周 怡，紀(jì)榮平，胡文友，黃 標(biāo)，涂勇輝，姜 軍，馬 力

我國土壤多參數(shù)快速檢測方法和技術(shù)研發(fā)進(jìn)展與展望①

周 怡1,2，紀(jì)榮平1，胡文友2*，黃 標(biāo)2，涂勇輝3，姜 軍3，馬 力3

(1 揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127；2 中國科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京土壤研究所)，南京 210008；3 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008)

快速、準(zhǔn)確獲取土壤多種屬性信息是土壤質(zhì)量快速檢測與評估以及現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然需求。本文系統(tǒng)闡述了我國在土壤水分、鹽分、養(yǎng)分、pH、溫度等多參數(shù)快速檢測方法、技術(shù)與設(shè)備等方面的研發(fā)進(jìn)展，比較了不同快速檢測方法和技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),分析了土壤多參數(shù)檢測技術(shù)及設(shè)備的研發(fā)現(xiàn)狀、專利申請情況以及國家重大科研儀器項(xiàng)目的資助情況。未來應(yīng)加強(qiáng)土壤快速檢測設(shè)備的核心軟硬件系統(tǒng)開發(fā)與集成技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)土壤檢測的多參數(shù)快速智能化，同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步加大土壤快速檢測方法和技術(shù)的科技投入與聯(lián)合攻關(guān)研究，以滿足我國土壤多參數(shù)快速檢測及土壤質(zhì)量快速調(diào)查與評估的實(shí)際需要。

土壤；快速檢測；專利分析；研究進(jìn)展；發(fā)展趨勢

土壤是人類賴以生存和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，快速、準(zhǔn)確獲取土壤環(huán)境質(zhì)量信息是土壤資源調(diào)查與評價(jià)等工作的重要前提與基礎(chǔ)。土壤參數(shù)的常規(guī)實(shí)驗(yàn)室檢測方法具有前處理復(fù)雜、分析周期長、測試費(fèi)用高等缺點(diǎn)。尋找便捷、安全、可靠的快速分析方法，及時(shí)準(zhǔn)確獲取土壤多種屬性信息及其質(zhì)量狀況尤為重要。2016年國家《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》出臺(tái)，提出“建立十年一次的土壤環(huán)境質(zhì)量狀況定期調(diào)查制度，2020年底前，實(shí)現(xiàn)土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)位所有縣(市、區(qū))全覆蓋”[1]?？梢姡磥韺ν寥拉h(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測將成為環(huán)境監(jiān)測工作的常態(tài)，迫切需要開展土壤多參數(shù)快速檢測方法與技術(shù)方面的研究，以實(shí)現(xiàn)多尺度土壤屬性數(shù)據(jù)的快速獲取與更新，滿足土壤快速監(jiān)測科研與應(yīng)用需求[2]。

我國目前土壤快速檢測技術(shù)與國外相比還存在很大的差距，多數(shù)土壤傳感器及土壤檢測設(shè)備均從國外引進(jìn)[3]。在研制具有高精度低能耗的具有無線傳輸功能的土壤快速檢測設(shè)備上還存在較大的困難。為了全面了解我國土壤多參數(shù)快速檢測技術(shù)與設(shè)備方面的研發(fā)情況，本文系統(tǒng)總結(jié)了我國目前在土壤水分、鹽分、養(yǎng)分、pH、溫度等多參數(shù)快速檢測方法、技術(shù)與設(shè)備等方面的研發(fā)進(jìn)展，比較了不同快速檢測方法和技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了土壤快速檢測設(shè)備的研發(fā)現(xiàn)狀、專利申請情況以及國家重大科研儀器項(xiàng)目的資助情況，進(jìn)而提出下一步研發(fā)建議與展望，以期為我國土壤多參數(shù)快速檢測方法和技術(shù)研發(fā)與發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和參考資料。

