土壤污染遙感研究進展及應用展望

(環境保護部衛星環境應用中心，北京 100094)

土壤污染遙感研究進展及應用展望

熊文成聶憶黃王橋婁啟佳屈冉張雅瓊滕佳華

(環境保護部衛星環境應用中心，北京 100094)

針對土壤污染可能出現的概念理解偏差，首先介紹土壤污染及其特點，明確了遙感技術監測土壤污染的目標與內容范疇。從土壤污染遙感監測研究，包括光譜機理、土壤污染反演、植被脅迫遙感反演等方面，全面總結了各種方法的主要進展、特點及應用中的問題。結合土壤污染監測需求，尤其是《土壤污染防治行動計劃》的明確需求，分析了遙感技術在土壤污染源監管、土壤污染風險管控、土壤調查布點優化、土壤污染反演研究等方面中的應用前景，表明遙感技術可以提高土壤污染監測能力，并為土壤環境管理提供全面宏觀信息。

土壤污染；遙感；土十條；重金屬

引言

土壤是經濟社會可持續發展的物質基礎，關系人民群眾身體健康，關系美麗中國建設，保護好土壤環境是推進生態文明建設和維護國家生態安全的重要內容。我國土壤環境總體狀況堪憂，部分地區污染較為嚴重。2005年至2013年開展了首次全國土壤污染狀況調查，結果表明，全國土壤總的點位超標率為16.1%，其中輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為11.2%、2.3%、1.5%和1.1%[1]。國務院于2016年5月印發了《土壤污染防治行動計劃》(“土十條”)，實施“土十條”是國家向污染宣戰的三個重大戰略之一，而土壤污染狀況調查與土壤環境監測是打贏土壤污染戰役的重要基礎。

傳統的土壤污染研究是通過室內分析野外實地逐點采集的樣品，獲取各樣點的污染物質含量，研究大部分則集中污染物化學測定方法、賦存狀態、污染與所依附的微觀環境的關系、污染分布遷移規律、污染風險評價方法等[2-5]。這種方法能夠取得相對良好的測量精度，但耗時費力、效率較低，而且無法較好地獲取空間上連續分布信息。遙感作為空間技術為宏觀快速獲取土壤重金屬污染信息提供了新的途徑，尤其是近年來，國內外多源衛星遙感數據在空間分辨率、時間分辨率、輻射分辨率、光譜分辨率等方面均取得突飛猛進的發展，為遙感技術在土壤重金屬污染調查與監測方面發揮更大作用提供了可能。因此，本文主要總結土壤污染遙感監測進展，結合目前土壤污染監測的迫切需求，分析遙感技術在土壤重金屬污染監測中的可能應用前景。

1 土壤污染與土壤污染遙感

1.1 土壤污染及特點

土壤污染是指所引入之物質或制劑的性質、數量或濃度可對土壤功能或使用價值產生負面影響。土壤污染的要素主要包括三方面的內容(土壤污染三要素)，即有可識別的人為污染物，有可鑒別的污染物數量的增加，有現存(直接顯露)或潛在(通過轉化)的危害后果[6]。人們在實際工作中重點關注的是土壤污染或者是污染土壤(指已經構成污染的樣點、場地和不同尺度的區域土壤)。然而，由于對概念理解的差異性，容易混淆了沾污和污染的差別，可能導致夸大土壤污染或污染土壤的問題。

土壤污染源可以分為天然源和人為源。天然源是指自然界自行向環境排放有害物質或造成有害影響的場所，此種狀況一般稱為自然災害，如正在活動的火山。人為源是指人類活動所形成的污染源，是研究的主要對象，而在這些污染源中，化學物質對土壤的污染是人們最為關注的。按照物質或制劑進入土壤的途徑所劃分的土壤污染源可分為污水灌溉、固體廢棄物的利用、農藥和化肥的施用、大氣沉降等。

土壤是不可再生資源，形成一厘米土壤大概需要幾百年到上千年。土壤污染具有累積性、不均勻性和長期存在性等特點，污染物在土壤中遷移、擴散和稀釋速度極慢，土壤一旦污染，將是“天長地久”。

土壤污染在土壤中的形態是其毒性的發揮的重要影響因子，同時污染在土壤中的形態也是光譜于遙感識別的重要基礎。就土壤重金屬而言，可以分為水溶態、交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機結合態和殘留態。

1.2 土壤污染遙感

遙感是以電磁波與地球表面物質相互作用為基礎，探測、分析和研究地球資源與環境，揭示地球表面各要素的空間分布特征與時空變化規律的一門科學技術。近年來，隨著遙感技術的發展，衛星遙感技術已經在氣象、海洋、環境、減災等各行各業取得長足的發展和應用。根據高分專項[7]、《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃(2015-2025年)》[8]等規劃，未來我國將發射多顆具有高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率、高輻射分辨率的高分衛星，將進一步豐富衛星數據的供給。

