重金属污染土壤修复遥感监测研究进展

宋文，成少平，迟晓杰，艾艳君，谷海红,3,4

（1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063210；2.中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟重点实验室，北京 100101；3.河北省矿业工程开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063210；4.河北省矿区生态修复产业技术研究院，河北 唐山 063210）

土壤污染不仅会导致植物的生长条件恶化，还会对周边的生态环境造成严重的破坏，其中重金属的污染尤为值得关注。土壤重金属污染具有隐蔽性、潜伏性、积累性和长期性的特点。如何有效地修复和监测土壤中重金属的含量，成为亟待解决的社会问题。传统的化学分析监测虽然可以有效地检测土壤复垦过程中的重金属含量，但耗资较大，实施复杂，甚至可能会造成二次污染。

遥感技术是一门综合性、非接触观测地物特征的技术，具有大面积同步观测、获取信息速度快、周期短等特点。随着遥感技术的不断发展，从多光谱到高光谱、光学遥感到雷达遥感的不断完善，能够全面、宏观、快速、连续和客观地反映矿区及周边环境[1]，尤其是对土壤的污染与修复情况能够更加高效地监测。特别是随着遥感影像的空间分辨率、光谱分辨率、时间分辨率以及辐射分辨率的大幅度提高，为遥感技术在土壤重金属污染修复监测中的应用提供了有力的数据支撑，提高了土壤重金属污染修复的监测效率。

本世纪初，由于中国遥感卫星的发展依然落后于发达国家，中国的土壤污染监测研究在研究初期多采用欧美的光谱数据[2-3]。但是，由于遥感数据的时空间分辨率较低，并且来源受到限制，影响了监测效果。近年来，中国学者[4-5]陆续开始使用遥感数据对土壤中的金属矿物及其他污染物进行预测。例如，通过探讨可见光与红外波谱技术测定重金属含量的机理与方法，用高光谱数据制作土壤污染分布图。此后，随着中国国产遥感卫星的发展与遥感数据使用的普及，有关利用遥感技术进行土壤污染监测的研究和报道与日俱增。

总体上，目前已经有一些通过遥感监测对土壤中重金属含量进行预测的研究。但是，这些研究在修复过程方面系统性梳理的工作仍然较少，不利于遥感监测土壤重金属修复过程研究的归纳和总结。本文在综合分析大量文献的基础上，重点总结通过遥感手段监测土壤重金属修复的过程，结合现有土壤重金属污染修复的手段，通过多光谱、高光谱、微波等一系列遥感手段，论述当前遥感技术在监测土壤重金属修复效果方面的理论研究与应用现状，探讨当前遥感监测修复土壤重金属污染研究中存在的不足，展望其未来，希望能为以后的相关研究提供参考。

1 土壤中重金属含量的遥感反演

目前，国内外常用遥感技术对土壤重金属含量的监测分为两种[6]：一是利用航空遥感、航天遥感、无人机等平台连续获取地表土壤重金属含量信息，进一步实现对土壤重金属污染修复的监测；二是利用光谱测定仪通过对土壤表层的植物生长情况、植物体内各元素变化、土壤表层的微生物群落结构等反演，通过其他依附土壤上生长、生存的生物特征间接来判别土壤重金属含量。

1.1 重金属含量的直接反演

遥感技术直接监测土壤中的重金属目前主要分为可见光-近红外遥感监测和微波遥感监测[7]。可见光-红外遥感监测土壤中的重金属是通过光谱仪得到土壤的光谱反射率变化。基于可见光与红外范围的连续光谱，结合实验室对土壤中重金属含量的实测数据，从而建立土壤重金属含量反演的模型；微波遥感监测土壤中的重金属是根据其被测的电磁辐射和散射特性，从而判断重金属含量[8]。

在可见光-红外遥感监测方面，主要利用遥感数据的单一或多重波段（或变形）与土壤中重金属含量进行相关性拟合。有人在实验室中利用这一方式对焦家式金矿区土壤中Cr的含量进行反演。此外，许多学者将反演的模型应用到大面积中、高分辨率的遥感影像上，进一步得出研究区内所研究重金属的分布等专题图。如，通过对Sentinel-2光谱数据与原始反射率预测模型的研究，丁海宁等[9]对黄土高原上的土壤样品在实验室内进行Fe含量测定，从而得到了榆林市东部区域土壤Fe含量分布；方媛[10]将土壤数据的训练样本结合Landsat-8数据，预测古蔺测区Cu、As、Hg三种土壤重金属元素的预测。

