作物重金属铜污染的HHT边际谱特征与污染预测模型

为了解读作物受重金属污染的光谱响应与光谱特征,以不同浓度梯度硫酸铜（CuSO₄·5H₂O）胁迫土壤的盆栽玉米培养胁迫实验为研究对象,依据不同胁迫梯度下玉米叶片反射光谱以及叶片中Cu²⁺含量的测定数据,采用希尔伯特-黄变换（HHT）方法,研究了玉米叶片在不同Cu²⁺胁迫梯度下光谱的Hilbert边际谱变化特征与污染程度预测方法.通过构建玉米叶片光谱的边际谱熵（MSE）,边际谱幅值（MSA）、边际谱陡坡斜率（MSSS）和边际谱包围面积（MSEA）等特征参量,分析叶片在不同Cu²⁺污染程度下的边际谱变化;同时基于边际谱特征参量值与叶片中Cu²⁺含量的相关性分析和逐步回归统计,提出了玉米叶片重金属污染的Cu²⁺含量预测指数模型.实验结果表明,不同Cu²⁺胁迫梯度下,玉米叶片光谱的边际谱为分布在100Hz频率以内的连续谱;MSE值表现出与叶片中Cu²⁺含量呈负相关的变化趋势,而MSA、MSSS和MSEA值都表现出与叶片中Cu²⁺含量呈正相关的变化趋势;由于MSEA值与叶片中Cu²⁺含量的相关性最好,可把MSEA作为监测作物重金属污染衡量或预测的最优指标;根据MSE、MSA、MSSS和MSEA值构建的Cu²⁺含量预计指数模型应用结果比较,证明MSEA指数模型具有最优的预测能力.     

基于高光谱指数的水稻砷污染胁迫多重判别模型

水稻中过量砷(As)能够影响叶片中叶绿素含量、水分含量以及细胞内部结构,进而改变水稻在光谱上的特征表现.以表征叶绿素、水分含量、细胞结构的NDVI、NDWI、SIPI等9种高光谱指数和实测水稻叶片砷含量数据为基础,利用相关分析、主成分分析和独立变量分析方法,获得诊断指标对水稻砷污染胁迫进行多重光谱判别.结果表明,表征不同生理参数的高光谱指数PSNDa、fWBI、SIPI与水稻叶片砷含量高度相关,可作为砷污染单级光谱诊断参数;主成分因子F1、F2和独立变量因子ICA1、ICA2对水稻砷污染胁迫具有特殊反应,分别作为水稻砷污染胁迫的主成分诊断指标和独立分量诊断指标.综合上述3类诊断参数,构建水稻砷污染胁迫多重判别空间体系即光谱指数诊断空间(PSNDa-fWBI、PSNDa-SIPI、fWBI-SIPI)、主成分诊断空间(F1-F2)和独立变量诊断空间(ICA1-ICA2),从不同层面上综合诊断了实验区水稻砷污染胁迫情况,其中以表征叶绿素和细胞结构的光谱指数空间PSNDa-SIPI与主成分空间F1-F2诊断效果为最佳.     

速生树种竹柳对重金属胁迫的生理响应

为探讨速生树种竹柳(Salix sp.)对重金属胁迫的生理响应及耐受机制,以竹柳三号和竹柳五号为试验材料,在重金属复合污染(镉、铜、锌)的水稻土条件下处理65 d后,研究了其叶片叶绿素(Chl)、类胡萝卜素(Car)、可溶性糖、脯氨酸、可溶性蛋白、丙二醛(MDA)含量及过氧化物酶(POD)和超氧化歧化酶(SOD)活性的响应变化.结果表明:重金属胁迫下,两种竹柳叶片的叶绿素、类胡萝卜素、可溶性糖、可溶性蛋白含量均显著(p0.05)降低,而脯氨酸含量、过氧化物酶、超氧化歧化酶活性均显著(p0.05)升高.重金属胁迫下,竹柳三号叶片的脯氨酸、可溶性蛋白含量和超氧化歧化酶活性均显著(p0.05)低于竹柳五号,而叶绿素b含量和过氧化物酶活性反之.对照土壤中,竹柳三号的可溶性糖、可溶性蛋白含量和过氧化物酶、超氧化歧化酶活性均显著低于竹柳五号,叶绿素含量反之.两种竹柳的叶绿素a/叶绿素b值、丙二醛含量无显著差异.综上所述,叶绿素、类胡萝卜素、可溶性糖和可溶性蛋白含量等可以作为竹柳耐重金属胁迫的评价指标.竹柳五号在重金属胁迫作用下可维持较高的可溶性糖、可溶性蛋白含量和过氧化物酶、超氧化歧化酶活性,因此,竹柳五号比竹柳三号对重金属胁迫有更强的耐性.     

