基于高光譜的龍口煤礦區(qū)土壤重金屬污染監(jiān)測與評價研究.pdf

1、土地資源是萬物生長之根本，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，而土壤作為土地資源最為主要的組成部分，是人類不可或缺的自然資源，土壤的環(huán)境和人們的生產(chǎn)生活休戚相關(guān)，承載了大量與人類關(guān)系密切的各種生產(chǎn)生活資料。目前因多種人為原因造成的土壤重金屬污染已經(jīng)嚴(yán)重影響并破壞了土壤的生態(tài)環(huán)境，而土壤環(huán)境的污染相比其他，如水環(huán)境污染、大氣污染等具有極強(qiáng)的隱蔽性，并不能從很直觀地被發(fā)現(xiàn)，且污染機(jī)制較為復(fù)雜。在前人諸多的研究中，煤礦開采導(dǎo)致土壤重金屬污染較為普遍，煤礦開采一

2、方面大大促進(jìn)了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展，另一方面由于采煤過程中大量煤矸石堆積，洗煤廢水排放等原因，將地表以下的重金屬帶到地表之上，間接的造成了土壤重金屬的非自然遷移變化。
　　本文將研究地點選在煙臺北部龍口礦區(qū)內(nèi)，在國家自然科學(xué)基金項目“基于地表參量的污水灌溉區(qū)農(nóng)田生態(tài)安全遙感監(jiān)測研究”，山東省自然科學(xué)基金項目“山東省焦家金成礦區(qū)及周邊礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)遙感調(diào)查研究”，山東省自然科學(xué)基金項目“龍口礦區(qū)及周邊海岸帶遙感監(jiān)測研究”，山東省自然科學(xué)基金

3、“黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)海咸水入侵調(diào)查與監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)”，山東省國土廳項目“山東省國土資源遙感波譜庫建設(shè)項目”和山東師范大學(xué)碩士科研創(chuàng)新基金“基于高光譜的煤礦區(qū)土壤重金屬含量檢測與生態(tài)風(fēng)險評價研究”的共同支撐之下，以野外土壤反射光譜數(shù)據(jù)、反射光譜變換數(shù)據(jù)和重金屬化驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行土壤重金屬含量高光譜監(jiān)測和污染程度評價等研究，主要研究內(nèi)容如下：
　　（1）以龍口北部煤礦區(qū)為研究區(qū)，采集了36個土壤樣本，對其野外高光譜進(jìn)行測量，

4、因只依靠高光譜反射率并不能有效的反映土壤光譜信息，因此采用多種光譜變換方法對反射率進(jìn)行數(shù)學(xué)換算，進(jìn)而深層次的提取土壤光譜信息，在分別與重金屬測定數(shù)據(jù)相關(guān)性分析的基礎(chǔ)之上，建立高光譜遙感估測模型。在研究過程中為解決大量光譜波段變量自身多重相關(guān)性問題，摒棄了原有主成分模型和逐步回歸模型方法，選擇了可以解決自變量本身多重相關(guān)性的偏最小二乘模型。結(jié)果顯示Ni、Mn、Pb、As、Zn和Cr最優(yōu)估算模型利用的光譜變換指標(biāo)分別為：二階微分、一階微分、

5、反射率、反射率、二階微分和去除包絡(luò)線；同時也發(fā)現(xiàn)光譜微分處理去除基線漂移的同時可以提高建模精度。
　?。?）結(jié)合地統(tǒng)計學(xué)理論和GIS強(qiáng)大的空間分析技術(shù)方法，對5種生物毒性顯著的重金屬Ni、Pb、As、Zn和Cr在研究區(qū)范圍內(nèi)空間分布規(guī)律特征進(jìn)行了研究，并根據(jù)半變異函數(shù)分析結(jié)果，選擇最優(yōu)的克里金插值模型實現(xiàn)點到面的維度擴(kuò)展，實現(xiàn)了重金屬含量空間分布可視化。結(jié)果顯示對于不同重金屬而言，利用克里金插值得到的整個研究區(qū)土壤重金屬含量空間分

6、布特征差異明顯，5種元素中，Cd和As的空間變異性受隨機(jī)因素影響較大。
　?。?）不同重金屬的化驗數(shù)據(jù)存在潛在的相關(guān)性，利用相關(guān)系數(shù)可以直觀的反映5種重金屬兩兩相關(guān)關(guān)系，同時借助主成分方法和每種重金屬含量在研究區(qū)的空間分布圖，以實地調(diào)查結(jié)果作為輔助手段，對這五種重金屬污染來源進(jìn)行了簡要探索。經(jīng)過主成分方法分析后獲得兩個主成分因子，且兩個主成分累積方差超過80％，表示兩個主成分累積貢獻(xiàn)率足以說明污染來源。由重金屬含量統(tǒng)計分析可知，這

7、5種重金屬含量以國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)為背景值時計算得到的超標(biāo)率均表現(xiàn)出較高的水平，基本可以排除成土母質(zhì)的影響，第一主成分反映的主要是煤礦開采因素，第二主成分反映的是污水灌溉、農(nóng)藥過度使用、工業(yè)冶金生產(chǎn)活動和汽車尾氣等因素。
　?。?）選用單因子指數(shù)法研究單個重金屬污染程度，并以此為基礎(chǔ)，利用改進(jìn)加權(quán)平均綜合污染評價法對研究區(qū)土壤重金屬綜合污染程度進(jìn)行評估，研究結(jié)果表明5種重金屬污染程度依次為Cr>Cd>Pb>Ni>As；在綜合