宋文，成少平，遲曉杰，艾艷君，谷海紅,3,4

（1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬重點實驗室，北京 100101；3.河北省礦業(yè)工程開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北 唐山 063210；4.河北省礦區(qū)生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 唐山 063210）

土壤污染不僅會導(dǎo)致植物的生長條件惡化，還會對周邊的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞，其中重金屬的污染尤為值得關(guān)注。土壤重金屬污染具有隱蔽性、潛伏性、積累性和長期性的特點。如何有效地修復(fù)和監(jiān)測土壤中重金屬的含量，成為亟待解決的社會問題。傳統(tǒng)的化學(xué)分析監(jiān)測雖然可以有效地檢測土壤復(fù)墾過程中的重金屬含量，但耗資較大，實施復(fù)雜，甚至可能會造成二次污染。

遙感技術(shù)是一門綜合性、非接觸觀測地物特征的技術(shù)，具有大面積同步觀測、獲取信息速度快、周期短等特點。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，從多光譜到高光譜、光學(xué)遙感到雷達(dá)遙感的不斷完善，能夠全面、宏觀、快速、連續(xù)和客觀地反映礦區(qū)及周邊環(huán)境[1]，尤其是對土壤的污染與修復(fù)情況能夠更加高效地監(jiān)測。特別是隨著遙感影像的空間分辨率、光譜分辨率、時間分辨率以及輻射分辨率的大幅度提高，為遙感技術(shù)在土壤重金屬污染修復(fù)監(jiān)測中的應(yīng)用提供了有力的數(shù)據(jù)支撐，提高了土壤重金屬污染修復(fù)的監(jiān)測效率。

本世紀(jì)初，由于中國遙感衛(wèi)星的發(fā)展依然落后于發(fā)達(dá)國家，中國的土壤污染監(jiān)測研究在研究初期多采用歐美的光譜數(shù)據(jù)[2-3]。但是，由于遙感數(shù)據(jù)的時空間分辨率較低，并且來源受到限制，影響了監(jiān)測效果。近年來，中國學(xué)者[4-5]陸續(xù)開始使用遙感數(shù)據(jù)對土壤中的金屬礦物及其他污染物進行預(yù)測。例如，通過探討可見光與紅外波譜技術(shù)測定重金屬含量的機理與方法，用高光譜數(shù)據(jù)制作土壤污染分布圖。此后，隨著中國國產(chǎn)遙感衛(wèi)星的發(fā)展與遙感數(shù)據(jù)使用的普及，有關(guān)利用遙感技術(shù)進行土壤污染監(jiān)測的研究和報道與日俱增。

總體上，目前已經(jīng)有一些通過遙感監(jiān)測對土壤中重金屬含量進行預(yù)測的研究。但是，這些研究在修復(fù)過程方面系統(tǒng)性梳理的工作仍然較少，不利于遙感監(jiān)測土壤重金屬修復(fù)過程研究的歸納和總結(jié)。本文在綜合分析大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，重點總結(jié)通過遙感手段監(jiān)測土壤重金屬修復(fù)的過程，結(jié)合現(xiàn)有土壤重金屬污染修復(fù)的手段，通過多光譜、高光譜、微波等一系列遙感手段，論述當(dāng)前遙感技術(shù)在監(jiān)測土壤重金屬修復(fù)效果方面的理論研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，探討當(dāng)前遙感監(jiān)測修復(fù)土壤重金屬污染研究中存在的不足，展望其未來，希望能為以后的相關(guān)研究提供參考。

1 土壤中重金屬含量的遙感反演

目前，國內(nèi)外常用遙感技術(shù)對土壤重金屬含量的監(jiān)測分為兩種[6]：一是利用航空遙感、航天遙感、無人機等平臺連續(xù)獲取地表土壤重金屬含量信息，進一步實現(xiàn)對土壤重金屬污染修復(fù)的監(jiān)測；二是利用光譜測定儀通過對土壤表層的植物生長情況、植物體內(nèi)各元素變化、土壤表層的微生物群落結(jié)構(gòu)等反演，通過其他依附土壤上生長、生存的生物特征間接來判別土壤重金屬含量。

