2.4 中國(guó)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)＠难芯堪l(fā)展趨勢(shì)

圖7列出了中國(guó)在G01N分類(lèi)下主要技術(shù)主題的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)圖7可以看出土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備領(lǐng)域在G01N下的演變趨勢(shì)分為三個(gè)階段：2000—2010年、2011—2014年、2015—2019年。2000—2010年，研究主題主要集中在水分含量的監(jiān)測(cè)，水分或墑情監(jiān)測(cè)的專(zhuān)利申請(qǐng)量約占總專(zhuān)利申請(qǐng)量的四分之三，前三名的申請(qǐng)人分別為中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所和中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所。導(dǎo)水率、墑情、溫度、濕度的監(jiān)測(cè)在2010年數(shù)量增多。2010年之前的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)主要為土壤物理相關(guān)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，這一階段國(guó)內(nèi)最早的土壤重金屬和有機(jī)污染物監(jiān)測(cè)相關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)分別始于2007年和2008年，分別為北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心和上海交通大學(xué)發(fā)明的一種便攜式土壤重金屬分析儀（ZL 200710175770.X）和監(jiān)測(cè)土壤重金屬與多環(huán)芳烴復(fù)合污染的方法（200810042486.X）。

2011—2014年的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備涉及的領(lǐng)域增多。水分含量、濕度、溫度、墑情的監(jiān)測(cè)數(shù)量保持上升趨勢(shì)，水分監(jiān)測(cè)仍然是土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。該時(shí)期重金屬、有機(jī)污染的監(jiān)測(cè)裝備數(shù)量不斷增多。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮、有效磷的監(jiān)測(cè)裝備數(shù)量相對(duì)較少，年分布均勻。2015—2019年，土壤重金屬監(jiān)測(cè)裝備數(shù)量大幅增加，至2018年其數(shù)量處于領(lǐng)先地位，土壤有機(jī)污染監(jiān)測(cè)裝備數(shù)量亦呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì)，可見(jiàn)近幾年土壤重金屬和有機(jī)物污染監(jiān)測(cè)裝備的關(guān)注度很高。土壤水分方面的監(jiān)測(cè)裝備數(shù)量保持增加，數(shù)量大。土壤養(yǎng)分方面的監(jiān)測(cè)裝備所占據(jù)的比例逐漸下降。土壤pH的監(jiān)測(cè)裝備數(shù)量快速增多，2016—2018年穩(wěn)定在峰值水平。微生物生物量碳氮、微生物群落結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)裝備數(shù)量較為落后，土壤呼吸的監(jiān)測(cè)裝備數(shù)量逐漸增多。但總體而言，土壤生物指標(biāo)方面的監(jiān)測(cè)裝備數(shù)量較少。

3 討 論

3.1土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備領(lǐng)域?qū)＠l(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量是技術(shù)產(chǎn)出的直接反映，土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備專(zhuān)利的全球地域分布顯示，美國(guó)、日本、德國(guó)是較早申請(qǐng)專(zhuān)利的國(guó)家，具有較高影響力，中國(guó)是該領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量最多的國(guó)家，中國(guó)、美國(guó)、日本和德國(guó)是該領(lǐng)域?qū)＠闹饕暾?qǐng)國(guó)家（圖1）。通過(guò)對(duì)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備專(zhuān)利技術(shù)生命周期的分析，2008年至2017年處于專(zhuān)利申請(qǐng)快速增長(zhǎng)期，說(shuō)明目前我國(guó)正處于土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備技術(shù)的發(fā)展期，此時(shí)是該領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)或戰(zhàn)略投資者加大研發(fā)投入，進(jìn)行戰(zhàn)略布局的絕好時(shí)機(jī)。

中國(guó)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備專(zhuān)利所涉及的技術(shù)分類(lèi)主要包括土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、養(yǎng)分、污染物、生物指標(biāo)的監(jiān)測(cè)（圖3~圖6）。土壤物理性質(zhì)監(jiān)測(cè)裝備專(zhuān)利數(shù)量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，土壤污染物監(jiān)測(cè)裝備專(zhuān)利數(shù)量保持快速增長(zhǎng)。重金屬監(jiān)測(cè)技術(shù)專(zhuān)利量近三年急劇上升，土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備的研發(fā)主題正從較為單一的水分含量擴(kuò)展至污染物、養(yǎng)分含量、生物量等多個(gè)指標(biāo)和方向，并且研究人員對(duì)于污染物監(jiān)測(cè)關(guān)注度日益增高。同時(shí)，智能化、便攜式的原位監(jiān)測(cè)裝備專(zhuān)利數(shù)量也有明顯增加。

