重构玉米叶片光谱的铜铅污染区分与其含量反演方法研究

利用经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)、自相关函数一阶导数比值差(ratio difference of autocorrelation function first-order derivative,_(RDA))和多重分形理论,结合玉米盆栽实验,研究了铜(Cu~(2+))、铅(Pb~(2+))离子不同胁迫梯度下玉米叶片光谱去噪、叶片重金属污染的Cu和Pb元素区分以及叶片中Cu、Pb元素含量预测方法。通过光谱数据的EMD去噪与重构处理,得到不同浓度Cu、Pb胁迫下玉米叶片重构光谱;利用光谱自相关函数一阶导数(autocorrelation function first derivative,AFFD)及其比值差(_(RDA)),建立了Cu~(2+)、Pb~(2+)不同胁迫梯度下玉米叶片重构光谱的_(RDA)变化量(Cu_(RDA)、Pb_(RDA))计算公式;依据_(RDA)变化量曲线中紫光、绿峰、红光、红边、近谷、近峰多个波谱特征区间的Cu_(RDA)和Pb_(RDA)计算值,可明显地区分出叶片的Cu、Pb污染类别;另外,根据实测的玉米叶片中叶绿素、Cu~(2+)、Pb~(2+)含量与叶片重构光谱的多重分形谱参量之间相关性,构建了叶片中Cu~(2+)、Pb~(2+)含量反演的线性回归预测模型,经验证模型精度较高。     

重构玉米叶片光谱的铜铅污染区分与其含量反演方法

利用经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)、自相关函数一阶导数比值差(ratio difference of autocorrelation function first-order derivative,_(RDA))和多重分形理论,结合玉米盆栽实验,研究了铜(Cu~(2+))、铅(Pb~(2+))离子不同胁迫梯度下玉米叶片光谱去噪、叶片重金属污染的Cu和Pb元素区分以及叶片中Cu、Pb元素含量预测方法。通过光谱数据的EMD去噪与重构处理,得到不同浓度Cu、Pb胁迫下玉米叶片重构光谱;利用光谱自相关函数一阶导数(autocorrelation function first derivative,AFFD)及其比值差(_(RDA)),建立了Cu~(2+)、Pb~(2+)不同胁迫梯度下玉米叶片重构光谱的_(RDA)变化量(Cu_(RDA)、Pb_(RDA))计算公式;依据_(RDA)变化量曲线中紫光、绿峰、红光、红边、近谷、近峰多个波谱特征区间的Cu_(RDA)和Pb_(RDA)计算值,可明显地区分出叶片的Cu、Pb污染类别;另外,根据实测的玉米叶片中叶绿素、Cu~(2+)、Pb~(2+)含量与叶片重构光谱的多重分形谱参量之间相关性,构建了叶片中Cu~(2+)、Pb~(2+)含量反演的线性回归预测模型,经验证模型精度较高。     

铜铅重金属胁迫下玉米光谱分形维数与污染监测研究

通过设定不同浓度梯度的重金属Cu、Pb胁迫下的玉米盆栽试验,利用美国高性能地物光谱仪SVC HR-1024I对不同浓度铜铅污染的玉米老、中、新叶片进行光谱测量,同时采用SPAD-502叶绿素含量测定仪测定各类叶片中叶绿素含量相对值,并通过化学方法测定不同胁迫程度下玉米叶片中的铜铅含量。在分析玉米叶片中Cu、Pb含量与光谱曲线的绿峰高度(GH)、红谷深度(RD)、蓝边(DB)、红边最大值(MR)、红边面积(FAR)、红边一阶微分曲线陡峭度(FCDR)之间相关性的基础上,利用分形理论对叶片410~780 nm之间的光谱曲线进行分形测量,提出运用光谱曲线分形维数(FRAC)对受不同浓度重金属铜铅污染的玉米叶片进行污染监测,同时对相同浓度铜铅胁迫下的老、中、新叶片也进行了光谱响应研究。结果表明,随着叶片中重金属含量增加光谱曲线分形维数也逐渐增大,同等浓度重金属铜铅胁迫程度下,分形维数从新叶到老叶逐渐减小,并且发现光谱曲线分形维数与绿峰高度、红谷深度、红边面积具有较好的相关性,说明光谱曲线分形维数不仅可以综合描述曲线的光谱特性,还能定量反映玉米叶片受重金属铜铅污染程度及其健康状况。因此,光谱曲线分形维数可以作为玉米叶片重金属污染监测的一种新方法。     

