全 文 ：第 26 卷　第 4 期
2010年 7月
地 理 与 地 理 信 息 科 学
Geog raphy and Geo-Info rmation Science
Vol.26　No.4
July 2010
　　收稿日期:2009-11-21;　修订日期:2010-01-29
　　基金项目:中央级公益性科研院所基本科研业务费项目“德兴矿集区矿山环境高精度遥感调查”(K0723);国土资源部科研项目“矿产资
源开发对矿山环境的影响及整治示范研究”(30302408);国家自然科学基金项目“复杂条件下典型农作物覆盖度和叶面积指
数的遥感估算研究”(40771150)
　　作者简介:赵汀(1975-),男 ,博士研究生 ,副研究员 ,从事地质环境研究工作。 ＊通讯作者 E-mail:liu sh@bnu .edu.cn
乐安江两支流河滩表层土重金属污染五节芒叶片
光谱特征响应对比研究
赵 　汀1 ,王 安 建1 ,夏 江 周2 , 3 ,刘 素 红2 , 3＊,刘 新 会4
(1.中国地质科学院矿产资源研究所 ,北京 100037;2.北京师范大学地理学与遥感科学学院 ,北京 100875;
3.北京师范大学遥感国家重点实验室 ,北京 100875;4.北京师范大学环境学院 ,北京 100875)
摘要:为了解五节芒叶片光谱特征参数对河滩表层土重金属污染响应特征的流域差异 , 分别在乐安江两支流采集
河滩表层土和五节芒叶片样本并测量五节芒叶片光谱。利用污染物富集因子和污染指数对两支流河滩表层土壤
重金属污染状况和特征进行对比 ,并结合采矿点分布和矿种分析两支流河滩表层土污染成因。将五节芒叶片光谱
特征参数 、可见光波段反射率积分值(A1)和近红外波段反射率积分值(A2)分别与五节芒叶片中重金属含量进行
回归分析 ,结果表明:1)大坞河五节芒叶片光谱特征参数对单一重金属 Cu 有较好的响应 , 而在洎水河五节芒叶片
光谱特征参数受多种重金属共同影响。这与两支流河滩表层土重金属污染特征一致 ,并且重金属污染特征与采矿
点分布和矿种关系密切。 2)乐安江两支流五节芒叶片光谱特征参数均能反映流域河滩表层土的重金属污染规律。
在今后的矿山环境调查中应将联系紧密的流域作为一个整体进行研究 , 加强流域对比。
关键词:重金属污染;污染指标;叶片光谱特征;回归分析
中图分类号:X141　　文献标识码:A　　文章编号:1672-0504(2010)04-0032-05
　　传统的矿山污染监测以化学方法为主 ,其费用
高 ,费时 、费力 ,且监测范围有限。基于遥感技术的
植物监测方法具有视野宽 、信息量大以及快速 、动态
监测的特点 ,成为资源开采 、环境变化等问题研究的
重要技术手段[ 1 , 2] 。近年来 ,国内外学者[ 3 , 4] 致力于
研究污染物的植物光谱效应 ,旨在通过污染区植物
光谱的变异特征反映地表水 、土壤及大气等的污染
状况 ,已取得许多突破性进展。在实验室严格控制
重金属种类和含量条件下植被叶片光谱特征对重金
属含量具有较好的响应[ 5] ,而野外构成污染的重金
属种类和含量都具有不确定性 ,虽然已有学者对大
坞河的重金属污染五节芒叶片光谱响应规律进行探
讨[ 6] ,但受研究范围局限 ,不能全面反映乐安江流域
五节芒叶片光谱特征参数对重金属污染的响应特
征。为了解五节芒叶片光谱特征参数对重金属污染
响应特征的流域差异 ,笔者对乐安江两支流的重金
属污染五节芒叶片光谱响应特征进行对比研究 ,以
期为德兴矿集区矿山环境调查提供理论指导 。
1　研究区域和研究方法
1.1　研究区概况
德兴矿集区主要河流有乐安江及其支流大坞
河 、洎水河 、体泉河和浮溪等。乐安江为鄱阳湖主要
水系之一 ,从矿区北面流过 ,是矿区生产和生活水
源 。大坞河发源于官帽山 ,自东南往西北流经德兴
矿区腹地 ,经张家畈至沽口汇入乐安江 ,其源头分布
有德兴铜厂矿区露天采场 、祝家废石场 、酸性集液池
等污染源。洎水河发源于怀玉山脉 ,流经玉山县的
怀玉山乡 、德兴市的龙头山乡 、花桥镇 、银城镇 ,在五
一桥村汇入乐安河 ,流域内分布有德兴铜矿富家坞
露天采场 、大茅山铜矿 、花桥金矿 、金山金矿 、黄柏杨
金矿 、银山铅锌矿等(图 1)。
图 1　乐安江两支流采样点分布示意
Fig.1　Distribution of sampl ing points along the two tributaries
of Le′an River
1.2　数据采集和样品测试
采用 FieldSpec★R HH 便携式分光辐射光谱仪
(视场角 25°、光谱波段范围 325 ～ 1 075 nm 、光谱分
辨率 3 nm)测量五节芒叶片光谱。对同一采样点测
量 5株五节芒 ,每株五节芒的叶片采集 20 次数据 ,
统计方差和平均值 ,发现同一采样点的五节芒叶片
光谱差异不大 ,近红外波段的反射率方差略大于可
见光波段 ,用光谱数据的平均值代表同一采样点的
五节芒叶片光谱反射率较合理。同时采集五节芒叶
片及土壤样品 ,送至核工业北京地质研究院分析测
试研究中心进行测试:Cr 、Cu 、Zn 、A s 、Pb和 Cd 等采
用 DZ/ T0223-2001电感耦合等离子体质谱仪(ICP-
MS)测试 ,结果见表 1和表 2 。