1.1 重金屬含量的直接反演

遙感技術(shù)直接監(jiān)測土壤中的重金屬目前主要分為可見光-近紅外遙感監(jiān)測和微波遙感監(jiān)測[7]?？梢姽?紅外遙感監(jiān)測土壤中的重金屬是通過光譜儀得到土壤的光譜反射率變化。基于可見光與紅外范圍的連續(xù)光譜，結(jié)合實驗室對土壤中重金屬含量的實測數(shù)據(jù)，從而建立土壤重金屬含量反演的模型；微波遙感監(jiān)測土壤中的重金屬是根據(jù)其被測的電磁輻射和散射特性，從而判斷重金屬含量[8]。

在可見光-紅外遙感監(jiān)測方面，主要利用遙感數(shù)據(jù)的單一或多重波段（或變形）與土壤中重金屬含量進行相關(guān)性擬合。有人在實驗室中利用這一方式對焦家式金礦區(qū)土壤中Cr的含量進行反演。此外，許多學(xué)者將反演的模型應(yīng)用到大面積中、高分辨率的遙感影像上，進一步得出研究區(qū)內(nèi)所研究重金屬的分布等專題圖。如，通過對Sentinel-2光譜數(shù)據(jù)與原始反射率預(yù)測模型的研究，丁海寧等[9]對黃土高原上的土壤樣品在實驗室內(nèi)進行Fe含量測定，從而得到了榆林市東部區(qū)域土壤Fe含量分布；方媛[10]將土壤數(shù)據(jù)的訓(xùn)練樣本結(jié)合Landsat-8數(shù)據(jù)，預(yù)測古藺測區(qū)Cu、As、Hg三種土壤重金屬元素的預(yù)測。

相比較可見光-紅外遙感監(jiān)測土壤中重金屬含量而言，微波遙感監(jiān)測重金屬的研究較少。高菁等[8]通過高頻物探設(shè)備及地質(zhì)雷達(dá)測定土壤的介電特性，得出了土壤剖面重金屬垂直分布規(guī)律與水分含量及其分布，表明介電常數(shù)對表層土壤中Cd、Pb金屬含量變化最為敏感。雖然微波監(jiān)測土壤中重金屬含量的研究較少，但是目前利用微波對進行重金屬處理的研究已有很多[11]。

可見光-紅外遙感與微波遙感監(jiān)測土壤中重金屬含量的研究已有一定的進展，兩種遙感數(shù)據(jù)的原理不同，或許能夠進行優(yōu)勢互補，使重金屬含量反演更加準(zhǔn)確。

1.2 重金屬含量的間接推斷

土壤中理化性質(zhì)、植物及微生物等方面的定量反演能從側(cè)面推斷重金屬的含量，不僅能夠與直接反演的結(jié)果互相驗證，還能彌補直接反演帶來的不足。

土壤的理化性質(zhì)（如有機質(zhì)、機械組成、養(yǎng)分含量、pH值、導(dǎo)電性等）影響著土壤的光譜反射特征，是土壤遙感的理論基礎(chǔ)，也是定量土壤遙感的重要組成部分。許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)土壤中重金屬含量與土壤理化性質(zhì)之間有著復(fù)雜的關(guān)系，Cu、Zn、Ni、Cd、As等元素與土壤有機質(zhì)含量、土壤粘粒含量呈顯著的線性關(guān)系，此外還與pH值、陽離子交換量有極顯著的線性相關(guān)性。在長期受到重金屬污染的喀斯特糧食種植區(qū)，研究人員發(fā)現(xiàn)土壤中的Cr、Ni、Cu和Pb的光譜響應(yīng)與粘土礦物和有機質(zhì)相關(guān)帶密切相關(guān)，以此為依據(jù)準(zhǔn)確預(yù)測了污染區(qū)的Cr和Cu的含量，為糧食污染區(qū)治理提供了數(shù)據(jù)支撐。Durodoluwa等[12]發(fā)現(xiàn)排土場土壤的重金屬含量對土壤pH值、質(zhì)地有著嚴(yán)重的影響。這些研究通過遙感反演土壤的理化性質(zhì)，證明了間接推斷土壤中重金屬含量的可行性。

