土壤环境监测技术的发展及应用

土壤环境污染是当前污染的主要问题之一,客观、准确的环境监测结果是保障土壤环境保护工作的基石。本文简述了国内外土壤环境监测技术的发展和应用。我国通过引进国外技术的同时创新改造,优化土壤监测技术,帮助环保部门及时、全面地了解土壤环境的情况,为推进土壤环境的监测与保护打下坚实的技术基础。 

1 国外土壤环境监测技术发展及应用

20世纪60年代以来，美国和欧盟相继展开了土壤环境的监测研究，对土壤的背景值、污染情况等进行了系统全面的研究。在此期间，众多土壤监测技术也逐步推出和发展，帮助欧美发达国家建立系统性的土壤环境监测系统。

高光谱分辨率遥感技术，是一种在可见光以及近、中、热红外等多个电磁波段范围内获取多个窄光谱连续影像数据的技术，建成高光谱遥感技术，在土壤环境监测和评估中被广泛应用。该技术发展于20世纪60-80年代美国调查土壤环境背景值的研究过程。通过光谱技术同时辅以化学实验检测法完成采集土壤信息的采集，这个过程中，光谱技术为土壤的分类和制图工作提供重要的技术基础。随着美国大力发展光谱技术的创新和开发，光谱遥感分辨率也经历了多光谱遥感、高光谱遥感、超光谱遥感的跨越式进步。

高光谱技术获得的数据连续性佳、分辨率高、数据量大、图谱信息合一等众多优点让其在土壤环境监测中被广泛应用。光谱学技术在土壤研究中主要用于测定土壤的光谱并辅助分析机理，在土壤分类与制图工作中应用十分广泛，但技术发展较慢。到20世纪80年代，3S技术（RS、GIS、GPS）的出现使光谱数据和地面实测数据相结合，建立土壤的质量信息系统的模型，实现土壤质量检测评价的量化。利用3S技术，美国环保部门对全国的土壤环境进行了系统的调查，美国土壤侵蚀研究机构也建立了多种类型的土壤侵蚀模型，为土壤侵蚀的评估和预测提供了有力的技术支持。

无线传感器网络(WSN)也是土壤环境监测的重要技术之一。通过布置在环境中的大量传感器节点将环境数据发送给网络的特定汇聚节点，实现数据信息无人化、规模化、分布式采集和回传分析。无线传感器网络技术在信息的采集和处理方面有广阔的应用前景。

2002年欧盟官方确认当前影响土壤质量的主要因素，为了加强土壤环境保护，欧盟国家建立统一化土壤监测评价参考中心，实行土壤环境监测评价项目。该项目通过建立体系化的土壤环境监测网络、数据更新和目标选取机制，为建立欧洲统一的土壤环境信息数据信息系统奠定了坚实基础，解决了过去数据缺乏和数据权属纠纷等问题，推动欧盟土壤监测统一化高效化管理，推动土壤环境研究快速发展。该项目的另一个重大突破在于建立了欧盟各国的土壤数据共享监测站，实现数据统一化。

土壤环境数据的收集、更新和分析技术是现代土壤监测技术发展的几个关键方向。无线传感器网络技术可以实现在线实时监测和分析土壤温度、含水量、酸碱度等基础信息，帮助农田管理者实时有效监测和控制土壤情况，科学及时地对农田进行施肥、浇水等干预处理，提升农业的生产效率。

2 我国土壤环境监测技术的发展及应用

我国土壤监测工作起步于20世纪70年代，经过近半个世纪的发展，也取得了很大的技术进步。20世纪80年代，我国检测了土壤背景值数据，并进行了相关研究。除了自主研究，我国也引进了大量国外的先进技术，经过自主改进和研发优化，我国在遥感技术和无线传感器网络技术发展迅速，为土壤环境监测的准确性和高效性提供了强有力的技术支持，推动土壤环境监管和保护工作高效率发展。

