湖北恩施地区土壤重金属高光谱反演模型研究

文章以恩施地区土壤重金属As、Cd、Cr、Pb、Cu、Zn为研究对象,利用ASD地物光谱仪采集土壤光谱数据,在光谱预处理和相关分析的基础上,采用偏最小二乘回归(PLSR)方法,构建土壤重金属含量与光谱的反演预测模型.结果 表明,平滑处理、一阶导数、去趋势、归一化处理散射校正(SNV)4种光谱处理方法组合使用可以有效地提高模型反演精度;通过对PLSR模型RMSEC、RMSECV、RMSEP、R2Cal 、R2CV 、R2Pred、6种参数分析发现,As、Pb、Cu相比Cd、Cr、Zn在PLSR模型中的测误差值较小且模型的相关性较高,说明模型可以预测As、Pb、Cu 3种元素,该研究为后期采用高光谱遥感影像数据快速监测恩施地区土壤重金属污染情况提供了技术参考.     

天山北麓土壤有机质高光谱特征分析

随着土壤遥感科学的快速发展,光谱技术及其相关理论分析在农业生产与生态规划领域得到了广泛的应用。通过对光谱反射率进行一阶微分与倒数对数形式的变换,选取相关系数较大的波段构建基于多元逐步回归与偏最小二乘法的反演模型,得到如下基本结论:土壤光谱的一阶微分的变化,显著提高了土壤有机质含量与光谱间的敏感性;在多元逐步回归分析中,反射率一阶微分的多元回归模型的稳定性及预测精度最好;在偏最小二乘法回归分析中,反射率倒数对数模型的决定系数达到了最高的0.962,而总均方根误差为最低的1.082,其模型的稳定性及预算精度优于其他模型;总体上,偏最小二乘法回归模型的稳定性及预测精度优于多元回归模型,能够进一步满足研究区土壤有机质含量估算的实际需求。     

GF-5高光谱遥感影像的土壤有机质含量反演估算研究

本文基于高光谱遥感影像对土壤有机质含量进行反演估算,以哈尔滨与兴安盟交界处的平原地表土壤为试验对象.首先,基于辐射和几何校正等预处理的高分五号（GF-5）高光谱遥感影像,依据五点采样法采集影像覆盖范围的地表土壤样本共100组,在实验室内进行理化分析等一系列处理获取样本土壤有机质含量数据.然后,运用偏最小二乘法建立高光谱影像土壤沙化指数、土壤退化指数、归一化亮度指数和土壤盐分指数反演土壤有机质含量的估算模型.比较基于原始反射率数据、一节微分反射率数据和4种土壤指数构建的反演模型的预测精度,通过65%的建模样本和35%的预测样本验证表明,反演模型中基于土壤指数建立的反演模型的预测验证精度最高,预测集验证中ρ为0.816,RMSE为1.7287.并将该反演模型运用到高光谱影像的土壤有机质含量的反演估算,实际测量的SOM与影像反演SOM含量变化趋势一致,相关性达到80.023%以上,验证了模型的反演估算精度.     

基于连续小波变换的土壤重金属镉含量的高光谱估测

选择合理的处理方法可增强土壤光谱中有效信息特征,提高模型估测精度。以新疆渭-库绿洲土壤为研究对象,基于连续小波变换(continuous wavelet transformation, CWT)与传统数学变换相结合的方法进行光谱数据处理并提取特征波段,采用偏最小二乘回归(PLSR)、BP神经网络(BPNN)、随机森林回归(RFR)和支持向量机回归(SVMR)方法构建土壤重金属镉含量估测模型。结果表明：(1)土壤原始光谱曲线趋势基本一致,在600～2 450 nm范围内,随着重金属镉含量增加,其光谱反射率降低,二者呈负相关。(2)CWT与原始光谱一阶微分(R′)相结合的处理效果最佳,|r|值可达到0.586,为极显著负相关(P<0.001),表明数学变换与连续小波变换相结合的处理方法可有效反应光谱细节特征。(3)对比各模型的反演结果,发现CWT-R′-SVMR模型的训练集和验证集的决定系数(R²)大于0.86,均方根误差(RMSE)小于0.02 mg/kg,相对分析误差(RPD)大于2,建模效果较好,可作为最优模型对研究区土壤重金属镉含量进行估测。结合数学变换...     

