土壤汙染中遙感研究現狀分析論文
摘要：針對土壤汙染可能出現的概念理解偏差， 首先介紹土壤汙染及其特點， 明確了遙感技術監測土壤汙染的目標與內容範疇。從土壤汙染遙感監測研究， 包括光譜機理、土壤汙染反演、植被脅迫遙感反演等方面， 全面總結了各種方法的主要進展、特點及應用中的問題。結合土壤汙染監測需求， 尤其是《土壤汙染防治行動計劃》的明確需求， 分析了遙感技術在土壤汙染源監管、土壤汙染風險管控、土壤調查布點最佳化、土壤汙染反演研究等方面中的應用前景， 表明遙感技術可以提高土壤汙染監測能力， 併為土壤環境管理提供全面宏觀資訊。
關鍵詞：土壤汙染; 遙感; 土十條; 重金屬;
引言
土壤是經濟社會可持續發展的物質基礎， 關係人民群眾身體健康， 關係美麗中國建設， 保護好土壤環境是推進生態文明建設和維護國家生態安全的重要內容。我國土壤環境總體狀況堪憂， 部分地區汙染較為嚴重。2005年至2013年開展了首次全國土壤汙染狀況調查， 結果表明， 全國土壤總的點位超標率為16.1%， 其中輕微、輕度、中度和重度汙染點位比例分別為11.2%、2.3%、1.5%和1.1%[1]。國務院於2016年5月印發了《土壤汙染防治行動計劃》 (“土十條”) ， 實施“土十條”是國家向汙染宣戰的三個重大戰略之一， 而土壤汙染狀況調查與土壤環境監測是打贏土壤汙染戰役的重要基礎。
傳統的土壤汙染研究是透過室內分析野外實地逐點採集的樣品， 獲取各樣點的汙染物質含量， 研究大部分則集中汙染物化學測定方法、賦存狀態、汙染與所依附的微觀環境的關係、汙染分佈遷移規律、汙染風險評價方法等[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分佈資訊。遙感作為空間技術為宏觀快速獲取土壤重金屬汙染資訊提供了新的途徑， 尤其是近年來， 國內外多源衛星遙感資料在空間解析度、時間解析度、輻射解析度、光譜解析度等方面均取得突飛猛進的發展， 為遙感技術在土壤重金屬汙染調查與監測方面發揮更大作用提供了可能。因此， 本文主要總結土壤汙染遙感監測進展， 結合目前土壤汙染監測的迫切需求， 分析遙感技術在土壤重金屬汙染監測中的可能應用前景。
1 土壤汙染與土壤汙染遙感
1.1 土壤汙染及特點
土壤汙染是指所引入之物質或製劑的性質、數量或濃度可對土壤功能或使用價值產生負面影響。土壤汙染的要素主要包括三方面的'內容 (土壤汙染三要素) ， 即有可識別的人為汙染物， 有可鑑別的汙染物數量的增加， 有現存 (直接顯露) 或潛在 (透過轉化) 的危害後果[6]。人們在實際工作中重點關注的是土壤汙染或者是汙染土壤 (指已經構成汙染的樣點、場地和不同尺度的區域土壤) 。然而， 由於對概念理解的差異性， 容易混淆了沾汙和汙染的差別， 可能導致誇大土壤汙染或汙染土壤的問題。
土壤汙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境排放有害物質或造成有害影響的場所， 此種狀況一般稱為自然災害， 如正在活動的火山。人為源是指人類活動所形成的汙染源， 是研究的主要物件， 而在這些汙染源中， 化學物質對土壤的汙染是人們最為關注的。按照物質或製劑進入土壤的途徑所劃分的土壤汙染源可分為汙水灌溉、固體廢棄物的利用、農藥和化肥的施用、大氣沉降等。
土壤是不可再生資源， 形成一釐米土壤大概需要幾百年到上千年。土壤汙染具有累積性、不均勻性和長期存在性等特點， 汙染物在土壤中遷移、擴散和稀釋速度極慢， 土壤一旦汙染， 將是“天長地久”。
土壤汙染在土壤中的形態是其毒性的發揮的重要影響因子， 同時汙染在土壤中的形態也是光譜於遙感識別的重要基礎。就土壤重金屬而言， 可以分為水溶態、交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機結合態和殘留態。
1.2 土壤汙染遙感
