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(shù)主要有5種，即電阻率法、遙感技術(shù)、X射線斷層掃描技術(shù)、目測評估法和聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)。本文分析了我國土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)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(wù)，明確土壤結(jié)構(gòu)變化情況與土壤內(nèi)部生物活動規(guī)律。

1 我國土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 電阻率法

應(yīng)用電阻率法時，要配置比率歐姆表、單平衡變壓器、感應(yīng)極化發(fā)送器及接收器等設(shè)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(dǎo)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(dǎo)入式（1）中。同時，在電極間距超過40 m的特殊情況下，應(yīng)采取電阻率法中的非等距法，在相應(yīng)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。

1.2 遙感技術(shù)

在土壤環(huán)境監(jiān)測中，遙感技術(shù)（RS）是通過傳感器向測區(qū)土壤結(jié)構(gòu)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(shù)。常用的遙感技術(shù)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(shù)，可按照波段進行分類。從實際應(yīng)用情況來看，遙感技術(shù)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(wù)，實現(xiàn)對有機質(zhì)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(shù)（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(shù)。其中，遙感技術(shù)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(wù)，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(dǎo)航與空間定位能力，負責提供監(jiān)測目標的三維坐標值[2]。

1.3 X射線斷層掃描技術(shù)

X射線斷層掃描技術(shù)是一項無損監(jiān)測技術(shù)，可以在不破壞土壤原有結(jié)構(gòu)的情況下向土壤結(jié)構(gòu)中發(fā)射與接收X射線，X射線在穿越土壤結(jié)構(gòu)不同物質(zhì)時出現(xiàn)衰減，將所接收信號進行放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換與空間解算處理后，即可繪制成描述土壤結(jié)構(gòu)斷面的數(shù)字圖像。相比遙感技術(shù)、掃描電子顯微鏡（SEM）圖像法等監(jiān)測技術(shù)，X射線斷層掃描技術(shù)既可以有效監(jiān)測土壤表面與內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況，還可以采取定量方式來描述土壤微觀結(jié)構(gòu)，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(shù)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(xùn)練樣本。

1.4 目測評估法

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(shù)，監(jiān)測員使用鐵鍬等工具，在測區(qū)土壤中設(shè)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(zhì)量。然而，目測評估法有著會破壞土壤原狀結(jié)構(gòu)、無法詳細評價土壤質(zhì)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(shù)相結(jié)合，根據(jù)目測評估結(jié)果來大體判斷土壤質(zhì)量與環(huán)境情況，為后續(xù)環(huán)境監(jiān)測工作開展與技術(shù)方案制定提供思路。

1.5 聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)

聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)是在限定源區(qū)內(nèi)四方儲存應(yīng)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(shù)。在土壤環(huán)境監(jiān)測中，聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)多用于收集土壤介質(zhì)中的液橋斷裂、裂縫發(fā)育、力鏈釋放、顆粒摩擦、顆粒膠結(jié)斷裂、土壤纖維斷裂等AE來源，實現(xiàn)對土壤環(huán)境中復(fù)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(yīng)用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)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(jié)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]。

2 我國土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的未來發(fā)展趨勢

2.1 自動化發(fā)展

從技術(shù)應(yīng)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(dǎo)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(shè)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(shù)的自動化發(fā)展，重點提高儀器設(shè)備的自動化水平，使其具備在無人干預(yù)、少人值守條件下自主完成土壤環(huán)境監(jiān)測任務(wù)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速度和預(yù)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(yù)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(yīng)用期間取得了極為顯著的應(yīng)用效果[4]。

2.2 痕量監(jiān)測

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(zhì)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(shù)體系中加入痕量監(jiān)測技術(shù)，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(shù)包括化學(xué)光譜法、分光光度法、極譜法、中子活化分析法、質(zhì)譜法以及電感耦合等離子體質(zhì)譜法。

2.3 廣泛應(yīng)用現(xiàn)場快速分析技術(shù)

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(shù)的操作流程復(fù)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(yīng)用現(xiàn)場快速分析技術(shù)，通過配置新型儀器設(shè)備、簡化操作步驟等方法，對常規(guī)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)進行優(yōu)化改進。

2.4 抗干擾

激光誘導(dǎo)擊穿光譜法、X射線斷層掃描技術(shù)、遙感技術(shù)等監(jiān)測技術(shù)在應(yīng)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(shù)的環(huán)境自適應(yīng)能力與抗干擾能力。以激光誘導(dǎo)擊穿光譜法為例，可選擇搭配使用磁場約束技術(shù)。在某磁場約束技術(shù)對激光誘導(dǎo)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(shè)定在21 s。隨后，將脈沖重復(fù)頻率、激光輸出能量分別設(shè)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(shè)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(dǎo)等離子體的信噪比和發(fā)射光譜強度，再將測量結(jié)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(shù)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(zhì)成分檢測能力得到顯著強化[5]。

3 結(jié)語

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(shù)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(gòu)務(wù)必加大對土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的研究力度，結(jié)合項目情況來選擇恰當?shù)沫h(huán)境監(jiān)測技術(shù)手段，制定科學(xué)、合理的技術(shù)方案，著重推動土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的自動化、痕量監(jiān)測分析、快速分析與抗干擾發(fā)展。