我國土壤多參數快速檢測方法和技術研發進展與展望

導 讀

快速、準確獲取土壤多種屬性信息是土壤質量快速檢測與評估以及現代精準農業發展的必然需求。本文系統闡述了我國在土壤水分、鹽分、養分、pH、溫度等多參數快速檢測方法、技術與設備等方面的研發進展，比較了不同快速檢測方法和技術的優缺點,分析了土壤多參數檢測技術及設備的研發現狀、專利申請情況以及國家重大科研儀器項目的資助情況。未來應加強土壤快速檢測設備的核心軟硬體系統開發與集成技術研究，實現土壤檢測的多參數快速智能化，同時應進一步加大土壤快速檢測方法和技術的科技投入與聯合攻關研究，以滿足我國土壤多參數快速檢測及土壤質量快速調查與評估的實際需要。

文/周 怡1,2，紀榮平1，胡文友2*，黃 標2，塗勇輝3，姜 軍3，馬 力3(1 揚州大學環境科學與工程學院；2 中國科學院土壤環境與汙染修復重點實驗室(南京土壤研究所)，南京 210008；3 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所))

來源：土壤（2019年第4期）

土壤是人類賴以生存和可持續發展的基礎，快速、準確獲取土壤環境質量信息是土壤資源調查與評價等工作的重要前提與基礎。土壤參數的常規實驗室檢測方法具有前處理複雜、分析周期長、測試費用高等缺點。尋找便捷、安全、可靠的快速分析方法，及時準確獲取土壤多種屬性信息及其質量狀況尤為重要。2016 年國家《土壤汙染防治行動計劃》出臺，提出「建立十年一次的土壤環境質量狀況定期調查制度，2020 年底前，實現土壤環境質量監測點位所有縣(市、區)全覆蓋」[1]。可見，未來對土壤環境質量的監測將成為環境監測工作的常態，迫切需要開展土壤多參數快速檢測方法與技術方面的研究，以實現多尺度土壤屬性數據的快速獲取與更新，滿足土壤快速監測科研與應用需求[2]。

我國目前土壤快速檢測技術與國外相比還存在很大的差距，多數土壤傳感器及土壤檢測設備均從國外引進[3]。在研製具有高精度低能耗的具有無線傳輸功能的土壤快速檢測設備上還存在較大的困難。為了全面了解我國土壤多參數快速檢測技術與設備方面的研發情況，本文系統總結了我國目前在土壤水分、鹽分、養分、pH、溫度等多參數快速檢測方法、技術與設備等方面的研發進展，比較了不同快速檢測方法和技術的優缺點，分析了土壤快速檢測設備的研發現狀、專利申請情況以及國家重大科研儀器項目的資助情況，進而提出下一步研發建議與展望，以期為我國土壤多參數快速檢測方法和技術研發與發展提供科學依據和參考資料。

1 土壤多參數快速檢測方法研究進展

1.1 水分檢測

水分是構成土壤肥力的一個重要因素，它不僅影響著土壤的物理性質，還制約著土壤中養分的溶解和遷移，是監控土壤乾旱和退化的重要指標[4]。測定土壤水分的方法大致可分為三類：取樣法[4]、定位法[5]和遙感法[6]。不同的檢測技術存在不同的局限性且有著相應的優缺點(表1)。常用的土壤水分檢測方法有烘乾稱重法、介電法、遙感法。烘乾稱重法指根據測定土樣的質量變化來計算含水率，主要用於標定檢驗，該方法簡單且測量精度高，但在取樣時會破壞土壤，難以進行長期原位監測，不能連續測定土壤水分。介電法克服了烘乾法的弊端可以進行連續土壤水分監測，目前常用的方法包括時域反射法(time domain reflectometry, TDR)和頻域反射法(frequency domain reflectometry, FDR)[7]。TDR 技術自從1980 年Topp等人提出了土壤介電常數與土壤含水量之間的經驗關係便開始廣泛使用[8]。當溫度在10 ~ 36 ℃、實際體積含水量0 ~ 35% 變化時，TDR 測量值不受土壤質地、容重、溫度等因素的影響，測量速度快、精度高、不會干擾土壤[9]。FDR 是利用LC(諧振)電路的振蕩，通過土壤中介電常數的變化引起的頻率變化來測定土壤的水分含量，該方法最早起源於荷蘭瓦格寧根大學Hilhorst 教授，可以通過調節傳感器的位置測定不同深度土壤的含水量，受外界影響小，測得的結果準確[10]。傳統的土壤水分檢測方法還有遙感法。遙感法是一種非接觸式、大面積、多時相的土壤水分監測方法，能夠反映大面積的地表信息，適用於大範圍監測[11-12]。目前遙感法主要集中在光學遙感和微波遙感領域[13]，光學遙感法包括常見的熱慣量法[14]、植物缺水指數法[15]、熱紅外法等[16]。光學遙感法目前研究應用較廣，但是易受到氣象條件的影響。隨著「3S」技術的不斷發展，微波遙感監測土壤水分具有很大的發展前景，將是未來發展的重點方向。

