土壤污染中遥感研究现状分析论文

土壤污染中遥感研究现状分析论文

摘要：针对土壤污染可能出现的概念理解偏差， 首先介绍土壤污染及其特点， 明确了遥感技术监测土壤污染的目标与内容范畴。从土壤污染遥感监测研究， 包括光谱机理、土壤污染反演、植被胁迫遥感反演等方面， 全面总结了各种方法的主要进展、特点及应用中的问题。结合土壤污染监测需求， 尤其是《土壤污染防治行动计划》的明确需求， 分析了遥感技术在土壤污染源监管、土壤污染风险管控、土壤调查布点优化、土壤污染反演研究等方面中的应用前景， 表明遥感技术可以提高土壤污染监测能力， 并为土壤环境管理提供全面宏观信息。

关键词：土壤污染; 遥感; 土十条; 重金属;

　　引言

　　土壤是经济社会可持续发展的物质基础， 关系人民群众身体健康， 关系美丽中国建设， 保护好土壤环境是推进生态文明建设和维护国家生态安全的重要内容。我国土壤环境总体状况堪忧， 部分地区污染较为严重。2005年至2013年开展了首次全国土壤污染状况调查， 结果表明， 全国土壤总的点位超标率为16.1%， 其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2%、2.3%、1.5%和1.1%[1]。国务院于2016年5月印发了《土壤污染防治行动计划》 (“土十条”) ， 实施“土十条”是国家向污染宣战的三个重大战略之一， 而土壤污染状况调查与土壤环境监测是打赢土壤污染战役的重要基础。

　　传统的土壤污染研究是通过室内分析野外实地逐点采集的样品， 获取各样点的污染物质含量， 研究大部分则集中污染物化学测定方法、赋存状态、污染与所依附的微观环境的关系、污染分布迁移规律、污染风险评价方法等[2-5]。这种方法能够取得相对良好的测量精度， 但耗时费力、效率较低， 而且无法较好地获取空间上连续分布信息。遥感作为空间技术为宏观快速获取土壤重金属污染信息提供了新的途径， 尤其是近年来， 国内外多源卫星遥感数据在空间分辨率、时间分辨率、辐射分辨率、光谱分辨率等方面均取得突飞猛进的发展， 为遥感技术在土壤重金属污染调查与监测方面发挥更大作用提供了可能。因此， 本文主要总结土壤污染遥感监测进展， 结合目前土壤污染监测的迫切需求， 分析遥感技术在土壤重金属污染监测中的可能应用前景。

1 土壤污染与土壤污染遥感

1.1 土壤污染及特点

　　土壤污染是指所引入之物质或制剂的性质、数量或浓度可对土壤功能或使用价值产生负面影响。土壤污染的要素主要包括三方面的内容 (土壤污染三要素) ， 即有可识别的人为污染物， 有可鉴别的污染物数量的增加， 有现存 (直接显露) 或潜在 (通过转化) 的危害后果[6]。人们在实际工作中重点关注的是土壤污染或者是污染土壤 (指已经构成污染的样点、场地和不同尺度的区域土壤) 。然而， 由于对概念理解的差异性， 容易混淆了沾污和污染的差别， 可能导致夸大土壤污染或污染土壤的问题。

　　土壤污染源可以分为天然源和人为源。天然源是指自然界自行向环境排放有害物质或造成有害影响的场所， 此种状况一般称为自然灾害， 如正在活动的火山。人为源是指人类活动所形成的污染源， 是研究的主要对象， 而在这些污染源中， 化学物质对土壤的污染是人们最为关注的。按照物质或制剂进入土壤的途径所划分的土壤污染源可分为污水灌溉、固体废弃物的利用、农药和化肥的施用、大气沉降等。

　　土壤是不可再生资源， 形成一厘米土壤大概需要几百年到上千年。土壤污染具有累积性、不均匀性和长期存在性等特点， 污染物在土壤中迁移、扩散和稀释速度极慢， 土壤一旦污染， 将是“天长地久”。

　　土壤污染在土壤中的形态是其毒性的发挥的重要影响因子， 同时污染在土壤中的形态也是光谱于遥感识别的重要基础。就土壤重金属而言， 可以分为水溶态、交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残留态。