铜胁迫下玉米叶片光谱奇异性分析及污染评估

为了区分不同浓度铜离子(Cu~(2+))胁迫引发玉米的叶片光谱间微弱信息差异和铜污染程度,根据玉米叶片实测的SVC高光谱数据和同步获取的玉米叶片中铜含量数据,利用Daubechies小波系中的"Db5"小波,得到玉米叶片光谱在350~2500nm波段范围小波分解的第5层高频组分(d5),并采用盒维法计算d5的分形维数,通过分形维数邻近变化率(α)讨论不同铜胁迫梯度下玉米叶片光谱分形维数的变化趋势,从而可对d5的奇异范围、奇异幅度等光谱奇异性参数进行定量计算和分析.结果表明:d5能精确地探测到玉米不同铜胁迫梯度污染的光谱奇异性弱信息,并实现不同污染程度玉米高光谱信号的分离;d5分形维数随污染程度的增加先减小后缓慢升高,最后达到峰值,其中Cu(100)分形维数值最小;CK(0)与Cu(100)间α为负,其他两个胁迫梯度区间内均为正,且Cu(100)和Cu(300)间α绝对值最小,而Cu(300)和Cu(500)间α绝对值最大;通过建立玉米叶片铜含量估算模型验证了玉米叶片中铜含量与奇异幅度及分形维数之间存在较强的相关关系,各胁迫梯度玉米叶片中Cu含量的差异均达到显著水平(为0.05),其决定系数R2=0.9501.所以,光谱高频组分分形维数和奇异性特征能够有效地诊断并定量分析玉米铜污染程度状况,从而可为作物重金属污染监测提供借鉴意义.     

基于冠层多维光谱的水稻镉污染胁迫诊断模型研究

鉴于镉对水稻各种生理特征参数的影响具有复杂隐蔽性,导致冠层光谱特征变化微小,需要采用一些方法增强和提取隐含在光谱中的污染弱信息.在水稻冠层高光谱数据和各种实测生化参数的支持下,利用主成分分析、独立分量分析和分形分析技术从高光谱遥感数据中提取镉污染弱信息,获取水稻镉污染敏感光谱因子,包括第一主成分F1、独立分量ICA1和光谱分维D.利用3个敏感因子分别构建水稻镉污染一维诊断模型,获得较好的诊断效果.进一步将3个光谱因子进行组合构建二维诊断模型和三维诊断模型,使污染胁迫诊断结果更稳定直观.     

玉米光谱小波奇异熵的铜污染监测研究

不同浓度铜离子(Cu2+)胁迫梯度下的玉米叶片光谱存在细微差异,但传统的光谱相似性测度方法难以区分健康的与受污染的玉米叶片光谱间的变异信息.为此,本文结合小波变换和奇异熵理论,构建小波奇异熵(Wavelet Singular Entropy,WSE)方法用于Cu2+胁迫下的玉米污染程度分析与污染监测.通过设置不同浓度Cu2+胁迫梯度下的玉米盆栽实验,依据玉米叶片的光谱测量数据和所测定的叶片中Cu2+含量,并与绿峰高度(Green-peak Height,GH)和红谷吸收深度(Red-valley Depth,RD)光谱特征参数法污染监测应用结果进行对比分析,研究WSE方法的Cu2+污染监测效果.结果表明,WSE值与Cu2+胁迫梯度、玉米叶片中Cu2+含量呈显著正相关,WSE值大小能够较好地表征叶片光谱的污染信息奇异性及其污染程度.     

基于随机模拟与三角模糊数耦合的重金属污染评价模型

基于河流环境系统中随机性、模糊性等多种不确定信息共存的特性,采用蒙特卡罗方法模拟三角模糊数,并将其应用到沉积物重金属污染评价领域,通过将各重金属实测含量及地球化学背景值三角模糊化,然后进行随机模拟,并结合各等级概率水平加权进行综合污染等级分析,建立了基于随机模拟与三角模糊数(SS-TFN)理论的沉积物重金属地累积指数评价模型.采用该模型对湘江长沙段沉积物中重金属污染状况进行评价.结果表明,Cd的污染程度最大,处于严重污染级别;其次为Zn和Hg,处于重度污染级别,并有向严重污染恶化的趋势;而其他重金属污染程度则较低.相对于确定性评价方法,该模型能够得出评价区域重金属地累积指数的可能值区间及其相应的概率水平,客观真实地综合表征沉积物中重金属分布及污染情况,为科学决策提供更多全面合理的信息.     

