多参数土壤分析仪 我国土壤多参数快速检测方法和技术研发进展与展望

引导阅读

快速准确地获取土壤属性信息是快速检测和评价土壤质量以及发展现代精准农业的需要。本文系统阐述了我国土壤水分、盐分、养分、酸碱度、温度等多参数快速检测方法、技术和设备的研发进展，并比较了不同快速检测方法和技术的优缺点。分析了土壤多参数检测技术与设备的研发现状、国家重大科研仪器项目的专利申请和资助情况。今后应加强土壤快速检测设备的核心软硬件系统开发和集成技术研究，实现土壤检测的多参数快速智能化。同时，进一步加大科技投入，联合研究土壤快速检测方法和技术，满足我国土壤多参数快速检测和土壤质量快速调查评价的实际需要。

正文/周毅1，2，吉荣平1，胡文友2*，黄彪2，涂永辉3，蒋军3，马丽3(扬州大学环境科学与工程学院1；2中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室(南京土壤研究所)，南京210008；3土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)

土壤是人类生存和可持续发展的基础，快速准确地获取土壤环境质量信息是土壤资源调查和评价的重要前提和基础。传统的土壤参数实验室测试方法存在预处理复杂、分析周期长、测试成本高等缺点。寻找一种方便、安全、可靠的快速分析方法，及时、准确地获取土壤属性及其质量状况的信息尤为重要。2016年发布《全国土壤污染防治行动计划》，提出建立十年一次的土壤环境质量定期调查制度，到2020年底实现土壤环境质量监测点全覆盖所有县(市、区)。可见，土壤环境质量监测将成为未来环境监测工作的常态，迫切需要开展土壤多参数快速检测方法和技术的研究，以实现多尺度土壤属性数据的快速获取和更新，满足土壤快速监测的科学研究和应用需求[2]。

目前我国的土壤快速检测技术与国外还有很大差距，大部分土壤传感器和土壤检测设备都是从国外进口的[3]。开发高精度、低能耗、具有无线传输功能的土壤快速检测设备仍有很大困难。为了全面了解我国土壤多参数快速检测技术和设备的研发情况，本文系统总结了我国土壤水分、盐分、养分、pH、温度等多参数快速检测方法、技术和设备的研发进展，比较了不同快速检测方法和技术的优缺点，分析了土壤快速检测设备的研发现状、专利申请情况和国家重大科研仪器项目资助情况， 并对进一步的研究开发提出建议和展望，以期为我国土壤多参数快速检测方法和设备提供借鉴