土壤中的重金屬通過植物根系的轉(zhuǎn)移進入植物中，包括莖、葉等各個組織部分，會影響植物的生長。通過光譜測定植物各種光譜指數(shù)，如歸一化植被指數(shù)（NDVI）、比值植被指數(shù)（RVI）與差植被指數(shù)（DVI）、改進紅邊參數(shù)、三角形植被指數(shù)等，建立多植物指數(shù)的植物生物量估算模型，以其為參考，進一步判斷土壤中各種物質(zhì)含量是當(dāng)前研究的主要方向。楊靈玉等[13]運用植物光譜反射率波段與植物指數(shù)分別同土壤中重金屬含量建立植物光譜反射率模型和綜合植物指數(shù)模型，兩者結(jié)果對比表明，通過對植物的監(jiān)測可以間接預(yù)測土壤中的重金屬含量。

土壤中微生物及其群落結(jié)構(gòu)的遙感監(jiān)測研究由于監(jiān)測對象的體積微小且物種較多，因此研究主要集中在高光譜的監(jiān)測[14-15]。監(jiān)測土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的完善與否可以衡量土壤的生態(tài)狀況，反映出重金屬的濃度[16]。由于微生物體積小，即使是微生物群落也難以進行精確的遙感測定，導(dǎo)致目前對于土壤微生物的遙感監(jiān)測還很少。

2 遙感監(jiān)測重金屬污染土壤修復(fù)

土壤受重金屬污染的來源多樣，同時重金屬的種類也不盡相同。相應(yīng)的，不同重金屬造成的污染，其適合的修復(fù)手段也各不一樣，因此并不是所有修復(fù)土壤的過程都適合以遙感技術(shù)進行監(jiān)測。因此，了解各種修復(fù)土壤重金屬的手段對遙感監(jiān)測土壤重金屬修復(fù)的過程是極為必要。

2.1 重金屬污染土壤修復(fù)方法

土壤修復(fù)是指利用物理、化學(xué)和生物的方法轉(zhuǎn)移、吸收、降解和轉(zhuǎn)化土壤中的污染物，使其濃度降低或?qū)⒂卸居泻Φ奈廴疚镛D(zhuǎn)化為無害的物質(zhì)的處理過程。從根本上來說，土壤重金屬修復(fù)技術(shù)的原理是通過固化遷移或者活化降低重金屬濃度。

目前，國內(nèi)外常用的針對土壤重金屬修復(fù)的技術(shù)有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)以及聯(lián)合修復(fù)，各種手段優(yōu)劣各異（表1），在大規(guī)模的土地復(fù)墾中以生物修復(fù)與聯(lián)合修復(fù)為主。

表1 重金屬污染土壤修復(fù)方式對比Table 1 Comparison of the technologies of heavy metal contaminated soil remediation

