土壤总定仪

p style="text-align: justify text-indent: 2em "近年来，激光诱导击穿光谱（LIBS）回收、采矿和金属分析等不同领域蓬勃发展，LIBS具有不需要样品制备、便携性、检测速度快等优势。与电感耦合等离子体-质谱法（ICP-MS）和其他一些元素分析方法不同，LIBS存在一种巨大的" 矩阵效应" 。strong本文将讨论为什么土壤分析会成为LIBS一项引人注目的应用？/strong/ph1 label="标题居左" style="font-size: 32px font-weight: bold border-bottom: 2px solid rgb(204, 204, 204) padding: 0px 4px 0px 0px text-align: left margin: 0px 0px 10px "strong为什么选择土壤分析？/strong/h1p style="text-align: justify text-indent: 2em "土壤分析已经经历了一个多世纪的发展，安德森在1960年的文章《土壤试验的历史与发展》中记录了这一时期技术的进步，其主要侧重于磷的监测，也考虑到了钾和氮。他详细介绍了不同土壤类型如何提取相关物质的方法，以及土壤养分与作物产量关系的早期证据（早在1890年）。大约在同一时间（1957年），大卫· 赖斯· 加德纳向哈佛大学提交了题为" 美国全国合作土壤调查" 的博士论文，这是农业研究人员首次广泛进行的土壤科学综合调查。二战后的美国经济使得联邦和州一级的农业推广服务急剧扩大，土壤科学、除草剂、杀虫剂、抗病作物等研究大爆发，这使得从1950年代中期到今天农业生产力的显著提高。图 1 展示了农业生产率的发展。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/238e798e-7154-4b16-94da-6fafe6ebdd2c.jpg" title="fig1_s.jpg" alt="fig1_s.jpg"//pp style="text-align: center "strong style="text-indent: 0em "图 1：1866-2014年，美国每公顷玉米平均产量，来自数据世界，未经修改。/strongspan style="text-indent: 2em " /span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "自然土壤分析自1960年以来发展至今，以经历数个阶段，过去十年来常见方法是收集一个田地不同地点的样本，在不到20英亩的田地中，随机地点采集了15到20个单独的样本。将采集的土壤混合，测试土壤中的pH水平、植物可用的N、P、K、Mg、Ca等物质的浓度。在某些情况下，还需要检测土壤中的有机质的百分比和微量金属，土壤检测实验室会采用多种方法检测，从滴定测量方法到ICP-MS。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="color: rgb(23, 54, 93) "strong如今，精准农业已成为最新的趋势，其对植物和土壤健康的测量越来越精确，需要更频繁的获取土壤信息，以便于更加精准的进行灌溉、虫害控制和施肥。/strong/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="color: rgb(23, 54, 93) "strongLIBS土壤分析的早期研究主要侧重于土壤中的微量重金属的检测，但由于检测限达不到要求，分析精度不足，这个应用实施较为困难。/strong/span对于大多数有毒金属，LIBS 在土壤基质中的检测限大概为1到20ppm之间，这比检测土壤中所需的元素检测限高出一个数量级。每个地点土壤的变化以及土壤的粒状大小也是测量的潜在问题。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="color: rgb(23, 54, 93) "随着时间的推移，LIBS在土壤分析方面的应用已转向对高浓度元素的分析，如总碳、氮、磷和钾（称为NPK）、镁和钙。这些元素在土壤中的浓度水平远高于微量有毒金属，并可广泛应用于农学中进行测量土壤的健康。/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "使用LIBS的分析土壤健康的工作首先要做的是对土壤类型进行分类，然后应用适合的矩阵进行校准。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/d2e07909-a5cf-4218-be2f-0b7e11f3c683.jpg" title="fig2_s.jpg" alt="fig2_s.jpg"//pp style="text-align: center "strong style="text-indent: 0em "图2：三个主要成分的分数图应用于中国不同地区的8个未知土壤样本。