遙感是以電磁波與地球表面物質相互作用為基礎， 探測、分析和研究地球資源與環境， 揭示地球表面各要素的空間分佈特徵與時空變化規律的一門科學技術。近年來， 隨著遙感技術的發展， 衛星遙感技術已經在氣象、海洋、環境、減災等各行各業取得長足的發展和應用。根據高分專項[7]、《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃 (2015-2025年) 》[8]等規劃， 未來我國將發射多顆具有高空間解析度、高光譜解析度、高時間解析度、高輻射解析度的高分衛星， 將進一步豐富衛星資料的供給。
土壤汙染遙感即利用遙感技術進行土壤汙染的識別、反演、監管或風險評價。遙感器對土壤汙染或相關要素的響應是開展土壤汙染遙感的基礎。因此， 土壤汙染遙感應用需要開展土壤汙染的監測需求與可遙感性分析 (響應可識別性分析) ， 理清哪些需求可以透過遙感技術來實現， 哪些需求可以輔助來實現， 哪些需求可以引導遙感載荷發展。
2 土壤汙染遙感研究現狀
土壤汙染遙感監測研究主要是在光譜機理、土壤汙染反演、植被脅迫遙感反演等方面。
2.1 土壤汙染光譜機理研究
在土壤汙染分析監測過程中， 運用光譜分析法對重金屬、有機汙染物進行分析已成為一種快速的例行分析方法[9]。土壤汙染物質及其與土壤結合後形成的特定光譜是進行光譜識別的基礎， 因此， 進行土壤重金屬汙染、有機物汙染的光譜測量與統計分析是土壤汙染光譜機理研究的主要方面。
一些學者對有機汙染物光譜測量做了探索研究， 從文獻來看數量不多， 總體處於探索階段。如劉慶生等對遼河三角洲土壤中石油類物質進行光譜測量並初步構建模型[10];趙春喜利用太赫茲時域光譜檢測技術對土壤中滴滴涕等3種有機物進行了檢測分析[11];王忠東等利用熒光光譜特徵對土壤中有機汙染物進行測量實驗[12];蓋利亞等[13]對農藥類汙染場地進行光譜特徵分析， 並明確出汙染土壤的光譜響應特徵。
土壤中重金屬元素含量較低， 反射電磁輻射能量弱， 光譜特徵不明顯， 容易被土壤其他成分的光譜特徵所掩蓋， 因此透過直接分析重金屬元素的特徵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 (有機質、氧化物、粘土礦物、土壤水份等) 的內在聯絡是基於土壤反射光譜研究重金屬的基礎。國內外學者對利用反射光譜法估算土壤重金屬含量進行了大量的研究， 主要包括了土壤重金屬含量估算機理、土壤成分光譜特徵、土壤光譜特徵提取方法和估算模型等研究內容[15]。
使用的光譜儀有多種品牌， 國內常用於土壤光譜測量的儀器， 以Field Spec行動式分光輻射光譜儀居多。光譜測試範圍可以從紫外光到紅外波段 (波長範圍0.35~2.5μm) ， 波長精度±1nm， 測試物件包括固體、液體等， 以測量土壤反射率和輻射率為主[16]。
統計分析方法主要有兩種。一是透過實驗室化學分析得到土壤樣本重金屬含量和土壤鐵氧化物、有機質等的含量， 直接計算重金屬與土壤組分之間的相關係數， 依據相關係數的大小判定土壤重金屬與土壤光譜活性物質之間的相關關係。如王維等[17]透過對350~2500nm波段範圍光譜曲線進行測試， 分別分析了土壤重金屬Cu與土壤化學組分、土壤化學成分與土壤特徵光譜之間的關係， 透過土壤中鐵含量和鎂含量實現了光譜法對土壤重金屬Cu的間接預測。二是採用迴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重， 依據土壤光譜活性物質的光譜特徵， 建立重金屬元素與土壤組分之間的聯絡。如解憲麗等[18]選擇江西貴溪銅冶煉廠汙染區採集土樣， 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性及其相關的原因。吳昀昭等[19]利用單變數和多元迴歸分析建立了南京地區土壤反射率光譜與Hg含量之間的關係， 並透過這種數量關係快速預測了土壤Hg含量。
雖然光譜分析在理論探索和實用性方面被廣泛應用， 但光譜定量分析建立在相對比較的基礎上， 建模的眾多假設與實際監測土壤存在較大差異， 影響實際監測的精度。
2.2 土壤汙染遙感
