土壤污染中遙感研究現(xiàn)狀分析論文

摘要：針對(duì)土壤污染可能出現(xiàn)的概念理解偏差， 首先介紹土壤污染及其特點(diǎn)， 明確了遙感技術(shù)監(jiān)測土壤污染的目標(biāo)與內(nèi)容范疇。從土壤污染遙感監(jiān)測研究， 包括光譜機(jī)理、土壤污染反演、植被脅迫遙感反演等方面， 全面總結(jié)了各種方法的主要進(jìn)展、特點(diǎn)及應(yīng)用中的問題。結(jié)合土壤污染監(jiān)測需求， 尤其是《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》的明確需求， 分析了遙感技術(shù)在土壤污染源監(jiān)管、土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控、土壤調(diào)查布點(diǎn)優(yōu)化、土壤污染反演研究等方面中的應(yīng)用前景， 表明遙感技術(shù)可以提高土壤污染監(jiān)測能力， 并為土壤環(huán)境管理提供全面宏觀信息。

關(guān)鍵詞：土壤污染; 遙感; 土十條; 重金屬;

　　引言

　　土壤是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)， 關(guān)系人民群眾身體健康， 關(guān)系美麗中國建設(shè)， 保護(hù)好土壤環(huán)境是推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和維護(hù)國家生態(tài)安全的重要內(nèi)容。我國土壤環(huán)境總體狀況堪憂， 部分地區(qū)污染較為嚴(yán)重。2005年至2013年開展了首次全國土壤污染狀況調(diào)查， 結(jié)果表明， 全國土壤總的點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%， 其中輕微、輕度、中度和重度污染點(diǎn)位比例分別為11.2%、2.3%、1.5%和1.1%[1]。國務(wù)院于2016年5月印發(fā)了《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》 (“土十條”) ， 實(shí)施“土十條”是國家向污染宣戰(zhàn)的三個(gè)重大戰(zhàn)略之一， 而土壤污染狀況調(diào)查與土壤環(huán)境監(jiān)測是打贏土壤污染戰(zhàn)役的重要基礎(chǔ)。

　　傳統(tǒng)的土壤污染研究是通過室內(nèi)分析野外實(shí)地逐點(diǎn)采集的樣品， 獲取各樣點(diǎn)的污染物質(zhì)含量， 研究大部分則集中污染物化學(xué)測定方法、賦存狀態(tài)、污染與所依附的微觀環(huán)境的關(guān)系、污染分布遷移規(guī)律、污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法等[2-5]。這種方法能夠取得相對(duì)良好的測量精度， 但耗時(shí)費(fèi)力、效率較低， 而且無法較好地獲取空間上連續(xù)分布信息。遙感作為空間技術(shù)為宏觀快速獲取土壤重金屬污染信息提供了新的途徑， 尤其是近年來， 國內(nèi)外多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在空間分辨率、時(shí)間分辨率、輻射分辨率、光譜分辨率等方面均取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展， 為遙感技術(shù)在土壤重金屬污染調(diào)查與監(jiān)測方面發(fā)揮更大作用提供了可能。因此， 本文主要總結(jié)土壤污染遙感監(jiān)測進(jìn)展， 結(jié)合目前土壤污染監(jiān)測的迫切需求， 分析遙感技術(shù)在土壤重金屬污染監(jiān)測中的可能應(yīng)用前景。

1 土壤污染與土壤污染遙感

1.1 土壤污染及特點(diǎn)

　　土壤污染是指所引入之物質(zhì)或制劑的性質(zhì)、數(shù)量或濃度可對(duì)土壤功能或使用價(jià)值產(chǎn)生負(fù)面影響。土壤污染的要素主要包括三方面的內(nèi)容 (土壤污染三要素) ， 即有可識(shí)別的人為污染物， 有可鑒別的污染物數(shù)量的增加， 有現(xiàn)存 (直接顯露) 或潛在 (通過轉(zhuǎn)化) 的危害后果[6]。人們?cè)趯?shí)際工作中重點(diǎn)關(guān)注的是土壤污染或者是污染土壤 (指已經(jīng)構(gòu)成污染的樣點(diǎn)、場地和不同尺度的區(qū)域土壤) 。然而， 由于對(duì)概念理解的差異性， 容易混淆了沾污和污染的差別， 可能導(dǎo)致夸大土壤污染或污染土壤的問題。

