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中國(guó)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備領(lǐng)域?qū)@閳?bào)分析(一)

發(fā)布時(shí)間:2021-01-25 20:03 編輯者:余秀梅

土壤環(huán)境動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境管理決策提供科學(xué)依據(jù)。研發(fā)成本低、性能穩(wěn)定且精度高的土壤監(jiān)測(cè)裝備是實(shí)現(xiàn)土壤數(shù)據(jù)快速獲取的關(guān)鍵?;趇ncoPat科技創(chuàng)新情報(bào)平臺(tái),檢索了2000年至2019年期間國(guó)內(nèi)外土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備的專(zhuān)利產(chǎn)出,對(duì)專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量、技術(shù)構(gòu)成、區(qū)域分布、主要申請(qǐng)人、法律狀態(tài)等方面進(jìn)行了分析,以揭示中國(guó)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備領(lǐng)域的研發(fā)狀況、技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和產(chǎn)學(xué)研合作情況。結(jié)果表明,近年來(lái),中國(guó)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備領(lǐng)域?qū)@麛?shù)量急劇增加;土壤監(jiān)測(cè)指標(biāo)從土壤肥力指標(biāo)向污染物和生物監(jiān)測(cè)指標(biāo)拓展,結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)等新興技術(shù)發(fā)展智能化的原位監(jiān)測(cè)裝備正在發(fā)展,新的研發(fā)充分考慮了定性與定量的結(jié)合;我國(guó)在土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)人多隸屬高校和科研院所,企業(yè)參與度較低。綜上,土壤污染物和生物指標(biāo)的監(jiān)測(cè)已成為焦點(diǎn),生物和信息新技術(shù)成果正逐步引入土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的開(kāi)發(fā);中國(guó)在土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研合作研發(fā)亟需加強(qiáng)。

土壤是人類(lèi)賴(lài)以生存的自然資源之一,也是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),土壤環(huán)境質(zhì)量關(guān)系到食品安全和人類(lèi)生存環(huán)境。土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)是指通過(guò)對(duì)影響土壤環(huán)境質(zhì)量因素的代表值的測(cè)定,確定土壤環(huán)境質(zhì)量及其變化趨勢(shì)。土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)涵蓋環(huán)保部門(mén)關(guān)注的污染物水平及其積累、轉(zhuǎn)化或降解過(guò)程和農(nóng)林業(yè)側(cè)重的土壤肥力。土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取不僅為防控土壤退化和污染提供決策依據(jù),而且能夠?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全和環(huán)境執(zhí)法提供有效證據(jù)。國(guó)家《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》提出在全國(guó)范圍內(nèi)開(kāi)展土壤污染調(diào)查,掌握土壤環(huán)境質(zhì)量狀況,建立十年一次的土壤環(huán)境質(zhì)量狀況定期調(diào)查制度。實(shí)時(shí)、有效地獲取土壤環(huán)境信息是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和污染防治發(fā)展的需求,研發(fā)成本較低和性能穩(wěn)定的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備是實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)和環(huán)境管理決策的有力保障。

專(zhuān)利文獻(xiàn)是科技信息的重要載體和重要表現(xiàn)形式,專(zhuān)利信息包含了全球90%以上的研發(fā)產(chǎn)出,它不僅能快速反映科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最新前沿水平,也能反映企業(yè)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略布局和市場(chǎng)地位。對(duì)相關(guān)研發(fā)領(lǐng)域的專(zhuān)利信息進(jìn)行計(jì)量分析有助于了解和掌握研發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢(shì)和研究熱點(diǎn),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科學(xué)研發(fā)能力、技術(shù)領(lǐng)域、行業(yè)部門(mén)和企業(yè)水平的研究中,是當(dāng)前信息情報(bào)研究的一種重要手段。本文基于土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備領(lǐng)域的全球?qū)@暾?qǐng)趨勢(shì)、技術(shù)構(gòu)成、法律及運(yùn)營(yíng)等要素,同時(shí)結(jié)合土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備領(lǐng)域的主要發(fā)文機(jī)構(gòu)間合作情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,以揭示該領(lǐng)域的專(zhuān)利現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢(shì),提出未來(lái)研發(fā)建議與展望,以期為我國(guó)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備與技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)科研人員的研發(fā)和國(guó)家產(chǎn)業(yè)布局提供借鑒。