物理修復(fù)分為客土法、熱解析與電動修復(fù)，其成本普遍較高，但是見效快，無污染[17。例如，HODSON 等[18]在實驗室內(nèi)利用物理修復(fù)中的熱解析法，快速修復(fù)了土壤中的Pb、Zn與P污染。重金屬污染土壤的化學(xué)修復(fù)主要分為化學(xué)固定與浸出，這些方法具有較好的效果，但需要注意二次污染的發(fā)生。安茂國等[19]利用化學(xué)還原與固化穩(wěn)定結(jié)合的方法，使土壤中Cr污染的修復(fù)率達(dá)到90%以上，且修復(fù)后的土地可被用于建設(shè)用地。生物修復(fù)與聯(lián)合修復(fù)都是當(dāng)前修復(fù)土壤重金屬污染的主要手段。這兩種修復(fù)手段周期較長，需要根據(jù)不同的機理制定具體的物質(zhì)，但修復(fù)效果較好。在針對Mn、Zn、Cd、Pb、Cu、Cr、Co、Ni等不同的重金屬污染時，需要選取不同的超積累植物進行修復(fù)[20]：Cd污染選取龍葵進行修復(fù)[21-22]、Pb污染選取紫花苜蓿進行修復(fù)[23-24]、Zn污染選取天藍(lán)遏藍(lán)菜進行修復(fù)[25]，東南景天、印度芥菜能同時針對土壤中的Cd、Pb、Zn進行吸收[26]等；叢枝菌根等微生物能與不同植物聯(lián)合能對修復(fù)不同重金屬污染的土壤起到促進作用[27]；與動物的結(jié)合能夠提高土壤活力，對修復(fù)效果起到促進作用[28]。例如，使用叢枝菌根真菌接種黑麥草[29]，經(jīng)過60余天的培育后，發(fā)現(xiàn)黑麥草對受污染土壤中的Cr和Ur的吸收能力大幅度提高；在聯(lián)合修復(fù)過程中，蚯蚓等土壤動物的引入對植物與微生物的起到了“催化劑”的作用，并能夠進一步縮短修復(fù)時間[30]。

現(xiàn)有的重金屬污染土壤修復(fù)方法中，物理方法見效快，幾乎能在修復(fù)完成后反映出效果。化學(xué)方法需要添加一定量的化學(xué)物質(zhì)，這給原本就復(fù)雜的土壤系統(tǒng)增添了變數(shù)。因此，采用物理方法與化學(xué)方法修復(fù)土壤重金屬污染的過程并不適合遙感監(jiān)測。而生物修復(fù)與植物-微生物聯(lián)合修復(fù)過程較為緩慢，且對周圍的生態(tài)系統(tǒng)有潛移默化的作用。相比較而言，后兩者在重金屬污染土壤修復(fù)的過程中，更適合利用遙感技術(shù)進行監(jiān)測。

2.2 重金屬污染土壤修復(fù)效果監(jiān)測

遙感監(jiān)測重金屬污染土壤修復(fù)效果是重金屬含量反演與土壤修復(fù)的結(jié)合，大多數(shù)研究主要是監(jiān)測生物修復(fù)與聯(lián)合修復(fù)的效果。用遙感技術(shù)監(jiān)測植物修復(fù)、動物修復(fù)、微生物修復(fù)及它們之間的聯(lián)合修復(fù)的研究已有一定的進展，這其中又集中在植物修復(fù)與植物-微生物聯(lián)合修復(fù)方面[31]。

重金屬污染的土壤區(qū)域植物的生長過程與正常土壤中有很大的區(qū)別，這也使得在使用植物修復(fù)土壤重金屬污染時，植物光譜與紋理的變化情況成為監(jiān)測修復(fù)效果的一種指示性手段。在土耳其庫塔哈西伊托姆褐煤企業(yè)的實例研究，利用多時相Landsat TM數(shù)據(jù)集，通過對研究區(qū)1987 ～2006年簡單比值（SR）指數(shù)、簡化簡單比值（RSR）指數(shù)、歸一化植被指數(shù)（NDVI）和纓帽變換（亮度和綠色度）等光譜指標(biāo)的連續(xù)變化進行分析，繪制并評價了植物的生長情況，表明植物生長情況逐漸向好，為遙感監(jiān)測植物修復(fù)重金屬污染土壤提供了較為典型的案例。同時，使雷達(dá)獲取采礦跡地植物的葉面積指數(shù)、間隙率和郁閉度3種植物參數(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)表達(dá)出的紋理特征與數(shù)字高程模型（DEM）結(jié)合探討植物的恢復(fù)狀況，也是應(yīng)用遙感技術(shù)對土壤重金屬污染修復(fù)效果的監(jiān)測。

