礦區(qū)復(fù)墾土壤重金屬光譜特征與估算研究.pdf

1、中國的礦區(qū)復(fù)墾土壤被優(yōu)先用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，然而由于復(fù)墾工藝的特殊性以及復(fù)墾環(huán)境的復(fù)雜性，充填物料所攜帶的重金屬元素和礦區(qū)環(huán)境要素都有可能造成礦區(qū)復(fù)墾土壤重金屬污染，并通過糧食作物危害人體健康。通過傳統(tǒng)方法監(jiān)測礦區(qū)復(fù)墾土壤重金屬污染情況不僅費(fèi)時、費(fèi)力，而且難以進(jìn)行大面積動態(tài)實(shí)施。研究利用礦區(qū)復(fù)墾土壤光譜信息估算其重金屬含量，可為及時、高效、大范圍監(jiān)測礦區(qū)復(fù)墾土壤重金屬污染提供有效方法，為礦區(qū)土壤重金屬污染評價和礦區(qū)糧食安全調(diào)控提供理論基礎(chǔ)與技

2、術(shù)支持。本文以徐州市柳新國家復(fù)墾示范區(qū)內(nèi)煤矸石充填場地、粉煤灰充填場地和正常對照場地的表層土壤為研究對象，采用傳統(tǒng)化學(xué)分析方法測定了土壤中五種重金屬元素（Cd鎘、Cr鉻、Cu銅、Pb鉛、Zn鋅）含量，同時借助ASD FieldSpec3型光譜儀采集了土壤樣點(diǎn)的光譜數(shù)據(jù)。在土壤光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理、光譜特征分析的基礎(chǔ)上提取重金屬脅迫敏感波段，并利用多元線性回歸、廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和序列最小優(yōu)化支持向量機(jī)方法建立礦區(qū)復(fù)墾土壤重金屬光譜估算模型。

3、r>　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴礦區(qū)復(fù)墾場地中土壤重金屬含量及污染風(fēng)險程度均大于對照場地。研究區(qū)中煤矸石復(fù)墾場地、粉煤灰復(fù)墾場地和正常場地重金屬含量均未超過土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；相對于土壤元素背景值，三塊場地中均存在部分元素超標(biāo)的現(xiàn)象，復(fù)墾場地中鎘、鉻、銅、鉛、鋅元素含量均高于對照場地；通過地累積指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法對研究場地土壤重金屬污染情況進(jìn)行評價，得到復(fù)墾場地中土壤出現(xiàn)重金屬的輕微-中度污染，對照場地中僅銅元素發(fā)生輕度污染，復(fù)墾場地重金

4、屬污染程度均高于正常場地。說明粉煤灰和煤矸石在作為充填物料進(jìn)行充填復(fù)墾時攜帶的重金屬元素會對復(fù)墾土壤造成污染。⑵礦區(qū)復(fù)墾土壤重金屬元素含量與反射光譜之間存在顯著相關(guān)。礦區(qū)復(fù)墾土壤光譜數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理變換后，有效突出了光譜特征，其中尤以光譜的一階微分變換和包絡(luò)線去除的效果最優(yōu)。選取的重金屬污染脅迫敏感波段可以有效表征重金屬在土壤光譜中的信息，其光譜反射率與土壤中鎘、鉻、銅、鉛、鋅元素含量存在顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)絕對值依次大于0.78、0.82

5、、0.7、0.77和0.74。⑶礦區(qū)復(fù)墾土壤重金屬光譜估算模型的反演效果較好。應(yīng)用多元線性回歸、廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和序列最小優(yōu)化支持向量機(jī)方法建立的礦區(qū)復(fù)墾土壤重金屬光譜反演模型均能在一定程度上表現(xiàn)出較好的估算效果。從估算效果上評價，從高到低依次是序列最小優(yōu)化支持向量機(jī)回歸模型、廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和多元線性回歸模型，其中利用序列最小優(yōu)化支持向量機(jī)回歸模型估算礦區(qū)復(fù)墾土壤中鎘、鉻、銅、鉛、鋅元素含量的決定系數(shù)分別達(dá)到0.8628、0.85