1 土壤多參數(shù)快速檢測方法研究進(jìn)展

1.1 水分檢測

水分是構(gòu)成土壤肥力的一個(gè)重要因素，它不僅影響著土壤的物理性質(zhì)，還制約著土壤中養(yǎng)分的溶解和遷移，是監(jiān)控土壤干旱和退化的重要指標(biāo)[4]。測定土壤水分的方法大致可分為三類：取樣法[4]、定位法[5]和遙感法[6]。不同的檢測技術(shù)存在不同的局限性且有著相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)(表1)。常用的土壤水分檢測方法有烘干稱重法、介電法、遙感法。烘干稱重法指根據(jù)測定土樣的質(zhì)量變化來計(jì)算含水率，主要用于標(biāo)定檢驗(yàn)，該方法簡單且測量精度高，但在取樣時(shí)會(huì)破壞土壤，難以進(jìn)行長期原位監(jiān)測，不能連續(xù)測定土壤水分。介電法克服了烘干法的弊端可以進(jìn)行連續(xù)土壤水分監(jiān)測，目前常用的方法包括時(shí)域反射法(time domain reflectometry, TDR)和頻域反射法(frequency domain reflectometry, FDR)[7]。TDR技術(shù)自從1980年Topp等人提出了土壤介電常數(shù)與土壤含水量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系便開始廣泛使用[8]。當(dāng)溫度在10 ~ 36 ℃、實(shí)際體積含水量0 ~ 35% 變化時(shí)，TDR測量值不受土壤質(zhì)地、容重、溫度等因素的影響，測量速度快、精度高、不會(huì)干擾土壤[9]。FDR是利用LC(諧振)電路的振蕩，通過土壤中介電常數(shù)的變化引起的頻率變化來測定土壤的水分含量，該方法最早起源于荷蘭瓦格寧根大學(xué)Hilhorst教授，可以通過調(diào)節(jié)傳感器的位置測定不同深度土壤的含水量，受外界影響小，測得的結(jié)果準(zhǔn)確[10]。傳統(tǒng)的土壤水分檢測方法還有遙感法。遙感法是一種非接觸式、大面積、多時(shí)相的土壤水分監(jiān)測方法，能夠反映大面積的地表信息，適用于大范圍監(jiān)測[11-12]。目前遙感法主要集中在光學(xué)遙感和微波遙感領(lǐng)域[13]，光學(xué)遙感法包括常見的熱慣量法[14]、植物缺水指數(shù)法[15]、熱紅外法等[16]。光學(xué)遙感法目前研究應(yīng)用較廣，但是易受到氣象條件的影響。隨著“3S”技術(shù)的不斷發(fā)展，微波遙感監(jiān)測土壤水分具有很大的發(fā)展前景，將是未來發(fā)展的重點(diǎn)方向。

表1 土壤水分測定方法及優(yōu)缺點(diǎn)

基于駐波率原理，裘正軍等[17]研制了基于GPS (全球定位系統(tǒng)，global positioning system)定位的快速水分測量儀，采用SWR-2型土壤水分傳感器來測定土壤水分，這樣既能快速測定土壤水分含量又能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)了土壤水分測定的多功能化，為實(shí)時(shí)在線監(jiān)測提供了便利。馮磊[18]研制出了TSC-1便攜式土壤水分測試儀，該儀表可以快速檢測土壤容積含水量，設(shè)計(jì)了基于RS-485總線應(yīng)用信息融合技術(shù)的智能土壤水分傳感器，降低了安裝成本，提高了土壤水分傳感器的精度。由中國科學(xué)院南京土壤研究所研發(fā)的TS-1型土壤水分速測儀，可以測定土壤、砂、水泥等多孔性物質(zhì)的含水量，測量一個(gè)土樣大約僅需3 min，與烘干法測出的精度相比小于2%，測量精度準(zhǔn)確、時(shí)間短，大大節(jié)省了土壤水分的測定時(shí)間，提高了野外土壤水分檢測的工作效率。