相比较可见光-红外遥感监测土壤中重金属含量而言，微波遥感监测重金属的研究较少。高菁等[8]通过高频物探设备及地质雷达测定土壤的介电特性，得出了土壤剖面重金属垂直分布规律与水分含量及其分布，表明介电常数对表层土壤中Cd、Pb金属含量变化最为敏感。虽然微波监测土壤中重金属含量的研究较少，但是目前利用微波对进行重金属处理的研究已有很多[11]。

可见光-红外遥感与微波遥感监测土壤中重金属含量的研究已有一定的进展，两种遥感数据的原理不同，或许能够进行优势互补，使重金属含量反演更加准确。

1.2 重金属含量的间接推断

土壤中理化性质、植物及微生物等方面的定量反演能从侧面推断重金属的含量，不仅能够与直接反演的结果互相验证，还能弥补直接反演带来的不足。

土壤的理化性质（如有机质、机械组成、养分含量、pH值、导电性等）影响着土壤的光谱反射特征，是土壤遥感的理论基础，也是定量土壤遥感的重要组成部分。许多学者研究发现土壤中重金属含量与土壤理化性质之间有着复杂的关系，Cu、Zn、Ni、Cd、As等元素与土壤有机质含量、土壤粘粒含量呈显著的线性关系，此外还与pH值、阳离子交换量有极显著的线性相关性。在长期受到重金属污染的喀斯特粮食种植区，研究人员发现土壤中的Cr、Ni、Cu和Pb的光谱响应与粘土矿物和有机质相关带密切相关，以此为依据准确预测了污染区的Cr和Cu的含量，为粮食污染区治理提供了数据支撑。Durodoluwa等[12]发现排土场土壤的重金属含量对土壤pH值、质地有着严重的影响。这些研究通过遥感反演土壤的理化性质，证明了间接推断土壤中重金属含量的可行性。

土壤中的重金属通过植物根系的转移进入植物中，包括茎、叶等各个组织部分，会影响植物的生长。通过光谱测定植物各种光谱指数，如归一化植被指数（NDVI）、比值植被指数（RVI）与差植被指数（DVI）、改进红边参数、三角形植被指数等，建立多植物指数的植物生物量估算模型，以其为参考，进一步判断土壤中各种物质含量是当前研究的主要方向。杨灵玉等[13]运用植物光谱反射率波段与植物指数分别同土壤中重金属含量建立植物光谱反射率模型和综合植物指数模型，两者结果对比表明，通过对植物的监测可以间接预测土壤中的重金属含量。

土壤中微生物及其群落结构的遥感监测研究由于监测对象的体积微小且物种较多，因此研究主要集中在高光谱的监测[14-15]。监测土壤微生物群落结构的完善与否可以衡量土壤的生态状况，反映出重金属的浓度[16]。由于微生物体积小，即使是微生物群落也难以进行精确的遥感测定，导致目前对于土壤微生物的遥感监测还很少。

2 遥感监测重金属污染土壤修复

土壤受重金属污染的来源多样，同时重金属的种类也不尽相同。相应的，不同重金属造成的污染，其适合的修复手段也各不一样，因此并不是所有修复土壤的过程都适合以遥感技术进行监测。因此，了解各种修复土壤重金属的手段对遥感监测土壤重金属修复的过程是极为必要。

2.1 重金属污染土壤修复方法

土壤修复是指利用物理、化学和生物的方法转移、吸收、降解和转化土壤中的污染物，使其浓度降低或将有毒有害的污染物转化为无害的物质的处理过程。从根本上来说，土壤重金属修复技术的原理是通过固化迁移或者活化降低重金属浓度。

目前，国内外常用的针对土壤重金属修复的技术有物理修复、化学修复、生物修复以及联合修复，各种手段优劣各异（表1），在大规模的土地复垦中以生物修复与联合修复为主。

表1 重金属污染土壤修复方式对比Table 1 Comparison of the technologies of heavy metal contaminated soil remediation