馮杰[21]指出我國(guó)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)存在如下問(wèn)題：起步晚、成型慢、無(wú)體系；研發(fā)力量不足，高端研發(fā)人才匱乏；缺乏先進(jìn)設(shè)備的配套。近些年來(lái)，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多基于物聯(lián)網(wǎng)的智能系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，一些研究者利用物聯(lián)網(wǎng)（IoT）相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)出農(nóng)田土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）與第四代移動(dòng)通信及其技術(shù)網(wǎng)絡(luò)（4G）相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤溫濕度、鹽堿度、pH等土壤環(huán)境信息的自動(dòng)化采集與存儲(chǔ)。

例如，一種基于NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）的土壤參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)（ZL 201720257294.5）的實(shí)用新型發(fā)明，將NB-Iot技術(shù)與土壤溫度、水分、pH等因子的傳感器結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行成本低、監(jiān)測(cè)信息發(fā)布及時(shí)可靠、無(wú)需額外電源供應(yīng)等傳統(tǒng)的傳感器不具備的優(yōu)點(diǎn)。原位監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)快速、非破壞、大面積地監(jiān)測(cè)土壤污染物，實(shí)驗(yàn)周期短，目前研究熱點(diǎn)有便攜式X射線熒光光譜技術(shù)、高光譜遙感探測(cè)技術(shù)、生物發(fā)光技術(shù)（針對(duì)無(wú)機(jī)物）、便攜式氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS，針對(duì)有機(jī)物) 技術(shù)等，但技術(shù)大多處于定性或半定量化試驗(yàn)階段，研究思路可借鑒，大面積推廣應(yīng)用仍需驗(yàn)證[3]。因此，亟需研發(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(cè)技術(shù)或裝備，加強(qiáng)核心硬件開(kāi)發(fā)和集成技術(shù)的研究，發(fā)展土壤多參數(shù)同時(shí)測(cè)定的高效方法，研制土壤多參數(shù)原位或現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)裝備，為及時(shí)掌握土壤環(huán)境質(zhì)量狀況提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)和裝備支撐。

3.2土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化狀況與發(fā)展

中國(guó)排名TOP10 的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備專(zhuān)利申請(qǐng)機(jī)構(gòu)均為高校和科研院所（圖2），這表明我國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域仍處于基礎(chǔ)研究階段，產(chǎn)業(yè)化程度低。也說(shuō)明我國(guó)在該領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研合作不足，研究成果無(wú)法得到及時(shí)、有效推廣應(yīng)用；同時(shí)，這也反映了我國(guó)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備領(lǐng)域的企業(yè)缺乏自主創(chuàng)新能力，缺少與科研機(jī)構(gòu)的有效合作機(jī)制，研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化存在較為明顯的脫節(jié)。促進(jìn)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化的快速、健康發(fā)展，需要高校和科研院所、企業(yè)以及政府等多方面的協(xié)同合作。