1.2 鹽分檢測

土壤鹽分是土壤鹽漬化研究的重要指標(biāo)，也是制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素。對土壤鹽分的測定通常是先對土壤中的電導(dǎo)率進(jìn)行測定，然后通過土壤電導(dǎo)率計(jì)算出土壤中鹽分含量的多少[19]。這種方法測定過程繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且破壞了土壤原樣。為了實(shí)現(xiàn)對土壤鹽分快速、有效的測定，目前主要應(yīng)用的有基于原位監(jiān)測的土壤溶液法和土壤表觀電導(dǎo)率法[20]。在土壤溶液電導(dǎo)率測定中，可采用土壤鹽分傳感器直接測定土壤溶液電導(dǎo)率，鹽分傳感器適合長期連續(xù)監(jiān)測土壤鹽分，對一定深度的土壤溶液長期觀測具有很高的精確性，但在使用過程中傳感器需要重新校正，不適用于監(jiān)測快速和短期的鹽分變化，且在干燥土壤環(huán)境中無法使用[21]。土壤表觀電導(dǎo)率是一種快速、高效、穩(wěn)定的測定土壤鹽分時(shí)空分布特性的方法，可采用電阻法(ER)、電磁感應(yīng)儀法(EM)和時(shí)域反射法(TDR)確定土壤鹽分，具有操作簡單、響應(yīng)速度快、獲取數(shù)據(jù)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但是容易受到土壤含水量、質(zhì)地等因素的影響[22]，至今仍缺乏普適性強(qiáng)的關(guān)系模型，所以測量精度上受到一定的限制[23]。電阻法測定的土體范圍較大，可以抵消土體局部的差異性，但是測定過程中需要不斷地將傳感器深入土壤，因此不適合在干燥的土體中測定。電磁感應(yīng)法恰好能彌補(bǔ)這種不足，但是測得的是不同土壤深度的加權(quán)值而非平均值，在后期計(jì)算過程中較為復(fù)雜[24]。電磁感應(yīng)法適用于大面積土壤鹽分的監(jiān)測，近年來許多學(xué)者將電磁感應(yīng)技術(shù)與遙感技術(shù)相結(jié)合來監(jiān)測農(nóng)業(yè)土壤[25-26]，受到廣泛的應(yīng)用。時(shí)域反射法(TDR)是通過分析電磁波在土壤中的衰減來測定電導(dǎo)率值，易受到土壤溫度、質(zhì)地等因素的影響，在使用前必須進(jìn)行校正[27]。TDR因?yàn)槠錅y定簡便，不破壞原狀土壤結(jié)構(gòu)，能同時(shí)測定水分和電導(dǎo)率，近幾年在土壤水分及鹽分測定方面發(fā)展速度很快，相信在未來可以有更大的發(fā)展空間，能夠進(jìn)行不同尺度范圍內(nèi)土壤中水分、鹽分的快速檢測。

1.3 養(yǎng)分檢測

土壤養(yǎng)分的快速檢測對指導(dǎo)合理施肥具有重要意義，一直是精細(xì)農(nóng)業(yè)信息獲取的技術(shù)難題[28-29]。傳統(tǒng)的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)采集方法主要是通過田間取樣-實(shí)驗(yàn)室常規(guī)分析手段進(jìn)行獲取，操作繁瑣，分析效率低而且時(shí)效性很差。土壤養(yǎng)分的快速檢測是一種相對于常規(guī)化學(xué)分析，采用光電比色原理，速度更快捷、成本更低廉、測試設(shè)備更簡便，而測試精度能滿足測土配方施肥要求的養(yǎng)分測試技術(shù)[30]。快速測量儀器設(shè)備一般由公司與農(nóng)業(yè)研究應(yīng)用機(jī)構(gòu)合作開展相關(guān)研究共同開發(fā)，如美國HACH公司生產(chǎn)的NPK-kit、德國MERCK公司生產(chǎn)的RQflex等，目前國內(nèi)土壤養(yǎng)分快速檢測的儀器有北京強(qiáng)盛分析儀器制造中心研發(fā)的TFC系列土壤養(yǎng)分速測儀、河南農(nóng)大機(jī)電技術(shù)開發(fā)中心研制的YN型土壤肥料養(yǎng)分速測儀等[31]。近年來土壤養(yǎng)分分析中應(yīng)用較多的是可見光-近紅外反射光譜(visible and near infrared reflectance spectro-meter, Vis-NIR)，利用化學(xué)分子含氫官能團(tuán)對特定譜帶近紅外光的特異性吸收而獲得吸收光譜，利用化學(xué)計(jì)量方法定性定量檢測養(yǎng)分含量[32]。該方法土壤無需進(jìn)行預(yù)處理，運(yùn)行速度快，測試結(jié)果受人為干擾影響小。利用Vis-NIR技術(shù)，李民贊等[33]開發(fā)了一款便攜式土壤有機(jī)質(zhì)測定儀，該設(shè)計(jì)不僅降低了能耗，且精度能滿足便攜式儀器實(shí)時(shí)測量的要求。賈生堯[34]采用Vis-NIR技術(shù)，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，開發(fā)了一套便攜式土壤養(yǎng)分快速分析系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)土壤養(yǎng)分信息的快速無損檢測。由中國科學(xué)院南京土壤研究所研制的SFM-1型智能化基于電化學(xué)方法測試的土壤肥力測定儀，具有較寬的測量范圍，并且不需要在每次測定前標(biāo)定，可用于帶色的或有懸浮質(zhì)點(diǎn)的土壤溶液和環(huán)境水樣測定，操作簡便，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)土壤及環(huán)境監(jiān)測部門。

