農田土壤重金屬污染監測技術研究

郭冰茹

（廣東惠利通檢測技術有限公司，廣東 惠州 516000）

受到大氣沉降、污水農灌、農用物質施用以及固體廢棄物堆放等相關因素的影響，導致農田土壤當中面臨著大量汞、鎘、鉛、鉻等重金屬物質的污染，不僅會導致農作物生長過程出現失調，同時還可能會通過食物鏈沉積于人體體內，給人體健康造成嚴重威脅。相關農業部門與研究人員應當強化對農田土壤重金屬污染監測技術的分析工作，有效減少重金屬給土壤帶來的威脅和污染。

1 農田土壤重金屬污染監測的意義和價值

1.1 強化土壤污染防治工作的針對性

通過技術手段針對農田土壤當中的重金屬污染進行監測和定位，能夠使相關污染防治部門以及農業技術人員更加直觀地了解到農田內部土壤受污染狀況，使土壤重金屬污染防治方案的制訂更具針對性與有效性，顯著強化土壤污染防治工作效果，使農田土壤環境得到進一步優化，促進農業實現可持續發展目標。

1.2 提升農業產量與質量

受自然因素以及人為因素的影響，重金屬物質在農田土壤當中的沉積和污染可能會導致土地酸化現象不斷加重，農作物品質與產量不斷下降，難以滿足市場環境下消費者的相關需求，影響了農作物的經濟效益[1]。依托農田土壤重金屬污染監測體系的部署，能夠有效減少重金屬污染給農業發展造成的相關負面影響，進一步保障農作物在目標農田當中的健康成長，有效提升農業發展過程當中的整體產量與質量。

1.3 保障公眾身體健康及安全

在農田重金屬污染狀態下，一些重金屬元素可能會隨著自然循環以及食物鏈進入到人體體內，一旦其含量超標可能會導致人體皮膚黏膜、胃腸道、神經系統等發生相應病變，同時還可能成為癌癥等疾病的重要誘因。通過對農田土壤重金屬污染進行針對性監測和控制，能夠有效降低農田土壤內部重金屬物質含量，使社會公眾的健康安全得到更加充分的保障。

2 實驗室監測的方法與基本特點

作為以往針對農田土壤重金屬污染現象的重要監控與測量方式，實驗室監測技術主要具備精度高、環境干擾小等優勢和特點，一般涵蓋了光學儀器監測法以及電化學儀器監測法兩種主要類別。

2.1 光學儀器監測法

光學儀器監測法主要指的是依靠原子熒光儀、吸收分光設備等相關光學儀器針對待測樣品當中重金屬含量進行監測的一種技術手段以及監測模式，其操作流程較為簡潔，在低濃度范圍下的精度較高，對于重金屬元素的分析范圍較廣，但依托光學儀器針對農田土壤當中的重金屬污染進行監測同樣也存在著易受環境光干擾、多元素測定困難、對復雜樣品的辨識度較為有限等問題。

2.2 電化學儀器監測法

電化學儀器監測法指的是依托樣品溶液當中電流、電位、電導等相關物理量的測定值針對樣品當中的重金屬含量進行測定和分析的一種技術手段，其中主要包括了極譜分析法以及伏安監測法等兩種類別。這種重金屬污染監測方式成本較為低廉。但由于其樣品預處理流程較為繁瑣，導致監測結果易受到外界環境干擾，同時也給技術人員提出了較高的要求。

3 現場快速監測技術及其特點

在傳統的實驗室土壤污染監測工作開展過程當中，受到其監測方法以及監測模式等因素的影響和制約，導致其綜合成本較高，流程較為復雜，不利于快速針對農田土壤重金屬污染做出針對性反應。另外，實驗室監測技術對于樣品的采集、儲運等相關工作的要求較高，不利于進行大規模推廣和應用[2]。因此，針對實驗室污染監測技術進行更新與迭代已勢在必行。隨著計算機技術以及光化學技術的不斷發展，現場快速監測技術已逐漸成為農田土壤重金屬監測技術當中的重要手段。

3.1 激光誘導擊穿光譜技術

激光誘導擊穿光譜技術又稱LIBS技術，主要指的是利用超短脈沖激光聚焦于待測樣品表面，使其表面形成等離子體，并針對等離子體光譜進行分析，從而得到樣品內部成分及其含量的一種技術手段。相較于傳統的光學儀器監測技術以及電化學監測技術而言，LIBS技術對于樣品的狀態、樣品的類型以及周邊監測環境的要求較低，其最終監測結果僅僅取決于脈沖激光的功率以及等離子體光譜分析設備的靈敏度，因此具有適應性強、精準度高等特點和優勢，利于在現場復雜環境當中進行應用。

