中國土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域?qū)＠閳蠓治?

梁林洲，陳 香，胡文友，李曉鵬，馬 菲，沈仁芳?

（1. 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），南京，210008；2. 中國科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008）

土壤是人類賴以生存的自然資源之一，也是經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤環(huán)境質(zhì)量關(guān)系到食品安全和人類生存環(huán)境[1-2]。土壤環(huán)境監(jiān)測是指通過對影響土壤環(huán)境質(zhì)量因素的代表值的測定，確定土壤環(huán)境質(zhì)量及其變化趨勢。土壤環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)涵蓋環(huán)保部門關(guān)注的污染物水平及其積累、轉(zhuǎn)化或降解過程和農(nóng)林業(yè)側(cè)重的土壤肥力[3-4]。土壤環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取不僅為防控土壤退化和污染提供決策依據(jù)，而且能夠?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全和環(huán)境執(zhí)法提供有效證據(jù)[5-6]。國家《土壤污染防治行動計劃》提出在全國范圍內(nèi)開展土壤污染調(diào)查，掌握土壤環(huán)境質(zhì)量狀況，建立十年一次的土壤環(huán)境質(zhì)量狀況定期調(diào)查制度[2]。實(shí)時、有效地獲取土壤環(huán)境信息是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和污染防治發(fā)展的需求，研發(fā)成本較低和性能穩(wěn)定的土壤環(huán)境監(jiān)測裝備是實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)和環(huán)境管理決策的有力保障[3，7]。

專利文獻(xiàn)是科技信息的重要載體和重要表現(xiàn)形式，專利信息包含了全球90% 以上的研發(fā)產(chǎn)出，它不僅能快速反映科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最新前沿水平，也能反映企業(yè)的自主知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略布局和市場地位[8-9]。對相關(guān)研發(fā)領(lǐng)域的專利信息進(jìn)行計量分析有助于了解和掌握研發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢和研究熱點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于評估高校、科研院所和企業(yè)研發(fā)能力及潛力的研究中[10]，是當(dāng)前信息情報研究的一種重要手段。本文基于土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域的全球?qū)＠暾堏厔荨⒓夹g(shù)構(gòu)成、法律及運(yùn)營等要素，同時結(jié)合土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域的主要發(fā)文機(jī)構(gòu)間合作情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，以揭示該領(lǐng)域的專利現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢，提出未來研發(fā)建議與展望，以期為我國土壤環(huán)境監(jiān)測裝備與技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)科研人員的研發(fā)和國家產(chǎn)業(yè)布局提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本次專利檢索分析，采用北京合享智慧科技有限公司開發(fā)的incoPat 科技創(chuàng)新情報平臺作為數(shù)據(jù)源（https：//www.incopat.com/），incoPat 具有國內(nèi)外較為完備的專利數(shù)據(jù)庫，收錄了全球112 個國家、組織和地區(qū)1 億余件專利信息、專利文獻(xiàn)，覆蓋全面，準(zhǔn)確性較高。采用模塊檢索策略，將土壤環(huán)境監(jiān)測裝備主題分成三個技術(shù)上有意義的獨(dú)立塊，每個塊使用關(guān)鍵詞和國際專利分類號組合。為保證專利文獻(xiàn)檢索的全面性，先分解檢索要素，后在檢索平臺中“申請日”項中設(shè)定為“2000 年1 月1 日—2019年11 月30 日”，檢索式為“TI=（（“土壤” or “耕地” or“農(nóng)田” or “山地” or “草地” or “果園” or “菜地” or“菜園” or “林地” or “soil*” or “cultivated land” or“farmland” or “mountain” or “grassland” or “orchard”or “vegetable plot” or “vegetable garden” or“woodland” ）And（“環(huán)境” or “養(yǎng)分” or “肥力” or“重金屬” or “污染物” or “氮” or “磷” or “鉀” or“pH” or “酸度” or “電導(dǎo)率” or “EC” or “有機(jī)質(zhì)” or“水分” or “濕度” or “墑” or “溫度” or “生物” or “化學(xué)” or “物理” or “environment” or “environmental” or“ecology” or “ecological” or “nutrients” or “fertility”or “heavy metals” or “pollutants” or “nitrogen” or“phosphorus” or “potassium” or “pH” or “acidity” or“conductivity” or “EC” or “organic matter” or “water”or “humidity” or “soil moisture” or “temperature” or“biology” or “biological” or “chemistry” or“chemical” or “physics” or “physical”）And（“檢測” or“測量” or “測定” or “分析” or “監(jiān)測” or “探針” or“ 傳 感 器” or “detect*” or “measurement” or“measure” or “measuring” or “analysis” or“analyzing” or “monitoring” or “monitor” or “probes”or “probing” or “sensors”））and 國際專利分類（IPC，International Patent Classification）=（G01）”，統(tǒng)計全球?qū)＠暾埱闆r。初步檢索到的結(jié)果進(jìn)行人工去噪并標(biāo)引，最終獲取中國土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域的相關(guān)專利2 361 件。

