土壤重金屬污染一直是環(huán)境地球化學(xué)高度關(guān)注的研究熱點。最近幾年,隨著各種微量、超微量和微區(qū)分析技術(shù)的引入,重金屬元素分析精度不斷提高,檢出限不斷降低,這些都從信息維促進(jìn)了土壤重金屬污染的研究。然而在時空維方面,目前土壤重金屬污染監(jiān)測仍依賴傳統(tǒng)地球化學(xué)方法,即野外采樣,然后進(jìn)行室內(nèi)化學(xué)分析。該方法存在費(fèi)時、費(fèi)錢等缺點,不適合大范圍監(jiān)測。對于污染形式日益嚴(yán)重的發(fā)展中國家來說,由于資金短缺,困難更大。為此,尋找一種快速、節(jié)省的土壤重金屬污染監(jiān)測方法就勢在必行。 遙感地球化學(xué)能夠動態(tài)、快速、宏觀地獲取地表地球化學(xué)信息,已廣泛應(yīng)用于環(huán)境地球化學(xué)和土壤科學(xué)等領(lǐng)域。然而,目前利用遙感地球化學(xué)方法研究農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染的研究尚未見報道。這其中最主要的困難在于重金屬元素在土壤中含量甚微,現(xiàn)有技術(shù)難以直接探測到重金屬元素光譜信息。探究土壤重金屬元素光譜響應(yīng),研究土壤光譜與重金屬元素關(guān)系是當(dāng)前遙感地球化學(xué)面臨的難點之一。 城郊土壤密切接觸密集的城市人群,涉及眾多生命的健康和安全。嚴(yán)重的重金屬污染是城郊農(nóng)業(yè)土壤的一個重要特征。城郊農(nóng)業(yè)土壤污染一方面影響土壤的生態(tài)功能,同時污染物通過食物鏈傳遞和土壤顆粒物直接吸入而影響城市居民的健康,城郊農(nóng)業(yè)土壤污染已成為公眾普遍關(guān)注的問題。江寧和八卦洲是南京城南和城北的兩處城郊地區(qū),它們是南京重要的糧食和蔬菜供應(yīng)基地,與南京居民的健康和安全息息相關(guān)。 基于以上背景,本文在江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院“江蘇省國土生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查”項目的支持下,選取江寧和八卦洲這兩個受人類活動影響較強(qiáng)、且對于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要位置的地區(qū)作為研究區(qū),研究遙感地球化學(xué)方法預(yù)測農(nóng)業(yè)土壤重金屬元素含量可行性,為遙感技術(shù)快速制圖土壤重金屬污染提供理論依據(jù)和技術(shù)方法途徑。本研究一方面可以促進(jìn)土壤重金屬污染研究的時間維和空間維,為土壤重金屬污染監(jiān)測、評價與制圖快速、經(jīng)濟(jì)地提供信息;另一方面又拓寬了遙感地球化學(xué)研究范疇,促進(jìn)遙感地球化學(xué)這門新興學(xué)科的發(fā)展。此外,本研究可以為今后研究區(qū)的污染控制、風(fēng)險評估、土地利用規(guī)劃以及政府決策等提供必要信息,有助于提高糧食安全和維護(hù)居民健康,促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。 遙感地球化學(xué)是一門綜合性學(xué)科,而其基礎(chǔ)理論、技術(shù)方法和應(yīng)用又都包羅萬象,本論文將研究重點著眼于基礎(chǔ)研究。電磁波與地物的相互作用是遙感地球化學(xué)探測地表化學(xué)成分的基礎(chǔ)。土壤光譜特征是遙感地球化學(xué)方法快速識別土壤化學(xué)成分的關(guān)鍵。利用各種分析技術(shù)和方法,努力將土壤光譜和重金屬元素結(jié)合起來,建立土壤重金屬元素與土壤光譜的關(guān)系,是本論文最基本目的。 本文以土壤和重金屬元素光譜特征為主線,以建立土壤光譜與重金屬元素關(guān)系為目標(biāo),圍繞土壤重金屬元素的光譜響應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的探索研究。在研究土壤光譜與重金屬元素的關(guān)系之前,首先利用傳統(tǒng)地球化學(xué)方法調(diào)研了江寧和八卦洲土壤重金屬元素分布特征及它們的化學(xué)形態(tài),并基于GIS技術(shù),利用地統(tǒng)計學(xué)和空間自相關(guān)方法研究了它們的空間變異性。明了重金屬元素以及土壤的光譜特征,是探索遙感地球化學(xué)方法快速預(yù)測土壤重金屬元素可行性的前提。為此,本文測試了重金屬元素以及南京城郊土壤的反射光譜,進(jìn)而利用室內(nèi)模擬污染試驗,研究了不同重金屬污染級別土壤的反射光譜響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上,對江寧和八卦洲土壤反射光譜和重金屬元素的關(guān)系進(jìn)行了研究,利用反射光譜對這兩個地區(qū)土壤重金屬元素含量進(jìn)行了預(yù)測,并探討了反射光譜預(yù)測重金屬元素的機(jī)理。