1.4 pH檢測

土壤pH(酸堿度)是影響土壤環(huán)境質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)[35]，也是土壤肥力的重要影響因素之一，土壤的酸化將嚴(yán)重影響糧食安全和土地生產(chǎn)潛力的發(fā)揮[36]。在測定土壤pH方面，國際化標(biāo)準(zhǔn)組織于2005年發(fā)布了《土壤質(zhì)量pH的測定》國際標(biāo)準(zhǔn)[37]。國內(nèi)外目前采用的主要是電極法，采用pH計(jì)測定溶液中氫離子的活度[38]。除此之外，常用的方法還有混合指示劑比色法、pH試紙法、可見光光譜提取法、傳感器檢測方法等。在測定pH前，應(yīng)預(yù)先選好相應(yīng)的檢測方法，混合指示劑比色法和pH試紙法適用于較簡單的測定溶液pH，如對pH精度要求比較高則適合采用電極電位法和可見光光譜提取法。目前，土壤pH檢測還受外界影響較大，測量精度高、受外界影響小的檢測技術(shù)還亟待突破。胡永強(qiáng)等[39]為了改善傳統(tǒng)pH檢測技術(shù)手段落后、時(shí)效性差等特點(diǎn)，研究了一種基于GPRS (通用分組無線服務(wù)技術(shù)，general packet radio service)的遠(yuǎn)程土壤pH快速檢測系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)設(shè)備功能單一的問題，精度高、靈活性強(qiáng)，滿足土壤pH快速檢測的需求；土壤pH在測定過程中受到土壤含水率和溫度的影響，趙燕東等[40]設(shè)計(jì)了帶有溫度含水率補(bǔ)償模型的銻電極土壤pH在線實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)，在pH范圍為3.06 ~ 10.36之間可實(shí)現(xiàn)有效測定。

1.5 溫度檢測

土壤溫度對土壤養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)具有重要影響。在實(shí)驗(yàn)室中常用的測定溫度的方法有非接觸式溫度傳感器和接觸式溫度傳感器法。非接觸式溫度傳感器法主要指紅外測溫法，不需直接接觸被測物體，使用方便，靈敏度高，但其測量精度差，易受干擾。接觸式溫度傳感器法與被測對象有良好的接觸，包括熱電阻、熱電偶、集成溫度傳感器及數(shù)字溫度傳感器等，適用于中低溫的測定，成本較低但不適用于極低和極高溫度的測定。謝忠斌等人[41]針對傳統(tǒng)土壤溫度檢測的局限性，采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器DS18B2進(jìn)行溫度采集，開發(fā)了土壤溫度無線檢測系統(tǒng)，可以對土壤溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，檢測精度高，節(jié)點(diǎn)功耗低，克服了傳統(tǒng)土壤溫度檢測的缺點(diǎn)。同樣，為了解決傳統(tǒng)土壤溫度測定方法的不足，李增祥等[42]在測定土壤溫度時(shí)將整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)埋入土層長期監(jiān)測土壤溫度，利用無線通信芯片以無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，有效地解決了傳統(tǒng)測量方法中勞動(dòng)強(qiáng)度和測量準(zhǔn)確性不能兼顧的矛盾，并且具備運(yùn)行速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2 土壤多參數(shù)快速檢測技術(shù)研發(fā)進(jìn)展

2.1 土壤多參數(shù)快速檢測技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀

我國土壤多參數(shù)快速檢測技術(shù)領(lǐng)域較多的主要集中在測量、測試領(lǐng)域，占整個(gè)申請比例的69%；其次是在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)領(lǐng)域，占比14%；在信號(hào)裝置領(lǐng)域占比6%；占比較少的為控制、調(diào)節(jié)，通信技術(shù)，計(jì)算、推算和發(fā)電、變電領(lǐng)域，表明目前土壤快速檢測技術(shù)仍以測量為主，在農(nóng)林業(yè)、信號(hào)裝置和通信技術(shù)上還有很大的研發(fā)前景(表2)。

