农田土壤重金属污染监测技术研究

郭冰茹

（广东惠利通检测技术有限公司，广东 惠州 516000）

受到大气沉降、污水农灌、农用物质施用以及固体废弃物堆放等相关因素的影响，导致农田土壤当中面临着大量汞、镉、铅、铬等重金属物质的污染，不仅会导致农作物生长过程出现失调，同时还可能会通过食物链沉积于人体体内，给人体健康造成严重威胁。相关农业部门与研究人员应当强化对农田土壤重金属污染监测技术的分析工作，有效减少重金属给土壤带来的威胁和污染。

1 农田土壤重金属污染监测的意义和价值

1.1 强化土壤污染防治工作的针对性

通过技术手段针对农田土壤当中的重金属污染进行监测和定位，能够使相关污染防治部门以及农业技术人员更加直观地了解到农田内部土壤受污染状况，使土壤重金属污染防治方案的制订更具针对性与有效性，显著强化土壤污染防治工作效果，使农田土壤环境得到进一步优化，促进农业实现可持续发展目标。

1.2 提升农业产量与质量

受自然因素以及人为因素的影响，重金属物质在农田土壤当中的沉积和污染可能会导致土地酸化现象不断加重，农作物品质与产量不断下降，难以满足市场环境下消费者的相关需求，影响了农作物的经济效益[1]。依托农田土壤重金属污染监测体系的部署，能够有效减少重金属污染给农业发展造成的相关负面影响，进一步保障农作物在目标农田当中的健康成长，有效提升农业发展过程当中的整体产量与质量。

1.3 保障公众身体健康及安全

在农田重金属污染状态下，一些重金属元素可能会随着自然循环以及食物链进入到人体体内，一旦其含量超标可能会导致人体皮肤黏膜、胃肠道、神经系统等发生相应病变，同时还可能成为癌症等疾病的重要诱因。通过对农田土壤重金属污染进行针对性监测和控制，能够有效降低农田土壤内部重金属物质含量，使社会公众的健康安全得到更加充分的保障。

2 实验室监测的方法与基本特点

作为以往针对农田土壤重金属污染现象的重要监控与测量方式，实验室监测技术主要具备精度高、环境干扰小等优势和特点，一般涵盖了光学仪器监测法以及电化学仪器监测法两种主要类别。

2.1 光学仪器监测法

光学仪器监测法主要指的是依靠原子荧光仪、吸收分光设备等相关光学仪器针对待测样品当中重金属含量进行监测的一种技术手段以及监测模式，其操作流程较为简洁，在低浓度范围下的精度较高，对于重金属元素的分析范围较广，但依托光学仪器针对农田土壤当中的重金属污染进行监测同样也存在着易受环境光干扰、多元素测定困难、对复杂样品的辨识度较为有限等问题。

2.2 电化学仪器监测法

电化学仪器监测法指的是依托样品溶液当中电流、电位、电导等相关物理量的测定值针对样品当中的重金属含量进行测定和分析的一种技术手段，其中主要包括了极谱分析法以及伏安监测法等两种类别。这种重金属污染监测方式成本较为低廉。但由于其样品预处理流程较为繁琐，导致监测结果易受到外界环境干扰，同时也给技术人员提出了较高的要求。

3 现场快速监测技术及其特点

在传统的实验室土壤污染监测工作开展过程当中，受到其监测方法以及监测模式等因素的影响和制约，导致其综合成本较高，流程较为复杂，不利于快速针对农田土壤重金属污染做出针对性反应。另外，实验室监测技术对于样品的采集、储运等相关工作的要求较高，不利于进行大规模推广和应用[2]。因此，针对实验室污染监测技术进行更新与迭代已势在必行。随着计算机技术以及光化学技术的不断发展，现场快速监测技术已逐渐成为农田土壤重金属监测技术当中的重要手段。

3.1 激光诱导击穿光谱技术

激光诱导击穿光谱技术又称LIBS技术，主要指的是利用超短脉冲激光聚焦于待测样品表面，使其表面形成等离子体，并针对等离子体光谱进行分析，从而得到样品内部成分及其含量的一种技术手段。相较于传统的光学仪器监测技术以及电化学监测技术而言，LIBS技术对于样品的状态、样品的类型以及周边监测环境的要求较低，其最终监测结果仅仅取决于脉冲激光的功率以及等离子体光谱分析设备的灵敏度，因此具有适应性强、精准度高等特点和优势，利于在现场复杂环境当中进行应用。