為此，中國(guó)高校和科研院所應(yīng)注重專(zhuān)利等知識(shí)產(chǎn)權(quán)成果的管理和運(yùn)營(yíng)，拓寬專(zhuān)利的技術(shù)布局，加強(qiáng)同企業(yè)合作，提高專(zhuān)利市場(chǎng)轉(zhuǎn)化率。建議我國(guó)在該領(lǐng)域技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)的高校、科研院所抓住當(dāng)前全國(guó)科技體制改革大背景下，重視校企合作和科技成果轉(zhuǎn)化的有利時(shí)機(jī)，積極尋求拓展和加強(qiáng)與企業(yè)的合作，及時(shí)將院校的科研成果應(yīng)用到設(shè)備領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化中，加快國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的步伐。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部目前已經(jīng)初步建成國(guó)家農(nóng)業(yè)科學(xué)觀測(cè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，包括對(duì)土壤、水、肥、氣象等關(guān)鍵要素的長(zhǎng)期系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為推動(dòng)農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新提供數(shù)據(jù)支撐并為災(zāi)害預(yù)警提供依據(jù)。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部自2017年啟動(dòng)實(shí)施農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)性長(zhǎng)期性科技工作以來(lái)，已構(gòu)建了11個(gè)數(shù)據(jù)中心、456個(gè)觀測(cè)試驗(yàn)站、4萬(wàn)多個(gè)生態(tài)環(huán)境國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)，形成了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和定點(diǎn)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)體系[23]。企業(yè)應(yīng)該鼓勵(lì)研發(fā)創(chuàng)新投入，提高科技競(jìng)爭(zhēng)力，加強(qiáng)與高校和科研院所的合作，推進(jìn)相關(guān)技術(shù)成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。同時(shí)，政府也應(yīng)出臺(tái)相關(guān)政策，營(yíng)造促進(jìn)成果產(chǎn)業(yè)化的環(huán)境氛圍，積極引導(dǎo)校企合作，鼓勵(lì)協(xié)同創(chuàng)新。例如，以設(shè)立技術(shù)轉(zhuǎn)化扶持資金、借助技術(shù)市場(chǎng)和技術(shù)轉(zhuǎn)移集團(tuán)等政策促進(jìn)校企合作和科技成果的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。

3.3中國(guó)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)與裝備發(fā)展展望

縱觀國(guó)際及國(guó)內(nèi)發(fā)展趨勢(shì)，中國(guó)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)主要面臨以下挑戰(zhàn)與機(jī)遇。第一，原位、在線監(jiān)測(cè)技術(shù)與裝備的發(fā)展與升級(jí)。目前我國(guó)缺少同時(shí)監(jiān)測(cè)土壤養(yǎng)分、土壤碳、土壤鹽分、重金屬、有機(jī)物污染物以及總體反映土壤環(huán)境質(zhì)量的土壤多參數(shù)監(jiān)測(cè)裝備。例如土壤有機(jī)碳、總氮、活性碳、微生物生物量碳、微粒有機(jī)碳、β-葡糖苷酶等均為構(gòu)成土壤碳的重要指標(biāo)，對(duì)以上指標(biāo)的集成監(jiān)測(cè)鮮有報(bào)道。此外，多數(shù)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備基于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，應(yīng)發(fā)展可移動(dòng)、原位監(jiān)測(cè)裝備，實(shí)現(xiàn)野外土壤環(huán)境數(shù)據(jù)的在線、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。一方面，可利用農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展遙感監(jiān)測(cè)裝置，具備光學(xué)與微波結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)相同地物在相同時(shí)相下綜合特征的獲取，得到具有較高時(shí)空一致性的數(shù)據(jù)。同時(shí)，可充分利用我國(guó)在公共通訊網(wǎng)絡(luò)（5G、NB-IoT）、電子與通訊產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)、大數(shù)據(jù)與人工智能等領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并將其轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化至土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的研發(fā)中來(lái)。未來(lái)我國(guó)的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備發(fā)展應(yīng)積極圍繞國(guó)家的戰(zhàn)略發(fā)展需求，合理規(guī)劃產(chǎn)業(yè)布局、積極培養(yǎng)擴(kuò)大市場(chǎng)。依據(jù)目前我國(guó)環(huán)境、農(nóng)業(yè)、國(guó)土資源等的重點(diǎn)需求，針對(duì)性地開(kāi)發(fā)快速、高靈敏、小型化、低成本、自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備以及與遙感尺度相匹配的新型監(jiān)測(cè)裝備，突破土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)的信息采集與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的土壤多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，構(gòu)建技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、高精度、多尺度的土壤監(jiān)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)“天地空”一體化的綜合土壤環(huán)境質(zhì)量的高精度快速監(jiān)測(cè)與精細(xì)化管理，是急需突破的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

