基于地面实测高光谱的重庆市万盛区矿区环境研究

发布时间：2016-05-05 10:34

第1章 绪   论

1.1  选题背景及研究意义
煤矿资源为人类的各种生活提供了基本源泉，对于平常的生活可以起到很巨大的作用，然而在开采煤矿的时候，如果没有进行妥善的处理，直接将煤矿开采后的废弃液体和废弃的渣排放出来，尤其是含有铅、锌和硫的煤矿，会引起矿区周围的土壤和河流中富集大量的重金属，进而被矿区的农作物所吸收，直接或间接的会对人类产生影响[1-3]。 由于河流具有很高的流动性，重金属在水体中不能被生物分解，甚至有可能会在微生物作用下将重金属转化成更强毒性的重金属化合物，且对于有些重金属，较低的浓度便会引起中毒，一旦重金属进入了生态系统后，会分布在水体生态系统的各个组分当中，当重金属在生物体内累积到一定量后，便会出现相应的受害症状，导致生物停止发育甚至死亡，进一步会损害整个生态系统的结构和功能[4]； 水体中的重金属会对生态系统中的植物、动物，最终会对人类产生不同的影响，对于水体中的植物，由于水生的植物作为整个水体生态系统中的氧气来源和其他一些浮游动物的食物，重金属对改变水生植物的运动器的结构，抑制其光合作用和呼吸作用以及对其内部酶的活性产生影响[5,  6]；重金属进入水体之后，会对水体中的动物造成一系列的影响，包括抑制水生动物的生长发育、影响生理代谢过程[7]，而且重金属还会影响到动物的遗传表达等[8, 9]；水体重金属对人体的危害主要来源于两个方面，一个方面是通过直接饮用水造成重金属中毒，对人体健康造成伤害，另外一个方面是水体对农产品和水产品造成污染，间接对人类健康造成威胁[10]，重金属通过食物链进入人体后，会严重损耗体内储存的营养物质，对人体免疫系统造成伤害[11]。 土壤中重金属对于土壤及其其他生物所产生的危害，取决于几个综合的方面，首先是土壤中的重金属总含量，重金属在土壤中的形态以及不同的形态在土壤中占的百分比也起到了很关键的作用，在不同的形态当中，水溶态以及交换态的毒性是最大的，残存态的毒性相对最小[12]。当土壤中重金属含量积累到一定程度后，会对生长的植物产生毒害作用，诱导植物体内产生特定的对植物有毒害作用的物质，引起株高、叶面积和主根长度等等这些损害，而且当植物体内重金属含量过高时，会抑制植物体内对于 Ca 和 Mg 等元素的吸收以及转运能力，也会危害植物的根系，导致根系的生理代谢失调，抑制植物的生长，导致植物体内营养的缺乏[13-15]；土壤中重金属污染会不同程度的对土壤中的动物造成危害，土壤中的动物群落组成会随着土壤中重金属污染的加重而减少，土壤中蚯蚓和线虫等这些无脊椎的动物数量较多，重金属含量会对这些生物的数量、数目等造成直接的影响[16, 17]；在土壤中的重金属元素，尤其是土壤表层，这些重金属元素很容易进入人体体内，从而会对人体造成威胁，当人体摄取过量 Cd 的时候，会引起身体各个器官的病变，导致骨密度降低，人体骨折发生的几率增加，摄入过多的 Pb 时，会导致人体生殖功能下降和免疫能力下降，当含量超过一定值时，会表现为头晕、记忆力下降和头疼等严重的情况[12]。 
.........

1.2  研究机理介绍
土壤是人类赖以生存的自然环境和农业生产的重要资源，一旦重金属通过各种途径进入土壤，使土壤中重金属含量明显高于环境背景值，使得土壤中重金属污染变重，而且由于土壤中重金属不容易被微生物分解，因此导致土壤中重金属不断累积，甚至转化为毒性更大的化合物[35]。大量研究表明，重金属在土壤中由于含量相对其他成分比较少，因此反映到所测的光谱数据上的信息就相对来说是比较微弱的，然而土壤当中的重金属会跟土壤中的其他成分物质比如有机质、粘土矿物等发生各种反应，这些反应包括相互赋存、相互吸附，这些正是高光谱方法反演土壤重金属含量的重要理论依据，利用地面实测高光谱数据定量的反演土壤重金属含量的基本原理是利用重金属离子与土壤中的一些成份发生各种化学和非化学反应后，导致土壤在可见光和近红外等波段的反射率发生相应变化[36, 37]。 当土壤中含有不同的重金属时，土壤会发生相应的不同变化，Cd 离子会使得土壤表层的负电荷数目产生变化，Cd 离子会与土壤中有机质产生反应，且随着土壤中有机质含量的增加，土壤对于 Cd 离子的吸附作用也会逐渐加强；土壤中的 Zn 离子会使得土壤中富含相对比较多的铁锰氧化物等物质[38-41]。 水体是重金属元素的载体，其含量的高低可以反映水体环境质量的现状，水体中的重金属不能被分解，而且会随水体流动进行转移以及食物链进行累积，水体中的重金属元素，逐渐在环境中累积后，会对水质产生很大的影响[42-44]。一般重金属在水体中以三种形式存在：粒子形式、溶解后的形式、被水体生物吸收，其中粒子形式的重金属被悬浮物所吸附，溶解形式的重金属与有机质结合形成螯合物，另外一部分重金属被生物如浮游生物所吸收，因此认为水体重金属与以下物质有关：如悬浮物、浮游生物和溶解的有机质[45]。 
..........

