典型矿区土壤重金属污染对植被影响遥感监测分析——以江西省德兴铜矿为例

付 卓 肖如林 申文明 周春艳 屈永华 万华伟 翟 俊 侯 鹏

(1.环境保护部卫星环境应用中心，北京 100094；2.北京师范大学地理学与遥感科学学院，北京 100875)



典型矿区土壤重金属污染对植被影响遥感监测分析
——以江西省德兴铜矿为例

付 卓1肖如林1申文明1周春艳1屈永华2万华伟1翟 俊1侯 鹏1

(1.环境保护部卫星环境应用中心，北京 100094；2.北京师范大学地理学与遥感科学学院，北京 100875)

土壤污染对陆表植被影响监测与分析是土壤环境管理的重要内容之一。为探索遥感技术在土壤环境管理中的支撑作用，选择江西省德兴铜矿为研究区，利用多源遥感数据，提取了矿区污染场变化信息及分布，在此基础上，综合植被覆盖区域叶片铜离子含量分布和植被类型分布产品，进一步分析了污染场地变化对植被的影响及不同类型的植被受重金属污染程度差异性。研究结果表明：从1973年至2012年期间，污染场地面积增加了23.46km2，植被减少了24.86km2。污染场地面积的扩大是造成该区域植被生态系统破坏的主要原因。另外，德兴铜矿内不同类型植被受到土壤重金属铜的影响程度不同，草本绿地、草丛和农作物的叶片铜片含量基本在60mg/kg以下，低于其他几种植被的重金属铜累积量。

重金属；土壤污染；遥感监测

1 引 言

我国土壤污染的总体不容乐观，工矿业废弃地土壤环境问题突出[1]。矿产资源的开发利用、长期高强度的工业化活动使重金属成为土壤污染的一个重要来源，尤其是露天金属矿山的开采，不仅堆积了大量的尾矿，而且每年还排放大量的含多种金属离子的酸性废水，给矿区土壤及周边的生态环境带来严重污染[2]。矿区周围的植被受到土壤重金属污染后，其外观颜色或内部细胞结构和含水量可能发生变化，其生长状况是矿区周围生态环境变化的重要指示因子，因此，开展植被受矿区土壤重金属污染影响的监测分析对于土壤环境管理具有重要意义。传统的土壤环境污染监测主要采用地面布点、采样和实验室分析测定的技术手段，采样和布点成本高、难度大，而且测量结果主要以点数据形式表达，不能推广到区域尺度，无法全面反映区域尺度上的土壤环境污染状况。而遥感技术作为一种大范围监测的新技术手段，已广泛用于大气、水和生态环境监测中，并发挥了重要作用[3-5]。为了弥补土壤环境污染地面监测在空间连续性、获取成本等方面的不足，本文以江西省德兴铜矿为例，利用Landsat MSS和环境卫星数据，提取污染场地变化状况，并综合利用基于环境卫星高光谱影像反演得到的植被叶片铜含量分布数据和“全国生态环境十年变化(2000～2010年)遥感调查与评估”项目成果中的植被分布产品，对土壤重金属污染对植被的影响进行分析，为遥感技术在土壤重金属污染方面的推广应用奠定基础。

2 污染场地变化对植被的影响

2.1 研究区概况

德兴铜矿位于江西省上饶地区德兴市泗洲镇，全矿面积约100km2。德兴铜矿于1958年成立；1965年，建成北山矿，地下开采；1971年建成南山矿，露天开采。该铜矿是世界上已探明铜储量在800万吨以上的特大型斑岩铜矿之一，也是中国最大的露天有色金属矿。

2.2 污染场地变化状况遥感监测

为了掌握德兴铜矿自露天开采以来污染场地的变化情况，利用1973年3月Landsat MSS卫星数据和2012年12月环境卫星数据(图1)，通过遥感解译方法，提取了污染场地、植被、城镇用地、河流4类地物的分布情况。解译结果见图2。

图1 德兴铜矿遥感影像

图2 德兴铜矿遥感解译结果

根据遥感解译结果，统计1973年和2012年德兴铜矿污染场地面积分别为5.01和28.47km2，面积增加了23.46km2。

2.3 污染场地变化状况对植被影响分析

根据遥感解译结果，提取了1973年和2012年研究区范围内各地物类别的面积，如表1所示。

表1 江西省德兴铜矿研究区各地物类别面积统计表

监测结果表明：从1973年至2012年期间，污染场地面积增加了23.46km2，植被减少了24.86km2。污染场地面积不断扩大，对于区域植被生态系统造成严重破坏。

