我國土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

趙 鑫，孫春花，沈 賢

（浙江安聯(lián)檢測技術(shù)服務(wù)有限公司，杭州 310052）

土壤污染是指進(jìn)入土壤的有害物質(zhì)超出土壤自凈能力，致使土壤理化性質(zhì)發(fā)生變化。土壤作為人類生存之本，遭受污染，不僅會影響農(nóng)作物產(chǎn)量，還會對人體健康帶來危害。土壤污染主要有三種來源。一是化肥，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中長期、大量使用氮肥，致使土壤板結(jié)，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，影響農(nóng)作物產(chǎn)量；二是農(nóng)藥，殺菌劑、殺蟲劑、除草劑等農(nóng)藥的不規(guī)范使用導(dǎo)致大量農(nóng)藥沉積在土壤中，污染土壤中長出的農(nóng)作物也帶有農(nóng)藥，危害人體健康；三是固體廢物，包括工業(yè)廢物和生活垃圾。目前，我國土壤污染問題比較嚴(yán)重，不少耕地受到污染，每年有大量糧食遭受重金屬污染，損失巨大。土壤污染具有隱蔽性、不可逆性和長期性，后果嚴(yán)重，特別是受重金屬污染的土壤。近年來，全國土壤污染事件頻發(fā)，造成惡劣的社會影響，充分印證了土壤污染后果的嚴(yán)重性。

1 土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

土壤污染治理關(guān)系人體健康，關(guān)乎生態(tài)文明建設(shè)。近年來，我國已經(jīng)認(rèn)識到土壤保護(hù)的重要性，采取一系列措施加強(qiáng)土壤保護(hù)，修復(fù)污染的土壤。土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)通過了解土壤環(huán)境質(zhì)量狀況，為土壤修復(fù)提供參考。我國還發(fā)布《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJT 166—2004），為土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的實(shí)施提供規(guī)范支持。

1.1 3S 技術(shù)

3S 技術(shù)是遙感技術(shù)（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）的統(tǒng)稱。遙感技術(shù)應(yīng)用時(shí)，傳感器作用巨大，向待測土壤中發(fā)射電磁波、接收反饋信號都由傳感器完成。按照不同波段進(jìn)行分類，遙感技術(shù)分為紅外遙感、紫外遙感、微波遙感和多光譜遙感等。從探測波段來看，紅外遙感一般為0.76 ～14.00 μm，紫外遙感一般為0.38 ～0.76 μm，微波遙感一般為1 ～1 000 mm，多光譜遙感一般處于可見光和紅外遙感波段范圍外。遙感技術(shù)具有不接觸、監(jiān)測范圍廣、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測等優(yōu)勢，其經(jīng)常應(yīng)用到土壤環(huán)境監(jiān)測中。

隨著全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用，遙感技術(shù)和二者融合在一起形成3S 技術(shù)，不僅提高了土壤環(huán)境監(jiān)測效率，還提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)處理也具有集成化、可視化的特點(diǎn)，為土壤環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理、分析模擬和決策咨詢等奠定了基礎(chǔ)，這是傳統(tǒng)遙感技術(shù)所不具備的，3S 技術(shù)各組成部分的關(guān)系如圖1所示。

圖1 3S 技術(shù)各組成部分的關(guān)系

在土壤環(huán)境監(jiān)測中，3S 技術(shù)的各組成部分互相配合。遙感技術(shù)主要接收電磁波信息，并對接收的信息進(jìn)行處理，以了解土壤的色調(diào)、形態(tài)等特征；地理信息系統(tǒng)基于地理位置信息將土壤所處的地理位置以可視化、動(dòng)態(tài)化的形式呈現(xiàn)出來；全球定位系統(tǒng)具有定位、導(dǎo)航的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)土壤位置的三維導(dǎo)航和空間定位，確定土壤的三維坐標(biāo)。王冬等基于3S技術(shù)對磨子潭水土流失現(xiàn)象進(jìn)行研究，通過Landsat TM/ETM 數(shù)據(jù)獲取磨子潭近年來的土地覆蓋和植被覆蓋度，并結(jié)合數(shù)字高程模型，利用GIS 對磨子潭水土流失情況進(jìn)行分析，為3S 技術(shù)應(yīng)用提供了參考。

1.2 生物技術(shù)

生物技術(shù)是一種新興環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，該技術(shù)利用生物中提取的微生物或細(xì)胞等對土壤環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。生物技術(shù)在土壤環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用時(shí)間并不長，但已經(jīng)展現(xiàn)出良好的應(yīng)用效果。生物技術(shù)主要對土壤環(huán)境中的微生物、生物細(xì)胞等進(jìn)行監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果上傳到信息系統(tǒng)中，再通過數(shù)據(jù)分析了解土壤質(zhì)量情況。目前常用的生物技術(shù)包括聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）技術(shù)、芯片植入技術(shù)、生物大分子標(biāo)記技術(shù)等。

PCR 技術(shù)是用于放大擴(kuò)增特定的脫氧核糖核酸（DNA）片段的分子生物學(xué)技術(shù)，其可以看作是生物體外的特殊DNA 復(fù)制，只要從生物中分離出一點(diǎn)DNA，就能通過PCR 技術(shù)進(jìn)行放大處理。當(dāng)前，我國對PCR 技術(shù)的應(yīng)用不斷增多。劉燕等采用不對稱PCR 技術(shù)對土壤中的腸道病原菌進(jìn)行監(jiān)測，首先通過該技術(shù)獲得單鏈DNA，并對樣品進(jìn)行熒光標(biāo)記，再進(jìn)行寡核苷酸芯片雜交，和常規(guī)PCR 技術(shù)相比，不對稱PCR 技術(shù)具有較高的監(jiān)測效率。