表2 土壤多參數(shù)快速檢測技術(shù)領(lǐng)域分類及占比

注：G01：測量、測試；A01：農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)；G08：信號(hào)裝置；G05：控制、調(diào)節(jié)；H04：通信技術(shù)；G06：計(jì)算、推算；H02：發(fā)電、變電。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，目前我國土壤快速檢測技術(shù)和設(shè)備也開始向多元化和多功能化方向發(fā)展(表3)。

表3 土壤多參數(shù)快速檢測技術(shù)及設(shè)備分類和特點(diǎn)

2.2 國家重大科研儀器項(xiàng)目資助情況

近年來，國家自然科學(xué)基金委在重大科研儀器研發(fā)上的投入總體上呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢(圖1)，到2010年以后，投入和支持的數(shù)量呈現(xiàn)快速增長趨勢。另外，2016—2018年間，科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助的儀器研發(fā)項(xiàng)目數(shù)分別為40，50，53項(xiàng)，資助數(shù)量也呈現(xiàn)增加的趨勢。上升曲線總體反映了我國科技事業(yè)的快速發(fā)展，國家對重大科研儀器設(shè)備的研發(fā)越來越重視。因此，我國土壤快速檢測技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)今后仍將處于快速發(fā)展時(shí)期，應(yīng)在這個(gè)良好的發(fā)展前景下，抓住機(jī)遇、面對挑戰(zhàn)，研發(fā)更多具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、高精度、智能化的便攜式土壤多參數(shù)快速檢測設(shè)備。

圖1 國家自然科學(xué)基金委重大科研儀器研制項(xiàng)目(自由申請)資助情況

3 土壤多參數(shù)快速檢測設(shè)備研發(fā)進(jìn)展

3.1 土壤多參數(shù)快速檢測設(shè)備研發(fā)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)研發(fā)的土壤多參數(shù)快速檢測設(shè)備已改變原先功能單一、集成度不高、成本昂貴的局面，一些新型復(fù)合土壤檢測設(shè)備朝著多元化的方向進(jìn)展。對土壤溫度、水分、鹽分以及pH的多參數(shù)檢測上，程坤等[43]設(shè)計(jì)的基于STM32的便攜式土壤多參數(shù)快速檢測設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)在線檢測并且測試數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)顯示在手機(jī)端APP上；對土壤水分、電導(dǎo)率(EC)和溫度的同時(shí)測定，一種基于SDI-12總線的土壤多參數(shù)檢測儀可以實(shí)現(xiàn)，該設(shè)備結(jié)合5TE三合一土壤傳感器，可在實(shí)驗(yàn)室同步測定和傳輸，且測量參數(shù)精度較高，速率較快，集成度高，滿足了對土壤快速檢測的要求[44]；在保持單個(gè)參數(shù)精度不變的情況下可以同時(shí)測定土壤水分、溫度和電導(dǎo)率的土壤多復(fù)合傳感器，在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的智能檢測中能將數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，保持?jǐn)?shù)據(jù)快速、穩(wěn)定[45]。在儀器的數(shù)據(jù)通信方式上，基于GPS和SMS (short messaging service)無線傳輸技術(shù)的土壤養(yǎng)分、水分速測系統(tǒng)可以利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)土壤養(yǎng)分速測、管理決策系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊和資源共享。通過集成GIS，實(shí)現(xiàn)了具有空間屬性的土壤養(yǎng)分、水分?jǐn)?shù)據(jù)的可視化管理，提供了高精度的空間位置屬性，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、定位和儲(chǔ)存一體化[46]。

3.2 土壤多參數(shù)快速檢測設(shè)備專利申請情況

從我國土壤多參數(shù)快速檢測設(shè)備研發(fā)的發(fā)展年代變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)(圖2)，從2009年開始，土壤多參數(shù)快速檢測設(shè)備專利申請量呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢，說明該領(lǐng)域開始進(jìn)入初步成長期，從2014年起專利數(shù)量呈現(xiàn)高速增長趨勢，到2017年土壤多參數(shù)快速檢測專利的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到190項(xiàng)，表明該領(lǐng)域已進(jìn)入快速發(fā)展期。由于專利申請到公開之間有較長時(shí)間的延遲，2018年申請的專利數(shù)量還未全部公開，截至2018年上半年的數(shù)據(jù)檢索到的數(shù)量為98件，說明研發(fā)熱情仍很積極，該領(lǐng)域今后仍有較大的發(fā)展空間。