1.2 土壤污染遥感

　　遥感是以电磁波与地球表面物质相互作用为基础， 探测、分析和研究地球资源与环境， 揭示地球表面各要素的空间分布特征与时空变化规律的一门科学技术。近年来， 随着遥感技术的发展， 卫星遥感技术已经在气象、海洋、环境、减灾等各行各业取得长足的发展和应用。根据高分专项[7]、《国家民用空间基础设施中长期发展规划 (2015-2025年) 》[8]等规划， 未来我国将发射多颗具有高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率、高辐射分辨率的高分卫星， 将进一步丰富卫星数据的供给。

　　土壤污染遥感即利用遥感技术进行土壤污染的识别、反演、监管或风险评价。遥感器对土壤污染或相关要素的响应是开展土壤污染遥感的基础。因此， 土壤污染遥感应用需要开展土壤污染的监测需求与可遥感性分析 (响应可识别性分析) ， 理清哪些需求可以通过遥感技术来实现， 哪些需求可以辅助来实现， 哪些需求可以引导遥感载荷发展。

2 土壤污染遥感研究现状

　　土壤污染遥感监测研究主要是在光谱机理、土壤污染反演、植被胁迫遥感反演等方面。

2.1 土壤污染光谱机理研究

　　在土壤污染分析监测过程中， 运用光谱分析法对重金属、有机污染物进行分析已成为一种快速的例行分析方法[9]。土壤污染物质及其与土壤结合后形成的特定光谱是进行光谱识别的基础， 因此， 进行土壤重金属污染、有机物污染的光谱测量与统计分析是土壤污染光谱机理研究的主要方面。

　　一些学者对有机污染物光谱测量做了探索研究， 从文献来看数量不多， 总体处于探索阶段。如刘庆生等对辽河三角洲土壤中石油类物质进行光谱测量并初步构建模型[10];赵春喜利用太赫兹时域光谱检测技术对土壤中滴滴涕等3种有机物进行了检测分析[11];王忠东等利用荧光光谱特征对土壤中有机污染物进行测量实验[12];盖利亚等[13]对农药类污染场地进行光谱特征分析， 并明确出污染土壤的光谱响应特征。

　　土壤中重金属元素含量较低， 反射电磁辐射能量弱， 光谱特征不明显， 容易被土壤其他成分的光谱特征所掩盖， 因此通过直接分析重金属元素的特征光谱来估算其含量比较困难[14]。因此， 重金属与土壤中光谱活性物质 (有机质、氧化物、粘土矿物、土壤水份等) 的内在联系是基于土壤反射光谱研究重金属的基础。国内外学者对利用反射光谱法估算土壤重金属含量进行了大量的研究， 主要包括了土壤重金属含量估算机理、土壤成分光谱特征、土壤光谱特征提取方法和估算模型等研究内容[15]。

　　使用的光谱仪有多种品牌， 国内常用于土壤光谱测量的仪器， 以Field Spec便携式分光辐射光谱仪居多。光谱测试范围可以从紫外光到红外波段 (波长范围0.35~2.5μm) ， 波长精度±1nm， 测试对象包括固体、液体等， 以测量土壤反射率和辐射率为主[16]。

　　统计分析方法主要有两种。一是通过实验室化学分析得到土壤样本重金属含量和土壤铁氧化物、有机质等的含量， 直接计算重金属与土壤组分之间的相关系数， 依据相关系数的大小判定土壤重金属与土壤光谱活性物质之间的相关关系。如王维等[17]通过对350~2500nm波段范围光谱曲线进行测试， 分别分析了土壤重金属Cu与土壤化学组分、土壤化学成分与土壤特征光谱之间的关系， 通过土壤中铁含量和镁含量实现了光谱法对土壤重金属Cu的间接预测。二是采用回归分析的方法建立重金属含量反演模型， 分析重金属含量反演模型在土壤光谱波段上的权重， 依据土壤光谱活性物质的光谱特征， 建立重金属元素与土壤组分之间的.联系。如解宪丽等[18]选择江西贵溪铜冶炼厂污染区采集土样， 分析了9种重金属元素与土壤可见光-近红外反射光谱之间的相关性及其相关的原因。吴昀昭等[19]利用单变量和多元回归分析建立了南京地区土壤反射率光谱与Hg含量之间的关系， 并通过这种数量关系快速预测了土壤Hg含量。

　　虽然光谱分析在理论探索和实用性方面被广泛应用， 但光谱定量分析建立在相对比较的基础上， 建模的众多假设与实际监测土壤存在较大差异， 影响实际监测的精度。