第2章 研究方案

2.1  研究区域概况 
万盛区地处重庆市西南方位，在重庆与贵州的边界处，距重庆市主城区 89公里，其与綦江县、南川区以及贵州的桐梓县接壤，处于北纬 28.46°-29.06°，东经 106.45°-107.03°，幅员面积 565.76 平方公里，下辖 8 个镇和两个街道。研究区处于两省三个县的交界处，东边和北边与南川区相邻，南边与贵州的桐梓县相接，西边与綦江区接壤。整个区内有 305 省道、綦万高速公路，渝黔铁路三万支线和它的延长段万南铁路从西向东横穿区内，万盛区内的交通主要以省道、高速公路和铁路为主，这个线路形成贯通了区内各个乡镇的交通网络，交通便利。 万盛区境内矿产资源丰富，率属于南桐矿业有限公司的主要有 6 个采矿区，分别是：红岩矿区、砚石台矿区、东林矿区、鱼田堡矿区、南桐矿区和新田湾矿区，矿区分布图和研究区位置图如图  2-1 所示，有煤、硫铁矿、石灰岩、白云岩、皂石、石英砂、水泥粘土、耐火粘土类等，由于万盛区矿山的开采，矸石山、固体废弃物的外排和渗入土壤，导致矿区及其周围土壤中重金属尤其是锌、砷等元素相对来说较高。 
..........

2.2  测量仪器及数据处理工具介绍
本文测量地物光谱的仪器是采用 ASD 公司生产的 Field ProIII 光谱仪，波段覆盖范围从 350nm 到 2500nm，该仪器可以用作测量辐射、辐照度和反射率等，操作简单，在不同波段范围具有不同的光谱分辨率，350 到 1000nm 的数据采样间隔为 1.4nm，光谱分辨率是 3nm，1000nm 到 2500nm 的采样间隔是 2nm，光谱分辨率是 10nm。该仪器配备一个具有 25°视场角的光纤探头，探头前配一个手枪，用于在不对物体产生阴影的情况下精确的对准待测目标物体，在仪器测量前，首先进行 20 分钟的预热，用来避免由于不同的预热系数造成测量误差。一块25.4cm×25.4cm 的白板需要用来进行对 ASD 光谱仪进行优化设置，通常来讲，每间隔 10-15 分钟重新优化一次对于避免照明条件的改变造成的干扰是有好处的。 一般重金属含量的化学分析方法主要有原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、X-射线荧光法和等离子体质谱法等；其中原子吸收分光光度法速度快、准确度高等优点，主要用来测定钾和钠等[70]；原子荧光光谱法和氢化物-原子吸收光谱法相比较来说，仪器简单、受到气相干扰少和灵敏度高，对于 Hg 等元素的测定，由于这些元素的荧光光谱线主要是位于 200-290 纳米之间，正好是日盲光电倍增管灵敏度最好的波段，因此显示出其独特的优点[71]；X-射线荧光法，其优点是不需要对固定样品进行预消化处理，可以同时对多种元素进行测定，效率较高[72]；等离子体质谱法对于一般的元素其检出限制和景点的光谱法很相近，但是对于难熔元素，具有很好的检出限，且其精密度方面要好于上述的经典光谱法，干扰水平低、准确度高、线性范围大[73]，因此结合本文的实际情况和各种化学分析方法的优缺点，本文采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)来分析土壤和水体样本中的重金属含量，ICP-MS 灵敏度高、干扰少、检出限低、线性范围宽、可进行同位素分析等优点，可以分析几乎地球上所有元素，被公认为最强有力的无机元素分析技术[74-76]。 
..........

第 3 章 研究区主要农作物波谱分析 ........ 13 
3.1  粉尘污染分析 ....... 15 
3.1.1 分析方法..... 15 
3.1.2 同一矿区不同农作物滞尘能力分析......... 16 
3.1.3 同一农作物在不同矿区粉尘含量分析..... 25 
3.2  研究区主要农作物长势波谱分析 ....... 26 
3.2.1 土壤重金属含量化学分析......... 27 
3.2.2 重金属对植被光谱特征影响分析..... 27 
3.2.3 重金属对植被红边影响分析..... 30 
3.3  本章小结 ....... 32 
第 4 章 水体重金属含量反演 .... 33 
4.1  水体波谱特征 ....... 34 
4.2  水体实测重金属含量 ........... 34 
4.3  水体光谱特征参数的提取 ........... 35 
4.4  反演模型的建立 ........... 36 
4.5  水体重金属含量空间分布结果 ........... 38 
4.6  本章小结 ....... 41 
第 5 章 土壤重金属含量反演 .... 43 
5.1  土壤波谱特征 ....... 43 
5.2  土壤实测重金属含量 ........... 43 
5.3  土壤光谱特征参数的提取 ........... 44 
5.4  反演模型的建立 ........... 46 
5.5  土壤重金属含量空间分布结果 ........... 47 
5.6  本章小结 ....... 50 