表 1　大坞河流域河滩土壤和五节芒叶片重金属含量
Table 1　List of heavy metals contents in Miscanthus f lor idulus leaves and floodplain topsoils of Dawu River
采样点位 S-D1大坞河上游
S-D2
大坞河中游
S-D3
张家畈上游
S-D4
张家畈
S-D5
新村
S-D6
大坞河下游
S-D7
大坞河和乐安江交汇处
土壤重金属含量(mg/ kg)
五节芒叶片重金属含量(mg/ kg)
Cu 1 182.2 995.5 987.8 798.9 786.7 1 196.2 306.2
Zn 675.5 765.1 650.2 773.2 698.2 892.1 812.5
Cu 20.4 15.2 14.8 12.4 8.4 29.2 6
Zn 32.6 40 32 47.2 38.4 61.4 57.4
表 2　洎水河流域河滩土壤和五节芒叶片重金属含量
Table 2　List of heavy metals contents inMiscanthus f lorid ulus leaves and floodplain topsoil s of Jishui River
采样点位 土壤中重金属含量(mg/ k g)
Cr Cu Zn As Cd Pb
五节芒叶片中重金属含量(mg/ k g)
C r Cu Zn As C d Pb
S-J1 富家坞排水口 145 523 137 35.9 1.04 153 11.7 23.7 34.3 0.939 0.322 3.68
S-J2 花桥金矿上游 125 1 883 429 101 1.66 112 8.5 36.2 35.5 1.0 0.153 4.11
S-J3 花桥金矿出水口 101 62.1 183 405 0.944 51.2 19.7 16 64.9 1.99 0.163 5.5
S-J4 银山铅锌矿上游 104 556 444 96.6 3.91 1 658 10 24.7 30.4 1.18 0.12 5.03
S-J5 银山铅锌矿下游 91.6 178 232 42.9 0.893 236 11.4 34.4 39.2 2.73 0.145 7.85
1.3　数据分析方法
利用河滩表层土中重金属含量测试数据 ,采用
污染物富集因子和污染指数[ 7] 评价乐安江两支流河
滩表层土的重金属污染状况。富集因子(EF)计算
公式为:
EF i = CiCre f i (1)
式中:Ci 为成分 i 的实测浓度(表 1 、表 2);Cref i 为
成分 i的参考浓度 ,采用国家标准土壤环境质量标
准GB15618-1995一级标准值(表 3)。
表 3　土壤重金属元素参考标准
Table 3　Reference of soil heavy metal elements
土壤元素参考标准 重金属含量(mg/ kg)
C r Cu Zn A s Cd Pb
GB15618-1995 90 35 100 15 0.2 35
　　污染指数 Cd 的计算公式为:
Cd =∑n
1
Cf i (2)
式中:Cf i 为成分 i 的污染因子 , C f i =CAi/CNi -1 ;
CAi为污染物 i 的实测浓度;CNi为成分 i 的上限标准
值 ,也采用 GB15618-1995一级标准值。
运用 ASD ViewSpecPro 、Excel等软件处理五
节芒叶片原始光谱数据 ,计算各波段对应的反射率 ,
并绘制反射率曲线图(图 2 、图 3 ,见封 2)。
ρtarge t = DN targetDN re fe renceρref erence (3)
式中:ρtarget为观测目标反射率;ρref erence是参考板反射
率;DN target是观测目标测量值;DN ref erence是参考板测
量值 。
在可见光波段内 ,健康植物叶片的光谱特征主
要受叶色素支配 ,其中叶绿素起着重要作用。在 450
nm 的蓝波段及以 670 nm为中心的红波段叶绿素强
烈吸收辐射能(>90%)而呈吸收谷 ,在两个吸收谷
之间(550 nm 附近)吸收相对减少 ,形成绿色反射
峰 。在近红外波段内 ,植物叶片的光谱特征取决于
叶片内部的细胞结构 。由于植物叶片内部组织对光
多次反射散射 ,导致叶片近红外区反射率呈现高值
区(占入射能 45 %～ 50%),并形成近红外区域光谱
反射平台[ 8] 。在实验室盆栽试验中[ 5] ,白菜经历重
金属 Cu 污染胁迫后 ,叶片叶绿素含量均低于对照
组 ,并且随着叶片 Cu 含量增加叶绿素降低 ,叶肉细
胞数量减少 ,线粒体呈透明状 ,叶片细胞核核膜破
裂 、核质散出 ,从而导致叶片近红外区域光谱反射率
降低[ 9] 。基于以上研究 ,本文从受重金属胁迫影响
光谱变化明显的可见光和近红外两个波段选择光谱
参数。从图 2和图 3各采样点五节芒叶片的反射光
谱曲线可以发现 ,在重金属胁迫下 ,五节芒叶片光谱
反射率在近红外波段比在可见光波段变化剧烈 。因
此 ,本文选取五节芒叶片反射率在可见光波段(450
～ 670 nm)和近红外波段(760 ～ 980 nm)的积分值
