土壤為植物生長發(fā)育提供必需的養(yǎng)分和水分，是陸生植物生活的基質(zhì)。土壤健康是有機(jī)農(nóng)業(yè)的必要條件，只有健康的土壤才能培育出健康的植物，從而保障動(dòng)物和人類的健康。土壤質(zhì)量是土壤提供植物養(yǎng)分和生產(chǎn)生物物質(zhì)的土壤肥力質(zhì)量，容納、吸收、凈化污染物的土壤環(huán)境質(zhì)量，以及維護(hù)保障人類和動(dòng)植物健康的土壤健康質(zhì)量的總和。由于土壤中農(nóng)藥的殘留累積、重金屬污染和生物污染等問題的出現(xiàn)，人類開始對(duì)土壤質(zhì)量因人類污染造成的變化進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)。另外不同等級(jí)和地域的土壤特性也不相同，如何對(duì)這些土壤進(jìn)行分類鑒別，甚至建立我國土壤庫也是目前的一項(xiàng)重要工作。土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)工作主要集中在土壤物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)和生物學(xué)指標(biāo)等范圍進(jìn)行。
本文針對(duì)土壤的物理及化學(xué)主要指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)方法的闡述。文中提到的EcoChem土壤質(zhì)量監(jiān)測與評(píng)價(jià)觀測系統(tǒng)讓土壤評(píng)價(jià)工作變得簡單，精準(zhǔn)，可量化。
二、觀測目標(biāo)
EcoChem土壤質(zhì)量監(jiān)測與評(píng)價(jià)觀測系統(tǒng)主要針對(duì)土壤質(zhì)量的碳氮指標(biāo)，養(yǎng)分元素，重金屬污染元素，微量元素，土壤pH、電導(dǎo)率（全鹽量），氧化還原，土壤含水量、田間持水量，土壤的持水特性以及土壤分級(jí)分類等多種指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
三、系統(tǒng)組成
3.1 土壤含水量和電導(dǎo)率的實(shí)時(shí)監(jiān)測
土壤水是土壤的最重要組成部分之一，土壤水供給作物生長，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必要條件，是陸地植物賴以生存的源泉。它也是土壤肥力的重要組成部分，是植物水分循環(huán)的水源基地。
PICO-Profile土壤含水量、電導(dǎo)率監(jiān)測單元主要傳感器為T3PN44土壤水分傳感器，采用TDR時(shí)域反射原理，可連續(xù)無損的測定土壤含水量和電導(dǎo)率等參數(shù)，專為土壤不同層次的長期固定測量而設(shè)計(jì)。多種安裝方式。
該單元可以連續(xù)、固定、無間隙測量不同層次的土壤含水量和電動(dòng)率等參數(shù)；每層土壤可以設(shè)置不同的校準(zhǔn)曲線；傳感器可自由組合，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的土壤層次測量，測量頭可達(dá)10個(gè)；每個(gè)測量頭可測量1dm3的土體。
含水量測量范圍：0%~99%，含水量測量精度：+/-2%，數(shù)據(jù)重復(fù)性：＜0.1%，電導(dǎo)率測量范圍：0 ~ >20ds/m。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云服務(wù)器，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和監(jiān)控。
3.2 土壤pH&氧化還原的監(jiān)測
土壤pH值是土壤的基本性質(zhì)之一，也是影響土壤肥力的重要因素之一。我國各類土壤的pH值變異很大，大多數(shù)為4.5 ~ 9。它直接影響土壤養(yǎng)分的存在形態(tài)、轉(zhuǎn)化和有效性。
