土壤环境对农业生产、人类健康和土壤资源的安全性具有重要而深远的影响, 随着土壤农业资源的持续开发, 土壤环境受到的农药、化肥、石油等污染日益恶化, 土壤环境监测技术及系统的研究和应用对于土壤生态环境保护具有重要意义。对我国近几年土壤环境监测技术及系统的研究和应用进行概述, 并对土壤环境监测和管理面临的问题进行展望和建议。

土壤环境是人类生存环境的一个重要圈层, 并且对其他圈层具有重要影响。随着现代工业和农业生产的发展, 化肥、农药、工业废水、城市污水及废物不断排入土壤, 当环境污染物的数量和污染速度超过土壤承受容量和净化速度时, 土壤的自然动态平衡一旦受到破坏, 将导致土壤污染及土壤质量下降的现象, 而且土壤污染比大气污染和水体污染更为持久。

通过土壤环境监测能够准确了解土壤的污染程度, 分析土壤中各类污染物的浓度水平, 从而为土壤污染的预防和提出有效治理措施提供科学依据。目前我国土壤环境监测技术日益进步, 发展了化学分析及现场快速分析技术、生物技术、无线传感等信息技术等多技术融合的监测体系。

1 化学分析及现场快速分析技术

土壤污染物主要为无机污染物和有机污染物。

无机污染物主要为重金属、盐类、放射性元素化合物及含砷、硒、氟化合物等。

有机污染物主要为有机农药、酚类、氰化物、石油及城市污水、污泥带来的有害微生物等。

土壤中无机元素的分析方法主要有原子吸收光谱、电感耦合等离子体法、原子荧光、X射线荧光光谱法等。其中原子吸收光谱法具有准确度高、分析干扰少、测定范围广等特点。原子荧光光谱法具有灵敏度高, 校正曲线的线性范围宽, 能进行多元素同时测定;电感耦合等离子体法具有检出限低、可同时测定多种元素等优点, 但是设备昂贵、操作及维护费用高, 通常将其与其他检测方法联用, 可以提高检测效果。X射线荧光光谱法也具有多元素同时检测的特点, 还具有快速检测、操作费用低等优点, 美国已编制了相关标准, 制定了仪器检测条件和使用方法等。

现场快速分析技术主要用于无机重金属元素的分析测定, 包括激光诱导击穿光谱法、免疫分析法、酶抑制法、生物传感器法等。其优点是可以大规模采样, 分析数据具有时效性, 避免大批量采样、样品运输和储存消耗的人力、物力, 检测成本低。其中, 激光诱导击穿光谱法是光谱分析检测领域一种新兴激光烧蚀法。高功率激光可使土壤样品表面物质电离气化, 形成高温高能电浆, 从而辐射原子和离子光谱, 然后通过分析光谱图测定样品组成及浓度。生物传感器法检测土壤重金属是目前国内外该领域研究的新热点, 但该方法受生物活性和生存环境等因素的影响较大, 限制了该方法在国内的应用。

土壤中有机污染物的分析检测方法主要有高效液相色谱法、气相色谱-质谱法和激光诱导荧光光谱技术等。其中激光诱导荧光光谱技术可以检测土壤中的油类污染物、多环芳烃污染物及有机农药污染物等, 具有灵敏、快速、样品预处理操作简单等优点。此外, 清华大学的吕晖设计并研制出一款表面等离子体共振传感自动检测系统, 可以对土壤有机污染物草甘膦溶液实现高灵敏度的实时检测。

2 生物技术

目前在我国土壤环境质量及土壤污染修复研究领域, 采用的生物技术有荧光定量PCR技术和生物修复技术等。其中荧光定量PCR技术用于测定土壤微生物及功能基因丰度和土壤理化性质, 研究土壤微生物群落结构的多样性变化。生物修复技术主要是利用生物体的生物代射反应或生物合成产物的能力去除土壤中的污染物, 从而达到对污染土壤进行治理和修复的目的, 具有操作费用低、修复效果好、原位处理等优点。利用生物修复技术可以对石油、农药、氰化物、多环芳烃、垃圾渗滤液等污染的土壤进行修复。

3 信息技术

随着信息技术的快速发展, 从事环境监测的工作人员可以利用3S技术、Zig Bee和无线传感技术、计算机软件技术、数据库技术等信息技术对土壤环境进行动态监测。对于土壤环境质量数据监测管理而言, 单一技术已经无法满足环境保护监测部门工作人员的工作需求。

黄君在土壤环境管理系统中同时建立了信息查询模块和信息交互模块。该系统既可以实现目标数据的快速有效提取、统计及分析, 还可以实现地图可视化信息与数据型信息的完全交互, 能够更加便捷、精准地了解地图上采样点与查询结果数据之间的联系, 提高了工作效率。

刘德元等将GIS技术中的空间分析技术与可视化技术相结合, 以江西省余干县的土壤元素为调查对象, 将数据空间统计方法与模糊综合评价法融入农业地质环境监测方法中, 监测分析了土壤化学特性, 并运用Arc GIS 10.2软件的Summrize功能分析土壤养分丰缺情况, 为农业地质环境监测提供科学依据和技术支持。

李双喜等基于4G无线通信技术设计了包含数据实时采集、远程传输、存储的土壤环境远程实时监测系统, 该系统通过ARM嵌入式处理器监测农田土壤的温湿度和pH参数, 通过4G移动通信网络进行数据的远程实时传输, 利用数据库、云服务器和B/S架构技术实现数据存储、发布和可视化展示, 为相关工作人员提供了低成本、可靠的数据来源和便捷操作。

4 展望和建议

虽然近几年我国土壤环境监测技术及系统发展迅速, 但与国际先进水平相比仍有一定差距。今后应着力提升核心关键技术水平和土壤环境信息获取及安全保障能力, 加大力度开展基于新原理、新技术、新思路的土壤环境质量监测管理综合系统的研究与开发, 不断提升传感器技术和信息技术的性能, 以满足环境监测工作人员的工作需求。另外, 土壤环境管理技术标准及规范还不系统, 需要建立健全全过程风险管控体系;提升土壤环境质量监测数据的采集、处理和归纳分析的能力, 使土壤污染防治的针对性更加显著。希望土壤污染防治相关法律法规加快建立健全起来, 出台土壤环境管理和风险管控配套实施办法;加强重点污染物、重点行业及区域的监测, 同时实现信息资源的开放共享和高效利用。

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