典型礦區(qū)土壤重金屬污染對植被影響遙感監(jiān)測分析——以江西省德興銅礦為例

付 卓 肖如林 申文明 周春艷 屈永華 萬華偉 翟 俊 侯 鵬

(1.環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094；2.北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京 100875)

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典型礦區(qū)土壤重金屬污染對植被影響遙感監(jiān)測分析
——以江西省德興銅礦為例

付 卓1肖如林1申文明1周春艷1屈永華2萬華偉1翟 俊1侯 鵬1

(1.環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094；2.北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京 100875)

土壤污染對陸表植被影響監(jiān)測與分析是土壤環(huán)境管理的重要內(nèi)容之一。為探索遙感技術(shù)在土壤環(huán)境管理中的支撐作用，選擇江西省德興銅礦為研究區(qū)，利用多源遙感數(shù)據(jù)，提取了礦區(qū)污染場變化信息及分布，在此基礎(chǔ)上，綜合植被覆蓋區(qū)域葉片銅離子含量分布和植被類型分布產(chǎn)品，進一步分析了污染場地變化對植被的影響及不同類型的植被受重金屬污染程度差異性。研究結(jié)果表明：從1973年至2012年期間，污染場地面積增加了23.46km2，植被減少了24.86km2。污染場地面積的擴大是造成該區(qū)域植被生態(tài)系統(tǒng)破壞的主要原因。另外，德興銅礦內(nèi)不同類型植被受到土壤重金屬銅的影響程度不同，草本綠地、草叢和農(nóng)作物的葉片銅片含量基本在60mg/kg以下，低于其他幾種植被的重金屬銅累積量。

重金屬；土壤污染；遙感監(jiān)測

1 引 言

我國土壤污染的總體不容樂觀，工礦業(yè)廢棄地土壤環(huán)境問題突出[1]。礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用、長期高強度的工業(yè)化活動使重金屬成為土壤污染的一個重要來源，尤其是露天金屬礦山的開采，不僅堆積了大量的尾礦，而且每年還排放大量的含多種金屬離子的酸性廢水，給礦區(qū)土壤及周邊的生態(tài)環(huán)境帶來嚴重污染[2]。礦區(qū)周圍的植被受到土壤重金屬污染后，其外觀顏色或內(nèi)部細胞結(jié)構(gòu)和含水量可能發(fā)生變化，其生長狀況是礦區(qū)周圍生態(tài)環(huán)境變化的重要指示因子，因此，開展植被受礦區(qū)土壤重金屬污染影響的監(jiān)測分析對于土壤環(huán)境管理具有重要意義。傳統(tǒng)的土壤環(huán)境污染監(jiān)測主要采用地面布點、采樣和實驗室分析測定的技術(shù)手段，采樣和布點成本高、難度大，而且測量結(jié)果主要以點數(shù)據(jù)形式表達，不能推廣到區(qū)域尺度，無法全面反映區(qū)域尺度上的土壤環(huán)境污染狀況。而遙感技術(shù)作為一種大范圍監(jiān)測的新技術(shù)手段，已廣泛用于大氣、水和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中，并發(fā)揮了重要作用[3-5]。為了彌補土壤環(huán)境污染地面監(jiān)測在空間連續(xù)性、獲取成本等方面的不足，本文以江西省德興銅礦為例，利用Landsat MSS和環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)，提取污染場地變化狀況，并綜合利用基于環(huán)境衛(wèi)星高光譜影像反演得到的植被葉片銅含量分布數(shù)據(jù)和“全國生態(tài)環(huán)境十年變化(2000～2010年)遙感調(diào)查與評估”項目成果中的植被分布產(chǎn)品，對土壤重金屬污染對植被的影響進行分析，為遙感技術(shù)在土壤重金屬污染方面的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 污染場地變化對植被的影響

2.1 研究區(qū)概況

德興銅礦位于江西省上饒地區(qū)德興市泗洲鎮(zhèn)，全礦面積約100km2。德興銅礦于1958年成立；1965年，建成北山礦，地下開采；1971年建成南山礦，露天開采。該銅礦是世界上已探明銅儲量在800萬噸以上的特大型斑巖銅礦之一，也是中國最大的露天有色金屬礦。

2.2 污染場地變化狀況遙感監(jiān)測

為了掌握德興銅礦自露天開采以來污染場地的變化情況，利用1973年3月Landsat MSS衛(wèi)星數(shù)據(jù)和2012年12月環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)(圖1)，通過遙感解譯方法，提取了污染場地、植被、城鎮(zhèn)用地、河流4類地物的分布情況。解譯結(jié)果見圖2。