基于梯形模糊数的沉积物重金属污染风险评价模型与实例研究

综合考虑到经典确定性污染评价模型的现实缺陷,将梯形模糊数理论引入环境评价领域,通过将研究区域重金属背景值及重金属实测含量的梯形模糊数化,结合聚类分析、α-截集技术和区间数隶属度计算,最后基于定义的重金属生物毒性评价权重系数建立了沉积物重金属污染风险模糊评价模型.采用该评价模型评价了洞庭湖表层沉积物重金属污染的风险状况,结果表明,洞庭湖水系表层沉积物中7种重金属污染风险程度排序为:Hg>Cd>Pb>Cu>Cr>Zn>As,Hg、Cd和Pb应成为洞庭湖水环境污染治理的优先控制因子.与确定性模型评价结果的对比分析表明,模糊评价模型得出了各重金属地累积指数的可能值区间,并进而得出与之对应的隶属可信度水平,从而较好地弥补了确定性评价的不足,更客观地、全面地表征了评价区域沉积物中重金属的真实污染状态与空间分布差异.     

高浓度铬对凤眼莲的伤害及膜脂过氧化作用的影响

为了初步探讨在高浓度重金属胁迫下凤眼莲(Eichhornia crassipes)的生理变化,通过急性实验法从活性氧伤害角度探讨铬伤害凤眼莲的机理.结果表明,在高浓度(50ppm)铬污染下,凤眼莲叶片中SOD和CAT活性以及叶绿索α的含量明显下降,组织电解质外渗率和MDA含量明显升高,与对照值之间的差异达显著水平(P<0.05);叶片中H_2O_2含量无明显变化.     

单一重金属污染对水稻叶片光合特性的影响

以杂交稻协优818为材料，研究了Cu^2＋、Hg^2＋、Cd^2＋ 3种重金属离子对水稻叶片光合特性的影响。试验结果表明：（1）Cu^2＋在低浓度时BI起叶片叶绿素含量降低。而Hg^2＋、Cd^2＋在低浓度时。则导致叶绿素含量增加：高浓度时，3种重金属均BI起叶绿素含量降低。同时，低浓度时3种重金属离子均导致叶绿素a／b值升高：高浓度时则均引起叶绿素a／b值下降。（2）Cu^2＋、Hg^2＋、Cd^2＋对水稻叶片叶绿素的吸收光谱均无明显影响，在活体条件下并未发生卟啉环中Mg^2＋的置换。（3）Cu^2＋、Hg^2＋、Cd^2＋均引起叶片希尔反应活力降低，即重金属污染明显影响光合作用。     

属性识别理论模型应用于土壤重金属污染评价

土壤重金属污染评价是土壤环境质量评价研究的重要组成部分。基于模糊数学理论建立的属性识别理论模型在其他环境要素评价中已有所应用,现将其应用到土壤重金属污染评价中。该法能较好地把握土壤环境质量各级标准界限的模糊性,并继承了模糊数学方法本身在评价领域应用的优点,实际操作较为简便。为较客观地反映评价因子对土壤环境质量的影响,模型中引入重金属生物有效性的概念与传统权重系数确定法相结合构造各指标权重。该模型评价结果基本上与其他评价方法的结果相一致,并能较为客观地反映出土壤环境的污染状况。     

四环素与镉复合污染对水稻根系的影响

为阐明抗生素与重金属复合污染对水稻根系的影响机制,考察了四环素（TC）与镉（Cd）单一和复合污染条件下,水培分蘖期水稻根系生长、污染物积累和根系分泌物的变化特征.结果表明：TC与Cd单一处理时,根部生物量和叶绿素含量下降,表现出毒害作用,低剂量的TC与Cd共同作用能够缓解其毒性效应;TC与Cd单一/复合污染均使根的伸长和植株蒸腾量表现出低促高抑现象.水稻根系对TC和Cd的吸收积累呈现出显著的剂量效应,且两者共存会改变污染物的生物可利用性及在根系的亲和力,从而协同促进TC和Cd在水稻根系的吸收积累,但更多的TC会与Cd络合导致根系Cd吸收减少.TC与Cd单一污染可显著抑制根系分泌物的分泌,复合污染条件下,对根系分泌物的影响随浓度升高存在差异：低浓度时能在一定程度上缓解TC/Cd对光合作用的抑制作用,且伴随蒸腾作用的增加,水稻根系分泌物增多;而高浓度时根系细胞完整性可能受损,进而抑制根系分泌物的分泌.进一步分析发现,高浓度时,根系分泌物中氨基酸及衍生物类、有机酸类和糖醇类物质的分泌显著增加,可能是因为TC与Cd的络合作用使Cd的生物可利用性降低,缓解了高Cd胁迫对水稻的毒性,促进分泌有机酸类、氨基酸及衍生物类和糖醇类物质,增强自我防护作用.本研究结果可为保障水稻安全生产,建立有效控制抗生素-重金属类复合污染的根际调控措施提供参考数据.     

