【摘要】：土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和土地資源管理的重要對象。我國面臨的土壤重金屬污染形勢十分嚴(yán)峻,每年被重金屬污染的糧食達(dá)1200萬噸。土壤重金屬污染關(guān)系著國家糧食安全和人民的身體健康。為了更好地管理有限的耕地資源,科學(xué)地進(jìn)行土地利用規(guī)劃,有必要高效、快速地獲取土壤重金屬污染信息,并對污染物的空間分布狀況進(jìn)行易于理解的圖形表達(dá)。本研究以中國樂安江泛濫平原土壤為例,綜合地理信息科學(xué)、土壤學(xué)、環(huán)境科學(xué)等多學(xué)科知識,開展土壤部分重金屬污染物信息快速獲取以及空間分布制圖的研究。 位于樂安江中上游的德興銅礦是亞洲最大的露天開采礦,早在上個世紀(jì)90年代,礦石日產(chǎn)量已經(jīng)超過了6萬噸。該區(qū)域內(nèi)另一片重要的礦區(qū)——銀山鉛鋅礦也有著不小的生產(chǎn)規(guī)模和超過40年的開采歷史。然而,采礦和選礦活動會產(chǎn)生大量含有重金屬,諸如銅、鉛、鋅的廢水和礦渣,進(jìn)而可能造成土壤的污染并帶來一定的生態(tài)環(huán)境問題。廢棄的礦石經(jīng)風(fēng)化及雨水作用會產(chǎn)生大量pH3的酸性廢水；礦石浮選廠會排放大量pH12的堿性廢水。部分廢水直接或通過支流間接排入樂安江,對生活在樂安江泛濫平原的數(shù)百萬居民以及下游鄱陽湖區(qū)的水生動植物和候鳥帶來潛在的健康威脅。 學(xué)界對該地區(qū)采礦選礦活動所帶來的生態(tài)環(huán)境影響的關(guān)注可追溯至1987年的生態(tài)聯(lián)合研究項目(CERP)的一個子項目“江西德興銅礦地區(qū)重金屬污染及其生態(tài)效應(yīng)”。該項目的研究對象涉及樂安江流域及鄱陽湖的生物(動物和植被)、水體、土壤及沉積物；研究方法以傳統(tǒng)的地球化學(xué)調(diào)查為主。20年過去了,隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展,地理信息科學(xué)的進(jìn)步以及傳統(tǒng)地球化學(xué)調(diào)查無法滿足日益增長的大范圍環(huán)境監(jiān)測需要,將信息科學(xué)技術(shù)引入國土資源調(diào)查和土壤質(zhì)量監(jiān)測已成為不可避免的趨勢。 我將多學(xué)科的知識和研究方法綜合運(yùn)用于土壤重金屬元素含量信息的快速、低成本獲取以及空間分布制圖。我的論文可以分為兩個專題。專題一：基于可見——近紅外光譜的土壤部分重金屬含量提取,即本文的第三、四、五章。專題二：土壤中部分重金屬元素的空間分布制圖,即本文的第六章。下文分別從研究現(xiàn)狀,擬解決的問題,研究方法和主要的研究結(jié)果這四個方面對這兩個專題的內(nèi)容進(jìn)行介紹。摘要的最后部分列舉了本研究的幾個主要創(chuàng)新點(diǎn)。 專題一,基于可見——近紅外光譜的土壤部分重金屬含量提�。� 當(dāng)前,可見——近紅外光譜用于土壤有機(jī)碳、總氮等土壤成分含量的提取技術(shù)已發(fā)展得較為成熟。對土壤重金屬,特別是微量重金屬元素的提取雖然最早可以追溯到上世紀(jì)末,但經(jīng)過十年的發(fā)展,進(jìn)展較為緩慢,目前國內(nèi)外的報道仍十分有限。一個主要的原因是：在可見——近紅外光譜區(qū)間內(nèi),大部分土壤中的微量重金屬元素并不具有明顯的光譜吸收特征。盡管在小尺度(local scale)上,已有部分研究使用可見——近紅外光譜成功地提取了部分土壤重金屬元素的含量。但這類研究存在較多的局限： (1)所使用的數(shù)據(jù)通常源自小尺度下、采集自單一土壤類型的樣本,其土地利用狀況及覆蓋通常也是一致的。