Cu胁迫下油菜叶片日光诱导荧光辐射特征

农作物在重金属铜胁迫下生长,日光诱导荧光辐射特征会发生变化,可以间接地反映植被受重金属胁迫的强度。采用不同铜浓度的污染土壤作为培养基,选取双子叶作物油菜进行铜胁迫生长实验,获取4个不同生育期以及7个不同铜污染强度下的植被叶片的反射光谱。基于叶片荧光光谱特征,采用PROSPECT模型反演方法,从油菜叶片反射光谱中获得不同铜胁迫下油菜叶片的荧光光谱,提取荧光光谱峰值特征;并根据油菜不同的生长时期建立了红荧光峰值与叶片中铜含量之间的负相关关系。验证了提取荧光光谱方法的可行性,为大面积植被重金属含量检测提供理论依据。     

Cu胁迫下叶片日光诱导荧光辐射特征研究

农作物在重金属铜胁迫下生长,日光诱导荧光辐射特征会发生变化,可以间接地反映植被受重金属胁迫的强度。在本研究中,采用不同铜浓度的污染土壤作为培养基,选取双子叶作物油菜进行铜胁迫生长实验,获取4个不同生育期以及7个不同铜污染强度下的植被叶片的反射光谱。基于叶片荧光光谱特征,采用PROSPECT模型反演方法从油菜叶片反射光谱中获得不同铜胁迫下油菜叶片的荧光光谱,提取荧光光谱峰值特征,并根据油菜不同的生长时期建立了红荧光峰值与叶片中铜含量之间的负相关关系。验证了提取荧光光谱方法的可行性,为大面积植被重金属含量检测提供理论依据。     

铅离子胁迫下盆栽玉米叶片光谱微分的红边响应研究

基于重金属铅(Pb)污染的盆栽实验玉米,采用光谱仪和叶绿素仪测量了不同浓度Pb~(2+)胁迫下玉米老、中、新叶片的反射光谱及其叶绿素含量;也运用质谱仪测定了不同胁迫浓度叶片中Pb~(2+)含量。对玉米老、中、新叶片中的叶绿素含量与各类叶片及土壤中的Pb~(2+)浓度进行了相关性分析;并为了区分玉米叶片铅离子污染程度和预测Pb~(2+)含量,提出了红边一阶微分曲线面积比值(FARR)和红边一阶微分峰前面积(FABR)参数;同时与常规红边一阶微分包围面积(FAR)、红边一阶微分曲线陡峭度(FCDR)、红边位置(REP)以及红边最大值(MR)作运用比较,实验结果表明,玉米叶片中的叶绿素含量从新叶、中叶到老叶逐渐增加,并随着土壤中Pb~(2+)浓度的升高而降低;受到Pb~(2+)胁迫时,新叶片到老叶片的REP"蓝移"更为明显;FARR和FABR在Pb~(2+)的胁迫程度区分和污染监测方面比FAR、FCDR、REP、MR具有更好的预测效果。     

黄河口日本鳗草(Zostera japonica)在环境胁迫下的光合响应研究

本文针对黄河口日本鳗草面临的水体浊度变化造成的光限制及重金属污染等双重胁迫,综合野外监测和室内控制实验,分别研究了水体浊度、重金属Cu胁迫以及重金属Cu与浊度耦合胁迫下的日本鳗草光合响应特征。研究发现:浊度胁迫、浊度与低浓度重金属Cu耦合胁迫下,日本鳗草叶片叶绿素含量降低,光合色素的合成受到抑制;叶绿素a与叶绿素b的比值较高,这一结果表明,捕光色素复合体II含量低的同时,叶片通过减少对光能的捕获,降低了日本鳗草光合机构遭受破坏的风险;而在单一的浊度胁迫下,随着光化学猝灭系数下降,日本鳗草用于电子传递的能量逐渐减少,光能利用效率降低;随胁迫时间延长,日本鳗草最大光化学效率也出现下降;同样单一重金属Cu胁迫下,日本鳗草对Cu长期处理表现出抗性差,其光合作用也受到较大影响。据此推测,日本鳗草是对浊度胁迫有一定适应性的海草种类,但污染胁迫如重金属Cu对日本鳗草光合作用影响比水体浊度胁迫影响更大。      

