寶山礦區(qū)農(nóng)田土壤-水稻系統(tǒng)重金屬污染的遙感監(jiān)測.pdf

1、礦山開采為國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展提供了強(qiáng)大的能源和材料支撐，然而，不少礦山由于過度開采以及環(huán)保措施沒有同步跟進(jìn)而使得礦山開采面臨著能否持續(xù)發(fā)展的問題，同時(shí)也對(duì)周邊農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)遭受嚴(yán)重的重金屬污染--農(nóng)田環(huán)境的健康和安全直接關(guān)系著人民的生命安全與和諧社會(huì)的構(gòu)建。因?yàn)榫哂锌焖?、簡便以及無損的特點(diǎn)，遙感技術(shù)逐漸成為一種可供選擇的、有效的農(nóng)田環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測手段和方法而備受人們的關(guān)注。本論文正是該領(lǐng)域一次探索，并得到了國家自然科學(xué)基金(40571

2、130)和中國農(nóng)科院農(nóng)業(yè)部資源遙感與數(shù)字農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。 寶山礦為一處具有多年開采歷史的鉛鋅礦，伴生礦主要有銅、鎘、砷，隨著開采、冶煉生產(chǎn)的進(jìn)行，鉛、鋅、銅、鎘、砷等重金屬元素進(jìn)入礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤-作物(水稻)系統(tǒng)。在土壤中，鎘、砷、鉛和鋅在可見光-近紅外區(qū)間均沒有光譜響應(yīng)特征，銅只有在高于4000 mg/kg濃度時(shí)才表現(xiàn)出比較明顯的光譜響應(yīng)，然而農(nóng)田土壤中的重金屬濃度難以達(dá)到這樣的高污染水平，所以很難直接用土壤光譜反射

3、率來預(yù)測土壤中重金屬的濃度，但可以利用重金屬元素與鐵氧化物這種光譜特征成分之間的相關(guān)性實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)農(nóng)田土壤重金屬濃度的預(yù)測；進(jìn)入農(nóng)田土壤的重金屬被水稻吸收后將影響水稻的正常生長，對(duì)水稻葉片葉綠素合成以及光合作用造成破壞和抑制，這一變化將在水稻冠層光譜上得到響應(yīng)，從而通過提取水稻冠層光譜特征來預(yù)測水稻冠層葉片重金屬含量；同樣，利用稻米中積累的重金屬與蛋白質(zhì)這一光譜特征物質(zhì)之間較好的相關(guān)性實(shí)現(xiàn)稻米重金屬含量的遙感監(jiān)測。 基于上述原理

4、，本論文選擇寶山礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤-水稻系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析了鉛、鋅、銅、鎘、砷等重金屬元素在土壤、水稻冠層葉片與稻米中的分布情況，同時(shí)，借助FieldSpec FR2500高光譜輻射計(jì)測量了土壤和稻米的室內(nèi)高光譜，利用MSR-16R多光譜輻射計(jì)在野外測量了水稻冠層光譜，通過提取它們的光譜特征并對(duì)這些光譜特征參數(shù)與土壤、水稻冠層葉片和稻米重金屬含量的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)多/高光譜遙感技術(shù)在礦區(qū)農(nóng)田土壤-水稻系統(tǒng)重金屬污染的定量監(jiān)測與評(píng)價(jià)

5、研究中的應(yīng)用展開了探討，主要結(jié)果和結(jié)論如下： 1，寶山礦區(qū)農(nóng)田土壤中的Pb平均含量高達(dá)1767.42 mg/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過水稻產(chǎn)地土壤環(huán)境質(zhì)量要求(NY/T847-2004，250mg/kg)；Zn的含量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該標(biāo)準(zhǔn)；土壤的Cu含量(81.91 mg/kg)比保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人體健康的標(biāo)準(zhǔn)(50 mg/kg)高；土壤中的Cd含量的最低水平(2，63 mg/kg)就已經(jīng)超過標(biāo)準(zhǔn)限定值(0.3 mg/kg)7倍之多，而土壤As含

6、量的平均水平(140.16 mg/kg)接近二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限定值(30 mg/kg)的5倍，同時(shí)，該區(qū)域農(nóng)田稻米食用安全性很低，其中稻米所遭受的Pb污染已經(jīng)超過國家標(biāo)準(zhǔn)，需要引起國家相關(guān)部門的重視： 2，利用這些重金屬與具有光譜特征的Fe含量之間的關(guān)聯(lián)，建立了利用土壤室內(nèi)光譜反射率估算土壤重金屬含量的預(yù)測模型，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤重金屬含量的間接測定，為土壤重金屬污染狀況的調(diào)查與監(jiān)測提供了一種簡單、快速的測定方法：同時(shí)，合適的光譜預(yù)處理

7、方法可以提高模型的預(yù)測能力； 3，為充分利用重金屬污染下水稻的冠層光譜而提取了植被指數(shù)(Vegetationindex)、紅邊參數(shù)(Parameter of red edge position)、綠峰偏振斜率(Slope of grean peakpolarization)以及吸收三角形面積(Area of triangle absorption)等光譜特征，并通過這些光譜特征實(shí)現(xiàn)了水稻冠層葉片重金屬含量的準(zhǔn)確預(yù)測，并在紅邊參

8、數(shù)提取的基礎(chǔ)上提出了區(qū)別于重金屬污染水稻生理臨界值的光譜臨界值的概念，其中，利用倒高斯擬合(Inversed Gaussian fitting)方法對(duì)紅邊參數(shù)的提取為多光譜遙感數(shù)據(jù)的充分利用提供了有益的參考；通過選擇與CBERS(多光譜衛(wèi)星)相匹配的波段預(yù)測水稻冠層葉片重金屬含量的探索，為多光譜遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的農(nóng)作物污染監(jiān)測應(yīng)用提供了有益的參考； 4，通過利用高光譜儀器所獲取的稻米室內(nèi)近紅外反射光譜實(shí)現(xiàn)了糙米蛋白質(zhì)、重金屬含量的