土壤污染中遙感研究現(xiàn)狀分析論文
摘要：針對土壤污染可能出現(xiàn)的概念理解偏差， 首先介紹土壤污染及其特點， 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《土壤污染防治行動計劃》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)險管控、土壤調(diào)查布點優(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)濟社會可持續(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， 全國土壤總的點位超標(biāo)率為16.1%， 其中輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為11.2%、2.3%、1.5%和1.1%[1]。國務(wù)院于2016年5月印發(fā)了《土壤污染防治行動計劃》 (“土十條”) ， 實施“土十條”是國家向污染宣戰(zhàn)的三個重大戰(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)分析野外實地逐點采集的樣品， 獲取各樣點的污染物質(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)險評價方法等[2-5]。這種方法能夠取得相對良好的測量精度， 但耗時費力、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
土壤污染是指所引入之物質(zhì)或制劑的性質(zhì)、數(shù)量或濃度可對土壤功能或使用價值產(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]。人們在實際工作中重點關(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、場地和不同尺度的區(qū)域土壤) 。然而， 由于對概念理解的差異性， 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， 如正在活動的火山。人為源是指人類活動所形成的污染源， 是研究的主要對象， 而在這些污染源中， 化學(xué)物質(zhì)對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， 污染物在土壤中遷移、擴散和稀釋速度極慢， 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， 同時污染在土壤中的形態(tài)也是光譜于遙感識別的重要基礎(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[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)行土壤污染的識別、反演、監(jiān)管或風(fēng)險評價。遙感器對土壤污染或相關(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)可識別性分析) ， 理清哪些需求可以通過遙感技術(shù)來實現(xiàn)， 哪些需求可以輔助來實現(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 土壤污染光譜機理研究
在土壤污染分析監(jiān)測過程中， 運用光譜分析法對重金屬、有機污染物進(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)行光譜識別的基礎(chǔ)， 因此， 進(jìn)行土壤重金屬污染、有機物污染的光譜測量與統(tǒng)計分析是土壤污染光譜機理研究的主要方面。
一些學(xué)者對有機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域光譜檢測技術(shù)對土壤中滴滴涕等3種有機物進(jìn)行了檢測分析[11];王忠東等利用熒光光譜特征對土壤中有機污染物進(jìn)行測量實驗[12];蓋利亞等[13]對農(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)計分析方法主要有兩種。一是通過實驗室化學(xué)分析得到土壤樣本重金屬含量和土壤鐵氧化物、有機質(zhì)等的含量， 直接計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現(xiàn)了光譜法對土壤重金屬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用性方面被廣泛應(yīng)用， 但光譜定量分析建立在相對比較的基礎(chǔ)上， 建模的眾多假設(shè)與實際監(jiān)測土壤存在較大差異， 影響實際監(jiān)測的精度。
2.2 土壤污染遙感
從土壤污染光學(xué)遙感進(jìn)展類文獻(xiàn)來看[15，16，20，21]， 很多學(xué)者開展了多光譜光學(xué)及高光譜遙感的土壤污染監(jiān)測研究。有從元素類型上分， 建立不同元素的遙感反演方法;從遙感手段上看， 有多光譜手段、近地表高光譜、航空高光譜、衛(wèi)星平臺高光譜等開展土壤污染監(jiān)測。