1.2 分析方法

基于 incoPat 數(shù)據(jù)庫的專利分析平臺，利用Excel 2016、VOSviewer 分析軟件對土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域相關(guān)專利數(shù)據(jù)進(jìn)行計量統(tǒng)計和可視化分析。分別以專利申請量、申請人、區(qū)域布局、專利技術(shù)特征等為指標(biāo)進(jìn)行分析，揭示土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域的專利文獻(xiàn)分布現(xiàn)狀、競爭態(tài)勢、主要的技術(shù)特征以及研究熱點(diǎn)和研究發(fā)展趨勢。

2 結(jié) 果

2.1 全球土壤環(huán)境監(jiān)測裝備專利申請量的年度變化

對2000—2019 年20 年間的全球土壤環(huán)境監(jiān)測裝備專利申請量進(jìn)行統(tǒng)計分析（圖1）可以發(fā)現(xiàn)，全球土壤環(huán)境監(jiān)測裝備專利的年度申請量整體呈現(xiàn)快速上升的趨勢。2000—2006 年，專利申請量較少，專利申請人數(shù)量也較少；2007—2018 年，隨著土壤環(huán)境污染及監(jiān)測分析的研究不斷加強(qiáng)，專利申請量呈現(xiàn)指數(shù)型增長。2007—2008 年，專利申請量從25件上升至42 件，增幅為68%；2015—2016 年，專利申請量再次快速增長，2016 年申請量達(dá)352 件，年增長幅度達(dá)64.49%，2017 年和2018 年的專利申請量處于高峰，申請量超過500 件。中國在土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域的專利變化趨勢同國際的發(fā)展趨勢保持一致。2007—2018 年，中國的土壤環(huán)境監(jiān)測裝備專利數(shù)量得到快速、大幅增加。2007—2008 年和2015—2016 年的申請量出現(xiàn)爆發(fā)式增長點(diǎn)，2018 年的申請數(shù)量達(dá)到518 件，其專利申請總量居于世界首位。中國是主要的專利布局國家，其次是美國和日本。

一種技術(shù)生命周期通常會經(jīng)歷技術(shù)萌芽期、發(fā)展期、成熟期和衰退期四個階段。分析一種技術(shù)的專利申請量和申請人數(shù)的年度變化趨勢，了解該技術(shù)處于生命周期哪種階段，有助于為該領(lǐng)域研發(fā)及專利申請?zhí)峁﹨⒖肌耐寥拉h(huán)境監(jiān)測裝備專利技術(shù)生命周期分析（圖1）而言，2008 年之前，土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域的專利申請量和申請人數(shù)均較少，平均每年的申請數(shù)量不足30 件，申請人數(shù)量不超過20 人，說明處于技術(shù)引入階段，這些專利基本是原理性的基礎(chǔ)專利。2008 年之后，專利申請量和申請人數(shù)量快速增加，技術(shù)分布的范圍擴(kuò)大，土壤環(huán)境監(jiān)測裝備技術(shù)進(jìn)入技術(shù)發(fā)展期。2017—2018 年，專利增長速度變慢，但專利申請數(shù)量和申請人數(shù)保持較高水平，由于從專利申請到公開有18 個月的滯后期，2018、2019 年的部分專利處于未公開狀態(tài)，因此，2018 和2019 年專利數(shù)據(jù)僅供參考。目前，土壤環(huán)境監(jiān)測裝備技術(shù)處于發(fā)展階段，專利申請量會保持增加。

圖1 土壤環(huán)境監(jiān)測裝備專利申請數(shù)量的年際變化Fig. 1 Annual variation trend of the number of patent applications on soil environmental monitoring equipment

2.2 中國土壤環(huán)境監(jiān)測裝備的主要研究機(jī)構(gòu)