基於駐波率原理，裘正軍等[17]研製了基於GPS(全球定位系統，global positioning system)定位的快速水分測量儀，採用SWR-2 型土壤水分傳感器來測定土壤水分，這樣既能快速測定土壤水分含量又能實現精準定位，實現了土壤水分測定的多功能化，為實時在線監測提供了便利。馮磊[18]研製出了TSC-1 可攜式土壤水分測試儀，該儀表可以快速檢測土壤容積含水量，設計了基於RS-485 總線應用信息融合技術的智能土壤水分傳感器，降低了安裝成本，提高了土壤水分傳感器的精度。由中國科學院南京土壤研究所研發的TS-1 型土壤水分速測儀，可以測定土壤、砂、水泥等多孔性物質的含水量，測量一個土樣大約僅需3 min，與烘乾法測出的精度相比小於2%，測量精度準確、時間短，大大節省了土壤水分的測定時間，提高了野外土壤水分檢測的工作效率。

1.2 鹽分檢測

土壤鹽分是土壤鹽漬化研究的重要指標，也是制約農業生產的重要因素。對土壤鹽分的測定通常是先對土壤中的電導率進行測定，然後通過土壤電導率計算出土壤中鹽分含量的多少[19]。這種方法測定過程繁瑣，費時費力，且破壞了土壤原樣。為了實現對土壤鹽分快速、有效的測定，目前主要應用的有基於原位監測的土壤溶液法和土壤表觀電導率法[20]。在土壤溶液電導率測定中，可採用土壤鹽分傳感器直接測定土壤溶液電導率，鹽分傳感器適合長期連續監測土壤鹽分，對一定深度的土壤溶液長期觀測具有很高的精確性，但在使用過程中傳感器需要重新校正，不適用於監測快速和短期的鹽分變化，且在乾燥土壤環境中無法使用[21]。土壤表觀電導率是一種快速、高效、穩定的測定土壤鹽分時空分布特性的方法，可採用電阻法(ER)、電磁感應儀法(EM)和時域反射法(TDR)確定土壤鹽分，具有操作簡單、響應速度快、獲取數據能力強的特點，但是容易受到土壤含水量、質地等因素的影響[22]，至今仍缺乏普適性強的關係模型，所以測量精度上受到一定的限制[23]。電阻法測定的土體範圍較大，可以抵消土體局部的差異性，但是測定過程中需要不斷地將傳感器深入土壤，因此不適合在乾燥的土體中測定。電磁感應法恰好能彌補這種不足，但是測得的是不同土壤深度的加權值而非平均值，在後期計算過程中較為複雜[24]。電磁感應法適用於大面積土壤鹽分的監測，近年來許多學者將電磁感應技術與遙感技術相結合來監測農業土壤[25-26]，受到廣泛的應用。時域反射法(TDR)是通過分析電磁波在土壤中的衰減來測定電導率值，易受到土壤溫度、質地等因素的影響，在使用前必須進行校正[27]。TDR因為其測定簡便，不破壞原狀土壤結構，能同時測定水分和電導率，近幾年在土壤水分及鹽分測定方面發展速度很快，相信在未來可以有更大的發展空間，能夠進行不同尺度範圍內土壤中水分、鹽分的快速檢測。