在LIBS系统当中，主要以激光器、会聚透镜系统、光学采集系统、光谱仪以及中枢计算机等几项关键性硬件构成，其中，激光器负责向待测样品发射超短脉冲激光，会聚透镜系统负责将脉冲激光进行会聚，从而形成聚焦光斑，使样品表面形成等离子体。光学采集系统主要负责对等离子体的光谱进行采集，光谱仪负责对光谱信息进行分析，中枢计算机主要负责对光谱仪反馈的相关信息进行相应核算与分析（如图1）。

图1 LIBS系统主要架构

通过LIBS技术针对农田土壤当中的汞、铅、铬等重金属元素含量进行量测和监控，能够更加准确高效地针对土壤环境当中多项元素类别进行综合检测，同时减少了污染监测工作开展过程当中对于现场样品造成的污染和威胁，对土壤样品预处理过程的依赖性较小，因此能够满足现阶段农田土壤重金属污染量测监控工作高效简便精准的相关要求，成为未来农田土壤重金属污染监测技术的重要发展方向[3]。

但针对LIBS技术的应用实际进行研究与分析过后也能够发现，其同样存在着一定的短板与不足。首先，虽然LIBS监测技术对于土壤样品预处理流程的依赖性较为低下，但作为一种新型的污染监测技术手段，LIBS技术的测定精度同样与测定设备的运行状态、现场气候环境情况、土壤样品的物化性质等相关因素具有紧密的联系，只有加强现场环境控制能力才能确保LIBS监测结果的准确可靠。其次，LIBS技术的复现性较差。受到超短脉冲激光特性的影响，导致其每次激发过程当中的特征均显现出一定的差异，因此在针对土壤样品等离子体光谱进行分析的过程中，最终获取到的结果也可能会产生一定的偏差，导致研究者以及土壤污染治理团队能够获取到的相关数据信息不够权威和准确，影响了相关治理方案的规划和制订。最后，LIBS监测技术需要一整套激光诱导设备的支持，而受制于相关设备生产流程以及精度需求等因素的影响，导致其设备成本较高，历次监测工作的开展成本同样也很难得到相应的控制，导致其推广和发展依然面对着一定的挑战。

3.2 磁化率监测技术

在重金属污染元素进入到农田土壤并进行沉积的过程当中，其污染土层当中鄋表现的磁性特征与常规土层的磁性特征表现可能会出现一定的变化。通过二者数值的量化比对，能够使污染治理人员以及相关团队准确可靠地掌握土壤内部污染物的来源、状态、污染范围以及污染水平等相关指标，从而为农田土壤重金属污染治理工作提供相应的参考依据以及参考信息。

在依托磁化率监测技术进行农田土层重金属污染状态分析研究工作的过程当中，需要依托磁化率监测设备予以相应的技术支持。现阶段常用的磁化率监测设备主要包括欧洲MAGPROX小组研发的SM 30型监测设备以及SM 400型监测设备等等。其中，在磁化率监测设备的开发与使用过程当中，多以磁化率读数仪、磁化率监测探头、卫星定位系统以及计算机等四项主要部件组成，在针对目标地点农田土壤样品进行磁化率监测与分析的过程中，技术人员可将探头接触到目标土层表面，由读数仪直接给出相应的磁化率读数，并借助光纤传输技术或无线信号传输技术等手段将磁化率数值信息传递至系统计算机内部，使计算机能够针对土层重金属测定数值进行分析，进而使土层重金属污染治理解决方案能够获取到更加直观准确的参考依据[4]。

相较于其他类别土壤污染监测技术以及监测模式而言，采用磁化率监测技术针对农田土层当中的重金属含量进行分析和检测，能够使技术人员直观掌握土层当中汞、铅、铬等重金属元素的含量，同时还减少了对土层测定样品的破坏和影响，具有测定流程灵活、监测效果良好、测定成本低廉等优势，在农业环境治理以及土壤成分监测等相关工作当中具有广阔的发展与应用前景。但与此同时，磁化率监测技术同样也具有一定的局限性。具体表现为以下几点。第一，磁化率技术的判定不够完善和全面，由于农田土壤磁化率变化的影响因素较为多元，因此依托磁化率监测技术针对农田土壤当中的重金属污染情况进行判定具有一定的局限性，需要其他分析监测技术进行辅助判断。第二，在依托磁化率测定设备针对土层磁化率表现情况进行测量的过程当中，可能会产生一定的误差，从而对最终的测量结果以及方案设计策略造成一定的负面影响。第三，在针对磁化率这一指标进行分析的过程当中，重金属污染对土层磁化率变化情况的影响尚未总结出相应的规律和模式，导致相关研究的开展不够具体，亟待进行进一步优化和改进。