1.3 水平定向鉆進(jìn)技術(shù)

水平定向鉆進(jìn)技術(shù)最早出現(xiàn)在美國，該技術(shù)一出現(xiàn)，就受到環(huán)保領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。水平定向鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用廣泛，除了在各類地下管線鋪設(shè)施工中應(yīng)用外，土壤環(huán)境監(jiān)測、石油鉆進(jìn)等領(lǐng)域也應(yīng)用較多?？刹捎盟蕉ㄏ蜚@進(jìn)技術(shù)（非開挖）在受污染的地下水、地層中鋪設(shè)出水平土壤環(huán)境監(jiān)測井管道，實(shí)現(xiàn)對土壤環(huán)境的監(jiān)測，如圖2 所示。水平定向鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用成本較低，在土壤環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用廣泛。除了對土壤環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測外，水平定向鉆進(jìn)技術(shù)在土壤環(huán)境治理中也有良好的應(yīng)用。何計(jì)彬等研究了水平定向鉆進(jìn)技術(shù)在鹽堿地治理中的應(yīng)用，實(shí)踐證明，該技術(shù)在土壤環(huán)境治理中有良好的應(yīng)用效果。

圖2 水平定向鉆進(jìn)技術(shù)工作原理

2 土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢

2.1 快速分析

土壤環(huán)境監(jiān)測中，有時(shí)需要對土壤污染現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速的監(jiān)測，在最短時(shí)間內(nèi)了解土壤污染情況、土壤環(huán)境質(zhì)量等，判斷出土壤污染物的類別。當(dāng)前已經(jīng)有快速分析儀器用于現(xiàn)場快速分析。隨著土壤污染治理需求的增加，現(xiàn)場快速分析需求將不斷提升，土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)將朝著快速分析方向發(fā)展?？焖俜治鰞x器應(yīng)滿足小型化、復(fù)合化、易操作的要求，適用于多種土壤污染情況的快速分析。當(dāng)前已有土壤墑情檢測儀、土壤養(yǎng)分檢測儀、土壤緊實(shí)度測定儀、土壤重金屬檢測儀（見圖3）、土壤水分測定儀、土壤酸度檢測儀和土壤測氡儀等，種類繁多，能夠?qū)Σ煌寥拉h(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。這些儀器功能相對單一，而土壤環(huán)境問題可能并不單一，因此未來快速分析儀器將朝復(fù)合型方向發(fā)展，滿足多種土壤因子的監(jiān)測需求。

圖3 便攜式土壤重金屬檢測儀

2.2 痕量檢測

土壤作為人類生存之本，土壤污染對人體健康構(gòu)成較大的威脅。土壤污染具有隱秘性和長期性，有些有害物質(zhì)濃度不高，卻對人體健康有較大的影響，甚至危及生命安全。另外，土壤污染來源眾多，每種土壤污染物并不都有較高的濃度，濃度不高的污染物需要借助高精度的監(jiān)測分析才能發(fā)現(xiàn)。這就對土壤監(jiān)測分析精度提出了新要求。痕量分析是一種測定樣品中含量較低組分的方法，一般待測組分含量小于百萬分之一時(shí)可以采用痕量分析方法，原子吸收光譜法、化學(xué)光譜法、分光光度法等是常用的痕量分析方法。在土壤環(huán)境監(jiān)測中，要達(dá)到痕量分析的監(jiān)測精度，可以采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）、超痕量分析法等。ICP-MS 是一種多元素分析技術(shù)，具有較高的檢測靈敏度，高端ICP-MS 設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)大部分元素的同時(shí)測定，即便分析物的濃度極低，也能進(jìn)行測量，如圖4所示。

圖4 ICP-MS 設(shè)備

2.3 自動(dòng)化監(jiān)測

當(dāng)前，我國很多地方開展的土壤環(huán)境監(jiān)測屬于事后監(jiān)測，即發(fā)現(xiàn)土壤質(zhì)量存在問題后才進(jìn)行土壤環(huán)境監(jiān)測，了解土壤污染源及污染程度，再采取措施進(jìn)行治理。如果沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)土壤污染，這種事后監(jiān)測很有可能給人體健康帶來潛在威脅。信息時(shí)代，開展事前監(jiān)測、及早發(fā)現(xiàn)和預(yù)防土壤污染成為可能。隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將這些技術(shù)應(yīng)用到土壤環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測中，構(gòu)建土壤環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)土壤污染的預(yù)防。一旦監(jiān)測到土壤環(huán)境指標(biāo)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)會自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，提醒相關(guān)人員采取應(yīng)對措施。另外，土壤環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)也能自動(dòng)收集和分析土壤環(huán)境指標(biāo)信息，為土壤污染治理提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

3 結(jié)語

土壤作為人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，土壤污染治理關(guān)乎人體健康。為了減少土壤污染，要加強(qiáng)土壤環(huán)境監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)土壤環(huán)境污染源，明確污染程度，為土壤污染治理提供參考依據(jù)。當(dāng)前，土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)較多，不同技術(shù)在土壤環(huán)境監(jiān)測中得到不同的應(yīng)用，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的深入應(yīng)用，在這些技術(shù)的支持下，土壤環(huán)境監(jiān)測將朝快速分析、痕量檢測、自動(dòng)化監(jiān)測的方向發(fā)展。