1.3 養分檢測

土壤養分的快速檢測對指導合理施肥具有重要意義，一直是精細農業信息獲取的技術難題[28-29]。傳統的土壤養分數據採集方法主要是通過田間取樣-實驗室常規分析手段進行獲取，操作繁瑣，分析效率低而且時效性很差。土壤養分的快速檢測是一種相對於常規化學分析，採用光電比色原理，速度更快捷、成本更低廉、測試設備更簡便，而測試精度能滿足測土配方施肥要求的養分測試技術[30]。快速測量儀器設備一般由公司與農業研究應用機構合作開展相關研究共同開發，如美國HACH 公司生產的NPK-kit、德國MERCK 公司生產的RQflex 等，目前國內土壤養分快速檢測的儀器有北京強盛分析儀器製造中心研發的TFC 系列土壤養分速測儀、河南農大機電技術開發中心研製的YN 型土壤肥料養分速測儀等[31]。近年來土壤養分分析中應用較多的是可見光-近紅外反射光譜(visible and near infrared reflectance spectrometer,Vis-NIR)，利用化學分子含氫官能團對特定譜帶近紅外光的特異性吸收而獲得吸收光譜，利用化學計量方法定性定量檢測養分含量[32]。該方法土壤無需進行預處理，運行速度快，測試結果受人為幹擾影響小。利用Vis-NIR 技術，李民贊等[33]開發了一款可攜式土壤有機質測定儀，該設計不僅降低了能耗，且精度能滿足可攜式儀器實時測量的要求。賈生堯[34]採用Vis-NIR 技術，結合化學計量學方法，開發了一套可攜式土壤養分快速分析系統，可以實現土壤養分信息的快速無損檢測。由中國科學院南京土壤研究所研製的SFM-1 型智能化基於電化學方法測試的土壤肥力測定儀，具有較寬的測量範圍，並且不需要在每次測定前標定，可用於帶色的或有懸浮質點的土壤溶液和環境水樣測定，操作簡便，可廣泛應用於農業土壤及環境監測部門。

1.4 pH 檢測

土壤pH(酸鹼度)是影響土壤環境質量的一個重要指標[35]，也是土壤肥力的重要影響因素之一，土壤的酸化將嚴重影響糧食安全和土地生產潛力的發揮[36]。在測定土壤pH 方面，國際化標準組織於2005年發布了《土壤質量pH 的測定》國際標準[37]。國內外目前採用的主要是電極法，採用pH 計測定溶液中氫離子的活度[38]。除此之外，常用的方法還有混合指示劑比色法、pH 試紙法、可見光光譜提取法、傳感器檢測方法等。在測定pH 前，應預先選好相應的檢測方法，混合指示劑比色法和pH 試紙法適用於較簡單的測定溶液pH，如對pH 精度要求比較高則適合採用電極電位法和可見光光譜提取法。目前，土壤pH 檢測還受外界影響較大，測量精度高、受外界影響小的檢測技術還亟待突破。胡永強等[39]為了改善傳統pH 檢測技術手段落後、時效性差等特點，研究了一種基於GPRS (通用分組無線服務技術，generalpacket radio service)的遠程土壤pH 快速檢測系統，解決了傳統設備功能單一的問題，精度高、靈活性強，滿足土壤pH 快速檢測的需求；土壤pH 在測定過程中受到土壤含水率和溫度的影響，趙燕東等[40]設計了帶有溫度含水率補償模型的銻電極土壤pH 在線實時檢測系統，在pH 範圍為3.06 ~ 10.36 之間可實現有效測定。

1.5 溫度檢測

土壤溫度對土壤養分的吸收和轉運具有重要影響。在實驗室中常用的測定溫度的方法有非接觸式溫度傳感器和接觸式溫度傳感器法。非接觸式溫度傳感器法主要指紅外測溫法，不需直接接觸被測物體，使用方便，靈敏度高，但其測量精度差，易受幹擾。接觸式溫度傳感器法與被測對象有良好的接觸，包括熱電阻、熱電偶、集成溫度傳感器及數字溫度傳感器等，適用於中低溫的測定，成本較低但不適用於極低和極高溫度的測定。謝忠斌等人[41]針對傳統土壤溫度檢測的局限性，採用美國DALLAS 公司生產的單線數字溫度傳感器DS18B2 進行溫度採集，開發了土壤溫度無線檢測系統，可以對土壤溫度進行實時監測，檢測精度高，節點功耗低，克服了傳統土壤溫度檢測的缺點。同樣，為了解決傳統土壤溫度測定方法的不足，李增祥等[42]在測定土壤溫度時將整個傳感器節點埋入土層長期監測土壤溫度，利用無線通信晶片以無線方式進行數據傳輸，有效地解決了傳統測量方法中勞動強度和測量準確性不能兼顧的矛盾，並且具備運行速度快、傳輸距離遠、精度高、抗幹擾能力強等優點。