1材料與方法

1.1數(shù)據(jù)來(lái)源

本次專(zhuān)利檢索分析,采用北京合享智慧科技有限公司開(kāi)發(fā)的incoPat科技創(chuàng)新情報(bào)平臺(tái)作為數(shù)據(jù)源,incoPat具有國(guó)內(nèi)外較為完備的專(zhuān)利數(shù)據(jù)庫(kù),收錄了全球112個(gè)國(guó)家、組織和地區(qū)1億余件專(zhuān)利信息、專(zhuān)利文獻(xiàn),覆蓋全面,準(zhǔn)確性較高。采用模塊檢索策略,將土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備主題分成三個(gè)技術(shù)上有意義的獨(dú)立塊,每個(gè)塊使用關(guān)鍵詞和國(guó)際專(zhuān)利分類(lèi)號(hào)組合。為保證專(zhuān)利文獻(xiàn)檢索的全面性,先分解檢索要素,后在檢索平臺(tái)中“申請(qǐng)日”項(xiàng)中設(shè)定為“2000年1月1日—2019年11月30日”,檢索式為“TI=((“土壤”or“耕地”or“農(nóng)田”or“山地”or“草地”or“果園”or“菜地”or“菜園”or“林地”)And(“環(huán)境”or“養(yǎng)分”or“肥力”or“重金屬”or“污染物”or“氮”or“磷”or“鉀”or“pH”or“酸度”or“電導(dǎo)率”or“EC”or“有機(jī)質(zhì)”)and國(guó)際專(zhuān)利分類(lèi)(IPC)=(G01)”,統(tǒng)計(jì)全球?qū)@暾?qǐng)情況。初步檢索到的結(jié)果進(jìn)行人工去噪并標(biāo)引,最終獲取中國(guó)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備領(lǐng)域的相關(guān)專(zhuān)利2361件。

1.2分析方法

基于incoPat數(shù)據(jù)庫(kù)的專(zhuān)利分析平臺(tái),利用Excel2016、VOSviewer分析軟件對(duì)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備領(lǐng)域相關(guān)專(zhuān)利數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)量統(tǒng)計(jì)和可視化分析。分別以專(zhuān)利申請(qǐng)量、申請(qǐng)人、區(qū)域布局、專(zhuān)利技術(shù)特征等為指標(biāo)進(jìn)行分析,揭示土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備領(lǐng)域的專(zhuān)利文獻(xiàn)分布現(xiàn)狀、競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)、主要的技術(shù)特征以及研究熱點(diǎn)和研究發(fā)展趨勢(shì)。

2結(jié)果

2.1全球土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備專(zhuān)利申請(qǐng)量的年度變化

對(duì)2000—2019年20年間的全球土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備專(zhuān)利申請(qǐng)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖1)可以發(fā)現(xiàn),全球土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備專(zhuān)利的年度申請(qǐng)量整體呈現(xiàn)快速上升的趨勢(shì)。2000—2006年,專(zhuān)利申請(qǐng)量較少,專(zhuān)利申請(qǐng)人數(shù)量也較少;2007—2018年,隨著土壤環(huán)境污染及監(jiān)測(cè)分析的研究不斷加強(qiáng),專(zhuān)利申請(qǐng)量呈現(xiàn)指數(shù)型增長(zhǎng)。2007—2008年,專(zhuān)利申請(qǐng)量從25件上升至42件,增幅為68%;2015—2016年,專(zhuān)利申請(qǐng)量再次快速增長(zhǎng),2016年申請(qǐng)量達(dá)352件,年增長(zhǎng)幅度達(dá)64.49%,2017年和2018年的專(zhuān)利申請(qǐng)量處于高峰,申請(qǐng)量超過(guò)500件。中國(guó)在土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備領(lǐng)域的專(zhuān)利變化趨勢(shì)同國(guó)際的發(fā)展趨勢(shì)保持一致。2007—2018年,中國(guó)的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備專(zhuān)利數(shù)量得到快速、大幅增加。2007—2008年和2015—2016年的申請(qǐng)量出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)點(diǎn),2018年的申請(qǐng)數(shù)量達(dá)到518件,其專(zhuān)利申請(qǐng)總量居于世界首位。中國(guó)是主要的專(zhuān)利布局國(guó)家,其次是美國(guó)和日本。