圖2 土壤快速檢測設(shè)備專利數(shù)量變化趨勢(數(shù)據(jù)來源：國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利數(shù)據(jù)庫)

在土壤多參數(shù)快速檢測設(shè)備的專利中，土壤水分、養(yǎng)分和pH專利是發(fā)表最多、也最為成熟的。從土壤多參數(shù)快速檢測技術(shù)發(fā)表的專利數(shù)量來看(圖3)，土壤水分檢測技術(shù)的數(shù)量最多、研發(fā)熱度也最高，從2009年起，測定土壤水分的專利呈波浪式上升；其次是土壤養(yǎng)分檢測技術(shù)，相比于水分測定，土壤養(yǎng)分初期發(fā)展較慢，但從2012年起發(fā)表的專利數(shù)量開始逐漸增多，在未來該領(lǐng)域有較大的發(fā)展前景。土壤pH和溫度檢測技術(shù)相比水分和養(yǎng)分起步較晚，從2015年起逐漸進(jìn)入增長期。土壤鹽分檢測技術(shù)在國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利檢索到的數(shù)量較少，表明未來在土壤鹽分檢測設(shè)備上需要投入更多的經(jīng)費(fèi)和精力，攻克鹽分傳感器研發(fā)的技術(shù)難題，解決和彌補(bǔ)目前土壤鹽分快速檢測方面的難點(diǎn)和不足。

圖3 不同參數(shù)土壤快速檢測設(shè)備專利數(shù)量變化趨勢(數(shù)據(jù)來源：國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利數(shù)據(jù)庫)

在國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利檢索及分析高級(jí)檢索上檢索相關(guān)土壤多參數(shù)快速檢測的專利，將搜索到的文獻(xiàn)加入文獻(xiàn)分析庫統(tǒng)計(jì)出土壤快速檢測設(shè)備專利權(quán)人申請量分布圖(圖4)。從土壤多參數(shù)快速檢測專利發(fā)明排名較前的專利權(quán)人來看，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)明的專利數(shù)量最多，排名第一，說明中國農(nóng)業(yè)大學(xué)在土壤多參數(shù)快速檢測領(lǐng)域具有較強(qiáng)的研發(fā)實(shí)力和技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，緊隨其后的有中國水利水電科學(xué)研究院、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、武漢大學(xué)和中國科學(xué)院南京土壤研究所，發(fā)明專利的數(shù)量不相上下，但與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)相比仍有較大的差距。研發(fā)數(shù)量排名前十的機(jī)構(gòu)中沒有企業(yè)單位，表明我國土壤多參數(shù)快速檢測技術(shù)和設(shè)備研發(fā)的主要力量還是高校和科研院所。高校和科研院所雖然具有較強(qiáng)的專業(yè)技能，但目前還停留在基礎(chǔ)研發(fā)階段，真正實(shí)現(xiàn)研發(fā)的產(chǎn)業(yè)化將來還需要企業(yè)共同參與。

圖4 土壤快速檢測設(shè)備專利權(quán)人申請量分布圖(數(shù)據(jù)來源：國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利數(shù)據(jù)庫)

4 土壤多參數(shù)快速檢測方法和技術(shù)研發(fā)展望

4.1 加強(qiáng)土壤多參數(shù)快速檢測技術(shù)的核心硬件開發(fā)與集成技術(shù)研究

當(dāng)前土壤質(zhì)量和污染物監(jiān)測主要依賴常規(guī)實(shí)驗(yàn)室檢測技術(shù)，而現(xiàn)有的現(xiàn)場快速檢測設(shè)備在檢測靈敏度、精密度和準(zhǔn)確度方面無法滿足對土壤多參數(shù)原位或現(xiàn)場快速檢測的需求，而且核心部件主要依賴進(jìn)口。因此，急需研發(fā)和推廣具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高精度、集成化、智能化的土壤多參數(shù)快速檢測技術(shù)，加強(qiáng)核心硬件開發(fā)和集成技術(shù)的研究，研制土壤多參數(shù)原位或現(xiàn)場快速檢測設(shè)備，大力發(fā)展土壤多參數(shù)同時(shí)測定的高效方法[47]，并進(jìn)行系統(tǒng)集成、工程化開發(fā)、應(yīng)用示范和產(chǎn)業(yè)化推廣，為及時(shí)掌握環(huán)境質(zhì)量狀況提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)和裝備支撐，同時(shí)彌補(bǔ)我國土壤高精度多參數(shù)快速檢測技術(shù)和裝備的空白。

