---

1、背景

土壤污染被称作“看不见的污染”，往往容易被人们忽视，据不调查，目前全国受污染的耕地约有1.5亿亩，据估算，全国每年遭受重金属污染的粮食达1200万吨，造成的直接经济损失超过200亿元。对于农药和有机物污染等其他类型的土壤污染所导致的经济损失，目前尚难以估计。但是，这些类型的污染问题在国内确实存在，甚至也很严重。土壤污染造成有害物质在农作物中积累，并通过食物链进入人体，引发各种疾病，最终危害人体健康。土壤污染直接影响土壤生态系统的结构和功能，最终将对生态安全构成威胁。

目前我国土壤污染调查主要采用在野外取样回实验室用分光光度计、原子吸收分光光度计（AAS）、电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-AES）、气相色谱仪（GC）等仪器测量，科研和环境工作者在进行土壤污染调查，确定污染范围、边界，进行污染现状评估时往往需要花费大量时间在样品处理和测量上，既费时又费力。
为配合国内相关科研和监测单位进行土壤污染调查和评价，泽泉生态开放实验室（Zealquest Laboratory for Ecological Research）推出一套“土壤污染调查的系统解决方案”，希望这套方案能为监测和科研工作者的调查工作起到一定的帮助。

2 土壤污染调查的系统解决方案
2.1 功能
1) 原位、非破坏性进行土壤污染调查
2) 确定土壤污染区域和范围
3) 快速、大量筛选样品,有效地对受污染区域进行调查
4）为用户改进工作和修复计划提供可靠依据
5）是ICP、AAS、GC等经典分析方法很好的互补

2.3 所需设备及用途
1）便携式XRF土壤重金属分析仪（土壤重金属污染）
 * 准确勾勒土壤重金属污染边界
 * 现场污染状况评估
 * 对现场清理效果进行抽查
 * 土壤无害化处理的监控
2）便携式地质雷达测定系统 (地下碳氢化合物/VOC污染)
 * 原位、快速圈定地下污染区域和范围
 * 有效监测污染处置程度
3）便携式土壤污染探测系统(浅地表碳氢化合物/VOC污染)
 * 快速而经济的现场原位监测
 * 检测和分析浅地表中的碳氢化合物和其它有机污染物
 * 快速和方便的检测管线泄漏等
 * 农业污染和垃圾填埋场的监测

3 便携式X荧光光谱仪
具备实验室分析精度的现场便携式X射线荧光光谱仪，能够快速从土壤和沉积物中同时检测出多达25种元素的含量，其中包括所有的8种美国资源保护和回收法（RCRA）规定的金属元素(As, Se, Ba, Cd, Cr, Ag, Hg, Pb)。

3.1 便携式X荧光光谱仪的原理

不同的元素会产生不同的特征性的X-射线荧光，根据计算特征X-射线荧光的能量可以确定元素的含量；当样品被X射线照射时，不同元素的特征性X-射线荧光被仪器中的X-射线荧光探测器转化为电信号，电信号又被放大并传输至微处理器进行计数和运算，得出的元素含量值被储存并显示于操作屏幕。

3.2 传统的土壤重金属测量方法的缺陷
传统的土壤重金属污染调查主要采用在野外取样回实验室进行消化处理后用分光光度计、AAS、ICP等仪器测量，导致科研人员、环境工作者、咨询顾问以及其他环境专业人员，在鉴别大面积场地潜在污染物的范围和边界时，由于以下缺陷，难以快速进行土壤污染监测评价和预警：
 * 仪器体积庞大，无法在野外使用
 * 每次开机都需测定标准曲线
 * 需要专业技术人员操作使用和管理维护
 * 样品必须经过严格的预处理（消化、过滤、稀释）才可测量
 * 使用和仪器维护成本高

