典型礦區土壤重金屬污染對植被影響遙感監測分析——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.環境保護部衛星環境應用中心，北京 100094；2.北京師范大學地理學與遙感科學學院，北京 100875)

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典型礦區土壤重金屬污染對植被影響遙感監測分析
——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.環境保護部衛星環境應用中心，北京 100094；2.北京師范大學地理學與遙感科學學院，北京 100875)

土壤污染對陸表植被影響監測與分析是土壤環境管理的重要內容之一。為探索遙感技術在土壤環境管理中的支撐作用，選擇江西省德興銅礦為研究區，利用多源遙感數據，提取了礦區污染場變化信息及分布，在此基礎上，綜合植被覆蓋區域葉片銅離子含量分布和植被類型分布產品，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域植被生態系統破壞的主要原因。另外，德興銅礦內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；遙感監測

1 引 言

我國土壤污染的總體不容樂觀，工礦業廢棄地土壤環境問題突出[1]。礦產資源的開發利用、長期高強度的工業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，給礦區土壤及周邊的生態環境帶來嚴重污染[2]。礦區周圍的植被受到土壤重金屬污染后，其外觀顏色或內部細胞結構和含水量可能發生變化，其生長狀況是礦區周圍生態環境變化的重要指示因子，因此，開展植被受礦區土壤重金屬污染影響的監測分析對于土壤環境管理具有重要意義。傳統的土壤環境污染監測主要采用地面布點、采樣和實驗室分析測定的技術手段，采樣和布點成本高、難度大，而且測量結果主要以點數據形式表達，不能推廣到區域尺度，無法全面反映區域尺度上的土壤環境污染狀況。而遙感技術作為一種大范圍監測的新技術手段，已廣泛用于大氣、水和生態環境監測中，并發揮了重要作用[3-5]。為了彌補土壤環境污染地面監測在空間連續性、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和環境衛星數據，提取污染場地變化狀況，并綜合利用基于環境衛星高光譜影像反演得到的植被葉片銅含量分布數據和“全國生態環境十年變化(2000～2010年)遙感調查與評估”項目成果中的植被分布產品，對土壤重金屬污染對植被的影響進行分析，為遙感技術在土壤重金屬污染方面的推廣應用奠定基礎。

2 污染場地變化對植被的影響

2.1 研究區概況

德興銅礦位于江西省上饒地區德興市泗洲鎮，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衛星數據和2012年12月環境衛星數據(圖1)，通過遙感解譯方法，提取了污染場地、植被、城鎮用地、河流4類地物的分布情況。解譯結果見圖2。

圖1 德興銅礦遙感影像

圖2 德興銅礦遙感解譯結果

根據遙感解譯結果，統計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

根據遙感解譯結果，提取了1973年和2012年研究區范圍內各地物類別的面積，如表1所示。

表1 江西省德興銅礦研究區各地物類別面積統計表

監測結果表明：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，對于區域植被生態系統造成嚴重破壞。

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，提取了研究區內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果發現研究區內共有污染場地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土壤受重金屬銅的污染，重金屬又被植被所吸收和富集，產生了生物地球化學效應，導致植被葉片光譜發生變化，而光譜的變化可能在高光譜遙感數據中反映出來。因此，為了監測植被重金屬銅污染情況，屈永華等利用2012年9月16日的環境衛星高光譜遙感影像，同時結合2012年9月地面實測的葉片銅離子含量數據，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，提取了研究區植被覆蓋區域葉片銅離子含量[6]，見圖4。

圖4 污染場地分布圖

由于環境衛星高光譜影像空間分辨率為100m，在一個高光譜圖像像元內出現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，研究區植被葉片銅含量為0～130mg/kg。受污染場地影響，研究區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“全國生態環境十年變化(2000～2010年)遙感調查與評估”項目成果中的植被分布數據，提取2010年德興銅礦研究區的植被分布圖(見圖6)，對污染場地周邊的植被類型面積進行了統計分析，見表2。

結果表明，該研究區植被有常綠闊葉林、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計表

圖6 研究區植被類型分布圖

綜合研究區植被葉片銅含量分布圖(圖5)和植被類型分布圖(圖6)可發現該研究區草本綠地、草叢和農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、草叢和農作物的重金屬累積量低于其他幾種植被。

4 結論與討論

本文利用遙感影像和已有的遙感專題產品，對典型礦區土壤重金屬污染對植被的影響進行了監測與初步分析，研究結果表明：德興銅礦污染場地面積不斷擴大，對區域植被生態系統造成破壞。從1973年至2012年期間，德興銅礦內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、草叢和農作物8種植被類型。其中，草本綠地、草叢和農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，將遙感技術應用于土壤重金屬污染對植被影響監測是可行有效的，本研究為實現遙感大范圍實時、動態監測土壤重金屬對植被影響提供了技術支持。

建議加強遙感技術在土壤環境監測中的應用，有效彌補地面監測方法只能獲取點位土壤環境監測數據的不足，實現區域土壤環境動態變化監測。根據不同植被類型對土壤污染影響的響應差異，建議對礦區污染場地周邊植被采取差異化保護措施。同時，在土壤環境恢復治理過程中，可以選擇具有強富集能力的適宜植被類型，提高恢復治理效果。

[1]環境保護部，國土資源部.全國土壤污染狀況調查公報.2014：1-5.

[2]高曉寧.礦區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.衛星遙感技術在環境保護中的應用：進展、問題及對策[J].地理與地理信息科學，2011，27(6)：84-90.

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

[5]王橋.衛星遙感技術在環境保護領域中應用的進展與挑戰[J].中國環境監測，2009，25(4)：53-57.

[6]屈永華，焦思紅，劉素紅，等.從高光譜衛星數據中提取植被覆蓋區銅污染信息[J].光譜學與光譜分析，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：國家重點研發計劃項目(編號：2016YFB0501404)；科技基礎性工作專項項目“測繪地物波譜本底數據庫建設(2014FY210800)”

付卓，博士，高工，主要從事生態環境遙感研究

侯鵬，博士，正高級工程師，主要從事環境遙感和生態評估研究

X21

A

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

致 謝：感謝朱葉青、北京師范大學劉素紅教授在獲取野外實驗數據方面提供幫助

引用文獻格式：付 卓 等.典型礦區土壤重金屬污染對植被影響遙感監測分析[J].環境與可持續發展，2016，41(6)：66-68.