/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="color: rgb(23, 54, 93) "strong这项工作由中国科学院南京土壤研究所的一个研究小组完成，他们使用LIBS并通过少量的计算，分析并预测了土壤的pH、阳离子交换能力（CEC）、土壤有机质（SOM）、以及总氮、总磷、总钾、可用磷和可用钾的浓度等特性。这项研究表明LIBS不仅仅能检测元素的浓度，更能预测整体土壤的状况。/strong/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "上文的研究证实了使用LIBS确定土壤类型以及确定土壤状况（如pH）的可行性。span style="color: rgb(23, 54, 93) "strong最近的一项研究结合了这些特征，将土壤状况的信息与光谱信息串联，通过在调校和验证方法，来预测不同土壤情况的微量金属元素。/strong/span在调校期间，他们不断更改模型中的可调参数，直到校准的相对误差低于他们设定的固定阈值。通过随机交换不同土壤状况和相同浓度的光谱数据点，建立了一个可以应对数据波动、坚固耐用的模型。他们还想将这个模型应用到所有类型的土壤，创造一款通用的模型。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "作者将这种模型应用于LIBS的数据，其中涵盖4种不同的土壤类型，6种不同的元素浓度，每次检测重复6次。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/cf1dba16-83ca-4203-b978-5336dbf4abbc.jpg" title="fig4_s.jpg" alt="fig4_s.jpg"//pp style="text-align: center "strong style="text-indent: 0em "图3：Ag浓度在四种不同类型的土壤中，测量（a）通过单变量峰集成，而（b）使用所有四个类型的通用模型/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="color: rgb(23, 54, 93) "图 3 显示，右侧使用模型的预测浓度与测量到的参考浓度之间近乎完美的一致，证明了模型的可行性。/span/strong/ph1 label="标题居左" style="font-size: 32px font-weight: bold border-bottom: 2px solid rgb(204, 204, 204) padding: 0px 4px 0px 0px text-align: left margin: 0px 0px 10px "strong基于LIBS的土壤分析前景/strong/h1p style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="color: rgb(23, 54, 93) "strong一些企业努力已经开始研究相关应用。一家名为LogiAg的公司已经推出了一种名为 LaserAg的解决方案，该解决方案使用LIBS测量土壤和树叶的关键参数。/strong/span他们在加拿大与本地的实验室合作开发LIBS的解决方案，这些实验室具有区域特性，可根据情况进行修正，以适应当地土壤类型。修正需要从该区域采集500个样本，包括各种土壤类型和营养值等信息。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="color: rgb(23, 54, 93) "SciAps还推出了Z300 LIBS手持设备，用于测量土壤中的总有机碳。/span/strong他们使用了来自美国和加拿大的87个土壤样本对总有机碳测定进行校准，所呈现的校准曲线的R2值为0.8825，平均误差为0-7%，有机碳误差范围0.44%，strongspan style="color: rgb(23, 54, 93) "表明便携式 LIBS 系统可用于以中等精度对碳含量进行局部测定。/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="color: rgb(23, 54, 93) "strong迄今为止的研究和企业成果清楚的表明了基于LIBS的土壤分析解决方案的希望。其他便携式分析方法，如X射线荧光（XRF），不能测量轻元素，如氮或碳（XRF在土壤分析的某些方面也十分重要），/strong/spanXRF还需要更多的样品制备和与土壤的物理接触进行测量。LIBS系统的独特优势，使它作为下一代土壤分析仪成为可能性，并有助于精准农业的进一步发展。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strongspan style="color: rgb(23, 54, 93) "由于需要弥补的矩阵效应，以及构建综合数据库所需的大量土壤样本，可能成为使用LIBS进行土壤分析的最大障碍。然而，基于LIBS的土壤分析似乎只是时间问题。敬请期待！/span/strong/p