1.土壤多参数快速检测方法的研究进展

1.1湿度检测

水是土壤肥力的重要因素，不仅影响土壤的物理性质，还制约土壤中养分的溶解和迁移，是监测土壤干旱和退化的重要指标[4]。测量土壤水分的方法大致可分为三类:采样法[4]、定位法[5]和遥感法[6]。不同的检测技术有不同的局限性和相应的优缺点(表1)。常用的土壤水分检测方法有干燥称重法、介电法和遥感法。干燥称重法是指根据被测土样的质量变化计算含水率，主要用于校准检验。该方法简单，测量精度高，但采样时会破坏土壤，难以进行长期原位监测，不能连续测量土壤水分。介质法克服了干燥法的缺点，可以连续监测土壤湿度。目前常用的方法有时域反射法(TDR)和频域反射法(FDR) [7]。自Topp等人于1980年提出土壤介电常数与土壤含水量之间的经验关系以来，TDR技术得到了广泛的应用[8]。当温度从10℃变化到36℃，实际体积含水量从0%变化到35%时，TDR测量值不受土壤质地、容重、温度等因素的影响，测量速度快，精度高，不会扰动土壤。FDR利用LC(谐振)电路的振荡，通过土壤介电常数变化引起的频率变化来测量土壤含水量。这种方法起源于荷兰瓦赫宁根大学的希尔霍斯特教授，通过调整传感器的位置，可以测量不同深度的土壤含水量，受外界影响较小，测量结果准确邱、等人1.5温度检测基于驻波率原理，研制了一种基于GPS(全球定位系统)定位的快速水分测量仪，采用-2土壤水分传感器测量土壤水分，不仅可以快速测量土壤水分含量，还可以实现精确定位，从而实现了土壤水分测量的多功能，为实时在线监测提供了便利。冯雷土壤温度对土壤养分的吸收和运输有重要影响。实验室常用的测温方法有非接触式温度传感器和接触式温度传感器。非接触式温度传感器法主要是指红外测温法，不需要与被测物体直接接触，使用方便，灵敏度高，但测量精度差，容易受到干扰。接触式温度传感器方法与被测对象接触良好，包括热电阻、热电偶、集成温度传感器和数字温度传感器等。适用于中低温的测量，成本低但不适合极低、极高温度的测量。谢等随着自动控制、通信和网络技术的不断发展，迫切需要将遥感、无线通信和GPRS技术应用于土壤多参数快速检测设备[48]。目前，土壤检测系统以计算机和单片机为中央控制单元，综合运用电子技术、自动控制技术和软件编程技术，利用软件实现硬件设备的功能，向网络化、智能化发展。随着物联网技术的发展和国家智能农业政策的支持[49]，应加强专业软件系统的开发，通过软件实现管理程序、采集处理程序和数据通信程序，建立基于物联网技术的大数据共享平台，构建专家系统，及时显示获得的土壤多参数数据，便于实时掌握动态信息，实现测土的智能化和信息化。针对传统土壤温度检测的局限性，采用美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器DS18B2采集温度，开发了一种无线土壤温度检测系统，能够实时监测土壤温度，检测精度高，节点功耗低，克服了传统土壤温度检测的不足。同样，为了解决传统土壤温度测量方法的缺点，李增祥等人4.3加大科技投入，联合研究土壤多参数快速检测方法和技术在测量土壤温度时，将整个传感器节点埋在土层中长时间监测土壤温度，并使用无线通信芯片无线传输数据，有效解决了传统测量方法中劳动强度和测量精度无法兼顾的矛盾，具有运行速度快、传输距离长、精度高、抗干扰能力强的优点。开发了TSC-1便携式土壤水分测试仪，可以快速检测土壤体积含水量，并利用信息融合技术设计了一种基于RS-485总线的智能土壤水分传感器，降低了安装成本，提高了土壤水分传感器的精度。中国科学院南京土壤研究所研制的TS-1土壤水分快速测试仪，可以测量土壤、砂土、水泥等多孔材料的含水量。测量一个土样只需要3分钟左右，相对于干燥法测得的精度不到2%。测量精度高、时间短，大大节省了测量土壤水分的时间，提高了田间土壤水分检测的工作效率。。传统的土壤水分检测方法包括遥感。遥感是一种非接触、大面积、多时相的土壤水分监测方法，能够反映大面积地表信息，适合大规模监测[11-12]。目前，遥感方法主要集中在光学遥感和微波遥感1.3营养检测。光学遥感方法包括普通热惯量法快速检测土壤养分对指导合理施肥具有重要意义，一直是获取精准农业信息的技术难题[28-29]。传统的土壤养分数据采集方法主要通过野外采样和实验室常规分析获得，操作繁琐，分析效率低，时效性差。与常规化学分析相比，土壤养分快速检测是一项采用光电比色原理、速度更快、成本更低、检测设备更简单的养分检测技术，检测精度能够满足测土配方施肥的要求目前，我国研制的土壤多参数快速检测设备改变了原来功能单一、集成度低、成本高的局面，一些新型复合土壤检测设备正在向多元化方向发展。对于土壤温度、水分、盐分和酸碱度的多参数检测，成昆等人【43】设计的基于STM32的便携式土壤多参数快速检测设备可以实现在线检测，并将检测数据实时显示在手机APP上；为了同时测定土壤水分、电导率和温度，可以实现基于SDI-12总线的土壤多参数检测仪。该装置结合5TE三合一土壤传感器，可在实验室同时测量和传输，测量参数精度高、速度快、集成度高，满足土壤快速检测的要求[44]。土壤多复合传感器可以在保持单个参数精度不变的情况下同时测量土壤水分、温度和电导率，可以远程监控精准农业智能检测中的数据，并保持数据快速稳定[45]。在仪器的数据通信方式中，基于GPS和短信无线传输技术的土壤养分水分快速测量系统，利用计算机技术和无线通信技术，可以实现土壤养分快速测量、远程数据通信和管理决策系统的资源共享。