土壤的氧化還原有助于了解土壤的通氣、還原程度，為種植農(nóng)作物起到重要的指導(dǎo)作用。衡量土壤氧化還原反應(yīng)狀況的指標(biāo)是氧化還原反應(yīng)電位(Eh)。土壤氧化還原電位一般在200-700mV時(shí)，養(yǎng)分供應(yīng)正常。土壤中某些變價(jià)的重金屬污染物，其價(jià)態(tài)變化、遷移能力和生物毒性等和土壤氧化還原狀況有著密切的關(guān)系。
該監(jiān)測單元可以長期、原位測量土壤pH和氧化還原反應(yīng)電位(Eh)等參數(shù)。系統(tǒng)耐用、維護(hù)少，實(shí)驗(yàn)室和大田均可使用。
pH電極：
輸出：-175 … + 175 mV 等于 pH10 … pH 4 (pH 7 ? 0 mV)
直徑：6mm
管長：80 mm
該單元可以連續(xù)、固定、無間隙測量不同層次的土壤含水量和電動(dòng)率等參數(shù)；每層土壤可以設(shè)置不同的校準(zhǔn)曲線；傳感器可自由組合，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的土壤層次測量，測量頭可達(dá)10個(gè)；每個(gè)測量頭可測量1dm3的土體。
含水量測量范圍：0%~99%，含水量測量精度：+/-2%，數(shù)據(jù)重復(fù)性：＜0.1%，電導(dǎo)率測量范圍：0 ~ >20ds/m。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云服務(wù)器，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和監(jiān)控。
3.2 土壤pH&氧化還原的監(jiān)測
土壤pH值是土壤的基本性質(zhì)之一，也是影響土壤肥力的重要因素之一。我國各類土壤的pH值變異很大，大多數(shù)為4.5 ~ 9。它直接影響土壤養(yǎng)分的存在形態(tài)、轉(zhuǎn)化和有效性。
土壤的氧化還原有助于了解土壤的通氣、還原程度，為種植農(nóng)作物起到重要的指導(dǎo)作用。衡量土壤氧化還原反應(yīng)狀況的指標(biāo)是氧化還原反應(yīng)電位(Eh)。土壤氧化還原電位一般在200-700mV時(shí)，養(yǎng)分供應(yīng)正常。土壤中某些變價(jià)的重金屬污染物，其價(jià)態(tài)變化、遷移能力和生物毒性等和土壤氧化還原狀況有著密切的關(guān)系。
該監(jiān)測單元可以長期、原位測量土壤pH和氧化還原反應(yīng)電位(Eh)等參數(shù)。系統(tǒng)耐用、維護(hù)少，實(shí)驗(yàn)室和大田均可使用。
pH電極：
輸出：-175 … + 175 mV 等于 pH10 … pH 4 (pH 7 ? 0 mV)
直徑：6mm
管長：80 mm
氧化還原電極：
Redox 參比電極直徑12mm，管長120mm
范圍：+/- 1250 mV
分辨率：0.1 mV
精度：3mV
Redox 參比電極直徑12mm，管長120mm
范圍：+/- 1250 mV
分辨率：0.1 mV
精度：3mV
3.3 土壤元素的測量以及分級(jí)分類
土壤元素的測量單元采用EcoChem激光光譜元素分析系統(tǒng)。其固體激光器產(chǎn)生激光作用于樣品表面。當(dāng)激光能量大于樣品擊穿門檻能量時(shí)，在樣品表面形成等離子體。這些等離子體中受激光能量激發(fā)到達(dá)高能態(tài)的樣品物質(zhì)在迅速回遷至低能態(tài)的過程中，發(fā)射出帶有樣品元素種類、含量信息的發(fā)射光譜，這些發(fā)射光譜信號(hào)被智能信號(hào)收集系統(tǒng)收集并傳輸至光譜儀中進(jìn)行分光，再由CCD檢測器進(jìn)行檢測，得到元素信息。