從土壤汙染光學遙感進展類文獻來看[15，16，20，21]， 很多學者開展了多光譜光學及高光譜遙感的土壤汙染監測研究。有從元素型別上分， 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、衛星平臺高光譜等開展土壤汙染監測。
從監測物件來說， 有開展流域造成的重金屬汙染， 如Eunyoung Choe等[22]利用Hymap高光譜資料製作了河流沉積物重金屬汙染分佈圖， 蘭澤英等[23]利用高光譜資料進行樂安河流域重金屬汙染反演。有開展農田汙灌造成的重金屬汙染， 如王燕[24]利用高光譜資料開展石家莊汙灌區重金屬遙感反演。有對汙染場地進行土壤汙染進行遙感監測， 如蓋利亞等[13]對農藥類汙染場地進行光譜特徵分析。也有對一般性土壤開展重金屬製圖研究， 如張威[10]開展三江源草地的重金屬高光譜反演研究。很大一部分學者對礦山、尾礦庫地區土壤重金屬汙染開展遙感監測， 如Kemper等[25]開展礦區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， 其精度和穩定性受限， 主要原因在於土壤重金屬含量通常屬於痕量級， 即使在重汙染區域， 即土壤重金屬含量大於三級臨界值的區域 (參見《土壤環境質量標準》) [26]， 其診斷性光譜特徵也很容易湮沒在其他土壤組分的影響之中。但總體而言， 土壤汙染程度越高， 如典型的汙染場地， 遙感反演與識別的效果更好。因此， 針對重點汙染場地， 分析其土壤汙染特徵與規律對進行土壤汙染遙感具有較強的可行性。
3 應用展望
目前來說， 土壤汙染遙感研究主要集中在遙感機理與模型的構建方面， 與實際的管理應用需求結合不是很緊密。利用已有成熟遙感技術， 結合土壤汙染光譜、反演、植被脅迫等方面的遙感研究進展， 面向國務院釋出的《土壤汙染防治行動計劃》中提出的土壤環境質量管理需求， 可更為實用地以下幾個方面發揮遙感優勢。
3.1 土壤汙染源遙感監管
土壤汙染源是土壤汙染的源頭， 加強工礦企業的環境監管， 切斷土壤汙染的源頭， 遏制土壤汙染擴大的趨勢。《土壤汙染防治行動計劃》中， 多次提出對於重點汙染源、礦產資源集中開採區、石油開採區的監管及農膜汙染的防治。遙感技術上述汙染源監管工作中可以起到重要的支撐作用。對於礦產集中開採區， 可以利用遙感技術劃定礦產開發土壤汙染邊界， 開展礦區未利用地環境遙感監管。對於石油開採區， 可以利用遙感技術劃定土壤汙染範圍與面積， 開展油田開採區未利用地環境遙感監管。對於農田農膜， 可以利用遙感技術對河北、遼寧、山東、河南、甘肅、新疆等農膜使用量較高省份進行遙感監測， 分析農膜使用面積以及回收面積變化。對於固體廢物集中堆存場地， 可以利用遙感技術對尾礦庫、煤矸石、工業副產石膏、粉煤灰、赤泥、冶煉渣、電石渣、砷渣以及脫硫脫硝除塵產生固體廢物的堆存場所， 開展遙感識別與遙感監管。對於重點行業企業用地中汙染地塊， 利用遙感技術監測汙染地塊的分佈及其環境風險。
3.2 遙感技術服務風險管控
《土壤汙染防治行動計劃》中強調， 要“強化未汙染土壤保護”， 對已汙染的土地， 要“防範人居環境風險”。立足多源衛星資料， 開展相關空間的遙感監測。一是對土壤良好區域、國家劃定的土壤環境保護重點區域， 依法開展遙感監測， 監測可能存在的破壞行為。二是對土壤嚴重汙染區域， 國家劃定的土壤汙染控制區， 進行遙感監測， 防止在此周邊建立居住區、學校、醫院等。
另外， 透過收集汙染源普查資料、網際網路資料、遙感解譯等， 摸清區域典型土壤汙染源分佈， 形成土壤汙染源分佈資料集。疊合土壤汙染源、遙感專題引數、環境敏感區 (如居民聚居區、保護區) 、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資訊， 耦合經濟社會發展資料， 進行區域尺度上土壤汙染風險評價與分割槽。在不同情景下， 模擬重金屬汙染過程， 進行區域風險評價， 並有針對性提出控制方案。
參考文獻
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