全 文 ：铅锌矿区毛轴蕨反射波谱特征及其机理分析
李高飞，胡光道
(中国地质大学 数字地质和遥感地质研究所，湖北 武汉 430074)
摘 要:为了研究铅锌矿对植物反射光谱的影响，以毛轴蕨野外测试光谱和叶灰分微量元素含量为
基础，分析铅锌矿区和对照区毛轴蕨光谱特征和微量元素含量特征，并研究红边蓝移量和叶绿素归一化
指数与各微量元素含量的相关性．结果表明:矿区毛轴蕨在近红外区域反射率要低于背景区，毛轴蕨红
边位置发生了 2 ～ 20 nm的蓝移，根据叶微量元素含量分析确定毛轴蕨叶对铅、锌、锰、锶、钡、砷 6 种元
素有较强的积累作用;毛轴蕨红边蓝移偏移量与锰、锶、铅、锌、钡、砷等几种微量元素含量均成正相关，
除锶元素外，叶绿素归一化指数与几种主要元素均成负相关．
关键词:毛轴蕨;波谱特征;红边蓝移;金属元素
中图分类号:S718;TP701 文献标志码:A 文章编号:1000 － 2162(2010)06 － 0096 － 05
Spectral reflectance characteristics and mechanism analysis for
Pteridium revolutum in Pb-Zn deposit
LI Gao-fei，HU Guang-dao
(Institute of Mathematical Geology and Remote Sensing Geology，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China)
Abstract:In order to study the influence from lead-zinc mine on plant spectral reflectance， the
reflectance spectrum of Pteridium revolutum were measured and the contents of trace elements in the leaves
were analyzed in the paper． The correlation between both the blue shift and ChlNDI with the content of metal
elements were also researched． The results indicated that:the reflectance of Pteridium revolutum leaves in near
infrared region in Pb-Zn deposit was lower than that of the background area，the blue shift of red edge reached
2 － 20 nm;according to leaves content of trace elements，the Pb，Zn，Mn，Sr，Ba and As were intensely
accumulated by the the Pteridium revolutum;the blue shift was positively related with the content of Pb，Zn，
Mn，Sr，Ba and As;there was a negative correlation between ChlNDI and the above content of trace elements
except Sr．
Key words:Pteridium revolutum;spectral characteristics;blue shift of red edge;metal element
植被覆盖严重的地区，传统地质方法找矿有许多不利的因素，而利用遥感技术探测植物叶面光谱反
射率和波形的异常变化来揭示或推断地下可能存在的隐伏矿藏［1］，其对研究矿区植物的波谱特征及引
起波谱变异的机制具有重要的意义;同时，微量元素与植物光谱特征相关关系的研究是光学遥感定量化
研究的重要内容之一［2 － 3］．
目前许多学者对植物的红边蓝移现象和反射光谱特征进行了深入的研究［4 － 8］，通过植物光谱特征
收稿日期:2010 － 05 － 14
基金项目:国家自然科学基金资助项目(40874092) ;中国地质大学(武汉)和云锡集团资源开发有限公司合作资助项目
作者简介:李高飞(1977—) ，男，湖北武汉人，中国地质大学博士研究生．
