EcoChem土壤质量监测与评价观测系统

一、引言
     土壤为植物生长发育提供必需的养分和水分，是陆生植物生活的基质。土壤健康是有机农业的必要条件，只有健康的土壤才能培育出健康的植物，从而保障动物和人类的健康。土壤质量是土壤提供植物养分和生产生物物质的土壤肥力质量，容纳、吸收、净化污染物的土壤环境质量，以及维护保障人类和动植物健康的土壤健康质量的总和。
      由于土壤中农药的残留累积、重金属污染和生物污染等问题的出现，人类开始对土壤质量因人类污染造成的变化进行研究和评价。另外不同等级和地域的土壤特性也不相同，如何对这些土壤进行分类鉴别，甚至建立我国土壤库也是目前的一项重要工作。土壤质量评价工作主要集中在土壤物理指标、化学指标和生物学指标等范围进行。
       本文针对土壤的物理及化学主要指标进行评价方法的阐述。文中提到的EcoChem土壤质量监测与评价观测系统让土壤评价工作变得简单，精准，可量化。

二、观测目标
        EcoChem土壤质量监测与评价观测系统主要针对土壤质量的碳氮指标，养分元素，重金属污染元素，微量元素，土壤pH、电导率（全盐量），氧化还原，土壤含水量、田间持水量，土壤的持水特性以及土壤分级分类等多种指标进行评价。

三、系统组成
3.1 土壤含水量和电导率的实时监测
      土壤水是土壤的最重要组成部分之一，土壤水供给作物生长，是农业生产的必要条件，是陆地植物赖以生存的源泉。它也是土壤肥力的重要组成部分，是植物水分循环的水源基地。

      PICO-Profile土壤含水量、电导率监测单元主要传感器为T3PN44土壤水分传感器，采用TDR时域反射原理，可连续无损的测定土壤含水量和电导率等参数，专为土壤不同层次的长期固定测量而设计。多种安装方式。
      该单元可以连续、固定、无间隙测量不同层次的土壤含水量和电动率等参数；每层土壤可以设置不同的校准曲线；传感器可自由组合，实现精准的土壤层次测量，测量头可达10个；每个测量头可测量1dm3的土体。
      含水量测量范围：0%~99%，含水量测量精度：+/-2%，数据重复性：＜0.1%，电导率测量范围：0 ~ >20ds/m。数据实时上传至云服务器，方便进行数据管理和监控。

3.2 土壤pH&氧化还原的监测
      土壤pH值是土壤的基本性质之一，也是影响土壤肥力的重要因素之一。我国各类土壤的pH值变异很大，大多数为4.5 ~ 9。它直接影响土壤养分的存在形态、转化和有效性。
      土壤的氧化还原有助于了解土壤的通气、还原程度，为种植农作物起到重要的指导作用。衡量土壤氧化还原反应状况的指标是氧化还原反应电位(Eh)。土壤氧化还原电位一般在200-700mV时，养分供应正常。土壤中某些变价的重金属污染物，其价态变化、迁移能力和生物毒性等和土壤氧化还原状况有着密切的关系。
      该监测单元可以长期、原位测量土壤pH和氧化还原反应电位(Eh)等参数。系统耐用、维护少，实验室和大田均可使用。
      pH电极：
      输出：-175 … + 175 mV 等于 pH10 … pH 4 (pH 7 ? 0 mV)
      直径：6mm
      管长：80 mm

      氧化还原电极：
      Redox 参比电极直径12mm，管长120mm
      范围：+/- 1250 mV
      分辨率：0.1 mV
      精度：3mV