物理修复分为客土法、热解析与电动修复，其成本普遍较高，但是见效快，无污染[17。例如，HODSON 等[18]在实验室内利用物理修复中的热解析法，快速修复了土壤中的Pb、Zn与P污染。重金属污染土壤的化学修复主要分为化学固定与浸出，这些方法具有较好的效果，但需要注意二次污染的发生。安茂国等[19]利用化学还原与固化稳定结合的方法，使土壤中Cr污染的修复率达到90%以上，且修复后的土地可被用于建设用地。生物修复与联合修复都是当前修复土壤重金属污染的主要手段。这两种修复手段周期较长，需要根据不同的机理制定具体的物质，但修复效果较好。在针对Mn、Zn、Cd、Pb、Cu、Cr、Co、Ni等不同的重金属污染时，需要选取不同的超积累植物进行修复[20]：Cd污染选取龙葵进行修复[21-22]、Pb污染选取紫花苜蓿进行修复[23-24]、Zn污染选取天蓝遏蓝菜进行修复[25]，东南景天、印度芥菜能同时针对土壤中的Cd、Pb、Zn进行吸收[26]等；丛枝菌根等微生物能与不同植物联合能对修复不同重金属污染的土壤起到促进作用[27]；与动物的结合能够提高土壤活力，对修复效果起到促进作用[28]。例如，使用丛枝菌根真菌接种黑麦草[29]，经过60余天的培育后，发现黑麦草对受污染土壤中的Cr和Ur的吸收能力大幅度提高；在联合修复过程中，蚯蚓等土壤动物的引入对植物与微生物的起到了“催化剂”的作用，并能够进一步缩短修复时间[30]。

现有的重金属污染土壤修复方法中，物理方法见效快，几乎能在修复完成后反映出效果。化学方法需要添加一定量的化学物质，这给原本就复杂的土壤系统增添了变数。因此，采用物理方法与化学方法修复土壤重金属污染的过程并不适合遥感监测。而生物修复与植物-微生物联合修复过程较为缓慢，且对周围的生态系统有潜移默化的作用。相比较而言，后两者在重金属污染土壤修复的过程中，更适合利用遥感技术进行监测。

2.2 重金属污染土壤修复效果监测

遥感监测重金属污染土壤修复效果是重金属含量反演与土壤修复的结合，大多数研究主要是监测生物修复与联合修复的效果。用遥感技术监测植物修复、动物修复、微生物修复及它们之间的联合修复的研究已有一定的进展，这其中又集中在植物修复与植物-微生物联合修复方面[31]。

重金属污染的土壤区域植物的生长过程与正常土壤中有很大的区别，这也使得在使用植物修复土壤重金属污染时，植物光谱与纹理的变化情况成为监测修复效果的一种指示性手段。在土耳其库塔哈西伊托姆褐煤企业的实例研究，利用多时相Landsat TM数据集，通过对研究区1987 ～2006年简单比值（SR）指数、简化简单比值（RSR）指数、归一化植被指数（NDVI）和缨帽变换（亮度和绿色度）等光谱指标的连续变化进行分析，绘制并评价了植物的生长情况，表明植物生长情况逐渐向好，为遥感监测植物修复重金属污染土壤提供了较为典型的案例。同时，使雷达获取采矿迹地植物的叶面积指数、间隙率和郁闭度3种植物参数，结合数据表达出的纹理特征与数字高程模型（DEM）结合探讨植物的恢复状况，也是应用遥感技术对土壤重金属污染修复效果的监测。

土壤中的动物能有效改善土壤结构、增强肥力，这对重金属污染的土壤能起到良好的修复效果[32]。由于土壤动物体型较小，且常处于土壤内部或被植物遮盖，因此需要在高分辨率影像上才能观测其行为痕迹并推断其空间密度。研究显示[33]，遥感影像上能够有效识别动物的生长习性。

与植物、动物修复不同，微生物修复土壤重金属污染过程中，其自身或群落结构并不能被当前的遥感技术直接监测。一般情况下，应用遥感技术监测微生物修复效果需要对整体的环境进行评估，从而侧面推断修复过程中的情况。

此外，植被修复通常也与微生物进行联合修复。国外研究人员采用遥感监测与地面结合的方式，对采用植物-微生物联合方法修复土壤的采矿迹地进行监测，其包含土壤理化性质、土壤和空气温度、相对湿度、孢子浓度、地上和地下细菌和真菌种类等多种指标，这些均能通过遥感数据进行综合反映；国内学者利用地基高光谱监测植物接菌后植物叶绿素、“三边”等参数变化，丰富了植物-微生物联合修复矿区土壤重金属污染的理论与方法。