通过集成GIS，实现了属性在空之间的土壤养分和水分数据的可视化管理，提供了空之间的高精度属性，从而实现了数据采集、定位和存储的一体化[46]。。一般来说，快速测量仪器设备是由公司与农业研究和应用机构合作开发的，如美国HACH公司生产的NPK-kit和德国MERCK公司生产的RQflex等。目前，我国快速测定土壤养分的仪器有北京盛强分析仪器制造中心研制的TFC系列土壤养分快速测定仪和河南农业大学机电技术开发中心研制的YN型土壤肥料养分快速测定仪等。3.2土壤多参数快速检测设备专利申请.近年来，可见和近红外反射光谱仪广泛应用于土壤养分分析。吸收光谱是通过化学分子的含氢官能团对特定波段的近红外光的特定吸收而获得的，营养物含量是通过化学计量方法定性和定量检测的从我国土壤多参数快速检测设备研发的发展趋势中可以发现(图2)2009年以来，土壤多参数快速检测设备专利申请数量呈现缓慢增长趋势，说明该领域已经进入初步成长期，2014年以来专利数量呈现快速增长趋势，到2017年土壤多参数快速检测专利数量达到190项，说明该领域已经进入快速发展期。由于专利申请和公布之间的长时间延迟，2018年申请的专利数量尚未公开。截至2018年上半年，检索到的数据有98条，说明研发热情还是很积极的，未来这个领域还有很大的发展空。。该方法不需要土壤预处理，运行速度快，测试结果受人为干扰影响小。李敏赞等人利用可见-近红外技术开发了一种便携式土壤有机质分析仪，不仅降低了能耗，而且满足了便携式仪器实时测量的要求。贾圣耀在土壤多参数快速检测设备的专利中，土壤水分、养分和酸碱度的专利最为公开和成熟。从土壤多参数快速检测技术公布的专利数量来看(图3)，土壤水分检测技术数量最多，研发热情也最高。从2009年开始，测量土壤水分的专利呈波浪式上升；其次，土壤养分检测技术，相对于水分测定，土壤养分的初期发展缓慢，但自2012年以来公布的专利数量逐渐增多，未来在该领域有很大的发展前景。土壤pH和温度检测技术起步晚于水和养分，从2015年开始逐渐进入生长期。中华人民共和国国家知识产权局检索的土壤盐分检测技术专利数量相对较少，这表明未来需要在土壤盐分检测设备上投入更多的资金和精力，以克服盐传感器研发中的技术难点， 解决和弥补中华人民共和国国家知识产权局专利检索与分析高级检索中与土壤多参数快速检测相关的专利，将检索到的文献加入文献分析数据库，计算出土壤快速检测设备的专利权人申请量分布图(图4)。 从土壤多参数快速检测领域的前几位专利人来看，中国农业大学专利数量最多，排名第一，说明中国农业大学在土壤多参数快速检测领域具有较强的R&D实力和技术领先优势，其次是中国水利水电科学研究院、华南农业大学、武汉大学和中国科学院南京土壤研究所，发明专利数量相同，但与中国农业大学相比仍有较大差距。十大研发机构没有企业，说明高校和研究所是我国土壤多参数快速检测技术和设备研发的主力军。大学和研究所虽然专业技能较强，但还处于基础研究开发阶段，真正的研发产业化需要未来企业的共同参与。利用可见-近红外技术和化学计量学开发了一种便携式土壤养分快速分析系统，可以实现土壤养分信息的快速无损检测。中国科学院南京土壤研究所开发的基于电化学方法的SFM-1智能土壤肥力测试仪测量范围广，每次测量前无需校准。可用于有色土壤溶液和含有悬浮颗粒的环境水样的测定。操作简单，可广泛应用于农业土壤和环境监测部门。、植物缺水指数法1.4酸碱度检测、热红外法等土壤酸碱度是影响土壤环境质量的重要指标，也是影响土壤肥力的重要因素之一。土壤酸化将严重影响粮食安全和土地生产潜力。在土壤酸碱度的测定中，国际标准组织于2005年发布了国际标准《土壤质量酸碱度的测定》4土壤多参数快速检测方法及技术研究发展前景。目前国内外主要采用电极法，用酸度计测定溶液中氢离子的活性4.1加强土壤多参数快速检测技术核心硬件开发和集成技术研究。另外，常用的方法有混合指示剂比色法、pH试纸法、可见光谱提取法、传感器检测法等。在测定pH值之前，应提前选择相应的检测方法。混合指示剂比色法和pH试纸法适用于pH的简单测定，电极电位法和可见光谱提取法适用于pH精度要求较高的场合。目前土壤pH检测仍然受外界影响较大，需要突破测量精度高、受外界影响小的检测技术。胡永强等人目前，土壤质量和污染物的监测主要依靠常规的实验室检测技术，而现有的现场快速检测设备在检测灵敏度、精度和准确度方面不能满足土壤多参数原位或现场快速检测的需要，核心部件主要依靠进口。因此，迫切需要开发和推广具有完全自主知识产权的高精度、集成化、智能化土壤多参数快速检测技术，加强核心硬件开发和集成技术研究，开发土壤多参数原位或现场快速检测设备，大力开发高效的土壤多参数同时测定方法[47]，进行系统集成、工程开发、应用示范和产业化推广，为及时掌握环境质量状况提供坚实的技术和设备支撑，同时弥补我国土壤高精度多参数快速检测的不足研究了一种基于GPRS(通用分组无线业务)的远程土壤pH快速检测系统，解决了传统设备功能单一、精度高、灵活性强的问题，满足了土壤pH快速检测的需求。在测定过程中，土壤酸碱度受土壤含水量和温度的影响。赵延东等4.2加强土壤多参数快速检测设备软件系统开发，实现土壤检测智能化设计了一种带温度水分补偿模型的锑电极土壤酸碱度在线实时检测系统，可实现3.06 ~ 10.36范围内的有效测定。。目前光学遥感应用广泛，但易受气象条件影响。随着“3S”技术的不断发展，微波遥感监测土壤水分具有很大的发展前景，将是未来发展的关键方向。