臭氧污染对水稻生长、产量及矿质金属元素含量的影响

地表臭氧(O_3)浓度升高造成的空气污染是日渐关注的重要环境问题,既直接危害人体健康,也影响农业生态系统,威胁农作物的生长发育和农产品品质,其中矿质金属元素含量由于同时涉及微量营养元素和有害重金属而尤为重要.本研究开展了O_3浓度升高处理(维持100 nL·L~(-1))的开顶箱(OTC)田间试验,通过2个水稻品种的作物生长监测和采样分析比较,探讨了O_3污染对水稻生长、产量及籽粒矿质金属元素含量的影响.结果表明,高浓度O_3抑制了南粳5055和扬稻6号两种水稻叶片的光合作用并降低了叶绿素含量和叶面积指数,进而导致稻谷产量下降,与自然空气对照相比分别减产45.5%和28.6%;但收获籽粒的糙米和颖壳中大部分矿质金属元素含量升高,与对照相比增幅分别达3.6%～19.8%和3.9%～36.0%,因而由此导致的微量元素缺乏或重金属污染等相关粮食品质安全影响需要综合评价.     

黔西北山区耕地重金属健康风险评价及环境基准

以贵州省西北某典型喀斯特山区耕地为研究区,通过对137组土壤-农作物协同样品中重金属（Cd、 Hg、 As、 Pb和Cr）含量进行检测,系统评价了区域土壤和农作物中重金属健康暴露风险,并基于物种敏感分布模型（SSD）反推区域耕地土壤环境风险基准值.结果表明：研究区玉米和水稻土壤均受到不同程度重金属（Cd、 Hg、 As、 Pb和Cr）污染,其中Cd为首要污染物,超标率在87%～445%之间,且玉米地>水稻田;与土壤重金属高污染水平相反,仅有3.51%和13.04%的玉米籽粒和稻米中Cd含量超过国家食品安全限量标准,重金属Cd累积能力为水稻>玉米.健康风险评价结果显示,重金属对研究区成人和儿童的致癌/非致癌风险均处于较低水平,稻米摄入的致癌风险略高于玉米,儿童的健康风险值均高于成人.研究区土壤环境基准值是基于保护95%（HC₅）和5%(HC₉₅)的作物品种安全所得的土壤风险值,玉米土壤Cd、 As、 Pb和Cr的HC₅值分别为0.67、 771.99、 40.85和609.88 mg·kg^-1     

商陆对镉锌铜胁迫的生理响应与金属积累特性

以水培方法研究了商陆(Phytolacca acinosa)在不同浓度镉、锌和铜处理下的叶绿素含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、生物量和组织重金属含量。结果表明,随着处理浓度增加,叶绿素含量、SOD活性和生物量呈先增加后降低趋势。组织重金属含量在镉、锌、铜为最高浓度处理时达到最高值。根重金属含量高于茎和叶。叶片中重金属含量的最大值分别为镉100.6mg/kg、锌2753mg/kg、铜36.9mg/kg。商陆对锌的蓄积能力接近于超积累植物东南景天,是一种在锰锌复合污染土壤植物修复中具有较大应用潜力的种质资源。     

典型锰矿区周边农田土壤-农作物重金属污染特征及生态风险评价

以湖南省某典型关停锰矿区为研究对象,采集了矿区周边（污染区）和远离矿区（对照区）的农作物及其对应的土壤样品,测定了Cr、 Mn、 Ni、 Cu、 Zn、 As、 Cd和Pb等8种重金属含量,利用ArcGIS空间插值和主成分分析法分析了土壤重金属的分布及主要来源,重点探讨了土壤及对应农作物间重金属迁移规律,采用单因子、综合污染指数法以及潜在生态风险指数法进行了生态风险评价.结果表明,污染区存在严重的Cd、 Zn、 As和Mn污染,其中旱田中的平均含量分别为6.22、 612.28、 37.72和1 506.2 mg·kg^-1,相较农用地风险筛选值,Cd、 Zn和As超标率分别为88.41%、 94.2%和84.06%, Mn的平均含量是湖南土壤背景值的3倍,水田污染相对较轻.由主成分分析可知农田土壤中Cd、 Zn和Mn的来源与锰矿开采有关,As可能来源于农业活动.污染区为重污染等级,Cd、 Mn和Zn是主要的污染因子,土壤中Cd存在极强的潜在生态风险,其余重金属具有轻微的潜在生态风险.研究区农作物主要存在Cr、 Pb和Cd超标且超标率在1.1%～37.3%,其中,玉...