3 土壤污染对植被的影响

3.1 污染场地空间分布信息提取

为了进一步掌握污染场地空间分布信息，本文利用2012年SPOT-5高空间分辨率的遥感影像，提取了研究区内污染场地的空间分布信息，见图3。

图3 污染场地分布图

从污染场地信息提取结果发现研究区内共有污染场地8处，包括尾矿库3处、排土场2处、露天采矿区2处、洗矿场1处。

3.2 土壤污染对植被的影响

由于德兴铜矿范围内土壤受重金属铜的污染，重金属又被植被所吸收和富集，产生了生物地球化学效应，导致植被叶片光谱发生变化，而光谱的变化可能在高光谱遥感数据中反映出来。因此，为了监测植被重金属铜污染情况，屈永华等利用2012年9月16日的环境卫星高光谱遥感影像，同时结合2012年9月地面实测的叶片铜离子含量数据，采用逐步多元线性回归方法，建立叶片铜离子含量遥感估算模型，提取了研究区植被覆盖区域叶片铜离子含量[6]，见图4。

图4 污染场地分布图

由于环境卫星高光谱影像空间分辨率为100m，在一个高光谱图像像元内出现混合像元的可能性较大，因此，所提取的植被叶片铜离子含量是植被与背景的综合含量。从图5可以看出，研究区植被叶片铜含量为0～130mg/kg。受污染场地影响，研究区中大部分植被叶片铜含量在60～100mg/kg。

图5 植被叶片铜含量分布图(mg/kg)

本文利用“全国生态环境十年变化(2000～2010年)遥感调查与评估”项目成果中的植被分布数据，提取2010年德兴铜矿研究区的植被分布图(见图6)，对污染场地周边的植被类型面积进行了统计分析，见表2。

结果表明，该研究区植被有常绿阔叶林、常绿针叶林、针阔混交林、常绿阔叶灌木林、落叶阔叶灌木林、草丛、草本绿地和农作物8种类型，以常绿针叶林、常绿阔叶林和针阔混交林为主，面积分别为40.56、12.40和12.15km2，占植被总面积的52.10%、15.93%和15.61%。

表2 各类型植被面积信息统计表

图6 研究区植被类型分布图

综合研究区植被叶片铜含量分布图(图5)和植被类型分布图(图6)可发现该研究区草本绿地、草丛和农作物的叶片铜片含量较其他几种植被低，基本在60mg/kg以下。即草本绿地、草丛和农作物的重金属累积量低于其他几种植被。

4 结论与讨论

本文利用遥感影像和已有的遥感专题产品，对典型矿区土壤重金属污染对植被的影响进行了监测与初步分析，研究结果表明：德兴铜矿污染场地面积不断扩大，对区域植被生态系统造成破坏。从1973年至2012年期间，德兴铜矿内污染场地面积增加了23.46km2，植被减少了24.86km2。污染场地周围植被叶片铜含量在0～130mg/kg，且大部分植被叶片铜含量为60～100mg/kg。另外，德兴铜矿内不同类型植被受到土壤重金属铜的影响程度不同。德兴铜矿内有常绿阔叶林、常绿针叶林、针阔混交林、常绿阔叶灌木林、落叶阔叶灌木林、草本绿地、草丛和农作物8种植被类型。其中，草本绿地、草丛和农作物的重金属累积量基本在60mg/kg以下，低于常绿阔叶林、常绿针叶林、针阔混交林、常绿阔叶灌木林和落叶阔叶灌木林。总之，将遥感技术应用于土壤重金属污染对植被影响监测是可行有效的，本研究为实现遥感大范围实时、动态监测土壤重金属对植被影响提供了技术支持。

建议加强遥感技术在土壤环境监测中的应用，有效弥补地面监测方法只能获取点位土壤环境监测数据的不足，实现区域土壤环境动态变化监测。根据不同植被类型对土壤污染影响的响应差异，建议对矿区污染场地周边植被采取差异化保护措施。同时，在土壤环境恢复治理过程中，可以选择具有强富集能力的适宜植被类型，提高恢复治理效果。

[1]环境保护部，国土资源部.全国土壤污染状况调查公报.2014：1-5.

[2]高晓宁.矿区土壤重金属污染及其研究方法[J].黑龙江科技信息，2013(15)：124-125.

[3]杨一鹏，韩福丽，王桥，等.卫星遥感技术在环境保护中的应用：进展、问题及对策[J].地理与地理信息科学，2011，27(6)：84-90.

[4]赵少华，王桥，游代安，等.高分辨率卫星在环境保护领域中的应用[J].国土资源遥感，2015，27(4)：1-7.

[5]王桥.卫星遥感技术在环境保护领域中应用的进展与挑战[J].中国环境监测，2009，25(4)：53-57.

[6]屈永华，焦思红，刘素红，等.从高光谱卫星数据中提取植被覆盖区铜污染信息[J].光谱学与光谱分析，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

项目资助：国家重点研发计划项目(编号：2016YFB0501404)；科技基础性工作专项项目“测绘地物波谱本底数据库建设(2014FY210800)”

付卓，博士，高工，主要从事生态环境遥感研究

侯鹏，博士，正高级工程师，主要从事环境遥感和生态评估研究

X21

A

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

致 谢：感谢朱叶青、北京师范大学刘素红教授在获取野外实验数据方面提供帮助

引用文献格式：付 卓 等.典型矿区土壤重金属污染对植被影响遥感监测分析[J].环境与可持续发展，2016，41(6)：66-68.