攻克关键技术实现土壤环境智慧监测

张晓芒

近年来，土壤环境污染治理日渐成为生态环境保护工作的重要内容。特别是在打好打赢污染防治攻坚战的进程中，广东土壤污染防治工作循序渐进，净土保卫战扎实推进。为了弄清较大范围区域内土壤污染状况，从而制定出科学合理的治理方案遏制土壤污染态势，则需要以精细化的土壤环境监测数据作为根本依据。然而放眼国内外，竟无成熟的全流程精准智能化、常态化土壤环境监测技术可供借鉴。

面对难啃的“硬骨头”，广东省生态环境监测中心“不畏难、敢为先”，组织科研项目组刻苦攻关，通过近十年研究探索，将技术研发、平台构建和应用实践紧密结合，系统开展了以精细化点位布设、精准化过程质控和智能化结果评估为核心内容的多尺度土壤环境智慧监测关键技术研发及示范应用。研究成果在“国家—省—市—重点县区”四个层次获得广泛推广应用，并于2023年5月荣获“广东省环境保护科学技术奖”一等奖，取得了显著的社会、经济和环境效益。

从0到1 构建省级监测网络

自2016年国务院印发《土壤污染防治行动计划》（“土十条”）后，广东便扎实开展了以“立足省情、整合资源、把控质量、谋划特色”为主要宗旨的土壤污染状况详查。也正是在工作过程中受现有监测水平制约，广东省生态环境厅逐渐意识到一定要尽快建立起精准化、全流程的土壤环境监测体系。“水、气都有成熟的监测网络，土壤监测网络也要建起来！”广东省生态环境厅相关负责人在“十三五”初期明确提出了这样的要求，广东省生态环境监测中心随即组织项目组着手开展相关研究。

然而，据该项目组组长谢志宜介绍，当时广东省乃至全国土壤环境监测尚处于起步阶段，监测技术滞后。国内生态环境、自然资源、农业农村等相关部门也各自开展过一些土壤环境调查工作，但均以一次性调查为主，点位密度同样依靠专家经验，而国内高校、科研院所开展的相关研究则更为“微观”，难以服务于宏观决策。当时国外也并无成熟技术可借鉴，国外土地大都以私有化为主，当地政府层面往往仅需开展一次性专项调查，布点密度也主要依据专家经验设定，借鉴意义并不大。“可以这么说，想要在全国、全省这种大范围内开展土壤环境常规监测，还有诸多关键技术亟待突破，我们需要从0到1、从无到有，自己一点点摸索。”谢志宜如是说。

“这项研究的难点主要有三，一是空间异质性条件下，土壤环境质量难以准确表征、监测成本与监测精度难以协同调控、空间差异与监测尺度难以精准匹配；二是土壤环境监测以手工监测为主，链条长步骤多，出现问题难溯源，缺乏规范的全过程精准质控体系以降低偶然误差；三是现有技术尚未实现时空异质性和非线性错综交互下，环境质量多目标协同定量精准评估及预测。”谢志宜介绍说。

简单说来，就是土壤环境质量受各种因素影响，就算是同一区域土壤，质量也存在较大差异化，这就使定量布点显得颇有难度。当时，水、气环境监测早已拥有成熟的布点技术，实现了采样自动化，然而土壤环境监测还是需要人工采样监测，这个过程中，极易产生误差，在常规监测过程中难以实现全过程精准质控。监测结果最终要形成评估报告，为相关部门精准掌握区域内土壤环境质量从而进行下一步工作服务，为了保证评估结果的准确性和有效性，除考虑原始监测数据外，还要建立更为立体的评估模型，需要考虑到可能会影响评估结果的方方面面的因素。

事不避难，知难不难。“围绕研究目标，我们决定在多尺度融合点位优化布设技术、全流程精准质量控制技术、多目标土壤环境质量智能评估与预测理论和方法体系三个方面需求技术突破。”项目组思路清晰，始终抓住关键问题，开始了他们如火如荼的攻坚克难之旅。就这样，广东在“十三五”初期就启动了相关研究工作，成为全国第一个开展精细化省级土壤环境监测网络构建的省份。

迎难而上 三大难点逐一攻克

对应土壤环境常规监测的三大难点，就要做到——环境质量“说得清”、数据质量“管得住”、污染趨势“估的准”。

“我们创新提出了‘多目标协同调控的土壤环境监测理论框架，基于这个框架建立起多尺度融合点位优化布设技术。”项目组骨干成员罗小玲介绍说，该技术优化了布点的精度和密度，实现了监测点位密度与精度、监测成本和空间尺度的有效协同。