一種技術(shù)生命周期通常會(huì)經(jīng)歷技術(shù)萌芽期、發(fā)展期、成熟期和衰退期四個(gè)階段。分析一種技術(shù)的專(zhuān)利申請(qǐng)量和申請(qǐng)人數(shù)的年度變化趨勢(shì),了解該技術(shù)處于生命周期哪種階段,有助于為該領(lǐng)域研發(fā)及專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)峁﹨⒖?。從土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備專(zhuān)利技術(shù)生命周期分析(圖1)而言,2008年之前,土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)量和申請(qǐng)人數(shù)均較少,平均每年的申請(qǐng)數(shù)量不足30件,申請(qǐng)人數(shù)量不超過(guò)20人,說(shuō)明處于技術(shù)引入階段,這些專(zhuān)利基本是原理性的基礎(chǔ)專(zhuān)利。2008年之后,專(zhuān)利申請(qǐng)量和申請(qǐng)人數(shù)量快速增加,技術(shù)分布的范圍擴(kuò)大,土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備技術(shù)進(jìn)入技術(shù)發(fā)展期。2017—2018年,專(zhuān)利增長(zhǎng)速度變慢,但專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量和申請(qǐng)人數(shù)保持較高水平,由于從專(zhuān)利申請(qǐng)到公開(kāi)有18個(gè)月的滯后期,2018、2019年的部分專(zhuān)利處于未公開(kāi)狀態(tài),因此,2018和2019年專(zhuān)利數(shù)據(jù)僅供參考。目前,土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備技術(shù)處于發(fā)展階段,專(zhuān)利申請(qǐng)量會(huì)保持增加。

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2.2中國(guó)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備的主要研究機(jī)構(gòu)

土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備領(lǐng)域的申請(qǐng)人排名可反映該領(lǐng)域主要的研發(fā)機(jī)構(gòu)及其競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。研究涉及的機(jī)構(gòu)主要包括高等院校、企業(yè)、科研單位等共1353家。圖2統(tǒng)計(jì)了2000—2019年中國(guó)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備領(lǐng)域?qū)@暾?qǐng)總量前十(TOP10)的申請(qǐng)機(jī)構(gòu)的年度申請(qǐng)情況,TOP10申請(qǐng)機(jī)構(gòu)集中于高校和科研單位,其中有6家屬于高校,4家屬于科研機(jī)構(gòu)。由此可見(jiàn),土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)和專(zhuān)利申請(qǐng)主要是由高校主導(dǎo),也證實(shí)了中國(guó)高校和科研單位在該領(lǐng)域的重要研發(fā)地位。TOP10申請(qǐng)人的專(zhuān)利申請(qǐng)主要集中于2012年之后。2000—2019年中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的專(zhuān)利申請(qǐng)總量62件,其數(shù)量為位于第二位的中國(guó)水利水電科學(xué)研究所申請(qǐng)量的兩倍。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)在2000年申請(qǐng)了1件土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備領(lǐng)域的實(shí)用新型專(zhuān)利,隨后各個(gè)年度的申請(qǐng)數(shù)量較為平均,無(wú)明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院在2017年申請(qǐng)量顯著增加,高達(dá)16件,均為涉及土壤水分測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。

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2.3中國(guó)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備的專(zhuān)利技術(shù)領(lǐng)域