除了反射光譜,遙感地球化學(xué)可利用的譜段還有很多,適合于地球遙感的熱紅外波段在土壤重金屬污染研究中能否發(fā)揮作用,論文進(jìn)而對此進(jìn)行了研究。通過對比反射光譜與熱紅外光譜的研究結(jié)果,從而為遙感地球化學(xué)監(jiān)測土壤重金屬污染選擇最佳監(jiān)測波段�；谠摻Y(jié)果,在當(dāng)前難以獲取研究區(qū)合適遙感影像情況下,通過室內(nèi)模擬傳感器波段反射率預(yù)測了南京城郊土壤重金屬元素含量,并為今后利用遙感技術(shù)快速、大范圍制圖土壤重金屬污染傳感器的選擇提供了理論依據(jù)。論文主要結(jié)論和認(rèn)識如下: (1)長江流域貫穿全流域的Cd異常是最近幾年發(fā)現(xiàn)的新問題,目前已引起國土資源部及沿江各省的高度重視。本文將地統(tǒng)計學(xué)和化學(xué)形態(tài)分級提取方法聯(lián)合用于Cd的來源和污染風(fēng)險研究,得出了一些較為新穎的結(jié)論。首先空間自相關(guān)研究表明Cd的空間自相關(guān)性很小,說明Cd的空間分布較為零亂,這也暗示Cd的異�？赡苁艿搅巳藶榈挠绊�。進(jìn)而化學(xué)形態(tài)分析結(jié)果表明,Cd以有效態(tài)為主,平均占其總量的82.3%�？紤]到Cd總量已達(dá)輕微污染程度,說明八卦洲地區(qū)存在嚴(yán)重的Cd污染風(fēng)險。此外相關(guān)分析表明,殘渣態(tài)Cd所占比率與總Cd呈負(fù)指數(shù)關(guān)系,這進(jìn)一步說明八卦洲地區(qū)Cd高含量與人類活動有關(guān)。 (2)詳細(xì)研究了土壤重金屬元素的反射光譜響應(yīng)。指出在土壤中,只有具有特征吸收峰的重金屬元素,而且當(dāng)它們的含量相當(dāng)高時(如Cr和Cu含量為4000 mg/kg)方可表現(xiàn)出自身光譜行為。對于農(nóng)業(yè)土壤來說,很少達(dá)到如此高污染。因此本研究指出,直接從光譜吸收特征角度考慮,使用反射光譜快速識別并預(yù)測農(nóng)業(yè)土壤重金屬元素含量不是可行之策,利用反射光譜預(yù)測土壤重金屬元素含量必須另辟蹊徑。 (3)首次利用反射光譜成功預(yù)測了農(nóng)業(yè)土壤重金屬元素含量,并對預(yù)測機(jī)理進(jìn)行了解釋。研究結(jié)果表明,無論江寧還是八卦洲,土壤重金屬元素與反射率都呈負(fù)相關(guān)。重金屬元素預(yù)測精度順序與它們和鐵的相關(guān)性順序一致,即與鐵相關(guān)性高的元素預(yù)測精度也高,與鐵相關(guān)性低的元素預(yù)測精度也低。重金屬元素與土壤鐵的內(nèi)部相關(guān)是反射光譜預(yù)測無光譜特征重金屬元素的機(jī)理。 (4)除了預(yù)測農(nóng)業(yè)土壤重金屬元素含量,本文還利用反射光譜識別了受工業(yè)嚴(yán)重污染的土壤,并建立了工業(yè)污染土壤的光譜識別標(biāo)準(zhǔn):總體反射率低于30%,880nm附近吸收峰深度大于2%,以及粘土礦物在2210nm附近吸收峰深度小于4%。反射光譜法是對傳統(tǒng)土壤重金屬污染源識別方法的一種補(bǔ)充。 (5)利用反射光譜成功識別了土壤針鐵礦,并提出了識別土壤針鐵礦的光譜標(biāo)識,即針鐵礦電子對躍遷2(4T1g)所產(chǎn)生的490nm附近雙吸收峰是土壤針鐵礦的診斷性光譜特征。通過單一土壤的模擬試驗以及對不同土壤的研究,結(jié)果表明土壤在490nm波段處吸收峰深度隨土壤針鐵礦含量增加而加深,二者具有很好的相關(guān)關(guān)系,可以利用該吸收峰深度快速預(yù)測土壤針鐵礦含量。 (6)針鐵礦對重金屬元素的吸附是影響重金屬元素在土壤中含量的重要因素。本文進(jìn)行了針鐵礦對重金屬元素的吸附研究。結(jié)果表明,針鐵礦對Ni2+的等溫吸附曲線呈“Langmuir”型,在濃度較低時,吸附量隨平衡濃度的增加而迅速升高,當(dāng)平衡濃度達(dá)到一定程度時,吸附量也趨于飽和。反射光譜、XPS和FT-IR研究結(jié)果表明,針鐵礦對Ni2+的吸附為專性吸附,吸附時Ni2+置換針鐵礦A型羥基中的H+,Ni2+作為釋電子的Lewis堿,針鐵礦作為受電子的Lewis酸,電子從Ni2+向針鐵礦中的氧和鐵轉(zhuǎn)移。 (7)熱紅外研究結(jié)果表明,南京城郊農(nóng)業(yè)土壤的熱紅外光譜主要反映了粘土礦物OH伸縮振動和Si-O鍵伸縮和彎曲振動,而與重金屬元素有關(guān)的有機(jī)質(zhì)和鐵氧化物信息則不明顯。此外,人為污染模擬試驗結(jié)果表明,土壤熱紅外光譜也難以直接顯示重金屬元素信息。可見,無論是直接還是間接方式,熱紅外波段都不如可見光近紅外(VNIR)波段對重金屬元素敏感,因此,本文認(rèn)為監(jiān)測土壤重金屬污染的最佳波段是VNIR波段。 (8)基于上述最佳波段選擇結(jié)果,在當(dāng)前難以獲取研究區(qū)合適遙感影像情況下,利用實驗室模擬傳感器波段預(yù)測了研究區(qū)土壤重金屬元素含量。通過對不同平臺、不同光譜和空間分辨率傳感器HyMap、TM以及Quickbird的模擬,結(jié)果表明土壤重金屬元素可以被這三種傳感器預(yù)測,而且它們的預(yù)測精度非常接近,說明光譜分辨率不是預(yù)測重金屬元素含量的關(guān)鍵性因子。綜合考慮花費(fèi)以及混合像元影響,本研究認(rèn)為Quickbird是快速制圖本區(qū)農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染的首選傳感器。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2005
【中圖分類】：X53;X87
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 引言
    1.1 研究背景
    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 土壤重金屬污染監(jiān)測研究現(xiàn)狀及存在問題
        1.2.2 遙感地球化學(xué)研究現(xiàn)狀及存在問題
    1.3 研究區(qū)已有工作評述
    1.4 研究內(nèi)容
    1.5 研究思路
    1.6 項目支持與工作量統(tǒng)計
第二章 遙感地球化學(xué)基礎(chǔ)理論和方法
    2.1 遙感地球化學(xué)基礎(chǔ)理論
        2.1.1 反射光譜學(xué)原理
        2.1.2 土壤光譜特性分析
    2.2 遙感地球化學(xué)技術(shù)方法
        2.2.1 遙感地球化學(xué)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)
        2.2.2 遙感地球化學(xué)數(shù)據(jù)分析方法
第三章 研究區(qū)概況與地球化學(xué)背景
    3.1 自然地理和氣候特征
    3.2 區(qū)域地質(zhì)地貌
    3.3 土壤類型
    3.4 重金屬元素地球化學(xué)背景
第四章 重金屬元素分布特征及形態(tài)研究
    4.1 南京城郊土壤重金屬元素分布特征
        4.1.1 材料與方法
        4.1.2 江寧土壤重金屬含量特征
        4.1.3 八卦洲土壤重金屬含量特征
    4.2 南京城郊土壤重金屬元素形態(tài)研究
        4.2.1 材料與方法
        4.2.2 重金屬形態(tài)分配特征
        4.2.3 相關(guān)性分析
第五章 土壤重金屬元素光譜響應(yīng)
    5.1 重金屬元素和土壤反射光譜特性分析
        5.1.1 材料與方法
        5.1.2 重金屬元素反射光譜特性分析
        5.1.3 南京土壤光譜特性分析
    5.2 土壤重金屬——反射光譜響應(yīng)模擬研究
        5.2.1 試驗設(shè)計
        5.2.2 自然土壤吸附重金屬光譜響應(yīng)
第六章 重金屬元素與反射光譜關(guān)系研究
    6.1 江寧土壤重金屬與反射光譜關(guān)系研究
        6.1.1 單波段分析方法
        6.1.2 多元統(tǒng)計方法
    6.2 八卦洲土壤重金屬與反射光譜關(guān)系研究
        6.2.1 單波段分析結(jié)果
        6.2.2 多元分析結(jié)果
    6.3 土壤重金屬來源的光譜識別
        6.3.1 工業(yè)污染源的光譜識別
        6.3.2 土壤污染級別的光譜分類
第七章 土壤重金屬元素光譜預(yù)測機(jī)理研究
    7.1 土壤重金屬光譜響應(yīng)與土壤成分的關(guān)系
        7.1.1 序列提取方法與光譜變化
        7.1.2 不同形態(tài)元素反射光譜響應(yīng)研究
        7.1.3 土壤游離鐵含量的快速預(yù)測
    7.2 土壤組分吸附重金屬光譜響應(yīng)研究
        7.2.1 試驗設(shè)計
        7.2.2 實驗結(jié)果
第八章 土壤重金屬元素?zé)峒t外光譜研究
    8.1 土壤重金屬污染的熱紅外光譜研究
    8.2 模擬傳感器波段預(yù)測土壤重金屬含量
        8.2.1 方法描述
        8.2.2 結(jié)果與討論
第九章 結(jié)論與展望
    9.1 結(jié)論
    9.2 創(chuàng)新點
    9.3 展望
參考文獻(xiàn)
致謝
博士期間科研情況

【引證文獻(xiàn)】

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本文編號：2879308