土壤環(huán)境對農業(yè)生產、人類健康和土壤資源的安全性具有重要而深遠的影響, 隨著土壤農業(yè)資源的持續(xù)開發(fā), 土壤環(huán)境受到的農藥、化肥、石油等污染日益惡化, 土壤環(huán)境監(jiān)測技術及系統的研究和應用對于土壤生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。對我國近幾年土壤環(huán)境監(jiān)測技術及系統的研究和應用進行概述, 并對土壤環(huán)境監(jiān)測和管理面臨的問題進行展望和建議。

土壤環(huán)境是人類生存環(huán)境的一個重要圈層, 并且對其他圈層具有重要影響。隨著現代工業(yè)和農業(yè)生產的發(fā)展, 化肥、農藥、工業(yè)廢水、城市污水及廢物不斷排入土壤, 當環(huán)境污染物的數量和污染速度超過土壤承受容量和凈化速度時, 土壤的自然動態(tài)平衡一旦受到破壞, 將導致土壤污染及土壤質量下降的現象, 而且土壤污染比大氣污染和水體污染更為持久。

通過土壤環(huán)境監(jiān)測能夠準確了解土壤的污染程度, 分析土壤中各類污染物的濃度水平, 從而為土壤污染的預防和提出有效治理措施提供科學依據。目前我國土壤環(huán)境監(jiān)測技術日益進步, 發(fā)展了化學分析及現場快速分析技術、生物技術、無線傳感等信息技術等多技術融合的監(jiān)測體系。

1 化學分析及現場快速分析技術

土壤污染物主要為無機污染物和有機污染物。

無機污染物主要為重金屬、鹽類、放射性元素化合物及含砷、硒、氟化合物等。

有機污染物主要為有機農藥、酚類、氰化物、石油及城市污水、污泥帶來的有害微生物等。

土壤中無機元素的分析方法主要有原子吸收光譜、電感耦合等離子體法、原子熒光、X射線熒光光譜法等。其中原子吸收光譜法具有準確度高、分析干擾少、測定范圍廣等特點。原子熒光光譜法具有靈敏度高, 校正曲線的線性范圍寬, 能進行多元素同時測定;電感耦合等離子體法具有檢出限低、可同時測定多種元素等優(yōu)點, 但是設備昂貴、操作及維護費用高, 通常將其與其他檢測方法聯用, 可以提高檢測效果。X射線熒光光譜法也具有多元素同時檢測的特點, 還具有快速檢測、操作費用低等優(yōu)點, 美國已編制了相關標準, 制定了儀器檢測條件和使用方法等。

現場快速分析技術主要用于無機重金屬元素的分析測定, 包括激光誘導擊穿光譜法、免疫分析法、酶抑制法、生物傳感器法等。其優(yōu)點是可以大規(guī)模采樣, 分析數據具有時效性, 避免大批量采樣、樣品運輸和儲存消耗的人力、物力, 檢測成本低。其中, 激光誘導擊穿光譜法是光譜分析檢測領域一種新興激光燒蝕法。高功率激光可使土壤樣品表面物質電離氣化, 形成高溫高能電漿, 從而輻射原子和離子光譜, 然后通過分析光譜圖測定樣品組成及濃度。生物傳感器法檢測土壤重金屬是目前國內外該領域研究的新熱點, 但該方法受生物活性和生存環(huán)境等因素的影響較大, 限制了該方法在國內的應用。

土壤中有機污染物的分析檢測方法主要有高效液相色譜法、氣相色譜-質譜法和激光誘導熒光光譜技術等。其中激光誘導熒光光譜技術可以檢測土壤中的油類污染物、多環(huán)芳烴污染物及有機農藥污染物等, 具有靈敏、快速、樣品預處理操作簡單等優(yōu)點。此外, 清華大學的呂暉設計并研制出一款表面等離子體共振傳感自動檢測系統, 可以對土壤有機污染物草甘膦溶液實現高靈敏度的實時檢測。

2 生物技術

目前在我國土壤環(huán)境質量及土壤污染修復研究領域, 采用的生物技術有熒光定量PCR技術和生物修復技術等。其中熒光定量PCR技術用于測定土壤微生物及功能基因豐度和土壤理化性質, 研究土壤微生物群落結構的多樣性變化。生物修復技術主要是利用生物體的生物代射反應或生物合成產物的能力去除土壤中的污染物, 從而達到對污染土壤進行治理和修復的目的, 具有操作費用低、修復效果好、原位處理等優(yōu)點。利用生物修復技術可以對石油、農藥、氰化物、多環(huán)芳烴、垃圾滲濾液等污染的土壤進行修復。

3 信息技術

隨著信息技術的快速發(fā)展, 從事環(huán)境監(jiān)測的工作人員可以利用3S技術、Zig Bee和無線傳感技術、計算機軟件技術、數據庫技術等信息技術對土壤環(huán)境進行動態(tài)監(jiān)測。對于土壤環(huán)境質量數據監(jiān)測管理而言, 單一技術已經無法滿足環(huán)境保護監(jiān)測部門工作人員的工作需求。

黃君在土壤環(huán)境管理系統中同時建立了信息查詢模塊和信息交互模塊。該系統既可以實現目標數據的快速有效提取、統計及分析, 還可以實現地圖可視化信息與數據型信息的完全交互, 能夠更加便捷、精準地了解地圖上采樣點與查詢結果數據之間的聯系, 提高了工作效率。

劉德元等將GIS技術中的空間分析技術與可視化技術相結合, 以江西省余干縣的土壤元素為調查對象, 將數據空間統計方法與模糊綜合評價法融入農業(yè)地質環(huán)境監(jiān)測方法中, 監(jiān)測分析了土壤化學特性, 并運用Arc GIS 10.2軟件的Summrize功能分析土壤養(yǎng)分豐缺情況, 為農業(yè)地質環(huán)境監(jiān)測提供科學依據和技術支持。

李雙喜等基于4G無線通信技術設計了包含數據實時采集、遠程傳輸、存儲的土壤環(huán)境遠程實時監(jiān)測系統, 該系統通過ARM嵌入式處理器監(jiān)測農田土壤的溫濕度和pH參數, 通過4G移動通信網絡進行數據的遠程實時傳輸, 利用數據庫、云服務器和B/S架構技術實現數據存儲、發(fā)布和可視化展示, 為相關工作人員提供了低成本、可靠的數據來源和便捷操作。

4 展望和建議

雖然近幾年我國土壤環(huán)境監(jiān)測技術及系統發(fā)展迅速, 但與國際先進水平相比仍有一定差距。今后應著力提升核心關鍵技術水平和土壤環(huán)境信息獲取及安全保障能力, 加大力度開展基于新原理、新技術、新思路的土壤環(huán)境質量監(jiān)測管理綜合系統的研究與開發(fā), 不斷提升傳感器技術和信息技術的性能, 以滿足環(huán)境監(jiān)測工作人員的工作需求。另外, 土壤環(huán)境管理技術標準及規(guī)范還不系統, 需要建立健全全過程風險管控體系;提升土壤環(huán)境質量監(jiān)測數據的采集、處理和歸納分析的能力, 使土壤污染防治的針對性更加顯著。希望土壤污染防治相關法律法規(guī)加快建立健全起來, 出臺土壤環(huán)境管理和風險管控配套實施辦法;加強重點污染物、重點行業(yè)及區(qū)域的監(jiān)測, 同時實現信息資源的開放共享和高效利用。

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