鄭床木，毛雪飛，劉霽欣

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所，北京 100081）

農(nóng)田土壤是不可再生的資源，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)之一。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量不斷下降。2014年首次全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查顯示，耕地土壤點(diǎn)位超標(biāo)率在4種不同土地利用類型中最高，達(dá)19.4%，其中重金屬超標(biāo)點(diǎn)位數(shù)占全部超標(biāo)點(diǎn)位數(shù)的85.8%。農(nóng)田面源污染和重金屬污染已影響現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展，威脅農(nóng)業(yè)生態(tài)安全，危害農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，引起各級(jí)政府和公眾的高度關(guān)注，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部出臺(tái)措施強(qiáng)化土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)，提出在2020年前實(shí)現(xiàn)土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位所有縣（市、區(qū)）全覆蓋。

開展農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)預(yù)報(bào)，必須具備農(nóng)業(yè)面源和重金屬污染現(xiàn)場(chǎng)快速監(jiān)測(cè)設(shè)備，建立科學(xué)可行的監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)農(nóng)田土壤基質(zhì)類型復(fù)雜、污染地域跨度廣、污染水平差異大，當(dāng)前土壤中氮磷及重金屬監(jiān)測(cè)以實(shí)驗(yàn)室儀器方法為主，無法滿足現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)需求?，F(xiàn)有X射線熒光光譜（XRF）及激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）等重金屬現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)已有商品化產(chǎn)品，但關(guān)鍵部件國(guó)產(chǎn)化、模型譜庫、精確定量消除基體干擾等仍待解決，微等離子體光譜及電熱蒸發(fā)光譜（ETV）等重金屬現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)已形成了樣機(jī)，但消除基體干擾及多元素集成仍待提升。土壤氮磷速測(cè)設(shè)備已具備全量監(jiān)測(cè)能力，生物有效性表征、原位提取裝置和現(xiàn)場(chǎng)速測(cè)技術(shù)仍待優(yōu)化。此外，長(zhǎng)期定位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)技術(shù)及同類指標(biāo)專項(xiàng)采集設(shè)備仍待建立。針對(duì)以上問題，2016年啟動(dòng)實(shí)施的“農(nóng)業(yè)面源和重金屬污染農(nóng)田綜合防治與修復(fù)技術(shù)研發(fā)”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃設(shè)置了“農(nóng)業(yè)面源和重金屬污染檢測(cè)技術(shù)設(shè)備研發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)”共性關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目，由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所、中國(guó)科學(xué)院沈陽生態(tài)應(yīng)用研究所、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）、鋼研納克檢測(cè)技術(shù)有限公司等13家國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)科研院所、高校與企業(yè)聯(lián)合承擔(dān)，以突破土壤復(fù)雜背景下重金屬監(jiān)測(cè)快速進(jìn)樣及基體干擾消除與分析建模、氮磷生物有效性評(píng)價(jià)及快速監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)及智能分析等關(guān)鍵技術(shù)，形成系列重金屬及氮磷現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及樣品前處理設(shè)備、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等，服務(wù)于農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境調(diào)查及農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境監(jiān)測(cè)、禁產(chǎn)區(qū)劃分、污染防治等，以提高監(jiān)測(cè)效率、降低檢測(cè)成本、提升監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化水平，為我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

項(xiàng)目擬綜合利用XRF、LIBS和微等離子體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)土壤中汞、鎘、砷、鉛等8種重金屬的現(xiàn)場(chǎng)快速篩查，滿足二級(jí)土壤限量指標(biāo)；利用電熱蒸發(fā)、原子阱技術(shù)實(shí)現(xiàn)土壤重金屬現(xiàn)場(chǎng)非消解高靈敏分析，達(dá)到一級(jí)土壤限量指標(biāo)要求；利用生物模擬原位主動(dòng)提取和全光譜吸光度技術(shù)，實(shí)現(xiàn)土壤氮磷生物有效態(tài)現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)；研發(fā)長(zhǎng)期定點(diǎn)調(diào)查儀及相關(guān)分析系統(tǒng)，提升污染監(jiān)測(cè)智能化分析水平。預(yù)期形成XRF、LIBS、微等離子體、非消解原子阱光譜土壤重金屬現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與樣品前處理設(shè)備，土壤生物有效態(tài)氮磷原位提取檢測(cè)設(shè)備，土壤鹽分原位傳感器，便攜式動(dòng)態(tài)長(zhǎng)期定點(diǎn)調(diào)查儀等7種；光譜特征分析軟件和譜線庫1套、輔助信息系統(tǒng)1套、地理信息系統(tǒng)1套、配套軟件6套；制定污染物監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備使用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范6～7項(xiàng)，形成在線監(jiān)測(cè)技術(shù)等標(biāo)準(zhǔn)草案/送審稿4項(xiàng)，現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)技術(shù)與設(shè)備將在京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角、湖南等典型污染類型區(qū)開展示范應(yīng)用。項(xiàng)目技術(shù)路線見圖1。

項(xiàng)目以農(nóng)業(yè)面源和重金屬污染數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、快速獲取為核心，設(shè)置農(nóng)田土壤氮磷有效態(tài)和重金屬污染現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)技術(shù)與監(jiān)測(cè)設(shè)備、污染動(dòng)態(tài)長(zhǎng)期定點(diǎn)調(diào)查儀及輔助信息系統(tǒng)、污染監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與示范等三方面共五個(gè)課題。

（1）土壤重金屬XRF和LIBS快速檢測(cè)技術(shù)裝備研發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)研制

