我国农田温室气体排放与重金属污染日益受到关注，相关检测技术主要依赖现场采样到实验室分析，检测仪器存在体积庞大、成本高昂、实用性差等问题，难以满足农田低成本、现场检测要求。考虑气体分子振动/转动引起的能量变化与重金属离子络合反应引起的轨道能级跃迁可以产生近红外与可见波段的光吸收，本文拟利用光谱吸收来对农田甲烷/氧化亚氮气体与重金属铬/镉进行定量检测。通过分析设计了光电检测系统结构，并结合信号调制与谐波检测对微弱信号解析的难点问题进行深入研究，设计了农田甲烷/氧化亚氮气体检测系统，开发了农田重金属铬/镉快速检测装置。　　首先，阐述分子内部电子运动能级状态、分子光谱线形成与拓宽机理等气体分子吸收光谱理论，为实际测量中气体分子吸收线型的选取提供了理论依据;针对农田温室气体浓度低、检测信号弱的特点，利用基于光源频率与幅度调制的谐波检测技术，揭示了锁相放大器谐波输出与光电探测器输出信号傅里叶分解的关系，给出了一次、二次谐波检测与比值处理技术的相关理论;探讨系统检测过程中可能存在的噪声干扰，分析了锁相放大器在抑制噪声过程中的作用;通过对激光器的温度和电流调制、光纤光路设计、气体的光谱吸收池设计、光电探测器选型、弱信号处理以及嵌入式数据采集与显示等步骤，设计了低浓度农田甲烷/氧化亚氮气体检测系统。　　其次，研究了溶液光谱吸收基本特性与重金属络合显色机理，探讨与优化影响溶液光谱吸收测量的光学参数;选取对重金属铬/镉敏感的显色试剂，通过光学感知模块、弱信号处理模块与嵌入式软件设计，开发了基于光谱吸收的重金属检测装置，实现了低浓度重金属离子的现场检测。研究了农田土壤重金属检测前处理关键技术，包括田间样品的采集、远红外干燥条件的控制、土壤颗粒的研磨与筛选、土壤浸提液的选择与过滤等。　　最后，通过对农田温室气体检测系统与重金属检测装置的线性度、灵敏度、重复性、抗干扰等性能测试实验，验证了系统与装置的可行性与实用性。实验结果表明:设计的检测系统与装置具有较好的线性度，检测下限达到国家标准，重复性及抗干扰能力良好。通过山东滨州示范区农田土壤现场检测实验，证明了重金属检测装置各项性能达到了农田现场检测的要求。