系統(tǒng)全中文界面，包含NIST和ElementLIBS數(shù)據(jù)庫?？梢暂p松檢測和識(shí)別元素周期表上的元素并進(jìn)行信息標(biāo)記。軟件還同時(shí)具備如下功能：軟件可針對(duì)所有硬件部件進(jìn)行指令操作，界面友好，操作直觀，使用簡單；內(nèi)置多種打樣方式選擇，包括單點(diǎn)，多點(diǎn)，直線，矩陣點(diǎn)等；具有自動(dòng)聚焦控制，可快速且方便的識(shí)別樣品；可對(duì)系統(tǒng)內(nèi)置的雙鏡頭（全景視野和放大視野）進(jìn)行控制；內(nèi)置PLS-DA等多種定標(biāo)計(jì)算模型，可快速計(jì)算元素含量；內(nèi)置PCA等多種計(jì)算模型，可進(jìn)行元素分類分析及溯源；可進(jìn)行元素的分布（mapping）分析；對(duì)氣路進(jìn)行精準(zhǔn)控制；內(nèi)置國內(nèi)常見土壤標(biāo)準(zhǔn)曲線庫，方便用戶參考和調(diào)用。
該監(jiān)測單元主要針對(duì)土壤質(zhì)量的碳氮指標(biāo)，養(yǎng)分元素，重金屬污染元素，微量元素，元素遷移情況以及土壤分級(jí)分類等多種指標(biāo)進(jìn)行測量評(píng)價(jià)。
土壤中含有植物生長發(fā)育需要的多種元素，其中微量元素雖然占生物體總質(zhì)量0.01%以下，但是這些微量元素對(duì)于植物生長是的。下表是土壤中有效微量元素含量分級(jí)情況。因此有效快速的測量土壤中的微量元素十分重要。
土壤元素的測量單元采用EcoChem激光光譜元素分析系統(tǒng)。其固體激光器產(chǎn)生激光作用于樣品表面。當(dāng)激光能量大于樣品擊穿門檻能量時(shí)，在樣品表面形成等離子體。這些等離子體中受激光能量激發(fā)到達(dá)高能態(tài)的樣品物質(zhì)在迅速回遷至低能態(tài)的過程中，發(fā)射出帶有樣品元素種類、含量信息的發(fā)射光譜，這些發(fā)射光譜信號(hào)被智能信號(hào)收集系統(tǒng)收集并傳輸至光譜儀中進(jìn)行分光，再由CCD檢測器進(jìn)行檢測，得到元素信息。
系統(tǒng)全中文界面，包含NIST和ElementLIBS數(shù)據(jù)庫?？梢暂p松檢測和識(shí)別元素周期表上的元素并進(jìn)行信息標(biāo)記。軟件還同時(shí)具備如下功能：軟件可針對(duì)所有硬件部件進(jìn)行指令操作，界面友好，操作直觀，使用簡單；內(nèi)置多種打樣方式選擇，包括單點(diǎn)，多點(diǎn)，直線，矩陣點(diǎn)等；具有自動(dòng)聚焦控制，可快速且方便的識(shí)別樣品；可對(duì)系統(tǒng)內(nèi)置的雙鏡頭（全景視野和放大視野）進(jìn)行控制；內(nèi)置PLS-DA等多種定標(biāo)計(jì)算模型，可快速計(jì)算元素含量；內(nèi)置PCA等多種計(jì)算模型，可進(jìn)行元素分類分析及溯源；可進(jìn)行元素的分布（mapping）分析；對(duì)氣路進(jìn)行精準(zhǔn)控制；內(nèi)置國內(nèi)常見土壤標(biāo)準(zhǔn)曲線庫，方便用戶參考和調(diào)用。
該監(jiān)測單元主要針對(duì)土壤質(zhì)量的碳氮指標(biāo)，養(yǎng)分元素，重金屬污染元素，微量元素，元素遷移情況以及土壤分級(jí)分類等多種指標(biāo)進(jìn)行測量評(píng)價(jià)。
土壤中含有植物生長發(fā)育需要的多種元素，其中微量元素雖然占生物體總質(zhì)量0.01%以下，但是這些微量元素對(duì)于植物生長是的。下表是土壤中有效微量元素含量分級(jí)情況。因此有效快速的測量土壤中的微量元素十分重要。
| 級(jí)別 | 硼B | 鉬Mo | 錳Mn | 鋅Zn | 銅Cu | 鐵Fe |
| 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（適中） | 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（豐） | 1.0~2.0 | 0.20~0.3 | 15~30 | 1.0~3.0 | 1.0~1.8 | 10~20 |
| 5（很豐） | ＞2.0 | ＞0.3 | ＞30 | ＞3.0 | ＞1.8 | ＞20 |