在LIBS系統當中，主要以激光器、會聚透鏡系統、光學采集系統、光譜儀以及中樞計算機等幾項關鍵性硬件構成，其中，激光器負責向待測樣品發射超短脈沖激光，會聚透鏡系統負責將脈沖激光進行會聚，從而形成聚焦光斑，使樣品表面形成等離子體。光學采集系統主要負責對等離子體的光譜進行采集，光譜儀負責對光譜信息進行分析，中樞計算機主要負責對光譜儀反饋的相關信息進行相應核算與分析（如圖1）。

圖1 LIBS系統主要架構

通過LIBS技術針對農田土壤當中的汞、鉛、鉻等重金屬元素含量進行量測和監控，能夠更加準確高效地針對土壤環境當中多項元素類別進行綜合檢測，同時減少了污染監測工作開展過程當中對于現場樣品造成的污染和威脅，對土壤樣品預處理過程的依賴性較小，因此能夠滿足現階段農田土壤重金屬污染量測監控工作高效簡便精準的相關要求，成為未來農田土壤重金屬污染監測技術的重要發展方向[3]。

但針對LIBS技術的應用實際進行研究與分析過后也能夠發現，其同樣存在著一定的短板與不足。首先，雖然LIBS監測技術對于土壤樣品預處理流程的依賴性較為低下，但作為一種新型的污染監測技術手段，LIBS技術的測定精度同樣與測定設備的運行狀態、現場氣候環境情況、土壤樣品的物化性質等相關因素具有緊密的聯系，只有加強現場環境控制能力才能確保LIBS監測結果的準確可靠。其次，LIBS技術的復現性較差。受到超短脈沖激光特性的影響，導致其每次激發過程當中的特征均顯現出一定的差異，因此在針對土壤樣品等離子體光譜進行分析的過程中，最終獲取到的結果也可能會產生一定的偏差，導致研究者以及土壤污染治理團隊能夠獲取到的相關數據信息不夠權威和準確，影響了相關治理方案的規劃和制訂。最后，LIBS監測技術需要一整套激光誘導設備的支持，而受制于相關設備生產流程以及精度需求等因素的影響，導致其設備成本較高，歷次監測工作的開展成本同樣也很難得到相應的控制，導致其推廣和發展依然面對著一定的挑戰。

3.2 磁化率監測技術

在重金屬污染元素進入到農田土壤并進行沉積的過程當中，其污染土層當中鄋表現的磁性特征與常規土層的磁性特征表現可能會出現一定的變化。通過二者數值的量化比對，能夠使污染治理人員以及相關團隊準確可靠地掌握土壤內部污染物的來源、狀態、污染范圍以及污染水平等相關指標，從而為農田土壤重金屬污染治理工作提供相應的參考依據以及參考信息。

在依托磁化率監測技術進行農田土層重金屬污染狀態分析研究工作的過程當中，需要依托磁化率監測設備予以相應的技術支持。現階段常用的磁化率監測設備主要包括歐洲MAGPROX小組研發的SM 30型監測設備以及SM 400型監測設備等等。其中，在磁化率監測設備的開發與使用過程當中，多以磁化率讀數儀、磁化率監測探頭、衛星定位系統以及計算機等四項主要部件組成，在針對目標地點農田土壤樣品進行磁化率監測與分析的過程中，技術人員可將探頭接觸到目標土層表面，由讀數儀直接給出相應的磁化率讀數，并借助光纖傳輸技術或無線信號傳輸技術等手段將磁化率數值信息傳遞至系統計算機內部，使計算機能夠針對土層重金屬測定數值進行分析，進而使土層重金屬污染治理解決方案能夠獲取到更加直觀準確的參考依據[4]。

相較于其他類別土壤污染監測技術以及監測模式而言，采用磁化率監測技術針對農田土層當中的重金屬含量進行分析和檢測，能夠使技術人員直觀掌握土層當中汞、鉛、鉻等重金屬元素的含量，同時還減少了對土層測定樣品的破壞和影響，具有測定流程靈活、監測效果良好、測定成本低廉等優勢，在農業環境治理以及土壤成分監測等相關工作當中具有廣闊的發展與應用前景。但與此同時，磁化率監測技術同樣也具有一定的局限性。具體表現為以下幾點。第一，磁化率技術的判定不夠完善和全面，由于農田土壤磁化率變化的影響因素較為多元，因此依托磁化率監測技術針對農田土壤當中的重金屬污染情況進行判定具有一定的局限性，需要其他分析監測技術進行輔助判斷。第二，在依托磁化率測定設備針對土層磁化率表現情況進行測量的過程當中，可能會產生一定的誤差，從而對最終的測量結果以及方案設計策略造成一定的負面影響。第三，在針對磁化率這一指標進行分析的過程當中，重金屬污染對土層磁化率變化情況的影響尚未總結出相應的規律和模式，導致相關研究的開展不夠具體，亟待進行進一步優化和改進。