通過(guò)分析全球?qū)@募夹g(shù)構(gòu)成(圖3),土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備的技術(shù)主要集中在G01N(借助于測(cè)定材料的化學(xué)或物理性質(zhì)來(lái)測(cè)試或分析材料)領(lǐng)域。中國(guó)在G01N技術(shù)領(lǐng)域上的專(zhuān)利高達(dá)2064件,占專(zhuān)利總量的87.42%;日本、美國(guó)分別是123、115件。圖4為主要技術(shù)領(lǐng)域間的合作關(guān)系,圖中每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域,連線代表不同技術(shù)領(lǐng)域間存在合作關(guān)系,線寬越大則表示技術(shù)領(lǐng)域間合作關(guān)系越強(qiáng)。由圖4可以看出涉及G01N33/24(地面材料)的專(zhuān)利申請(qǐng)量最大,G01N33/24、G08C17/02(用無(wú)線電線路)、G01D21/02(用不包括在其他單個(gè)小類(lèi)中的裝置來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)或更多個(gè)變量)彼此間存在合作關(guān)系,聯(lián)系強(qiáng)度較大,構(gòu)成一個(gè)三角形關(guān)系。表明這些領(lǐng)域間具有較高的技術(shù)關(guān)聯(lián)性。根據(jù)不同的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo),將G01N技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)利主要細(xì)分為土壤物理性質(zhì)測(cè)定、土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定、土壤養(yǎng)分指標(biāo)監(jiān)測(cè)、土壤污染物指標(biāo)監(jiān)測(cè)、土壤生物指標(biāo)監(jiān)測(cè)這五個(gè)技術(shù)主題。圖5土壤物理性質(zhì)占土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)的比例較大,超過(guò)50%,其中土壤水(相似概念還包括土壤濕度和墑情)是主要的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

土壤水是構(gòu)成土壤生產(chǎn)力的重要因素,不僅影響土壤的物理性質(zhì),而且決定著土壤中養(yǎng)分的遷移、轉(zhuǎn)化和微生物活動(dòng)。目前土壤水的監(jiān)測(cè)方法主要有傳統(tǒng)的烘干稱(chēng)重法,基于介電特性測(cè)量的時(shí)域反射(TDR,TimeDomainReflectometry)、頻域反射(FDR,F(xiàn)requencyDomainReflectometry)、時(shí)域傳播(TDT,TimeDomainTransmission)、探地雷達(dá)(GPR,GroundPenetratingRadar)等方法,基于中子測(cè)量的有源中子儀(ND,NeutronDetector)法和宇宙射線中子(CRNP,CosmicRayNeutronProbe)法、基于土水勢(shì)的張力計(jì)法,以及電法、磁法、熱法和大尺度的遙感等方法。其次為土壤污染物監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,包括有機(jī)污染物和重金屬的監(jiān)測(cè),重金屬監(jiān)測(cè)裝備占比較大,達(dá)到65.18%(圖5),主要涉及汞、砷、鉛、鎘、銅、鋅、鎳等重金屬的監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的測(cè)定土壤重金屬的方法多采用原子吸收光譜、原子熒光光譜、電感耦合等離子體發(fā)射光譜等化學(xué)分析儀器??焖俦O(jiān)測(cè)土壤重金屬的方法包括X射線熒光光譜法、激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)、酶抑制法、生物傳感器等,快速監(jiān)測(cè)土壤重金屬具備快速、精度高、智能化等優(yōu)點(diǎn),是一個(gè)重要的研究發(fā)展方向。土壤中的主要有機(jī)污染物一般具可揮發(fā)性,揮發(fā)性污染物是重要監(jiān)測(cè)對(duì)象。污染物監(jiān)測(cè)主要集中于多環(huán)芳烴、農(nóng)藥、三氯乙醛、石油、多氯聯(lián)苯、甲烷等可揮發(fā)性有機(jī)污染物。氣相色譜法、氣相色譜-質(zhì)譜法、高效液相色譜法是測(cè)定土壤有機(jī)污染物的常用方法。