2 土壤多參數快速檢測技術研發進展

2.1 土壤多參數快速檢測技術研發現狀

我國土壤多參數快速檢測技術領域較多的主要集中在測量、測試領域，佔整個申請比例的69%；其次是在農業、林業、畜牧業領域，佔比14%；在信號裝置領域佔比6%；佔比較少的為控制、調節，通信技術，計算、推算和發電、變電領域，表明目前土壤快速檢測技術仍以測量為主，在農林業、信號裝置和通信技術上還有很大的研發前景(表2)。

隨著信息技術的快速發展，目前我國土壤快速檢測技術和設備也開始向多元化和多功能化方向發展(表3)。

2.2 國家重大科研儀器項目資助情況

近年來，國家自然科學基金委在重大科研儀器研發上的投入總體上呈現逐漸增長的趨勢(圖1)，到2010 年以後，投入和支持的數量呈現快速增長趨勢。另外，2016—2018 年間，科技部國家重點研發計劃資助的儀器研發項目數分別為40，50，53 項，資助數量也呈現增加的趨勢。上升曲線總體反映了我國科技事業的快速發展，國家對重大科研儀器設備的研發越來越重視。因此，我國土壤快速檢測技術和設備的研發今後仍將處於快速發展時期，應在這個良好的發展前景下，抓住機遇、面對挑戰，研發更多具有自主智慧財產權的、高精度、智能化的可攜式土壤多參數快速檢測設備。

3 土壤多參數快速檢測設備研發進展

3.1 土壤多參數快速檢測設備研發現狀

目前國內研發的土壤多參數快速檢測設備已改變原先功能單一、集成度不高、成本昂貴的局面，一些新型複合土壤檢測設備朝著多元化的方向進展。對土壤溫度、水分、鹽分以及pH 的多參數檢測上，程坤等[43]設計的基於STM32 的可攜式土壤多參數快速檢測設備，可以實現在線檢測並且測試數據會實時顯示在手機端APP 上；對土壤水分、電導率(EC)和溫度的同時測定，一種基於SDI-12 總線的土壤多參數檢測儀可以實現，該設備結合5TE 三合一土壤傳感器，可在實驗室同步測定和傳輸，且測量參數精度較高，速率較快，集成度高，滿足了對土壤快速檢測的要求[44]；在保持單個參數精度不變的情況下可以同時測定土壤水分、溫度和電導率的土壤多複合傳感器，在精準農業的智能檢測中能將數據進行遠程監控，保持數據快速、穩定[45]。在儀器的數據通信方式上，基於GPS 和SMS (short messaging service)無線傳輸技術的土壤養分、水分速測系統可以利用計算機技術和無線通訊技術實現土壤養分速測、管理決策系統的遠程數據通訊和資源共享。通過集成GIS，實現了具有空間屬性的土壤養分、水分數據的可視化管理，提供了高精度的空間位置屬性，實現了數據採集、定位和儲存一體化[46]。

3.2 土壤多參數快速檢測設備專利申請情況

從我國土壤多參數快速檢測設備研發的發展年代變化趨勢可以發現(圖2)，從2009 年開始，土壤多參數快速檢測設備專利申請量呈現緩慢增長的趨勢，說明該領域開始進入初步成長期，從2014 年起專利數量呈現高速增長趨勢，到2017 年土壤多參數快速檢測專利的數量已經達到190 項，表明該領域已進入快速發展期。由於專利申請到公開之間有較長時間的延遲，2018 年申請的專利數量還未全部公開，截至2018 年上半年的數據檢索到的數量為98 件，說明研發熱情仍很積極，該領域今後仍有較大的發展空間。