A1 、A2[ 5] 评价叶片光谱对重金属胁迫的响应 。积分
值计算公式为:
A=∫λ2λ
1
Rλdλ (4)
页33第第 4期　 　　 赵　汀等:乐安江两支流河滩表层土重金属污染五节芒叶片光谱特征响应对比研究
式中:Rλ为波长λ处的反射率 , λ1 和λ2 分别为积分
区间的下限和上限。
2　乐安江两支流五节芒叶片光谱对重金属污
染响应特征的对比
2.1　乐安江两支流河滩表层土重金属污染特征对比
大坞河河滩表层土只有 Cu和Zn两种重金属的
测试值。如图 4所示 , Cu的富集因子(EF-Cu)明显
高于 Zn 的富集因子(EF-Zn),说明 Cu 是在河滩表
层土中大量富集的重金属 。从大坞河上游到其与乐
安江交汇处 ,各采样点的 EF-Cu在波动中有降低趋
势 ,特别是在与乐安江交汇处 ,由于乐安江对大坞河
河水稀释 , EF-Cu 明显降低。污染指数 Cd 由 EF-Cu
和 EF-Zn 共同决定 , EF-Zn 的波动幅度较小 ,所以
Cd 与 EF-Cu 表现出相似的趋势。大坞河的污染源
主要分布在源头 ,矿种以铜矿为主 ,所以沿河水流向
Cu 含量逐渐降低 。相比于大坞河 ,洎水河流域较
长 ,支流众多 ,沿途分布有多种采矿点 ,污染源较分
散 。从图 5可以看出 ,在洎水河河滩表层土中EF-Cu 、
EF-Cd 、EF-Pb和 EF-As较高 ,EF-Zn和 EF-Cr 相对较
低 。从洎水河上游到下游 ,各采样点中 EF-Cu 、EF-
Zn 、EF-Cd和 EF-Pb表现出相似的变化规律 ,即在样
点 S-J2和S-J4均出现峰值;EF-Cr在各采样点变化不
大 ,EF-As在样点 S-J3出现峰值。从污染指数Cd的变
化可以发现 ,S-J2 和 S-J4 污染较重。比较分布于洎
水河干流之上的样点 S-J2 、S-J4 、S-J5 的重金属含
量 ,发现C r、Cu 、Zn和A s 4种重金属含量逐渐降低。
S-J3位于洎水河的一条小支流 ,干流 S-J2 、S-J4和S-
J5的重金属含量高于支流的 S-J3 ,说明这条小支流
对洎水河干流重金属含量的贡献较小。
图 4　大坞河流域各采样点污染指标对比
Fig.4　The compare of pollution indicators of floodplain
topsoils of Dawu River
图 5　洎水河流域各采样点污染指标对比
Fig.5　The compare of pollution indicators of floodplain
topsoil s of Jishui River
　　万金宝等对乐安江沉淀物重金属污染现状进行
评价 ,根据潜在生态危害指数 RI把乐安河沿线分为
源头低生态风险型 、上游单一金属高生态风险突出
型 、中下游多金属高生态风险综合型 3种 ,上游沽口
至香屯为单一金属高风险型 ,中下游戴村至龙口段
Cu 的毒性贡献度逐渐下降 ,转变为多金属生态效
应[ 10] 。大坞河在香屯汇入乐安江 ,从空间分布看 ,大
坞河处于乐安江的单一重金属污染段 ,洎水河在戴
村至龙口段汇入乐安江 ,这两条河流河滩表层土的
重金属污染分析与已有研究结果一致。
2 .2　五节芒叶片光谱特征及重金属含量相关分析
大坞河和洎水河河滩表层土表现出不同的重金
属污染特点 ,对于五节芒叶片光谱特征(表 4)与其重
金属含量的关系尚不明确 ,通过计算五节芒叶片光
谱特征参数 A1和 A2 与单一重金属含量之间的相
关系数(表 5 、表 6)探讨其间的关系 。
表 4　五节芒叶片光谱反射率特征参数
Table 4　The spectral characteristics parameters of Miscanthus f loridulus leaves
采样点 S-D1 S-D2 S-D3 S-D4 S-D5 S-D6 S-D7 S-J1 S-J2 S-J3 S-J4 S-J5
A1 8.46 10.87 9.33 9.16 15.72 9.43 17.29 20.02 15.75 15.47 18.85 20.15
A2 67.93 87.41 67.80 104.43 134.04 52.20 155.67 141.35 82.08 124.06 138.49 154.00
表 5　大坞河五节芒叶片中重金属元素质量分数与反射率积分值的相关矩阵
Table 5　The correlation matrix for the heavy metals contents and
the difference reflectivi ty integral of Miscanthus
f loridulus leaves in Dawu River Basin
Cu Zn A1 A2
C u 1.000 0.175 -0.722 -0.892
Zn 1.000 0.298 0.205
A1 1.000 0.902
A2 1.000
　　分析表 5 ,发现叶片中 Zn 的含量与五节芒叶片
光谱特征参数的相关系数很小 ,表明其间不存在线
性相关关系;而 Cu 含量与 A1 、A2表现为显著的负
相关 ,表明五节芒叶片中 Cu含量的变化对两个光谱