益阳市主要行道树叶片重金属富集状况及污染评价

以益阳市街道分布面积较广的几种行道树作为研究对象,通过测定其叶片和根际土壤重金属含量对环境土壤和大气质量进行评价,探讨植物叶片重金属含量与益阳市大气污染之间的关系.结果表明:街道区植物叶片中的Cr、Pb含量较高,清洁对照区的植物叶片重金属含量均较低;益阳市行道树根际土壤单因子指数显示Cr、Pb污染等级均为清洁,Cu污染...     

马厂箐铜矿马尾松微量元素特征与波谱响应

重金属胁迫下植物波谱响应机理是高光谱遥感生物地球化学异常信息提取的关键问题.该文采集云南大理马厂箐铜矿区及背景区的马尾松植物样品,利用ICP-MS和AFS3100分别检测了松叶中Pb、Cu、Au、Ag、Mo和As、Sb、Hg的含量,同步利用ASD Field-Spec Pro FR对马尾松叶片反射波谱进行测量,采用双变量相关分析和线性回归分析方法,探索重金属胁迫下马尾松植物波谱响应特征.研究表明：马尾松波谱红边位置、红边蓝移量、叶绿素归一化指数与马尾松微量元素的吸收特征有一定相关性,利用马尾松波谱特征参数能揭示植被覆盖区地球化学异常信息.     

重金属污染环境来源的玉米POD对Pb2+的胁迫反应

为了探讨植物对重金属污染环境的适应是否产生体内酶系统的耐性机制及其遗传性,以重金属污染环境来源的玉米(Zea mays L.)及其易地栽种子一代(F1)为实验材料,通过酶活性测定与同工酶电泳研究了玉米过氧化物酶对重金属Pb2+的胁迫反应.结果发现,重金属污染环境来源的玉米种群材料在重金属Pb2+的胁迫条件下,与非污染环境来源的玉米材料相比其过氧化物酶具有相对较高的活性,其F1保持相同的趋势;不同玉米种群材料F1过氧化物酶同工酶酶带对重金属Pb2+的胁迫反应在材料间也出现了明显的分化,同时区分出两条对重金属Pb2+胁迫反应的敏感酶带,称之为标志性酶带.     

南充市区绿化植物叶片重金属元素含量及其大气污染评价

通过对南充市区交通流量大的路口区和相对清洁对照区（西华师大新校区）不同植物叶片重金属元素（Pb、Cu、Cd、Zn）含量分析，研究了植物大气环境污染指数，探讨了重金属含量与城市大气污染之间的关系．结果表明，植物叶片中的重金属元素富积量和大气中污染指数正相关．植物叶片的重金属元素富积量可较好和客观地指示市区大气的重金属污染状况．该研究为城市规划和环境保护提供了科学依据．     

中国部分林地土壤重金属含量特征及污染评价

为掌握中国林地土壤重金属污染状况,选取中国13个具有代表性林地土壤,结合经典的重金属污染评价方法,分析土壤中重金属(铅、镉、铜、锌)的含量分布特征和污染程度,通过相关和回归分析,研究土壤理化性质对土壤重金属全量及有效态含量的影响。结果表明:不同地区林地土壤重金属含量波动较大,绝大部分位点土壤重金属含量均未超过GB 15618—2018中筛选值。以筛选值作为评价标准时,绝大部分土壤重金属单因子指数小于1,说明供试土壤重金属处于清洁与尚清洁状态;内梅罗综合指数评价结果显示,除武夷山、卧龙自然保护区土壤重金属处于警戒线等级外,其他地区均处于清洁。以管制值为评价标准时,土壤重金属污染指数以及内梅罗综合污染指数均处于小于0.7。潜在生态风险指数评价结果表明,研究区域大部分位点土壤中Cd存在中等或较高的潜在生态风险,土壤中重金属呈轻微等级的综合潜在生态风险。地质累积指数表明,大部分土壤重金属均存在不同程度的累积,其中部分样点Cd、Zn达到中度污染水平,累积效应更加显著。相关性与回归性分析显示,土壤pH与有效态Cu呈显著正相关性,基于土壤理化性质的多元回归方程可以较好地预测土壤中有效态Pb和Cu的含量,相关系数R~2分别达到0.962和0.895。     

