矿区复垦土壤重金属光谱特征与估算研究

发布时间：2018-10-17 13:05

【摘要】：中国的矿区复垦土壤被优先用于农业生产,然而由于复垦工艺的特殊性以及复垦环境的复杂性,充填物料所携带的重金属元素和矿区环境要素都有可能造成矿区复垦土壤重金属污染,并通过粮食作物危害人体健康。通过传统方法监测矿区复垦土壤重金属污染情况不仅费时、费力,而且难以进行大面积动态实施。研究利用矿区复垦土壤光谱信息估算其重金属含量,可为及时、高效、大范围监测矿区复垦土壤重金属污染提供有效方法,为矿区土壤重金属污染评价和矿区粮食安全调控提供理论基础与技术支持。本文以徐州市柳新国家复垦示范区内煤矸石充填场地、粉煤灰充填场地和正常对照场地的表层土壤为研究对象,采用传统化学分析方法测定了土壤中五种重金属元素(Cd镉、Cr铬、Cu铜、Pb铅、Zn锌)含量,同时借助ASD Field Spec3型光谱仪采集了土壤样点的光谱数据。在土壤光谱数据预处理、光谱特征分析的基础上提取重金属胁迫敏感波段,并利用多元线性回归、广义回归神经网络和序列最小优化支持向量机方法建立矿区复垦土壤重金属光谱估算模型。论文主要结论如下:(1)矿区复垦场地中土壤重金属含量及污染风险程度均大于对照场地。研究区中煤矸石复垦场地、粉煤灰复垦场地和正常场地重金属含量均未超过土壤环境质量标准;相对于土壤元素背景值,三块场地中均存在部分元素超标的现象,复垦场地中镉、铬、铜、铅、锌元素含量均高于对照场地;通过地累积指数法和内梅罗指数法对研究场地土壤重金属污染情况进行评价,得到复垦场地中土壤出现重金属的轻微-中度污染,对照场地中仅铜元素发生轻度污染,复垦场地重金属污染程度均高于正常场地。说明粉煤灰和煤矸石在作为充填物料进行充填复垦时携带的重金属元素会对复垦土壤造成污染。(2)矿区复垦土壤重金属元素含量与反射光谱之间存在显著相关。矿区复垦土壤光谱数据经过预处理变换后,有效突出了光谱特征,其中尤以光谱的一阶微分变换和包络线去除的效果最优。选取的重金属污染胁迫敏感波段可以有效表征重金属在土壤光谱中的信息,其光谱反射率与土壤中镉、铬、铜、铅、锌元素含量存在显著相关,相关系数绝对值依次大于0.78、0.82、0.7、0.77和0.74。(3)矿区复垦土壤重金属光谱估算模型的反演效果较好。应用多元线性回归、广义回归神经网络和序列最小优化支持向量机方法建立的矿区复垦土壤重金属光谱反演模型均能在一定程度上表现出较好的估算效果。从估算效果上评价,从高到低依次是序列最小优化支持向量机回归模型、广义回归神经网络模型和多元线性回归模型,其中利用序列最小优化支持向量机回归模型估算矿区复垦土壤中镉、铬、铜、铅、锌元素含量的决定系数分别达到0.8628、0.8532、0.7988、0.7901和0.7653。(4)将优选模型应用于矿区复垦土壤上种植的小麦的镉含量估算中,模型决定系数为0.6683,均方根误差为0.0489,说明该模型的推广具有可行性,但由于作物样本中水分、叶绿素、蛋白质、木质素等成分对光谱反射率的影响,造成了反演效果劣于土壤。
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【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X53

【参考文献】