土壤污染遙感即利用遙感技術進行土壤污染的識別、反演、監管或風險評價。遙感器對土壤污染或相關要素的響應是開展土壤污染遙感的基礎。因此，土壤污染遙感應用需要開展土壤污染的監測需求與可遙感性分析(響應可識別性分析)，理清哪些需求可以通過遙感技術來實現，哪些需求可以輔助來實現，哪些需求可以引導遙感載荷發展。

2 土壤污染遙感研究現狀

土壤污染遙感監測研究主要是在光譜機理、土壤污染反演、植被脅迫遙感反演等方面。

2.1 土壤污染光譜機理研究

在土壤污染分析監測過程中，運用光譜分析法對重金屬、有機污染物進行分析已成為一種快速的例行分析方法[9]。土壤污染物質及其與土壤結合后形成的特定光譜是進行光譜識別的基礎，因此，進行土壤重金屬污染、有機物污染的光譜測量與統計分析是土壤污染光譜機理研究的主要方面。

一些學者對有機污染物光譜測量做了探索研究，從文獻來看數量不多，總體處于探索階段。如劉慶生等對遼河三角洲土壤中石油類物質進行光譜測量并初步構建模型[10]；趙春喜利用太赫茲時域光譜檢測技術對土壤中滴滴涕等3種有機物進行了檢測分析[11]；王忠東等利用熒光光譜特征對土壤中有機污染物進行測量實驗[12]；蓋利亞等[13]對農藥類污染場地進行光譜特征分析，并明確出污染土壤的光譜響應特征。

土壤中重金屬元素含量較低，反射電磁輻射能量弱，光譜特征不明顯，容易被土壤其他成分的光譜特征所掩蓋，因此通過直接分析重金屬元素的特征光譜來估算其含量比較困難[14]。因此，重金屬與土壤中光譜活性物質(有機質、氧化物、粘土礦物、土壤水份等)的內在聯系是基于土壤反射光譜研究重金屬的基礎。國內外學者對利用反射光譜法估算土壤重金屬含量進行了大量的研究，主要包括了土壤重金屬含量估算機理、土壤成分光譜特征、土壤光譜特征提取方法和估算模型等研究內容[15]。

使用的光譜儀有多種品牌，國內常用于土壤光譜測量的儀器，以Field Spec便攜式分光輻射光譜儀居多。光譜測試范圍可以從紫外光到紅外波段(波長范圍0.35～2.5μm)，波長精度±1nm，測試對象包括固體、液體等，以測量土壤反射率和輻射率為主[16]。

統計分析方法主要有兩種。一是通過實驗室化學分析得到土壤樣本重金屬含量和土壤鐵氧化物、有機質等的含量，直接計算重金屬與土壤組分之間的相關系數，依據相關系數的大小判定土壤重金屬與土壤光譜活性物質之間的相關關系。如王維等[17]通過對 350～2500nm 波段范圍光譜曲線進行測試，分別分析了土壤重金屬Cu與土壤化學組分、土壤化學成分與土壤特征光譜之間的關系，通過土壤中鐵含量和鎂含量實現了光譜法對土壤重金屬Cu的間接預測。二是采用回歸分析的方法建立重金屬含量反演模型，分析重金屬含量反演模型在土壤光譜波段上的權重，依據土壤光譜活性物質的光譜特征，建立重金屬元素與土壤組分之間的聯系。如解憲麗等[18]選擇江西貴溪銅冶煉廠污染區采集土樣，分析了9種重金屬元素與土壤可見光-近紅外反射光譜之間的相關性及其相關的原因。吳昀昭等[19]利用單變量和多元回歸分析建立了南京地區土壤反射率光譜與 Hg 含量之間的關系，并通過這種數量關系快速預測了土壤Hg含量。

雖然光譜分析在理論探索和實用性方面被廣泛應用，但光譜定量分析建立在相對比較的基礎上，建模的眾多假設與實際監測土壤存在較大差異，影響實際監測的精度。

2.2 土壤污染遙感

從土壤污染光學遙感進展類文獻來看[15，16，20，21]，很多學者開展了多光譜光學及高光譜遙感的土壤污染監測研究。有從元素類型上分，建立不同元素的遙感反演方法；從遙感手段上看，有多光譜手段、近地表高光譜、航空高光譜、衛星平臺高光譜等開展土壤污染監測。