1979年，卫星遥感技术开始应用在我国的土壤环境监测领域，现在遥感技术已经可用来定量地监测土壤物质组成，而土壤成分、特性及其动态变化过程是土壤学重点研究方向。高光谱遥感技术为精准、快速监测土壤环境、评价土地质量提供了有利的技术支撑，为科学施肥、农田标准化精细化管理、土壤资源勘查、土壤学研究等方向的工作做出了巨大贡献。我国利用高光谱遥感技术支持土壤环境监测的成功范例有很多。中科院利用该技术成功反演了青藏高原2003-2010年的表层土壤水分，实现了对脆弱生态区域土壤的监测的突破性成功。高分辨力的成像光谱仪能够清晰刻画地表物质的特性，使得通过遥感技术可用于分析地物或大气的化学成分。高光谱遥感技术的进步将推动土壤监测精准度不断提升，推动土壤环境管理统一化、高效化发展。

无线传感器网络技术研究在欧美发达国家不断深入，我国的该技术的研究和应用仍处于起步阶段，但近年来已经取得了重大突破，无限传感器网络技术已经用于我国的土壤监测、军事监测等多个领域。现在我国已经初步研发出用于监测稳定性低、环境差异性较大区域的土壤水分和温度的系统。值得注意的是，我国研发了一种微型无线传感器网络节点，该节点具有高稳定性、抗干扰、低能耗等优点，可应用于农田土壤环境的长期监测中。该技术在农田中的应用，将有助于推动农业科学化、精准化管理，通过精准施肥、浇水，管理农田，实现农田土壤的改善，同时提升农田作物的产量和质量，为生态农业的发展奠定基础。

无限传感器网络技术自动化、规模化的特点可以帮助我们对偏远和环境恶劣的地区实施有效的土壤环境监测和保护。通过结合遥感基础、3S技术，可以帮助实现土壤环境信息的高密度、多维度采集，并集合多学科的分析处理技术，使得土壤环境数据的采集、分析、管理实现统一化管理，使我们能够全面及时地把握甚至预测土壤环境状态，提升环境监管和环境保护的工作效率。

除了遥感技术和无线传感器网络技术，我国的现代生物技术在土壤环境监测领域的发展也较为迅速。通过生物传感器、生物探针等可以对土壤环境进行监测和评价，且生物技术可以通过基因工程来治理土壤环境中的生物。另外，生物大分子标记物、PCR技术、凝胶电泳技术、生物芯片的应用也在土壤成分检测中发挥着重要作用。除此之外，激光溶蚀技术、电感耦合技术等物理化学技术也广泛应用于土壤化学物质的检测，为土壤环境污染的检测和治理提供科学准确的检测支持。另外，水平定向钻进技术也帮助土壤环境监测过程中定向穿越障碍物，实现快速精准到达采样地点，提升土壤采样和监测效率。

3 土壤环境监测的问题与对策

我国的土壤环境监测工作相比与发达国家存在的问题主要集中在三个方面：监测技术相对落后、环境监测制度体系存在缺陷、缺少高素质环境监测技术和管理人才。

我国的现代土壤环境监测技术和发达国家仍有一定差距，监测设备的稳定性和质量仍待提高，环境监测数据的统一化管理仍待提高。

另外，土壤环境监测和评价体系不够完善，土壤环境保护和监督的方案不明确，使得环境保护工作的执行不足。另外，监测污染物的种类并不能完全覆盖当前的污染排放物，污染物种类、特征的不明确将带来环境监管不全面、不彻底的结果，不利于实现全面的土壤环境生态的治理和保护。随着社会的不断发展，土壤环境变化的复杂性和特殊性越来越高，需要高素质的人才支持土壤环境监测和管理工作，当前的相关人才的配置和培养不到位，部分人员的专业能力无法应对土壤监测岗位工作的要求。影响土壤环境的监测和保护效率。

科学准确地进行土壤环境监测和管理，应该加大土壤监测技术研究和开发的投入，引入先进技术，结合先进技术进行改造创新，打造土壤环境监测的技术共享交流平台；完善环境污染物名录，建立全面体系化的环境监测和管理方案；加大环境监测领域人才培养和人才引进力度，合理配置科研资源和人才队伍，加强国际交流协作，为科学治理土壤环境提供强有力的技术、制度、人才支持。

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