土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域的申請人排名可反映該領(lǐng)域主要的研發(fā)機(jī)構(gòu)及其競爭態(tài)勢。研究涉及的機(jī)構(gòu)主要包括高等院校、企業(yè)、科研單位等共1 353家。圖2 統(tǒng)計了2000—2019 年中國土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域?qū)＠暾埧偭壳笆═OP10）的申請機(jī)構(gòu)的年度申請情況，TOP10 申請機(jī)構(gòu)集中于高校和科研單位，其中有6 家屬于高校，4 家屬于科研機(jī)構(gòu)。由此可見，土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)和專利申請主要是由高校主導(dǎo)，也證實(shí)了中國高校和科研單位在該領(lǐng)域的重要研發(fā)地位。TOP10 申請人的專利申請主要集中于2012 年之后。2000—2019 年中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的專利申請總量62 件，其數(shù)量為位于第二位的中國水利水電科學(xué)研究所申請量的兩倍。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)在2000 年申請了1 件土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域的實(shí)用新型專利，隨后各個年度的申請數(shù)量較為平均，無明顯的增長趨勢。中國水利水電科學(xué)研究院在2017 年申請量顯著增加，高達(dá)16 件，均為涉及土壤水分測量技術(shù)領(lǐng)域。

圖2 主要研發(fā)機(jī)構(gòu)專利申請量的年際變化Fig. 2 Annual variation trend of the number of patent applications from major research and development institutions

2.3 中國土壤環(huán)境監(jiān)測裝備的專利技術(shù)領(lǐng)域

通過分析全球?qū)＠募夹g(shù)構(gòu)成（圖3），土壤環(huán)境監(jiān)測裝備的技術(shù)主要集中在G01N（借助于測定材料的化學(xué)或物理性質(zhì)來測試或分析材料）領(lǐng)域。中國在G01N 技術(shù)領(lǐng)域上的專利高達(dá)2 064 件，占專利總量的87.42%；日本、美國分別是123、115件。圖4 為主要技術(shù)領(lǐng)域間的合作關(guān)系，圖中每個節(jié)點(diǎn)表示一個技術(shù)領(lǐng)域，連線代表不同技術(shù)領(lǐng)域間存在合作關(guān)系，線寬越大則表示技術(shù)領(lǐng)域間合作關(guān)系越強(qiáng)。由圖4 可以看出涉及G01N33/24（地面材料）的專利申請量最大，G01N33/24、G08C17/02（用無線電線路）、G01D21/02（用不包括在其他單個小類中的裝置來測量兩個或更多個變量）彼此間存在合作關(guān)系，聯(lián)系強(qiáng)度較大，構(gòu)成一個三角形關(guān)系。表明這些領(lǐng)域間具有較高的技術(shù)關(guān)聯(lián)性。