在大陸及全球尺度上的開展的研究表明,使用來自不同土壤類型、土地利用和覆蓋狀況的土壤樣本,進(jìn)行可見——近紅外光譜土壤重金屬元素含量的提取還是個難題。 (2)使用的光譜數(shù)據(jù)通常采集自經(jīng)過一系列復(fù)雜前處理的土壤樣本。然而現(xiàn)有研究表明土壤的理化性質(zhì),例如土壤含水量,土壤粒徑等會顯著地影響土壤的光譜特性。這就造成了基于精細(xì)處理后土壤樣本的模型與基于未經(jīng)處理土壤樣本模型兩者之間研究對象的潛在差異。解決甚至僅僅只是探索這種差異都很可能填補(bǔ)基于地基光譜儀可見——近紅外光譜數(shù)據(jù)提取土壤中部分重金屬元素含量領(lǐng)域的一個重要空白。因為截至本文撰寫時,尚未發(fā)現(xiàn)有研究討論土壤前處理過程對土壤中重金屬元素含量提取的影響。 (3)現(xiàn)有的研究絕大部分都是采用統(tǒng)計建模的方法,實現(xiàn)通過光譜波段或波段組合(自變量)提取土壤重金屬元素含量(因變量)的目的。在傳統(tǒng)的統(tǒng)計分析中,對自變量和因變量的數(shù)據(jù)分布描述是重要且容易實現(xiàn)的,因為自變量和因變量的數(shù)目都不會太多,例如少于10個的自變量。通過可見——近紅外光譜儀獲取的光譜波段則通常數(shù)以千計。目前通用的數(shù)據(jù)分布分析方法,例如Lillifors正態(tài)檢驗,無法同時檢驗并展示數(shù)千個變量的分布特征,因此現(xiàn)在絕大部分研究僅僅討論因變量的數(shù)據(jù)分布狀況,而忽視了自變量數(shù)據(jù)分布特征的描述。 本文作者針對以上研究的不足,在第三章中提出了兩種用于高光譜波段變量數(shù)據(jù)分布特征描述的統(tǒng)計圖：Lillifors正態(tài)檢驗圖及偏度——峰度系數(shù)曲線圖。通過實例展示了(1) Lillifors正態(tài)檢驗圖在光譜波段變量數(shù)據(jù)分布正態(tài)檢驗中的應(yīng)用；(2)使用偏度——峰度系數(shù)曲線圖用于分析土壤前處理過程對波段數(shù)據(jù)分布影響以及偏度系數(shù)和峰度系數(shù)的協(xié)同變化關(guān)系。在第四和第五章中分別以土壤總鐵含量和總銅含量為例,使用光譜變換技術(shù)和作用于因變量的Box-Cox變換及對數(shù)變換建立并比較了多個用于土壤總鐵含量和總銅含量提取的模型；比較分析了土壤前處理過程對土壤總鐵、總銅含量提取模型的影響。具體來說,該專題研究的主要成果有： (1)提出兩種用于分析和檢驗高光譜波段變量數(shù)據(jù)分布的統(tǒng)計圖：Lillifors正態(tài)檢驗圖及偏度——峰度系數(shù)曲線圖。實驗表明,對于本研究所使用的71個土壤樣本,光譜波段變量分布的正態(tài)假設(shè)僅對部分波段變量成立。光譜變換和土壤預(yù)處理過程都會極大地影響波段變量的分布特征。 (2)以礦區(qū)所在流域的泛濫平原土壤為研究對象,首次在較大的區(qū)域尺度上,探索對來自不同母質(zhì),不同土地利用和土地覆蓋下的土壤樣本,使用可見——近紅外光譜提取土壤總鐵、總銅含量的可能性。提出一種基于可見——近紅外光譜,“快速、低成本”獲取土壤表層部分重金屬元素含量的方法。對于未經(jīng)過前處理的土壤樣本,總鐵和總銅含量的模型預(yù)報可決系數(shù)分別達(dá)到55%和42%；對于經(jīng)過前處理的土壤樣本,鐵和總銅含量的模型預(yù)報可決系數(shù)分別達(dá)到66%和43%。 (3)較為系統(tǒng)地研究不同光譜變換形式,不同土壤重金屬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,不同土壤前處理過程對可見——近紅外光譜提取部分土壤重金屬元素模型的影響。