引文格式:李高飞，胡光道．铅锌矿区毛轴蕨反射波谱特征及其机理初步分析［J］．安徽大学学报:自然科学版，2010，
34(6) :96 － 100．
2010 年 11 月
第 34 卷 第 6 期
安徽大学学报(自然科学版)
Journal of Anhui University (Natural Science Edition)
November 2010
Vol． 34 No． 6
的变化来监测地表水、土壤、大气的污染现状及利用植被光谱异常进行遥感找矿［9 － 13］，在植物光谱监测
中，主要研究了土壤中元素过量或者缺乏对植物叶片光谱特征的影响［14 － 15］，对云南省个旧矿区西部地
区植被进行光谱监测的研究未见相关报道．
毛轴蕨(Pteridium revolutum)在个旧西区分布较广，不仅在矿山周围随机分布，在局部山地还出现
成片生长的景观，在重金属离子富集的地区甚至是矿尾矿废渣中，仍有毛轴蕨生存，可见毛轴蕨具有较
强抗重金属毒害能力．作者以个旧西区铅锌矿区典型植物毛轴蕨波谱测试及叶灰分微量元素含量资料
为依据，研究铅锌矿区与背景区的毛轴蕨叶光谱反射率特征以及区间的差异，初步探讨微量元素对植物
光谱的响应机制，确定毛轴蕨积累作用较强的金属元素，分析毛轴蕨红边蓝移量及叶绿素归一化指数与
锰、锶、铅、锌、钡、砷等几种金属元素含量的相关性，为利用植物地球化学特征和光谱反射率特征探测植
被覆盖下的铅锌矿及毛轴蕨的光谱监测提供理论和实验依据．
1 采样点的选择及数据获取
云南地理环境和气候具有明显过渡性，地层发育完备，地貌类型复杂，构成了有利于蕨类植物生长
繁衍的各种大环境和小生境，蕨类植物极其丰富，选取植物生长地理环境接近的采样地点，基于在工作
区分布较广、便于采样和对比的可行性三个原则，选择毛轴蕨作为指示植物．
普雄位于云南个旧建水县南部的中寒山区，区内复杂的地质构造和多期的岩浆活动形成了十分有
利的矿化条件．采样点位于普雄乡九头山铅锌矿露天开采点外围 500 m的范围，选择了 5 个采样点．这
些采样点位于海拔高度 2 200 m、坡向偏东、坡度 10 ～ 25 °、土壤厚度 30 ～ 50 cm、地理环境及气象条件接
近相同之处．对照区选择在普雄乡政府所在地后山．
测量仪器采用美国 Analytical Spectral Devices Inc公司设计生产的供野外现场测量的快速扫描分光
辐射光谱仪 Field Spec F R． ASD，测量光谱范围为 350 ～ 2 500 nm．在 350 ～ 1 000 nm 范围内抽样间隔为
1． 4 nm，光谱分辨率为 3 nm;在 1 000 ～ 2 500 nm范围内抽样间隔为 2 nm，光谱分辨率为 10 nm，具有较
高的抽样间隔和光谱分辨率．
作者于 2009 年 5 月进行野外考察及测量．野外测量在晴天无云、空气湿度小、微风或相对稳定的天
气情况下进行，测量时间为 9:00 ～ 14:00，光谱仪经白板校准后进行测试，在测试时，采用视场角为 10 °
的探头，探头向下垂直照射，探头与测试目标的垂直距离控制在 0． 05 m左右，测量时将叶拢在一起作为
被测目标，水平放置进行波谱采集．为了使测量数据具有代表性，对同一采样点的毛轴蕨测量多次，每一
点的毛轴蕨保存 5 ～ 10 条光谱，然后取其平均值． 在测试过程中，每隔 10 min 对仪器进行一次优化与
校正．
采集波谱后，剪取毛轴蕨叶，装在塑料袋中，用自来水冲掉表面灰尘，再用去离子水洗净，自然风干，
分别置于滤纸中，于干燥箱内烘干 48 h，温度保持在 60 ℃以下(防止 Hg 挥发)．烘干后分别粉碎研磨，
过 80 目筛，后存放于小样品袋中备用．土壤样品的采集:在每个采样点林下取 20 ～ 30 cm深处采集表层
土样 200 g作为土壤样品．
植物样品经消解后用感应耦合等离子体质谱法(ICP － MS)检测铅、锌、锰、铜等元素的质量分数，用
原子荧光光谱仪(AFS3100)检测砷、锑、铋、汞的质量分数．土壤样品经消解后用电感耦合等离子发射光
谱法(ICP － AES)进行测定．测定过程中用平行双样和加标回收样进行质量控制，以保证数据的准确度
和精度．样品由国土资源部昆明矿产资源监督检测中心检测．所得数据用 ENVI及 SPSS软件进行分析．
2 结果与分析
2． 1 反射峰、吸收位置特征分析
毛轴蕨的波谱曲线如图 1 所示．在仪器探头距离毛轴蕨的叶面 0． 05 m 的情况下，毛轴蕨在近红外
区域叶面反射率较高，反射率特征在可见至近红外波段比较显著．从图 1 可以看出，在绿光波段有一个
反射峰，反射率在 14% ～18%之间，在 676 nm处为水汽吸收特征，形成吸收谷，在近红外区域的反射率