土壤中的動物能有效改善土壤結(jié)構(gòu)、增強肥力，這對重金屬污染的土壤能起到良好的修復(fù)效果[32]。由于土壤動物體型較小，且常處于土壤內(nèi)部或被植物遮蓋，因此需要在高分辨率影像上才能觀測其行為痕跡并推斷其空間密度。研究顯示[33]，遙感影像上能夠有效識別動物的生長習(xí)性。

與植物、動物修復(fù)不同，微生物修復(fù)土壤重金屬污染過程中，其自身或群落結(jié)構(gòu)并不能被當(dāng)前的遙感技術(shù)直接監(jiān)測。一般情況下，應(yīng)用遙感技術(shù)監(jiān)測微生物修復(fù)效果需要對整體的環(huán)境進行評估，從而側(cè)面推斷修復(fù)過程中的情況。

此外，植被修復(fù)通常也與微生物進行聯(lián)合修復(fù)。國外研究人員采用遙感監(jiān)測與地面結(jié)合的方式，對采用植物-微生物聯(lián)合方法修復(fù)土壤的采礦跡地進行監(jiān)測，其包含土壤理化性質(zhì)、土壤和空氣溫度、相對濕度、孢子濃度、地上和地下細(xì)菌和真菌種類等多種指標(biāo)，這些均能通過遙感數(shù)據(jù)進行綜合反映；國內(nèi)學(xué)者利用地基高光譜監(jiān)測植物接菌后植物葉綠素、“三邊”等參數(shù)變化，豐富了植物-微生物聯(lián)合修復(fù)礦區(qū)土壤重金屬污染的理論與方法。

遙感監(jiān)測植物、動物、微生物間聯(lián)合修復(fù)的研究已有一定的進展。在修復(fù)方法涉及植物時，都會研究遙感數(shù)據(jù)中植物的性狀反應(yīng)。同時，土壤中元素含量與植物、動物、微生物相互聯(lián)系緊密。因此，在采用生物修復(fù)和聯(lián)合修復(fù)方法對土壤進行修復(fù)時，遙感數(shù)據(jù)多數(shù)表現(xiàn)為總體的修復(fù)狀況。

3 存在問題與解決途徑

3.1 監(jiān)測設(shè)備與平臺

目前，在土壤重金屬修復(fù)過程中已經(jīng)可以使用多種設(shè)備及平臺來監(jiān)測修復(fù)效果，其中包括了MODIS系列衛(wèi)星、Landsat系列衛(wèi)星、WorldView系列衛(wèi)星、Hyperion衛(wèi)星、Sentinel衛(wèi)星及手持地物光譜成像儀（ASD、PSR、ATH等）等。但大多數(shù)的監(jiān)測研究平臺都以高光譜平臺為主導(dǎo)，尤其是手持地物光譜成像儀的使用頻率極高。這使得遙感監(jiān)測土壤重金屬修復(fù)的研究在高光譜方向能夠有較為集中成果，大面積監(jiān)測研究及多平臺一體化監(jiān)測研究有待進一步深化。

隨著國產(chǎn)高分系列衛(wèi)星及國內(nèi)商業(yè)衛(wèi)星的成熟與應(yīng)用，不斷擴充土壤重金屬污染修復(fù)監(jiān)測的平臺。同時，衛(wèi)星數(shù)據(jù)的免費獲取和應(yīng)用更能推動遙感監(jiān)測土壤重金屬修復(fù)的區(qū)域化與體系化監(jiān)測研究。

3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量與融合

隨著遙感應(yīng)用的不斷發(fā)展，高光譜技術(shù)也不斷地普及與成熟，大多數(shù)的土壤重金屬污染修復(fù)監(jiān)測研究集中于此，而微波遙感因其數(shù)據(jù)處理復(fù)雜以及來源較少，研究也相對不足。但不可否認(rèn)的是，微波遙感的應(yīng)用確實彌補了光學(xué)遙感的不足[34]。同時，現(xiàn)階段是多源數(shù)據(jù)的結(jié)合監(jiān)測，包含實地或?qū)嶒炇覚z測與多遙感平臺的監(jiān)測。在多源數(shù)據(jù)（遙感數(shù)據(jù)與非遙感數(shù)據(jù)）綜合應(yīng)用的前提下，各種數(shù)據(jù)的類型、格式等復(fù)雜多樣，且優(yōu)勢互補，數(shù)據(jù)同化就顯得異常重要。為更加全面地監(jiān)測土壤重金屬污染狀況與修復(fù)情況，將多源、多種、多屬性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的時空數(shù)據(jù)與物理數(shù)據(jù)的表達(dá)的需求也在逐漸增加。