基于微分变换的湿地植物高光谱全氮反演

叶片全氮含量是监测和诊断湿地植物生理状况及生长趋势的重要指标,利用高光谱技术监测湿地植物氮含量,对于理解湿地生态系统氮循环具有重要意义.为探究湿地植物叶片全氮含量遥感光谱的估算方法,以云南省大理西湖湿地公园优势植物芦苇（Phragmites australis）和茭草（Zizania caduciflora）全氮含量为研究对象,对叶片光谱数据进行预处理并建立二者的关系模型,包括单变量模型、多变量模型（偏最小二乘回归模型和BP神经网络模型）,并利用决定系数（r²）和均方根误差（RMSE）对模型精度进行检验.结果表明:（1）不同形式的光谱变换增强了植物全氮含量与光谱变量的细节特征,二者的短波红外波段相关性强于可见光近红外波段.芦苇二阶微分（R"）反射率与全氮含量在1682 nm处相关性最强,相关系数为0.70;茭草平方根二阶微分[(R^1/2)"]反射率与全氮含量在1 190 nm处相关性最强,相关系数高达-0.80.（2）不同植物类型相比,利用茭草的变换光谱反射率建立的单变量和偏最小二乘回归模型建模精度都高于芦苇.（3）不同回归模型相比,BP神经...     

干旱区绿洲农田土壤重金属含量高光谱反演

对新疆渭库绿洲土壤样本的As、Hg、Pb、Cr、Zn和Cu共6种重金属含量与高光谱关系进行分析,基于逐步回归方法筛选出特征波段,采用地理加权回归(GWR)和普通最小二乘法回归(OLS)构建土壤重金属的高光谱反演模型.结果显示:1)研究区的6种重金属元素含量存在一定的差异,土壤中的平均重金属含量依次为Zn>Pb>Cr>Cu>As>Hg,均未超过国家土壤背景值.研究区的Pb平均含量高于当地(新疆)土壤背景值,即研究区表土层中的Pb元素明显富集;2)不同的光谱变换使土壤重金属的光谱特征均得到了增强,但强度有所差异,经过二阶微分变换(SD)和一阶立方根微分变换(CRFD)的土壤光谱相对于原始光谱增强最显著;3)从模型验证来看,在反演6个土壤重金属元素含量时,GWR的R²高于OLS,其中Zn的R²接近0.8,Cu的R²接近0.6,表明模型有一定预测能力,而As、Hg、Pb和Cr的R²均依然低于0.5,模型预测能力并不理想;4)两种模型预测的6种土壤重金属含量的空间分布表现出一定的...     

基于高光谱的土壤全氮含量估测

基于高光谱(350~2 500 nm)数据,研究了我国中、东部地区5种主要类型土壤全氮含量与高光谱反射率之间的定量关系,构建了基于偏最小二乘法(PLS)、BP神经网络(BPNN)和特征光谱指数的土壤全氮含量估算模型。结果表明,以500~900 nm、1 350~1 490 nm区域波段反射率经Norris滤波平滑后的一阶导数光谱为基础,构建的基于PLS和BPNN的土壤全氮含量估算模型精度较高,建模决定系数分别为0.81和0.98;独立观测资料检验结果显示,模型预测决定系数分别为0.81和0.93,均方根误差RMSE为0.219 g·kg^-1和0.149 g·kg^-1,相对分析误差RPD为2.28和3.36,说明PLS和BPNN模型对土壤全氮含量具有较高的预测精度。在光谱指数的分析中,基于近红外872 nm和1 482 nm 两个波段的差值光谱指数DI(NDR₈₇₂,NDR₁₄₈₂)对土壤全氮含量最敏感,建模决定系数、预测决定系数、RMSE和RPD分别为0.66、0.53、0.31 g·kg^-1和1.60。比较而言,三种方法估算土壤氮含量的精度顺序为BPNN模型＞PLS＞DI(NDR₈₇₂,NDR₁₄₈₂),基于PLS和BPNN两种方法建立的土壤全氮含量高光谱估测模型具有较高的精度,可以用来精确估算土壤全氮含量;基于两波段构建的DI(NDR₈₇₂,NDR₁₄₈₂)预测效果低于前两者,但也可以用来粗略估测土壤中的全氮含量。     

龙口市污灌区铅含量高光谱监测研究

为了研究土壤光谱预测重金属Pb含量的可行性,使用重采样、一阶微分、倒数对数、小波分析和去包络线5种光谱数据处理方法,分别测取了样本点的土壤光谱数据和Pb元素含量,并通过逐步回归模型实现了土壤光谱数据对Pb元素含量的预测。研究发现基于倒数对数数据处理方法建立的回归模型精度较高,这表明使用土壤光谱预测Pb元素含量是可行的。     

试论土壤重金属光谱检测技术

本文基于土壤重金属光谱检测技术进行了分析,并重点介绍了几种较为常见的光谱检测技术,包括激光诱导击穿技术、原子荧光光谱法、原子吸收光谱法、表面增强拉曼光谱法、X射线荧光光谱技术等,分析了各自的工作原理以及优缺点,以期为同行提供有益的参考。     

