摘要：近数十年来, 土壤性态空间变化监测和定位土壤性态动态监测的传感器技术均有较快的发展。在土壤性态空间变化监测方面, 土壤湿度和温度等物理性状与土壤酸碱度、氧化还原电位和盐分等化学性状的传感器技术研究较为成熟, 养分和有机质等的传感器技术的研究较为薄弱, 而生物学传感器在土壤检测上应用的研究至今仍非常欠缺。在定位土壤性态动态监测方面, 已发展有卫星、航空、无人机和地面平台搭载的不同类型传感器, 涉及遥感和近地传感二大类技术, 但目前遥感和近地传感技术对土壤的监测主要基于经验模型, 如何实现精准检测还存在很多关键问题需要研究。随着新工艺与新材料 (纳米材料) 的运用, 土壤检测传感器将向微型化、仿生、智能、多功能化方向发展。
关键词：土壤,传感器,技术,发展
土壤是重要的自然资源, 是农业生产最为关键的物质基础, 监测土壤资源的数量和质量对指导区域资源开发和农业生产有着重要的意义。近年来, 随着中国对自然资源保护力度和生态环境建设的日益重视, 监测土壤资源的数量和质量, 已成为农业和环保等部门的日常工作。土壤性态的监测一般可分为土壤性态空间变化监测和定位土壤性态动态监测2种, 前者主要是获得同一时期土壤性态的空间信息, 后者是了解某一特定区域土壤质量随时间的变化。传统的土壤监测主要依靠地面调查、取样、实验室化学分析, 例如, 中国近期进行的耕地地力调查、测土配方施肥和土壤环境质量调查主要采用这一手段。但因传统采样分析周期长、成本高、过程复杂、实时性差、需消耗大量人力, 很难进行大范围、高频率土壤信息调查。同时, 实验室分析所消耗的化学药品最后部分将以污染物形式进入环境。为了解决这些问题, 半个多世纪以来, 国内外研究者在土壤快速监测的传感器技术方面作了大量的探索, 某些技术已形成了产品, 并在小规模或小范围内进行了应用。本文对土壤检测的传感器技术研究进行了回顾, 并对今后发展的趋势进行了展望。
1 定位观察土壤的传感器技术发展现状
土壤是一个十分复杂的体系, 农业生产、环境监测中常常会涉及各种性状的监测。习惯上, 土壤性状可分为物理性状、化学性状和生物学性状, 相应地土壤检测传感器也大致可分为物理、化学、生物等3类。物理类传感器能感知被测对象的物理参数的变化, 如温度传感器、湿度传感器、压力传感器等;化学类传感器能感知被测对象元素离子的变化, 如pH电极。生物类传感器主要基于生物电化学理论, 能感知生物信息的变化, 如酶传感器等。由于土壤物理性状比较适合用物理方法测定, 因此一直以来土壤传感器研究中最为关注的是物理性状的检测, 其中, 土壤湿度 (水分) 和温度的监测最受人们的重视, 相应的技术较为成熟[1,2,3]。化学性状的传感器研究也已有一定的进展, 关注较多的主要为土壤酸碱度、氧化还原电位和盐分[4,5,6], 土壤养分和有机质等的传感器技术的研究较为薄弱;而生物学传感器在土壤检测上应用的研究至今仍非常欠缺。
土壤水分检测的传感器技术研究是所有土壤性状研究中报道最多的、也最为成熟的。按照测量原理, 可分为时域反射型仪器 (TDR) 、时域传输型仪器 (TDT) 、频域反射型仪器 (FDR) 、中子水分仪器 (Neutron Probe) 、负压仪器 (Tension meter) 、电阻仪器 (Resister Method) 等类型[7,8,9]。TDR技术是基于土壤中水和其他介质介电常数之间的差异来测定土壤中的水分, 具有快速、便捷和能连续观测土壤含水量的优点。TDT技术也是基于土壤介电常数的差异性来测定土壤含水率的, 但其主要考虑了电磁波在介质中的单程传播特点, 通过检测电磁波单向传输后的信号来达到检测的目的。FDR技术的原理是插入土壤中的电极与土壤之间可形成电容, 通过在某个频率上测定相对电容 (即介电常数) 的方法可测量土壤水分含量。频域法比时域法结构更简单, 测量更为方便。中子仪应用历史已久, 其由高能放射性中子源和热中子探测器构成, 在土壤中快中子可迅速被水中的氢原子等介质减速为慢中子, 并在探测器周围形成密度与水分含量相关的慢中子“云球”, 探测器根据慢中子产生电脉冲来测定土壤含水量。电阻法常用多孔介质块石膏电阻块测量土壤水分, 因灵敏度低, 当前应用较少。