根據(jù)不同的土壤環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)，將G01N 技術(shù)領(lǐng)域的專利主要細(xì)分為土壤物理性質(zhì)測定、土壤化學(xué)性質(zhì)測定、土壤養(yǎng)分指標(biāo)監(jiān)測、土壤污染物指標(biāo)監(jiān)測、土壤生物指標(biāo)監(jiān)測這五個技術(shù)主題。圖5 土壤物理性質(zhì)占土壤環(huán)境監(jiān)測的比例較大，超過50%，其中土壤水（相似概念還包括土壤濕度和墑情）是主要的監(jiān)測指標(biāo)。土壤水是構(gòu)成土壤生產(chǎn)力的重要因素，不僅影響土壤的物理性質(zhì)，而且決定著土壤中養(yǎng)分的遷移、轉(zhuǎn)化和微生物活動[11]。目前土壤水的監(jiān)測方法主要有傳統(tǒng)的烘干稱重法，基于介電特性測量的時域反射（T D R，T i m e D o m a i n Reflectometry）、頻域反射（FDR，F(xiàn)requency Domain Reflectometry）、時域傳播（TDT，Time Domain Transmission）、探地雷達(dá)（GPR，Ground Penetrating Radar）等方法，基于中子測量的有源中子儀（ND，Neutron Detector）法和宇宙射線中子（CRNP，Cosmic Ray Neutron Probe）法、基于土水勢的張力計法，以及電法、磁法、熱法和大尺度的遙感等方法[12-13]。其次為土壤污染物監(jiān)測領(lǐng)域，包括有機(jī)污染物和重金屬的監(jiān)測，重金屬監(jiān)測裝備占比較大，達(dá)到65.18%（圖5），主要涉及汞、砷、鉛、鎘、銅、鋅、鎳等重金屬的監(jiān)測。傳統(tǒng)的測定土壤重金屬的方法多采用原子吸收光譜、原子熒光光譜、電感耦合等離子體發(fā)射光譜等化學(xué)分析儀器。快速監(jiān)測土壤重金屬的方法包括X 射線熒光光譜法、激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)、酶抑制法、生物傳感器等，快速監(jiān)測土壤重金屬具備快速、精度高、智能化等優(yōu)點(diǎn)，是一個重要的研究發(fā)展方向。土壤中的主要有機(jī)污染物一般具可揮發(fā)性，揮發(fā)性污染物是重要監(jiān)測對象。污染物監(jiān)測主要集中于多環(huán)芳烴、農(nóng)藥、三氯乙醛、石油、多氯聯(lián)苯、甲烷等可揮發(fā)性有機(jī)污染物[14]。氣相色譜法、氣相色譜-質(zhì)譜法、高效液相色譜法是測定土壤有機(jī)污染物的常用方法。土壤化學(xué)性質(zhì)的測定主要分布在土壤酸堿度、電導(dǎo)率方面。土壤酸堿度是土壤化學(xué)環(huán)境最重要和直接的反映，其占比達(dá)到76.96%（圖5）。通過以土壤實(shí)時、準(zhǔn)確的養(yǎng)分分布監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，快速、穩(wěn)定獲得土壤養(yǎng)分信息是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥的第一步。目前土壤養(yǎng)分指標(biāo)的監(jiān)測主要集中在有機(jī)質(zhì)、有效氮、全氮的測量。其中，光譜分析是目前應(yīng)用廣泛的快速測定方法之一。通過可見/近紅外光譜、中紅外光譜，可有效檢測土壤中的總碳、有機(jī)碳以及無機(jī)碳的快速測定[15]；傅里葉變換中紅外衰減全反射光譜在土壤氮含量的測定中顯示出優(yōu)勢[16-17]；除此之外，土壤質(zhì)地、土壤pH 以及土壤陽離子交換量等與土壤養(yǎng)分相關(guān)的屬性也可通過紅外光譜方法進(jìn)行表征和測定[18]。有效磷和速效鉀測定技術(shù)領(lǐng)域的專利相對較少，但近年來，激光誘導(dǎo)擊穿光譜方法也用來測定土壤磷、鉀、鈣、鎂及鐵等元素含量[19-20]。土壤生物指標(biāo)監(jiān)測的專利占比為6.69%（圖5），所占比例較低。土壤生物指標(biāo)檢測項包括土壤微生物生物量碳氮、微生物群落結(jié)構(gòu)、土壤呼吸、微生物活性、生物量等，表明研究者增加對土壤生物及其在土壤關(guān)鍵過程中作用的關(guān)注度。除上述4 個技術(shù)主題外，土壤環(huán)境監(jiān)測裝備還包括土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、土壤樣品采集制備。土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能夠測定土壤相關(guān)的多個參數(shù)，可遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控，監(jiān)測范圍廣、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、便于維護(hù)。將信息化技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)田土壤環(huán)境監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化。土壤樣品采集制備主要涉及環(huán)境檢測的土壤取樣裝置，現(xiàn)有的土壤采樣裝置主要有手工采樣器和機(jī)械取樣裝置。

圖3 世界土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域?qū)＠募夹g(shù)分布Fig. 3 Distribution of the technologies patented on soil environmental monitoring equipment in the world

圖4 中國不同專利技術(shù)領(lǐng)域的合作關(guān)系Fig. 4 Cooperation between different fields of patented technology in China

技術(shù)功效矩陣分析有助于尋找技術(shù)空白點(diǎn)、熱點(diǎn)和突破點(diǎn)，從土壤環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域?qū)＠募夹g(shù)功效矩陣分布圖（圖6）可以看出，土壤理化性質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的研究是土壤環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，主要包括土壤含水量或墑情、溫度、酸堿度等指標(biāo)的監(jiān)測；土壤污染物監(jiān)測技術(shù)的關(guān)注度僅次于土壤理化性質(zhì)監(jiān)測，包括重金屬和有機(jī)污染物監(jiān)測；土壤養(yǎng)分指標(biāo)監(jiān)測的技術(shù)申請相對較少，土壤生物監(jiān)測技術(shù)的申請最少。在功能改進(jìn)方面，提高精度和提高效率是土壤理化性質(zhì)監(jiān)測技術(shù)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，無線傳輸和擴(kuò)大監(jiān)測范圍也得到極大關(guān)注；土壤污染物監(jiān)測研究關(guān)注的重點(diǎn)是提高精度、提高效率和易于操作，一些研究也關(guān)注到擴(kuò)大監(jiān)測范圍、原位監(jiān)測、便攜式和提高監(jiān)測安全性等方面；土壤養(yǎng)分監(jiān)測技術(shù)研發(fā)工作主要集中在提高效率和提高精度方面；土壤生物指標(biāo)監(jiān)測重點(diǎn)是提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性和提高效率方面。其他技術(shù)主要包括土壤采樣設(shè)備、土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等，關(guān)注的焦點(diǎn)是提高精度、提高效率和易操作方面；其他功效的研發(fā)主要包括降低設(shè)備功耗、多參數(shù)集成、自動化等方面。