結(jié)果證實了SNV光譜變換方法可以較為有效地消除土壤粒徑差異所帶來的光譜差異；表明土壤前處理過程有助于提高模型擬合優(yōu)度。 (4)本研究比較了可見——近紅外光譜波段(350—2500nm)與鐵元素、銅元素之間的兩兩相關(guān)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)兩者的Spearman相關(guān)系數(shù)曲線具有相似的波形及走勢。提出使用可見——近紅外光譜提取樂安江流域泛濫平原表層土壤中銅元素含量的統(tǒng)計機(jī)理在于銅元素含量與鐵元素含量之間的線性相關(guān)關(guān)系。 (5)通過分析土樣處理過程前后兩兩光譜波段相關(guān)系數(shù)矩陣圖,發(fā)現(xiàn)風(fēng)干研磨和80目篩選的土樣處理過程降低了土壤反射光譜350—550 nm與551—2500 nm兩個波段區(qū)間的協(xié)同變化關(guān)系。協(xié)同變化關(guān)系意味著土樣處理過程帶來更多的波段信息,這些信息可能有助于提高提取土壤部分重金屬含量模型的擬合優(yōu)度。 (6)將Spearman相關(guān)分析用于光譜分析,并發(fā)現(xiàn)了可以由Spearman相關(guān)分析定義推導(dǎo)出的若干規(guī)律：土壤重金屬元素與反射光譜和吸收光譜的Spearman相關(guān)系數(shù)曲線具有鏡面對稱的性質(zhì),進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)兩者具有相同的p值向量；重金屬含量與光譜波段的Spearman相關(guān)系數(shù)曲線在對重金屬含量進(jìn)行Box-Cox變換或自然對數(shù)變換后保持不變。這些規(guī)律體現(xiàn)了Spearman目關(guān)分析用于光譜分析的潛在優(yōu)越性。 專題二：土壤中部分重金屬元素的空間分布制圖： “快速低成本”地提取土壤中部分重金屬元素含量可以為人類健康風(fēng)險(HHR)評價提供快捷、重要的數(shù)據(jù),因為土壤中遠(yuǎn)高于背景值的重金屬元素會對人類健康帶來潛在威脅。傳統(tǒng)的土壤重金屬污染評價都是非空間的,不具有直觀的特點(diǎn),不利于土壤污染源的辨別以及重金屬污染的健康風(fēng)險評估。近年來,基于GIS的人類健康風(fēng)險評價在國外的一些研究中多有報道。但大部分研究尺度較小,對結(jié)果的圖形展示也較為單一。我國人類健康風(fēng)險(HHR)評價的相關(guān)研究開展較晚且進(jìn)展較為緩慢。其原因可以歸結(jié)為： (1)現(xiàn)有的社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)通常是非空間的,且數(shù)據(jù)粒度較大,無法使用現(xiàn)有的一些HHR模型進(jìn)行定量分析。 (2)高精度的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)不易獲取,而評價HHR的一個基本準(zhǔn)則即土地利用類型影響風(fēng)險等級。 (3)我國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)滯后,目前具備法律效力的標(biāo)準(zhǔn)僅有1995年制定的《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,該標(biāo)準(zhǔn)僅僅涉及8種重金屬,且主要針對農(nóng)用地土壤質(zhì)量評價,不適用于城市居住、商業(yè)和工業(yè)用地；并且用以評估土壤重金屬污染的國家通用準(zhǔn)則尚未建立。 