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论遥感技术在土壤方面的应用

花匠小妙招
2024-12-15 04:34

论遥感技术在土壤方面的应用

随着信息社会和数字经济的飞速发展，土壤问题已成为当下世界焦点之一。土壤问题不仅关乎着人民的生活健康，更关乎着可持续发展战略的落实与推进。加强对土壤的监测及保护力度，不仅有利于生态文明建设的推进，也有利于生态兼容性的提升。

过去，人类对土壤的保护与监控不力，导致土壤受到各类物理、化学、生物方面的破坏。研究表明，土壤问题直接导致全球生物多样性减少和生态系统功能退化。从数据来看，过去EBDC等广谱杀菌剂的滥用对环境造成大量的原生污染及次生污染，其中不乏大量与癌症、甲状腺素功能障碍和肝毒性的增加以及遗传毒性有关的毒性物质。基于这些不利因素及其在食品和环境等方面对人类的潜在威胁，必须加强对土壤环境的监控。随着我国农业、农村经济发展及城乡工业布局变动，部分农村地区土壤环境逐步恶化。过去数十年间，周遭环境中工业污水的排放使得农村土壤污染情况日益严峻。同时，20世纪末至21世纪初，土壤污染的重视度不足导致土壤污染处理方式极其不当，致使土壤中的重金属含量剧增，同时生物富集作用使其在土壤中不断增加。通过食物链，重金属可对食物链中部分生物构成危害。此外，我国每年被重金属污染的粮食多达1 200万t，合计经济损失不少于200亿元。

就我国土壤环境现状而言，过去的不规范排放对土壤造成很大危害。目前，我国土壤环境整体状况比较严重，其中工矿业造成的土壤环境问题尤为突出，工矿业对污染物的不规范处理方式及后续违规处理方式是主要原因。在不同土地利用类型的土壤环境质量状况中，耕地土壤污染情况最为严重，未利用地土壤污染情况次之，草地与林地污染情况紧随其后。在土壤重金属污染物中，镉( 70/0)、镍(4.8%)、砷(2.7%)、铜(2.1%)、汞( 1.6%)、铅(1.5%)、铬(1.1%)和锌( 0.9%)8种污染物尤为严重；在有机污染中，滴滴涕(1.9%)、多环芳烃( 1.4%)、六六六(0.9%)3类污染物较为严重。当前，我国急需采取有效手段来进行土壤环境监测和修复。

1 土壤监测技术及遥感技术概述

我国土壤监测技术起步较晚，而且土壤监测体系与发达国家大相径庭。土壤监测技术方面，我国有8个理化指标、3种放射性监测方式、17种有机监测方式，23种无机监测方式。其中以遥感技术作用最大，遥感技术作为一项综合技术，实现了全球信息化和土壤监测的有机统一，对于土壤的治理修复和监测等相关研究起到了推进作用。

遥感技术具有监测范围广泛、信息连续性强、处理信息多和效率高等优势，相比于传统监测技术，大幅降低了人工成本及经济成本，缩短了信息处理周期，能够保持信息的时效性，有助于加快我国土壤信息汇总进度，及时处理土壤污染事件，防止污染物生物富集现象发生，降低土壤对人体健康的危害，减少土壤污染带来的经济损失。同时，遥感技术能进行有别于传统技术的非常规监测，扩大了土壤监测范围，对极端地形的监测极其有效；能监控工厂偷排现象，降低农村土壤受污染程度；可监测地质含矿量和极端天气，实现全天候的环境监测，减少因不规范开采自然资源而带来的二次危害，同时减少我国水土流失面积，提高生态兼容性，推进生态环境保护。此外，遥感技术能实现对单个区域的动态监测，有助于监测土壤变化，及时发现土壤受污染程度，实时监控土壤修复进程，提升土壤污染治理效果。