從監測對象來說，有開展流域造成的重金屬污染，如Eunyoung Choe 等[22]利用 Hymap 高光譜數據制作了河流沉積物重金屬污染分布圖，蘭澤英等[23]利用高光譜數據進行樂安河流域重金屬污染反演。有開展農田污灌造成的重金屬污染，如王燕[24]利用高光譜數據開展石家莊污灌區重金屬遙感反演。有對污染場地進行土壤污染進行遙感監測，如蓋利亞等[13]對農藥類污染場地進行光譜特征分析。也有對一般性土壤開展重金屬制圖研究，如張威[10]開展三江源草地的重金屬高光譜反演研究。很大一部分學者對礦山、尾礦庫地區土壤重金屬污染開展遙感監測，如Kemper等[25]開展礦區土壤重金屬光譜研究。

總體來說，估算探測土壤中的重金屬含量，其精度和穩定性受限，主要原因在于土壤重金屬含量通常屬于痕量級，即使在重污染區域，即土壤重金屬含量大于三級臨界值的區域(參見《土壤環境質量標準》)[26]，其診斷性光譜特征也很容易湮沒在其他土壤組分的影響之中。但總體而言，土壤污染程度越高，如典型的污染場地，遙感反演與識別的效果更好。因此，針對重點污染場地，分析其土壤污染特征與規律對進行土壤污染遙感具有較強的可行性。

2.3 土壤污染植被脅迫遙感

相對于有機質等土壤成分而言，重金屬在土壤中的含量甚微，因此土壤光譜表現出來的重金屬光譜特性非常微弱，然而重金屬在土壤中的含量一旦超過環境的承受能力，就會對植被造成巨大的毒性，植被受重金屬污染脅迫表現出的光譜變化特征較土壤更為敏感。

健康植物對電磁波輻射的吸收、反射和散射作用構成了植物的特征光譜，土壤受重金屬污染后，生長在其上的植被特征將發生改變。陳圣波等[27]以黑龍江多寶山和銅山礦區為例，通過采集礦區典型植物的光譜進行分析，結果表明由于植物葉片對金屬元素富集，植物脅迫光譜的變異體現在光譜的“紅邊”和吸收深度不同。通過葉片內重金屬元素含量和550～760nm之間波段吸收深度的多元回歸分析，表明葉片中各類重金屬的含量與其光譜吸收深度的復相關系數都在0.75以上，相關性強。郭云開等[28]在光譜分析的基礎上，采用植被指數和相關分析相結合的方法提取與土壤中Cd、Pb、Zn相關的水稻冠層光譜敏感參數，通過最小二乘擬合建立土壤重金屬全量反演模型。一些研究基于受重金屬脅迫的植被冠層光譜變化，反映植被的污染脅迫水平，預測植物體內重金屬累積量。陳思寧等[29]進行重金屬鋅脅迫的白菜葉片光譜響應研究，進行定量線性相關分析，提取的三種特征光譜因子與Zn含量相關性達到0.95左右，可用來預測白菜葉片金屬Zn含量。

基于重金屬脅迫對不同植物葉綠素含量、細胞結構和含水量的影響，及這些光譜控制因子在重金屬脅迫時的變化機制，許多研究者探索遙感方式來評估植物受重金屬脅迫的程度，構建植被指數、紅邊位置等參數遙感光譜指數與葉綠素含量、葉片結構、含水量的脅迫關系[30-31]。

總體而言，植被脅迫是反演土壤污染生物有效性的一個重要指標，對環境風險評價具有較大意義。光譜特征，尤其是紅邊特征對植被脅迫具有一定識別能力，但由于植物對重金屬存在一定的抗性、統計模型缺少普適性等問題，目前的土壤污染植被脅迫反演精度有一定受限。

3 應用展望

目前來說，土壤污染遙感研究主要集中在遙感機理與模型的構建方面，與實際的管理應用需求結合不是很緊密。利用已有成熟遙感技術，結合土壤污染光譜、反演、植被脅迫等方面的遙感研究進展，面向國務院發布的《土壤污染防治行動計劃》中提出的土壤環境質量管理需求，可更為實用地以下幾個方面發揮遙感優勢。

3.1 土壤污染源遙感監管

土壤污染源是土壤污染的源頭，加強工礦企業的環境監管，切斷土壤污染的源頭，遏制土壤污染擴大的趨勢。《土壤污染防治行動計劃》中，多次提出對于重點污染源、礦產資源集中開采區、石油開采區的監管及農膜污染的防治。遙感技術上述污染源監管工作中可以起到重要的支撐作用。對于礦產集中開采區，可以利用遙感技術劃定礦產開發土壤污染邊界，開展礦區未利用地環境遙感監管。對于石油開采區，可以利用遙感技術劃定土壤污染范圍與面積，開展油田開采區未利用地環境遙感監管。對于農田農膜，可以利用遙感技術對河北、遼寧、山東、河南、甘肅、新疆等農膜使用量較高省份進行遙感監測，分析農膜使用面積以及回收面積變化。對于固體廢物集中堆存場地，可以利用遙感技術對尾礦庫、煤矸石、工業副產石膏、粉煤灰、赤泥、冶煉渣、電石渣、砷渣以及脫硫脫硝除塵產生固體廢物的堆存場所，開展遙感識別與遙感監管。對于重點行業企業用地中污染地塊，利用遙感技術監測污染地塊的分布及其環境風險。