3.3 高光譜分析技術

作為現場監測分析技術的另一項重要模式，采用高光譜分析技術同樣也能夠針對農田土層當中的重金屬物質含量和類別做出相應評估和判斷，進而實現無損監控和測試，推動重金屬污染防治策略的不斷進步。技術人員可采用地物光譜儀等設備針對土壤樣本的光譜數據進行采集，并按照國際慣例將土壤當中的重金屬污染成分以及污染狀態分為無污染、輕度污染、重度污染、強度污染以及嚴重污染等五個層級，結合光譜數據處理分析結果與不同層級標準值進行比對，進而掌握農田土壤當中重金屬元素污染狀態以及污染發展情況（如圖2）。采用該技術手段針對土壤重金屬污染狀態進行評估監測與判斷，能夠結合實際將其發展狀態分為不同層級，并針對性給出差異化的治理方案以及治理措施，實現對重金屬污染現象的定量監測，有效提升了污染監測工作的針對性與準確性。

圖2 高光譜分析監測體系

3.4 生物量間接測定技術

除了上述對土層當中重金屬物質含量進行的直接測定之外，還可以借助土層當中生物基因表達狀態等相關指標進行間接性測定，作為土層污染的一項關鍵性影響要素，農田土層當中生物量發展情況能夠從側面表現出該區域當中重金屬污染含量，技術人員以及研究人員可通過樣品土壤當中的微生物基因光譜信息針對土層內部生物量進行相對判斷，并將其與常規土層生物量表現情況進行相互比對，從而得到間接的測定數據。但與磁化率測定技術相似，農田土層當中生物量指標的影響因素同樣較為多元和復雜，技術人員以及研究人員同樣也需要采取其他技術手段對其進行輔助分析，從而使最終得到的測定結果更加權威準確，使重金屬污染防治方案更加完善可靠[5]。

4 農田土壤重金屬污染防治措施

為全面降低農田土壤受重金屬污染現象造成的影響和損失，有效提升農田土壤污染防治水平與防治效果，相關技術人員以及農業管理部門應當采取以下措施和手段展開相關工作。

4.1 源頭防控

作為減少農田土層重金屬污染的關鍵性技術手段，做好源頭預防和控制工作，減少人為活動以及環境變化造成的污染是保障重金屬污染治理效果的關鍵所在。相關治理工作團隊應當組織技術力量基于上述技術手段針對農田現場土壤重金屬污染現狀進行排查、判定和分析，準確定位重金屬污染現象的主要來源，使源頭防控工作的開展更加合理。管理部門應當針對農田土壤周邊環境當中的工業生產以及危廢排放進行全面治理與管控，嚴格遵循國家規定的法律法規要求對相關生產企業的表現進行監控，避免工業生產過程當中的重金屬污染給農田土壤造成的威脅和影響。另外，在組織開展農業生產的過程當中，還應當針對農民的化肥農藥使用情況進行跟蹤監控，嚴格控制相關化學藥劑的應用，并做好對農業生產相關技術的引導工作，從源頭做到對重金屬污染現象的合理化控制，杜絕嚴重污染現象的產生。

4.2 過程阻斷

一些地區已出現了相應的重金屬污染狀態，相關治理團隊應當做好相應的過程阻斷工作，結合有機肥料的施用、土壤翻整、微生物修復技術等手段和措施進行針對性的阻斷，使農田土壤當中沉積的重金屬元素得到充分吸收和處理，使單位體積土壤當中的重金屬含量得到更加充分有效地控制，避免重金屬污染在土層當中的進一步發展，減少污染現象造成的風險和影響。

4.3 末端治理

最后，污染治理技術人員還應當結合生物技術手段做好末端治理工作，結合農田土壤環境特征以及重金屬含量情況選取合適的植被進行種植，使重金屬元素得到充分吸收。常見的應用于重金屬末端治理的植物包括鴨拓草、芥菜、紫云英等等，技術人員可針對性優化生物治理方案和策略，實現土壤重金屬污染現象的預期治理目標。

5 結論

綜上所述，在現階段的農業發展過程當中，重金屬污染已成為影響農產品質量與人體健康的關鍵因素。相關技術團隊應當結合實際選用合適的監測技術與監測手段，構建可行的重金屬污染治理方案，保障土壤環境的安全穩定。