遥感监测植物、动物、微生物间联合修复的研究已有一定的进展。在修复方法涉及植物时，都会研究遥感数据中植物的性状反应。同时，土壤中元素含量与植物、动物、微生物相互联系紧密。因此，在采用生物修复和联合修复方法对土壤进行修复时，遥感数据多数表现为总体的修复状况。

3 存在问题与解决途径

3.1 监测设备与平台

目前，在土壤重金属修复过程中已经可以使用多种设备及平台来监测修复效果，其中包括了MODIS系列卫星、Landsat系列卫星、WorldView系列卫星、Hyperion卫星、Sentinel卫星及手持地物光谱成像仪（ASD、PSR、ATH等）等。但大多数的监测研究平台都以高光谱平台为主导，尤其是手持地物光谱成像仪的使用频率极高。这使得遥感监测土壤重金属修复的研究在高光谱方向能够有较为集中成果，大面积监测研究及多平台一体化监测研究有待进一步深化。

随着国产高分系列卫星及国内商业卫星的成熟与应用，不断扩充土壤重金属污染修复监测的平台。同时，卫星数据的免费获取和应用更能推动遥感监测土壤重金属修复的区域化与体系化监测研究。

3.2 数据质量与融合

随着遥感应用的不断发展，高光谱技术也不断地普及与成熟，大多数的土壤重金属污染修复监测研究集中于此，而微波遥感因其数据处理复杂以及来源较少，研究也相对不足。但不可否认的是，微波遥感的应用确实弥补了光学遥感的不足[34]。同时，现阶段是多源数据的结合监测，包含实地或实验室检测与多遥感平台的监测。在多源数据（遥感数据与非遥感数据）综合应用的前提下，各种数据的类型、格式等复杂多样，且优势互补，数据同化就显得异常重要。为更加全面地监测土壤重金属污染状况与修复情况，将多源、多种、多属性数据转换成统一的时空数据与物理数据的表达的需求也在逐渐增加。

目前，随着国内外遥感技术的发展，尤其是高光谱甚至是超光谱应用研究的进步[35]，能有效促进土壤中成分的遥感识别，更能推动遥感监测重金属污染土壤修复的不断发展。

3.3 多学科交叉研究

土壤重金属定量遥感的研究缺乏系统性和普适性，分散各领域的研究者们联系松散，很难形成系统性的成果[36]。同时，重金属污染土壤修复的遥感监测研究涉及到一个复杂的、交汇的知识体系。在遥感监测过程中，遥感器涉及光学、物理学、测量学、计算机等多种先进技术；在土壤修复过程中又要兼顾化学、生态学、植物学等多种学科。

同时，重金属污染土壤的修复研究应该从源头的损毁、修复的过程以及修复后期管理三方面进行研究，并随着时空的变化也要进一步调整[97]。这些需要有效的协调各学科领域的知识与成果，整合出各学科中高质量的二级文献，便于相关领域学者对于知识的快速获取。

4 结论与展望

通过对土壤重金属污染修复遥感监测相关进展的梳理，本文从土壤中重金属含量反演、土壤修复效果遥感监测、存在问题与解决方法三方面综述了当前土壤重金属污染修复遥感监测的现状。土壤中重金属含量反演分为直接反演与间接推断，两者的结合能够综合判断土壤污染状况及对周边的生态环境的影响。在现有的土壤重金属污染修复方法中，生物修复与联合修复的过程是遥感监测研究的主要方向。在遥感监测土壤重金属修复过程中，主要依靠植物的生理状况与综合的生态环境变化显示修复效果。土壤重金属污染修复过程中的监测平台较为单一，多平台一体化监测研究有待进一步深化。遥感监测土壤重金属污染修复研究的相关进展中，表现出了监测数据的多样化与多源化。同时，由于各个交叉学科联系不足，导致整体性的理论与方法没有一个系统性的框架。总体来说，土壤重金属污染修复遥感监测研究有了一定的进展，但缺少相对完备的体系结构。

随着遥感技术中高光谱、微波甚至是超光谱技术的研究进步，再建立相对完备的修复过程的监测理论体系，遥感监测重金属污染土壤修复的研究及应用也会有很大的提升。同时，伴随着从手持到卫星等一体化监测平台的健全，空天地人一体化监测平台的建立，也会促进监测从宏观到微观的贯通性。