为 60% ～80% ．矿区毛轴蕨反射波谱曲线在 900 ～ 1 000 nm之间均有 50 nm左右的曲线异常，主要表现
79第 6 期 李高飞，等:铅锌矿区毛轴蕨反射波谱特征及其机理初步分析
为不同程度的吸收特征．在 1 670 nm附近为一反射峰，峰值反射率在 30% ～36%之间． 2 000 ～ 2 500 nm
曲线形态相对比较杂乱，但也呈现出随环境变化而变化的特征．
矿区植被反射率在 450 ～ 670 nm之间高于对照区，在 555 nm处“绿峰”的反射率明显高于对照植物
波谱曲线，而在近红外反射波段矿区毛轴蕨反射率则要低于对照区．与对照区相比，这种在可见光波段
反射率较高、近红外区反射率较低的光谱特征，与油田区植物的可见 －近红外光谱特征相似［16］，在锌、
铜的胁迫下，植物光谱也表现出类似的特征［17 － 18］．
矿区毛轴蕨在近红外区域反射率要低于背景区，原因可能是铅锌矿区的重金属含量过高，影响了毛
轴蕨的生物量和叶片叶绿素含量．毛轴蕨受铅等重金属毒害后，其生理生态特性会发生变异，致使叶冠
波谱反射率和波形出现差异．总体来看，毛轴蕨在红边处有较强的光谱响应．
图 1 毛轴蕨反射波谱曲线
Fig． 1 The spectral reflectance plot of Pteridium revolutum
2． 2 红边效应和叶绿素归一化指数特征
表征植物红边效应的参数有:红边位置、红边幅值及蓝移等．红边位置是红光范围(680 ～ 760 nm)
内一阶导数光谱最大值所对应的波长． 红边幅值为红光范围(680 ～ 760 nm)内一阶导数光谱的最大
值［19］．红边位置的确定有不同的算法［20］，取波谱曲线的一阶导数最大值对应处为红边位置．由于该研
究未进行叶绿素的同步测量，利用叶绿素归一化指数(Chlnormalized difference index，简称 ChlNDI)对叶
绿素进行近似的反映，通过 ChlNDI =(R750 － R705) / (R750 + R705)计算 ChlNDI
［21］，其中，R750和 R705为波
长 750 nm和 705 nm处的反射率．毛轴蕨红边效应结果见表 1．
表 1 毛轴蕨红边参数
Tab． 1 The red edge parameters of Pteridium revolutum
样品 红边位置 /nm 红边幅值 蓝移 /nm 叶绿素归一化指数
对照 718 0． 016 20 0 0． 501 49
样 1 716 0． 014 28 2 0． 497 64
样 2 701 0． 013 26 17 0． 394 15
样 3 703 0． 011 64 15 0． 418 89
样 4 710 0． 012 63 8 0． 464 92
样 5 698 0． 015 03 20 0． 370 34
从表 1 可看出，随着铅等金属元素含量的不断加大，红边的光谱位置从对照区的 718 nm 到污染严
重区的 698 nm处，出现了有规律的红边随铅等金属元素增多而“蓝移”的现象．红边的蓝移主要是由于
叶片中的叶绿素浓度下降所致．结果表明，叶绿素归一化指数也随叶片中重金属含量的增加而减小．
与背景区相比，红边的位置存在系统蓝移现象，其反射波谱曲线的红边蓝移程度有所不同，在河台
金矿区，植物红边发生了 5 ～ 10 nm的“蓝移”［1］;在德兴铜矿盐肤木在铜的胁迫下，波形出现了 5 ～ 15
nm的蓝移现象［8］;而在铜的胁迫下，玉米最高出现了 31 nm 的蓝移［22］． 该研究中，红边蓝移达 2 ～ 20
nm，具有较大变幅，这与矿区植物大量吸收土壤铅锌等元素形成的胁迫有关．
89 安徽大学学报(自然科学版) 第 34 卷
2． 3 毛轴蕨叶微量元素含量分析
毛轴蕨叶主要微量元素含量见表 2．经过对毛轴蕨 5 个样品及对照区叶灰分微量元素含量分析，发
现 5 个毛轴蕨叶样品中锰、锶、铅、锌、钡、砷平均含量比较高，分别为 208． 78、76． 12、73． 60、69． 50、
35． 46、23． 68 mg·kg －1，其他元素含量的绝对值在 0． 100 4 mg·kg －1(铍)和 9． 2620 mg·kg －1 (铜)之
间．在对照区毛轴蕨叶中也是锰、锶、铅、锌、钡、砷含量较其他元素高，分别为 91． 00、68． 30、30． 90、
30． 10、64． 00、15． 40 mg·kg －1 ．结果表明:毛轴蕨叶对铅、锌、锰、锶、钡、砷 6 种元素有较强的积累作用，
矿区和对照区毛轴蕨叶微量元素含量具有一致性．
表 2 毛轴蕨叶微量元素含量