一个点位究竟可以代表多大区域的土壤环境质量？“我们平时看电子地图也是采用不同的分辨率，自然是分辨率越大看得越清楚。对应到土壤监测的点位布设，则是布点尺度越小，最后呈现的结果越精准。”罗小玲指着办公室墙上一副不同尺度点位布设下形成的监测图告诉笔者，“在我们广东省土壤环境监测体系中，1公里×1公里的点位布设是最精细的，但布点越精细，监测成本也越大，我们必须根据实际监测需求，采用不同的布点方案。”

项目组首次将非线性科学的数学分支“分形几何理论”应用于土壤环境监测布点技术研究，研发空间分形点位优化布设方法；通过自举聚合方式集成空间分形法、Cochran经典公式法、空间抽样法、空间表征法、交叉验证法、独立验证法等6种方法进行最优点位密度识别与确定；结合逐级兼容布点，实现省域-市域-县域3种尺度点位的差异化布设与融合，打通了该项研究最大的“难点”，土壤环境质量从此“说得清”。“多尺度点位定量差异化布设技术”也正是该研究中“含金量”最高的地方，用谢志宜的话来说，“它是整个土壤环境监测过程的起点”。

据进一步了解，在具体实践中，国家网最终选定8公里×8公里网格作为省域尺度布点方案，正是参考了广东省的基础研究成果，该尺度既能较为详细全面地反映全省土壤环境质量状况，又能将监测成本控制在合理范围内，可以说是在“又精准又省钱”中间找到了一个平衡点。而广东省在省级网的建设中，分别采用1公里×1公里～4公里×4公里网格作为市域尺度布点方案，对21个地级以上市实行差异化布点。其中，比较特殊的城市是深圳，由于该市城市化建设进程较快，区域内很少有连片的土壤，形成了所谓的城市土壤空间的“破碎化”，这类“破碎化”严重的区域需要采用1公里×1公里的点位布设方案。此外，国家级产粮大县对耕地土壤质量有更高的要求，这些区域也需要采用1公里×1公里的点位布设方案。

全流程监测过程中可能存在哪些误差？据项目组骨干成员梁耀杰介绍，点位布设方案确定后，需要监测人员前往各个点位坐标进行人工采样，“不少采样点附近地形复杂，采样人员是否能完全到达坐标点，这是一个问题。”采样结束后，样本还有个运输流转过程，这个过程中，土壤样本中的一些物质，特别是有机物，可能会挥发，从而导致监测结果产生偏差。样本送往各个实验室后，不同实验室的检测结果也可能会造成最终数据上的偏差。

针对这些问题，又是怎么解决的呢？“根据一线采样工作实际情况，我们扩大了有效坐标范围，以点位坐标为圆心、30米为半径的圆形区域为采样有效区域。同时，广东省土壤环境监测采样手持终端的地图具备离线功能，采样人员即使进入没有通讯信号的区域也能精确找到坐标点。”据梁耀杰介绍，生态环境部2019年在广东建立了华南区域土壤样品制备与流转中心，该中心是华南地区规模最大、设备最先进、土壤制样能力最强的高标准现代化土壤样品制备中心。“该中心的具体工作由我们广东省生态环境监测中心承担，我们采集的土壤样本也通过该中心完成制备与流转，形成了地方采样、集中制样、盲样编码、异地分析的业务工作模式，从而保证样品制备、流转及测试过程的质量和效率。”

土壤环境质量评估为什么要考虑这么多因素？主要是影响土壤环境质量的因素实在是太多了，除了土壤自身特性之外，人类活动、自然环境均对其产生影响，且这项影响是“动态”的。因此，设置土壤环境质量评估因子时需要考虑加入多个方面的内容。提升评估预测结果的稳定性和准确性是土壤环境质量评估预测技术的核心。为此，项目组构建了“多目标土壤环境质量智能评估与预测方法体系”，实现了区域土壤污染预警、未来趋势预测和决策智能化。