在土壤多參數快速檢測設備的專利中，土壤水分、養分和pH 專利是發表最多、也最為成熟的。從土壤多參數快速檢測技術發表的專利數量來看(圖3)，土壤水分檢測技術的數量最多、研發熱度也最高，從2009 年起，測定土壤水分的專利呈波浪式上升；其次是土壤養分檢測技術，相比於水分測定，土壤養分初期發展較慢，但從2012 年起發表的專利數量開始逐漸增多，在未來該領域有較大的發展前景。土壤pH 和溫度檢測技術相比水分和養分起步較晚，從2015 年起逐漸進入增長期。土壤鹽分檢測技術在國家知識產權局專利檢索到的數量較少，表明未來在土壤鹽分檢測設備上需要投入更多的經費和精力，攻克鹽分傳感器研發的技術難題，解決和彌補目前土壤鹽分檢測技術在國家知識產權局專利檢索及分析高級檢索上檢索相關土壤多參數快速檢測的專利，將搜索到的文獻加入文獻分析庫統計出土壤快速檢測設備專利權人申請量分布圖(圖4)。從土壤多參數快速檢測專利發明排名較前的專利權人來看，中國農業大學發明的專利數量最多，排名第一，說明中國農業大學在土壤多參數快速檢測領域具有較強的研發實力和技術領先優勢，緊隨其後的有中國水利水電科學研究院、華南農業大學、武漢大學和中國科學院南京土壤研究所，發明專利的數量不相上下，但與中國農業大學相比仍有較大的差距。研發數量排名前十的機構中沒有企業單位，表明我國土壤多參數快速檢測技術和設備研發的主要力量還是高校和科研院所。高校和科研院所雖然具有較強的專業技能，但目前還停留在基礎研發階段，真正實現研發的產業化將來還需要企業共同參與。

4 土壤多參數快速檢測方法和技術研發展望

4.1 加強土壤多參數快速檢測技術的核心硬體開發與集成技術研究

當前土壤質量和汙染物監測主要依賴常規實驗室檢測技術，而現有的現場快速檢測設備在檢測靈敏度、精密度和準確度方面無法滿足對土壤多參數原位或現場快速檢測的需求，而且核心部件主要依賴進口。因此，急需研發和推廣具有完全自主智慧財產權的高精度、集成化、智能化的土壤多參數快速檢測技術，加強核心硬體開發和集成技術的研究，研製土壤多參數原位或現場快速檢測設備，大力發展土壤多參數同時測定的高效方法[47]，並進行系統集成、工程化開發、應用示範和產業化推廣，為及時掌握環境質量狀況提供堅實的技術和裝備支撐，同時彌補我國土壤高精度多參數快速檢測技術和裝備的空白。

4.2 加強土壤多參數快速檢測設備的軟體系統開發，實現土壤檢測的智能化

隨著自動控制、通信和網絡技術的不斷發展，迫切需要將遙感與無線通信及GPRS 技術應用於土壤多參數快速檢測設備方面[48]。當前的土壤檢測系統是以計算機、單片機等為中心控制單元，綜合使用電子技術、自動控制技術以及軟體編程技術等，利用軟體實現硬體設備的功能，朝著網絡化、智能化方向發展。在物聯網技術的發展和國家智慧農業政策的扶持下[49]，加強開發專業軟體系統，通過軟體來實現管理程序、採集處理程序和數據通訊程序，建立基於物聯網技術的大數據共享平臺，搭建專家系統體系，及時顯示獲得的土壤多參數數據以方便實時掌握動態信息，實現土壤檢測的智能化和信息化。

4.3 加大土壤多參數快速檢測方法和技術的科技投入與聯合攻關研究

目前我國土壤多參數快速檢測的關鍵技術依然存在瓶頸，相關核心技術、部件或設備主要還是依賴進口，有必要進一步加大研發力度，如土壤傳感器的研發、土壤多參數高精度快速檢測設備的集成與研製等。近年來我國雖然已經在不斷加大土壤快速檢測技術和設備方面的經費投入，但研發的主體目前還是以高校和科研院所為主，在項目主持和專利數量方面，企業所佔比例還較小，產學研合作力度較小[50]。因此需要進一步加大土壤快速檢測方法和技術的科技投入，加強企業與高校、科研院所的合作，產學研用聯合攻關及合作研發模式。同時，地方政府和相關企業也應加大土壤快速檢測方法和技術方面的科技投入和人才培養，通過聯合攻關、技術集成、模式優化，共同推動土壤多參數快速檢測設備的研發和產業化。