锶胁迫条件下生菜光谱效应特征

锶（Sr）胁迫条件下生菜的反射光谱特征会发生明显改变。通过室内生菜水培试验，获取了36个不同生长期、6个不同锶浓度胁迫的生菜叶片400～950 nm波段区间的生化参数信息（叶绿素含量、细胞结构、叶片金属含量）和反射光谱信息，利用光谱技术并结合数学统计方法研究了生菜叶片7个光谱特征参数与实测叶片锶元素含量之间的相关性，优选了较敏感光谱特征参数，建立了其与生菜叶片锶含量的线性回归模型。结果表明，锶胁迫生菜叶片叶绿素含量呈先上升后下降的规律，细胞结构差异不明显。锶胁迫生菜叶片反射光谱直观上无规律，通过采用光谱技术方法分析得出锶胁迫生菜叶片的红边波段位置先“红移”再“蓝移”，红谷波段位置则“红移”，植被指数B4/B3比值先升高后降低，红边归一化植被指数（NDVI）值随着锶浓度的升高而降低。相关性及线性回归模型分析表明红边波段位置与叶片锶含量显著相关。本文为下一步基于光谱特征的叶片重金属含量反演模型的构建提供了较好的数据源和基础理论。     

广东东莞地区土壤-蔬菜系统重金属分布与富集特性分析

 对东莞地区常见的7种叶菜类蔬菜及其相应的土壤样品中Cu、Zn、Cr、Ni、Pb等重金属元素的全量和稀盐酸可提取态进行了分析。结果表明,蔬菜存在明显的有毒金属元素Pb、Ni超标和有益金属元素Cu、Zn缺乏问题。蔬菜重金属含量与土壤重金属总量和可提取态重金属含量均无显著的相关性,但基于可提取态含量的富集系数与蔬菜重金属含量具有显著相关性。因此,在评价土壤重金属污染对作物的影响时,仅仅用土壤重金属可提取态含量仍不足以有效反应土壤污染的生态危害性。不同品种蔬菜对同一重金属元素的富集不尽相同,总体而言,叶菜类蔬菜对金属元素的富集具有较强的选择性,对Cr的富集能力最强,其次为Zn、Cu、Ni,Pb最弱。但因土壤中Cr、Zn、Cu的可提取态含量及可提取态系数均较低,故作物未出现超标,蔬菜中Pb含量超标的成因较为复杂,以大气污染为主要来源。     

沪宁高速公路绿色通道建设对土壤重金属污染的影响

以沪宁高速公路两侧土壤为研究对象,按不同的土地利用方式(有林带和无林带)采集土壤样品,研究了交通对土壤重金属污染的影响及公路绿色通道建设对重金属污染的防护作用。结果表明:沪宁高速公路土壤重金属Cu、Pb、Zn含量在不同土层的分布未发现明显规律性;土壤重金属Cu、Pb、Zn的含量随公路垂直距离的增加并非呈简单的线性负相关;绿色通道建设对土壤重金属污染有明显减弱的作用,对防治公路土壤重金属污染效果是明显的,但绿色通道的结构、宽度、配置方式对防护功能影响很大。     

陵水、新盈红树林和海草湿地表层沉积物重金属分布和污染特征

本研究通过采集海南岛陵水、新盈红树林和海草湿地70组沉积物样品进行理化分析,利用差值分析、地累积指数分析、生态风险分析、相关性分析和主成分分析等等数理统计方法对重金属污染特征进行分析和评价,研究了不同类型湿地地表层沉积物重金属含量和污染特征。结果表明,研究区红树林和海草湿地沉积物重金属As地累积指数明显高于Cr、Cu和Pb,为偏中度污染,存在中度生态风险,而Cr、Cu和Pb的生态风险较小。陵水、新盈红树林沉积物中Cr、Cu、As和Pb具有相似的来源,即主要来源于自然环境,其次来源于人类活动,As超标与研究区域周边存在大面积的鱼虾养殖、船坞停放等人类活动因素有关。     