3.3 高光谱分析技术

作为现场监测分析技术的另一项重要模式，采用高光谱分析技术同样也能够针对农田土层当中的重金属物质含量和类别做出相应评估和判断，进而实现无损监控和测试，推动重金属污染防治策略的不断进步。技术人员可采用地物光谱仪等设备针对土壤样本的光谱数据进行采集，并按照国际惯例将土壤当中的重金属污染成分以及污染状态分为无污染、轻度污染、重度污染、强度污染以及严重污染等五个层级，结合光谱数据处理分析结果与不同层级标准值进行比对，进而掌握农田土壤当中重金属元素污染状态以及污染发展情况（如图2）。采用该技术手段针对土壤重金属污染状态进行评估监测与判断，能够结合实际将其发展状态分为不同层级，并针对性给出差异化的治理方案以及治理措施，实现对重金属污染现象的定量监测，有效提升了污染监测工作的针对性与准确性。

图2 高光谱分析监测体系

3.4 生物量间接测定技术

除了上述对土层当中重金属物质含量进行的直接测定之外，还可以借助土层当中生物基因表达状态等相关指标进行间接性测定，作为土层污染的一项关键性影响要素，农田土层当中生物量发展情况能够从侧面表现出该区域当中重金属污染含量，技术人员以及研究人员可通过样品土壤当中的微生物基因光谱信息针对土层内部生物量进行相对判断，并将其与常规土层生物量表现情况进行相互比对，从而得到间接的测定数据。但与磁化率测定技术相似，农田土层当中生物量指标的影响因素同样较为多元和复杂，技术人员以及研究人员同样也需要采取其他技术手段对其进行辅助分析，从而使最终得到的测定结果更加权威准确，使重金属污染防治方案更加完善可靠[5]。

4 农田土壤重金属污染防治措施

为全面降低农田土壤受重金属污染现象造成的影响和损失，有效提升农田土壤污染防治水平与防治效果，相关技术人员以及农业管理部门应当采取以下措施和手段展开相关工作。

4.1 源头防控

作为减少农田土层重金属污染的关键性技术手段，做好源头预防和控制工作，减少人为活动以及环境变化造成的污染是保障重金属污染治理效果的关键所在。相关治理工作团队应当组织技术力量基于上述技术手段针对农田现场土壤重金属污染现状进行排查、判定和分析，准确定位重金属污染现象的主要来源，使源头防控工作的开展更加合理。管理部门应当针对农田土壤周边环境当中的工业生产以及危废排放进行全面治理与管控，严格遵循国家规定的法律法规要求对相关生产企业的表现进行监控，避免工业生产过程当中的重金属污染给农田土壤造成的威胁和影响。另外，在组织开展农业生产的过程当中，还应当针对农民的化肥农药使用情况进行跟踪监控，严格控制相关化学药剂的应用，并做好对农业生产相关技术的引导工作，从源头做到对重金属污染现象的合理化控制，杜绝严重污染现象的产生。

4.2 过程阻断

一些地区已出现了相应的重金属污染状态，相关治理团队应当做好相应的过程阻断工作，结合有机肥料的施用、土壤翻整、微生物修复技术等手段和措施进行针对性的阻断，使农田土壤当中沉积的重金属元素得到充分吸收和处理，使单位体积土壤当中的重金属含量得到更加充分有效地控制，避免重金属污染在土层当中的进一步发展，减少污染现象造成的风险和影响。

4.3 末端治理

最后，污染治理技术人员还应当结合生物技术手段做好末端治理工作，结合农田土壤环境特征以及重金属含量情况选取合适的植被进行种植，使重金属元素得到充分吸收。常见的应用于重金属末端治理的植物包括鸭拓草、芥菜、紫云英等等，技术人员可针对性优化生物治理方案和策略，实现土壤重金属污染现象的预期治理目标。

5 结论

综上所述，在现阶段的农业发展过程当中，重金属污染已成为影响农产品质量与人体健康的关键因素。相关技术团队应当结合实际选用合适的监测技术与监测手段，构建可行的重金属污染治理方案，保障土壤环境的安全稳定。