3.3 便携式X荧光光谱仪的特性
 * 仪器超便携
 * 外壳坚固，不受环境影响
 * 操作简单、不需专人管理
 * 样品预处理简单，不需消化、过滤、稀释
 * 样品消耗量少，非破坏无损检测
 * 使用及后期维护成本极低
 * 快速（约100秒/样）、可进行大量样品高效快速筛选
 * 数据与经典实验室方法相关性高

3.4 便携式X荧光光谱仪在野外测量时的样品前处理
方法1：把土样放在铝箔上在太阳光下自然晒干，磨细过筛，放入样品杯中测量；

方法2：酒精燃烧法，取大约20克土放入铝盒中，加酒精至没过土样，燃烧酒精，经数分钟熄灭（约4分钟），若土样还没有干，再滴加酒精进行第二次燃烧，待样品冷却后，在碾钵中磨细过筛，放入样品杯中即可测量。

可见，便携式X荧光光谱仪样品的前处理比较简单，是土壤重金属污染野外调查快速筛选的。

3.5 便携式X荧光光谱仪的基本技术参数
 * 分析范围：从 22号元素钛(Ti)到 94号元素钚(Pu)范围内的 25种基本元素
 * 检测模式：

图1 便携式X荧光光谱仪测量土壤铅污染的结果和实验室分析结果的相关系数

松散质(颗粒状)样品检测模式

薄层检测模式，包括粉尘检测模式，直径为 37 mm 的过滤介质检测模式
用户自定义薄层检测模式
 * 数据存储：最多可达 3000 个检测数据(附带 X 射线光谱)
 * X射线探测器：高性能的Si-PIN探测器，塞贝克效应(Peltier)冷却器

3.6 应用实例
利用便携式重金属分析仪对大庆城郊湿地北二十里泡沉积物重金属含量进行了调查测定, 结果表明北二十里泡沉积物重金属污染等级为Ⅲ级， 属于中污染。（张思冲，大庆城郊湿地沉积物重金属污染评价，农业资源与环境科学，2007，23（3）386-392）

4 便携式地质雷达测定系统
4.1地质雷达测定系统探测污染的原理
该系统是利用高频电磁波的反射来确定地下目标体的位置与埋深，因为污染可能来自盐碱、沥出物、碳氢化合物，或者挥发性有机物（VOCs），而这些污染物质的导电率比较高，容易吸收雷达电磁波而造成地质雷达信号缺失，所以通过地质雷达探测，在雷达波图像中地质雷达信号缺失的范围，就是污染区域。

4.2 地质雷达测定系统的特性

* 测试方便、操作简单
 * 配置轻便适合不同测试场地
 * 测试结果直观明了
 * 可现场确定目标体的位置和埋深
 * 数据存储为数字格式和图片格式两种，可用后处理软件进行数据处理

4.3 地质雷达测定系统的主要技术指标
 * 系统特征参数:>160 dB
 * 天线频率范围:500-1500 MHz
 * 可定义深度窗口：0.5、1、2、4 m
 * 采集速率：100 000 样品/秒

4.4 应用案例： 加拿大安大略省一市政垃圾填埋场污染范围探测
污染物由填埋场渗漏到地下，通过地下水传输扩张；通过地质雷达探测，得知污染物的污染范围和污染深度，为优化选择用于监测与处置污染的水井位置提供依据。

应用一：使用地质雷达探测土壤的污染面积

 

右上图为最初探测的地质雷达图像。从图可以看出地质雷达信号缺失的范围很大，信号缺失（被吸收）的范围为污染区域。
右下为经过五年的处置后，在同一位置的地质雷达图像。因污染物的减小或消失，雷达电磁波被吸收的范围大大，图像变得清晰透明，有效反映了污染的处置程度。

应用二：用地质雷达（GPR）实时间隔性测量，环保部门可以同时有效的开展应急补救措施

5 便携式土壤污染探测系统

便携式土壤污染探测系统在定位探测土壤挥发性有机物（VOCs）和其他污染指示方面所具有的灵活性、便捷性和高质量预示了这一领域的新时代，它能提供高效的技术的土壤污染检测，并具有的高精确度的数据。这是因为它是PID光电离分析仪和选择性IR红外分析仪相结合的仪器。