碳元素的測量 養(yǎng)分元素的測量
氮元素的測量
重金屬Cr元素的測量 PLS-DA多變量定量模型
氮元素的測量
重金屬Cr元素的測量 PLS-DA多變量定量模型
系統(tǒng)內(nèi)置的PLS-DA等多種多參數(shù)線性回歸化學(xué)統(tǒng)計(jì)分析功能，用于多元變量定量計(jì)算。多元變量標(biāo)準(zhǔn)曲線特別適合于分析基質(zhì)較為復(fù)雜的樣品，例如土壤、植物等樣品，以減少基質(zhì)中其它元素對(duì)目標(biāo)元素的影響，提高分析準(zhǔn)確性。
系統(tǒng)內(nèi)置的PCA主成分分析模型可以針對(duì)土壤的分級(jí)分類進(jìn)行測量和評(píng)價(jià)。
系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需要的不同還可以升級(jí)和擴(kuò)展，以監(jiān)測更多的評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以客戶化訂制。例如還可以測量土壤緊實(shí)性、土壤侵蝕狀況、土壤導(dǎo)水率、土壤呼吸量、土壤熱通量、地下水質(zhì)量等相關(guān)參數(shù)。
四、應(yīng)用前景
土壤是人類賴以生存、興國安邦、生態(tài)文明建設(shè)的基礎(chǔ)資源。EcoChem土壤質(zhì)量監(jiān)測與評(píng)價(jià)觀測系統(tǒng)可以針對(duì)土壤的主要特征進(jìn)行測量和評(píng)價(jià)。有了它我們就可以在土壤評(píng)價(jià)中做出合理的判斷，同時(shí)可以了解影響土壤的因素和途徑等等。既可以從理論上了解土壤健康的情況，又可以給土壤進(jìn)行分級(jí)分類。為科學(xué)的應(yīng)用土壤功能提供了評(píng)價(jià)探索的新方法。必將成為進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。同時(shí)也可以讓我國寶貴的土壤資源上發(fā)揮其應(yīng)有的功能。
五、參考文獻(xiàn)
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.
系統(tǒng)內(nèi)置的PCA主成分分析模型可以針對(duì)土壤的分級(jí)分類進(jìn)行測量和評(píng)價(jià)。
不同土壤分類特征明顯，區(qū)分度也可達(dá)99%
3.4 系統(tǒng)可擴(kuò)展性系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需要的不同還可以升級(jí)和擴(kuò)展，以監(jiān)測更多的評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以客戶化訂制。例如還可以測量土壤緊實(shí)性、土壤侵蝕狀況、土壤導(dǎo)水率、土壤呼吸量、土壤熱通量、地下水質(zhì)量等相關(guān)參數(shù)。
四、應(yīng)用前景
土壤是人類賴以生存、興國安邦、生態(tài)文明建設(shè)的基礎(chǔ)資源。EcoChem土壤質(zhì)量監(jiān)測與評(píng)價(jià)觀測系統(tǒng)可以針對(duì)土壤的主要特征進(jìn)行測量和評(píng)價(jià)。有了它我們就可以在土壤評(píng)價(jià)中做出合理的判斷，同時(shí)可以了解影響土壤的因素和途徑等等。既可以從理論上了解土壤健康的情況，又可以給土壤進(jìn)行分級(jí)分類。為科學(xué)的應(yīng)用土壤功能提供了評(píng)價(jià)探索的新方法。必將成為進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。同時(shí)也可以讓我國寶貴的土壤資源上發(fā)揮其應(yīng)有的功能。
五、參考文獻(xiàn)
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.