特征参数均有较大影响 。通过表 6 可以发现 ,五节
芒叶片中的单一重金属含量与 A1 、A2 之间不存在
线性相关关系 。在两个相关矩阵中A1和A2表现为
页34第 地 理 与 地 理 信 息 科 学 　　　　 　　　　　　　　　　　第 26卷
表 6　洎水河五节芒叶片中重金属元素质量分数与反射率积分值的相关矩阵
Table 6　The correlation matrix for the heavy metals contents and
the difference reflectivi ty integral of Miscanthus
f lorid ulus leaves in Jishui River Basin
Cu Cr Zn As Cd Pb A1 A2
Cu 1.000 -0.800 -0.611 0.006 -0.243 　0.216 　0.190 -0.276
Cr 1.000 0.949 0.409 0.004 　0.186 -0.385 　0.186
Zn 1.000 0.455 -0.115 　0.227 -0.591 -0.058
As 1.000 -0.395 　0.960 　0.156 　0.490
Cd 1.000 -0.521 　0.360 　0.186
Pb 　1.000 　0.279 　0.528
A1 　1.000 　0.807
A2 　1.000
显著的正相关 ,说明在重金属胁迫下两个光谱参数
变化趋势一致。
2 .3　五节芒叶片光谱特征及重金属含量回归分析
如图6所示 ,构建了大坞河流域五节芒叶片光谱
特征参数与单一重金属 Cu含量非线性关系 ,这与盆
栽实验研究结果一致[ 5] 。洎水河五节芒受到多种重
金属的多重胁迫 ,对于多种重金属共同作用下的五节
芒叶片光谱响应尚不明确 ,所以考虑将植被光谱特征
参数与多种重金属含量进行多元回归分析。分别建
立五节芒叶片光谱特征参数与不同重金属组合的多
元线性回归方程 ,选取较理想的拟合结果列于表 7。
图 6　大坞河五节芒叶片 Cu 含量与 A1、A2 的相关趋势
Fig.6　Correlation analyses for the content of Cu in the Miscanthus f loridulus l eaves regressed against A1 , A2
表 7　洎水河五节芒光谱特征与叶片重金属含量的多元线性回归方程
Table 7　Multiple regression equation between the spectral characteristics and the heavy metals content
of Miscanthus f lor idulus leaves in Jishui River Basin
多元线性回归重金属类型 多元线性回归方程　　　　　　 复相关系数
Cu 、Zn 、Cr
Cu 、Zn 、Pb
Cu 、Zn 、A s
A1 = 3.85 + 0.430 mcu - 0.759 mzn + 2.74 mcr 1.0　
A2 = -91 + 5.29 mcu - 9.45 mzn + 37.7 mcr 0.923
A1 = 25.7 - 0.180 mcu - 0.190 mzn + 0.953 m pb 0.742
A2 = 211 - 3.47 mcu - 1.83 mzn + 16.3 m pb 0.844
A1 = 29.3 - 0.204 mcu - 0.238 mzn + 2.53 mas 0.840
A2 = 269 - 3.74 mcu - 2.54 mzn + 40.8 mas 0.939
注:mcu 、mzn 、mcr、m pb 、mas分别代表叶片中重金属 Cu 、Zn 、Cr 、Pb 、As的含量。
　　从表 7可以看出 ,在 3种重金属组合下 ,Cu 、Zn 、
C r对五节芒叶片光谱特征参数的拟合效果最好 ,
Cu 、Zn 、A s组合和 Cu 、Zn 、Pb 组合也表现出较好的
拟合效果 。在所有重金属组合中都包含 Cu 和 Zn ,
可见这两种重金属是影响五节芒叶片光谱特征的主
要因素。
3　结语
五节芒叶片光谱特征对乐安江两支流河滩表层
土重金属污染的响应对比研究结果表明 ,大坞河五
节芒叶片光谱特征对单一重金属 Cu有较好的响应 ,
可见其河滩表层土重金属污染为以 Cu为主导的单
一重金属污染型;而洎水河五节芒叶片光谱特征表
现为受多种重金属共同影响 ,表现为多种重金属污
染型。虽然流域间重金属污染特征与五节芒叶片光
谱响应特征存在差异 ,但五节芒叶片光谱能很好地
反映重金属污染特征 。在野外条件下 ,五节芒在多
种重金属共同胁迫下叶片光谱响应复杂 ,需要进一
步研究;在今后的矿山环境调查中应该将联系紧密
的流域作为一个整体进行研究 ,加强流域对比 ,采样
点的布设要考虑采矿点的分布 。
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A Comparative Study of the Relationships between Heavy Metals Pollution and Spectral Characteristics of