2 遥感技术的应用

2.1农业方面

不同土壤具有不同的理化性质，适宜种植的作物种类不同，人们需要改变土壤的灌溉方式。依托于遥感技术对土壤的监测，有研究总结出了不同土壤的横向水力系数并提出相应的科学灌溉依据，以支持农业用水管理决策，提高农业灌溉用水效率，以改善世界淡水资源及粮食资源不足的现状。Katherine等对土壤中气体进行监测，以监测当下遥感技术对土壤气体环境监测的效果，其间用气相色谱法比较了用一组测量C02、CH4和02的传感器和用另一组测量温度、相对湿度和压力的传感器收集的数据的准确性和精密度。结果表明，目前可用的传感器不足以实现基于过程的监测方法所规定的长期监测目标，建议进一步开发技术。研究人员在传感器研究方面得出了新的研究结果，通过遥感技术对葡萄园进行48 h的植物热成像监测并进行相关分析，对传感器的未来改进提出了一定的建议。同时，该研究推进了遥感技术及农业的有机结合。就我国国情而言，灌溉节水及水土流失一直是焦点问题，遥感数据显示，2011-2017年，我国农业有效灌溉面积保持匀速增长，201 8年，有效灌溉面积及节水灌溉面积出现突兀下降，相关数据对于我国农业灌溉节水及水土流失防治有较大研究价值。

2.2水土流失

水土流失是土壤保护中极其重要的一环，水土流失对于环境的影响是不可估量的。对于世界温饱问题而言，水土流失导致的土壤肥力下降问题进一步激发了人地矛盾。2018年，世界饥饿人口已达8.2亿，相较于2017年统计数据上升了1%。

针对水土流失问题，世界各地一直在做相关改善努力。京都大学通过遥感技术对尼泊尔1986-2015年降雨侵蚀力（R因子）进行了研究，进一步发展了水土流失估计技术。土耳其的Hidit大学通过遥感技术调查不同土壤区域评估性能，总结了土耳其境内水土流失等相关环境问题，对于推进西亚地区的土壤环境改善有一定帮助。Letícia等对土壤淋滤过程对地下水的污染进行了研究，该研究对土壤淋溶过程进行了模拟分析，得出了一种利用在线模拟降雨监测土壤铁配合物淋失的方法。所开发的方法包括铁(Ⅲ)和3-羟基-4-吡啶酮铁(Ⅲ)配合物的硅测定，耦合到微型土壤柱( mSC)以显示在线降雨模拟。所述SI方法使铁(Ⅲ)的测定保持在2.0-35.0 μmol/L，检测限为0.42μmol/L，并使铁(Ⅲ)络合物的测定值保持在1.0-45.0μmol/L。该方法成功地应用于实验室土柱( LSSC)中的浸出液，对铁(Ⅲ)和铁络合物的测定均具有良好的精密度：经计算，其相对标准偏差（RSD）分别为5%和6%。其间采用小型土柱进行渗滤液的生产，进一步实现了自动化和便捷化，减少占地面积及人力资源。该系统能在不到5 min的时间内产生和评估土壤渗滤液，包括多次测定。威尔士环境中心在土壤科学领域进行了深入研究，该研究针对水土流失现象进行了一系列分析，阐述了导致水土流失现象的土壤相关因素，并对土壤指标判断方式提出了改进性措施，进一步推进了水土流失治理及监测方面的发展进程。从水土流失情况来看，我国水土流失治理面积从2010年的1 068 000 km2扩大到2018年的1 315 320 km2，说明我国水土流失治理卓有成效。

2.3土壤污染

土壤污染方面，遥感技术可以及时反映土壤受污染后的理化性质及生态状况。北美联邦农大通过遥感技术检测了西南部土壤受石油污染后的土壤理化性质及水力特性变化，更新了国际环境监测数据，为土壤石油污染的治理奠定了牢靠的基础，对世界可持续发展作出了卓越贡献。Celin等对国防场地进行了监测，场地受到爆炸物的污染，这些爆炸物在制造、射击、测试和训练行动、装载、组装和包装活动以及非军事化行动中释放。爆炸性化学品在性质上是危险的，爆炸物对土壤和地下水的污染对人畜健康和生态系统构成严重威胁。人们要通过研究推进生物修复技术在土壤方面中的应用，并在遥感技术的基础上发展相关监测仪器，提高对爆炸污染物的监测能力，未来，这将有助于选择合适的监测工具来评估生物修复。