“我们与广东省科学院生态环境与土壤研究所联合攻关，从各个方面寻求技术突破，首先融合生态环境和环境质量监测、生态环境遥感、社会经济统计、污染源监控数据等社会经济时空大数据，建立了‘多维环境大数据源-汇关联解析模型；其次融合多源环境质量累积、多介质传递和多途径暴露过程，构建了基于帕累托最优的‘多目标土壤环境质量智能评估模型。这两个模型的构建，解决了针对空间异质性和多维环境风险叠加影响下土壤环境质量定量评估的难题。”罗小玲详细介绍道，“此外，还要采集研究区域多年土壤环境、污染源、施肥灌溉、自然背景、社会经济等数据并分层存入知识库，辅以土壤重金属专家知识及行业调研经验，构建土壤重金属污染源解析知识图谱，从中提取数据实体、关联关系及实体属性等信息应用于土壤重金属预测模型训练、测试及应用等过程，从而逐步构建起土壤重金属含量时空预测模型，实现了更精准的土壤重金属含量未来时空格局和演变趋势预测。”

边研究边实践，三大难题被项目组逐一攻克。在这个过程中，研究人员付出的辛勤劳动，不足以为外人道。用梁耀杰的话来说，“加班加点，封闭几天集中研究，都是家常便饭。辛苦的不仅是我们，省站和地市采样人员在布点采样的过程中吃的苦更多，在野外环境下，中暑、遇到毒蛇、被马蜂蛰时有发生，山间突遇雷雨天气甚至有生命危险。”

高效智能

AI平台赋能智慧决策

十年磨一剑，一朝试锋芒。多年来，结合着业务工作的开展，项目成果也得到进一步优化完善。最终，研究成果集成相关技术，建成了广东省土壤环境智慧监管平台，实现了业务流程及管理过程的可视化、系统化、标准化、智慧化，也使关键技术的规范化推广得到实现。

据了解，在可视化方面，该平台通过多功能摄像、无人机影像、全景影像、GIS地图等可视化技术，实现了对监测过程、环境质量点面域分布、重点监管单位企业影像等方面实现可视化操作与管理。

系统化方面，则是集成了广东省建设用地监管系统、土壤环境数据库、土壤污染防治决策及展示平台、土壤污染预警系统和土壤环境监测已有业务系统等不同功能模块，实现了土壤环境全流程监测业務一体化集成和广东省建设用地全生命周期管理。

标准化方面，项目组攻克精细化布点技术难题建立的多尺度融合点位优化布设技术被中国环境监测总站采纳应用于国家《“十三五”土壤环境监测总体方案》；同时，《广东省土壤环境点位布设技术规范（试行）》相继出台。上述技术规范推动了广东省土壤环境质量监测工作的标准化进程。

智慧化方面，实现了多目标协同评估和时空源汇关系同步预测预警。“我们构建的相关模型也是国内生态环境领域首个在典型区域成功预测预警土壤重金属污染情况的模型。”谢志宜自豪地表示，这个模型从根本上改变了监测与管理脱节的现状，应用于广东省土壤污染防治日常监管工作，为土壤污染防治攻坚提供多目标评估和智能预测预警等决策支持服务，实现了土壤环境监管的感知高效化、数据集成化、分析关联化、应用智能化和测管一体化。

“我们的研究成果注重科技与政策、业务高效结合，始终围绕着为实际业务工作服务的目标，十分‘接地气，同时也具备很强的创新性，形成了新一代土壤环境质量智慧监测的理论框架-核心技术-应用平台，促进了土壤环境智慧监测技术的跨越发展。特别是布点技术实现了差异化定量布点，突破以往土壤监测技术的诸多局限，多目标土壤环境质量智能评估与预测技术也填补了土壤环境质量时空同步趋势预测的技术空白。”谢志宜进一步总结道，“在成果应用效果方面，我们构建的全国第一个土壤环境质量预测预警AI平台，在广东省21个地级以上市和重点区县推广应用；创建的多尺度融合布点技术被中国环境监测总站采纳应用于国家《‘十三五土壤环境监测总体方案》，被陕西、湖南、海南等多个省份采纳应用于省级网布点工作，推动了国家和地方土壤环境常态化监测网络‘从无到有的跨越发展。”

下一步，除加强土壤监测自动化设备研发外，项目组又将目光投向了土壤污染状况“溯源”领域。此项研究能让监测人员在纷繁复杂的土壤监测数据中“顺藤摸瓜”找到污染源，这对厘清污染责任有重大意义——这也相当于为土壤环境质量管理形成了监测工作方面的“闭环”。同时，项目组还希望通过进一步技术研发，在完成土壤环境质量监测工作的同时，能掌握全省土壤碳汇情况，进一步为“双碳”目标服务。