树基沟矿区铜胁迫落叶松的光谱特征详解

0 引  言 

为了研究长白落叶松光谱对土壤Cu胁迫的响应特征和变化规律，在辽东树基沟矿区的３条勘测线上布置采样点，进行表层土壤的多种重金属元素含量和长白落叶松针叶的反射光谱测定，并提取了７个特征波段，计算了多个波段区间的光谱角，将其与土壤主要重金属铜的含量进行相关分析。

光谱反演原理

植被的生长状况也是矿山周围生态环境变化的重要指示因子。

植物的光谱特征（对光的吸收、透射和反射的变化）由生理特征决定，生理特征又反映生长状况。植被在生长过程中受到周围不利因素胁迫时，生长状况将发生变化，特别体现在叶内的色素成分、含量、内部细胞结构以及含水量等方面，叶面反射光谱也随之发生改变 。

本文利用长白落叶松针叶光谱的细微差别，反演矿区地表的土壤重金属含量。

1 研究区概况研究区属山地丘陵区，大地构造位置为华北地台北缘东段辽东台背斜铁岭—靖宇古隆起中部，主要由混合花岗岩、花岗混合岩和太古宙变质岩系组成 。断裂构造和褶皱构造非常发育，其中太古代中晚期花岗-绿岩地体多期变形作用形成的褶皱构造被认为与区内铜、锌多金属矿化关系密切。

本文选取垂直于矿体走向且矿体埋深分别为：15m、127m、264m的4#、12#、20#三条勘测线，测定了３条勘测线上表层土壤的重金属元素Cu、Zn、Cd、Pb、Hg含量，研究了在土壤中主要重金属铜胁迫下长白落叶松针叶反射光谱的变化规律。

 

图１为树基沟矿区地质简图（ａ）及３条勘测线上采样点的位置（ｂ）。4#勘测线附近从低纬度到高纬度，采样点编号分别为 4-2、4-3、4-4、4-5、4-6、4-7、4-8、4-9和 4-11；12#勘测线附近采样点按纬度从高到低分别为12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6、12-7、12-8和 12-9；20#勘测线附近按纬度从高到低，采样点分别为 20-3、20-4、20-5、20-6、20-7和20-8。

2 材料与方法2.1土壤样品采集与处理

在垂直于深部矿体的地表4#、12#、20#勘测线上每间隔30ｍ进行表层土壤样品的采集，矿体附近采样间隔加密到 20m。３条勘测线上每个采样点采用多点混合采样，采样深度为0~20cm。

土壤样品在室温下风干，磨碎，采用四分法，逐级过筛，用玛瑙研钵磨细过0.149mm筛，置于塑料瓶中保存待测。消解土壤样品时每个样品做３个平行样。重金属全量的测定采用硝酸 -高氯酸-氢氟酸消化，原子吸收分光光度法测定。

2.2植被反射光谱测量

选择各采样点相同朝向、相同树龄、生长状况近似的长白落叶松作为取样对象，采集其针叶样品，在仍然新鲜时用地物光谱仪进行室内反射光谱的测量。

2.3特征波段/参数

在多条光谱曲线上存在显著差异的波段处选取特征波段/参数，能有效鉴别相似光谱曲线之间细微的光谱差异，对相似地物具有较强的识别能力。特征波段的选择和提取至关重要，本文将特征波段的位置取在反射光谱曲线的峰值点或谷点以及坡度的拐点处，表1给出了反射光谱的几种特征波段。

利用相似度的度量工具—光谱角法对受重金属铜胁迫的长白落叶松针叶多个波段区间的光谱变化进行分析，当针叶光谱角小于对应波段区间的阈值时认为不存在光谱差别；当光谱角大于阈值时，表明该针叶光谱变异显著，长白落叶松受到铜的胁迫。

光谱角越小，长白落叶松针叶的光谱曲线与对照组植被叶片的光谱曲线越相似；反之，光谱角越大，光谱曲线相似度越差，长白落叶松受到铜的胁迫越严重，从而达到诊断铜污染程度的目的。

3结果与讨论

3.1各采样点重金属平均含量

图2为３条测线上各采样点表层土壤样品的重金属平均含量分布图。同一采样点处各重金属总量的大小关系为 Zn>Cu>Pb>Cd>Hg，由于土壤中Cd与 Hg的含量差异小，图 2中Cd与Hg曲线几乎重合。4#勘测线上的4-5、4-6采样点为Cu、Zn含量最大富集处，含量异常突出，其余各样点的重金属含量波动不大。Nemero综合污染指数表明，土壤只有Cu为轻度污染，Zn、Cd、Hg、Pb无污染，３条测线的表层土壤污染主要由Cu引起。

 

测得4#、12#、20#三条勘测线上各采样点长白落叶松针叶的反射光谱如图3所示。

可见光波段的反射低谷主要由栅栏组织中的光合色素强烈吸收引起；近红外波段形成的“反射高原”（700~1300nm）主要是植物叶片内部海绵组织细胞中的“水-气界面”多次反射和散射的结果；波长大于 1300nm的中红外波段存在３个明显的吸收谷，这主要是由叶片中的液态水强烈吸收所致。铜胁迫长白落叶松针叶的光谱反射率在高反射区（800~1300nm）远高于健康植被，而这些差别反映了它们光谱特性的不同，是用于识别和区分植被受胁迫程度的基础。

审核编辑：符乾江