温度传感器主要利用对温度较敏感的电阻器件或半导体器件来进行非电量-电量转换, 实现土壤温度的连续测量, 分为接触式和非接触式2大类。接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触, 又称温度计;非接触式的敏感元件与被测对象互不接触。温度传感器主要有热电偶传感器、热敏电阻传感器、电阻温度检测器 (RTD) 、IC温度传感器[10], 其中IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。热电偶传感器是由两种不同导体或半导体的组合而成, 热电势是由接触电势和温差电势合成的, 与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。热敏电阻是敏感元件的一类, 其电阻值会随着温度的变化而改变, 可指示温度的变化。电阻温度检测器是以电阻随温度的上升而改变电阻值的原理来进行温度测量的。模拟温度传感器是一类电压输出型温度传感器;数字式温度传感器采用硅工艺生产的数字式温度传感器, 后者具与温度相关的良好输出特性。此外, 土壤紧实度的传感器技术研究也较早, 其主要基于压力计原理来测定土壤紧实度, 最后以电信息的方式表达结果。土壤紧实度传感器在生产中已有较为广泛的应用。
土壤盐分传感器是把接入的被测溶液的电导值转换成与之对应的线性电压信号, 以供计算机数据采集或仪器读数, 其主要部件是石墨电极和进行温度补偿用的热敏电阻, 将这种盐分传感器埋入土壤后, 可直接测定土壤溶液中的可溶盐离子 (电导率) [11]。当前, 常用的土壤盐分传感器采用高精度模拟电路与数字算法电路相结合。pH传感器是用来检测被测物中氢离子浓度并转换成相应的可用输出信号的传感器, 通常由化学部分与信号传输部分构成。目前的土壤pH值传感器多不支持在线检测, 因其持续使用时间一般不超过30min, 否则会损害金属电极表面。与pH传感器相似, 氧化还原电位传感器的技术较为成熟, 其主要由测量电极 (测量氧化还原电位的铂金电极) 和参考电极 (围绕在测量电极的周围) 组成。近年来, 多数产品已发展为pH值与氧化还原 (ORP) 组合传感器, 实现同时检测p H值与氧化还原电位。
过去几十年, 离子敏感器件也有一定的发展, 其由离子选择膜 (敏感膜) 和转换器2个部分组成, 敏感膜用以识别离子的种类和浓度, 转换器则将敏感膜感知的信息转换为电信号。离子敏场效应管在绝缘栅上制作一层敏感膜, 不同的敏感膜所检测的离子种类也不同, 从而具有离子选择性。在实际测量时, 含有各种离子的溶液与敏感膜直接接触, 在待测溶液和敏感膜的交界处将产生一定的界面电位, 其强度与溶液中离子的活度有关。该类技术可用于钾、硝氮、氨氮、磷、钙、镁、氯等离子的检测[12]。但由于土壤溶液中存在许多离子, 相互之间存在干扰作用, 其检测的灵敏度还有待完善。目前, 离子传感器技术比较适合含水量较高的水田和沼泽地, 旱地土壤中离子的测定还存在一定的技术问题。
近年来, 随着社会各届对农田土壤重金属污染的重视, 有关土壤重金属检测的传感器技术也有了一定的发展, 涉及的方法包括激光诱导击穿光谱法、X射线荧光光谱法、酶抑制法、免疫分析法和生物传感器等[13,14,15]。其中, 激光诱导击穿光谱技术是基于物质等离子体发光来探测物质成分的分析方法;X射线荧光光谱技术在重金属快速监测中具有优势明显, 但其具有较强的电离性, 相关工作人员必须预先配备防护设备, 以避免受到X射线的伤害。目前, 光谱检测技术尚不能实现现场土壤重金属的快速检测。土壤重金属的酶抑制法、免疫分析法、生物传感器等技术尚在探索之中。
2 土壤面上调查的传感器技术发展现状
与定位观察土壤不同, 土壤面上调查的对象不是一个点, 而是调查整个区域的土壤信息, 因而所采用的传感器与上述定位观察传感器有着本质的差别。一般把用于土壤面上调查的技术称为土壤星地传感技术[16], 主要有卫星、航空、无人机和地面平台搭载的不同类型传感器;涉及遥感和近地传感2大类技术, 后者主要是利用田间传感器来获取土壤信息。
早在20世纪20年代航空光学遥感就已出现, 这一时期美国就利用航空像片为辅助资料进行土壤调查。20世纪60年代出现了土壤光谱与X射线荧光光谱技术的研究与应用;20世纪70年代已有人利用航空成像雷达进行土壤湿度监测, 出现了土壤电磁感应技术。随着1972年世界第一颗资源卫星发射成功, 卫星遥感开始用于大面积土壤调查;20世纪90年代有人利用激光诱导击穿技术用于土壤微量污染分析。进入21世纪, 无人机遥感技术的快速发展推动了田间尺度的高分辨率土壤调查与制图;同时, 随着现代材料、电子计算机等技术的快速发展, 土壤近地传感器研发成为土壤科学的研究热点。