第二，加強(qiáng)獲取的土壤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的融合和解譯。土壤環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與收集、更新與擴(kuò)充、分析與融合是現(xiàn)代土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的重要方向。挖掘獲取的數(shù)據(jù)信息，結(jié)合土壤物理、化學(xué)及生物屬性數(shù)據(jù)，綜合評(píng)估土壤可持續(xù)性、土壤退化度、土壤利用率及土壤環(huán)境評(píng)估指標(biāo)，為土壤管理和土地利用的決策提供基礎(chǔ)支撐。以美國(guó)為例，在獲取多方位土壤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，通過(guò)其土壤管理評(píng)估框架(SMAF) 和土壤健康綜合評(píng)價(jià)工具模型(CASH)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和分析，并建立大尺度數(shù)據(jù)庫(kù)，建立CASH 模型并根據(jù)數(shù)據(jù)量遞增進(jìn)行模型更新和優(yōu)化，構(gòu)建美國(guó)環(huán)境土壤綜合指標(biāo), 實(shí)現(xiàn)土壤環(huán)境質(zhì)量的長(zhǎng)期宏觀檢測(cè)與精細(xì)化管理。由聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織建立的世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)HWSD 和全球連續(xù)的土壤數(shù)據(jù)集SoilGrids 提供了包括土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤 pH、土壤堆積密度等理化屬性數(shù)據(jù)，并且匯總了基于遙感數(shù)據(jù)所計(jì)算的溫度、降水、氣候等數(shù)據(jù)，目前已被應(yīng)用于土壤生物量動(dòng)態(tài)變化、生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系等研究工作中。未來(lái)的發(fā)展同時(shí)應(yīng)推進(jìn)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)與數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)信息與資源開(kāi)發(fā)、大數(shù)據(jù)挖掘、與知識(shí)服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)更加緊密的結(jié)合，從而構(gòu)建技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、高精度、多尺度的土壤監(jiān)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)土壤環(huán)境質(zhì)量的高精度快速監(jiān)測(cè)與精細(xì)化管理。

第三，土壤生物指標(biāo)監(jiān)測(cè)裝備的發(fā)展。土壤微生物種群是土壤轉(zhuǎn)化過(guò)程不可或缺的媒介，土壤生物種群在土壤保護(hù)和退化乃至生態(tài)系統(tǒng)中均起到重要作用，在提高高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)作物的養(yǎng)分有效性、保護(hù)農(nóng)作物免受病蟲(chóng)害與雜草侵害、對(duì)抗環(huán)境因素如干旱等方面的生物指標(biāo)應(yīng)加強(qiáng)研究，如通過(guò)生物傳感器、生物探針等監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。目前，我國(guó)已在部分環(huán)保城市建立一些大氣環(huán)境和水環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。隨著監(jiān)測(cè)手段的不斷發(fā)展與監(jiān)測(cè)領(lǐng)域和范圍的不斷擴(kuò)大，未來(lái)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)提高設(shè)備的信息化、集成化水平，在數(shù)據(jù)交換共享、信息化跨界融合方面需要進(jìn)一步加強(qiáng)，與大氣、水環(huán)境監(jiān)測(cè)信息有效結(jié)合，滿足環(huán)境質(zhì)量綜合管理監(jiān)測(cè)需要，提供更全面、更準(zhǔn)確、更實(shí)時(shí)的土壤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，打造國(guó)家或區(qū)域土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)的技術(shù)共享和交流平臺(tái)。

4結(jié) 論

2000—2019年間，我國(guó)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展呈突破式發(fā)展，該技術(shù)處于生命周期的發(fā)展期。全球土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備的技術(shù)主要集中在G01N領(lǐng)域，中國(guó)在G01N技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)利呈現(xiàn)持續(xù)快速增加的趨勢(shì)。近年來(lái)，技術(shù)研發(fā)的趨勢(shì)表現(xiàn)為監(jiān)測(cè)指標(biāo)從傳統(tǒng)的土壤肥力指標(biāo)向污染物和生物指標(biāo)拓展，便攜式、智能化的原位監(jiān)測(cè)裝備受青睞，定性與定量結(jié)合的檢測(cè)裝備也得到關(guān)注。我國(guó)排名TOP10 的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備專(zhuān)利申請(qǐng)人均為高校和科研院所，缺乏具有自主創(chuàng)新能力的企業(yè)，成果的轉(zhuǎn)化效率較低，亟需加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān)及合作研發(fā)，突破土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、高精度、多尺度的土壤監(jiān)測(cè)裝備與體系，實(shí)現(xiàn)我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量的高精度監(jiān)測(cè)與精細(xì)化管理。

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