3.2 遙感技術服務風險管控

《土壤污染防治行動計劃》中強調，要“強化未污染土壤保護”，對已污染的土地，要“防范人居環境風險”。立足多源衛星數據，開展相關空間的遙感監測。一是對土壤良好區域、國家劃定的土壤環境保護重點區域，依法開展遙感監測，監測可能存在的破壞行為。二是對土壤嚴重污染區域，國家劃定的土壤污染控制區，進行遙感監測，防止在此周邊建立居住區、學校、醫院等。

另外，通過收集污染源普查數據、互聯網數據、遙感解譯等，摸清區域典型土壤污染源分布，形成土壤污染源分布數據集。疊合土壤污染源、遙感專題參數、環境敏感區(如居民聚居區、保護區)、氣候氣象、河流水系、土壤侵蝕、地形地貌、地表覆蓋與土地利用分類等信息，耦合經濟社會發展數據，進行區域尺度上土壤污染風險評價與分區。在不同情景下，模擬重金屬污染過程，進行區域風險評價，并有針對性提出控制方案。

3.3 遙感技術服務土壤調查布點優化

土壤污染監測與調查中，土壤樣點的空間布局對于監測與調查的結果至關重要。常用的采樣點的布置一般可分為隨機布點法、分區隨機布點法和系統(網格)布點法[6]。分區隨機布點法是基于區域內部分異性的布點方法，比如土壤類型、土地利用類型和地形地貌、植被生長狀態等，因綜合考慮了分異性，該法具有較好的針對性和經濟性。遙感的綜合響應特征能綜合反映區域內的分異性，因此，基于土壤污染物的分布特征、遙感響應特征及土壤污染相關的空間信息等，可以在區域中分辨率尺度進行土壤樣點空間布局優化。同時，在局地尺度上，基于高空間分辨率遙感影像，獲取樣點局地環境信息，可以對土壤采樣點的具體布點進行設計與優化。

3.4 開展土壤污染遙感反演試點與研究

開展土壤污染遙感直接反演試點與研究，針對土壤污染區域(如土壤污染重點行業企業的潛在污染地塊)，采集土壤樣品和進行土壤光譜測定，研究建立土壤重金屬反演模型以及最佳反演波段；利用遙感影像，研究建立遙感特征與土壤污染物之間的回歸模型，定量反演土壤污染程度與分布；耦合地面監測數據，結合污染源情況，進行土壤污染的遙感定量反演與動態分析。開展土壤污染植被脅迫遙感反演試點與研究，針對土壤污染區域，利用植物土壤污染脅迫反應，間接指示土壤污染情況，進行植被脅迫效應的土壤污染動態遙感監測，分析土壤污染影響范圍與影響程度。

總之，應充分發揮遙感技術的宏觀、連續、光譜綜合等特征，提高土壤污染監測能力，為土壤環境管理提供更為全面客觀的信息。

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ProgressinSoilPollutionRemoteSensingandItsApplicationProspect

XIONG Wencheng NIE Yihuang WANG Qiao LOU Qijia QU Ran ZHANG Yaqiong TENG Jiahua

(Satellite Environment Application Center，Ministry of Environment Protection，Beijing，100094，China)

In view of the inaccurate understanding of soil pollution，the soil pollution and its features were introduced，and the objective and content was defined about soil pollution monitoring via remote sensing technology.The main progresses，features and application problems of various methods were summarized from the aspects of soil pollution remote sensing monitoring，including spectral mechanism，soil pollution remote sensing inversion and stress in plants remote sensing inversion. In this paper，based on the requirement of soil pollution monitoring，especially the “Action Plan for Soil Pollution Prevention and Control”，the application prospect of remote sensing technology in soil pollution sources monitoring，soil pollution risk control，soil survey spot arrangement and soil pollution inversion research were analyzed，Indicating that remote sensing technology could improve the ability of soil pollution monitoring and provide comprehensive information for soil environment protection management.

Soil pollution；remote sensing；“Ten specific measures”；heavy metal

項目資助：國家重點研發計劃課題“城鄉生態資源高分遙感與地面協同監測關鍵技術研究”(2017YFB0503903)

熊文成，博士，高級工程師，主要從事生態環境遙感工作

婁啟佳，工程師，主要從事環境規劃遙感工作

文獻格式：熊文成 等.土壤污染遙感研究進展及應用展望[J].環境與可持續發展，2017，42(6)：51-54.

X21

A

1673-288X(2017)06-0051-04