4.2 加強(qiáng)土壤多參數(shù)快速檢測設(shè)備的軟件系統(tǒng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)土壤檢測的智能化

隨著自動(dòng)控制、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，迫切需要將遙感與無線通信及GPRS技術(shù)應(yīng)用于土壤多參數(shù)快速檢測設(shè)備方面[48]。當(dāng)前的土壤檢測系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)、單片機(jī)等為中心控制單元，綜合使用電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等，利用軟件實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備的功能，朝著網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和國家智慧農(nóng)業(yè)政策的扶持下[49]，加強(qiáng)開發(fā)專業(yè)軟件系統(tǒng)，通過軟件來實(shí)現(xiàn)管理程序、采集處理程序和數(shù)據(jù)通訊程序，建立基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，搭建專家系統(tǒng)體系，及時(shí)顯示獲得的土壤多參數(shù)數(shù)據(jù)以方便實(shí)時(shí)掌握動(dòng)態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)土壤檢測的智能化和信息化。

4.3 加大土壤多參數(shù)快速檢測方法和技術(shù)的科技投入與聯(lián)合攻關(guān)研究

目前我國土壤多參數(shù)快速檢測的關(guān)鍵技術(shù)依然存在瓶頸，相關(guān)核心技術(shù)、部件或設(shè)備主要還是依賴進(jìn)口，有必要進(jìn)一步加大研發(fā)力度，如土壤傳感器的研發(fā)、土壤多參數(shù)高精度快速檢測設(shè)備的集成與研制等。近年來我國雖然已經(jīng)在不斷加大土壤快速檢測技術(shù)和設(shè)備方面的經(jīng)費(fèi)投入，但研發(fā)的主體目前還是以高校和科研院所為主，在項(xiàng)目主持和專利數(shù)量方面，企業(yè)所占比例還較小，產(chǎn)學(xué)研合作力度較小[50]。因此需要進(jìn)一步加大土壤快速檢測方法和技術(shù)的科技投入，加強(qiáng)企業(yè)與高校、科研院所的合作，產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān)及合作研發(fā)模式。同時(shí)，地方政府和相關(guān)企業(yè)也應(yīng)加大土壤快速檢測方法和技術(shù)方面的科技投入和人才培養(yǎng)，通過聯(lián)合攻關(guān)、技術(shù)集成、模式優(yōu)化，共同推動(dòng)土壤多參數(shù)快速檢測設(shè)備的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。

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Advancement and Prospect in Methods and Techniques for Soil Multi-parameter Rapid Detection of China

ZHOU Yi1,2, JI Rongping1, HU Wenyou2*, HUANG Biao2,TU Yonghui3, JIANG Jun3, Ma Li3

(1 College of Environmental Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou, Jiangsu 225127, China; 2 Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 3 State Key Laboratory of Soil & Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008,China)

Rapid and accurate detection of soil multi-parameters is an inevitable requirementfor soil quality assessment and the development of modern precision agriculture. This paper systematically elaborated the research progresses and prospects of methods, techniques and equipment of rapid detection of soil multi-parameters in China, such as soil moisture, salinity, nutrients, pH and temperature. The merits and demerits of different rapid detection methods and techniques were also compared in this paper. In addition, the current situation of soil rapid detection techniques and equipment, the thesis analyzes, the related patent application and the funding project supported by the National Key Research and Development Program were also analyzed. In the future studies, the development of the core hardware and software techniques and integrated systems for the soil multi-parameter rapid detection equipment should be strengthened to accomplished rapidness and intellectualization of soil multi-parameters detection. Furthermore, the investment of science and technology and joint efforts on the methods and techniques for soil multi-parameter rapid detection should also be increased to meet the actual demand of soil multi-parameter rapid detection of China.

Soil; Rapid detection; Patent analysis; Research progress; Development trend

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重大科學(xué)儀器專項(xiàng)項(xiàng)目(2017YFF0108201)、中國科學(xué)院南京土壤研究所“一三五”計(jì)劃和領(lǐng)域前沿重點(diǎn)項(xiàng)目(ISSAASIP1629)和土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(Y20160005)資助。

(wyhu@issas.ac.cn)

周怡(1994—)，女，江蘇溧陽人，碩士研究生，主要從事區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量調(diào)查、快速檢測與評估方面的研究。E-mail: zhouyi@issas.ac.cn

S151.9+5

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.04.001