圖1 德興銅礦遙感影像

圖2 德興銅礦遙感解譯結(jié)果

根據(jù)遙感解譯結(jié)果，統(tǒng)計1973年和2012年德興銅礦污染場地面積分別為5.01和28.47km2，面積增加了23.46km2。

2.3 污染場地變化狀況對植被影響分析

根據(jù)遙感解譯結(jié)果，提取了1973年和2012年研究區(qū)范圍內(nèi)各地物類別的面積，如表1所示。

表1 江西省德興銅礦研究區(qū)各地物類別面積統(tǒng)計表

監(jiān)測結(jié)果表明：從1973年至2012年期間，污染場地面積增加了23.46km2，植被減少了24.86km2。污染場地面積不斷擴大，對于區(qū)域植被生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重破壞。

3 土壤污染對植被的影響

3.1 污染場地空間分布信息提取

為了進一步掌握污染場地空間分布信息，本文利用2012年SPOT-5高空間分辨率的遙感影像，提取了研究區(qū)內(nèi)污染場地的空間分布信息，見圖3。

圖3 污染場地分布圖

從污染場地信息提取結(jié)果發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)共有污染場地8處，包括尾礦庫3處、排土場2處、露天采礦區(qū)2處、洗礦場1處。

3.2 土壤污染對植被的影響

由于德興銅礦范圍內(nèi)土壤受重金屬銅的污染，重金屬又被植被所吸收和富集，產(chǎn)生了生物地球化學(xué)效應(yīng)，導(dǎo)致植被葉片光譜發(fā)生變化，而光譜的變化可能在高光譜遙感數(shù)據(jù)中反映出來。因此，為了監(jiān)測植被重金屬銅污染情況，屈永華等利用2012年9月16日的環(huán)境衛(wèi)星高光譜遙感影像，同時結(jié)合2012年9月地面實測的葉片銅離子含量數(shù)據(jù)，采用逐步多元線性回歸方法，建立葉片銅離子含量遙感估算模型，提取了研究區(qū)植被覆蓋區(qū)域葉片銅離子含量[6]，見圖4。

圖4 污染場地分布圖

由于環(huán)境衛(wèi)星高光譜影像空間分辨率為100m，在一個高光譜圖像像元內(nèi)出現(xiàn)混合像元的可能性較大，因此，所提取的植被葉片銅離子含量是植被與背景的綜合含量。從圖5可以看出，研究區(qū)植被葉片銅含量為0～130mg/kg。受污染場地影響，研究區(qū)中大部分植被葉片銅含量在60～100mg/kg。

圖5 植被葉片銅含量分布圖(mg/kg)

本文利用“全國生態(tài)環(huán)境十年變化(2000～2010年)遙感調(diào)查與評估”項目成果中的植被分布數(shù)據(jù)，提取2010年德興銅礦研究區(qū)的植被分布圖(見圖6)，對污染場地周邊的植被類型面積進行了統(tǒng)計分析，見表2。

結(jié)果表明，該研究區(qū)植被有常綠闊葉林、常綠針葉林、針闊混交林、常綠闊葉灌木林、落葉闊葉灌木林、草叢、草本綠地和農(nóng)作物8種類型，以常綠針葉林、常綠闊葉林和針闊混交林為主，面積分別為40.56、12.40和12.15km2，占植被總面積的52.10%、15.93%和15.61%。

表2 各類型植被面積信息統(tǒng)計表

圖6 研究區(qū)植被類型分布圖

綜合研究區(qū)植被葉片銅含量分布圖(圖5)和植被類型分布圖(圖6)可發(fā)現(xiàn)該研究區(qū)草本綠地、草叢和農(nóng)作物的葉片銅片含量較其他幾種植被低，基本在60mg/kg以下。即草本綠地、草叢和農(nóng)作物的重金屬累積量低于其他幾種植被。