快速的工业化和城市化导致严重的环境污染，尤其是土壤重金属污染。砷是土壤中主要的重金属污染物之一，对包括人类在内的诸多动植物都构成严重威胁。传统的土壤砷污染分析方法制样步骤烦琐、费时，需要实验室设备和技术人员。有研究提出了一种基于现场应用样品制备和智能手机光学传感的土壤砷(Ⅲ)检测新方法。为了一步去除高砷含量的干扰离子，通过酸浸法和不同固相萃取柱( SPE)的串联应用，简化和优化土壤样品制备。砷污染土壤样品的酸性提取率为35.4%，固相萃取率为54.0%。采用基于适体AuNPs的智能手机耦合光学单元比色法对As(Ⅲ)进行定量。该Aptasensor集成检测系统(ADS)对水样的检测限为14.44μg/L，对田间土壤样品的检测限为1.97 mg/kg。通过与电感耦合等离子体质谱法( ICP-MS)的准确度比较，有研究对不同来源的砷污染农田土壤进行了测定，结果表明，砷污染农田土壤的相关系数为0.997，平均差异为1.67 mg/kg。通过将所有所需的分析步骤集成到便携式格式中，所提出的设置可以对土壤中的砷污染进行现场测试。同时，该技术将遥感技术与移动设备相结合，提高了信息获取的便捷性，并进一步加快了信息化社会的进程。

2.4土壤修复

遥感技术在土壤污染修复方面的应用卓有成效．土壤重金属污染修复方面，遥感技术的应用提高了土壤重金属污染修复效率，减少了土壤修复过程的工作量，实时反映土壤生态状况，有利于研究人员及时改变治理方式。有研究在对铅污染土壤的修复过程中采用遥感技术，根据土壤生态状况及时调整治理药剂用量，有效节省了治理成本。罗马萨皮恩扎大学对电动力学土壤修复过程进行延时监测，改善了电动力学在土壤修复方面的方法，为土壤重金属污染的治理增加了解决途径，推进了土壤修复领域和电动力学领域的研究。鉴于我国土壤修复方面研究起步较晚，人们需要探索更加有效的监测手段来加快研究进程，以便研究人员及时改进治理修复措施，推进生态文明建设。

3 结论

近年来，我国颁布了土壤环境保护方面的相关法律，土壤环境方面的研究进展逐步彰显成果，但由于国内土壤环境研究起步晚，研究投入较小，因此我国土壤环境研究相比于发达国家依然有一定差距。伴随近年来我国遥感技术的飞速发展及其在土壤环境方面的应用，我国土壤环境监测技术已取得一定成就，但依然存在一些问题。首先，我国土壤监测技术独立性不强，我国土壤研究起步晚，因此缺乏独具特色的土壤检测方法。目前，我国土壤监测的标准化程度低，与其他领域相比，我国在土壤方面的投入较低，关注度较低，并且土壤监测涉及的污染物较少，标准多样，特殊样本较少。其次，土壤监测技术只占监测技术总数的17%，相较于大气监测与水监测技术而言，应用技术较为匮乏，而且土壤污染多样，检测成本较高。最后，我国土壤监测技术缺乏统筹规划，我国土壤监测的统筹规划性不足，监测体系混乱，标准多样，易造成资源浪费，降低研究效率。

当下，我国要做好统筹规划，构建统一的监测标准，促进土壤监测技术的规范化和体系化，同时制作特殊性土壤标本，建立标准化的土壤监测指标，推进土壤研究，加快土壤环境修复，改善我国土壤现状，减少土壤污染带来的经济损失，最终稳步推进生态文明建设，增强生态兼容性，落实可持续发展理念，提高人民生活的满意度和幸福感。

摘自：《中国资源综合利用》2021年第1期