5.1 土壤污染探测系统的原理
该仪器通过集成的高精度的光电离分析（photo-ionization analyzer，PID）和四通道红外(infra-red analyzer，IR)分析单元，快速有效的分析各种挥发性气体，其中光离子化检测器用于监测土壤挥发性有机物浓度，四通道红外分析器用于测量碳氢化合物、CH4、CO2 浓度。

5.2 土壤污染探测系统的特性
 * 坚固的手持设计，一个人就可完成全部测量
 * 原位一次性快速测定土壤中挥发性有机物（VOCs）甲烷、石油碳氢化合物、二氧化碳、氧气、土壤温度、样品真空度和环境压力等八个参数
 * 100 000个数据存储，可设定自动采集
 * 红外或RS232接口方便的将数据下载到您的电脑
 * 自动标定，使标定极其简单
 * 与GPS连接，可显示检测的具体位置和时间，用于快速生成地表污染状况的3D图形

5.3 土壤污染探测系统的基本技术指标
PID指标：
 检测限： 两个范围，0.1 ppm / 0.1ppb
 零点稳定性：0.05 ppb
 响应时间：0.08 s
 采样时间：10次取样/秒
 内置200种化合物自动标定曲线
 动态范围：0.1 ppb - 4000 ppm
IR指标：
 甲烷：0-500 000 ppm，检测极限20 ppm
 石油碳氢化合物：0-500 000 ppm，检测极限20 ppm
 二氧化碳：0-500 000 ppm，检测极限20 ppm
 响应时间：0.5 s
 采样时间：10次/秒
其它读数：
 氧：0-100 %
 土壤温度：±0.1℃，分变率0.01℃
 环境压力/样品真空度(mbar，Torr，psi，kPa)，精度0.1%

5.4 应用实例
应用一：运用ECOPROBE 5确定出土壤污染区域，并从污染区的250个点中快速筛选出5个取样到实验室分析，进一步确认土壤污染程度

应用二：在波希米亚的一个铁路终点站，油罐车传送到地下储油罐的运输管道泄漏以及破损的储油罐造成了严重的轻质有机污染物（LNAPL）污染，下图是利用Ecoprobe 5确定的该点土壤气体中油气的浓度图。

应用三：斯洛伐克的一个加油站发生泄漏后，利用ECOPROBE 5检测污染处置程度（左图为污染清理之前的图像，右图为污染清理后的图像）

 

6 土壤污染调查系统解决方案的应用
这套土壤污染调查的系统解决方案综合了土壤污染探测系统、地质雷达测定系统以及便携式XRF重金属分析仪的强大测量/探测功能，涵盖从浅地表到地下、从土壤有机污染物到土壤重金属污染的监测，可以广泛的应用于土壤调查领域：
 * 农业立体污染调查
 * 土壤质量调查
 * 绿色食品基地选址评估
 * 超富集植物的选择
 * 修复和治理效果评估
 * 对现场清理效果进行抽查
 * 土壤无害化处理的监控
 * 污染现场清理项目的监控
 * 房地产基建前期及工业区环境评估

7 展望
综上所述，这套土壤污染调查的系统解决方案在土壤污染调查和评估方面具有巨大的应用潜力，所用仪器都是国际上普遍认可和使用的仪器，同时测量结果与实验室结果有很好的相关性。这套系统解决方案减轻了科研和环境工作者由于要鉴别大面积场地污染范围和边界而要收集和分析数以千计个样品的艰巨任务。利用此系统监测调查土壤污染是ICP、AAS、GC等常规分析方法的很好互补。相信这套解决方案将对土壤污染调查和评估工作以及进一步的土壤污染治理和修复工作起到巨大的推到作用。