4 結(jié)論與討論

本文利用遙感影像和已有的遙感專題產(chǎn)品，對典型礦區(qū)土壤重金屬污染對植被的影響進行了監(jiān)測與初步分析，研究結(jié)果表明：德興銅礦污染場地面積不斷擴大，對區(qū)域植被生態(tài)系統(tǒng)造成破壞。從1973年至2012年期間，德興銅礦內(nèi)污染場地面積增加了23.46km2，植被減少了24.86km2。污染場地周圍植被葉片銅含量在0～130mg/kg，且大部分植被葉片銅含量為60～100mg/kg。另外，德興銅礦內(nèi)不同類型植被受到土壤重金屬銅的影響程度不同。德興銅礦內(nèi)有常綠闊葉林、常綠針葉林、針闊混交林、常綠闊葉灌木林、落葉闊葉灌木林、草本綠地、草叢和農(nóng)作物8種植被類型。其中，草本綠地、草叢和農(nóng)作物的重金屬累積量基本在60mg/kg以下，低于常綠闊葉林、常綠針葉林、針闊混交林、常綠闊葉灌木林和落葉闊葉灌木林。總之，將遙感技術(shù)應(yīng)用于土壤重金屬污染對植被影響監(jiān)測是可行有效的，本研究為實現(xiàn)遙感大范圍實時、動態(tài)監(jiān)測土壤重金屬對植被影響提供了技術(shù)支持。

建議加強遙感技術(shù)在土壤環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用，有效彌補地面監(jiān)測方法只能獲取點位土壤環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的不足，實現(xiàn)區(qū)域土壤環(huán)境動態(tài)變化監(jiān)測。根據(jù)不同植被類型對土壤污染影響的響應(yīng)差異，建議對礦區(qū)污染場地周邊植被采取差異化保護措施。同時，在土壤環(huán)境恢復(fù)治理過程中，可以選擇具有強富集能力的適宜植被類型，提高恢復(fù)治理效果。

[1]環(huán)境保護部，國土資源部.全國土壤污染狀況調(diào)查公報.2014：1-5.

[2]高曉寧.礦區(qū)土壤重金屬污染及其研究方法[J].黑龍江科技信息，2013(15)：124-125.

[3]楊一鵬，韓福麗，王橋，等.衛(wèi)星遙感技術(shù)在環(huán)境保護中的應(yīng)用：進展、問題及對策[J].地理與地理信息科學(xué)，2011，27(6)：84-90.

[4]趙少華，王橋，游代安，等.高分辨率衛(wèi)星在環(huán)境保護領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].國土資源遙感，2015，27(4)：1-7.

[5]王橋.衛(wèi)星遙感技術(shù)在環(huán)境保護領(lǐng)域中應(yīng)用的進展與挑戰(zhàn)[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2009，25(4)：53-57.

[6]屈永華，焦思紅，劉素紅，等.從高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)中提取植被覆蓋區(qū)銅污染信息[J].光譜學(xué)與光譜分析，2015，35(11)：3176-3182.

Monitoring and Analysis of the Impacts of Soil Heavy Metal Pollution on Vegetation in Typical Mining Areas using Remote Sensing Imageries——A Case Study of Jiangxi Dexing Copper Mine

FU Zhuo1XIAO Rulin1SHEN Wenming1ZHOU Chunyan1QU Yonghua2WAN Huawei1ZHAI Jun1HOU Peng1

(1.Satellite Environmental Center，Ministry of Environmental Protection of the People's Republic of China，Beijing 100094；2.School of Geography，Beijing Normal University，Beijing，100875)

Monitoring and analysis of the impacts of soil heavy metal pollution on vegetation are critical tasks for soil environment management.In order to explore the role of remote sensing technology as an efficient tool in supporting soil environmental management，Jiangxi Dexing copper mine is selected as our study area.The changes and distribution of contaminated sites are extracted from remote sensing imageries.The impacts of the changes of pollution sites on vegetation and the difference of impacts on different vegetation contaminated heavy metal are then analyzed using data of the copper ion concentration distribution on leaf blade and the typological distribution of vegetation in vegetation coverage areas.

heavy metal，soil pollution；remote sensing

項目資助：國家重點研發(fā)計劃項目(編號：2016YFB0501404)；科技基礎(chǔ)性工作專項項目“測繪地物波譜本底數(shù)據(jù)庫建設(shè)(2014FY210800)”

付卓，博士，高工，主要從事生態(tài)環(huán)境遙感研究

侯鵬，博士，正高級工程師，主要從事環(huán)境遙感和生態(tài)評估研究

X21

A

1673-288X(2016)06-0066-03

致 謝：感謝朱葉青、北京師范大學(xué)劉素紅教授在獲取野外實驗數(shù)據(jù)方面提供幫助

引用文獻格式：付 卓 等.典型礦區(qū)土壤重金屬污染對植被影響遙感監(jiān)測分析[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(6)：66-68.