Miscanthus Floridulus in the Two Tributaries of Le′an River
ZHAO Ting1 ,WANG An-jian1 , XIA Jiang-zhou2 , 3 , L IU Su-hong 2 , 3 , LIU Xin-hui4
(1 .I nsti tuteo f Mineral Resources , Chinese Academy o f Geological Sciences , Beij ing 100037 ;2 .School of Geography and
RS , Beij ing Normal University , Beijing 100875 ;3 .State K ey Laboratory o f Remote Sensing Science , Bei jing Normal
University , Beij ing 100875 ;4 .S chool o f Env ironment , Bei jing Normal University , Beij ing 100875 , China)
Abstract:To find out the difference of the rela tionships be tw een heavy me tals po llution and spectral char acte ristics of leaves o f
Miscanthus f loridulus in the tw o tributaries o f Le′an River and then pro vide scientific basis fo r mine env ir onment investig ation ,
heavy metals enrichment factor and pollution index of heavy metals had been used to evaluate the heavy metals pollution condi-
tion of the flo odplain topsoils.Through the analy sis o f dr ainage reg ion , the mining points w hich lead to the pollution of the two
riv ers have been found out.Fur the rmore , the connection betw een the tw o spectral characteristics(A1 is the integ ration of visible
light band , A2 is the integ ra tion o f near-inf rared band) and heavy me tals content o f the leaves of Miscanthus f lorid ulus had
been discussed respectively.And reg ression equations be tw een the spectr al characteristics and the content o f heavy metals had
been established.Results indicate that leaves spectral char acte ristics o f Miscanthus f lorid ulus at Daw u River Basin are mainly
affec ted by Cu , but they are affected by seve ral kinds of heavy metals at Jishui River Basin.Conclusions show s that leave s spec-
tral char acte ristics of Miscanthus f loridulus can r ef lect the heavy metals po llution char acte ristic of the floodplain topsoils at the
two tributaries o f Le′an River.It is proposed tha t in the future mine environment sur vey should take the related rive r ba sins as
an entirety and st reng then contr ast research of river basins.
Key words:heavy metals pollution;pollution indicator s;spectr al characteristics o f leaves;reg ression analy sis
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