一、引言
     土壤為植物生長發育提供必需的養分和水分，是陸生植物生活的基質。土壤健康是有機農業的必要條件，只有健康的土壤才能培育出健康的植物，從而保障動物和人類的健康。土壤質量是土壤提供植物養分和生產生物物質的土壤肥力質量，容納、吸收、凈化污染物的土壤環境質量，以及維護保障人類和動植物健康的土壤健康質量的總和。
      由于土壤中農藥的殘留累積、重金屬污染和生物污染等問題的出現，人類開始對土壤質量因人類污染造成的變化進行研究和評價。另外不同等級和地域的土壤特性也不相同，如何對這些土壤進行分類鑒別，甚至建立我國土壤庫也是目前的一項重要工作。土壤質量評價工作主要集中在土壤物理指標、化學指標和生物學指標等范圍進行。
       本文針對土壤的物理及化學主要指標進行評價方法的闡述。文中提到的EcoChem土壤質量監測與評價觀測系統讓土壤評價工作變得簡單，精準，可量化。

二、觀測目標
        EcoChem土壤質量監測與評價觀測系統主要針對土壤質量的碳氮指標，養分元素，重金屬污染元素，微量元素，土壤pH、電導率（全鹽量），氧化還原，土壤含水量、田間持水量，土壤的持水特性以及土壤分級分類等多種指標進行評價。

三、系統組成
3.1 土壤含水量和電導率的實時監測
      土壤水是土壤的最重要組成部分之一，土壤水供給作物生長，是農業生產的必要條件，是陸地植物賴以生存的源泉。它也是土壤肥力的重要組成部分，是植物水分循環的水源基地。

      PICO-Profile土壤含水量、電導率監測單元主要傳感器為T3PN44土壤水分傳感器，采用TDR時域反射原理，可連續無損的測定土壤含水量和電導率等參數，專為土壤不同層次的長期固定測量而設計。多種安裝方式。
      該單元可以連續、固定、無間隙測量不同層次的土壤含水量和電動率等參數；每層土壤可以設置不同的校準曲線；傳感器可自由組合，實現精準的土壤層次測量，測量頭可達10個；每個測量頭可測量1dm3的土體。
      含水量測量范圍：0%~99%，含水量測量精度：+/-2%，數據重復性：＜0.1%，電導率測量范圍：0 ~ >20ds/m。數據實時上傳至云服務器，方便進行數據管理和監控。

3.2 土壤pH&氧化還原的監測
      土壤pH值是土壤的基本性質之一，也是影響土壤肥力的重要因素之一。我國各類土壤的pH值變異很大，大多數為4.5 ~ 9。它直接影響土壤養分的存在形態、轉化和有效性。
      土壤的氧化還原有助于了解土壤的通氣、還原程度，為種植農作物起到重要的指導作用。衡量土壤氧化還原反應狀況的指標是氧化還原反應電位(Eh)。土壤氧化還原電位一般在200-700mV時，養分供應正常。土壤中某些變價的重金屬污染物，其價態變化、遷移能力和生物毒性等和土壤氧化還原狀況有著密切的關系。
      該監測單元可以長期、原位測量土壤pH和氧化還原反應電位(Eh)等參數。系統耐用、維護少，實驗室和大田均可使用。
      pH電極：
      輸出：-175 … + 175 mV 等于 pH10 … pH 4 (pH 7 ? 0 mV)
      直徑：6mm
      管長：80 mm

      氧化還原電極：
      Redox 參比電極直徑12mm，管長120mm
      范圍：+/- 1250 mV
      分辨率：0.1 mV
      精度：3mV

