土壤環(huán)境對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、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(nóng)業(yè)資源的持續(xù)開發(fā), 土壤環(huán)境受到的農(nóng)藥、化肥、石油等污染日益惡化, 土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)及系統(tǒng)的研究和應(yīng)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(shù)及系統(tǒng)的研究和應(yīng)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(xiàn)代工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展, 化肥、農(nóng)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(shù)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(dǎo)致土壤污染及土壤質(zhì)量下降的現(xiàn)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(yù)防和提出有效治理措施提供科學依據(jù)。目前我國土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)日益進步, 發(fā)展了化學分析及現(xiàn)場快速分析技術(shù)、生物技術(shù)、無線傳感等信息技術(shù)等多技術(shù)融合的監(jiān)測體系。

1 化學分析及現(xiàn)場快速分析技術(shù)

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(nóng)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(shè)備昂貴、操作及維護費用高, 通常將其與其他檢測方法聯(lián)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(guān)標準, 制定了儀器檢測條件和使用方法等。

現(xiàn)場快速分析技術(shù)主要用于無機重金屬元素的分析測定, 包括激光誘導(dǎo)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(shù)據(jù)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(dǎo)擊穿光譜法是光譜分析檢測領(lǐng)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(zhì)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(nèi)外該領(lǐng)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(nèi)的應(yīng)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(zhì)譜法和激光誘導(dǎo)熒光光譜技術(shù)等。其中激光誘導(dǎo)熒光光譜技術(shù)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(nóng)藥污染物等, 具有靈敏、快速、樣品預(yù)處理操作簡單等優(yōu)點。此外, 清華大學的呂暉設(shè)計并研制出一款表面等離子體共振傳感自動檢測系統(tǒng), 可以對土壤有機污染物草甘膦溶液實現(xiàn)高靈敏度的實時檢測。

2 生物技術(shù)

目前在我國土壤環(huán)境質(zhì)量及土壤污染修復(fù)研究領(lǐng)域, 采用的生物技術(shù)有熒光定量PCR技術(shù)和生物修復(fù)技術(shù)等。其中熒光定量PCR技術(shù)用于測定土壤微生物及功能基因豐度和土壤理化性質(zhì), 研究土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的多樣性變化。生物修復(fù)技術(shù)主要是利用生物體的生物代射反應(yīng)或生物合成產(chǎn)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(fù)的目的, 具有操作費用低、修復(fù)效果好、原位處理等優(yōu)點。利用生物修復(fù)技術(shù)可以對石油、農(nóng)藥、氰化物、多環(huán)芳烴、垃圾滲濾液等污染的土壤進行修復(fù)。

3 信息技術(shù)

隨著信息技術(shù)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(shù)、Zig Bee和無線傳感技術(shù)、計算機軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等信息技術(shù)對土壤環(huán)境進行動態(tài)監(jiān)測。對于土壤環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)監(jiān)測管理而言, 單一技術(shù)已經(jīng)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(tǒng)中同時建立了信息查詢模塊和信息交互模塊。該系統(tǒng)既可以實現(xiàn)目標數(shù)據(jù)的快速有效提取、統(tǒng)計及分析, 還可以實現(xiàn)地圖可視化信息與數(shù)據(jù)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(jié)果數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系, 提高了工作效率。

劉德元等將GIS技術(shù)中的空間分析技術(shù)與可視化技術(shù)相結(jié)合, 以江西省余干縣的土壤元素為調(diào)查對象, 將數(shù)據(jù)空間統(tǒng)計方法與模糊綜合評價法融入農(nóng)業(yè)地質(zhì)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(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測提供科學依據(jù)和技術(shù)支持。

李雙喜等基于4G無線通信技術(shù)設(shè)計了包含數(shù)據(jù)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(tǒng), 該系統(tǒng)通過ARM嵌入式處理器監(jiān)測農(nóng)田土壤的溫濕度和pH參數(shù), 通過4G移動通信網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)的遠程實時傳輸, 利用數(shù)據(jù)庫、云服務(wù)器和B/S架構(gòu)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、發(fā)布和可視化展示, 為相關(guān)工作人員提供了低成本、可靠的數(shù)據(jù)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(shù)及系統(tǒng)發(fā)展迅速, 但與國際先進水平相比仍有一定差距。今后應(yīng)著力提升核心關(guān)鍵技術(shù)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(shù)、新思路的土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測管理綜合系統(tǒng)的研究與開發(fā), 不斷提升傳感器技術(shù)和信息技術(shù)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(shù)標準及規(guī)范還不系統(tǒng), 需要建立健全全過程風險管控體系;提升土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)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(guān)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(xiàn)信息資源的開放共享和高效利用。

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