传感器技术平台属性对遥感数据的时间分辨率、空间分辨率和可搭载传感器类型有较大的影响。卫星平台一般在80km以上, 航空平台一般指80km以下的飞机和气球, 无人机平台为无人驾驶的飞行器, 地面包括野外静态和车载动态测量2种。当前应用的传感器有光谱成像仪、雷达传感器、电磁感应等, 其中, 光谱成像仪、雷达传感器适用于多种平台, 电磁感应一般仅适用于地面。卫星遥感平台的分辨率变化较大, 从亚米级的高分辨率到大于100m的低分辨率, 它们可分别满足从田间小尺度、到区域甚至全球大尺度的土壤信息获取。航空遥感的空间精度一般在米级以下, 可以搭载卫星上各类传感器, 也可同时搭载伽马射线等无法在卫星平台上实现的传感器。无人机平台可搭载雷达扫描仪、光谱成像仪等, 其能获取10cm以下的高分辨率影像。卫星遥感主要用于土壤类型、区域土壤问题等的探测, 或通过获取成土因素相关信息来辅助土壤制图和监测;航空遥感与无人机遥感可用于众多土壤信息的探测。
目前, 卫星和航空遥感搭载的传感器主要基于光学与辐射[17], 主要有光学遥感和微波遥感, 可用于土壤质地、有机质、CEC、pH、水分、盐分、温度、矿物等的测定[17,18];地面传感器的类型较多, 有基于光学与辐射的地面光谱仪、探地雷达、激光诱导光谱等传感器设备, 也有采用电与电磁的电导率仪、时域反射仪和频谱反射仪等传感器设备, 还有条用电化学pH计、离子敏感晶体管等传感器设备, 第1类主要用于土壤质地、有机质、CEC、pH、水分、盐分、温度、矿物等的测定;第2类主要用于土壤质地、有机质、盐分和水分的监测;后者主要用于土壤pH值、硝酸盐、营养元素等的监测。
土壤面上调查的传感器按照测量方式的不同, 可以分为侵入式和非侵入式2种。土壤水分、有机质、氮素、土壤结构等, 既可以采用侵入式, 也可以采用非侵入式传感器进行测量。土壤p H、土壤紧实度等一般采用侵入式传感器测量, 而电导率、土壤气体组分等一般采用非侵入式传感器进行测量。光学和辐射测量型的传感器主要是利用电磁能所表现出的特征来对土壤特性进行分析, 具有非接触性、不受电子干扰、灵敏度高等特点。由于土壤组分很复杂, 不同土壤物质之间的光谱存在相互干扰, 因此, 目前土壤光谱探测技术的研究还处在数据预处理与预测模型的研究阶段, 正在探讨的方法包括建立标准化光谱、建模的方法 (多元线性回归、主成分回归、偏最小二乘回归、回归树等线性模型和支持向量机、Cubist、随机森林、人工神经网络、局部加权回归等非线性模型) 及导数预处理提高野外光谱预测精度等3类。
近年来, 微波遥感、探地雷达和电磁感应技术也被应用于土壤的探测。微波遥感的理论基础是土壤介电特性与土壤水分密切相关, 因而该技术主要应用于土壤水分监测及与水分相关的土壤盐分和干旱度的监测。探地雷达是以探察地下不同介质的电磁性质 (介电常数、电导率、磁导率) 的差异为物理前提的一种射频电磁技术, 可用于土壤随深度性状的变化。电磁感应技术主要用于土壤水分、盐分及黏粒等的监测, 在盐分快速监测方面具有独特优势。
尽管近地土壤传感器在野外快速测定的优势明显, 但该类技术对土壤的监测与调查主要基于经验模型, 在应用时会受许多因素的干扰。如何实现精度检测还存在很多关键问题需要研究。
展望
传感器技术作为信息技术的三大基础之一, 是进入21世纪以来优先发展的顶尖技术之一。信息化、智能化是今后农业学科发展的重点, 如何快速有效地获取土壤信息, 既是土壤科学的重要研究方向, 也是传统土壤理化测试分析向土壤野外实时监测方向发展的重要技术支撑。从以上分析可知, 传感器技术在土壤物理性状检测方面发展较快, 技术相对较为成熟。而对土壤化学性状特别是养分的检测方面, 传感器技术的发展还较为薄弱, 其原因不仅仅是传感器技术本身的原因, 还与土壤学学科本身的基础研究有关。传统上, 判断土壤养分是否充足不是土壤养分的全量, 而是养分的有效性, 而后者常常采用化学试剂进行提取与测定的。当采用传感器监测土壤养分时, 就存在检测什么替代指标及替代指标是否与植物生长存在相关性的问题。因此, 发展适用于传感器检测的替代指标也是土壤传感器研究中不可缺失的重要研究内容。
根据国际传感器发展的状况, 可以预测未来土壤传感器的主要增长将来自于光纤传感器、MEMS微电子传感器、仿生传感器、电化学传感器等新兴传感器[19,20,21,22]。同时, 随着新工艺与新材料 (纳米材料) 的运用, 土壤检测传感器也会向微型化、仿生、智能、多功能化方向发展。特别是新型传感材料和传感器的不断出现, 有可能研发新的稳定性好、灵敏度高、能连续测试的土壤近地传感器。
参考文献
[1]石庆兰.土壤水分测量传感器的发展与未来[J].高科技与产业化, 2018 (05) :64-67.
[2]王吉星, 孙永远.土壤水分监测传感器的分类与应用[J].水利信息化, 2010 (05) :37-41.