第5章 土壤重金属含量反演

本文在 2012 年 3 月以及 8 月两个时间段采集了研究区的土壤样本及其光谱数据，土壤采样点分布图如图  4-1 所示，其中部分土壤样本在实验室内进行化学分析，得到其中的重金属含量，然后结合分析得到的土壤重金属的光谱特征，采用回归方法建立土壤中 As、Cd、Zn 三种重金属的反演模型，经过反距离权重插值，得到研究区这三种重金属含量的分布图。

5.1  土壤波谱特征

土壤自身是一种很复杂的混合物，是由不同的物质组成，这些组成物质物理和化学性质相异，从而会对土壤的反射和吸收光谱特征造成差异，总的来说，土壤光谱特性主要是受到土壤含水量、成土矿物、有机物以及土壤质地等因素的影响。 一般土壤中会含有石英、白云母、长石、少量的辉石等原生矿物，这些矿物含量比较高，其次还含有赤铁矿、磷灰石和黄铁矿等，其中石英、钾长石和白云母等是最稳定矿物，辉石和橄榄石等是最不稳定的矿物。水分也是土壤的重要组成物质，而且也是评价土壤质量好坏的一个重要的指标，当土壤中水分含量增加时，土壤的整体反射率会呈现下降的趋势，尤其是在水体的 1900nm 和 2700nm这两个吸收带处土壤的反射率下降更加的明显[78]。土壤中有机质指的是哪些来源于植物或者微生物的物质，其中腐殖质占有机质的主体，一般把腐殖质分为富里酸和胡敏酸，其中胡敏酸的反射能力很强，在整个波段区间内近乎呈现一条水平的直线，富里酸是在红黄部分强烈反射，呈现棕色，有机质对于土壤反射率的影响主要是集中在可见光和近红外波段，其中在 600-800nm 之间所受影响最大[86]。土壤中的铁主要是以氧化铁的形式存在，氧化铁会对土壤光谱反射特性造成比较大的影响，随着氧化铁含量的增加，土壤的反射率会下降，一般来说土壤的反射率会随着氧化铁的含量呈现下降的趋势，但是在 500-700nm 这个波段区间，氧化铁对于电磁波的吸收增强幅度变化较小，因此土壤一般呈现黄红色，和有机质对于土壤的影响一样，铁对于土壤的反射特性主要集中在可见光和近红外波段[87]。 

...........

结论

重庆市万盛区矿产资源丰富，其中主要有 6 大矿区，分别是红岩矿区、砚石台矿区、东林矿区、鱼田堡矿区、南桐矿区和新田湾矿区，本文对这六大矿区的主要农作物、水体和土壤进行光谱的采集与分析，结合采集的土壤和水体化学分析的常见重金属含量结果，定性的分析矿区内主要农作物的粉尘覆盖量、所受重金属胁迫程度，定量的分析研究区水体和土壤中的常见重金属含量，建立了重金属含量与特征光谱之间的模型，最终通过农作物、水体和土壤对重庆市万盛区的矿区环境进行评价。 本文在 2012 年 8 月在矿区采集了 67 组茄子叶、117 组红薯叶、118 组南瓜叶的光谱数据，并采集了红薯叶和南瓜叶周围土壤，用化学方法分析了其中的 Cr、Mn、Cd 含量。对于茄子叶、南瓜叶和红薯叶的粉尘含量覆盖分析，，绿色植被在1000nm、1200nm 有两个小的吸收峰，但是当植被被粉尘覆盖时，这两个吸收峰会逐渐减小，且随着粉尘覆盖量的增加，植被的整体反射率降低，通过对在同一个矿区内不同农作物的粉尘含量和同一作物在不同矿区的粉尘含量进行分析，定性的得到三种农作物滞尘能力和六大矿区的粉尘含量；经过分析，发现对于三种农作物，对于粉尘的滞留能力分别是南瓜叶的滞尘能力大于茄子叶，红薯叶滞尘能力最弱；对于六大矿区粉尘含量，新田湾矿区的茄子叶、南瓜叶和红薯叶的粉尘含量均相对较低，而鱼田堡矿区的茄子叶粉尘含量较高，砚石台矿区的南瓜叶和红薯叶的粉尘含量较高，由此有可能可以间接的说明在这六个矿区中，新田湾矿区粉尘含量相对来说是比较低的，而鱼田堡矿区和砚石台矿区粉尘含量相对来说比较高。 
.........
参考文献(略)

本文编号：42126