圖5 中國在G01N 技術(shù)領(lǐng)域的專利類別Fig. 5 Patent categories of Chinese patents in G01N Technology

2.4 中國土壤環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域?qū)＠难芯堪l(fā)展趨勢

圖7 列出了中國在G01N 分類下主要技術(shù)主題的發(fā)展趨勢。根據(jù)圖7 可以看出土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域在 G01N 下的演變趨勢分為三個階段：2000—2010 年、2011—2014 年、2015—2019 年。2000—2010 年，研究主題主要集中在水分含量的監(jiān)測，水分或墑情監(jiān)測的專利申請量約占總專利申請量的四分之三，前三名的申請人分別為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院南京土壤研究所和中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所。導(dǎo)水率、墑情、溫度、濕度的監(jiān)測在2010 年數(shù)量增多。2010 年之前的土壤環(huán)境監(jiān)測主要為土壤物理相關(guān)指標(biāo)的監(jiān)測，這一階段國內(nèi)最早的土壤重金屬和有機(jī)污染物監(jiān)測相關(guān)的專利申請分別始于2007 年和2008 年，分別為北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心和上海交通大學(xué)發(fā)明的一種便攜式土壤重金屬分析儀（ZL 200710175770.X）和監(jiān)測土壤重金屬與多環(huán)芳烴復(fù)合污染的方法（200810042486.X）。2011—2014 年的土壤環(huán)境監(jiān)測裝備涉及的領(lǐng)域增多。水分含量、濕度、溫度、墑情的監(jiān)測數(shù)量保持上升趨勢，水分監(jiān)測仍然是土壤環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。該時期重金屬、有機(jī)污染的監(jiān)測裝備數(shù)量不斷增多。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮、有效磷的監(jiān)測裝備數(shù)量相對較少，年分布均勻。2015—2019 年，土壤重金屬監(jiān)測裝備數(shù)量大幅增加，至2018 年其數(shù)量處于領(lǐng)先地位，土壤有機(jī)污染監(jiān)測裝備數(shù)量亦呈現(xiàn)快速上升趨勢，可見近幾年土壤重金屬和有機(jī)物污染監(jiān)測裝備的關(guān)注度很高。土壤水分方面的監(jiān)測裝備數(shù)量保持增加，數(shù)量大。土壤養(yǎng)分方面的監(jiān)測裝備所占據(jù)的比例逐漸下降。土壤pH 的監(jiān)測裝備數(shù)量快速增多，2016—2018年穩(wěn)定在峰值水平。微生物生物量碳氮、微生物群落結(jié)構(gòu)的監(jiān)測裝備數(shù)量較為落后，土壤呼吸的監(jiān)測裝備數(shù)量逐漸增多。但總體而言，土壤生物指標(biāo)方面的監(jiān)測裝備數(shù)量較少。

3 討 論

3.1 土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域?qū)＠l(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

專利申請數(shù)量是技術(shù)產(chǎn)出的直接反映，土壤環(huán)境監(jiān)測裝備專利的全球地域分布顯示，美國、日本、德國是較早申請專利的國家，具有較高影響力，中國是該領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量最多的國家，中國、美國、日本和德國是該領(lǐng)域?qū)＠闹饕暾垏遥▓D1）。通過對土壤環(huán)境監(jiān)測裝備專利技術(shù)生命周期的分析，2008 年至2017 年處于專利申請快速增長期，說明目前我國正處于土壤環(huán)境監(jiān)測裝備技術(shù)的發(fā)展期，此時是該領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)或戰(zhàn)略投資者加大研發(fā)投入，進(jìn)行戰(zhàn)略布局的絕好時機(jī)。