鄱阳湖沉积物重金属污染影响因素分析——基于STIRPAT模型

为探究人类活动对鄱阳湖沉积物重金属污染的影响,于2017年10月在鄱阳湖入口、出口及湖区布设20个采样点位,开展鄱阳湖沉积物重金属表层及垂向分布特征调查,评价其潜在生态风险.利用¹³⁷Cs和²¹⁰Pb计年法推算出鄱阳湖沉积物的平均沉积速率,并结合柱状分层样品重金属含量,得出具体年代的重金属蓄积特性.基于STIRPAT模型,通过偏最小二乘回归分析得到鄱阳湖沉积物重金属演变与总人口数量、城镇化率、实际人均GDP、绿色专利申请数、第二产业占比、第三产业占比6种社会经济指标的多元非线性模型.结果表明：（1）鄱阳湖表层沉积物重金属Cu污染最为严重且生态风险程度最高, 地累积指数为“强”或“中-强”污染范畴,单因子潜在生态风险指数平均值为47.25,属于“中等”生态风险.整个湖区的总潜在生态风险指数RI平均值为107.07,表明鄱阳湖表层沉积物重金属总体处于低生态危害水平.（2）1988~2017年总人口数量是影响鄱阳湖沉积物重金属Cd和Cu污染的最主要正向因素,其他正向因素为第二产业占比、第三产业占比、城镇化率及实际人均GDP,绿色专利申请数所反映出的区域绿色技术创新能力及环保研发投入对鄱阳湖沉积物重金属Cd、Cu污染具有负相关关系.     

基于UNMIX模型的北京城区公园土壤重金属源解析

城市公园是城市环境中重要的生态功能区和人们的主要公共娱乐休闲场所.为了分析北京城区公园的土壤环境质量,采集了北京城区121个公园土壤样本,分析了5种重金属（Cr、Cu、Pb、Zn、Cd）的含量水平,并采用UNMIX模型对上述重金属进行源解析.结果表明:①北京城区公园土壤中w（Cr）、w（Cu）、w（Pb）、w（Zn）、w（Cd）的平均值分别为63.57、35.49、36.43、145.68、0.49 mg/kg.除w（Cr）外,w（Cu）、w（Pb）、w（Zn）、w（Cd）的平均值均高于区域背景值.5种重金属含量均未超过GB 36600—2018《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》中的筛选值,说明北京城区公园土壤环境质量整体状况良好.②城市化时间和公园存续时间是影响重金属累积的重要因素.城市中心区重金属积累是历史和高负荷交通共同影响的结果.③源解析分析显示,北京城区公园土壤重金属存在三大污染源,其中,源1对w（Cr）的贡献占主导作用,为土壤母质和特殊工业源,贡献率为21.38%;源2对w（Cd）的贡献高于其他重金属,为工农业混合源,贡献率为35.43%;源3对w（Cu）、w（Zn）、w（Pb）的贡献较高,为交通源,贡献率为43.19%.研究显示,历史上的工农业活动是北京城市公园土壤重金属的重要来源.      

工业和交通对城市降尘中砷和5种重金属的影响研究

为了研究工业和交通对降尘中As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn的影响,在上海市杨浦区设置11个采样点,对采样点降尘中砷和5种重金属元素的含量进行了调查,并分析工业和交通对降尘中砷和5种重金属元素的影响.结果表明工业和交通影响区域降尘中砷和5种重金属元素的含量,相对于土壤背景值,降尘中Cd、Cu、Zn三种重金属的含量较高,...     

基于地球化学基线的土壤重金属污染风险评价

在实地采样分析的基础上,采用标准化方法确定浑河冲洪积平原表层土壤中Cu、Pb、Zn、Ni、Cr、As、Cd这七种重金属的地球化学基线,分别以土壤环境背景值和地球化学基线为参比值,结合müller地积累指数法和Hkanson潜在生态风险指数法对污染现状和潜在生态风险进行评价。结果表明:其中Pb和As污染较为严重,七种重金属均具有不同程度的潜在生态风险,Cd是具有相对较高潜在生态风险的污染因子,45%采样点土壤多种重金属的潜在生态风险达到中等。     

土壤中重金属生物有效性研究

土壤重金属污染问题是当前主要的环境问题,结合中国人多耕地少的国情,中国面临的土壤环境安全问题更加严峻.已有大量实验研究表明,土壤环境中能被生物吸收利用的重金属才是衡量重金属元素对生态环境影响的关键参数.文章在分析国内外土壤重金属生物有效性相关文献的基础上,介绍了生物有效性的定义以及影响土壤重金属生物有效性的因素,讨论了两种常用研究土壤有效态重金属方法(化学提取法和生物学评价法)的原理和优缺点,在此基础上,提出今后的研究方向,以供研究者参考.     

