慧化方面，實現(xiàn)了多目標(biāo)協(xié)同評估和時空源匯關(guān)系同步預(yù)測預(yù)警?！拔覀儤?gòu)建的相關(guān)模型也是國內(nèi)生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域首個在典型區(qū)域成功預(yù)測預(yù)警土壤重金屬污染情況的模型?！敝x志宜自豪地表示，這個模型從根本上改變了監(jiān)測與管理脫節(jié)的現(xiàn)狀，應(yīng)用于廣東省土壤污染防治日常監(jiān)管工作，為土壤污染防治攻堅提供多目標(biāo)評估和智能預(yù)測預(yù)警等決策支持服務(wù)，實現(xiàn)了土壤環(huán)境監(jiān)管的感知高效化、數(shù)據(jù)集成化、分析關(guān)聯(lián)化、應(yīng)用智能化和測管一體化。

“我們的研究成果注重科技與政策、業(yè)務(wù)高效結(jié)合，始終圍繞著為實際業(yè)務(wù)工作服務(wù)的目標(biāo)，十分‘接地氣，同時也具備很強的創(chuàng)新性，形成了新一代土壤環(huán)境質(zhì)量智慧監(jiān)測的理論框架-核心技術(shù)-應(yīng)用平臺，促進了土壤環(huán)境智慧監(jiān)測技術(shù)的跨越發(fā)展。特別是布點技術(shù)實現(xiàn)了差異化定量布點，突破以往土壤監(jiān)測技術(shù)的諸多局限，多目標(biāo)土壤環(huán)境質(zhì)量智能評估與預(yù)測技術(shù)也填補了土壤環(huán)境質(zhì)量時空同步趨勢預(yù)測的技術(shù)空白?！敝x志宜進一步總結(jié)道，“在成果應(yīng)用效果方面，我們構(gòu)建的全國第一個土壤環(huán)境質(zhì)量預(yù)測預(yù)警AI平臺，在廣東省21個地級以上市和重點區(qū)縣推廣應(yīng)用；創(chuàng)建的多尺度融合布點技術(shù)被中國環(huán)境監(jiān)測總站采納應(yīng)用于國家《‘十三五土壤環(huán)境監(jiān)測總體方案》，被陜西、湖南、海南等多個省份采納應(yīng)用于省級網(wǎng)布點工作，推動了國家和地方土壤環(huán)境常態(tài)化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)‘從無到有的跨越發(fā)展?！?/p>

下一步，除加強土壤監(jiān)測自動化設(shè)備研發(fā)外，項目組又將目光投向了土壤污染狀況“溯源”領(lǐng)域。此項研究能讓監(jiān)測人員在紛繁復(fù)雜的土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)中“順藤摸瓜”找到污染源，這對厘清污染責(zé)任有重大意義——這也相當(dāng)于為土壤環(huán)境質(zhì)量管理形成了監(jiān)測工作方面的“閉環(huán)”。同時，項目組還希望通過進一步技術(shù)研發(fā)，在完成土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測工作的同時，能掌握全省土壤碳匯情況，進一步為“雙碳”目標(biāo)服務(wù)。