中國土壤環(huán)境監(jiān)測裝備專利所涉及的技術(shù)分類主要包括土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、養(yǎng)分、污染物、生物指標(biāo)的監(jiān)測（圖3～圖6）。土壤物理性質(zhì)監(jiān)測裝備專利數(shù)量占絕對優(yōu)勢，土壤污染物監(jiān)測裝備專利數(shù)量保持快速增長。重金屬監(jiān)測技術(shù)專利量近三年急劇上升，土壤環(huán)境監(jiān)測裝備的研發(fā)主題正從較為單一的水分含量擴(kuò)展至污染物、養(yǎng)分含量、生物量等多個指標(biāo)和方向，并且研究人員對于污染物監(jiān)測關(guān)注度日益增高。同時，智能化、便攜式的原位監(jiān)測裝備專利數(shù)量也有明顯增加。

圖6 土壤環(huán)境監(jiān)測裝備技術(shù)功效矩陣Fig. 6 Technical effect diagram of soil environment monitoring equipment technology

圖7 中國在不同技術(shù)類別的年度發(fā)展趨勢Fig. 7 Annual development trend of technology relative to category in China

馮杰[21]指出我國土壤環(huán)境監(jiān)測存在如下問題：起步晚、成型慢、無體系；研發(fā)力量不足，高端研發(fā)人才匱乏；缺乏先進(jìn)設(shè)備的配套。近些年來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，越來越多基于物聯(lián)網(wǎng)的智能系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，一些研究者利用物聯(lián)網(wǎng)（IoT，Internet of Things）相關(guān)技術(shù)開發(fā)出農(nóng)田土壤環(huán)境監(jiān)測實(shí)時系統(tǒng)，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，Wireless Sensor Network）與第四代移動通信及其技術(shù)網(wǎng)絡(luò)（4G，The 4th Generation Communication System）相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤溫濕度、鹽堿度、pH 等土壤環(huán)境信息的自動化采集與存儲[22]。例如，一種基于NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)，Narrow Band Internet of Things ） 的土壤參數(shù)檢測系統(tǒng)（ ZL 201720257294.5）的實(shí)用新型發(fā)明，將NB-Iot 技術(shù)與土壤溫度、水分、pH 等因子的傳感器結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行成本低、監(jiān)測信息發(fā)布及時可靠、無需額外電源供應(yīng)等傳統(tǒng)的傳感器不具備的優(yōu)點(diǎn)。原位監(jiān)測可實(shí)現(xiàn)快速、非破壞、大面積地監(jiān)測土壤污染物，實(shí)驗(yàn)周期短，目前研究熱點(diǎn)有便攜式X 射線熒光光譜技術(shù)、高光譜遙感探測技術(shù)、生物發(fā)光技術(shù)（針對無機(jī)物）、便攜式氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS，Gas Chromatograph-Mass Spectrometer，針對有機(jī)物）技術(shù)等，但技術(shù)大多處于定性或半定量化試驗(yàn)階段，研究思路可借鑒，大面積推廣應(yīng)用仍需驗(yàn)證[3]。因此，亟需研發(fā)和推廣具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高精度、集成化、智能化的土壤多參數(shù)快速檢測技術(shù)或裝備，加強(qiáng)核心硬件開發(fā)和集成技術(shù)的研究，發(fā)展土壤多參數(shù)同時測定的高效方法，研制土壤多參數(shù)原位或現(xiàn)場快速檢測裝備，為及時掌握土壤環(huán)境質(zhì)量狀況提供堅實(shí)的技術(shù)和裝備支撐[3，7]。

3.2 土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化狀況與發(fā)展

中國排名TOP10 的土壤環(huán)境監(jiān)測裝備專利申請機(jī)構(gòu)均為高校和科研院所（圖2），這表明我國在該技術(shù)領(lǐng)域仍處于基礎(chǔ)研究階段，產(chǎn)業(yè)化程度低。也說明我國在該領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研合作不足，研究成果無法得到及時、有效推廣應(yīng)用；同時，這也反映了我國土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域的企業(yè)缺乏自主創(chuàng)新能力，缺少與科研機(jī)構(gòu)的有效合作機(jī)制，研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化存在較為明顯的脫節(jié)。促進(jìn)土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化的快速、健康發(fā)展，需要高校和科研院所、企業(yè)以及政府等多方面的協(xié)同合作。

