摘要：在我国快速发展的过程中，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，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
引言
土壤表面粗糙度是表征土壤表面微地貌的一项重要指标，与人为耕作、土壤本身水分入渗速率、地表径流、日光照射反射率、蒸发速度及土壤侵蚀等参数密切相关。它也是评价机械化土地平整技术的主要参数之一，而机械化土地平整是发展规模化、精细化和节水节肥农业的基础环节。因此实现土壤表面粗糙度的快速检测是精准农业发展中亟待解决的关键问题之一，土壤表面粗糙度的现有测量方法可分为接触式测量法和非接触式测量法。非接触式检测具有速度快、省人力和数字化数据便于处理与应用等优点，是当前热门的研究方向和发展趋势，主要有数字摄影检测法、超声波测距法、红外传感器法以及激光法等。
1.1X射线荧光光谱法（XRF）
X射线荧光光谱法的工作原理是利用穿透能力强的X射线照射土壤样品，使得被照射物体发出荧光，利用X射线荧光测量仪对被测样品发出的荧光进行分析检测，从而定性或定量地检测出土壤中的重金属成分。X射线荧光光谱法在重金属检测领域中有广泛应用，其原因是该方法有着无损耗、快速、分析成本低和能够原地检测等特点，这些特征非常适用于现场大批量的快速检测。在产品质量控制中，X射线荧光光谱法的运用，具体涉及到以下方面：1）石油和产品。在石油原有和相关产品中，硫含量和氯含量等，为质量控制的主要指标。除此之外，润滑油以及添加剂中钙含量和氯含量等，也是重要的指标。按照现行的质量控制标准，对于产品质量的检测，多数标准规定要采取X射线荧光光谱法。比如，B/T17040一1997石油产品硫含量测定法能量色散X射线荧光光谱法等。2）合金材料。因为X射线荧光光谱法具有较强的应用优势，比如非破坏性和检测速度快等特点，在合金质量检测方面，有着较强的优势。从分析方法标准源头进行追溯，最早是北京有色金属研究总院，在80年代初，编制的GB/T2590.9—1981《氧化铪中氧化锆的测定（X射线荧光光谱法）》。后续相继出现X射线荧光光谱法应用于合金质量检测的标准。3）其他材料。
1.2激光诱导击穿光谱法（LIBS）
LIBS是光谱分析检测领域中的一种全新的激光烧蚀分析方法。其工作原理是：激光在透会聚透镜的作用下会聚，高功率激光使得待测土壤样品表面物质电离并气化，进而形成高温高能的电浆，光学系统收集电浆辐射出的原子和离子光谱。数据采集系统得到光谱数据后传输到计算机，通过分析光图谱就能够得出被测样品的组成与浓度。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆激光诱导击穿光谱（Laser induced breakdown spectroscopy，LIBS）利用高能量脉冲激光聚焦于样品表面产生等离子体，获取等离子体信息，对样品进行原子或离子层面的分析测试，提供被测物质的成分与含量信息。LIBS谱凭借其快速、无损、原位在线、多元素同时检测等优势，已成为光学检测研究的热点之一，并随着仪器设备的快速发展，LIBS技术已逐渐深入煤质检测、环境监控、食品安全检测等领域。
2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。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，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。
3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，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。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。
4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。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。
结语
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。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.
论文作者:康元根
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第26期
论文发表时间:2019/7/15
标签：土壤论文; 传感器论文; 性状论文; 技术论文; 射线论文; 荧光论文; 物理论文; 《建筑细部》2018年第26期论文;