被称为“土十条”的《土壤环境保护和污染治理行动计划》已由环保部提交至国务院审核，预计今年年内或明年初将会出台。“土十条”的出台将为土壤修复行业带来多重利好，据预测，2014-2020年国内土壤修复的总的市场规模将超6000亿元。　　参与编制“土十条”的专家指出，已经提交国务院审核的“土十条”，包括划定重金属严重污染的区域、投入治理资金的数量、治理的具体措施等多项内容。我国目前的土壤污染有日益加剧的趋势，土壤修复已是箭在弦上。据统计，我国受镉、汞、砷、铅等重金属污染的土地面积近2000万公顷，全国土壤总的超标率为16.1%，其中工业和农药的污染最严重，土壤污染超标比例高达35%。因此“土十条”将侧重于在建设用地和农业用地这两个领域对土壤污染进行治理，并且将明确政府和企业土壤污染治理的责任和义务。　　尽管“土十条”的出台将为土壤修复行业提供明确的政策支持，但目前这一行业仍存在许多问题。首先，由于我国各地的土壤性质、气候条件、污染程度都不尽相同，土壤污染的检测和治理技术还不成熟，因此土壤修复亟须突破技术瓶颈 其次，目前土壤修复的资金主要来自于政府，通过市场融资的项目比较少，资金成为土壤修复行业发展的阻碍，而借鉴污水治理领域的PPP模式可以在很大程度上解决土壤治理的资金问题 最后，由于土壤修复行业还处于起步阶段，专业化的土壤修复公司还比较少，修复设备存在技术欠缺，但这也说明土壤修复行业发展空间广阔，市场投资机会大。　　据初步估计，土壤修复市场带动的投资规模将超过5.7万亿元。同时为加快资本进入这一新兴市场，国家细化了社会资本投资土壤修复行业的各项鼓励措施，包括财政补贴、税收支持和贷款优惠等内容。中投顾问环保行业研究员侯宇轩在《2015-2019年中国生态修复行业深度调研及投资前景预测报告》中指出，全国近五分之一耕地遭污染，耕地土壤点位超标率为19.4%，重污染企业用地点位超标率为36.3%，工业废弃地点位超标率为34.9%，工业园区点位超标率为29.4%，采油区点位超标率为23.6%，采矿区点位超标率为33.4%。保守预测，目前全国工业污染土壤修复所需费用约为3000亿元，2014-2020年国内土壤修复的总的市场规模将超6000亿元。

继大气、水、固废污染治理后，土壤环保和综合治理成为又一个环保热点。　　国务院办公厅日前印发《近期土壤环境保护和综合治理工作安排》，提出到2015年，全面摸清我国土壤环境状况，初步遏制土壤污染上升势头，力争到2020年，建成国家土壤环境保护体系，使全国土壤环境质量得到明显改善。　　《工作安排》同时要求，在长江三角洲、珠江三角洲、西南、中南、辽中南等地区，选择被污染地块集中分布的典型区域，实施土壤污染综合治理 有关地方要在2013年年底前完成综合治理方案的编制工作并开始实施。　　中国是全球土壤污染最严重的国家之一。环保部公布的数据显示，早在2006年，据不完全调查，中国受污染的耕地就约有1.5亿亩，占18亿亩耕地的8.3%。　　据了解，此次的工作安排已经涵盖了土壤环境保护和综合治理多方面的内容，并且时限跨过了“十二五”阶段至更长的时期，因此，环保部将不再单独出台土壤环保“十二五”规划。　　根据安排，到2015年，全面摸清我国土壤环境状况，建立严格的耕地和集中式饮用水水源地土壤环境保护制度，初步遏制土壤污染上升势头，确保全国耕地土壤环境质量调查点位达标率不低于80% 建立土壤环境质量定期调查和例行监测制度，基本建成土壤环境质量监测网。力争到2020年，建成国家土壤环境保护体系，使全国土壤环境质量得到明显改善。　　《工作安排》还明确，要研究起草土壤环境保护专门法规，并完善有利于土壤环境保护和综合治理产业发展的税收、信贷、补贴等经济政策。　　此外，要严格目标考核。建立土壤环境保护和综合治理目标责任制，制定相应的考核办法，环保部要与各省级人民政府签订目标责任书，明确任务和时间要求等，定期进行考核，结果向国务院报告。　　“毒地”凶猛和国家明确治污的要求让相关行业看到了其中的机会。据券商报告，土壤监测、土壤修复行业将是最直接的受益者。　　有报告指出，目前一些地区的土地修复费用已经高达数十亿甚至数百亿元，考虑到国内人口密集的大型城市均存在房地产开发的需求，一旦市场正式启动，预计未来土壤修复的市场空间应当在千亿元以上。　　目前，A股市场中已经开展土壤修复业务的公司中，明确获得土壤修复合同的有永清环保、铁汉生态两家。在监测方面，天瑞仪器主业涉及重金属检测分析仪器。