為此，中國高校和科研院所應(yīng)注重專利等知識產(chǎn)權(quán)成果的管理和運(yùn)營，拓寬專利的技術(shù)布局，加強(qiáng)同企業(yè)合作，提高專利市場轉(zhuǎn)化率。建議我國在該領(lǐng)域技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)的高校、科研院所抓住當(dāng)前全國科技體制改革大背景下，重視校企合作和科技成果轉(zhuǎn)化的有利時機(jī)，積極尋求拓展和加強(qiáng)與企業(yè)的合作，及時將院校的科研成果應(yīng)用到設(shè)備領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化中，加快國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的步伐。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部目前已經(jīng)初步建成國家農(nóng)業(yè)科學(xué)觀測監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，包括對土壤、水、肥、氣象等關(guān)鍵要素的長期系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測，為推動農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新提供數(shù)據(jù)支撐并為災(zāi)害預(yù)警提供依據(jù)。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部自2017 年啟動實(shí)施農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)性長期性科技工作以來，已構(gòu)建了11 個數(shù)據(jù)中心、456 個觀測試驗(yàn)站、4 萬多個生態(tài)環(huán)境國控監(jiān)測點(diǎn)，形成了實(shí)驗(yàn)觀測和定點(diǎn)監(jiān)測相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)體系[23]。企業(yè)應(yīng)該鼓勵研發(fā)創(chuàng)新投入，提高科技競爭力，加強(qiáng)與高校和科研院所的合作，推進(jìn)相關(guān)技術(shù)成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。同時，政府也應(yīng)出臺相關(guān)政策，營造促進(jìn)成果產(chǎn)業(yè)化的環(huán)境氛圍，積極引導(dǎo)校企合作，鼓勵協(xié)同創(chuàng)新。例如，以設(shè)立技術(shù)轉(zhuǎn)化扶持資金、借助技術(shù)市場和技術(shù)轉(zhuǎn)移集團(tuán)等政策促進(jìn)校企合作和科技成果的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。

3.3 中國土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)與裝備發(fā)展展望

縱觀國際[24]及國內(nèi)發(fā)展趨勢，中國土壤環(huán)境監(jiān)測主要面臨以下挑戰(zhàn)與機(jī)遇。第一，原位、在線監(jiān)測技術(shù)與裝備的發(fā)展與升級。目前我國缺少同時監(jiān)測土壤養(yǎng)分、土壤碳、土壤鹽分、重金屬、有機(jī)物污染物以及總體反映土壤環(huán)境質(zhì)量的土壤多參數(shù)監(jiān)測裝備。例如土壤有機(jī)碳、總氮、活性碳、微生物生物量碳、微粒有機(jī)碳、β-葡糖苷酶等均為構(gòu)成土壤碳的重要指標(biāo)[25]，對以上指標(biāo)的集成監(jiān)測鮮有報道。此外，多數(shù)土壤環(huán)境監(jiān)測裝備基于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，應(yīng)發(fā)展可移動、原位監(jiān)測裝備，實(shí)現(xiàn)野外土壤環(huán)境數(shù)據(jù)的在線、實(shí)時監(jiān)測[26]。一方面，可利用農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展遙感監(jiān)測裝置，具備光學(xué)與微波結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對相同地物在相同時相下綜合特征的獲取，得到具有較高時空一致性的數(shù)據(jù)[27]。同時，可充分利用我國在公共通訊網(wǎng)絡(luò)（5G、NB-IoT）、電子與通訊產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)、大數(shù)據(jù)與人工智能等領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，并將其轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化至土壤環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的研發(fā)中來。未來我國的土壤環(huán)境監(jiān)測裝備發(fā)展應(yīng)積極圍繞國家的戰(zhàn)略發(fā)展需求，合理規(guī)劃產(chǎn)業(yè)布局、積極培養(yǎng)擴(kuò)大市場。依據(jù)目前我國環(huán)境、農(nóng)業(yè)、國土資源等的重點(diǎn)需求，針對性地開發(fā)快速、高靈敏、小型化、低成本、自動監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備以及與遙感尺度相匹配的新型監(jiān)測裝備，突破土壤環(huán)境監(jiān)測的信息采集與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的土壤多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，構(gòu)建技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、高精度、多尺度的土壤監(jiān)測體系，實(shí)現(xiàn)“天地空”一體化的綜合土壤環(huán)境質(zhì)量的高精度快速監(jiān)測與精細(xì)化管理，是急需突破的關(guān)鍵技術(shù)問題[28-30]。