目前，隨著國內(nèi)外遙感技術(shù)的發(fā)展，尤其是高光譜甚至是超光譜應(yīng)用研究的進步[35]，能有效促進土壤中成分的遙感識別，更能推動遙感監(jiān)測重金屬污染土壤修復(fù)的不斷發(fā)展。

3.3 多學(xué)科交叉研究

土壤重金屬定量遙感的研究缺乏系統(tǒng)性和普適性，分散各領(lǐng)域的研究者們聯(lián)系松散，很難形成系統(tǒng)性的成果[36]。同時，重金屬污染土壤修復(fù)的遙感監(jiān)測研究涉及到一個復(fù)雜的、交匯的知識體系。在遙感監(jiān)測過程中，遙感器涉及光學(xué)、物理學(xué)、測量學(xué)、計算機等多種先進技術(shù)；在土壤修復(fù)過程中又要兼顧化學(xué)、生態(tài)學(xué)、植物學(xué)等多種學(xué)科。

同時，重金屬污染土壤的修復(fù)研究應(yīng)該從源頭的損毀、修復(fù)的過程以及修復(fù)后期管理三方面進行研究，并隨著時空的變化也要進一步調(diào)整[97]。這些需要有效的協(xié)調(diào)各學(xué)科領(lǐng)域的知識與成果，整合出各學(xué)科中高質(zhì)量的二級文獻(xiàn)，便于相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者對于知識的快速獲取。

4 結(jié)論與展望

通過對土壤重金屬污染修復(fù)遙感監(jiān)測相關(guān)進展的梳理，本文從土壤中重金屬含量反演、土壤修復(fù)效果遙感監(jiān)測、存在問題與解決方法三方面綜述了當(dāng)前土壤重金屬污染修復(fù)遙感監(jiān)測的現(xiàn)狀。土壤中重金屬含量反演分為直接反演與間接推斷，兩者的結(jié)合能夠綜合判斷土壤污染狀況及對周邊的生態(tài)環(huán)境的影響。在現(xiàn)有的土壤重金屬污染修復(fù)方法中，生物修復(fù)與聯(lián)合修復(fù)的過程是遙感監(jiān)測研究的主要方向。在遙感監(jiān)測土壤重金屬修復(fù)過程中，主要依靠植物的生理狀況與綜合的生態(tài)環(huán)境變化顯示修復(fù)效果。土壤重金屬污染修復(fù)過程中的監(jiān)測平臺較為單一，多平臺一體化監(jiān)測研究有待進一步深化。遙感監(jiān)測土壤重金屬污染修復(fù)研究的相關(guān)進展中，表現(xiàn)出了監(jiān)測數(shù)據(jù)的多樣化與多源化。同時，由于各個交叉學(xué)科聯(lián)系不足，導(dǎo)致整體性的理論與方法沒有一個系統(tǒng)性的框架?？傮w來說，土壤重金屬污染修復(fù)遙感監(jiān)測研究有了一定的進展，但缺少相對完備的體系結(jié)構(gòu)。

隨著遙感技術(shù)中高光譜、微波甚至是超光譜技術(shù)的研究進步，再建立相對完備的修復(fù)過程的監(jiān)測理論體系，遙感監(jiān)測重金屬污染土壤修復(fù)的研究及應(yīng)用也會有很大的提升。同時，伴隨著從手持到衛(wèi)星等一體化監(jiān)測平臺的健全，空天地人一體化監(jiān)測平臺的建立，也會促進監(jiān)測從宏觀到微觀的貫通性。