南京市绿地土壤重金属分布特征及其污染评价

为了解南京市主城区绿地土壤中重金属污染现状,分析了南京市主城区绿地表层土壤5种重金属元素(Cr、Cu、Zn、Pb和Cd)的含量状况及其空间分布特征,并利用单因子污染指数法、内梅罗综合指数法及潜在生态风险指数法对重金属的污染程度及其潜在生态风险进行了评价.结果表明,南京市主城区绿地土壤中5种重金属元素的平均含量均高于南京...     

基于UNMIX模型的夹皮沟金矿区土壤重金属源解析

采集松花江上游夹皮沟地区的土壤样品,测定了16种金属元素的含量,应用美国环境保护署推荐的UNMIX模型进行了土壤重金属的源解析研究,并结合克里格插值法提取的Hg、Pb和Cd浓度等值线图与实际的调查,佐证源解析的结果.研究表明:1土壤样品中Cd、Hg、Pb、Ag浓度较高,超过吉林省土壤背景值,富集程度明显;2UNMIX方法解析出4个土壤重金属污染来源:源1代表选矿、公路交通及垃圾排放等人类活动的污染,源贡献率为39.31%;源2代表岩石风化和生物作用,贡献率为13.87%;源3为土壤母质和施用化肥、居民燃煤导致的综合污染源,贡献率23.93%;源4代表铁矿开采及运输,贡献率为22.89%.3研究区土地利用类型、人类活动调查、Hg、Pb、Cd含量分布特征与UNMIX模型解析的结果是基本吻合的.     

城市污水回用于山地绿化灌溉土壤重金属的空间变异性

新疆乌鲁木齐市雅玛里克山国家级绿化示范基地的灌溉用水为雅玛里克山污水厂一级出水(乌鲁木齐生活污水出水). 在面积为59 hm2的污灌区布设了61个采样点,测定了表土(0～20 cm)中Cu,Zn,Ni,Cr,Pb,Cd的含量和pH,有机质(OM)含量,阳离子交换量(CEC)等土壤理化参数,并在此基础上进行了尼梅罗综合污染指数评价和基于地理信息系统(GIS)及地统计学的研究. 结果表明,6种重金属的平均含量均低于国家二级标准(GB15168-1995)限值;采样区的土壤重金属总体上属于轻度污染. Zn,Cr,Pb和Cd含量变异函数曲线的理论模型符合指数模型;Ni和OM含量及CEC的理论模型表现为高斯模型;Cu含量和pH的理论模型为球状模型. Pb,Ni,Cr,OM含量和pH,CEC表现为中等强度的空间自相关,Cu,Zn和Cd含量均表现出强烈的空间自相关. 重金属a值最大的是Pb (450 m),而其他重金属的a值多集中在100～200　m,采用普通克立格最优内插法对未测点重金属,pH,OM含量和CEC进行最优估计,绘制了空间分布图,更直观地反映出了重金属元素及土壤理化参数的空间变异特征.      

基于环境效应的土壤重金属临界负荷制图

我国高速发展的工业化和城市化造成土壤重金属污染问题日益严重,威胁到生态环境和人体健康,因此重金属污染的防控与管理变得尤其重要.临界负荷是重金属风险管理的重要工具,可以用来防范重金属污染危害的发生.本文基于现状平衡、水环境效应以及健康风险这3种情形,采用稳态质量平衡模型,分别计算Cd、Cu、Pb和Zn元素在不同效应水平下的临界负荷值并进行制图,分析重金属临界负荷及其空间分布特征,利用长三角地区和中国的农田重金属输入通量,估算出超临界负荷的面积比例.结果表明,Cd的临界负荷值最小,Pb次之,Cu和Zn较大.研究区内各元素的临界负荷在空间上存在差异,低值区主要分布在林地,高值区零散地分布于城市东部与西南部,农田以中值区和中高值区为主.与通量监测数据比较发现,各重金属元素均出现超临界负荷现象,其中研究区90%以上面积的Pb、Zn元素均超出不同效应下的临界负荷,Cd元素主要在现状平衡与健康风险下出现超临界负荷,Cu元素在现状平衡与水环境效应下出现大面积超临界负荷.本文研究的不同效应水平下的重金属临界负荷可以作为重金属排放控制的参考,从而有效地控制重金属的排放来防止重金属污染风险的发生.     

北京市土壤重金属含量背景值的系统研究

在大规模、系统取样布点的基础上,从803个土壤样品中选出其中120个的"清洁"土壤样品,分析统计后提出了北京市土壤重金属的背景值.研究结果表明,北京市土壤As含量的背景值为7.09 mg/kg、Cd为0.119 mg/kg、Cr为29.8 mg/kg、Cu为18.7 mg/kg、Ni为26.8 mg/kg、Pb为24.6 mg/kg、Zn为57.5 mg/kg.与以前研究中所提出的背景值相比,本研究新提出的土壤Cd背景值提高125%,Pb和Ni的背景值没有明显的差异,但是As、Cr、Cu、Zn的土壤背景值则降低19%～55%.