建立準(zhǔn)確的光譜—重金屬含量差異化定量校正模型并與儀器軟件耦合，研制2種便攜式土壤重金屬現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，制定技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，開展應(yīng)用示范，重點(diǎn)解決二級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)中砷、鉛、鉻、鋅、鎳、銅等重金屬指標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)快速監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)XRF和LIBS在汞、鎘分析靈敏度上的突破。

（2）土壤重金屬微等離子體快速檢測(cè)技術(shù)與裝備研發(fā)

研制低功/氣耗的輝光放電微等離子體激發(fā)源，研制適于便攜式分析的進(jìn)樣模塊以及其他小型化關(guān)鍵部件，建立土壤重金屬微等離子體速測(cè)方法，研發(fā)便攜式土壤重金屬微等離子體速測(cè)儀，制定技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。

（3）基于電熱蒸發(fā)原子阱的土壤重金屬非消解檢測(cè)技術(shù)裝備研發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)研制

研制固體土壤直接進(jìn)樣的電熱蒸發(fā)系統(tǒng)，以及消除基體干擾的原子阱裝置，配套微原子吸收光譜儀，集成電熱蒸發(fā)—原子阱—原子吸收儀器系統(tǒng)與樣品前處理設(shè)備，制定技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，開展應(yīng)用示范，實(shí)現(xiàn)一級(jí)土壤中汞、鎘、砷、鉛的現(xiàn)場(chǎng)、快速、準(zhǔn)確檢測(cè)。

（4）土壤生物有效態(tài)氮磷原位提取及檢測(cè)設(shè)備研發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)研制

研發(fā)根系模擬液提取—主動(dòng)吸杯捕獲快速提取技術(shù)，研制便攜式原位土壤氮、磷有效態(tài)提取裝置。集成光纖光譜、多通道樣品池和全光譜吸光度技術(shù)，建立氮磷生物有效態(tài)分析模型，研制土壤生物有效態(tài)氮磷原位提取及檢測(cè)設(shè)備，形成技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，開展應(yīng)用示范。

（5）土壤污染物動(dòng)態(tài)長(zhǎng)期定位調(diào)查儀及智能分析系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用示范

研究土壤面源和重金屬長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)布點(diǎn)優(yōu)化方法，形成長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)布點(diǎn)方案優(yōu)化技術(shù)；研制融合多源感知、基于位置服務(wù)技術(shù)（LBS）的便攜式長(zhǎng)期定位調(diào)查儀，滿足現(xiàn)場(chǎng)智能化監(jiān)測(cè)分析；開發(fā)基于云地理信息系統(tǒng)（GIS）的農(nóng)業(yè)面源和重金屬污染監(jiān)測(cè)與智能化分析地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局方案設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)智能處理、重金屬污染評(píng)價(jià)、污染熱點(diǎn)區(qū)域識(shí)別、污染凈化預(yù)測(cè)、可視化表達(dá)及數(shù)據(jù)共享與服務(wù)等功能。

項(xiàng)目預(yù)期效益指標(biāo)主要包括以下四個(gè)方面，一是產(chǎn)品技術(shù)水平：研制多臺(tái)套XRF、LIBS和微等離子體發(fā)射光譜速測(cè)儀，構(gòu)建覆蓋《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)土壤重金屬限量指標(biāo)的土壤重金屬現(xiàn)場(chǎng)快速篩查設(shè)備體系。針對(duì)土壤重金屬非消解高靈敏檢測(cè)需求，研發(fā)能夠滿足一級(jí)土壤限量要求的電熱蒸發(fā)原子阱非消解監(jiān)測(cè)設(shè)備。研發(fā)氮、磷生物有效態(tài)提取及檢測(cè)技術(shù)設(shè)備和動(dòng)態(tài)長(zhǎng)期定位調(diào)查儀，相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品緊跟或達(dá)到國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家水平。二是成果科學(xué)價(jià)值：在新型濾光片、高效光源和實(shí)時(shí)光譜解析，高通量瞬態(tài)光譜采集和磁空間約束增強(qiáng)，以及高效樣品導(dǎo)入和微型等離子體源等方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，提升XRF、LIBS和微等離子體光譜的分析靈敏度和抗干擾能力。實(shí)現(xiàn)固體土壤非消解進(jìn)樣和基體干擾消除，突破融合不同長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)點(diǎn)基礎(chǔ)、預(yù)設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)和監(jiān)測(cè)目標(biāo)等多重約束的監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化技術(shù)，形成便攜式長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)調(diào)查儀，優(yōu)化區(qū)域污染調(diào)查監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局。三是行業(yè)支撐預(yù)期：研發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備、調(diào)查儀及技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)將為構(gòu)建滿足不同需求和層次的農(nóng)業(yè)環(huán)境快速監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)提供軟硬件技術(shù)支持，落實(shí)《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》提出的“2020年底前實(shí)現(xiàn)土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位所有縣（市、區(qū)）全覆蓋”提供監(jiān)測(cè)手段，服務(wù)于環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)、國(guó)土資源等行業(yè)開展的環(huán)境調(diào)查。四是產(chǎn)業(yè)化前景：當(dāng)前，在“土十條”和“土壤詳查”等工作推動(dòng)下，土壤重金屬速測(cè)儀需求量巨大，市場(chǎng)容量3000臺(tái)以上。目前進(jìn)口XRF、LIBS等設(shè)備的市價(jià)高達(dá)數(shù)十萬元，而國(guó)內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品在土壤檢測(cè)方面力有未逮。實(shí)現(xiàn)該類儀器的國(guó)產(chǎn)代替，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)價(jià)值數(shù)億元。同時(shí)，項(xiàng)目研制的速測(cè)儀檢測(cè)重金屬的成本有望控制在10元以下，每年將節(jié)約檢測(cè)經(jīng)費(fèi)近億元。

圖1 項(xiàng)目技術(shù)路線圖