因此,如何結(jié)合多源數(shù)據(jù),科學(xué)地在區(qū)域尺度(regional scale)上評價土壤重金屬污染,并形象、直觀地展示分析與評價的結(jié)果即成為一個十分有意義的問題。 本研究在第六章中首先使用2009年的ALOS衛(wèi)星遙感影像對樂安江流域的土地利用狀況進(jìn)行了人工解譯,繪制包含農(nóng)業(yè)用地,建筑用地及采礦活動相關(guān)用地的土地利用現(xiàn)狀圖。接著通過對71個采樣點(diǎn)銅元素和鉛元素含量進(jìn)行反距離加權(quán)空間插值,估計這兩種元素在樂安江流域沿江表層土壤中的空間分布狀況圖。最后疊加樂安江流域的地面高程數(shù)據(jù),遙感影像,土地利用現(xiàn)狀圖,元素分布插值圖及輔助數(shù)據(jù)包括城市、河網(wǎng)等矢量數(shù)據(jù),完成兩張銅元素和鉛元素在樂安江流域沿江區(qū)域表層土壤中的綜合空間分布圖,用于定性評價這兩種元素對該地區(qū)人類健康的潛在威脅。 綜上所述,本研究完成了擬解決的研究問題,達(dá)到了預(yù)期的研究目標(biāo),并且在以下幾個方面做了一些開創(chuàng)性的工作： (1)提出兩種用于分析和檢驗高光譜波段變量數(shù)據(jù)分布的統(tǒng)計圖：Lillifors正態(tài)檢驗圖及偏度——峰度系數(shù)曲線圖。 (2)以礦區(qū)所在流域的泛濫平原土壤為研究對象,首次在較大的區(qū)域尺度上,探索對來自不同母質(zhì),不同土地利用和土地覆蓋下的土壤樣本,使用可見——近紅外光譜提取土壤總鐵、總銅含量的可能性。提出一種基于可見——近紅外光譜,“快速、低成本”獲取土壤表層部分重金屬元素含量的方法。 (3)較為系統(tǒng)地研究不同光譜變換形式,不同土壤重金屬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,不同土壤前處理過程對可見——近紅外光譜提取部分土壤重金屬元素模型的影響。 (4)提出使用可見——近紅外光譜提取樂安江流域泛濫平原表層土壤中銅元素含量的統(tǒng)計機(jī)理在于銅元素含量與鐵元素含量之間的線性相關(guān)關(guān)系。 (5)首次提出風(fēng)干,研磨和80目篩選的土樣處理過程降低了土壤反射光譜350—550 nm與551—2500 nm兩個波段區(qū)間的協(xié)同變化關(guān)系。 (6)將Spearman相關(guān)分析用于光譜分析,并發(fā)現(xiàn)了可以由Spearman相關(guān)分析定義推導(dǎo)出的若干規(guī)律：土壤重金屬元素與反射光譜和吸收光譜的Spearman相關(guān)系數(shù)曲線具有鏡面對稱的性質(zhì),進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)兩者具有相同的p值向量；重金屬含量與光譜波段的Spearman相關(guān)系數(shù)曲線在對重金屬含量進(jìn)行Box-Cox變換或自然對數(shù)變換后保持不變。這些規(guī)律體現(xiàn)了Spearman相關(guān)分析用于光譜分析的潛在優(yōu)越性。 (7)提出了一種綜合使用遙感和地理信息技術(shù),結(jié)合地基高光譜數(shù)據(jù)、遙感影像、高程數(shù)據(jù)和輔助地理數(shù)據(jù),定性評價泛濫平原表層土壤重金屬污染對人類健康的潛在威脅的方法。該方法具有高效率、低成本、無污染、易于使用等特點(diǎn),適合用于輔助土地環(huán)境污染調(diào)查及風(fēng)險評價。
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：X833;O657.33
【參考文獻(xiàn)】
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本文編號：
2768003