土壤化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定主要分布在土壤酸堿度、電導(dǎo)率方面。土壤酸堿度是土壤化學(xué)環(huán)境最重要和直接的反映,其占比達(dá)到76.96%(圖5)。通過(guò)以土壤實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的養(yǎng)分分布監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),快速、穩(wěn)定獲得土壤養(yǎng)分信息是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥的第一步。目前土壤養(yǎng)分指標(biāo)的監(jiān)測(cè)主要集中在有機(jī)質(zhì)、有效氮、全氮的測(cè)量。其中,光譜分析是目前應(yīng)用廣泛的快速測(cè)定方法之一。通過(guò)可見(jiàn)/近紅外光譜、中紅外光譜,可有效檢測(cè)土壤中的總碳、有機(jī)碳以及無(wú)機(jī)碳的快速測(cè)定;傅里葉變換中紅外衰減全反射光譜在土壤氮含量的測(cè)定中顯示出優(yōu)勢(shì);除此之外,土壤質(zhì)地、土壤pH以及土壤陽(yáng)離子交換量等與土壤養(yǎng)分相關(guān)的屬性也可通過(guò)紅外光譜方法進(jìn)行表征和測(cè)定。有效磷和速效鉀測(cè)定技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)利相對(duì)較少,但近年來(lái),激光誘導(dǎo)擊穿光譜方法也用來(lái)測(cè)定土壤磷、鉀、鈣、鎂及鐵等元素含量。土壤生物指標(biāo)監(jiān)測(cè)的專(zhuān)利占比為6.69%(圖5),所占比例較低。土壤生物指標(biāo)檢測(cè)項(xiàng)包括土壤微生物生物量碳氮、微生物群落結(jié)構(gòu)、土壤呼吸、微生物活性、生物量等,表明研究者增加對(duì)土壤生物及其在土壤關(guān)鍵過(guò)程中作用的關(guān)注度。除上述4個(gè)技術(shù)主題外,土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備還包括土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、土壤樣品采集制備。土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠測(cè)定土壤相關(guān)的多個(gè)參數(shù),可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控,監(jiān)測(cè)范圍廣、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、便于維護(hù)。將信息化技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)田土壤環(huán)境監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化。土壤樣品采集制備主要涉及環(huán)境檢測(cè)的土壤取樣裝置,現(xiàn)有的土壤采樣裝置主要有手工采樣器和機(jī)械取樣裝置。

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技術(shù)功效矩陣分析有助于尋找技術(shù)空白點(diǎn)、熱點(diǎn)和突破點(diǎn),從土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)@募夹g(shù)功效矩陣分布圖(圖6)可以看出,土壤理化性質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究是土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的重點(diǎn)和熱點(diǎn),主要包括土壤含水量或墑情、溫度、酸堿度等指標(biāo)的監(jiān)測(cè);土壤污染物監(jiān)測(cè)技術(shù)的關(guān)注度僅次于土壤理化性質(zhì)監(jiān)測(cè),包括重金屬和有機(jī)污染物監(jiān)測(cè);土壤養(yǎng)分指標(biāo)監(jiān)測(cè)的技術(shù)申請(qǐng)相對(duì)較少,土壤生物監(jiān)測(cè)技術(shù)的申請(qǐng)最少。在功能改進(jìn)方面,提高精度和提高效率是土壤理化性質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn),無(wú)線傳輸和擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍也得到極大關(guān)注;土壤污染物監(jiān)測(cè)研究關(guān)注的重點(diǎn)是提高精度、提高效率和易于操作,一些研究也關(guān)注到擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍、原位監(jiān)測(cè)、便攜式和提高監(jiān)測(cè)安全性等方面;土壤養(yǎng)分監(jiān)測(cè)技術(shù)研發(fā)工作主要集中在提高效率和提高精度方面;土壤生物指標(biāo)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)是提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和提高效率方面。其他技術(shù)主要包括土壤采樣設(shè)備、土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等,關(guān)注的焦點(diǎn)是提高精度、提高效率和易操作方面;其他功效的研發(fā)主要包括降低設(shè)備功耗、多參數(shù)集成、自動(dòng)化等方面。

聲明:本文所用圖片、文字來(lái)源《土壤學(xué)報(bào)》,版權(quán)歸原作者所有。如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)等問(wèn)題,請(qǐng)與本網(wǎng)聯(lián)系

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