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1.2盐检测

土壤盐分不仅是土壤盐渍化研究的重要指标，也是制约农业生产的重要因素。土壤盐分的测定通常是先测量土壤的电导率，然后通过土壤的电导率计算土壤的含盐量土壤多参数快速检测技术的研究与发展进展。这种方法繁琐费时费力，破坏了原有的土壤。为了实现土壤盐分的快速有效测定，目前主要采用基于原位监测的土壤溶解法和土壤表观电导率法2.1土壤多参数快速检测技术的研发现状。在土壤溶液电导率的测定中，土壤盐度传感器可以直接测量土壤溶液的电导率，适用于土壤盐度的长期连续监测，对一定深度的土壤溶液的长期观测具有较高的精度。然而，传感器在使用过程中需要重新校准，这不适合监测快速和短期的盐变化，不能在干燥的土壤环境中使用在我国，土壤多参数快速检测技术领域主要集中在测量测试领域，占总应用比例的69%；其次是农林牧，占14%；在信号器件领域占6%；控制、调节、通信技术、计算、计算、发电、变电等领域所占比重较小，说明目前的土壤快速检测技术仍以测量为主，在农业、林业、信号设备、通信技术等方面有很大的研发前景(表2)。。土壤表观电导率是一种快速、高效、稳定的测定土壤盐分时间分布特征的方法空。电阻法(ER)、电磁感应法(EM)、时域反射法(TDR)可用于测定土壤盐分，具有操作简单、响应速度快、数据采集能力强的特点，但易受土壤含水量、质地等因素影响电阻法测得的土壤范围较大，可抵消土壤的局部差异。然而，它不适合在干燥的土壤中测量，因为传感器在测量过程中需要不断地渗透到土壤中。电磁感应法正好可以弥补这个不足，但是测量的是不同土层深度的加权值，而不是平均值，这在后面的计算过程中比较复杂。电磁感应法适用于大面积监测土壤盐分。近年来，许多学者将电磁感应技术与遥感技术相结合来监测农业土壤[25-26]，得到了广泛的应用。时域反射仪(TDR)通过分析电磁波在土壤中的衰减来测量电导率，容易受到土壤温度、质地等因素的影响，使用前必须进行校正。TDR由于测量简单，不破坏原状土结构，可以在不同尺度下快速检测土壤水分和盐分，近年来在土壤水分和盐分的测定方面发展迅速。

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随着信息技术的快速发展，我国土壤快速检测技术和设备正朝着多样化和多功能化方向发展(表3)。

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2.2国家重大科研仪器项目资助

近年来，国家自然科学基金委对重大科学仪器研发的投入呈现出逐步增长的趋势(图1)，2010年以后，投入和支持的金额呈现出快速增长的趋势。此外，2016年至2018年，科技部国家重点R&D项目资助的仪器R&D项目数量分别为40、50和53个，资助项目数量也呈上升趋势。上升曲线总体上反映了我国科技事业的快速发展，国家越来越重视重大科研仪器设备的研发。因此，我国土壤快速检测技术和设备的研发在未来仍将处于快速发展时期。在这种良好的发展前景下，我们应该抓住机遇，迎接挑战，开发更多具有自主知识产权、高精度、智能化的便携式土壤多参数快速检测设备。

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土壤多参数快速检测设备的研发进展

3.1土壤多参数快速检测设备研发现状

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目前，我国土壤多参数快速检测关键技术仍存在瓶颈，相关核心技术、部件或设备主要依赖进口，需要进一步加大研发力度，如土壤传感器研发、土壤多参数高精度快速检测设备集成开发等。近年来，虽然我国一直在加大对土壤快速检测技术和设备的投入，但R&D的主体是高校和科研院所。从项目托管和专利数量来看，企业所占比例仍然较小，产学研合作较少[50]。因此，要进一步加大对土壤快速检测方法和技术的科技投入，加强企业、高校和科研院所之间的合作，共同解决生产、教育和研究中的关键问题。同时，地方政府和相关企业也要加大土壤快速检测方法和技术的科技投入和人员培训，通过联合研究、技术集成和模式优化，共同推进土壤多参数快速检测设备的研发和产业化。