Tab． 2 Content of trace elements for the leaves of Pteridium revolutum mg·kg －1
样品 Pb Zn Mn Ba Sr As
样 1 33． 00 28． 80 75． 90 21． 70 46． 30 14． 70
样 2 81． 80 105． 00 392． 00 5． 21 36． 70 19． 36
样 3 72． 60 50． 20 127． 00 41． 50 126． 00 32． 36
样 4 66． 60 54． 50 142． 00 30． 40 103． 00 22． 06
样 5 114． 00 109． 00 307． 00 78． 50 68． 60 29． 95
平均 73． 60 69． 50 208． 78 35． 46 76． 12 23． 68
对照 30． 90 30． 10 91． 00 64． 00 68． 30 15． 40
2． 4 毛轴蕨叶主要金属含量与光谱特性相关分析
毛轴蕨红边蓝移及叶绿素归一化指数与叶微量元素含量的相关系数见表 3．
表 3 毛轴蕨红边蓝移及叶绿素归一化指数与叶微量元素含量的相关系数
Tab． 3 The correlation coefficient between both the Blue shift and ChlNDI
with content of trace elements in the Pteridium revolutum leaf
光谱参数 相关系数 Pb Zn Mn Ba As Sr
偏移
皮尔逊相关系数 0． 934* 0． 868 0． 779 0． 46 0． 702 0． 075
显著性水平 0． 02 0． 057 0． 121 0． 436 0． 186 0． 904
叶绿素归
一化指数
皮尔逊相关系数 － 0． 94* － 0． 906* － 0． 82 － 0． 466 － 0． 642 0． 029
显著性水平 0． 017 0． 034 0． 089 0． 429 0． 243 0． 963
注:* 表示 p≤0． 05 显著水平
由表 3 可知:红边蓝移偏移量与锰、锶、铅、锌、钡、砷等几种元素均成正相关，其中，与铅的相关性最
强，其相关系数为 0． 934，显著性系数为 0． 98;与锌、锰、砷具有较强的相关性，其相关系数分别为 0． 868、
0． 779 和 0． 702;与钡和锶的相关性较弱，相关系数分别为0． 436和 0． 075．以上结果表明，矿区微量元素
中铅锌对毛轴蕨红光蓝移偏移量影响较大．
叶绿素归一化指数与金属元素含量的相关性，除锶外，与其他几种元素均成负相关，其中与铅、锌成
强的负相关，其相关系数为 － 0． 94 和 － 0． 906，显著性系数为 0． 983 和 0． 966;锰、砷负相关性比较强，其
相关系数为 － 0． 82 和 － 0． 642;钡的负相关性较弱，其系数为 － 0． 466;在几种金属元素中，锶成唯一的
正相关，但其相关系数非常小．
3 结 语
(1)毛轴蕨波谱曲线在 555 nm“绿峰”的反射率一般高于背景区波谱曲线，近红外区域反射率要低
于背景区，红边效应及叶绿素归一化指数发生的变化说明矿区毛轴蕨的生长状况明显受到了铅、锌等微
量元素的影响．
(2)矿区毛轴蕨叶除较多地吸收铅、锌、锰元素外，还强烈吸收锶、钡、砷元素，对其他微量元素的吸
收相对较少，说明毛轴蕨叶对锶、钡、砷 3 种元素有较强的积累作用．
(3)随着铅等金属元素含量的不断加大，红边的光谱位置出现了有规律的红边“蓝移”现象．毛轴
蕨红边蓝移偏移量与锰、锶、铅、锌、钡、砷等几种元素均成正相关．叶绿素归一化指数与微量元素含量的
相关性，除锶外，与以上几种元素均成负相关．
99第 6 期 李高飞，等:铅锌矿区毛轴蕨反射波谱特征及其机理初步分析
由于遥感技术具有视阈广、信息丰富等优势，可以快速大面积地测得光谱参量，因此应扩大遥感生
物地球化学应用范围，选择不同景观条件的地区开展遥感生物地球化学测量，加强遥感信息处理，定量
化研究已知矿化区综合信息，进一步圈定区域成矿远景区．
＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊
致谢:工程师杨明国，讲师徐元进、朱志彬，研究生胡官兵、周林立等参加了野外采样及波谱测试，在
此致谢．
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(责任编校 于 敏)
001 安徽大学学报(自然科学版) 第 34 卷