3.3 土壤元素的测量以及分级分类
      土壤元素的测量单元采用EcoChem激光光谱元素分析系统。其固体激光器产生激光作用于样品表面。当激光能量大于样品击穿门槛能量时，在样品表面形成等离子体。这些等离子体中受激光能量激发到达高能态的样品物质在迅速回迁至低能态的过程中，发射出带有样品元素种类、含量信息的发射光谱，这些发射光谱信号被智能信号收集系统收集并传输至光谱仪中进行分光，再由CCD检测器进行检测，得到元素信息。
      系统全中文界面，包含NIST和ElementLIBS数据库。可以轻松检测和识别元素周期表上的元素并进行信息标记。软件还同时具备如下功能：软件可针对所有硬件部件进行指令操作，界面友好，操作直观，使用简单；内置多种打样方式选择，包括单点，多点，直线，矩阵点等；具有自动聚焦控制，可快速且方便的识别样品；可对系统内置的双镜头（全景视野和放大视野）进行控制；内置PLS-DA等多种定标计算模型，可快速计算元素含量；内置PCA等多种计算模型，可进行元素分类分析及溯源；可进行元素的分布（mapping）分析；对气路进行精准控制；内置国内常见土壤标准曲线库，方便用户参考和调用。
      该监测单元主要针对土壤质量的碳氮指标，养分元素，重金属污染元素，微量元素，元素迁移情况以及土壤分级分类等多种指标进行测量评价。
      土壤中含有植物生长发育需要的多种元素，其中微量元素虽然占生物体总质量0.01%以下，但是这些微量元素对于植物生长是的。下表是土壤中有效微量元素含量分级情况。因此有效快速的测量土壤中的微量元素十分重要。

级别	硼B mg/kg	钼Mo mg/kg	锰Mn mg/kg	锌Zn mg/kg	铜Cu mg/kg	铁Fe mg/kg
1（很缺）	＜0.2	＜0.1	＜1.0	＜0.3	＜0.1	＜2.5
2（缺）	0.20~0.5	0.10~0.15	1.0~5.0	0.30~0.5	0.10~0.2	2.5~4.5
3（适中）	0.50~1.0	0.15~0.20	5.0~15.0	0.50~1.0	0.20~1.0	4.5~10.0
4（丰）	1.0~2.0	0.20~0.3	15~30	1.0~3.0	1.0~1.8	10~20
5（很丰）	＞2.0	＞0.3	＞30	＞3.0	＞1.8	＞20

碳元素的测量                                                        养分元素的测量

氮元素的测量

重金属Cr元素的测量                                              PLS-DA多变量定量模型

      系统内置的PLS-DA等多种多参数线性回归化学统计分析功能，用于多元变量定量计算。多元变量标准曲线特别适合于分析基质较为复杂的样品，例如土壤、植物等样品，以减少基质中其它元素对目标元素的影响，提高分析准确性。
      系统内置的PCA主成分分析模型可以针对土壤的分级分类进行测量和评价。

不同土壤分类特征明显，区分度也可达99%

3.4 系统可扩展性
      系统根据实际需要的不同还可以升级和扩展，以监测更多的评价指标，可以客户化订制。例如还可以测量土壤紧实性、土壤侵蚀状况、土壤导水率、土壤呼吸量、土壤热通量、地下水质量等相关参数。

四、应用前景
      土壤是人类赖以生存、兴国安邦、生态文明建设的基础资源。EcoChem土壤质量监测与评价观测系统可以针对土壤的主要特征进行测量和评价。有了它我们就可以在土壤评价中做出合理的判断，同时可以了解影响土壤的因素和途径等等。既可以从理论上了解土壤健康的情况，又可以给土壤进行分级分类。为科学的应用土壤功能提供了评价探索的新方法。必将成为进一步研究的重点。同时也可以让我国宝贵的土壤资源上发挥其应有的功能。

五、参考文献
     Mansfeldt, T. (2003): In situ long-term redox potential measurements in a diked marsh soil; J. Plant Nutr. Soil Sci., 166, 210-219.
     Mansfeldt, T. (2004): Redox potential of bulk soil and soil solution concentration of nitrate, manganese, iron, and sulfate in two Gleysols; J. Plant Nutr. Soil Sci., 167, 7-16.
     Weigａnd H., T. Mansfeldt, S. Wessel-Bothe & C. Marb (2005): Bulk soil redox potential and arsenic speciation in the pore water of fen soils; in W. Skierucha & R.T. Walcak (eds.): Monitoring and modelling the properties of soil as a porous medium: the role of soil use; International conference, Lublin; 44-46.