　　土壤污染源可以分為天然源和人為源。天然源是指自然界自行向環(huán)境排放有害物質(zhì)或造成有害影響的場所， 此種狀況一般稱為自然災(zāi)害， 如正在活動(dòng)的火山。人為源是指人類活動(dòng)所形成的污染源， 是研究的主要對(duì)象， 而在這些污染源中， 化學(xué)物質(zhì)對(duì)土壤的污染是人們最為關(guān)注的。按照物質(zhì)或制劑進(jìn)入土壤的途徑所劃分的土壤污染源可分為污水灌溉、固體廢棄物的利用、農(nóng)藥和化肥的施用、大氣沉降等。

　　土壤是不可再生資源， 形成一厘米土壤大概需要幾百年到上千年。土壤污染具有累積性、不均勻性和長期存在性等特點(diǎn)， 污染物在土壤中遷移、擴(kuò)散和稀釋速度極慢， 土壤一旦污染， 將是“天長地久”。

　　土壤污染在土壤中的形態(tài)是其毒性的發(fā)揮的重要影響因子， 同時(shí)污染在土壤中的形態(tài)也是光譜于遙感識(shí)別的重要基礎(chǔ)。就土壤重金屬而言， 可以分為水溶態(tài)、交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘留態(tài)。

1.2 土壤污染遙感

　　遙感是以電磁波與地球表面物質(zhì)相互作用為基礎(chǔ)， 探測、分析和研究地球資源與環(huán)境， 揭示地球表面各要素的空間分布特征與時(shí)空變化規(guī)律的一門科學(xué)技術(shù)。近年來， 隨著遙感技術(shù)的發(fā)展， 衛(wèi)星遙感技術(shù)已經(jīng)在氣象、海洋、環(huán)境、減災(zāi)等各行各業(yè)取得長足的發(fā)展和應(yīng)用。根據(jù)高分專項(xiàng)[7]、《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃 (2015-2025年) 》[8]等規(guī)劃， 未來我國將發(fā)射多顆具有高空間分辨率、高光譜分辨率、高時(shí)間分辨率、高輻射分辨率的高分衛(wèi)星， 將進(jìn)一步豐富衛(wèi)星數(shù)據(jù)的供給。

　　土壤污染遙感即利用遙感技術(shù)進(jìn)行土壤污染的識(shí)別、反演、監(jiān)管或風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。遙感器對(duì)土壤污染或相關(guān)要素的響應(yīng)是開展土壤污染遙感的基礎(chǔ)。因此， 土壤污染遙感應(yīng)用需要開展土壤污染的監(jiān)測需求與可遙感性分析 (響應(yīng)可識(shí)別性分析) ， 理清哪些需求可以通過遙感技術(shù)來實(shí)現(xiàn)， 哪些需求可以輔助來實(shí)現(xiàn)， 哪些需求可以引導(dǎo)遙感載荷發(fā)展。

2 土壤污染遙感研究現(xiàn)狀

　　土壤污染遙感監(jiān)測研究主要是在光譜機(jī)理、土壤污染反演、植被脅迫遙感反演等方面。

2.1 土壤污染光譜機(jī)理研究

　　在土壤污染分析監(jiān)測過程中， 運(yùn)用光譜分析法對(duì)重金屬、有機(jī)污染物進(jìn)行分析已成為一種快速的例行分析方法[9]。土壤污染物質(zhì)及其與土壤結(jié)合后形成的特定光譜是進(jìn)行光譜識(shí)別的基礎(chǔ)， 因此， 進(jìn)行土壤重金屬污染、有機(jī)物污染的光譜測量與統(tǒng)計(jì)分析是土壤污染光譜機(jī)理研究的主要方面。