從監(jiān)測對象來說， 有開展流域造成的重金屬污染， 如Eunyoung Choe等[22]利用Hymap高光譜數(shù)據(jù)制作了河流沉積物重金屬污染分布圖， 蘭澤英等[23]利用高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行樂安河流域重金屬污染反演。有開展農(nóng)田污灌造成的重金屬污染， 如王燕[24]利用高光譜數(shù)據(jù)開展石家莊污灌區(qū)重金屬遙感反演。有對污染場地進(jìn)行土壤污染進(jìn)行遙感監(jiān)測， 如蓋利亞等[13]對農(nóng)藥類污染場地進(jìn)行光譜特征分析。也有對一般性土壤開展重金屬制圖研究， 如張威[10]開展三江源草地的重金屬高光譜反演研究。很大一部分學(xué)者對礦山、尾礦庫地區(qū)土壤重金屬污染開展遙感監(jiān)測， 如Kemper等[25]開展礦區(qū)土壤重金屬光譜研究。
總體來說， 估算探測土壤中的重金屬含量， 其精度和穩(wěn)定性受限， 主要原因在于土壤重金屬含量通常屬于痕量級， 即使在重污染區(qū)域， 即土壤重金屬含量大于三級臨界值的區(qū)域 (參見《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》) [26]， 其診斷性光譜特征也很容易湮沒在其他土壤組分的影響之中。但總體而言， 土壤污染程度越高， 如典型的污染場地， 遙感反演與識別的效果更好。因此， 針對重點污染場地， 分析其土壤污染特征與規(guī)律對進(jìn)行土壤污染遙感具有較強的可行性。
3 應(yīng)用展望
目前來說， 土壤污染遙感研究主要集中在遙感機理與模型的構(gòu)建方面， 與實際的管理應(yīng)用需求結(jié)合不是很緊密。利用已有成熟遙感技術(shù)， 結(jié)合土壤污染光譜、反演、植被脅迫等方面的遙感研究進(jìn)展， 面向國務(wù)院發(fā)布的《土壤污染防治行動計劃》中提出的土壤環(huán)境質(zhì)量管理需求， 可更為實用地以下幾個方面發(fā)揮遙感優(yōu)勢。
3.1 土壤污染源遙感監(jiān)管
土壤污染源是土壤污染的源頭， 加強工礦企業(yè)的環(huán)境監(jiān)管， 切斷土壤污染的源頭， 遏制土壤污染擴大的趨勢。《土壤污染防治行動計劃》中， 多次提出對于重點污染源、礦產(chǎn)資源集中開采區(qū)、石油開采區(qū)的監(jiān)管及農(nóng)膜污染的防治。遙感技術(shù)上述污染源監(jiān)管工作中可以起到重要的支撐作用。對于礦產(chǎn)集中開采區(qū)， 可以利用遙感技術(shù)劃定礦產(chǎn)開發(fā)土壤污染邊界， 開展礦區(qū)未利用地環(huán)境遙感監(jiān)管。對于石油開采區(qū)， 可以利用遙感技術(shù)劃定土壤污染范圍與面積， 開展油田開采區(qū)未利用地環(huán)境遙感監(jiān)管。對于農(nóng)田農(nóng)膜， 可以利用遙感技術(shù)對河北、遼寧、山東、河南、甘肅、新疆等農(nóng)膜使用量較高省份進(jìn)行遙感監(jiān)測， 分析農(nóng)膜使用面積以及回收面積變化。對于固體廢物集中堆存場地， 可以利用遙感技術(shù)對尾礦庫、煤矸石、工業(yè)副產(chǎn)石膏、粉煤灰、赤泥、冶煉渣、電石渣、砷渣以及脫硫脫硝除塵產(chǎn)生固體廢物的堆存場所， 開展遙感識別與遙感監(jiān)管。對于重點行業(yè)企業(yè)用地中污染地塊， 利用遙感技術(shù)監(jiān)測污染地塊的分布及其環(huán)境風(fēng)險。
3.2 遙感技術(shù)服務(wù)風(fēng)險管控
《土壤污染防治行動計劃》中強調(diào)， 要“強化未污染土壤保護(hù)”， 對已污染的土地， 要“防范人居環(huán)境風(fēng)險”。立足多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)， 開展相關(guān)空間的遙感監(jiān)測。一是對土壤良好區(qū)域、國家劃定的土壤環(huán)境保護(hù)重點區(qū)域， 依法開展遙感監(jiān)測， 監(jiān)測可能存在的破壞行為。二是對土壤嚴(yán)重污染區(qū)域， 國家劃定的土壤污染控制區(qū)， 進(jìn)行遙感監(jiān)測， 防止在此周邊建立居住區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院等。
另外， 通過收集污染源普查數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、遙感解譯等， 摸清區(qū)域典型土壤污染源分布， 形成土壤污染源分布數(shù)據(jù)集。疊合土壤污染源、遙感專題參數(shù)、環(huán)境敏感區(qū) (如居民聚居區(qū)、保護(hù)區(qū)) 、氣候氣象、河流水系、土壤侵蝕、地形地貌、地表覆蓋與土地利用分類等信息， 耦合經(jīng)濟社會發(fā)展數(shù)據(jù)， 進(jìn)行區(qū)域尺度上土壤污染風(fēng)險評價與分區(qū)。在不同情景下， 模擬重金屬污染過程， 進(jìn)行區(qū)域風(fēng)險評價， 并有針對性提出控制方案。
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