基于地面实测光谱的多金属矿区土壤重金属含量反演研究

多金属矿区土壤重金属元素调查是矿区成矿元素地球化学异常评价和找矿预测的依据,也是矿区可耕种土壤重金属污染调查和恢复的依据。在土壤中羟基官能团与重金属游离态阳离子吸附反应分析的基础上,结合地面实测光谱及其数据处理,提取了研究区土壤在500 nm、770 nm、1 340 nm和2 100~2 300 nm波段范围内的特征光谱。通过土壤重金属元素与实测光谱特征(吸收深度、吸收面积、反射率比值、对称度)的皮尔森相关分析,确定了参加不同金属元素回归分析的实测光谱特征,建立了基于地面实测光谱估算重金属元素含量的回归方程。由此,成功地提取碾子沟-洛金洼多金属矿区土壤中Cu、Pb、Cd、Zn等重金属元素含量。与检验样本比较,Cu的均方根误差为0.392 1ω(B)/10-6,平均绝对误差为0.300 6ω(B)/10-6。在试验矿区,根据土壤中金属元素含量分布,发现采矿场东北方向有一高值异常区,为该区进一步找矿提供依据。另外,采矿场西北农用地中Pb、Cd元素分布相对较高,应该引起重视。     

海涂湿地生态系统中重金属元素的富集特征

利用样线法和样方法布点,用收获法采集海涂湿地生态系统中植物互花米草Spartina alterniflora各部位和土壤样品,用X-荧光和原子吸收分光光度法分别测定土壤和植物体不同部位中Pb、Cd、Cu、Zn的含量,探讨了4种重金属元素在浙江沿海湿地生态系统中的富集特征.结果表明:(1)在土壤库中,元素含量高低和储量大小均为Zn>Cu>Pb>Cd;在植物库中,重金属在植物不同部位的含量高低为根系>茎叶,储量大小为茎叶>根系;在植物根系和茎叶中,元素含量和储量大小均为Zn>Pb>Cu>Cd.(2)植物不同部位对重金属的富集能力不同,表现为根系>茎叶.植物根系对不同重金属的富集能力大小为Zn>Cd>Pb>Cu;茎叶对不同重金属的富集能力大小为Cd>Zn>Pb>Cu.对4种重金属在植物体内和土壤中的含量分别进行相关性分析,发现植物体内Pb、Cu的含量与土壤中的呈极显著正相关,而Cd、Zn在两者间的相关性不显著.(3)受环境因素的影响,在不同取样地,土壤库中4种重金属的总储量有差异,表现为宋埠样地(161.867 kg/hm2)>胜利塘样地(156.626 kg/hm2)>杨屿山样地(129.004 kg/hm2);但在植物库中,重金属的总储量大小却为杨屿山(26.266 kg/hm2)>胜利塘(21.69 kg/hm2)>宋埠(10.923 kg/hm2).显示了由于不同样地互花米草群落的生物量以及其对重金属吸收能力的差异,表现出该群落中重金属储量与土壤库中重金属储量的明显不一致.     

露天开采矿区土壤重金属污染状况评价

对广东大宝山矿区土壤Cd、Pb、Zn、Cu含量进行了测试与分析,采用单因子污染指数法和内梅罗综合指数法对土壤重金属污染状况进行了评价。结果表明,大宝山矿区土壤中重金属含量差异较大,但都要明显高于广东省土壤重金属背景值。27个土壤样品中,Cd和Cu的单因子污染指数都大于1,超标率达100%,有21个土壤样品的Pb和Zn的单因子污染指数大于1,超标率为77.8%。从综合污染指数来看,27个土壤样品的综合污染指数在5.74～157.23之间,所有样品的综合污染指数都要大于3,表明矿区土壤已受到重金属严重污染,其中以Cd、Cu的污染最为严重。