　　一些學(xué)者對(duì)有機(jī)污染物光譜測量做了探索研究， 從文獻(xiàn)來看數(shù)量不多， 總體處于探索階段。如劉慶生等對(duì)遼河三角洲土壤中石油類物質(zhì)進(jìn)行光譜測量并初步構(gòu)建模型[10];趙春喜利用太赫茲時(shí)域光譜檢測技術(shù)對(duì)土壤中滴滴涕等3種有機(jī)物進(jìn)行了檢測分析[11];王忠東等利用熒光光譜特征對(duì)土壤中有機(jī)污染物進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)[12];蓋利亞等[13]對(duì)農(nóng)藥類污染場地進(jìn)行光譜特征分析， 并明確出污染土壤的光譜響應(yīng)特征。

　　土壤中重金屬元素含量較低， 反射電磁輻射能量弱， 光譜特征不明顯， 容易被土壤其他成分的光譜特征所掩蓋， 因此通過直接分析重金屬元素的特征光譜來估算其含量比較困難[14]。因此， 重金屬與土壤中光譜活性物質(zhì) (有機(jī)質(zhì)、氧化物、粘土礦物、土壤水份等) 的內(nèi)在聯(lián)系是基于土壤反射光譜研究重金屬的基礎(chǔ)。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)利用反射光譜法估算土壤重金屬含量進(jìn)行了大量的研究， 主要包括了土壤重金屬含量估算機(jī)理、土壤成分光譜特征、土壤光譜特征提取方法和估算模型等研究內(nèi)容[15]。

　　使用的光譜儀有多種品牌， 國內(nèi)常用于土壤光譜測量的儀器， 以Field Spec便攜式分光輻射光譜儀居多。光譜測試范圍可以從紫外光到紅外波段 (波長范圍0.35~2.5μm) ， 波長精度±1nm， 測試對(duì)象包括固體、液體等， 以測量土壤反射率和輻射率為主[16]。

　　統(tǒng)計(jì)分析方法主要有兩種。一是通過實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析得到土壤樣本重金屬含量和土壤鐵氧化物、有機(jī)質(zhì)等的含量， 直接計(jì)算重金屬與土壤組分之間的相關(guān)系數(shù)， 依據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小判定土壤重金屬與土壤光譜活性物質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系。如王維等[17]通過對(duì)350~2500nm波段范圍光譜曲線進(jìn)行測試， 分別分析了土壤重金屬Cu與土壤化學(xué)組分、土壤化學(xué)成分與土壤特征光譜之間的關(guān)系， 通過土壤中鐵含量和鎂含量實(shí)現(xiàn)了光譜法對(duì)土壤重金屬Cu的間接預(yù)測。二是采用回歸分析的方法建立重金屬含量反演模型， 分析重金屬含量反演模型在土壤光譜波段上的權(quán)重， 依據(jù)土壤光譜活性物質(zhì)的光譜特征， 建立重金屬元素與土壤組分之間的.聯(lián)系。如解憲麗等[18]選擇江西貴溪銅冶煉廠污染區(qū)采集土樣， 分析了9種重金屬元素與土壤可見光-近紅外反射光譜之間的相關(guān)性及其相關(guān)的原因。吳昀昭等[19]利用單變量和多元回歸分析建立了南京地區(qū)土壤反射率光譜與Hg含量之間的關(guān)系， 并通過這種數(shù)量關(guān)系快速預(yù)測了土壤Hg含量。

　　雖然光譜分析在理論探索和實(shí)用性方面被廣泛應(yīng)用， 但光譜定量分析建立在相對(duì)比較的基礎(chǔ)上， 建模的眾多假設(shè)與實(shí)際監(jiān)測土壤存在較大差異， 影響實(shí)際監(jiān)測的精度。