3.3 土壤元素的測量以及分級分類
      土壤元素的測量單元采用EcoChem激光光譜元素分析系統。其固體激光器產生激光作用于樣品表面。當激光能量大于樣品擊穿門檻能量時，在樣品表面形成等離子體。這些等離子體中受激光能量激發到達高能態的樣品物質在迅速回遷至低能態的過程中，發射出帶有樣品元素種類、含量信息的發射光譜，這些發射光譜信號被智能信號收集系統收集并傳輸至光譜儀中進行分光，再由CCD檢測器進行檢測，得到元素信息。
      系統全中文界面，包含NIST和ElementLIBS數據庫。可以輕松檢測和識別元素周期表上的元素并進行信息標記。軟件還同時具備如下功能：軟件可針對所有硬件部件進行指令操作，界面友好，操作直觀，使用簡單；內置多種打樣方式選擇，包括單點，多點，直線，矩陣點等；具有自動聚焦控制，可快速且方便的識別樣品；可對系統內置的雙鏡頭（全景視野和放大視野）進行控制；內置PLS-DA等多種定標計算模型，可快速計算元素含量；內置PCA等多種計算模型，可進行元素分類分析及溯源；可進行元素的分布（mapping）分析；對氣路進行精準控制；內置國內常見土壤標準曲線庫，方便用戶參考和調用。
      該監測單元主要針對土壤質量的碳氮指標，養分元素，重金屬污染元素，微量元素，元素遷移情況以及土壤分級分類等多種指標進行測量評價。
      土壤中含有植物生長發育需要的多種元素，其中微量元素雖然占生物體總質量0.01%以下，但是這些微量元素對于植物生長是的。下表是土壤中有效微量元素含量分級情況。因此有效快速的測量土壤中的微量元素十分重要。

級別	硼B mg/kg	鉬Mo mg/kg	錳Mn mg/kg	鋅Zn mg/kg	銅Cu mg/kg	鐵Fe mg/kg
1（很缺）	＜0.2	＜0.1	＜1.0	＜0.3	＜0.1	＜2.5
2（缺）	0.20~0.5	0.10~0.15	1.0~5.0	0.30~0.5	0.10~0.2	2.5~4.5
3（適中）	0.50~1.0	0.15~0.20	5.0~15.0	0.50~1.0	0.20~1.0	4.5~10.0
4（豐）	1.0~2.0	0.20~0.3	15~30	1.0~3.0	1.0~1.8	10~20
5（很豐）	＞2.0	＞0.3	＞30	＞3.0	＞1.8	＞20

碳元素的測量                                                        養分元素的測量

氮元素的測量

重金屬Cr元素的測量                                              PLS-DA多變量定量模型

      系統內置的PLS-DA等多種多參數線性回歸化學統計分析功能，用于多元變量定量計算。多元變量標準曲線特別適合于分析基質較為復雜的樣品，例如土壤、植物等樣品，以減少基質中其它元素對目標元素的影響，提高分析準確性。
      系統內置的PCA主成分分析模型可以針對土壤的分級分類進行測量和評價。

不同土壤分類特征明顯，區分度也可達99%

3.4 系統可擴展性
      系統根據實際需要的不同還可以升級和擴展，以監測更多的評價指標，可以客戶化訂制。例如還可以測量土壤緊實性、土壤侵蝕狀況、土壤導水率、土壤呼吸量、土壤熱通量、地下水質量等相關參數。

四、應用前景
      土壤是人類賴以生存、興國安邦、生態文明建設的基礎資源。EcoChem土壤質量監測與評價觀測系統可以針對土壤的主要特征進行測量和評價。有了它我們就可以在土壤評價中做出合理的判斷，同時可以了解影響土壤的因素和途徑等等。既可以從理論上了解土壤健康的情況，又可以給土壤進行分級分類。為科學的應用土壤功能提供了評價探索的新方法。必將成為進一步研究的重點。同時也可以讓我國寶貴的土壤資源上發揮其應有的功能。

五、參考文獻
     Mansfeldt, T. (2003): In situ long-term redox potential measurements in a diked marsh soil; J. Plant Nutr. Soil Sci., 166, 210-219.
     Mansfeldt, T. (2004): Redox potential of bulk soil and soil solution concentration of nitrate, manganese, iron, and sulfate in two Gleysols; J. Plant Nutr. Soil Sci., 167, 7-16.
     Weigａnd H., T. Mansfeldt, S. Wessel-Bothe & C. Marb (2005): Bulk soil redox potential and arsenic speciation in the pore water of fen soils; in W. Skierucha & R.T. Walcak (eds.): Monitoring and modelling the properties of soil as a porous medium: the role of soil use; International conference, Lublin; 44-46.