第二，加強(qiáng)獲取的土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合和解譯。土壤環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與收集、更新與擴(kuò)充、分析與融合是現(xiàn)代土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的重要方向。挖掘獲取的數(shù)據(jù)信息，結(jié)合土壤物理、化學(xué)及生物屬性數(shù)據(jù)，綜合評估土壤可持續(xù)性、土壤退化度、土壤利用率及土壤環(huán)境評估指標(biāo)，為土壤管理和土地利用的決策提供基礎(chǔ)支撐[31]。以美國為例，在獲取多方位土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)后，通過其土壤管理評估框架（SMAF，Soil Management Assessment Framework）和土壤健康綜合評價工具模型（ CASH ，Comprehensive Assessment of Soil Health）進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和分析，并建立大尺度數(shù)據(jù)庫，建立CASH 模型并根據(jù)數(shù)據(jù)量遞增進(jìn)行模型更新和優(yōu)化，構(gòu)建美國環(huán)境土壤綜合指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)土壤環(huán)境質(zhì)量的長期宏觀檢測與精細(xì)化管理[32]。由聯(lián)合國糧農(nóng)組織建立的世界土壤數(shù)據(jù)庫 HWSD（Harmonized World Soil Database，http://webarchive.iiasa.ac.at/Research/LUC/External-World-soildatabase/HTML/）和全球連續(xù)的土壤數(shù)據(jù)集SoilGrids（https://www.soilgrids. org/）提供了包括土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤 pH、土壤堆積密度等理化屬性數(shù)據(jù)，并且匯總了基于遙感數(shù)據(jù)所計算的溫度、降水、氣候等數(shù)據(jù)，目前已被應(yīng)用于土壤生物量動態(tài)變化、生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系等研究工作中[33]。未來的發(fā)展同時應(yīng)推進(jìn)土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)與數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，并加強(qiáng)監(jiān)測信息與資源開發(fā)、大數(shù)據(jù)挖掘、與知識服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)更加緊密的結(jié)合，從而構(gòu)建技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、高精度、多尺度的土壤監(jiān)測體系，實(shí)現(xiàn)土壤環(huán)境質(zhì)量的高精度快速監(jiān)測與精細(xì)化管理[28-29]。

第三，土壤生物指標(biāo)監(jiān)測裝備的發(fā)展。土壤微生物種群是土壤轉(zhuǎn)化過程不可或缺的媒介，土壤生物種群在土壤保護(hù)和退化乃至生態(tài)系統(tǒng)中均起到重要作用[34]，在提高高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)作物的養(yǎng)分有效性、保護(hù)農(nóng)作物免受病蟲害與雜草侵害、對抗環(huán)境因素如干旱等方面的生物指標(biāo)應(yīng)加強(qiáng)研究[35]，如通過生物傳感器、生物探針等[36]監(jiān)測技術(shù)實(shí)現(xiàn)土壤環(huán)境監(jiān)測與評價。

目前，我國已在部分環(huán)保城市建立一些大氣環(huán)境和水環(huán)境的自動監(jiān)測站點(diǎn)。隨著監(jiān)測手段的不斷發(fā)展與監(jiān)測領(lǐng)域和范圍的不斷擴(kuò)大，未來土壤環(huán)境監(jiān)測應(yīng)提高設(shè)備的信息化、集成化水平，在數(shù)據(jù)交換共享、信息化跨界融合方面需要進(jìn)一步加強(qiáng)，與大氣、水環(huán)境監(jiān)測信息有效結(jié)合，滿足環(huán)境質(zhì)量綜合管理監(jiān)測需要，提供更全面、更準(zhǔn)確、更實(shí)時的土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)[37]，打造國家或區(qū)域土壤環(huán)境監(jiān)測的技術(shù)共享和交流平臺。

4 結(jié) 論

2000—2019 年間，我國土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展呈突破式發(fā)展，該技術(shù)處于生命周期的發(fā)展期。全球土壤環(huán)境監(jiān)測裝備的技術(shù)主要集中在G01N 領(lǐng)域，中國在G01N 技術(shù)領(lǐng)域的專利呈現(xiàn)持續(xù)快速增加的趨勢。近年來，技術(shù)研發(fā)的趨勢表現(xiàn)為監(jiān)測指標(biāo)從傳統(tǒng)的土壤肥力指標(biāo)向污染物和生物指標(biāo)拓展，便攜式、智能化的原位監(jiān)測裝備受青睞，定性與定量結(jié)合的檢測裝備也得到關(guān)注。我國排名TOP10 的土壤環(huán)境監(jiān)測裝備專利申請人均為高校和科研院所，缺乏具有自主創(chuàng)新能力的企業(yè)，成果的轉(zhuǎn)化效率較低，亟需加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān)及合作研發(fā)，突破土壤環(huán)境監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、高精度、多尺度的土壤監(jiān)測裝備與體系，實(shí)現(xiàn)我國土壤環(huán)境質(zhì)量的高精度監(jiān)測與精細(xì)化管理。