礦區(qū)復(fù)墾土壤重金屬光譜特征與估算研究.pdf

1、中國(guó)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(guò)糧食作物危害人體健康。通過(guò)傳統(tǒng)方法監(jiān)測(cè)礦區(qū)復(fù)墾土壤重金屬污染情況不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，而且難以進(jìn)行大面積動(dòng)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(shí)、高效、大范圍監(jiān)測(cè)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(píng)價(jià)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(guó)家復(fù)墾示范區(qū)內(nèi)煤矸石充填場(chǎng)地、粉煤灰充填場(chǎng)地和正常對(duì)照?qǐng)龅氐谋韺油寥罏檠芯繉?duì)象，采用傳統(tǒng)化學(xué)分析方法測(cè)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(shí)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(xiàn)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(chǎng)地中土壤重金屬含量及污染風(fēng)險(xiǎn)程度均大于對(duì)照?qǐng)龅?。研究區(qū)中煤矸石復(fù)墾場(chǎng)地、粉煤灰復(fù)墾場(chǎng)地和正常場(chǎng)地重金屬含量均未超過(guò)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；相對(duì)于土壤元素背景值，三塊場(chǎng)地中均存在部分元素超標(biāo)的現(xiàn)象，復(fù)墾場(chǎng)地中鎘、鉻、銅、鉛、鋅元素含量均高于對(duì)照?qǐng)龅兀煌ㄟ^(guò)地累積指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)研究場(chǎng)地土壤重金屬污染情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到復(fù)墾場(chǎng)地中土壤出現(xiàn)重金屬的輕微-中度污染，對(duì)照?qǐng)龅刂袃H銅元素發(fā)生輕度污染，復(fù)墾場(chǎng)地重金

4、屬污染程度均高于正常場(chǎng)地。說(shuō)明粉煤灰和煤矸石在作為充填物料進(jìn)行充填復(fù)墾時(shí)攜帶的重金屬元素會(huì)對(duì)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(guò)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(xiàn)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(duì)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(xiàn)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(píng)價(jià)，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(xiàn)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